Slik skal Spirit lande på Mars

Av Erik Tronstad

Strektegning av hovedkomponentene i hvert av de to romfartøyene, Spirit og Opportunity, som er på vei mot Mars. (NASA/Erik Tronstad)

Utstyrsseksjonen (til venstre) er skilt fra kapselen med varmeskjold og ryggskall. (Cornell University)

Kapselen med Spirit på vei gjennom de øvre delene av Mars-atmosfæren. (Cornell University)

Varmeskjoldet motstår en temperaturbelastning på nesten 1450 °C under ferden gjennom atmosfæren. (NASA)

Fasen der varmeskjoldet tar hovedbelastningen er over, og fallskjermen er foldet ut. (Cornell University)

I nesten 1 minutt og 40 sekunder brukes en fallskjerm til å bremse ned Spirit. (Cornell University)

Et drøyt minutt før landing vil landingsdelen bli sluppet ned i en kabel 20 m under ryggskallet. (Cornell University)

Landingsdelen henger her 20 m under ryggskallet. (Cornell University)

Spirit er omgitt av fire trekantede plater. Ryggskallet oppe til venstre. Bare åtte sekunder før landing blir flere «kollisjonsputer» i løpet av to sekunder blåst opp rundt hele landingsdelen. (NASA)

Omtrent seks sekunder før landing avfyres tre bremsemotorer i ryggskallet. De brenner i tre sekunder og bringer landingsdelen til full stopp i 15 m høyde. Landingsdelen er innhyllet i en klynge av kollisjonsputer 20 m under ryggskallet og bremsemotorene. I 15 m høyde kuttes kabelen til ryggskallet og klyngen av kollisjonsputer og landingsdelen faller derfra fritt ned mot overflaten. (NASA)

Når klyngen med kollisjonsputer treffer Mars-overflaten, spretter alt opp igjen. Samtidig slynges steiner opp og gjennom luften. (NASA)

Kollisjonsputene og landingsdelen kommer til å sprette flere ganger bortover overflaten, før de stopper. (NASA)

Omsider er klyngen med kollisjonsputer og landingsdelen kommet til ro. (NASA)

Kollisjonsputene er tømt for gass og trukket til og delvis under landingsdelen. (NASA)

De tre sidepanelene er vippet ned. Oppå landingsdelen står Spirit, med sammenfoldede sol­celle­pa­neler. (NASA)

Spirit er i ferd med å folde ut sol­celle­pa­nelene. (NASA)

NASA-kjøretøyet Spirit skal lande på Mars klokken 05.26 norsk tid førstkommende søndag, 4. januar 2004. Landingen skal skje i det om lag 150 km store Gusev-krateret, som ligger på omtrent 15° S og 185° V på Mars.

Når landingen skjer, er Mars vel 170 millioner kilometer fra Jorden. Radiosignalene fra Spirit bruker da nesten 9,5 minutter til Jorden. Signalene fra landingsøyeblikket vil nå bakkestasjonene her klokken 05.35.

Spirit ble skutt opp fra Cape Canaveral med en Delta 2-bærerakett 10. juni 2003 (se Spirit på vei mot Mars (eRomfart 2003-105)).

Fremdeles ligger Spirit sammenfoldet inne i en kapsel, som består av et todelt skjold eller skall. Den ene delen er et varmeskjold, den andre kan vi kalle ryggskallet. Kapselen er montert til en utstyrsseksjon. Utstyrsseksjonen har drivstofftanker, motorer for stillings- og banejusteringer, kom­mu­ni­ka­sjons­ut­styr og sol­celle­pa­neler for energiforsyning underveis til Mars.

Landing på Mars vil skje direkte fra banen fra Jorden og til Mars. Kapselen med kjøretøyet og den tilkoblede utstyrsseksjonen skal ikke først inn i Mars-bane. Det følger heller ikke med noe moderfartøy, som skal inn i bane rundt Mars.

Omtrent 70 minutter før kapsel og utstyrsseksjon treffer Mars-atmosfæren, snus hele romfartøyet. Dermed vender varmeskjoldet i fartsretningen. Fra da av og til Spirit er nede på overflaten og folder ut sol­celle­pa­nelene sine, kommer all strømforsyning fra fem batterier om bord.

Om lag 15 minutter før inntredenen i Mars-atmosfæren vil utstyrsseksjonen bli koblet fra. Den har utspilt sin rolle og raser ned i Mars-atmosfæren. Deler av den antas å overleve ferden gjennom atmosfæren og kræsjer på Mars-overflaten.

