Celem projektu była realizacja polskiego udziału w międzynarodowym eksperymencie PFS (Planetary Fourier Spectrometer) stanowiącym część misji MARS-EXPRESS przygotowywanej przez ESA.
Planetarny Spektrometr Fourierowski PFS przeznaczony jest do otrzymywania charakterystyk widmowych powierzchni i atmosfery Marsa w podczerwieni. Ich analiza umożliwia dokładniejsze poznanie składu chemicznego badanych obszarów i pozwala rozwiązać zagadkę obecności ciekłej wody na tej planecie we wczesnym okresie jej historii.
W CBK PAN prowadzone były następujące prace konstrukcyjne związane z PFS:
- opracowanie oprogramowania w ramach systemu PISA (Primary Investigator Support Area) do analizy danych housekeepingu PFS
- konstrukcja modułu skanera – systemu do pozycjonowania przestrzennego osi optycznej spektrometru PFS
- konstrukcja modułu zasilania całości urządzenia
2 czerwca 2003 o godz.19:45 czasu środkowoeuropejskiego (CEST) sonda kosmiczna Mars-Express z aparaturą naukową została pomyślnie wyniesiona w przestrzeń międzyplanetarną.
Na przełomie czerwca i lipca 2003 w Europejskim Centrum Sterowania Lotów (ESOC) w Darmstadt w Niemczech przeprowadzono pierwszą serię testów przyrządów znajdujących się na pokładzie. Otrzymane dane potwierdziły poprawną pracę wszystkich instrumentów oraz kluczowych systemów zasilających i telemetrycznych.
Wejście sondy na orbitę Marsa nastąpiło 25 grudnia 2003. Od stycznia do maja 2004 trwały testy tzw. Commissioning Phase.
Od początku czerwca 2004 rozpoczęła się praca wszystkich przyrządów w normalnym modzie obserwacyjnym. Program pracy całej misji został zaplanowany na pełny rok marsjański (2 lata ziemskie) z możliwością przedłużenia go na rok następny.
Cele misji
- Sporządzenie mapy całej powierzchni Marsa (z rozdzielczością 10m/pixel) i dokładniejsza analiza wybranych rejonów (o rozdzielczości 2m/pixel) – stereoskopowa kamera HRSC o bardzo wysokiej rozdzielczości
- Analiza składu mineralogicznego struktur tworzących powierzchnię planety – spektrometr OMEGA
- Badanie składu chemicznego atmosfery – spektrometr SPICAM pracujący w zakresie widzialnym i podczerwonym
- Określenie struktur znajdujących się pod powierzchnią Marsa (do głębokości kilku kilometrów) – radar MARSIS
- Badanie zawartości pary wodnej i ozonu w atmosferze Marsa – spektrometr fourierowski PFS
- Badanie oddziaływania wiatru słonecznego na atmosferę Marsa – analizator plazmy ASPERA
- Badania pola grawitacyjnego oraz zmian temperatury i ciśnienia w atmosferze – radiometr MaRS
Krótko o Marsie
Mars jest czwartą z planet oddalonych od Słońca i siódmą pod względem wielkości. Powierzchnię Marsa pokrywają liczne kratery o różnorodnych kształtach. Wiele z nich wznosi się nad okolicą do znacznych wysokości (nawet 3 razy wyżej od Mount Everest). Olbrzymie doliny o długości setek kilometrów poprzecinane są siecią kanałów. Większość z nich jest pochodzenia wulkanicznego, ale niektóre przypominają wyschnięte koryta rzek. Doba marsjańska trwa nieco ponad 24 i pół godzin, natomiast rok marsjański jest dwa razy dłuższy od ziemskiego i trwa około 686 dni.
Aparatura naukowa
Na satelicie MARS EXPRESS znajduje się 7 przyrządów naukowych opracowanych w różnych instytutach europejskich
- analizator energetycznie obojętnych atomów ASPERA (Szwecja)
- stereoskopowa kamera HRSC wysokiej rozdzielczości (Niemcy)
- radiometr MaRS do badania pola grawitacyjnego oraz zmian temperatury i ciśnienia w atmosferze (Niemcy)
- radar MARSIS do sondowania podziemnego (Włochy)
- spektrometr OMEGA do analizy mineralogicznej gruntu (Francja)
- spektrometr fourierowski PFS do badań atmosferycznych (Włochy)
- spektrometr SPICAM pracujący w zakresie widzialnym i podczerwonym (Francja)
Start w 2003
Start satelity MARS EXPRESS nastąpił 2 czerwca 2003 roku. Termin wybrany został ze względu na najkorzystniejsze wzajemne położenie obu planet. W sierpniu 2003 roku Mars znajdował się w peryhelium w odległości tylko 55 mln km od Ziemi. Taka korzystna konfiguracja powtarza się co 17 lat. Najmniejsza droga do przebycia dla statku kosmicznego oznacza najkrótszy czas podróży i najmniejsze zużycie paliwa.
MARS EXPRESS, o całkowitej masie 1223 kg, został wystrzelony z poligonu Bajkonur na rosyjskiej rakiecie SOYUZ-FREGATA. Po wyniesieniu satelity na orbitę okołoziemską, 3 niższe stopnie rakiety Soyuz, po oddzieleniu od statku spaliły się w atmosferze ziemskiej. Wkrótce potem zostały włączone silniki napędowe Fregaty, stanowiącej czwarty stopień rakiety nośnej. Zadanie Fregaty było podwójne:
– najpierw umieścił on satelitę na orbicie kołowej o promieniu 200km , a następnie
– po paru godzinach nadał mu prędkość konieczną do wyniesienia poza obszar pola grawitacyjnego Ziemi.
Po tej operacji Fregata oddzieliła się od satelity i MARS EXPRESS poleciał w kierunku Marsa samodzielnie.
Zanim satelita znalazł się na swojej właściwej orbicie, a dokładnie 5 dni wcześniej, od statku macierzystego oddzielił się lądownik Beagle 2 zaprojektowany i wykonany w Wielkiej Brytanii. Miał on osiąść na powierzchni planety i rozpocząć swą pracę niezależnie, utrzymując łączność z satelitą jedynie w celu przekazania na Ziemię zebranych danych. Niestety, po odłączeniu Beagle 2 od satelity, została utracona z nim łączność i do tej pory nie udało się zlokalizować lądownika.
Orbita satelity
Po wejściu na orbitę Marsa pierwszym zadaniem układów kontrolujących pracę satelity było właściwe ustawienie statku kosmicznego względem Słońca. Następnie rozwinęły się automatycznie panele baterii słonecznych i na Ziemię została przesłana wiadomość o stanie przyrządów naukowych i systemu pokładowego.
MARS EXPRESS okrąża Marsa co 7 i pół godziny po orbicie eliptycznej o perygeum 258 km i apogeum 11 560 km. Łączność z Ziemią jest nawiązywana tylko w wyznaczonych okresach czasowych. Wtedy są transmitowane informacje zebrane wcześniej podczas pracy przyrządów naukowych zapisane w pamięci satelity.
Nominalnie misja została zaplanowana na 2 lata pracy na orbicie – do listopada 2005 (1 rok marsjański). Z uwagi na ciekawe wyniki i dobrą pracę wszystkich przyrządów, Komitet Naukowy ESA we wrześniu 2005 podjął decyzję o przedłużeniu misji o następne 2 lata.