יום שלישי, 31 ביולי 2012

כמה קשה לנחות על מאדים?

בבוקר יום שני ה- 6 באוגוסט, יתרחש אחד מהאירועים הגדולים ביותר בתולדות חקר החלל ומערכת השמש; המעבדה הניידת "קיוריוסיטי" תנחת על אדמת מאדים, במבצע האוטונומי המורכב ביותר שבוצע אי פעם.

2.5 מיליארד דולר הושקעו בתכנית MSL (Mars Science Laboratory) הכוללת את הרכב הקרקעי "קיוריוסיטי", והציפיות ממנה גבוהות מאד. היכולת שלה לאסוף ולנתח מידע על הרכב הקרקע והסביבה של מאדים הן כשל גיאולוג הנושא עימו מעבדה שלמה. בנוסף, היכולת ההנדסית שמאפשרת משימה כל כך מורכבת היא חסרת תקדים, ומקרבת אותנו צעד משמעותי נוסף לקראת משלחת מאויישת לכוכב הלכת האדום.

לפני שאוסיף עוד מילים, אנא צפו בסרטון שמציג את האתגר חסר התקדים של נחיתת הקיוריוסיטי על פני מאדים. זהו ללא ספק הסרטון הטכני הטוב ביותר של נאס"א שהופץ לציבור עד כה:

אוקיי, אז לא פשוט לנחות על מאדים, אבל כבר עשו את זה לא מעט פעמים, נכון? אז מה בדיוק הסיפור כאן?

ובכן, כדי להבהיר את רמת האתגר אפשר לבחון את ההיסטוריה המרתקת של הטיסות למאדים. זה כאן, מעבר לקיפול.



יריית פתיחה

המרוץ לחלל התחיל בבת-אחת באוקטובר 1957 כאשר "ספוטניק-1", הלווין המלאכותי הראשון שוגר בהצלחה למסלול סביב כדור הארץ. תוך שנים בודדות הושגה קפיצת דרך טכנולוגית אדירה הן בטילאות והן בטכנולוגיות ומדעי החלל, מונעת באמצעים הפוליטיים רבי העוצמה של המלחמה הקרה.
רבים זוכרים שהאדם הראשון שוגר לחלל על ידי הסובייטים באפריל 1961. חודש לאחר מכן שיגרו גם האמריקאים אדם לחלל (טיסה תת-מסלולית בלבד, אגב).
מה שממעטים להזכיר הוא שעוד לפני הטיסה המפורסמת של יורי גגרין, הספיקו הרוסים לצלם את הצד הרחוק של הירח ואפילו לנחות עליו (המונח המדוייק יותר יהיה "לפגוע בו"), ולשגר שתי חלליות למאדים ושתיים לנוגה (נסיונות שהסתיימו בשלושה כשלונות שיגור, וחללית אבודה אחת).
למרות הכשלים במשגרים, עצם התכנון והייצור של חלליות לכוכבי לכת אחרים הוא הישג בפני עצמו, שהאמריקאים לא היו אפילו קרובים אליו.

