Viking lander

De Viking missies bestonden uit een Orbiter en en Lander. De Orbiter was in feite een grote Mariner en de techniek om die Orbiter rond Mars te laten draaien was bekend. De grootste uitdaging was het maken van zachte landingen op Mars.

De Orbiter zocht eerst naar een geschikte landingsplaats en diende later als tussenstation voor de Lander. Fotografie was een heel belangrijk onderdeel van de Viking Lander, maar nog belangrijker was het mini-laboratorium dat aan boord was om te zoeken naar leven op Mars. Verder was de Viking Lander ook uitgerust met een weerstation.

De foto's die de Landers hebben genomen zijn erg mooi en doen vaak Aards aan, doordat er wind is op de planeet, soms is er rijp zichtbaar door de vorst en af en toe waren er de resultaten van stofstormen te zien.

 

 

 

ruimtevaartuig

De Viking Lander bestond uit een grote doos met daarop en aan allerlei instrumenten en onderdelen. Links en rechts bevonden zich tanks met brandstof voor de twee landingsmotoren. Bovenop een draaibare schotelantenne voor het contact met de Aarde en een rondomgevoelige antenne voor het contact met de Orbiter.

Prominent zichtbaar zijn de twee camera's en de graafarm. De graafarm was een belangrijk onderdeel om monsters te nemen van het marsoppervlak. Die graafarm was uitschuifbaar en leek op twee rolmaat linealen. Trechters waren aanwezig om de door het schepje verzamelde marsbodem op te vangen.

In het inwendige van de Lander was een mini laboratorium van ongeveer 30 cm in het vierkant dat niet alleen klein was, maar ook erg ingewikkeld.

De energie werd verzorgd door twee thermonucleaire stroombronnen, die de warmte van het verval van plutonium 238 omzetten in elektrische energie. Een zonnepaneel kwam niet van pas, omdat de Lander ook moest kunnen werken in de lange Mars nacht. De thermonucleaire stroombronnen bevonden zich onder de windschermen achter de brandstoftanks. Ze waren 28  cm lang en 58 cm in diameter en het gewicht was 13,6 kg. De spanning was 4,4 volt en de generatoren konden 30 Watt continue leveren. Deze spanning werd omgezet zodat de boordspanning 28 volt werd. Vier accu's van 8 Ampere uur konden de energie opslaan.

 

 

De lander 
De lander in zijn capsules. Helemaal buitenop is de biologische beschermcapsule die uit twee delen bestaat.
Daarbinnen zit de aerodynamische landingscapsule met onderaan het hitteschild. Aan de binnenkant van het hitteschild zitten brandstoftanks (met monopropellant hydrazine) en raketjes, die nodig waren om de capsule af te remmen, voor de afdaling in de marsatmosfeer.
De landing
De biologische beschermcapsule wordt afgeworpen. Tijdens de landing wordt het hitteschild gloeiend heet. Op zeker moment ontplooit de parachute. Dicht bij het marsoppervlak scheiden de delen van de aerodynamische landingscapsule zich. Het bovenste deel blijft aan de parachute vast zitten en het hitteschild wordt afgeworpen. De laatste 1500 meter wordt de afdaling vertraagd doordat de remraketten gaan werken. 
Op deze manier voorkomt men dat de parachute over de lander valt, waardoor er niets meer te fotograferen zou zijn.

.

Tijdens de vlucht naar Mars werden de twee boordcomputers van de Lander aan een soort examen onderworpen. De "domste" werd aan het eind van de proef op non-actief gesteld en diende verder als reserve. De knapste mocht de landing verzorgen.

