Mars Pathfinder [1] es una nave espacial robótica estadounidense que aterrizó una estación base con una sonda itinerante en Marte en 1997. Consistía en un módulo de aterrizaje , rebautizado como Carl Sagan Memorial Station , y un explorador robótico ligero de Marte con ruedas de 10,6 kg (23 lb)llamado Sojourner , [4] el primer explorador en operar fuera del sistema Tierra-Luna.
Lanzado el 4 de diciembre de 1996 por la NASA a bordo de un módulo Delta II un mes después del Mars Global Surveyor , aterrizó el 4 de julio de 1997 en el valle de Ares de Marte , en una región llamada Chryse Planitia en el cuadrángulo de Oxia Palus . El módulo de aterrizaje se abrió entonces, dejando al descubierto el rover que realizó muchos experimentos en la superficie marciana. La misión llevaba una serie de instrumentos científicos para analizar la atmósfera , el clima y la geología marcianos y la composición de sus rocas y suelo. Fue el segundo proyecto del Programa Discovery de la NASA , que promueve el uso de naves espaciales de bajo coste y lanzamientos frecuentes bajo el lema "más barato, más rápido y mejor" promovido por el entonces administrador Daniel Goldin . La misión fue dirigida por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), una división del Instituto de Tecnología de California , responsable del Programa de Exploración de Marte de la NASA . El director del proyecto fue Tony Spear del JPL .
Esta misión fue la primera de una serie de misiones a Marte que incluyeron rovers, y fue el primer módulo de aterrizaje exitoso desde que los dos Viking aterrizaron en Marte en 1976. Aunque la Unión Soviética envió con éxito rovers a la Luna como parte del programa Lunokhod en la década de 1970, sus intentos de usar rovers en su programa de Marte fracasaron.
Además de los objetivos científicos, la misión Mars Pathfinder también fue una "prueba de concepto" para varias tecnologías, como el aterrizaje mediante airbag y la evitación automática de obstáculos, ambas explotadas posteriormente por la misión Mars Exploration Rover . La misión Mars Pathfinder también se destacó por su costo extremadamente bajo en relación con otras misiones espaciales robóticas a Marte. Originalmente, la misión fue concebida como la primera del programa Mars Environmental Survey (MESUR). [5]
El Mars Pathfinder realizó diferentes investigaciones sobre el suelo marciano utilizando tres instrumentos científicos. El módulo de aterrizaje contenía una cámara estereoscópica con filtros espaciales en un mástil expansible llamado Imager for Mars Pathfinder (IMP), [8] [9] y el Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Package (ASI/MET) [10] que actuó como una estación meteorológica marciana, recopilando datos sobre presión, temperatura y vientos. La estructura MET incluía tres mangas de viento montadas a tres alturas en un mástil, la más alta a aproximadamente un metro (3,3 pies) y generalmente registraba vientos del oeste. [11]
El rover Sojourner contaba con un Espectrómetro de Rayos X de Protones Alfa ( APXS ), [12] que se utilizó para analizar los componentes de las rocas y el suelo. El rover también tenía dos cámaras en blanco y negro y una en color. Estos instrumentos podían investigar la geología de la superficie marciana desde apenas unos milímetros hasta muchos cientos de metros, la geoquímica y la historia evolutiva de las rocas y la superficie, las propiedades magnéticas y mecánicas de la tierra, así como las propiedades magnéticas del polvo, la atmósfera y la dinámica rotacional y orbital del planeta.
El rover estaba equipado con tres cámaras CCD , todas ellas fabricadas por Eastman Kodak Company y controladas por la CPU del rover. Las dos cámaras monocromáticas frontales servían para fines de navegación y estaban acopladas a cinco proyectores de franjas láser para la detección estereoscópica de peligros. Estas cámaras frontales tenían una resolución de 484 píxeles verticales por 768 horizontales y una resolución óptica capaz de discernir detalles tan pequeños como 0,6 cm (0,24 pulgadas) en un rango de 0,65 m (26 pulgadas). Las imágenes de estas cámaras podían comprimirse utilizando el algoritmo de codificación de truncamiento de bloques (BTC).
