Пакет тепловых потоков и физических свойств - Heat Flow and Physical Properties Package

Пакет тепловых потоков и физических свойств (HP3)
Пакет
Художественное впечатление от HP3 на поверхности Марса
ОператорНАСА
ПроизводительНемецкий аэрокосмический центр (DLR)
Тип инструментаинфракрасный радиометр,
датчик теплопроводности
ФункцияГеофизика Марса
Продолжительность миссии2 года на Марсе (планируется)
Начались операцииПосадка: 26 ноября 2018 г.
Интернет сайтМарс.nasa.gov/на виду/ миссия/ инструменты/ hp3/
Свойства
Масса3 кг (6,6 фунта)
Потребляемая мощность2 Вт
Хост космический корабль
Космический корабльНа виду Посадочный модуль на Марс
ОператорНАСА
Дата запуска5 мая 2018, 11:05 (2018-05-05UTC11: 05) универсальное глобальное время
РакетаАтлас V 401[1]
Запустить сайтВанденберг SLC-3E[1]
COSPAR ID2018-042A

В Пакет тепловых потоков и физических свойств (HP3) является научным грузом на борту На виду спускаемый аппарат с приборами для изучения теплового потока и других тепловых свойств Марс. Один из инструментов, зонд, прозванный «крот», предназначен для проникновения на глубину 5 м (16 футов) под поверхностью Марса. В марте 2019 года крот зарылся на несколько сантиметров, но затем из-за различных сценариев не смог двигаться дальше. В следующем году были приложены дополнительные усилия для решения проблем.[2] По состоянию на июнь 2020 г.верхняя часть крота находится на одном уровне с марсианским реголитом, и работы по рытью норы продолжаются.[3]

HP3 был предоставлен Немецкий аэрокосмический центр (DLR). Ударный механизм внутри крота разработан польской компанией. Астроника и Центр космических исследований Польская Академия Наук по контракту и в сотрудничестве с DLR.[4][5]

Главный исследователь - Тилман Спон из Немецкого аэрокосмического центра.[6][7]

Обзор

HP3 обзорная анимация

Миссия направлена ​​на понимание происхождения и разнообразия планеты земной группы.[6] Информация от HP3 Ожидается, что пакет теплового потока покажет, сформировались ли Марс и Земля из одного и того же материала, и определит, насколько активны внутренние части Марса сегодня.[6][7][8][9] Дополнительные научные цели включают определение толщины коры Марса, состава его мантии и тепловых характеристик недр, таких как градиент температуры и тепловой поток.[10]

Вместе с сейсмометром миссия оценит размер Марса. ядро и является ли ядро ​​жидким или твердым.[11] Вибрации, создаваемые кротом, будут отслеживаться SEIS, чтобы узнать о местных недрах.[12]

Помимо родинки, HP3 включает инфракрасный радиометр (HP3-RAD), установленный на посадочной платформе, также предоставлен DLR.[13][14][15]

     
Схема, показывающая компоненты HP3

HP3 Датчик теплового потока состоит из следующих подсистем:[16]

  • Структура поддержки (SS) корпус, который включает:
    • Инженерный трос (ЕТ) для связи между опорной конструкцией для посадочного модуля
    • Научная привязь (ТЕМ-П) а гибкая печатная плата с 14 платиной RTD для измерения тепловых свойств реголита.
    • Монитор длины привязи (TLM) оптический измеритель длины для измерения развернутой длины научного троса
  • Инфракрасный радиометр (HP3-RAD) для измерения температуры поверхности.
  • Бэкенд электроника (BEE) электронный блок управления
  • Моль пенетрометр для рытья под поверхностью
    • ТЕМ-А активный датчик теплопроводности
    • СТАТИЛЬНЫЙ наклономер для определения ориентации и направления родинки.

Развитие

HP3 перед запуском. Слева направо: крот, научная привязь, опорная конструкция и инженерная привязь.

