Pathfinder, Sojourner – Seznamte se prosím
 
1996-068A, SSC 24667, 4. prosince 1996, MARS PATHFINDER
datum startu: 4.prosince 1996, USA, raketa:  Delta-2/7925 + PAM-D, hmotnost  890 kg
Cíl: přistání na povrchu Marsu, první pojízdné zařízení
 
 

Koncepce programu (aneb komplikovaný osud sondy)

Pathfinder coby hracka od MattelaPrvní schválený projekt programu Discovery, jehož heslem je "rychleji, levněji, lépe" tj. do 150  milionů amerických dolarů (v cenách roku 1992), což je cca patnáctina nákladů na sondy Viking.  Podle současných údajů stála sonda 171  milionů, vozítko  25 milionů,  start 61  milionů a zabezpečení provozu dalších 15 milionů – celkem náklady nepřesahují 280 milionů dolarů.
Program byl označen Discovery II s ohledem  na chronologii startů. Původně  šlo o  samostatný projekt,  který měl  být přípravou  na vybudování sítě malých levných přistávacích zařízení MESUR (Mars Environmental Survey), které měly startovat roku 1999 a 2001. Odtud pochází  název "průkopník" (= Pathfinder). Po rozdělení  programu na "Mars Pathfinder" a "Mars Network" (který byl roku1993 zcela zrušen) byl Pathfinder roku 1991 převeden z AMES Research  Laboratory do JPL v Pasadeně.
Roku 1992 bylo rozhodnuto doplnit sondu Mars Pathfinder (MP) o miniaturní vozítko (Micro-rover) Rocky-IV, přejmenované později na SOJOURNER. Hlavním cílem bylo ověření nové techniky a postupů, avšak uskutečnilo  se i několik  vědeckých experimentů (struktura atmosféry,  meteorologie,  povrchová  geologie,  prvkové  složení a uspořádání  hornin  a  písku).  Další  připravovaná přistání na Marsu se  uskuteční sice podobným způsobem,  avšak se zcela jiným technickým zařízením.

Anatomie sondy (aneb míry a váhy)
 
Sonda se skládala z přistávacího modulu, ochranného aerodynamického štítu a sestupového zařízení, které byly až do příletu  k cíli  uzavřeny v  meziplanetárním  úseku. Celková výška sestavy byla asi tři metry, průměr dva a půl metru. Hmotnost při startu byla 890 kilogramů vč. 90 kg pohonných látek, při příletu k Marsu 566 kg a po přistání 360 kg (z toho 25 kilogramů tvoří užitečné zatížení).

Součástí sondy byly rovněž subsystémy pro přistávací manévr:

Mars Pathfinder byl sterilizován podle  mezinárodních norem. Jen některé části však byly sterilizovány horkem v peci (anténa, padák aj.), zbytek byl čištěn chemicky.
 

Co bylo úkolem Mars Pathfinderu (aneb báječná věda)

I  když  celý  projekt  Mars  Pathfinder je charakterizován především  jako technická  záležitost, vědci  očekávali v případě úspěchu  i  mimořádně velký objem vědeckých  informací  a  nové poznatky především v následujících oborech:

Vhodná  volba  kombinace poměrně malého počtu přístrojů umožnila  realizovat desítky  dílčích výzkumných  úkolů, z  nichž některé byly navrženy neamerickými vědeckými týmy.  
Pathfinder (kolem vyfoukle airbagy) pri pohledu Sojourneru
 