La tercera cámara, situada en la parte trasera cerca del APXS, se utilizó para la captura de imágenes en color. Compartía la resolución de las cámaras frontales, pero se giraba 90 grados para capturar imágenes tanto del área objetivo del APXS como de las huellas del rover. Esta cámara trasera presentaba un bloque de píxeles de 4x4 con sensibilidades de color específicas: 12 píxeles para el verde, dos para el rojo y dos para el infrarrojo . Todas las cámaras empleaban lentes hechas de seleniuro de zinc , que bloquea las longitudes de onda de la luz por debajo de los 500 nm; como resultado, los píxeles azules/infrarrojos detectaban de manera efectiva solo la luz infrarroja. Cada cámara tenía funciones de exposición automática y manejo de píxeles defectuosos. Los parámetros de imagen, como el tiempo de exposición y los ajustes de compresión, se incluían en los encabezados de imagen transmitidos. Si se iba a utilizar la compresión BTC en la cámara trasera, sería necesario descartar la información de color. [13]
El IMP tenía un conjunto de filtros diseñados para registrar fenómenos atmosféricos y de superficie. Había dos cámaras, u ojos, que permitían obtener imágenes estereoscópicas , con conjuntos de filtros ligeramente diferentes entre ellos. [16] [17] [18]
El ASI/MET registró datos de temperatura, presión y viento durante la entrada y el descenso, y una vez en la superficie. [16] También albergaba la electrónica para el funcionamiento de los sensores y el registro de datos. [16]
El lugar de aterrizaje fue una antigua llanura de inundación en el hemisferio norte de Marte llamada " Ares Vallis " ("el valle de Ares", el equivalente griego antiguo de la antigua deidad romana Marte) y se encuentra entre las partes más rocosas de Marte. Los científicos lo eligieron porque encontraron que era una superficie relativamente segura para aterrizar y que contenía una amplia variedad de rocas depositadas durante una inundación catastrófica. Después del aterrizaje, en 19°08′N 33°13′O / 19.13, -33.22 , [20] tuvo éxito, el módulo de aterrizaje recibió el nombre de Estación Memorial Carl Sagan en honor al astrónomo . [21] (Véase también Lista de monumentos extraterrestres )
Mars Pathfinder entró en la atmósfera marciana y aterrizó utilizando un sistema innovador que incluye una cápsula de entrada, un paracaídas supersónico , seguido de cohetes sólidos y grandes bolsas de aire para amortiguar el impacto.
Mars Pathfinder entró directamente en la atmósfera de Marte en dirección retrógrada desde una trayectoria hiperbólica a 6,1 km/s (14.000 mph) utilizando una cubierta aerodinámica (cápsula) de entrada atmosférica derivada del diseño original de la sonda Viking Mars. La cubierta aerodinámica consistía en una cubierta posterior y un escudo térmico ablativo especialmente diseñado para reducir la velocidad a 370 m/s (830 mph), donde se infló un paracaídas supersónico de banda de separación de disco para reducir la velocidad de su descenso a través de la delgada atmósfera marciana a 68 m/s (150 mph). La computadora de a bordo de la sonda utilizó acelerómetros redundantes a bordo para determinar el momento del inflado del paracaídas. Veinte segundos después, el escudo térmico se liberó pirotécnicamente. Otros veinte segundos después, la sonda se separó y se bajó de la cubierta posterior con una brida de 20 m (66 pies). Cuando el módulo de aterrizaje alcanzó los 1,6 km (5200 pies) sobre la superficie, la computadora de a bordo utilizó un radar para determinar la altitud y la velocidad de descenso. La computadora utilizó esta información para determinar el momento preciso de los eventos de aterrizaje posteriores. [22]
Una vez que el módulo de aterrizaje se encontraba a 355 m (1165 pies) sobre el suelo, se inflaron bolsas de aire en menos de un segundo utilizando tres generadores de gas. [23] Las bolsas de aire estaban hechas de cuatro bolsas de vectran multicapa interconectadas que rodeaban el módulo de aterrizaje tetraédrico. Fueron diseñadas y probadas para soportar impactos con un ángulo rasante de hasta 28 m/s (63 mph). Sin embargo, como las bolsas de aire estaban diseñadas para impactos verticales de no más de 15 m/s (34 mph), se montaron tres retrocohetes sólidos sobre el módulo de aterrizaje en la carcasa trasera. [24] Estos se dispararon a 98 m (322 pies) sobre el suelo. La computadora a bordo del módulo de aterrizaje calculó el mejor momento para disparar los cohetes y cortar la brida para que la velocidad del módulo de aterrizaje se redujera a aproximadamente cero entre 15 y 25 m (49 y 82 pies) sobre el suelo. Después de 2,3 segundos, mientras los cohetes seguían en marcha, el módulo de aterrizaje soltó la brida a unos 21,5 m (71 pies) sobre el suelo y cayó al suelo. Los cohetes volaron hacia arriba y se alejaron con la carcasa trasera y el paracaídas (desde entonces han sido avistados mediante imágenes orbitales). El módulo de aterrizaje impactó a 14 m/s (31 mph) y limitó el impacto a solo 18 G de desaceleración. El primer rebote fue de 15,7 m (52 pies) de altura y continuó rebotando durante al menos 15 rebotes adicionales (el registro de datos del acelerómetro no continuó durante todos los rebotes). [25]
Todo el proceso de entrada, descenso y aterrizaje se completó en cuatro minutos.
