Til hovedsiden
    

   
    Bli medlem
    Siste nytt
    Artikler
    Bildeserier
    Temasider
    Bildearkiv
    Foredrag
    Effekter til salgs
    Lenker
    Spørsmål og svar
    Spør oss
    Prosjektoppgave
    Om oss
    NAF på Facebook
    Kontakt oss
    Nettstedskart
    Hovedsiden
Trykk for å lese mer om sitatet
 

Framtidige, små Mars-kjøretøy

Av Per Olav Sanner

 

Artikkel publisert i Nytt om Romfart, 24. årgang, nummer 90, april-juni 1994, sidene 20-23 av Norsk Astronautisk Forening/www.romfart.no.

Skriv ut

Tips bekjent

 

Utviklingen av USAs neste Mars-prosjekt, MESUR Pathfinder, går videre med full styrke til tross for den pinlige svikten til romsonden Mars Observer i august 1993. Denne artikkelen legger spesielt vekt på arbeidet med å utvikle et mikrokjøretøy som kan bli med denne sonden til Mars.

Utkast til Mars-kjøretøyer er blitt studert ved Jet Propulsion Laboratory (JPL) siden midten av 1980-tallet, hovedsakelig i forbindelse med et prosjekt for ubemannet henting av prøver fra Mars-overflaten (Mars Sample Return Mission, MSRM) eller som forløpere for menneskelig utforskning av planeten. Frem til 1989 var kjøretøyene man så for seg for disse prosjektene store (med masse i området 800-1000 kg) og i høy grad selvstyrte. Fra 1989 til 1992 skar imidlertid Kongressen jevnt ned på bevilgningene til bemannede ferder og deres robotforløpere. Disse nedskjæringene tvang gjennom en utvikling av oppfinnsomme konsepter for Mars-kjøretøyer. De mest lovende var mini- og mikrokjøretøyer i klassen 5-50 kg.

Fire faktorer gjorde det mulig å konstruere så små kjøretøyer. De var for det første miniatyrisering av elektronikk, for det andre tilgang på små og svært mobile understell som opprinnelig var testmodeller for de store kjøretøyene ved JPL, for det tredje utvikling av avanserte styreprogrammer for insektliknende kjøretøyer av forskere ved JPL og for det fjerde JPLs utvikling av en teknikk for fjernstyring støttet av datamaskiner.

Disse faktorene ble kombinert ved JPL i en serie eksperimenter hvor mindre og mindre datamaskiner og stadig mer sofistikerte sensorer ble montert på stadig bedre «rocker-bogie»-understell. Denne serien kulminerte i juni 1992 med en demonstrasjon av et lite kjøretøy med navnet Rocky 4, som verifiserte konseptet med et integrert mikrokjøretøysystem. Systemet veide 7 kg og fikk NASA til å bevilge midler til Mars Environmental Survey (MESUR) Pathfinder og dens Microrover Flight Experiment. (Se mer om MESUR i artikkelen MESUR - Attende til Mars i Nytt om Romfart nummer 87, 1993, sidene 22-23.)

Utviklingen av MESUR Pathfinder har et kostnadstak på 150 millioner 1992-dollar. MFEX, som ikke er inkludert i den summen, har en øvre grense på 18 millioner 1992-dollar. Erfaringer fra Pathfinder og MFEX vil gjøre konstruktørene i stand til å velge det beste konseptet for fremtidige Mars-sonder og deres kjøretøyer. Disse vil bli brukt i prosjekter som MESUR Network og MSRM.

MFEX vil bli brakt til Mars-overflaten av MESUR Pathfinder-romfartøyet. Romfartøyet tenkes skutt opp med en Delta-bærerakett i desember 1996. Det vil fly direkte til Mars, fly gjennom atmosfæren med et varmeskjold beslektet med typen som ble brukt i Viking-programmet og lande ved hjelp av fallskjermer og luftputer. Landingen skal foregå i juli 1997.

Etter landing vil landeren åpne seg og folde ut solcellepanelene slik at elektrisk strøm kan produseres. Landerens kamera vil ta et panoramabilde av omgivelsene og overføre det til Jorden med en hastighet på noen få hundre biter i sekundet. (I motsetning til Viking-landerne har ikke Pathfinder noe moderfartøy i Mars-bane som kan fungere som kommunikasjonssatellitt.) Kjøretøyet vil så bli frigjort før det retter seg opp og kjører ned en rampe til overflaten. Det vil operere uavhengig av landeren med unntak av at den vil benytte landerens sambandsfunksjoner til overføring av kommandoer og telemetri.