Přístroje Mars Pathfinderu

IMP (Imager For Mars Pathfinder) University of Arizona ve spolupráci s Lockheed Martin Group, Max Planck Institute For  Aeronomy (Lindau, Germany), Technical University of  Braunschweig (Germany), Oersted  Laboratory, Niels Bohr Institute for Astronomy, Physics and Geophysics (Copenhagen, Denmark). Hmotnost 5,20 kg, spotřeba 2,6 W
Stereoskopický barevný zobrazovací systém se sadou výměnných spektrálních filtrů pro každý ze dvou kamerových kanálů (původní návrh sondy předpokládal jen monoskopickou kameru). Skládal se z hlavy kamery (stereo-optika, filtry), dvou CCD detektorů (každý 256x256 prvků), mechanismů a krokových motorků, umožňujících pohyb v azimutu 180° a v elevaci od +83° do -72°). Kamera byla umístěna na vrcholku vysunovací tyče, tj. ve výšce jednoho metru nad povrchem a byla se  sondou spojena kabeláží. Podobný detekční  subsystém bude na sondě Huygens (Descent Imaging Spectroradiometer), jenže s detektory 512x512.
Optiku tvořily dva triplety s výsledným f/18  při efektivní ohniskové vzdálenosti 23  mm, zorným polem 14,4°, rozlišením 1 miliradián – Viking: čb 0,7,  bar.1,4 miliradiánu) a dvě zrcadla (pro vytvoření stereo-efektu od sebe vzdálená 0,15 m). V obou optických svazcích byl vložen 12 polohový výměník se sadou filtrů (čtyři páry atmosférických, dva páry stereo, jedenáct  individuálních geologických, jeden dioptirický).
Zapad Slunce na MarsuKromě stereoskopických byla pořizována i monoskopická panoramata okolí v nejméně osmi spektrálních pásmech. Zobrazovací systém byl bohatě využíván při meteorologických pozorováních. Kupříkladu  vrstva aerosolu  byla měřena  pravidelně zobrazováním Slunce pomocí dvou filtrů. Obsah prachových částic v  atmosféře byl měřen nočním  sledováním Phobosu. Rovněž vlhkost atmosféry byla zjišťována sledováním Slunce s příslušnými spektrálními filtry. Rychlost a směr  atmosférického proudění byl patrný z fotografií malých větrných rukávů, umístěných v různých výškách nad  terénem. Součástí  výzkumu bylo i fotografování sady různě silných permanentních magnetů na plošině sondy, k nimž přilnou prachové částice (MAE - Materials Adherence Experiment) a studium vlastností povrchového materiálu ze snímků otisku kol roveru (WAE - Wheel Abrasion Experiment).

ASI/MET (Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Experiment) JPL, Pasadena, California. Hmotnost 2,04 kg, spotřeba 3,2 W
Technický systém, umožňující získat informace o atmosféře během sestupu sondy při přistávání (profily atmosférické hustoty, teploty a tlaku od výšky 100 kilometrů až  k povrchu) a  po celou dobu činnosti na Marsu. Součástí byl třísložkový akcelerometr, schopný měřit v rozsahu od mikrozrychlení až po 50 G. Dále sada senzorů teploty, tlaku a proudění větru spolu s palubní elektronikou.
Teplotní čidla tvořily termočlánky – jeden  pro měření při sestupu, další  ve výšce 25, 50 a 100 cm nad povrchem. Vikingy měly čidlo jen v jedné výšce a nemohly být proto získány informace o vertikálním proudění.

Další experiment je instalován na roveru MFEX.
Podstatnou novinkou celého projektu byl první pohyblivý prostředek – vozík Sojourner s technickým označením MFEX (Microrover Flight  Experiment). Bylo ho možno ovládat ze Země, avšak řada činností se vykonávala autonomně. Skládal se z hliníkové konstrukce na šestikolovém podvozku Rocker-Bogie, navrženém v JPL koncem osmdesátých let a přístroje APXS  na výklopném mechanismu. Celková hmotnost byla 11,5  kg, délka 630  mm, šířka 480 mm, výška 280 mm a zdvih podvozku 130 mm. Během letu byl připevněn třemi ocelovými nýty ke vnitřní stěně jednoho panelu – jeho  rampa, upevnění a pyrotechnika pro uvolnění měly hmotnost 6 kg.
Na "zádech" vozidla byl panel slunečních baterií o ploše 0,22 m2 a hmotnosti 0,34 kg, pokrytý celkem 234 články GaAs/Ge (2x4 cm) o účinnosti asi 20 procent, které poskytují při maximálním osvětlení 16,5 W (napětí 14-18 V). Mohly pracovat v teplotním rozmezí -140°C  až + 110°C. V případě mimořádné zvýšené spotřeby bylo možné připojit záložní zdroj energie,  kterým byly tři baterie Li-SOCl2 (po třech článcích, zapojených do serie – délka 18 cm, průměr 4 cm) o hmotnosti 1,24 kg a kapacitě po maximálně 12 Ah (napětí 8-11 V), které však nešlo dobíjet.
 