Die landing verliep volledig automatisch aangezien een radiosignaal ten tijde van de landing zo'n 19 minuten onderweg was van de Aarde naar de Lander en omgekeerd. Vlak voor de afdaling werden de computergeheugens gevuld met 18.000 woorden van 24 bits. 
De afdaling werd ingezet met het het loskoppelen van de hele biologische beschermcapsule door de kracht van een veer. Na enkele uren met de Orbiter meegevlogen te hebben werden op zeker moment landingsraketjes (werkend op monopropellant hydrazine) op de bovenste kap van de capsule ontstoken waarna de lander op 240 km hoogte de dampkring van Mars indook met een snelheid van 16.000 km/h. De onderste kap van de capsule, het hitteschild, werd tijdens de daling in de ijle Marsatmosfeer tot 1500 graden verhit. Bij deze afdaling kwam de Lander uit zichzelf in de juiste schuine stand terecht. Toen de landingsradar een hoogte van 6 km registreerde werd het hitteschild afgeworpen en ontplooide zich een grote parachute, die de vaart verminderde van 250 tot 60 m per sec.

Op 1500 meter hoogte werd ook de parachute met bovenkap losgekoppeld en begonnen de drie regelbare raketmotoren (van 276 N tot 2667 N) te werken. De brandstof was weer monopropellant hydrazine. De drie raketjes bestonden elk uit 18 straalpijpjes om de invloed op de marsbodem zo laag mogelijk te houden). Die drie motoren brachten de snelheid in 40 seconden terug tot 2m/sec. Zodra sensors aan de landingspoten van de Viking het oppervlak voelden, werden de motoren afgezet. Bij de landing waren een radar hoogtemeter en een landingsradar belangrijk om goed op Mars terecht te komen. Deze radarhoogtemeter had twee antennes. Een aan de onderkant van de Lander en een vuurvaste die door het hitteschild heen stak. Op die manier kon men precies de hoogte boven Mars te weten komen tussen 1370 km en 30,5 cm! De landingsradar kon de horizontale snelheid van de Lander meten gedurende de laatste fase van de vlucht. Deze radar zat ook aan de onderkant van de lander.

Op 20 juli 1976 landde Viking 1 in Chryse Planitia, een redelijk gladde vlakte. 25 seconden later begon de Viking een automatisch fotoprogramma om toch wat van Mars hebben in het geval zich spoedig na de landing storingen zouden voordoen. De eerste foto bracht een van de landingspoten in beeld (zie links) met een hoog scheidend vermogen. Onderaan is een uitvergroting te zien. Na deze eerste opname begon de Lander zichzelf te activeren. De schotelantenne voor direct contact met de Aarde werd gericht en de meteorologie arm voor weerkundige waarnemingen werd uitgeklapt.

Viking 2 landde op 7 augustus 1976 en door een steen onder een van de landingspoten kreeg deze Lander een helling van 8 graden.

De Viking Lander bestond uit een zeshoekige doos met zijden van 1,09 m bij 0,56 m. De landingspoten stonden als het ware in een driehoek met afstanden van 2,21 m ertussen.
De massa voor de landing was 657 kg.

De communicatie bestond uit twee 20 Watt S-band zenders en twee ontvangers. Een van de antennes was een schotelantenne en de andere een rondom gevoelige.

De communicatie kon rechtstreeks met de Aarde plaatsvinden of via de Viking Orbiter. Voor de afdaling was er nog een UHF verbinding die later niet meer gebruikt werd. Via de Orbiter konden 16.000 bits per sec. worden verstuurd, maar via de schotelantenne rechtstreeks naar de Aarde slechts 500 bps.

 

 

 

 

 

Het belangrijke mini-laboratorium aan boord kon de monsters van de marsbodem die de door het schepje in de trechter van het laboratorium was geworpen op drie manieren analyseren.  Zie de foto hieronder.

Ten eerste was er een experiment waarbij het grondmonster aan sterk licht blootgesteld werd (nabootsing van de zon!) en later weer aan het duister. De gassen die vrijkwamen werden onderzocht op C14 (koolstof 14). Doel was om te zoeken naar sporen van fotosynthese en de uitwisseling van koolstof, zoals planten doen. 

Ten tweede was er een proef waarbij een monster voedsel kreeg toegediend. Gassen werden gemeten op C14. Doel was om te zien of er voedselopname was en groei.

Het derde experiment moest onderzoeken welk soort gassen er door organismen aanwezig waren in de marsgrond.