HP3 был задуман Громовым В.В. и соавт. в 1997 г.[4][17] и впервые использовался в качестве инструмента PLUTO на неудачном 2003 г. Бигль 2 Миссия посадочного модуля на Марс.[4] HP3 получил дальнейшее развитие, и в 2001 году было предложено выполнить миссию Меркурий,[18] в 2009 г. Европейское космическое агентство как часть полезной нагрузки Humboldt на борту ЭкзоМарс посадочный модуль[19][18] в 2010 году для полета на Луну,[20] а в 2011 году он был предложен НАСА Программа открытия как полезная нагрузка для На виду Марсианский посадочный модуль, известный в то время как GEMS (Станция геофизического мониторинга).[8] На виду был спущен на воду 5 мая 2018 года и приземлился 26 ноября 2018 года.

Моль пенетрометр

Крот описывается как «самовзбивающийся гвоздь», он был разработан, чтобы зарываться под поверхность Марса, таща за собой трос со встроенными нагревателями и датчиками температуры. Цель состоит в том, чтобы измерить тепловые свойства внутренней части Марса и таким образом получить уникальную информацию о геологической истории планеты.[4]

Ройный крот представляет собой заостренный цилиндр с гладкой внешней поверхностью примерно 35 см (14 дюймов) в длину и 3,5 см (1,4 дюйма) в диаметре. Он содержит нагреватель для определения теплопроводности во время спуска, а также трос, оборудованный точными датчиками тепла, расположенными с интервалами 10 см (3,9 дюйма) для измерения профиля температуры под поверхностью.[6][7]

Блок пенетратора «Крот» предназначен для размещения около спускаемого аппарата на участке длиной около 3 м и шириной 2 м.[21] Общая масса системы составляет примерно 3 кг (6,6 фунта), и она потребляет максимум 2 ваттс, пока родинка активна.[7]

Для перемещения крот использует мотор и коробку передач (предоставляет Максон ) и кулачковый ролик, который периодически нагружает пружину, соединенную со стержнем, который действует как молот. После выхода из кулачка молот ускоряется вниз, чтобы ударить по внешнему корпусу и вызвать его проникновение через реголит. Между тем, подавляющая масса движется вверх, и его кинетическая энергия компенсируется гравитационным потенциалом и сжатием тормозной пружины и проволочной спирали на противоположной стороне крота.[4]

В принципе, каждые 50 см (20 дюймов) зонд испускает тепловой импульс, а его датчики измеряют, как тепловой импульс изменяется со временем. Если корка материал является проводником тепла, как и металл, импульс будет быстро затухать.[7] Сначала кроту дают остыть в течение двух дней, а затем нагревают примерно до 10 ° C (50 ° F) в течение 24 часов. Датчики температуры внутри троса измеряют, насколько быстро это происходит, что говорит ученым о теплопроводности почвы.[22] Вместе эти измерения дают скорость потока тепла изнутри.

HP3 Первоначально предполагалось, что кроту потребуется около 40 дней, чтобы достичь глубины 5 м (16 футов).[23] Когда крот прячется, он также генерирует вибрации, которые SEIS может обнаружить, что может дать информацию о марсианских недрах.[12]

Анимация HP3 выводится на поверхность роботизированной рукой InSight (IDA).
Анимация HP3 зарывшийся в Марс крот.

Усилия проникновения

В марте 2019 г.3 начал зарываться в поверхностный песок, но через несколько сантиметров остановился тем, что первоначально предполагалось, это большой камень.[24] Дальнейший анализ и тестирование модели на Земле показали, что проблема может быть связана с недостаточным трением. В июне 2019 года было обнаружено больше доказательств этого, когда опорная конструкция была снята с HP.3 моль. Марсианский реголит оказался сжатым, оставив зазор вокруг зонда.

Была реализована техника с использованием роботизированной руки спускаемого аппарата, которая давила на почву рядом с зондом, чтобы увеличить трение с почвой.[25][26][27][28] В конечном итоге этот метод не смог создать достаточной направленной вниз силы, поскольку HP3 зонд находился на пределе дальности действия руки.[28]

