4. Марс.

4.1. Opportunity – позабытый рекордсмен.

За шумихой вокруг феноменальной посадки марсохода Curiosity в 2012 году, многие забыли, что на Марсе не прекращает работы его предшественник. Марсоходы-близнецы Spirit и Opportunity («Дух» и «Возможность») высадились на Марсе в далеком 2004-м. Их создатели рассчитывали на 90 марсианских суток (солов) работы, но они превзошли свой ресурс в десятки раз. С «Духом» связь уже потеряна, а вот «Возможность» продолжает свою работу.

Opportunity продолжает работу уже более 5000 солов. Он поставил новый рекорд продолжительности работы изделия человеческих рук на поверхности Марса. Предыдущий рекорд принадлежал стационарному модулю Viking-1, проработавшему информацию 2245 солов. Пробег Opportunity превышает 40 километров и здесь он абсолютный рекордсмен по расстоянию, преодоленному по поверхности человеческим аппаратом за пределами Земли. Предыдущий рекорд был поставлен еще в 1973 году – «Луноход-2» проехал ровно 39 километров. Ветер дует, солнце светит, колеса крутятся, и пока нет оснований ставить точку.

Opportunity.

По поводу ветра – это отдельная история. Марсоходам прочили короткий век по причине запыленности солнечных батарей. Но Марс преподнес NASA подарок в виде кратковременных бурь и частых смерчей – «пыльных дьяволов». Вместе они взялись за очистку солнечных панелей марсоходов, и те ринулись на незапланированное покорение Марса.

Одно время практически исчез интерес к Opportunity, когда он три года просто шел через пустыню к новой цели своего исследования. После изучения интересного кратера Виктория, для него не осталось целей поблизости, и он отправился в 19-ти километровый марафон по равнине Меридиана, которую и так уже досконально изучил. Три года без новостей и открытий – так любого забудут.

Но цель у него была перспективная – кратер Индевор. Когда марсоход только приземлился, главная его цель состояла в поиске доказательств существования в истории Марса влажных периодов, когда на планете была жидкая вода и свободные водоемы. Первые месяцы исследований показали, что вся пустыня планеты покрыта этими доказательствами – шариками гематита. Это разновидность железной руды, которая формируется на дне мелких водоемов. Но перспектив для марсианской жизни это открытие не обещало. Помимо гематита, названного «черникой», почва имела высокое содержание сульфатов – веществ, которые формируются в очень кислой водной среде. В такой среде могут выжить некоторые земные экстремофилы – бактерии способные жить в негостеприимной среде, но в такой воде жизнь не самоорганизуется (вариантов неуглеродной формы жизни NASA всерьез не рассматривает и поисками не занимается).

Наблюдения спутникового гиперспектрометра CRISM на спутнике MRO показали, что глубже могут залегать филлосиликаты – оливин-пироксеновые глины, которые формируются в пресной воде, то есть в более комфортной для жизни. Тем более глины гораздо лучше могут сохранить остатки древней фауны. Оливин и пироксен – вулканические породы, которые практически вездесущи на Марсе. Чтобы получить филлосиликат, надо только добавить воды. Но такие глины очень редки для поверхности Марса. И мы подходим к объяснению, почему интересен кратер Индевор.

Это очень древний 22-х километровый кратер, которому больше миллиарда лет. В позднее время, когда формировалась равнина, его затянуло сульфатами и гематитом, так же как и все равнины Меридиана. Но снаружи остались кольцевой вал кратера. Удар метеорита поднял края кратера над окружающим ландшафтом, обнажив древние слои. По оценке NASA в них могут быть обнаружены породы гораздо древнее окружающей равнины, и в том числе – искомые глины. Поэтому марсоход Opportunity пустился в далекое путешествие, которое разнообразили только мелкие кратеры да метеориты, попадающиеся на пути.

Летом 2011 года он, наконец, прибыл к первой возвышенности, относящейся к кольцевому валу кратера. Фактически началась его вторая жизнь, поскольку впереди был объект, который геологически отличался от всего, что встречалось марсоходу ранее. Изменились и задачи: теперь, как и Curiosity, марсоход ищет доказательства геологических периодов, которые были благоприятны для жизни. Представители NASA прибытие марсохода к этому кратеру сравнили со второй посадкой и новой миссией из-за обилия новых целей для исследования.