For å minimalisere kostnadene ble Rocky 4-modellen valgt som utgangspunkt for konstruksjon av MFEX-kjøretøyet. Det har seks individuelt drevne hjul festet med boggiestenger til én enkelt «kropp». Kjøretøyet har styring på både for- og bakhjul. Kontrollen deles mellom Jorden, hvor en operatør styrer på grunnlag av stereoskopiske bilder sendt fra Mars og kjøretøyet, og kjøretøyets selvstendige kontrollsystem, som bruker sensorer på kjøretøyet for å følge en gitt trase og unngå faremomenter.

Hovedformålet med kjøretøyet er teknologiske forsøk og oppgaver innen selve ferdprogrammet. Forsøkene skal bedømme hvor godt mikrokjøretøyet fungerer i det lite kjente Mars-terrenget. Informasjon om dette skal samles av instrumenter kjøretøyet bringer med seg. Slik vil man bestemme vekselvirkningen mellom hjul og jord og overvåke kjøretøyets øvrige systemer, oppdage farer, bestemme navigasjonsfeil og annet. Som en del av nyttelasten vil kjøretøyet også innhente vitenskapelige data ved å rette et spektrometer for alfa-, proton- og røntgenstråling mot én eller flere steiner og muligens også mot bakken. Kjøretøyet vil ta bilder av landeren for å gjøre det mulig å vurdere dens tilstand.

Både landeren og kjøretøyet har få reservesystemer. I tillegg varierer temperaturen på Mars mellom -100 °C og 0 °C hver dag. Derfor må ferdens hovedmål nås på relativt kort tid - målet er sju døgn eller færre. Siden hastigheten på kommunikasjonsforbindelsen mellom landeren og Jorden er begrenset til noen få hundre biter i sekunder, kan dataene som skal danne grunnlaget for å styre kjøretøyet, bare samles opp etter et helt døgns overføring. (Ett Mars-døgn er tilnærmet like langt som ett døgn her på Jorden.) Kjøretøyet kan følgelig bare kommanderes én gang i døgnet.

Timeplanen for oppdraget på overflaten avhenger av dataoverføringskapasiteten. Et scenario er utviklet for å kartlegge behovet for dataoverføring og -lagring både for kjøretøy og lander. I dette scenariet blir kjøretøyet frigjort den første dagen og styrt mot en stein. Underveis vil det gjøre et opphold for å utføre eksperimenter vedrørende overflatematerialets sammensetning og fotografere landeren.

I løpet av neste dag blir kjøretøyet kommandert til å nå steinen og plassere spektrometeret på den. Landeren vil fotografere kjøretøyet ved slutten av hver dag for å bestemme dets posisjon i forhold til målet. Et spektrum blir i dette scenariet tatt opp i løpet av natten for å spare timene i dagslys til bevegelse av kjøretøyet. Kraften til denne nattlige aktiviteten kommer fra kjøretøyets batterier.

Hovedscenariet inneholder flere opptak av spektra og utføring av eksperimenter, og tre bilder av landeren skal tas. Disse vil bli tatt i en avstand av maksimalt 10 m fra landeren, fordi oppløsningen da er høyest. I et utvidet program kan man risikere kjøretøyet på lengre utflukter. Den kan til og med bevege seg ut av synsfeltet til landeren ved å benytte seg av egne bilder for å navigere.

Kjøretøyet kontrolleres fra Jorden av en operatør som ser på stereobilder fra landeren eller kjøretøyet ved hjelp av 3-D-briller. Kommandoer til kjøretøyet sendes gjennom operasjonssystemet til Pathfinder. Kort etter sol- og jordoppgang på Mars overføres kommandoene til landeren. Denne videreformidler dem til kjøretøyet over UHF-sambandet, og kjøretøyet lagrer dem til de skal iverksettes. Bilder og annen telemetri fra kjøretøyet blir lagret, komprimert og delt opp i datapakker. Når kjøretøyet er klart til å sende, gir det beskjed til landeren. Den gir signal tilbake når den er klar til å motta. Landeren lagrer datapakkene for overføring til Jorden.

NASA har forsøkt å gjøre MFEX til en del av sitt program for bedre, raskere og billigere prosjekter. Sentralt i den kostnadsbegrensede aktiviteten står den tilsiktede begrensningen på datakraft sammen med ny teknologi for autonome kontrollprogrammer. I forsøket på å spare penger blir ytelse og risiko variabler. For eksempel klarer man seg med relativt langsomme beregninger i kjøretøyets datamaskin ved å la det kjøre med lav hastighet.

Konseptet er basert på bruk av rimelige deler og er bygd rundt en datamaskin med lav ytelse. Dette inkluderer betydelig bruk av lavkostkomponenter av kommersiell og militær standard. Prosjektet benytter også kostnadseffektive tiltak som bruk av en liten gruppe med overoppsyn over utviklingen, rask og kontinuerlig utvikling av prototyper, nye prosesser for innkjøp og kvalifisering av deler og deltakelse av industriforetak for å muliggjøre en kostnadseffektiv teknologioverføring.

