Spirits landing og landingssted

Av Erik Tronstad

Den hvite ellipsen markerer målområdet for Spirits landing i Gusev-krateret på Mars. Fra syd (nedenfra) fører en slags dal inn i Gusev-krateret. Denne 900 km lange dalen heter Ma'adim Vallis (fra det hebraiske navnet på Mars) og kan se ut som et uttørket elveleie. Forskerne antar at dalen er blitt erodert ut av flytende vann. Muligens skar vannet seg gjennom randen på Gusev-krateret, fylte deretter mye av krateret og dannet en innsjø der. (NASA/JPL/MSSS)

Dataene fra Spirits landingsfase på Mars er nå blitt nærmere analysert. De viser at slutten av Spirits landingsfase ikke foregikk helt som planlagt. Dersom bakkekontrollen hadde kunnet følge med på det som skjedde på direkten, ville det nok vært mer nervepirrende enn forventet.

Mens Spirit raste nedover i atmosfæren i 1480 km/h, ble fallskjermen utløst bare 7400 m over bakken, omtrent 1100 m lavere enn den skulle. Årsaken var at en støvstorm på motsatt side av Mars (se Spirits hjuloppheng fullt utfoldet (eRomfart 2004-013)) hadde ført til en økning i støvmengden og tettheten i atmosfæren over Spirits landingssted. Datamaskinen om bord var på forhånd blitt programmert til å ta hensyn til dette når tidspunktet for utløsing av fallskjermen skulle komme. Likevel var de ansvarlige på bakken overrasket over utslaget dette fikk.

De økte støvmengdene høyt i Mars-atmosfæren gjorde at den der ble varmere. Følgelig ble tettheten mindre. Beregninger viste at det kritiske tidsintervallet fra utfolding av fallskjermen og til de tre bremsemotorene skulle startes, ble redusert med om lag 20 %, fra 110 sekunder til 90 sekunder. I dette tidsintervallet er det flere viktige ting som skjer. En av dem er at romfartøyets hastighet langs bakken skal beregnes, ut fra tre bilder som tas.

For å øke dette tidsintervallet noe, ble Spirit i siste liten programmert til å løse ut fallskjermene tre-fire sekunder tidligere enn opprinnelig planlagt. Telemetridataene viser altså at fallskjermene til tross for omprogrammeringen ble utløst noe senere. I så fall var den desto viktigere. Hadde man ikke fremskjøvet tidspunktet for utløsning, ville den kanskje kommet for sent.

Utsnitt som viser området nær landingsellipsen. De mørke "flekkene" er områder der virvelvinder har virvlet opp det lyse overflatestøvet. (NASA/JPL/MSSS)

Mens Spirit nærmet seg overflaten, kom brått et vinddrag, som begynte å føre hele romfartøyet mot et 200 m bredt krater. Spirits datamaskin greide elegant å kompensere for dette. Da de tre faststoffmotorene ble avfyrt få sekunder før bakkekontakt, ble de svingt akkurat så mye mot vindretningen at skyvekraften kompenserte for vindhastigheten. Den horisontale fartskomponenten ble redusert til nær null, og Spirit falt rett ned.

Den blå ellipsen viser beregnet landingsområde for Spirit, basert på radiofølging med Deep Space Network (DSN) før inntreden i Mars-atmosfæren. DSN fulgte radiosignalene fra Spirit videre ned gjennom Mars-atmosfæren, til fallskjermen ble foldet ut. Disse observasjonene reduserte i betydelig grad usikkerheten for landingsområdet. Det innskrenket seg da fra å være et sted i den blå ellipsen, til å måtte være innenfor den svarte ellipsen. Radioobservasjoner med DSN etter at Spirit var landet, sammenholdt med observasjoner fra 2001 Mars Odyssey, reduserte usikkerheten ytterligere, til innenfor den hvite prikken. De røde kurvene markerer overflatestrukturer man ville unngå at Spirit landet for nær. (NASA/JPL/Arizona State University)

Dette bildet viser en del av området innenfor den svarte ellipsen på bildet over. I ytterkantene av bildet ses deler av ellipsen. Den hvite prikken markerer landingsposisjonen til Spirit. Røde og oransje kurver angir igjen overflatestrukturer man ville unngå at Spirit landet for nær. (NASA/JPL/Arizona State University)

På dette tidspunkt hang Spirit i en vaier omtrent 20 m under ryggskallet, som igjen hang i fallskjermen. Bare knapt 9 m over bakken ble Spirit, innhyllet i klyngen av «kollisjonsputer», kuttet løs fra vaieren. Det var mer enn 3 m lavere enn planlagt. Årsaken til alt dette var vinddraget som Spirit møtte noen titalls meter over bakken.

Antakelig ville landingen gått bra selv om den sideveis kompensasjonen fra bremsemotorene ikke hadde virket, men det ville vært nære på. Spirit kunne da ha endt opp i krateret.

Nå gikk det helt fint og Spirit spratt første gang til 8,4 m høyde over overflaten. Deretter spratt Spirit, og hele klyngen av kollisjonsputer, ytterligere 27 ganger bortover Mars-overflaten, før hele greia stoppet. Spirit rullet 250-300 m sydøstover bortover overflaten på disse 28 sprettene og brukte 57 sekunder på å komme til ro.

