Čínská mise k Marsu Tianwen-1: Rover Zhurong

Popis mise roveru Zhurong

Mise Tianwen-1 (TW-1) je první čínskou výpravou do hlubokého vesmíru, při které Čína teprve sbírá první zkušenosti. Pro takovou misi je klíčová nejenom konstrukce vlastní sondy, ale i její přesné navádění, a hlavně zajištění kvalitní komunikace se Zemí. Rover Zhurong navíc přistál ve velice zajímavé geologické oblasti a může přinést cenné vědecké výsledky.

Místo přistání

Přistávací plošina s roverem Zhurong dosedla na povrch Marsu v jižní části Utopia Planitia v oblasti, o které se předpokládá, že tvořila pobřeží moře v období hesparianu před 3,68-3,45 miliardami roků. Měření radarem SHARAD na sondě Mars Reconnaissance Orbiter a z nich odvozená dielektrická konstanta podpovrchového materiálu potvrzuje v této oblasti přítomnost vody/ledu pod povrchem přistávací oblasti. Její přítomnost naznačuje i morfologie této oblasti jako je například výskyt kuželových kopců s propadlými vrcholy, které mohou být vulkanického nebo jináho původu, ale mohou být vytvořené i přítomností vody/ledu v podpovrchovém materiálu.

Nejbližší okolí místa přistání v okruhu stovek metrů je ploché, s mírnými svahy terénu a s maximálním převýšením v jednotkách metrů. V této oblasti je i velice malá hustota výskytu skalnatých útvarů, jako jsou například balvany vetší než 0,5-1 m.

Vědecké experimenty

Na roveru je instalovaná sada šesti měřících přístrojů k provádění vědeckých experimentů, které rover provádí za jízdy nebo při svých zastávkách. Jsou to přístroje NaTeCam k pořizování stereo párů snímků okolí, které ve spolu se stereo snímky z kamery HiRIC umístěné na orbiteru umožňují vytvoření přesné a podrobné topografické mapy, spektrometr MarSCoDe a multispektrální kamery MSCam k provádění analýzy složení hornin, podpovrchový radar RoPeR pro zjišťování struktury půdy pod povrchem a ke zjišťování obsahu vodního ledu v horninách pod povrchem, detektor magnetického pole RoMAG a meteorologická stanice MCS, která měří teplotu, rychlost větru a zaznamenává zvuk.

Jedním z nejdůležitějších přístrojů umístěných na roveru Zhurong je kamera NaTeCam. Pro pořízení stereo snímků je kamera vybavena párem objektivů, které jsou od sebe vzdálené 27 cm a jsou umístěné ve výšce přibližně 180 cm nad povrchem na otočném rameni. Objektivy mají ohniskovou vzdálenost 13,1 mm. Každá z kamer pořizuje snímky 2048×2048 pixelů s fyzickou velikostí pixelu 5,5 μm a zorným úhlem 46.5°×46.5°.

Rover je ještě vybavený dvěma páry kamer HazCam, které jsou umístěné na spodní straně roveru v jeho přední a zadní části poblíž podvozku. Tyto kamery slouží k detekci překážek. Každá v kamer pořizuje snímky s rozlišením 1024×1024 pixelů se zorným úhlem 120°.

Energetický systém a tepelná ochrana

Sluneční konstanta v okolí Marsu má střední hodnotu 586 Wm⁻², což je 43% hodnoty sluneční konstanty ve vzdálenosti Země od Slunce, a značně kolísá v rozmezí 490 – 713 Wm⁻² pro vzdálenost Marsu od Slunce v aféliu a v perihéliu. Kromě toho je povrch Marsu díky jeho suchosti velice prašné prostředí. Velké množství rozptýleného prachu v atmosféře snižuje sluneční konstantu na marsovském povrchu a usedající prach na solárních panelech pak značně i snižuje jejich účinnost. To vše pak zvyšuje nároky nejenom na velikost solárních panelů, ale i na jejich design. Velký problém se zaprášeností solárních panelů se například projevil u sondy InSight.