מרוץ משוכות

האמריקאים היו הראשונים שהצליחו לחלוף ליד מאדים ולצלם תמונות עם החללית הרובוטית מארינר-4 בסוף שנת 1964, לאחר שחצי שנה מוקדם יותר נכשל השיגור של מארינר-3 עקב אי פתיחת חופת המשגר. הסובייטים הספיקו בינתיים לשגר עוד שלוש חלליות למאדים מלבד השתיים שכבר הוזכרו, מבינהן שתיים לא הצליחו לצאת ממסלול סביב כדור הארץ, ואחת אבדה בחלל לאחר שקשר הרדיו נפסק עקב תקלה.
התמונה הראשונה של מאדים (צילום של מארינר-4)
המרוץ המשיך. הסובייטים שלחו את זונד-2 יומיים אחרי מארינר-4, והפעם המסלול שלה היה מושלם למעבר יפה ליד מאדים...אך התקשורת נפסקה לפני שצולמו תמונות.
במשך כמה שנים לא שוגרו חלליות נוספות למאדים, בעיקר כי המעצמות התמקדו בשיגור לווינים צבאיים, בתכניות מאויישות, בתכניות לחקר הירח, ובנסיונות רבים מאד להגיע לנוגה. הרבה מאד ניסיונות והרבה מאד כשלונות.
בתחילת 1969 שיגרה ארצות הברית את מארינר 6 ו- 7 בהפרש של שלושה ימים למאדים. באופן מפתיע שיגרה ברית המועצות בדיוק באותו זמן שתי חלליות משלהם לאותו היעד. היו שני הבדלים בין המשימות; האחד הוא מבחן התוצאה, בו האמריקאים הפיקו כ- 200 תצלומים של אזורים שונים במאדים משתי החלליות, בעוד ששתי החלליות הסובייטיות נכשלו בעת השיגור. השני הוא שבעוד שהאמריקאים שיגרו שתי חלליות למעבר סמוך למאדים (Flyby), הסובייטים בנו חלליות שיועדו להישאר במסלול סביב כוכב הלכת האדום.
הקירבה בזמני השיגור איננה מקרית, מכיוון שהיא מושפעת מהמיקום הגיאומטרי של מאדים וכדור הארץ, שמגיע למצב מיטבי לשיגורים רק בזמנים מסויימים מאד.


הישגים מול חדשנות

שנתיים לאחר מכן, במאי 1971, נראה שהמאמץ מגיע לשיא, וכך גם נוצרים הישגים:
ההתחלה תשמע לכם מוכרת - האמריקאים מדביקים את הפער ומשגרים את מארינר-8, שהיא מקפת (Orbiter) למסלול מאדים, אלא שהשיגור נכשל...
יומיים אחר כך משגרים הסובייטים את קוסמוס-419, הפעם - שימו לב - נחתת (Lander)...שלא מצליחה לעזוב את מסלול כדור הארץ ונשרפת בכניסה חזרה לאטמוספירה.
קשה לי לדמיין כיצד מסוגלים להמשיך אחרי כל כך הרבה כשלונות... אבל כשיש מנוף פוליטי אז יש תקציב ומוטיבציה.
עוד באותו חודש משגרת ברית המועצות את מארס-2 ו- 3, חלליות זהות הכוללות מקפת ונחתת כל אחת, והאמריקאים משגרים את המקפת מארינר-9. המקפות מארס-2 ו- 3 סיפקו אי-אלו תמונות, אבל הנחתות לא פעלו כמתוכנן: הנחתת של מארס-2 נשרפה בכניסה לאטמוספירה של מאדים ומארס-3 נחתה, אבל הקשר עימה התנתק לאחר פחות מ- 20 שניות על הקרקע. היא הספיקה לשדר תמונה קטועה שלא ניתן להסיק ממנה דבר. שווה להזכיר ששתי הנחתות הכילו זרוע רובוטית ורכב קטן שיכול היה להתרחק כ- 15 מטרים מהנחתת, אילו הנחתות היו מצליחות לפעול (למעשה זה היה הרובר הראשון על מאדים).
מארינר-9, לעומת זאת, היתה הצלחה כבירה שהפיקה אלפי תמונות ומיפוי כמעט מלא של מאדים. הקניון העצום והמפורסם של מאדים, ואלס מארינריס, המשתרע על פני 4,000 קילומטרים, קרוי על שמה.

נוקאאוט

בקיץ 1973 שיגרה ברית המועצות ארבע (!) חלליות למאדים: מארס 4 ו- 5 היו מקפות זהות, הראשונה פספסה את כוכב הלכת והשניה הצליחה ואפילו שרדה מספר ימים במסלול סביבו. מארס 6 ו- 7 היו נחתות, הראשונה התרסקה בנסיון הנחיתה והשניה פספסה את מאדים ואבדה בחלל. אולי שמתם לב שמאדים לא מסתדר טוב עם חלליות מתוצרת ברית המועצות. מעניין שדווקא על נוגה הם קבעו שיאים חסרי תקדים.