Fordi ferdens varighet er kort og strålingsmiljøet ganske mildt, vil man kutte utgiftene ved å ta visse risiki i utformingen av kjøretøyets konstruksjon, for eksempel ved i størst mulig grad å bruke allerede utviklede deler. I tidligere romprosjekter har man ofte øket et romfartøys pålitelighet ved å utstyre dets kritiske komponenter med opp til flere reserver, gjerne identiske, men dette øker også sluttprisen. En slik form for sikkerhet finnes så å si ikke i Pathfinder-prosjektet, men til en viss grad kan ulike systemer brukes som reserver for hverandre. For eksempel er solcellepanelene og batteriene hverandres reserver.

Kjøretøyet får energi fra et solcellepanel på 0,25 m2. Panelet er stort nok til å drive kjøretøyet i flere timer hver dag, selv under de verst mulige forhold med mye støv i atmosfæren. Som kilde til reservekraft får kjøretøyet D-cellebatterier som utvikler 150 MW. For tiden vurderer man litiumthionylklorid-celler.

Komponenter som er følsomme overfor ekstreme temperaturer, som for eksempel elektronikk og batterier, vil bli huset i en oppvarmet elektronikkboks. En eller to radioisotopgeneratorer vil kanskje bli plassert inne i boksen.

Aktiviteten rundt MFEX inkluderer som nevnt rask utvikling av prototyper. For å teste mobilitet ble Rocky 4 ribbet til understellet og kjørt i en skrånende sandkasse fylt først med sand og så med en etterlikning av månejord. Denne modellen gikk under betegnelsen Rocky 4.1. Før denne forsøksrunden monterte man motorer og mekanismer mer beslektet med utstyr som forventes brukt på Pathfinder-kjøretøyet. Understellet ble så overgitt til et eget underkontrollsystem. Rocky 4.2 opererer nå i en sandkasse under kontroll av et dataprogram og gjør nytte som et verktøy for utvikling av programvare.

Parallelt med dette foregår utvelgelse og utprøving av komponenter. Kommersielle motorer og gir blir vurdert i et lite temperatur- og vakuumkammer med hensyn til deres motstandsdyktighet overfor de lave temperaturene på Mars.

Neste trinn i prototypeutviklingen er å anskaffe to sett med ferdkvalifisert utstyr. Det ene settet vil bli lagret i svært rene omgivelser. Det andre settet vil bli brukt til å konstruere en modell for systemintegrasjon (MFSI). MFSIen vil bli utsatt for simulerte Mars-forhold og bli brukt til å sjekke forbindelser til Pathfinder-fartøyet mens det settes sammen og prøves ut. Basert på resultater fra denne prosessen vil så selve Mars-kjøretøyet bli bygd opp, muligens med noen modifikasjoner. Kravene til renhet er strenge fordi man i størst mulig grad ønsker å beskytte Mars-miljøet. Et eventuelt utslipp av bakterier eller mikrober vil kunne ødelegge sjansen for noensinne å få en endelig avklaring på spørsmålet om det eksisterer liv på Mars i form av slike organismer.

Jordiske bakterier vil kunne overleve turen til Mars. Det kan her minnes om at man fant bakterier fra Jorden i et kamera som Apollo 12-astronautene tok med fra Månen i november 1969. Kameraet stod på det ubemannede månelandingsfartøyet Surveyor 3 som landet der i april 1967. Fra da og til Apollo 12 ankom, hadde de jordiske bakteriene ligget i dvale i kameraet på Månen.

Kjøretøyet vil bli integrert med Pathfinder-fartøyet og utsatt for miljøtesting sammen med dette.

Kjøretøyet får en antatt masse på 8 kg. I tillegg står dens vitenskapelige instrumenter for omtrent 2 kg. Montert på selve landeren er maksimalt 6 kg til med utstyr som er nødvendig for å kunne ta med kjøretøyet. Disse vektgrensene er bestemt av landerens nyttelastkapasitet. Kjøretøyets høyde er 28 cm (med 13 cm klaring til bakken), men plassmangel på landeren gjør av kjøretøyet må pakkes slik at høyden i sammenpakket tilstand blir 18 cm. Lengde og bredde for kjøretøyet er henholdsvis 63 cm og 48 cm. Denne størrelsen skaper betydelig utfordringer med hensyn til mobilitet, beregninger, temperaturkontroll, energiforsyning og telekommunikasjon.