Krateret Spirit var på vei mot, får kjøretøyet en mulighet til å besøke. Det er nettopp dette krateret Spirit skal kjøre i retning av, når det begir seg bort fra landingsplattformen (se Spirit er i bevegelse (eRomfart 2004-017)).

Erfaringene gjort under Spirits landing vil selvsagt bli brukt til å finjustere programvaren i datamaskinen til Opportunity, før det kjøretøyet raser ned i Mars-atmosfæren førstekommende søndag, 25. januar 2004.

Med Spirit vel nede på Mars var det viktig å få svar på spørsmålet: Hvor er Spirit? At Spirit var et sted inne i Gusev-krateret, var det ingen tvil om, men nøyaktig hvor?

NASAs Deep Space Network er et nett av tre bakkestasjoner, i Goldstone (California, USA), ved Madrid (Spania) og ved Canberra (Australia). På hvert sted er store parabolantenner på opptil 70 m diameter. All kommunikasjon med Spirit på veien ut til Mars foregikk via disse. Ved å gjøre spesielle observasjoner av radiosignalene, blant annet frekvensforskyvninger (dopplerforskyvninger) i dem, kunne man hele tiden med stor nøyaktighet bestemme Spirits bane.

Basert på slik radiofølging den siste tiden før Spirit kom inn i Mars-atmosfæren, kunne man si at landingsstedet ville ligge innenfor en meget langstrakt ellipse i Gusev-krateret.

Under ferden ned gjennom Mars-atmosfæren sendte Spirit ut radiosignaler ved spesielle hendelser, som da fallskjermen ble utfoldet, da varmeskjoldet ble koblet fra, osv. Disse radiosignalene ble registrert av DSN og brukt til å beregne Spirits bane i atmosfæren.

I sluttfasen av landingen ble signaler fra Spirit også mottatt av Mars Global Surveyor, som akkurat da passerte over landingsområdet. Mars Global Surveyor gjorde også målinger av dopplerforskyvninger i signalene fra Spirit. Banen til Mars Global Surveyor rundt Mars er meget godt kjent og dannet derfor et ekstra referansested, i tillegg til DSN her på Jorden.

Ifølge et tidligere frigitt bilde er den grønne prikken landingsposisjonen til Spirit. Denne posisjonen ligger noe lenger nord enn angitt på foregående bilde. (NASA/JPL/MSSS)

Fra Spirits landingssted er det her trukket opp siktlinjer til flere strukturer. Felles for dem er at alle fremstår i horisonten på bilder Spirit har tatt nede fra Mars-overflaten. På sikt skal Spirit begi seg sydøstover, mot East Hills Complex. (NASA/JPL/MSSS)

Fra knapt 2000 m høyde og nedover tok Spirit tre bilder av overflaten, sett ovenfra. De var også en viktig kilde til å bestemme hvor Spirit landet.

Etter landingen har 2001 Mars Odyssey gjort flere passeringer over landingsstedet. Hver påfølgende passering skjer ikke rett over Spirit, men i noe forskjellige avstander og retninger fra landingsstedet. Slik har 2001 Mars Odyssey kunnet observere radiosignalene fra Spirit fra forskjellige vinkler og retninger. Over tid har man dermed på en måte kunne triangulere seg frem til Spirits posisjon.

Ytterligere en datakilde som har vært brukt i posisjonsbestemmelsen, er bilder av landingsområdet tatt fra Mars-bane og fra Spirit. På bilder Spirit har tatt fra sin posisjon på Mars-overflaten, ses i flere retninger strukturer som stikker opp over horisonten. De samme strukturene ser man på bilder tatt ovenfra, fra Mars-bane. Ved å sammenlikne bilder tatt fra Mars-bane med bilder tatt fra overflaten, kan man i betydelig grad innskrenke området Spirit må befinne seg innenfor.

Posisjonen man finner for Spirit, ved å kombinere alle disse datakildene, er 14° 34 minutter 18 sekunder syd og 175° 28 minutter 43 sekunder vest. Posisjonsusikkerheten i nord-syd-retningen er 30 m. I øst-vest-retningen er den bare 0,5 m.

Når Spirits posisjon er så godt kjent som dette, skal man prøve å ta bilder av Spirit fra Mars-bane med Mars Global Surveyor. Dette romfartøyet har et kamera som fra 400 km høyde normalt kan ta bilder med en oppløsning på 1,4 m per bildeelement.

Opptakene av Spirit skal foretas med noen helt spesielle teknikker. Blant annet kommer man til å rotere Mars Global Surveyor slik at landingspunktet til Spirit står i ro i bildefeltet, mens opptaket gjøres. I sum regner man med at teknikkene som brukes, gjør at man skal greie å ta bilder med en oppløsning på bare 0,5 m per bildeelement.

Denne opptaksmåten har allerede vært brukt over landingsstedene til Mars Pathfinder og Viking 1. Spesialteknikken gir helt klart bilder med bedre oppløsning enn vanlig.

Se også eRomfart Slik skal Spirit lande på Mars (eRomfart 2004-001).