Rover Zhurong je napájený solárními panely, které jsou potažené protiprachovou vrstvou, která brání usazování prachu. Během dosavadní mise se ukazuje, že tato antiprachová ochrana dosahuje účinnosti až 86%. Kromě solárních panelů je rover vybaven baterií nabíjenou částí energie ze solárních panelů. Baterie pak slouží k napájení důležitých systémů roveru a jejich vyhřívání v nočních hodinách.

Vzhledem k nízkým nočním teplotám, které klesají pod −73°C, je rover Zhurong vybavený pasivní a aktivní tepelnou ochranou. Pasivní ochranu tvoří dvě solární okna, která slouží ke sběru tepla ze slunečního záření v denních hodinách. Akumulované teplo se pak využívá k vyhřívání vnitřku roveru v noci a odlehčuje tak baterii, která se používá pro vyhřívání. Tepelná izolace je tvořena aerogelem a CO₂. Aktivní tepelnou ochranu zajišťuje vyhřívání pomocí baterie. Kromě vnitřku roveru jsou touto ochranou vybaveny vnější přístroje, které takovou ochranu vyžadují, jako jsou například kamery.

Pracovní režim roveru

Kvůli úspoře energie, je rover po většinu marsovského dne pouze v pohotovostním režimu, kdy jsou zapnuté pouze palubní počítače a většina měřících přístrojů je vypnutá, nebo se podle potřeby střídavě zapínají a vypínají.

Hlavní činnost roveru, která kromě vědeckých měření zahrnuje i jeho pohyb, je většinou mezi 11:00 LMST a 15:00 LMST, kdy jsou vyšší okolní teploty a je možné vypnout vyhřívání roveru.

Rover Zhurong pracuje ve třídenních cyklech. V každém cyklu probíhají vědecká měření, která nelze provádět při pohybu roveru, snímkování okolního terénu, jeho analýza a vytyčení další trasy, a nakonec vlastní pohyb.

Komunikace se Zemí

Hlavní komunikace mezi roverem Zhurong a Zemí je zprostředkovaná pomocí orbiteru TW-1. Jeho vysoce eliptická dráha je navržena tak, že její perioda je 1/3 siderické doby rotace Marsu. Pericentrem, které leží ve výšce 265 km téměř přímo nad roverem, přelétá každý den kolem 12:00 LMST, kdy jsou stahována data z roveru, předány instrukce roveru a je provedeno snímkování oblasti. Komunikační okno trvá přibližně 10 minut. Ke komunikaci se využívaná pásmo UHF. Rychlost komunikace se pohybuje v řádu Mbps. Pro tuto komunikaci je rover v pohotovosti každý den po dobu 1 h kolem marsovského poledne.

O 1,5 oběhu později, kolem půlnoci LMST, se orbiter TW-1 nachází v apocentru a rover i orbiter jsou opět v přímé viditelnosti. Délka tohoto komunikačního okna je přibližně 5 h. Velká vzdálenost však neumožňuje přenos velkého množství dat a využívá se hlavně ke stažení telemetrie roveru. Pohotovostní režim roveru, kdy rover je připraven přijmout data, pro tuto část komunikace trvá 5 hodin.

Kromě komunikace přes orbiter TW-1 má rover i možnost přímé komunikace se Zemí, kterou rover vidí téměř po celou dobu, kdy je i Slunce nad obzorem. Pohotovostní režim pro tuto komunikaci trvá každý den po dobu 10 hodin. Je to nejzákladnější komunikační kanál pro příjem instrukcí ze Země. Rychlost přenosu dat však nepřesahuje 7,8125 bps. Pro tuto komunikaci se vyžívá pásmo X (X-band).

Orbiter

Orbitální modul mise TW-1 setrvává na dráze, která je optimální pro přenos dat z roveru na Zemi až do konce října. Její změna je plánovaná až po probuzení roveru a orbiteru z nouzového režimu, do kterého by měly přejít 13. září. Důvodem pro přechod obou sond orbiteru i roveru do nouzového režimu je znemožnění komunikace se Zemí v důsledku konjunkce se Sluncem. Nouzový režim potrvá přibližně 50 dnů. Orbiter pohybuje po téměř polární dráze se sklonem 89,2297° a s periodou 0,341631 d. Je tedy dobře synchronizovaná se siderickou dobou rotace Marsu a nad roverem sonda přelétá každý třetí oběh ve výšce 265 km, kdy dochází ke snímkování oblasti a stažení dat z roveru. Vzhledem k tomu, že u této oběžné dráhy dochází k výraznému stáčení pericentra a délky výstupního uzlu, musela být dráha několikrát upravovaná, aby byla optimální pro možnost komunikace s roverem.