Verder was er een weerstation aan boord om de windkracht en windrichting te meten, een apparaat om seismische activiteit op Mars te meten (marsbevingen!), de samenstelling van de atmosfeer,de magnetische eigenschappen en samenstelling van de bodem.

camera's

De Viking moest naar leven op Mars zoeken en het er niet brengen. Vandaar dat de biologische capsule met de Viking Lander erin, 40 uur lang gesteriliseerd werd bij een temperatuur van 110 graden Celsius. Hierna werd de capsule niet meer geopend. Bovendien stond de capsule gedurende de hele reis onder druk, om binnendringen van biologische besmetting van buitenaf te voorkomen. De hoge temperatuur sloot het gebruik van een magneetband recorder voor het opslaan van de opnamen uit. Een magneetband kan niet lang tegen zo'n temperatuur. Ook van de vidicon viel trouwens af, vanwege deze temperatuur.  
Onder leiding van Thomas A. Mutch, de teamleider van de Viking Lander, werden heel zware eisen op tafel gelegd wat betreft de camera's. In acht jaar heeft het camerateam ruim 400 werkvergaderingen gehouden. De camera's moesten kunnen werken bij een temperatuur van 120 graden onder nul, stofstormen kunnen weerstaan, extreem betrouwbaar zijn en schoongemaakt kunnen worden op Mars, en in kleuren kunnen fotograferen. 

het facsimile systeem van de camera de camera zelf; de Viking Lander had er twee

Uiteindelijk werd er gekozen voor twee facsimile camera's van de ITEK fabriek. Twee camera's kunnen stereobeelden produceren en bovendien is het handig als een camera defect raakt. Dan heb je weliswaar geen stereofoto's meer, maar wel de mogelijkheid om toch opnamen te maken. Bij een facsimile camera ontstaat de foto doordat er telkens een lijn wordt afgetast. Een spiegeltje kantelt naar beneden en laat zo wisselende lichtwaarden op de sensoren vallen (fotocel in de linker tekening). Na het aftasten van een lijn wordt het spiegeltje omhoog gedraaid en draait de hele camera iets om zijn as, zodat de volgende lijn afgetast kan worden. Het spiegeltje doet er 1/5 sec. over om van boven naar beneden te kantelen.
Wat de sensoren "zien" is eigenlijk een lichtpuntje van wisselende sterkte. Die lichtindrukken worden omgezet in digitale waarden en vervolgens meteen via de Orbiter of direct, naar de Aarde gezonden, waar de opnamen uiteindelijk met laserstralen fotografisch materiaal belichtten.

Om de pixels goed op een rij te krijgen moest het mechanisme van het spiegeltje heel nauwkeurig zijn. Er mocht geen groter verschil zijn dan 0,01 mm (1/10 van een mensenhaar) tussen de plaats waar het spiegeltje zich moest bevinden en de werkelijke plaats.

In de rechter afbeelding is het spiegeltje te zien (mirror). Het systeem om het spiegeltje van boven naar beneden te laten bewegen heet elevation assembly. Er was ook een lenssysteem aanwezig. De azimuth assembly laat de camera om zijn as draaien. Hierbij werden geen tandwieltjes gebruikt. De motor draaide het camerahuis meteen. Waarschijnlijk was het een soort stappenmotor. De lensopeningen van de camera's konden schuilen achter een soort steun, als er een stofstorm dreigde. Verder kon het buitenste vensterglas (dat van een harde coating was voorzien) afgeworpen worden, waarna het eigenlijke vensterglas overbleef. 
Er was een blaassysteem op koolzuurgas aanwezig om de lensopeningen te kunnen schoonmaken.
Het scheidend vermogen van de camera was voor zwart-wit beelden 0,04 graden en voor kleurenopnamen 0,12 graden.