בקיץ של שנת 1975 שיגרה ארצות הברית את שתי חלליות וייקינג שהיו מורכבות ממקפת ומנחתת, ושתיהן הצליחו במשימתן מעל ומעבר לתכנון המשימה. הן שרדו מספר שנים, ובמיוחד המקפת של וייקינג-2, ששידרה מעל 50,000 צילומים של תוואי שטח של מאדים. הנחתות עצמן היו גדולות ומשוכללות לאותה תקופה, וכללו מעבדה לניתוח חומרים וכף לאיסוף דגימות קרקע.

צילום עצמי של וייקינג-2 על מאדים
כשבחרו את אזור הנחיתה של וייקינג, חששו מנחיתה על מדרון, או באזור עם סלעים, או בכל מקום שאינו שטוח לחלוטין, ולכן הנחיתו את הנחתות באתרים "משעממים" מבחינה גיאולוגית. אמנם יותר חשוב שהנחתת תשרוד, אבל היה ברור שחייבים נחתת בעלת יכולת תנועה.

התקדמות טכנולוגית

ביולי 1988 שיגרה ברית המועצות שתי חלליות שכללו כל אחת מקפת למאדים ונחתת לירח פובוס! לרוע המזל אבדה פובוס-1 בדרך, ופובוס-2 סבלה מתקלת מחשב או תקשורת רגעים לפני נחיתה על פובוס.
ב- 1992 שלחו האמריקאים את המקפת החדישה Mars Observer, שאבדה קצת לפני הגעה ליעד.

בחודש נובמבר שנת 1996 שוגרו שתי חלליות למאדים. האחת אמריקאית, המקפת Mars Global Surveyor, שהשלימה משימה מורחבת של מיפוי וסקירה ברזולוציה משופרת, ומשימתה הוארכה שלוש פעמים עד שהסתיימה ב- 2006. האחרת היא המשימה הרוסית מארס-96, שכללה מקפת, שתי נחתות, ושני חודרנים (Impactors) שאמורים לחדור 5-6 מטרים אל תוך הקרקע. משימה שאפתנית ומיוחדת, אבל בשביל לחקור את מאדים צריך קודם להצליח לעזוב את כדור הארץ... השיגור נכשל והמשימה ירדה לטמיון, ולקחה עימה את המשך תוכנית החלל הרוסית לכל העשור הבא.


בדצמבר 1996 שיגרה ארצות הברית את מארס פאת'פיינדר, הכוללת נחתת (שקיבלה את שמו של קרל סייגן) ואת הרכב סוג'ורנר, שהיה הרובר הראשון שפועל על מאדים. משימתו נמשכה כשלושה חודשים. הנחתת נחתה באמצעות מצנח וערימת כריות אוויר לשיכוך המכה. אליפסת הנחיתה, האזור בו צפויה הנחתת לנחות היתה בגודל 200 על 70 קילומטרים. ממש לא נחיתה מדוייקת.

סוג'ורנר. צולם על ידי הנחתת פאת'פיינדר
בסוף שנות ה- 90 חזר רצף הכשלונות. הרוסים כבר לא במרוץ לאחר התמוטטות הגוש הסובייטי והצרות הכלכליות שבאו בעקבותיו, אבל שחקנים חדשים החלו להופיע.
ביולי 1998 שוגרה חללית יפנית בשם נוֹזוֹמי למשימה למאדים, אבל במסלול מאד לא שגרתי שאמור להביא אותה לשם לאחר חמש שנים, אבל בהשקעת כמות קטנה מאד של דלק. נוזומי נפגעה מסערת שמש והמשימה הסתבכה ולבסוף הסתיימה באובדן תקשורת לפני ההגעה ליעד.
בדצמבר 1998 - ינואר 1999 שיגרה ארצות הברית שתי חלליות למאדים - המקפת Mars Climate Orbiter שהתרסקה על הקרקע עקב שגיאה תכנונית שכללה ערבוב בין השיטה המטרית והשיטה האימפריאלית (באמת שאין לי מה להוסיף כאן. זה באמת...ללא מילים), והנחתת Mars Polar Lander שהתרסקה גם היא, אבל לפחות בגלל תקלה חשמלית. 