Продолговатый холм, с которого решили начать изучение кратера, назвали Кейп-Йорк. Едва Opportunity к нему приблизился, как начались открытия: у подножия холма нашлась толстая гипсовая жила. Это стало очередным доказательством водного прошлого Марса, но это по-прежнему была не та вода, которая понравилась бы NASA и углеродным жизненным формам.

Филлосиликаты ждали на вершине, а к ней предстояло еще добраться. Но восхождение пришлось отложить на полгода – пришло время зимовки. Ровер, хоть и металлический, но многие свойства живого ему не чужды. Ночью он спит, чтобы сберечь энергию, и расходует ее только на обогрев. Зимой почти вся энергия идет на отопление, и весь холодный сезон марсоход обездвижен. Его размещают под оптимальным углом к зимнему солнцу, и он впадает в спячку.

С января по май 2012 года он не двигался, а летом Opportunity продолжил обход Кейп-Йорка, и в сентябре начал восхождение. Почти сразу марсоход наткнулся на сенсацию.

Обнажение «Кирквуд», состоящее из сферических структур – конкреций, поставило в тупик ученых. Анализ породы показал низкое содержание железа, так что этот «виноград» совсем не та «черника», какой усыпана вся пустыня. Шарики, заключенные в скале, имеют неоднородную структуру: у них твердая скорлупа и мягкий наполнитель. Но с тем, что это такое и как оно возникло, ученые NASA так и не определились. По рабочей версии – это какой-то результат вулканической деятельности. По структуре «скорлупа» напоминает вулканическое стекло – может быть, это результат импактного воздействия, взрыва, породившего весь кратер.

Сегодня у марсохода Opportunity есть проблемы с двигателем правого колеса; сломано плечо манипулятора, из-за чего нельзя переместить «руку» в походное положение; неисправен один обогреватель; батареи вырабатывают примерно половину энергии от того уровня, что был в первые дни после посадки. Но операторы марсохода полны оптимизма и готовы еще не раз порадовать нас громкими открытиями, способными конкурировать с результатами Curiosity.

4.2. «Луноход-2» и Орроrtunitу: как марсоход NASA обогнал наш луноход.

Маленький ветеран покорения Марса Opportunity побил новый рекорд: теперь он официально самое «дальнобойное» колесное транспортное средство за пределами Земли. Это звание более 40 лет удерживал советский «Луноход-2», но в 2014 году пришлось и ему уступить.

В 2013 году, когда прибор для измерения оборотов колеса – одометр – Opportunity приближался к 37 километрам, американские энтузиасты заговорили о том, что вот-вот рекорд «Лунохода-2» будет побит.

«Луноход-2».

Официальные цифры, обнародованные по завершении научной миссии «Лунохода-2» и успевшие уже перекочевать из научных трудов в учебники, а из учебников в википедию, основываются на показаниях «девятого колеса» – роликового одометра, который позволял считать пробег лунохода. Но ролик поднимался, когда «Луноход-2» двигался задним ходом. Ролик не передавал объективного расстояния, когда аппарат маневрировал, да и сам по себе мог проскальзывать на слишком рыхлом грунте.

Opportunity.

В результате, самым объективным средством определения его пробега могло быть только прямое наблюдение следов на поверхности Луны. К счастью, сегодня такая возможность у ученых, да и любого из нас, имеется благодаря космическому аппарату LRO. Его камера высокого разрешения LROC уступает только камере HiRise (его марсианского собрата MRO). Но, благодаря орбите в несколько раз ниже, LROC способна передавать практически аналогичные камере HiRise по детализации снимки: в исключительных случаях до 20 см на пиксель, но в основном режиме работы – 50 см на пиксель. Этого вполне достаточно, чтобы обнаружить на естественном спутнике Земли «Луну-21», которая доставила «Луноход-2» на поверхность, и сам «Луноход-2». Правда, для него LRO снизился в два раза и снял с детализацией 30 см на пиксель:

Над анализом спутниковых снимков работали две научные группы из России: из Московского государственного института картографии и из Института геохимии и аналитической химии. Работу возглавляла Ирина Карачевцева – руководитель Картографической группы, Комплексной лаборатории исследования внеземных территорий МИИГАиК. Со стороны NASA работала одна научная группа.

Ученые тщательно проследили весь маршрут «Лунохода-2» и определили его пробег в 42,2 километра. То есть, из-за несовершенного средства определения пройденного расстояния, не досчитались более 5-ти километров. Правда, потом пересчитали и определили реальный пробег в пределах 39-ти километров.