Вместо этого команда использовала роботизированный совок, чтобы прижать зонд к краю отверстия. Первоначально этот метод казался успешным, поскольку зонд продолжал копать в течение двух недель, пока не оказался на одном уровне с поверхностью.[29][30] В это время открытая верхняя часть зонда была слишком маленькой, чтобы совок мог прижаться к нему, поэтому совок был перемещен так, чтобы давить на почву возле зонда. К сожалению, это заставило зонд снова откатиться из-за необычных свойств почвы и низкого атмосферного давления.[31] Когда зонд отскочил, рыхлая почва заполнила область под ним и снова наполовину подняла зонд.[32] В январе 2020 года команда снова использовала метод закрепления, но зонд снова вылетел после того, как совок был перемещен.[33]

В феврале 2020 года команда повторно оценила риски, связанные с выталкиванием задней крышки крота напрямую с помощью роботизированной совки, и определила процедуру приемлемой. Процедура продвигалась медленно из-за необходимости перемещать лопатку после каждого 1,5 см прогресса. В июне 2020 года вершина крота достигла поверхности реголита.[3] Родинка вышла на поверхность под углом 30 градусов от вертикали, но этот угол может уменьшиться, если будет достигнута большая глубина.[34]

В июле 2020 года выяснилось, что крот подпрыгивает на месте под черпаком, что говорит о недостаточном трении для продолжения копания. Предлагаемое решение заключалось в том, чтобы заполнить яму песком, чтобы распределить давление от роботизированного ковша, тем самым увеличивая трение. Эта процедура была проведена в начале августа 2020 года.[35]

В конце августа 2020 года тест показал положительные результаты. Лопатка прикладывала направленную вниз силу к песку, покрывающему родинку, при выполнении ударов молотком. Этот тест показал прогресс на несколько миллиметров,[36] и в конечном итоге закопали инструмент. В октябре 2020 года верхняя часть крота находилась ниже поверхности Марса, и было принято решение соскрести еще две ложки реголита и утрамбовать их роботизированным совком.[37] Отбойные работы планируется продолжить в январе 2021 года.

Усилия HP3 проникнуть на поверхность Марса

  • Инженерный анализ крота после первоначальной проблемы пришел к выводу, что нижняя часть крота находилась примерно на 12–14 дюймов (30–36 см) в глубине марсианской земли, а часть его вершины все еще находилась внутри HP.3 опорная конструкция.

  • На видус HP3 Компоненты после подъема опорной конструкции от моль. На этом изображении показана область сжатого реголита вокруг пенетрометра Mole.

  • Первоначальный успех техники пиннинга показан на этом покадровом видео, на котором зонд проникает в реголит.

  • HP3 виден после того, как он отступил примерно на полпути из вырытой им норы.

  • Посадочный модуль Insight использует совок для надавливания на заднюю крышку HP3 моль.

  • HP3 крот на поверхности Марса, при этом ковш посадочного модуля нажимает на его заднюю крышку.

  • Крот после того, как робот-совок засыпал песком

Инфракрасный радиометр HP3-RAD

HP3 включает инфракрасный радиометр для измерения температуры поверхности, предоставлено DLR и основано на радиометре MARA для Хаябуса2 миссия.[13][14][15] HP3-RAD использует термобатарея детекторы для измерения трех спектральных диапазонов: 8–14 мкм, 16–19 мкм и 7,8–9,6 мкм.[38] HP3-RAD имеет массу 120 г (4,2 унции).[38]

При посадке детектор был защищен съемной крышкой.[38] Крышка также служит цель калибровки для прибора, поддерживающего калибровку HP3-RAD на месте.[38]