שנות האלפיים - בעיקר הצלחות

ב- 2001 שוגרה מארס אודיסיי, מקפת חדישה שממשיכה לפעול עד היום ותשמש כממסר עבור קיוריוסיטי בזמן הנחיתה.
שנת 2003 היא השנה בה סוכנות החלל של האיחוד האירופאי הביאה חללית למאדים - מארס אקספרס, שסחבה כל הדרך את הנחתת ביגל-2, אבל זו התרסקה בנחיתה. מארס אקספרס תשמש כגיבוי לתקשורת בין קיוריוסיטי והארץ.

הרוברים המפורסמים ספיריט ואופורטיוניטי, שניהם חלק ממשימת Mars Exploration Rover, או בקיצור MER, שוגרו בנפרד בקיץ 2003 ונחתו בצדדים שונים של מאדים. הנחיתה התבצעה באופן דומה לפאת'פיינדר, אבל את אליפסת הנחיתה הצליחו לצמצם ל- 83 על 10 קילומטרים. עדיין רחוק מלהיות מדוייק, ולכן עדיין נאלצו לנחות במקומות נרחבים נטולי מכשולים.


בשנת 2005 שוגר Mars Reconnaissance Orbiter, או MRO, שהיא המקפת המודרנית והמשוכללת ביותר שיש כיום סביב מאדים. אם חללית כלשהי מסוגלת לצלם את קיוריוסיטי במהלך הנחיתה או על פני הקרקע, זו היא, והכוונה היא לעשות זאת, כמובן.


ב- 2007 שוגרה הנחתת האמריקאית פיניקס, שנחתה באמצעות רקטות באזור הקוטב הצפוני של מאדים. בדומה לוייקינג, גם זו נחתת נייחת.


לסגירת המעגל, בנובמבר 2011 שוגרו שתי חלליות למאדים, האחת אמריקאית ושמה
MSL והיא הולכת להנחית את הרובר הגדול והמשוכלל ביותר על מאדים בשיטה המטורפת והחדשנית ביותר שנהגתה אי-פעם ולמרות זאת מומנה על ידי הממשלה. השניה מתוצרת רוסיה, ושמה היה פובוס-גרונט. משימתה היתה שאפתנית גם כן - נחיתה על הירח פובוס והחזרת דגימת קרקע ממנו, יחד עם שילוח טרמפיסט בצורת לווין סיני שיישאר להקיף את מאדים. הקוראים הותיקים יודעים שפובוס-גרונט התפזרה לה בדרום האוקיינוס השקט בתחילת השנה.

סיכום ביניים: מעל 3 כשלונות לכל משימה מוצלחת

כפי שראיתם בסרטון שבראשית הרשומה, הנחיתה של קיוריוסיטי מורכבת ומסוכנת מאד. היתרון שלה יהיה בכך שאליפסת הנחיתה היא 20 על 7 קילומטרים בלבד, ולכן אפשר להנחית אותה בתוך מכתש וליד צלע הר אדיר ממדים.
להגיע למאדים ולשרוד את המעבר באטמוספירה הוא משימה מאתגרת מאד. כל הצלחה נשענת על לקחים מכשלונות רבים, ועל היכולת ללמוד מהם. היום נותר רק שבריר מהתקציבים שהושקעו בעבר בתכנית החלל, ואתגר לא פחות חשוב הוא לנצל אותם באופן יעיל כדי ליצור משימות פורצות דרך.
כל שנותר הוא לחזק את ידיהם של אנשי משימת MSL. שתהיה לכולנו נחיתה רכה ומוצלחת.

ברשומות הבאות אתאר את שלבי הנחיתה, כולל פרטים שאינם מופיעים בסרטון, ואת המשימה המדעית של קיוריוסיטי. כל זאת בימים הקרובים!