Er is geen filterwiel aanwezig in de Viking. Toch kon de camera kleurenopnamen maken.Men heeft dat opgelost door verschillende sensoren te gebruiken. Het zijn fotodiodes die licht omzetten in een signaal. Die diodes zijn hier links te zien in het midden van de foto. Rondom de sensoren zijn versterkertjes aangebracht. De middellijn van het geheel is 3 cm. (Op de foto rechts wordt de elektronica van de camera getest).

<   Dit zijn de fotodiodes:

1 voor zwartwit opnamen met hoog scheidend vermogen.

2, 3 en 4 hebben elk een filter in de kleuren rood, groen en blauw om op Aarde kleurenopnamen te kunnen samenstellen (dit vervangt het filterwiel zoals we dat bij de vidicon systemen zien).
Voor kleurenfoto's werd dezelfde lijn drie keer afgetast, met de rode, groene en blauwe fotodiode. Vanwege de hoge temperatuur bij het steriliseren waren deze filters dit maal geen gekleurde glaasjes, maar interferentiefilters. Filters met heel fijne lijntjes. Vergelijk het met de lijntjes op een CD. Die geven ook kleuren, terwijl de CD die kleuren niet zelf heeft.

5, 6 en 7 hebben elk een filter voor infraroodopnamen in verschillende golflengten.

Door de filters krijgen de detectors (fotodioden) 2 t/m 7 minder licht, waardoor hun oppervlakte iets groter moest worden. Daardoor werd het scheidend vermogen weer iets kleiner.

De detectors 8 t/m 11 leveren ook zwartwit beelden, maar omdat ze niet in hetzelfde vlak liggen, maar dieper of hoger dan de andere, kan men op een heel bijzondere manier scherpstellen. Vergelijk het met een oude balgcamera. Voor opnamen van voorwerpen dichtbij moest de lens verder van de film gebracht worden. In het geval van de Viking camera ligt zo'n detector gewoon wat lager. Dat heeft hetzelfde effect.
Als je goed telt, zijn er maar 11 versterkertjes voor de 12 detectoren. Dat klopt. Die 12e registreerde de zonnestraling en dat licht hoeft niet versterkt te worden. Eerst zag men weinig heil in de zonnedetector, maar uiteindelijk was die heel nuttig bij het bepalen van de helderheid van de Marsatmosfeer. De fotodiodes waren elk maar 0,041 mm groot. Deze dioden en hun versterkertjes hebben in het begin heel veel problemen gegeven.

Gegevens van de Viking camera:

karakteristiek onderzoek kleur en I.R.* hoog scheidend vermogen
blikveld in graden 0,12 0,12 0,04
beeldhoogte in graden 61,44 61,44 20,48
azimut in graden (min. max.) 2,5; 352,5 2,5; 352,5 2,5; 352,5
geometrische scherptediepte in meters 1,7 m tot oneindig 1,7 m tot oneindig 1,7 m tot oneindig
scherp op...meters 3,7 3,7 1,9; 2,7; 4,5 en 13,3
pixels per lijn 512 512 512
bits per pixel 6 6 6
bits per graad in azimut 284.000 853.000 853.000
tijd per graad azimut; snelle scan
in seconden
1,84 5,52 5,52
tijd per graad azimut; langzame scan
in minuten
2 6 6

*) I.R. is infrarood
azimut is de draaiing om de eigen as van de camera 

hoogte: 55,6 cm
diameter boven: 14,4 cm
diameter onder: 25,6 cm
gewicht: 7,26 kg
energieverbruik scannen in lage resolutie: 34 Watt
energieverbruik scannen in hoge resolutie: 27 Watt
Verder moest de camera kunnen werken in een lage luchtdruk van 2,8 tot 20 milibar en een atmosfeer die uit kooldioxide bestaat. Hij moest ook bestand zijn tegen temperaturen van -126 tot +52 graden. Stofstormen tot 70 m/sec. moesten ook geen bezwaar opleveren.

De tabel laat zien dat de eerste kolom (onderzoek) een wat grove foto oplevert. Hiermee krijg men snel een overzicht. Door het bovenstuk van de camera drie maal langzamer te laten draaien, krijgt men ook driemaal scherpere foto's (in zwartwit).
De 6 bits maken het mogelijk om foto's te maken met 64 tinten, tussen zwart en wit. De camera levert 16.000 bits per seconde op. Een compleet zwartwit panorama leverde totaal 10 miljoen bits op.