V pořadí již páté korekci dráhy došlo 8.11.2021, kdy orbiter zážehem hlavního motoru na 260 s, zvýšil svoji rychlost a oběžná doba se tak zkrátila na 7,08 h. Přešel tak na finální vědeckou dráhu, ze které bude provádět dálkový průzkum Marsu, která umožní pokrýt snímky téměř celý povrch planety během následujících 200 dní. Z této oběžné dráhy také použije podpovrchový radar, který až dosud na orbiteru nebyl v činnosti.

Měření času

V tiskových oznámení CNSA jsou časy událostí mise TW-1 obvykle uváděny v pekingském čase CST (UTC+8). Marsovský čas MT (Mission Time), podle kterého řídící středisko plánuje aktivity roveru Zhurong, je oproti LMST vztaženému k místu přistání posunutý o 15 minut a 39 sekund. Čas LMST je vztažený k upřesněným souřadnicím místa přistání 25,0662°N 109,9253°E podle mozaiky CTX.

Podobně jako tomu bylo u amerických roverů Spirit a Opportunity, používá mise roveru Zhurong čílování solů od čísla 1.

Mapy s vyznačenou trasou roveru

Na následujících mapách je vyznačená poloha a trasa roveru. K určení polohy roveru jsou používané jednak snímky HiRISE ze sondy MRO, které jsou nejpřesnější, mapky s pohybem roveru od CNSA upřesněné na základě snímků NaTeCam, HazCam a za pomocí triangulace v GIS. K vytvoření map posloužily snímky HiRISE a CTX ze sondy MRO. Dlaždice celoplanetární mozaiky CTX byly použité pro registraci snímků HiRISE pro přesnější určení souřadnic.

Topografická mapa

Mapa v měřítku 1:14000 zachycuje širší okolí místa přistání, aby bylo patrné v jaké oblasti se rover Zhurong pohybuje, a pro odhad, do kterých míst asi směřuje. Mapa je vytvořena ze snímků HiRISE DTM s rozlišením 1m/pixel a s rozlišením v elevaci řádu 10 cm. Z mapy je patrné, že rover se pohybuje ve velice ploché oblasti s převýšením v řádu metrů.

Podrobná mapa

Mapa v měřítku 1:1400 zachycuje detailní pohyb roveru. Šířka vyznačené trasy odpovídá šířce stopy, kterou rover zanechává na snímcích HiRISE. Délka jednoho dílku stopy odpovídá vzdálenosti připližně 2 m. K vytvoření mapy byl použitý snímek HiRISE s rozlišením 0,25m/pixel. Snímek byl registrovaný na dlaždici mozaiky CTX, což umožnilo zpřesnění souřadnic.

Časová osa

Naměřená vědecká data, mezi něž patří i přesně kalibrované snímky podléhají chráněnému režimu, který trvá několik měsíců. Během této doby jsou data k dispozici pouze domácím vědeckým institucím. Zveřejněná data však umožňují sledovat pohyb roveru po povrchu Marsu a určit jeho aktuální pozici.

CNSA nezveřejňuje příliš mnoho podrobností o tom, v jaký čas se rover Zhurong v daném místě pohyboval. Následující tabulka obsahuje jednak časy událostí, které zveřejnila CNSA nebo jsou odvozeny z jiných zdrojů, jako jsou snímky HiRISE ze sondy MRO, u kterých je vyhledatelný čas pořízení. Jsou to tedy časy, o kterých víme, že v tu dobu v daném místě rover opravdu byl (viz. mapka). Další časy jsou odvozeny ze světelných podmínek zveřejněných snímků. Nejpřesnější takto odhadnutý čas je u pořízených panoramat, kde lze poměrně přesně určit azimut Slunce a podle něj pak dopočítat čas pořízení snímku. Většina zveřejněných snímků byla pořízena kolem pravého poledne LTST, kdy je Slunce v místě roveru téměř v zenitu.

Použité zdroje