Методы замера пройденного расстояния у марсоходов принципиально другие. У них для расчета пробега используется комплексная система, в которую входит трехосевой акселерометр и трехосевой датчик уровня. Показания этих датчиков учитываются при расчетах пробега, основанных на оборотах колес. Но даже так легко ошибиться из-за пробуксовок. А их на веку у Opportunity было немало на песчаном грунте.

Главное средство для подсчета пробега марсоходов называется VisOd (Visual Odometry). Если посмотреть на снимки их следов, то можно заметить неоднородность следа, оставляемого рисунком на колесах. Прямые насечки, отличающиеся от основного рисунка – это и есть маркеры для визуальной одометрии.

Такой же принцип используется и у марсохода Curiosity. И пробег считает программа, но ее показания могут периодически контролировать вручную.

Вернемся к «Луноходу-2». Можно гордиться его впечатляющим результатом, но надо вспомнить, что и луноходы и марсоходы создавались прежде всего для изучения иноземных тел, а не для накрутки километров.

Проблема в то, что партийное руководство СССР смотрело только на пробег. Идеологическая машина, которая оперировала понятиями «догоним и перегоним», оказалась неспособна на понятия «изучим и переизучим». Профессор ГЕОХИ РАН Александр Базилевский, который помогал и в поисках «Лунохода-2» и «Марса-3», так описывал события, в которых участвовал сам: «Как только Луноход натыкался на какой-нибудь интересный камень и геологи просили остановиться, чтобы подробнее его исследовать, руководство заявляло: «Это луноход, а не луностоп. Только вперед!».

Марсоходами управляют геологи. Это объясняет, почему марсоход Curiosity движется примерно в сорок раз медленнее «Лунохода-2». Да и раллийные успехи Opportunity – это результат его исследовательской деятельности. Примерно половину общего пробега он преодолел, только пересекая неинтересные просторы, которые уже были хорошо изучены.

Научная группа Opportunity исправно ждала, пока пробег марсохода преодолеет отметку в 40 километров, чтобы, наконец, можно было «открыть шампанское».

В память о предыдущем чемпионе межпланетного ралли, операторы марсохода дали название «Луноход-2» небольшому метеоритному кратеру, встреченному на пути. Правда, пока это неофициальное название, актуальное только для научной группы NASA.

Opportunity же более 10 лет продолжает свою миссию на равнине Меридиана. Сейчас он движется вдоль горной гряды Murray Ridge, которая является кольцевым валом древнего кратера Индевор. Взору марсохода открываются внушительные скальные утесы и обширная равнина на дне кратера, по которой проносятся вихри называемые «пыльными дьяволами», а над головой проносятся тонкие, но заметные облака.

К сожалению, у марсохода практически не осталось работоспособных приборов, которыми можно было бы изучить открывающийся простор для науки. Действуют только фотокамеры, использующие расширенный набор светофильтров, позволяющий рассмотреть образцы в спектрах, недоступных человеческому глазу.

Также доживает последние годы радиоизотопный рентгеновский спектрометр APXS, который пока еще позволяет определять примерное содержание химических элементов в анализируемых образцах. Правда, держать на образце его уже приходится несколько суток, тогда как в начале экспедиции ему было достаточно нескольких часов.

4.3. MRO: вода на Марсе.

Наличие воды на Марсе давно не является секретом. Уже сейчас примерно оценены запасы водяного льда на полюсах, обнаружены ледники в средних широтах; известно, что даже в экваториальном грунте «Красной планеты» концентрация воды местами достигает десятой части от массы грунта. Однако в своем большинстве данные о содержании воды на Марсе получены при помощи радаров или нейтронных спектрометров. А, собственно, посмотреть на марсианский лед удается редко. И вот в 2017 году подобная встреча, наконец, произошла: орбитальный телескоп HiRise на борту Mars Reconnaissance Orbiter сумел заснять залежи льда на склонах оврагов в средних широтах, и ученые впервые смогли взглянуть на марсианские ледники в профиль.

Полярные льды Марса астрономы рассмотрели еще в XIX веке – это одни из самых заметных деталей его поверхности. Правда, в прежние века астрономии считалось, что полюса Красной планеты покрывает исключительно замерзшая вода. Пока оптические средства были недостаточно высокого качества, многие пробелы в знаниях о Марсе приходилось закрывать земными аналогиями и оптимистическими ожиданиями. Именно из таких ожиданий выросла иллюзия марсианских каналов, которая продержалась до самого начала космической эры. Астрономы могли спорить о происхождении каналов: искусственном или естественном, но большинство не сомневалось в их существовании.