לרשומה הבאה בנושא זה: צלילה לאטמוספירה של מאדים


______________________________

קרדיט לתמונות: NASA, אלא אם צויין אחרת.

10 תגובות:

  1. 1. מה זה אליפסת נחיתה?
    2. השיטה המטרית והשיטה האימפריאלית זה לא אותו דבר?...

    שועלדון.

    השבמחק
  2. וואו. קודם כל, כל הכבוד על רשומה ארוכה מאוד ומושקעת ועל הרשומות הבאות המתוכננות. אם יש משהו שלמדתי, זה שיש המון ג'אנקמייל שהמען שלו היה מאדים ומסתובב עד היום ברחבי החלל. רק גורם להעריך יותר ויותר את המשימות שכן הצליחו בטכנולוגיה של פעם, בטח את אלה שעדיין עובדות כמו וויאג'ר.
    היו לי כמה שאלות, נראה אם אזכור את כולן:

    1. מרגע שיש לך חללית שיכולה להגיע למאדים, למה להסתפק ב-flyby ולא להגיע ל"דרגה" של מקפת? מה המגבלה?
    2. מדהים לגלות שכבר ב-71' ניסו לשלוח רכב. למה מאז לא ניסו שוב, עד שנות ה-90'? הרי הבעיה לא היתה ברכב.
    3. שאלה כללית - האם מיקום הנחיתה המדויק "מוכנס" לרובוט מראש, תוך ידיעה מראש מאיזה צד הרובוט מגיע ואיפה בדיוק נקודת הנחיתה נמצאת, או שעושים את זה כשהוא בדרך, בהתאם לתיקוני מסלול?
    4. איך הם יצליחו לצלם את אופורטוניטי נוחת? זה מצריך תיאום מטורף בין שני הכלים. זה אפשרי בכלל?
    5. מזמן מזמן קראתי שיש מצלמה באופורטוניטי שתצלם את הנחיתה (לא בשידור חי, כמובן). זה עוד רלוונטי?

    ולסיום, זה כ"כ מפליא שתמיד כיף להזכיר את העובדה שאופורטוניטי עדיין פעיל (גם אם קצת צולע), כ"כ הרבה זמן אחרי שאמור היה לשבוק חיים.

    השבמחק
  3. נתחיל מההתחלה -
    שועלדון: אליפסת נחיתה היא התחום שבתוכו תתבצע הנחיתה. כשזורקים חפץ היישר למטה, אפשר לסמן עיגול שבוודאות גדולה החפץ יפול לתוכו. אם לחפץ יש גם מהירות אפקית, אז העיגול יהפוך לאליפסה, ומכאן המושג.
    השיטה האימפריאלית היא שימוש ביחידות מידה כמו מייל, רגל ואינץ' לעומת השיטה המטרית שבה משתמשים ב...מטרים.
    ארה"ב היא כמעט המדינה האחרונה שעוד דבקה בשיטה האימפריאלית, למרות שחברות פרטיות כבר למדו לדבר במטרים.
    שמוליק - תודה, אני אנסה לענות על כל השאלות:
    1. flyby הוא טיסה במסלול סביב השמש, שבכוונה חולף סמוך לכוכב לכת ומושפע מכבידתו. כדי להיכנס למסלול סביב כוכב הלכת צריך להאט את המהירות בזמן המתאים ו"להיתפס" על ידי כבידת כוכב הלכת. זה דורש דלק, ובעיקר תזמון מדוייק. זה לא טריוויאלי כשלא יודעים במדוייק את עוצמת כוח המשיכה של הפלנטות ואת השפעת רוח השמש, למשל.
    2. רכב הוא מסובך הרבה יותר מנחתת פשוטה. גם ה"רובר" הרוסי לא היה עם גלגלים אלא משהו כמו מגלשי סקי (מזכיר קצת צעצועי ילדים שמתקדמים עם מנוע חשמלי קטן). האמריקאים העדיפו ללכת על בטוח עד שהחליטו שהם מוכנים לנסות, והרוסים רצו קדימה עם רעיונות נועזים וחדשניים גם בלי להיות מוכנים. זה בעצם ניכר לכל אורך הסקירה.
    3. מיקום הנחיתה נקבע לפי תיקוני המסלול שמתבצעים בדרך למאדים. הניווט במהלך הכניסה לאטמוספירה הוא אינרציאלי, באמצעות ג'יירוסקופים, והחלק האחרון של הנחיתה מתבצע באמצעות מכ"ם לקביעת המהירויות והגובה. הרובר לא באמת יודע היכן הוא נמצא ואם הוא נחת במקום הנכון, ולמרות זאת יש הרבה ביטחון ביכולת הניווט המתקדמת שלו. החלק שמכניס הכי הרבה "רעש" למערכת הוא המצנח, שאין דרך לדמות במדוייק את ההתנהגות של האטמוספירה במאדים בשלב פעילותו.
    4. זה מצריך תיאום בין הכלים, וכל שלוש המקפות שסביב מאדים יהיו עם שדה ראייה לקיוריוסיטי ולכדור הארץ בזמן הנחיתה. גם את הפיניקס הצליחו לצלם בשלב הצניחה, אז כבר יש ניסיון בזה.
    5. יש מצלמה שתתעד את הירידה מרגע שמגן החום מתנתק. זה רלוונטי, אבל יקח כמה ימים לשדר את כל החומר הזה לכדור הארץ באיכות מלאה, כי זה לא בעדיפות עליונה.