Een camera van het facsimile type is niet geschikt om bewegingen waar te nemen. Toch heeft men daar iets op gevonden. De azimutale beweging (dus rondom de as van de camera) werd stil gezet, maar de aftasting in lijnen ging door. Zo kreeg men strepen. Als er iets op Mars had bewogen, dan waren die lijnen onderbroken geweest. Maar men heeft geen bewegingen waargenomen.

Om de camera's te kunnen testen nog voordat de landing plaats zou vinden was er in de kop van het camerabovenstuk een lampje aangebracht dat alle fotodiodes kon beschijnen. Om het aftast mechanisme te testen was er een lampje aangebracht in de stofbescherming steun. Dat gaf een wat onscherp beeldje, maar daarmee wist men wel of het mechanisme van de camera goed werkte.

resultaten

De Viking Landers hebben in de eerste plaats mooie foto's opgeleverd. Het kunstige mini-laboratorium heeft niet duidelijk antwoord gegeven op de vraag of er nu wel of geen leven op Mars is. De resultaten van de proeven spraken elkaar tegen.

Er was nu voor het eerst te zien hoe het marsoppervlak er werkelijk uitziet en we weten nu dat de atmosfeer voor 95% uit koolzuurgas bestaat en voor de rest voornamelijk uit stikstof, zuurstof en argon. De opbouw van de grond verschilde weinig op beide landingsplaatsen, hoewel die zo'n 5000 km uit elkaar lagen.
De samenstelling van de grond doet nog met mest aan basalt-lava denken. Het  hoge ijzergehalte is 13%, waardoor het marsoppervlak rood van kleur is.
Het weer is erg eentonig. De wind kwam op de beide landingsplaatsen vaak uit dezelfde richting en de windsnelheid is meestal 12 tot 16 km/h met uitschieters tot 65 km/h.

De Viking Lander 1 functioneerde uitstekend. Alleen de seismometer wilde niet uit zijn behuizing komen en een veiligheidspen van de graafarm wilde niet loskomen. Het kostte vijf dagen om die pen eruit te schudden. Toen het contact op 13 november 1982 verloren ging (door een schotelantenne die niet meer wilde bewegen) werd de Lander "the Thomas Mutch Memorial Station" genoemd, naar de leider van het foto-team, Thomas Mutch, die in 1981 bij een bergsport ongeval om het leven was gekomen.

De Viking 2 Lander werkte 1281 Marsdagen en werd uitgeschakeld op 11 april 1980, toen de accu's het opgaven.

Het hele Viking project heeft toen 1 miljard dollar gekost. Maar dan heb je ook wat!

De landingsplaatsen van Viking 1 (links) en Viking 2 (rechts). Het is een wonder dat de beide landingen goed afgelopen zijn.
De koker op de rechterfoto is de afgeworpen beschermkap van het schepje aan de graafarm.
Het eerste panorama dat de Viking 1 Lander maakte
Viking 2 in de Utopiavlakte
Zonsondergang door Viking 1; door de 64 gradaties die de camera's konden waarnemen is de atmosfeer niet vloeiend weergegeven.

 

Vaartuig aankomst uitgeschakeld operationeel leven oorzaak uitschakelen
Viking 1 Orbiter 19 juni 1976 17 augustus 1980 4 j, 1 m, 19 d * uitgeschakeld toen de stikstof voor de standregeling op was
Viking 1 Lander 20 juli 1976 13 november 1982 6 j, 3 m, 22 d menselijke fout na het opsturen van foute software
Viking 2 Orbiter 7 augustus1976 25 juli 1978 1 j, 11 m, 18 d uitgeschakeld na lek in het raketsysteem
Viking 2 Lander 3 september 1976 11 april 1980 3j, 7 m, 8 d kapotte accu

zie ook de Videopagina

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/