Vozitko Sojourner na rampe Pathfinderu druhy den po pristani
 
Vozítko mělo svůj vlastní řídicí systém (0,5 kg, 1,5 W) s osmibitovým mikroprocesorem typu Intel 80C85 s rychlostí 100 000 instrukcí/s a operační pamětí RAM 0,576 Mbyte. Počítač komunikoval se sedmdesáti sensory a ovládal další systémy (kamery, modem, motory a elektroniku experimentů). Do paměti se vešlo uložit vždy nejvýše jedno zobrazení.
Jízdní vlastnosti roveru při pozemních zkouškách byly obdivuhodné. Každé kolo mělo svůj vlastní náhon s převodem 2000:1,  přední a zadní pár byl samostatně nastavitelný, což umožňuje prakticky otočení na místě. Obvyklá rychlost pohybu byla pod  0,4 m/min. a kinematické řešení předpokládalo zvládnutí překážek o výšce 26 centimetrů se sklonem do 30 stupňů. Protože byl vybaven autonomním systémem navigace pomocí laserového dálkoměru, snadno se vyhnul větším překážkám a  objel je. Normální spotřeba byla 10 W, v kombinaci s baterií se dala nouzově zvýšit až na 30 W.
S ohledem na omezené možnosti energetického systému byla hlavní činnost  roveru plánována každý sol (jeden marťanský den) jen v intervalu několika hodin kolem poledne místního času (výjimkou bylo dokončení analýzy spektrometrem APX.
Akční radius Sojourneru byl 500 metrů bez zhoršení kvality komunikace s Pathfinderem. Sonda i rover byly vybaveny radiovými modemy (UHF) s maximální rychlostí přenosu 9600 bit/s. Pokud by se rover vzdálil od sondy na víc než deset metrů, dostal by se mimo zobrazovací možnosti kamery sondy a musel se spoléhat sám na sebe. Byl proto vybaven  autonomním navigačním systém se stereokamerami a laserovým dálkoměrem pro detekci překážek.
Aby mohl přečkat nízké teploty na povrchu Marsu, měl systém tepelné  regulace, využívající tří radioizotopických ohřívačů (tabletky plutonia o hmotnosti po 2,6 gramu). Blok elektroniky byl izolován v teplotním rozmezí -40° až +40°C  speciální izolací, vyráběnou pouze v  JPL – tzv. pevný kouř (Solid Silica Aerogel), který má hustotu jen 1/50 hustoty vody.

Přístrojové vybavení roveru:
Těžiště úkolů vozidla spočívalo v deseti technických experimentech, souvisejících s vlastní konstrukcí a provozem v neznámém  terénu. Vědecké cíle byly sice sekundární, avšak významné. Zobrazovací zařízení mělo získat řadu záběrů povrchu i se  sondou Pathfinder a především spektrometr APX podstatně přispěl k poznání povrchu Marsu. Obrazové informace o přistávacím modulu umožnily kontrolu jeho stavu a zjištění  případných poškození.

Zobrazovací zařízení. Vpředu byla instalována dvojice monochromatických kamer Kodak se sensory KAI-0378, schopných získávat stereoskopická zobrazení povrchu. Záběry byly charakteristické tím, že byly pořizovány z pohledu těsně nad Mars videny ocima Sojournerupovrchem.  Vzadu byla barevná kamera Kodak se sensorem KAI-0371M, schopná snímat až milimetrové detaily vzorků, zkoumaných  APXS. Všechna zařízení firmy Kodak vycházela z běžné součástkové základny a jsou obdobou komerčně dostupné digitální videokamery DVC-300.

APXS – Alpha Proton X-Ray Spectrometer, Alpha  Proton  Spectrometer:  Max  Planck  Institute,  Dept. of Chemistry, Mainz, Germany, X-Ray Spectrometer: University of Chicago, USA. Hmotnost 0,74 kg, spotřeba 0,8 W
Alfa-protonový a rentgenový spektrometr bylo zařízení podobného typu, jaké bylo na ruských sondách Vega a Phobos a prakticky identické s přístrojem na Marsu-96, ovšem v tomto případě bylo poprvé použito na pohyblivém nosiči a mohlo získat nejen spektra písečného materiálu, nýbrž i vybraných kamenů. Princip byl vyzkoušen na měsíčních Surveyorech. APXS byl umístěn na podvozku roveru v jeho zadní části na výklopném mechanismu (20°) jako jeho jediný vědecký přístroj.
Spektrometr APX může určit obsah většiny významných prvků s výjimkou vodíku. Analýza je založena na třech různých interakcích vyzařovaných částic alfa o známé energii s analyzovanou látkou: pružném rozptylu záření alfa, jaderné reakce s lehkými prvky a vyzařování rentgenového záření. Při interakci s prvky s atomovými čísly 9 až 14 se získala protonová spektra, při interakci s těžšími  prvky byla získána rentgenová spektra. Úplná analýza vzorku trvala deset hodin.