Mars Reconnaissance Orbiter.

Крест на судьбе марсианских каналов поставил зонд NASA Mariner-4, который в 1964 году впервые сделал снимки достаточного качества поверхности планеты с близкого расстояния. Открывшиеся исследователям пейзажи разрушили все надежды на «землеподобность» Марса. В 1973 году советский орбитальный аппарат «Марс-5» передал первые цветные снимки – это были фотографии рыжей безводной и безжизненной пустыни.

В 1976 посадочные аппараты Viking-1 и 2 взяли пробы грунта и определили содержание в нем воды – не более 3 %. К тому времени было уже известно, что сезонная изменчивость полярных льдов и рост полярных шапок в зимнее время определяется не водяным, а «сухим» углекислотным льдом. И только не изменяющиеся с течением года белые пятна на полюсах – это второй слой льда, уже водяной.

Viking Lander.

Повторное открытие марсианской воды началось в 2002 году с выводом на рабочую орбиту у четвертой планеты спутника NASA Mars Odyssey. Составной частью его прибора Gamma Ray Spectrometer был российский нейтронный спектрометр HEND. Регистрируя скорость нейтронов, вылетающих из грунта Марса под ударами космических частиц, HEND определял концентрацию водорода, который замедляет нейтроны. Водород в свободной форме содержаться в грунте Марса не может, поэтому его обнаружение в грунте позволило бы предположить там наличие воды или водяного льда. К 2007 году была построена полная карта распределения воды в приповерхностном слое глубиной до 1 метра: к сожалению, глубже методом нейтронной спектроскопии не заглянуть. Данные даже о неглубоком распределении воды оказались неожиданными для многих – вода нашлась, и, местами, в избытке.

Согласно данным HEND, концентрация воды в приповерхностном слое у экватора составила около 5 % и постоянно возрастала к полюсам, достигая 90 %. В 2008 году результаты орбитального зондирования подтвердились уже с поверхности, посадочным модулем Phoenix. Аппарат сел на высокой 68-й широте северного полушария планеты. Копнув грунт, Phoenix нашел замерзшую воду всего в нескольких сантиметрах от поверхности.

В 2006-м на спутник NASA MRO добавили радар SHARAD, а в 2007-м – радар MARSIS на европейский спутник Mars Express. Они получили возможность «просвечивать» недра Марса на глубины до 3 километров и не только обнаружили слои льда под поверхностью, но и измерили мощность полярных шапок. Оказалось, Южный полюс Марса прикрыт 3,5 километрами водяного льда, а Северный – 1,7 километра. Если растопить эту воду, то океан зальет всю планету на 21 метр в глубину (если не учитывать рельеф и перепады высот). И это не предел: когда-то воды на ныне «иссохшем» Марсе было в 6,5 раз больше.

На MRO установлена самая «дальнобойная» камера, которая когда-либо добиралась до Марса. Телескоп HiRise обеспечивает съемку поверхности с разрешением до 25 см с высоты 250 километров, так чтобы с его помощью можно было разглядеть «обитателей» планеты – спускаемые аппараты и марсоходы. На его снимках удалось найти спускаемый аппарат «Марса-3», смог HiRise и больше рассказать о марсианской воде. Наблюдение за обрывистыми краями полярных шапок дало возможность изучить их слоистую структуру и увидеть настоящую внеземную лавину.

Оказалось, что подобные процессы и сегодня не замерли в тонкой марсианской атмосфере, и изменениям подвержен не только углекислотный лед, но и водяной.

Еще более интересные результаты дало наблюдение за средними широтами. На Марс продолжают падать метеориты, и свежие кратеры в пустынных, казалось бы, равнинах, обнажают залегающий под поверхностью лед.

Если бы Viking-1 смог копнуть на полметра глубже, он нашел бы целый пласт льда. Радарное зондирование в широтах 40–60° показало обширные залежи льда на глубинах до 1 километра. По некоторым оценкам эти запасы составляют до 5 % от объема полярных шапок. Особенно обширные запасы льда наблюдаются восточнее долины Эллада, в районе кратера Грэг.