    מקווה שעניתי על הכל. יהיו עוד פרטים ברשומה הבאה.

    השבמחק
  4. יופי של סקירה, לא היה לי מושג שכמות הכשלונות כל כך גדולה... באמת מדהימה הנחישות להצליח.
    נקווה שזו תהיה מוצלחת, זה באמת מבאס שפרוייקטים כל כך גדולים יורדים לטמיון.
    כמה זמן נמשכת הטיסה למאדים? 9 חודשים?

    השבמחק
  5. תודה גלעד, השיגור היה בסוף נובמבר, אז אפילו פחות מתשעה חודשים.

    השבמחק
  6. תודה יואב. המשך:

    3. אם הוא לא יודע באמת איפה הוא נמצא, יכול להיות מצב שהוא בכלל ינחת במקום שונה לגמרי? מהבטחון שלהם והדיבור על מקום הנחיתה המדויק הנחתי שהם יכולים להיות בטוחים יותר.
    4. מצאתי צילום בודד של נחיתת הפניקס בוויקי. איכשהו אני בכלל לא זוכר את המשימה הזו למרות שהיא התרחשה רק לפני כמה שנים. אולי בגלל שהנחתת החזיקה רק כמה חודשים והתאומים ספיריט ואופורטוניטי גברו עליה מבחינת עניין.

    השבמחק
  7. נחיתה במקום שונה לגמרי משמעו תקלה חמורה ביותר, ולמעשה לא בטוח שהנחיתה תצליח. בכל זאת הוא צריך לנחות באזור פחות-או-יותר מישורי וללא סלעים גדולים.
    הפיניקס באמת לא היתה משימה מעניינת במיוחד, למרות שמבחינת ממצאים היתה לה תמורה חשובה.

    השבמחק
  8. אני מאוד רוצה לכתוב שכדאי להם להשתמש בגיפיאס כדי לקבוע מיקום, אבל חוק פו והכול...
    רשומה מעולה, אחת הטובות.

    השבמחק
  9. משעשע שהזכרת את הטעות התכנונית והבלבול בין השיטה המטרית לאימפריאלית, כשבסרט, בערך ב-4:20, הבחור אומר שעשרים מטר מעל הקרקע הם ישלחו את הרכב בכבל שאורכו עשרים ואחת רגל.

    השבמחק
  10. הנה, גם בתמונה נחמדה בנאסא מתייחסים לקושי להגיע למאדים:
    http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2012-227&cid=release_2012-227#1

    השבמחק