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The InSight HP3 Penetrator (Mole) on Mars: Soil Properties Derived from the Penetration Attempts and Related Activities

Spohn, Tilman und Hudson, T.L. und Marteau, E. und Golombek, M. und Grott, Matthias und Wippermann, Torben und Ali, K. und Schmelzbach, C. und Kedar, S. und Hurst, K. und Trebi-Ollennu, A. und Ansan, V. und Garvin, J. und Knollenberg, Jörg und Müller, Nils und Piqueux, S. und Lichtenheldt, Roy und Krause, Christian und Fantinati, C. und Brinkman, Nienke und Sollberger, D. und Delage, P. und Vrettos, C. und Reershemius, Siebo und Wisniewski, Lukasz und Grygorczuk, J. und Robertsson, J. und Edme, P. und Andersson, F. und Krömer, Olaf und Lognonne, A.P. und Giardini, D. und Smrekar, S. und Banerdt, B. (2022) The InSight HP3 Penetrator (Mole) on Mars: Soil Properties Derived from the Penetration Attempts and Related Activities. Space Science Reviews, 218 (72). Springer. doi: 10.1007/s11214-022-00941-z. ISSN 0038-6308.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
14MB

Offizielle URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s11214-022-00941-z

Kurzfassung

The NASA InSight Lander on Mars includes the Heat Flow and Physical Properties Package HP3 to measure the surface heat flow of the planet. The package uses temperature sensors that would have been brought to the target depth of 3–5 m by a small penetrator, nicknamed the mole. The mole requiring friction on its hull to balance remaining recoil from its hammer mechanism did not penetrate to the targeted depth. Instead, by precessing about a point midway along its hull, it carved a 7 cm deep and 5–6 cm wide pit and reached a depth of initially 31 cm. The root cause of the failure – as was determined through an extensive, almost two years long campaign – was a lack of friction in an unexpectedly thick cohesive duricrust. During the campaign – described in detail in this paper – the mole penetrated further aided by friction applied using the scoop at the end of the robotic Instrument Deployment Arm and by direct support by the latter. The mole tip finally reached a depth of about 37 cm, bringing the mole back-end 1–2 cm below the surface. It reversed its downward motion twice during attempts to provide friction through pressure on the regolith instead of directly with the scoop to the mole hull. The penetration record of the mole was used to infer mechanical soil parameters such as the penetration resistance of the duricrust of 0.3–0.7 MPa and a penetration resistance of a deeper layer (> 30 cm depth) of 4.9±0.4 MPa. Using the mole’s thermal sensors, thermal conductivity and diffusivity were measured. Applying cone penetration theory, the resistance of the duricrust was used to estimate a cohesion of the latter of 2–15 kPa depending on the internal friction angle of the duricrust. Pushing the scoop with its blade into the surface and chopping off a piece of duricrust provided another estimate of the cohesion of 5.8 kPa. The hammerings of the mole were recorded by the seismometer SEIS and the signals were used to derive P-wave and S-wave velocities representative of the topmost tens of cm of the regolith. Together with the density provided by a thermal conductivity and diffusivity measurement using the mole’s thermal sensors, the elastic moduli were calculated from the seismic velocities. Using empirical correlations from terrestrial soil studies between the shear modulus and cohesion, the previous cohesion estimates were found to be consistent with the elastic moduli. The combined data were used to derive a model of the regolith that has an about 20 cm thick duricrust underneath a 1 cm thick unconsolidated layer of sand mixed with dust and above another 10 cm of unconsolidated sand. Underneath the latter, a layer more resistant to penetration and possibly containing debris from a small impact crater is inferred. The thermal conductivity increases from 14 mW/m K to 34 mW/m K through the 1 cm sand/dust layer, keeps the latter value in the duricrust and the sand layer underneath and then increases to 64 mW/m K in the sand/gravel layer below.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/191936/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:The InSight HP3 Penetrator (Mole) on Mars: Soil Properties Derived from the Penetration Attempts and Related Activities
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Spohn, TilmanTilman.Spohn (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hudson, T.L.Jet Propulsion Laboratory, Caltech, Pasadena, CA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Marteau, E.Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Golombek, M.Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Grott, MatthiasMatthias.Grott (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8613-7096NICHT SPEZIFIZIERT
Wippermann, TorbenTorben.Wippermann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0354-6557NICHT SPEZIFIZIERT
Ali, K.Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmelzbach, C.ETH Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kedar, S.jet propulsion laboratory, pasadena, ca, usaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hurst, K.JPL, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Trebi-Ollennu, A.Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ansan, V.Laboratoire Planétologie et Géodynamique de Nantes, LPGN/CNRS, Université NantesNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Garvin, J.NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, United StatesNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Knollenberg, JörgJoerg.Knollenberg (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, NilsNils.Mueller (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9229-8921NICHT SPEZIFIZIERT
Piqueux, S.Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology (Pasadena, CA, 91109)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lichtenheldt, RoyRoy.Lichtenheldt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2539-4910NICHT SPEZIFIZIERT
Krause, ChristianChristian.Krause (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fantinati, C.DLR, cinzia.fantinati (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Brinkman, NienkeETH ZürichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sollberger, D.ETH Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Delage, P.Ecole des Ponts ParisTech, Navier-CERMES, Paris, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vrettos, C.Division of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Technical University of Kaiserslautern, Kaiserslautern, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reershemius, SieboSiebo.Reershemius (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wisniewski, Lukaszlwisniewski (at) astronika.plNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Grygorczuk, J.ASTRONIKA, Warschau, PolenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Robertsson, J.ETH Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Edme, P.Institute of Geophyisics, ETH ZürichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Andersson, F.Institute of Geophyisics, ETH ZürichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Krömer, OlafOlaf.Kroemer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lognonne, A.P.Institut de Physique du Globe de ParisNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Giardini, D.Institute of Geophysics/Swiss Seismological Service, Swiss Federal Institute of Technology, (ETHZ), Honggerberg, CH-3093 Zurich, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Smrekar, S.Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, PasadenaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Banerdt, B.Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Dezember 2022
Erschienen in:Space Science Reviews
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:218
DOI:10.1007/s11214-022-00941-z
Verlag:Springer
ISSN:0038-6308
Status:veröffentlicht
Stichwörter:InSight Mars Heat Flow Geophysics Soil Mechanics
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erforschung des Weltraums
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EW - Erforschung des Weltraums
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt InSight - HP3
Standort: Berlin-Adlershof , Bremen , Köln-Porz , Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Planetenforschung > Planetare Sensorsysteme
Institut für Planetenforschung > Planetenphysik
Raumflugbetrieb und Astronautentraining > Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC)
Institut für Raumfahrtsysteme > Land und Explorationstechnologie
Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik > Raumfahrt-Systemdynamik
Hinterlegt von: Grott, Dr.rer.nat. Matthias
Hinterlegt am:12 Dez 2022 09:05
Letzte Änderung:28 Jun 2023 13:01

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