Una vez que el módulo de aterrizaje dejó de rodar, las bolsas de aire se desinflaron y se retrajeron hacia el módulo de aterrizaje utilizando cuatro cabrestantes montados en los "pétalos" del módulo de aterrizaje. Diseñado para enderezarse desde cualquier orientación inicial, el módulo de aterrizaje rodó hacia arriba sobre su pétalo base. Ochenta y siete minutos después del aterrizaje, los pétalos se desplegaron con el rover Sojourner y los paneles solares fijados en el interior. [26]
El módulo de aterrizaje llegó por la noche a las 2:56:55 hora solar local de Marte (16:56:55 UTC) el 4 de julio de 1997. El módulo de aterrizaje tuvo que esperar hasta el amanecer para enviar sus primeras señales e imágenes digitales a la Tierra. El lugar de aterrizaje estaba situado a 19,30° de latitud norte y 33,52° de longitud oeste en Ares Vallis, a sólo 19 km (12 mi) al suroeste del centro de la elipse del lugar de aterrizaje de 200 km (120 mi) de ancho. Durante el Sol 1, el primer día solar marciano que el módulo de aterrizaje pasó en el planeta, el módulo de aterrizaje tomó fotografías y realizó algunas mediciones meteorológicas. Una vez recibidos los datos, los ingenieros se dieron cuenta de que uno de los airbags no se había desinflado por completo y podría ser un problema para la próxima travesía de la rampa de descenso del Sojourner . Para resolver el problema, enviaron comandos al módulo de aterrizaje para que levantara uno de sus pétalos y realizara una retracción adicional para aplanar el airbag. El procedimiento fue un éxito y en el sol 2, Sojourner fue liberado, se puso de pie y retrocedió por una de dos rampas. [26]
El rover Sojourner despegó del módulo de aterrizaje en el sol 2, después de su aterrizaje el 4 de julio de 1997. A medida que avanzaban los siguientes soles, se acercó a unas rocas, a las que los científicos bautizaron como " Barnacle Bill ", " Yogi " y " Scooby-Doo ", en honor a famosos personajes de dibujos animados . El rover realizó mediciones de los elementos encontrados en esas rocas y en el suelo marciano, mientras que el módulo de aterrizaje tomó fotografías del Sojourner y del terreno circundante, además de realizar observaciones climáticas.
El Sojourner es un vehículo de seis ruedas de 65 cm (26 pulgadas) de largo, 48 cm (19 pulgadas) de ancho, 30 cm (12 pulgadas) de alto y un peso de 10,5 kg (23 libras). [27] Su velocidad máxima alcanzó 1 cm/s (0,39 pulgadas/s). El Sojourner viajó aproximadamente 100 m (330 pies) en total, nunca más de 12 m (39 pies) desde la estación Pathfinder . Durante sus 83 soles de operación, envió 550 fotografías a la Tierra y analizó las propiedades químicas de 16 lugares cercanos al módulo de aterrizaje. (Véase también Exploración espacial róveres )
El primer análisis de una roca se inició en el Sol 3 con Barnacle Bill. Se utilizó el Espectrómetro de Rayos X de Partículas Alfa (APXS) para determinar su composición; el espectrómetro tardó diez horas en realizar un escaneo completo de la muestra. Encontró todos los elementos excepto el hidrógeno , que constituye solo el 0,1 por ciento de la masa de la roca o del suelo.