Любопытно происхождение этих залежей. Анализ характера отложений льда в полярных шапках привел исследователей к гипотезе, что Марс неоднократно менял наклон своей оси, на 40° отклоняясь от нынешних 25°. В какие-то периоды Северный полюс Марса оказывался развернут прямо к солнцу, что приводило к его активному испарению. Следствием становилось повышение плотности атмосферы планеты, пылевые бури и сильные снегопады. Климатологи применили земную климатическую модель к подобному сценарию марсианской жизни и получили данные о выпадении обильных снегов к востоку от Эллады.

Наконец в 2018 году научная команда, работающая с данными HiRise, опубликовала результат прямых наблюдений залежей марсианского льда в средних широтах. Внимательный анализ снимков HiRise позволил ученым обнаружить несколько обрывов, в склонах которых отчетливо просматриваются белые и голубоватые слои льда.

Дополнительная проверка гиперспектральным прибором CRISM на том же аппарате MRO подтвердила наличие воды. Наблюдаемые залежи льда начинаются с глубины примерно в 1 м и достигают толщины 130 м. Они чередуются с прослойками грунта, видимо, принесенного во время сезонных пылевых бурь. Большинство из обнаруженных ледяных склонов нашлось к востоку от Эллады.

Исследование этих слоев может больше рассказать о климатической истории Марса. Кроме того, теперь ясно, что будущим покорителям «Красной планеты» не придется добывать воду по примеру героя фантастического фильма «Марсианин» – из ракетного топлива. На местности хватит ведра и лопаты, и воду можно будет использовать как раз для производства топлива и возвращения домой. Правда, средние широты не лучшее место для посадки – слишком холодно.

Серия снимков с разницей в три марсианских года позволила увидеть некоторые изменения в облике обрывов. Видимо, как и в случае с полярными ледниками: процессы таяния продолжаются, и склоны медленно эволюционируют.

Что еще интереснее, все эти замерзшие отложения возникли не миллиарды лет назад, а совсем недавно по геологическим меркам. Если шире взглянуть на некогда заснеженные, а сейчас присыпанные песком и пылью просторы, то можно поразиться их девственной чистоте – метеоритных кратеров почти нет.

Это значит, что период бурной марсианской атмосферы и метелей планетного масштаба закончился совсем недавно. По современным оценкам, приповерхностные ледниковые отложения в средних широтах Марса сформировались около 10–20 миллионов лет назад, для жизни планеты – это даже не вчера, а минуту назад. Остается надеяться, что подобное произойдет и в будущем, ведь плотная атмосфера значительно упростила бы процесс колонизации.

Глава первоначально подготовлена для научно-популярного портала «Чердак», и опубликована под названием «Марсианские льды показались в профиль».

Страница: https://chrdk.ru/sci/marsian-ice-sheets-direct-observation.

4.4. ExoMars TGO: разгадать вторую загадку Марса.

Никто не знает, есть/была ли жизнь на Марсе. Это первая загадка. Примерно пятнадцать лет назад второй загадкой стала вода на Марсе. Сейчас ее уже многократно разгадали – воду нашли, картографировали, изучили с поверхности. Но нашли загадку не менее важную – марсианский метан.

Метан – это простое органическое соединение с одним атомом углерода и четырьмя – водорода. Метан играет большую роль в жизни человечества на Земле, так как это основной компонент природного газа. Все углеводороды называют органическими веществами, но далеко не всё относится к живым организмам. Однако сейчас считается, что до 90 % земного метана, в том числе запасенного в недрах, имеет биологическое происхождение. В то же время, в космосе его тоже немало. Метан регистрировали на кометах, в атмосфере Юпитера метан занимает массу равную трем планетам Земля, а на спутнике Сатурна Титане текут метановые реки в ледяных берегах.

ExoMars Trace Gas Orbiter.

В 2003 году астрономы сообщили сенсационную новость – на Марсе найден метан. Более того, он был не равномерно «размазан» по всей атмосфере, а явно тяготел к определенным участкам планеты. Концентрация его была довольно ничтожна: от 250 до 10 частей на миллиард по разным оценкам. Общий объем выброса метана весной 2003 года примерно соответствовал 42 тысячам тонн газа, для сравнения: это примерно треть не самого крупного танкера-газовоза. То есть объемы скромные, и «Газпром» такие запасы заинтересовать не смогли, зато очень взволновали научный мир.