Kapselen raser inn i Mars-atmosfæren i om lag 130 km høyde med en hastighet på 5,4 km/s (19 400 km/h). Da er det 5 minutter og 45 sekunder til landing.

Selv om Mars har en atmosfære som er 100 ganger tynnere enn Jordens, vil varmeskjoldet bli betydelig oppvarmet. Temperaturen på yttersiden av det vil komme opp i nesten 1450 °C. Største retardasjon blir på 7 g, noe som inntreffer 3 minutter og 43 sekunder før landing.

Rundt fire minutter etter inntreden i atmosfæren vil hastigheten være redusert til 0,43 km/s (1550 km/h). Kapselen er da omtrent 8500 m over bakken. En fallskjerm foldes ut, og det er 1 minutt og 42 sekunder til landing.

Varmeskjoldet kobles fra 20 sekunder senere. Seks festebolter kuttes og fjærer dytter varmeskjoldet bort fra ryggskallet. Varmeskjoldet faller bort og lander noen kilometer fra der Spirit kommer ned.

Omtrent 1 minutt og 11 sekunder før landing senkes landingsplattformen med Spirit ned i en kabel 20 m under ryggskallet, som igjen er festet i fallskjermen. Det tar omtrent 10 sekunder før kabelen er rullet ut til 20 m lengde.

Når det er 37 sekunder igjen til landing, aktiveres en radar om bord. Om alt går etter planen, vil den da finne ut at høyden er omtrent 2400 m over Mars-overflaten.

I omtrent 2000 m høyde, 30 sekunder før landing, vil det første av tre bilder av overflaten bli tatt. Bildene tas med fire sekunders mellomrom. Datamaskinen om bord bruker bildene til å beregne hvor stor hastigheten er langs (parallelt med) overflaten.

Bare åtte sekunder før overflaten treffes, vil gassdyser raskt blåse opp flere «kollisjonsputer» eller gassballonger. Høyden over Mars er nå bare 280 m.

Ytterligere to sekunder senere avfyres tre bremsemotorer på ryggskallet. Etter enda tre sekunder, når landingsplattformen med kjøretøyet henger i ro 15 m over bakken, kuttes kabelen opp til ryggskallet. Klyngen med gassballonger, som inneholder landingsplattformen med kjøretøyet, faller fritt ned og treffer overflaten med vel 13 m/s (rundt 48 km/h), mer om det blåser i landingsområdet.

Klyngen vil flere ganger sprette og rulle bortover overflaten, før den kommer til ro. Første sprett kan gå helt opp til 15 m høyde. Man regner med at klyngen kan komme til å sprette og rulle bortover overflaten i flere minutter. Mars Pathfinder, som landet på Mars i 1997, hadde et tilsvarende landingssystem. Det spratt 15 ganger, opp til 15 m høyde, og brukte 2,5 minutter på å komme til ro omtrent 1 km fra der overflaten først ble truffet.

Hver kollisjonspute har et dobbelt lag med blærer, for å dempe støtene mot overflaten. Ytterlaget på hver pute er seks lag med et spesielt stoff, som er vevd med et polymerfiber som er fem ganger sterkere enn stål. Dette ytterlaget beskytter de innvendige blærene, blant annet mot skarpe steiner.

USA har tidligere mistet kontakten med tre Mars-romfartøyer omtrent idet de skulle inn i bane rundt Mars eller inn i atmosfæren for å lande. Felles for de tre hendelsene er at man hver gang ikke hadde noen form for radiokontakt med romfartøyet idet noe kritisk skjedde. Når tiden kom da man forventet ny radiokontakt, var alt bare taust. Derfor hadde man i ettertid svært lite å holde seg til, når man skulle prøve å finne ut hva som sviktet.

Denne gangen skal man sørge for at om noe går galt, skal man i hvert fall få informasjon om når det skjedde. Under hele turen inn i og ned gjennom atmosfæren vil det bli sendt radiosignaler tilbake mot Jorden. Dette vil være enkle signaler uten noen data. Overføringen av disse signalene starter like før hele romfartøyet snus for å vende varmeskjoldet i fartsretningen, noe som altså skjer 70 minutter før Mars-atmosfæren treffes.

Til å begynne med sendes signalene fra en antenne på utstyrsseksjonen, senere fra etter i tur ryggskallet, landingsplattformen og kjøretøyet.

Under ferden ned gjennom atmosfæren vil det bli brukt i alt 36 forskjellige signaler, hvert med en varighet på 10 sekunder. Som nevnt dreier det seg om svært enkle signaler. De sier at forskjellige steg eller hendelser i landingssekvensen er passert, som at utstyrsseksjonen er koblet fra, fallskjermen er foldet ut, varmeskjoldet er koblet fra, ryggskallet er koblet fra, osv. Om noe på noe tidspunkt går galt, vil man i ettertid i hvert fall vite når svikten inntraff.