El APXS funciona irradiando rocas y muestras de suelo con partículas alfa ( núcleos de helio , que consisten en dos protones y dos neutrones ). Los resultados indicaron que "Barnacle Bill" es muy similar a las andesitas de la Tierra, lo que confirma la actividad volcánica pasada . El descubrimiento de andesitas muestra que algunas rocas marcianas han sido refundidas y reprocesadas. En la Tierra, la andesita se forma cuando el magma se asienta en bolsas de roca mientras que parte del hierro y el magnesio se depositan. En consecuencia, la roca final contiene menos hierro y magnesio y más sílice. Las rocas volcánicas generalmente se clasifican comparando la cantidad relativa de álcalis (Na 2 O y K 2 O) con la cantidad de sílice (SiO 2 ). La andesita es diferente de las rocas que se encuentran en los meteoritos que provienen de Marte. [28] [29] [30]
El análisis de la roca de Yogi utilizando nuevamente el APXS mostró que se trataba de una roca basáltica , más primitiva que Barnacle Bill. La forma y la textura de Yogi muestran que probablemente fue depositada allí por una inundación .
Otra roca, llamada Moe, tenía ciertas marcas en su superficie que demostraban la erosión causada por el viento. La mayoría de las rocas analizadas mostraban un alto contenido de silicio . En otra región conocida como Rock Garden, Sojourner encontró dunas con forma de medialuna, que son similares a las dunas en forma de medialuna de la Tierra.
Cuando se describieron los resultados finales de la misión en una serie de artículos en la revista Science (5 de diciembre de 1997), se creía que la roca Yogi contenía una capa de polvo, pero era similar a la roca Barnacle Bill. Los cálculos sugieren que las dos rocas contienen principalmente los minerales ortopiroxeno (silicato de magnesio y hierro), feldespatos (silicatos de aluminio de potasio, sodio y calcio) y cuarzo (dióxido de silicio), con cantidades más pequeñas de magnetita, ilmenita, sulfuro de hierro y fosfato de calcio. [28] [29] [30]
La computadora incorporada a bordo del rover Sojourner estaba basada en la CPU Intel 80C85 de 2 MHz [31] con 512 KB de RAM y 176 KB de memoria flash de almacenamiento de estado sólido , ejecutando un ejecutivo cíclico . [32]
La computadora del módulo de aterrizaje Pathfinder era una CPU IBM Risc 6000 Single Chip (Rad6000 SC) reforzada con radiación con 128 MB de RAM y 6 MB de EEPROM [33] [34] y su sistema operativo era VxWorks . [35]
La misión se vio comprometida por un error de software concurrente en el módulo de aterrizaje, [36] que se había encontrado en las pruebas previas al vuelo pero que se consideró un fallo y, por lo tanto, se le dio una baja prioridad ya que solo ocurría en ciertas condiciones de carga pesada imprevistas, y el enfoque estaba en verificar el código de entrada y aterrizaje. El problema, que se reprodujo y corrigió desde la Tierra utilizando un duplicado de laboratorio gracias a la funcionalidad de registro y depuración habilitada en el software de vuelo, se debió a reinicios de la computadora causados por inversión de prioridad . No se perdió ningún dato científico o de ingeniería después de un reinicio de la computadora, pero todas las operaciones siguientes se interrumpieron hasta el día siguiente. [37] [38] Ocurrieron cuatro reinicios (el 5, 10, 11 y 14 de julio) durante la misión, [39] antes de parchear el software el 21 de julio para habilitar la herencia de prioridad . [40]
El módulo de aterrizaje envió más de 2.300 millones de bits (287,5 megabytes) de información, incluidas 16.500 imágenes, y realizó 8,5 millones de mediciones de la presión atmosférica , la temperatura y la velocidad del viento. [41]