Konstruksjonen av kjøretøyet har endret seg kraftig fra grunnprinsippet som ble demonstrert i juni 1992. Ferdmodellen vil imidlertid beholde «rocker-bogie»-understellet med seks hjul. Kjøretøyet kan komme til å måtte bevege seg gjennom meget hasardiøst terreng sett i forhold til dens størrelse. Men sammenliknet med andre prototyper med opptil tre kroppsledd er den en svært stabil plattform for vitenskapelig utstyr og fotografering. Den vil kunne bruke sitt eget system for overvåkning og selvstendig kontroll for å finne en trygg vei rundt hindringer den ikke kan forsere.

Alle beregnings- og kontrollfunksjoner i kjøretøyet vil bli utført av én enkelt Intel 80C85-prosessor, som ble valgt på grunn av dens lave pris og store motstandsdyktighet mot stråling. Den er bare en 8-biters prosessor med en beregningshastighet på rundt 100 000 instruksjoner per sekund. Dette er imidlertid nok til å dekke kjøretøyets behov hvis det kjører sakte. Den er også overlegen alle datamaskiner brukt av romsonder før Galileo.

Ny teknologi for måling av avstander blir nå utviklet av NASAs Office of Advanced Concepts and Technology, og vil kanskje bli brukt på MFEX. Systemet bruker sentralprosessoren til å lese bilder fra kommersielle CCD-kameraer (CCD står for Charge Coupled Device, et elektronisk kamera). Det bruker også laserteknologi til å oppdage hindringer som steiner, overheng og hull.

Ifølge planen skal kjøretøyet kommunisere via halvduplekse UHF-modemer av militær standard som opererer på om lag 460 MHz og sender over 1 m høye piskeantenner. Ett sett med modem og antenne er montert på kjøretøyet, det andre på landeren. For enkelhets skyld er landerens datasystem forbundet med modemet gjennom en vanlig RS 232-port. (Denne er velkjent fra mange års bruk i hjemmedatamaskiner.) Modemet som er under vurdering er fra Motorolas R-Net-serie. Kommunikasjon mellom landeren og kjøretøyet er mulig over en avstand på flere hundre meter.

Kontrollen med kjøretøyets elektriske energiforsyning er forholdsvis kompleks. Fordi man benytter seg av et så mangeslungent utvalg av deler av ulikt opphav, har man behov for regulert strøm på flere spenningsnivåer. Den sentrale datamaskinen styrer dette.

Alt i alt ser det ut til at utviklingen av MESUR Pathfinder og kjøretøyet er i rute. Vi får bare håpe at dette prosjektet ikke blir utsatt for de uhellene som stanset USAs Mars Observer i 1993 og den daværende Sovjetunionens Phobos 1 og 2 i henholdsvis 1988 og 1989.

Tekster til illustrasjoner brukt i artikkelen

Modell av et lite kjøretøy som Jet Propulsion Laboratory har utviklet med tanke på eventuell deltakelse på Mars Environmental Surveys Pathfinder-ferd. (NASA/Charles Allen)

Prototypen på «Rocker Bogie» kan ta seg over hindringer med en diameter på over det dobbelte av hjuldiameteren. Kjøretøyet er blitt utstyrt med en datamaskin og brukes nå i feltforsøk som et minikjøretøy. (NASA)

Dette er en modell i målestokk 1:8 av en mobilitetskonstruksjon for et større kjøretøy som kan bli brukt med et ubemannet romfartøy for henting av prøver fra Mars. I full størrelse vil denne «Bickler Pantograph» ha hjul med en diameter på én meter og være i stand til å passere hindringer på opptil én meters høyde. Prøver med konstruksjonen viste imidlertid at den kan få steiner i klemme mellom for- og mellomhjulene, og slik bli stående fast.

Tegning av et kjøretøy i full størrelse på Mars. Den tenkes drevet med termoelektriske radioisotopgeneratorer, som er plassert bakerst, helt til høyre. Hjulene er kjegleformede og med en største diameter på én meter. Kjøretøyet er delt i tre ledd og har fremst en robotarm for prøvetaking. Den halvkuleformede strukturen litt bak midten, er en direktivantenne for direkte kommunikasjon med Jorden. (NASA)

Alternativt til å bruke kjøretøyer med hjul på Mars, vurderer NASA også gående roboter. Her ser vi en modell bygd av Martin Marietta i målestokk 1:4 som har syv bein. (Martin Marietta Corporation)

 
Forrige artikkel | Neste artikkel | Alle NOR 1994 | Alle Romfart/NOR
 
 
 

Alt stoff på romfart.no/.com/.org er opphavsrettslig beskyttet.
romfart.no/.com/.org eies og drives av Norsk Astronautisk Forening.