Метановые выбросы зарегистрировали одновременно американские и российские астрономы, а через год эти данные были подтверждены с марсианской орбиты спутником Mars Express, то есть ошибки быть не могло. Ученым потребовалось найти ответ: откуда он взялся. Объяснить всё марсианской жизнью – слишком заманчиво, но не достаточно аргументировано. Метан может быть результатом геофизической активности марсианских недр, а может вырабатываться в некоторых реакциях окисления железа… Однозначно можно было сказать, что этот метан по геологическим меркам выделился недавно, так как под солнечным ультрафиолетом органические соединения в атмосфере Марса распадаются за несколько сотен лет.

Пока ученые думали, откуда метан появился на Марсе, он пропал. То есть практически совсем. То ли рассеялся в атмосфере до ничтожного значения, то ли исчез по другой причине, оставив концентрации, которые едва регистрировались доступными на тот день приборами: телескопами с Земли и спектрометрами станции Mars Express.

Ученые приняли вызов, и к 2012 году снарядили марсоход Curiosity, оборудовав его чутким газоанализатором, способным определять метан атмосфере. Правда, послали его не туда, где наблюдались выбросы метана, так как главными в проекте были геологи, а у них нашлись свои цели в кратере Гейла.

Успешно высадившись и освоившись на Марсе, Curiosity провел первые исследования и признал, что метана на планете нет. Точнее нет в той концентрации, которая была доступна приборам аппарата. Астрономы с Земли практически подтвердили его результаты: метана и правда было совсем мало, на пределе разрешающей способности земных спектрометров.

Пока исследователи размышляли о марсианском «метане Шредингера», прошел еще год и Curiosity прислал новые данные – таинственный газ снова появился в кратере Гейла… А потом снова пропал.

Пока американские ученые пытались высмотреть метан с телескопов с Земли и гонялись за ним на марсоходе, европейские и российские планетологи решили взяться за дело по-своему. Получив колоссальный опыт совместной эксплуатации космический аппаратов Mars Express и Venus Express и значительно доработав исследовательские приборы, они решили искать марсианский метан с орбиты. Как уже упоминалось, Mars Express регистрировал метан, но его разрешающая способность по распределению атмосферных газов оставляла желать лучшего. Набравшись опыта, россияне и европейцы решили подготовить аппарат, который сможет искать метан с точностью не менее чем в тысячу раз превышающую возможности Mars Express. Так родилась идея космического аппарата ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO).

Точнее, идея у европейцев появилась давно, но она переживала нелегкую судьбу, пока Европейское космическое агентство не подписало в 2013 году договор с Роскосмосом.

Сотрудничество по «ЭкзоМарсу» строится по принципам уже отработанным на «Экспрессах»: Россия обязалась предоставить две ракеты «Протон-М» для запуска спутника TGO в 2016-м и марсохода Paster в 2020-м году. На аппарате TGO были установлены российские научные приборы вместе с европейскими.

Первым рейсом отправился спутник Trace Gas Orbiter. Он сбросил тестовый спускаемый модуль Schiaparelli, а затем полтора года выходил на рабочую орбиту и уже весной 2018 года занялся разгадыванием «метановой головоломки». Заодно он сможет определить низкие концентрации других газов в атмосфере Марса, если они там есть. Например, если местные вулканы не совсем еще окаменели, и хотя бы немного сочатся вулканическими газами, TGO должен найти эти газы и определить их источники.

Вообще, если первое десятилетие XXI века было посвящено изучению геологии Марса как с орбиты, так и с поверхности, то сейчас уже идет «атмосферный» этап. В 2014 году к Марсу прибыли американский аппарат MAVEN и индийский Mars Orbiter Mission.

Аппарат NASA «заточен» под изучение атмосферы и магнитосферы Марса, но он занимается верхними слоями и их взаимодействием с космическим ветром. То есть MAVEN должен ответить на вопрос «как Марс теряет свою атмосферу», в то время как ExoMars TGO будет искать возможные источники ее пополнения из недр планеты.

Индийские ученые тоже заинтересовались метановым вопросом и даже снарядили отдельный прибор для его поиска, но его качество оставляет желать лучшего. Индийцы здраво оценили свои возможности в межпланетных исследованиях и подчеркнули более демонстрационное значение своего аппарата.

ExoMars TGO – это трехметровый четырехтонный космический аппарат, который несет на борту 600 килограммовую «летающую тарелку» Schiaparelli и четыре основных научных прибора.