Al tomar múltiples imágenes del cielo a diferentes distancias del Sol, los científicos pudieron determinar que el tamaño de las partículas en la neblina rosada era de aproximadamente un micrómetro de radio. El color de algunos suelos era similar al de una fase de oxihidróxido de hierro, lo que apoyaría la teoría de un clima más cálido y húmedo en el pasado. [42] Pathfinder llevaba una serie de imanes para examinar el componente magnético del polvo. Finalmente, todos los imanes, excepto uno, desarrollaron una capa de polvo. Dado que el imán más débil no atraía ningún tipo de suelo, se concluyó que el polvo en el aire no contenía magnetita pura o solo un tipo de maghemita . El polvo probablemente era un agregado posiblemente cementado con óxido férrico (Fe 2 O 3 ). [43] Utilizando instrumentos mucho más sofisticados, el rover Mars Spirit descubrió que la magnetita podía explicar la naturaleza magnética del polvo y el suelo de Marte. Se encontró magnetita en el suelo y la parte más magnética del suelo era oscura. La magnetita es muy oscura. [44]
Mediante el seguimiento Doppler y la medición de distancia bidireccional , los científicos añadieron mediciones anteriores de los módulos de aterrizaje Viking para determinar que el componente no hidrostático del momento de inercia polar se debe al abultamiento de Tharsis y que el interior no está fundido. El núcleo metálico central tiene un radio de entre 1.300 y 2.000 km (810 y 1.240 mi). [28]
Aunque la misión estaba prevista para durar entre una semana y un mes, el rover funcionó con éxito durante casi tres meses. La comunicación falló después del 7 de octubre [45] y se recibió una última transmisión de datos del Pathfinder a las 10:23 UTC del 27 de septiembre de 1997. Los responsables de la misión intentaron restablecer la comunicación durante los cinco meses siguientes, pero la misión se dio por terminada el 10 de marzo de 1998. Durante la prolongada operación se estaba realizando un panorama estéreo de alta resolución del terreno circundante y el rover Sojourner iba a visitar una cresta distante, pero el panorama sólo estaba completado en un tercio y la visita a la cresta no había comenzado cuando falló la comunicación [45] .
La batería de a bordo, diseñada para funcionar durante un mes, podría haber fallado después de varias cargas y descargas. La batería se utilizaba para calentar los componentes electrónicos de la sonda a temperaturas ligeramente superiores a las esperadas durante la noche en Marte. Con la falla de la batería, las temperaturas más frías de lo normal podrían haber causado la rotura de partes vitales, lo que provocó la pérdida de comunicaciones. [45] [46] La misión había superado sus objetivos en el primer mes.
La sonda Mars Reconnaissance Orbiter detectó el módulo de aterrizaje Pathfinder en enero de 2007 (ver foto). [47] [48]
El nombre Sojourner fue elegido para el explorador Mars Pathfinder cuando Valerie Ambroise, de 12 años, de Bridgeport, Connecticut, ganó un concurso mundial de un año de duración en el que se invitó a estudiantes de hasta 18 años a seleccionar una heroína y enviar un ensayo sobre sus logros históricos. Se pidió a los estudiantes que abordaran en sus ensayos cómo un explorador planetario que llevara el nombre de su heroína trasladaría estos logros al entorno marciano.
El concurso, iniciado en marzo de 1994 por la Sociedad Planetaria de Pasadena, California, en cooperación con el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, comenzó con un anuncio en la edición de enero de 1995 de la revista Science and Children de la Asociación Nacional de Profesores de Ciencias , que se distribuyó a 20.000 profesores y escuelas de todo el país. [49]
El ensayo ganador de Ambroise, que sugería nombrar al rover en honor a la activista por los derechos de las mujeres del siglo XIX Sojourner Truth , fue seleccionado entre 3500 ensayos. La primera finalista fue Deepti Rohatgi, de 18 años, de Rockville, Maryland, quien sugirió a la científica Marie Curie . El segundo finalista fue Adam Sheedy, de 15 años, de Round Rock, Texas, quien presentó el nombre de la difunta astronauta Judith Resnik , quien falleció en la explosión del transbordador espacial Challenger en 1986. Otras sugerencias populares incluyeron a la exploradora y guía Sacajewea y a la aviadora Amelia Earhart . [50]
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