Инфракрасные радиометры были отправлены на Марс в 1969 году как один из четырех основных инструментов на Земле. Маринер 6 и Маринер 7 облет космического корабля, и наблюдения помогли вызвать научную революцию в знаниях о Марсе.[39][40] Результаты инфракрасного радиометра Mariner 6 & 7 показали, что атмосфера Марса состоит в основном из диоксида углерода (CO2), и обнаруженные следовые количества вода на поверхности Марса.[39]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Кларк, Стивен (19 декабря 2013 г.). «Марсианский посадочный модуль будет запущен из Калифорнии на« Атлас 5 »в 2016 году». Космический полет сейчас. Получено 20 декабря 2013.
  2. ^ «НАСА использует роботизированную руку InSight, чтобы отправить тепловой зонд на Марс - ExtremeTech». www.extremetech.com. Получено 22 марта 2020.
  3. ^ а б Спон, Тилман (3 июня 2020 г.). «Журнал экспедиции InSight». Блоги DLR. Получено 4 июн 2020.
  4. ^ а б c d е Молотковый механизм для HP3 Experiment (InSight). (PDF) Ежи Григорчук1, Лукаш Висьневский1, Бартош Кендзиора1, Мацей Борис, Рафал Пшибыла1, Томаш Кучиньский1, Мацей Оссовский, Войцех Кониор, Олаф Кремер, Тильман Спонзиа и Марта. Европейский симпозиум по космическим механизмам и трибологии; 2016.
  5. ^ «Польский Крет полетит на Марс». Наука в Польше. Получено 5 мая 2018.
  6. ^ а б c d Банердт, В. Брюс (2012). InSight - Геофизическая миссия на Марс (PDF). 26-е заседание аналитической группы программы исследования Марса. 4 октября 2012 года. Монровия, Калифорния.
  7. ^ а б c d е "Тепловой зонд | Инструменты". Марсианский посадочный модуль НАСА InSight. Получено 13 апреля 2020.
  8. ^ а б Grott, M ​​.; Spohn, T .; Banerdt, W. B .; Смрекар, С .; Hudson, T. L .; и другие. (Октябрь 2011 г.). Измерение теплового потока на Марсе: пакет тепловых потоков и физических свойств на GEMS (PDF). Совместное совещание EPSC-DPS, 2011 г. 2–7 октября 2011 г. Нант, Франция. Bibcode:2011epsc.conf..379G. EPSC-DPS2011-379-1.
  9. ^ Агл, Д. К. (20 августа 2012 г.). «Новое понимание Марса ожидается от новой миссии НАСА». НАСА.
  10. ^ mars.nasa.gov. «Цели | Наука». Посадочный модуль НАСА InSight Mars. Получено 3 сентября 2019.
  11. ^ Кремер, Кен (2 марта 2012 г.). «НАСА предложило посадочный модуль InSight в 2016 году, чтобы достичь центра Марса». Вселенная сегодня. Получено 27 марта 2012.
  12. ^ а б mars.nasa.gov. "Операции на поверхности | Хронология". Марсианский посадочный модуль НАСА InSight. Получено 24 декабря 2018.
  13. ^ а б Банердт, В. Брюс (7 марта 2013 г.). InSight: геофизическая миссия в недрах планеты земной группы (PDF). Комитет по астробиологии и планетологии. 6–8 марта 2013 года. Вашингтон, округ Колумбия.
  14. ^ а б "InSight: в глубине". Исследование Солнечной системы. НАСА. Получено 2 февраля 2018.
  15. ^ а б Grott, M ​​.; и другие. (Июль 2017 г.). "Радиометр МАСКОТ МАРА для миссии Хаябуса 2". Обзоры космической науки. 208 (1–4): 413–431. Bibcode:2017ССРв..208..413Г. Дои:10.1007 / s11214-016-0272-1. S2CID  118245538.
  16. ^ "Датчик теплового потока HP3". Портал DLR. Получено 4 июн 2020.
  17. ^ Громов В.В. и другие.: Мобильный пенетрометр - «крот» для исследования недр. В Proc. 7-го Европейского симпозиума по космическим механизмам и трибологии. 1997 г.
  18. ^ а б Пакет тепловых потоков и физических свойств для поверхности Меркурия. Тилман Спон, Карстен Зайферлин. Планетарная и космическая наука 49 (14-15): 1571-1577 декабрь 2001 г. Дои:10.1016 / S0032-0633 (01) 00094-0