Dersom datamaskinen om bord på noe stadium tror noe er galt, vil det bli sendt et annet signal enn om den mener alt er greit på det stadiet. Etter landing vil det bli sendt fem signaltoner hvert 30. sekund, for å gi et slags signal til bakkekontrollen om tilstanden om bord.

Spirit har også en UHF-sender. Så snart landingsdelen er senket ned under ryggskallet, omtrent ett minutt før landing, kan denne UHF-senderen aktiveres. Under turen videre nedover vil den sende ut signaler opp mot NASAs Mars Global Surveyor, som går i Mars-bane.

Banen til Mars Global Surveyor vil i tiden rett før Spirits landing bli justert slik at romfartøyet passerer over Gusev-krateret mens Spirit er i slutten av landingsfasen. Dermed har Mars Global Surveyor muligheten for å motta UHF-signalene og lagre dem om bord, for senere overføring til Jorden. Med denne kommunikasjonsmåten kan det overføres 8000 ganger mer data enn via de enkle signalene direkte fra Spirit til Jorden.

Likevel er dette en meget usikker kommunikasjonskanal. Årsaken er at man ikke vet sikkert hvordan UHF-senderen i Spirit vil være rettet under ferden gjennom de nedre delene av Mars-atmosfæren, i forhold til retningen til Mars Global Surveyor. Derfor er det ikke sikkert at det i det hele tatt blir mulig å formidle data fra Spirit til Jorden via Mars Global Surveyor i landingsfasen.

Omtrent 12 minutter etter at landingsdelen er kommet til ro på Mars-overflaten, vil kollisjonsputene være tomme for gass. Motorer vil da begynne å trekke dem sammen, nær landingsdelen. Dette antas å ta omkring én time.

Landingsdelen består av fire trekantede plater. Spirit «står» på en av de fire trekantene, bunnplaten. De tre andre, sideplatene, er hengslet til bunnplaten og danner nesten en slags pyramide oppå denne, med Spirit inni. Hengslene mellom hver sideplate og bunnplaten er motorisert. Med disse motorene svinges sideplatene ned. De blir stående på skrå fra bunnplaten og ned til bakken. Samtidig blottes Spirit for omgivelsene.

Etter landing kan det meget vel skje at landingsdelen ikke ligger med bunnplaten ned mot bakken, men ligger på siden, på en av de tre sideplatene. Motorene til hengslene er sterke nok til å vippe landingsdelen i rett stilling, med bunnplaten ned.

Prosessen med å svinge ut sideplatene forventes å være ferdig en gang mellom 1,5 og 3 timer etter landing. Så snart sideplatene er vippet ned, må Spirit folde ut sol­celle­pa­nelene, slik at de kan begynne å produsere strøm.

Landingen skjer klokken 14.30 lokal Mars-tid på landingsstedet, bare fire timer før solnedgang der. Innen solen går ned, håper man Spirit har tatt de første bildene av omgivelsene. Jorden vil gå ned under horisonten på Spirits landingssted bare omtrent én time etter landing.

På undersiden av sol­celle­pa­nelene har Spirit fire spesialkameraer, to foran og to bak. De skal normalt brukes til å kartlegge hindringer nær kjøretøyet. Nå vil de antakelig bli brukt til å ta de første bildene av Mars-overflaten etter landing. Videre er det meningen at den 1,3 m høye kameramasten skal vippes opp og at navigasjonskameraene der kan ta bilder av omgivelsene. Om det blir tid til det, vil også de to panoramakameraene, som er de kameraene på Spirit som kan ta bilder med høyest oppløsning, ta sine første bilder denne dagen.

Fra bilder tatt med panoramakameraene kan Spirit finne hvor Solen er på himmelen. De dataene kan kjøretøyet bruke til å rette sin direktivantenne mot Jorden.

Selv om Spirit rekker å ta sine første bilder denne første ettermiddagen på Mars, er det mulig at de ikke blir overført til Jorden før neste dag. Muligens kan 2001 Mars Odyssey motta UHF-data fra Spirit et par timer etter landing. I så fall kan dataene sendes til Jorden ved 11-tiden norsk tid 4. januar. Dog er det høyst usikkert om dette lar seg gjennomføre.

Fra landing og til Spirit kan kjøre ned fra landingsdelen og ut på overflaten, vil det ta omtrent én uke.

Du finner en nærmere omtale av formålet med Spirit i To Mars-kjøretøyer klare for oppskyting (eRomfart 2003-100).