  19. ^ HP3 на ExoMars. Krause, C .; Иззо, М .; Re, E .; Mehls, C .; Richter, L .; Косте, П. Генеральная ассамблея EGU 2009 г., состоявшаяся 19–24 апреля 2009 г. в Вене, Австрия.
  20. ^ Измерение теплового потока на Луне - Пакет HP3 для тепловых потоков и физических свойств. (PDF) Т. Спон, М. Гротт, Л. Рихтер, Дж. Нолленберг, С.Е. Смрекар и команда разработчиков HP3. Наземная геофизика на Луне (2010). Лунно-планетный институт, конференция 2010.
  21. ^ «Развертывание инструментов - SEIS / Mars InSight». www.seis-insight.eu. Получено 26 декабря 2018.
  22. ^ «НАСА InSight готовится измерить температуру Марса». НАСА / Лаборатория реактивного движения. 13 февраля 2019 г.. Получено 13 апреля 2020.
  23. ^ «Поверхностные операции». Марсианский посадочный модуль НАСА InSight. Получено 13 апреля 2020.
  24. ^ Дикинсон, Дэвид (11 марта 2019 г.). "Крот" Mars Insight "наткнулся на препятствие". Небо и телескоп. ААС Скай Паблишинг, ООО. Получено 1 сентября 2019.
  25. ^ Дикинсон, Дэвид (3 июля 2019 г.). «Стратегия возвращения посадочного модуля Mars Insight в буровой бизнес». Небо и телескоп. ААС Скай Паблишинг, ООО. Получено 31 августа 2019.
  26. ^ "НАСА InSight обнаруживает" крот "'". НАСА / Лаборатория реактивного движения. Получено 31 августа 2019.
  27. ^ Дворский, Георгий. «Вот как НАСА может спасти сильно застрявший тепловой зонд InSight». Gizmodo. Получено 4 октября 2019.
  28. ^ а б Гоф, Эван (18 октября 2019 г.). «Успех! НАСА подтверждает, что крот снова работает». Вселенная сегодня. Получено 19 октября 2019.
  29. ^ Кузер, Аманда. "Марсианский посадочный модуль НАСА может спасти свою застрявшую" кроту "'". CNET. Получено 14 октября 2019.
  30. ^ Грейсиус, Тони (17 октября 2019 г.). "Крот" Mars InSight "снова движется". НАСА. Получено 19 октября 2019.
  31. ^ mars.nasa.gov. «Крот Mars InSight частично вышел из своей дыры». Марсианский посадочный модуль НАСА InSight. Получено 28 октября 2019.
  32. ^ Палка, Джо (29 ноября 2019 г.). «Крот не копает Марс: инженеры НАСА пытаются выяснить, почему». NPR.org. Получено 29 ноябрь 2019.
  33. ^ «InSight, чтобы попытаться вытолкнуть крота на поверхность Марса». SpaceNews.com. 21 февраля 2020 г.. Получено 25 февраля 2020.
  34. ^ «Крот InSight медленно продвигается к поверхности Марса». SpaceNews.com. 5 мая 2020. Получено 7 мая 2020.
  35. ^ Спон, Тилман (10 августа 2020 г.). "Миссия Mars InSight:" Крот "уже" на месте ", и" последние штрихи "уже" на виду "'". Блоги DLR. Получено 7 сентября 2020.
  36. ^ «Спасательная операция НАСА Insight Mars продвигается по спасению« застрявшего »зонда | ТЕСЛАРАТИ». www.teslarati.com. Получено 17 сентября 2020.
  37. ^ Гоф, Эван (16 октября 2020 г.). «Крот InSight теперь полностью похоронен!». Вселенная сегодня. Получено 19 октября 2020.
  38. ^ а б c d Копп, Эмануэль; Мюллер, Нильс; Гротт, Матиас; Уолтер, Инго; Кнолленберг, Йорг; Ханшке, Франк; Кесслер, Эрнст; Мейер, Ханс-Георг (1 сентября 2016 г.). Стройник, Мария (ред.). «HP3-RAD: компактная конструкция радиометра с калибровкой на месте для разведки на месте» (PDF). Инфракрасное дистанционное зондирование и приборы Xxiv. 9973: 99730Т. Bibcode:2016SPIE.9973E..0TK. Дои:10.1117/12.2236190. S2CID  125699932.
  39. ^ а б «Инфракрасный спектрометр и исследование Марса». Американское химическое общество. Получено 26 декабря 2018.
  40. ^ Чдсе, С. К. (1 марта 1969 г.). «Инфракрасный радиометр для морской миссии 1969 года на Марс». Прикладная оптика. 8 (3): 639. Дои:10.1364 / AO.8.000639. ISSN  1559–128X. PMID  20072273.

внешние ссылки