Schiaparelli потребовался европейцам, чтобы научиться садиться на Марс. Ранее у них был неудачный опыт посадки в 2003 году – небольшой аппарат Beagle-2 ушел в атмосферу и не подал больше признаков жизни. Как оказалось, Beagle-2 все-таки сумел мягко сесть, но прекратил работу, так и не выйдя на связь. Теперь же ESA попыталось повторить опыт на более высоком уровне: вооружив аппарат датчиками, которые будут собирать массу информации во время снижения и посадки.

Следующий этап проекта ExoMars – посадку марсохода, берет на себя Роскосмос. В далеком будущем, возможно, Европа замахнется на новую амбициозную задачу – доставку грунта с Марса.

На Schiaparelli разместили и климатическую исследовательскую станцию, но она должна была проработать всего неделю – пока не сядут аккумуляторы. Долговременных источников питания для аппарата не предусмотрено. Еще одна любопытная деталь Schiaparelli – лазерный уголковый отражатель. Спутник ExoMars TGO не оборудован лазером, поэтому уголковый отражатель Schiaparelli точно так же оставили на будущее.

Для Schiaparelli выбрали место посадки на равнине Меридиана. На ней уже работает марсоход Opportunity, и эта посадка стала самым тесным сближением на Марсе двух посадочных аппаратов. Несмотря на «близость», реально их будут разделять сотни километров, поэтому «Оппи» не сможет изучить место неудачной посадки «Скиппи».

Два главных научных прибора ExoMars TGO: европейский NOMAD и российский ACS являются блоками нескольких спектрометров и частично дополняют друг друга, но захватывают разные диапазоны волн инфракрасного света. Именно на них возлагается главная задача миссии – картография газов атмосферы Марса.

Оба они пользуются одним методом – наблюдают атмосферу на просвет. То есть анализируют свет солнца, погружающегося в атмосферу Марса на линии горизонта. Этот метод и высокое спектральное разрешение приборов позволяет не просто определять газы в атмосфере, но даже отличать их изотопный состав. А это ключевой показатель, который в теории позволит отличить биогенный газ от геологических выбросов. Разница только – в атомном весе углерода.

На Земле жизнь предпочитает выделять метан с легким изотопом С-12, потому что его легче связывать с водородом в результате биохимических процессов. Геологические процессы не так избирательны, и в них С-12 и С-13 формируют метан примерно в равных пропорциях. Помимо метана на биологическую активность может указывать аммиак, который точно так же выделяется живыми организмами в результате жизнедеятельности. Пока аммиака на Марсе не находили, но если он хоть немного содержится в атмосфере, то TGO его найдет. Разумеется, ученые знают только земную жизнь и, фактически, ее признаки ищут на Марсе, но за неимением альтернатив приходится «искать там, где светлее». В свое оправдание они говорят, что законы физики и химии на наших планетах работают одинаково, геологическое строение похожее, а когда-то и условия были схожи, поэтому нет оснований полагать, что эволюция вещества из неживого в живое проходила как-то иначе.

К слову сказать, до конца не ясно, как на Земле-то проходил процесс зарождения жизни, и это, кстати, важный аргумент в пользу исследования Марса. Казалось бы, зачем тратить сотни миллионов долларов, чтобы найти того, кто напустил газу на другой планете? А вот для того – чтобы понять, как мы на нашей-то планете оказались.

Сейчас уже мало кто из ученых всерьез полагает, что мы можем оказаться марсианами-переселенцами, в виде бактерий добравшиеся на метеоритах с Марса на Землю. Скорее возможен обратный вариант – найдя на Марсе местную жизнь придется доказать, что она действительно местная, а не залетела с Земли. Но все-таки, Марс является такой относительно независимой лабораторией, где вдалеке от Земли мог проводиться повторный природный эксперимент по созданию живой материи, способной к осознанию себя и окружающего мира, запуску космических аппаратов и написанию постов.

Кроме оптических спектрометров TGO несет на борту еще камеру CaSSIS, которая может снимать поверхность с разрешением до 5 метров, и проводить стереосъемку местности. Предыдущий аппарат ESA Mars Express уже много лет ведет свои наблюдения за поверхностью. Разрешение его камер – до 20 метров, то есть снимки TGO будут охватывать более узкие полосы местности, зато детали поверхности видны будут лучше. Снимки этой камеры будут использованы, в том числе для выбора места посадки будущего марсохода Paster, который должен стартовать в 2020-м году.

Четвертый прибор TGO снова российский – нейтронный детектор FREND. Его задача – картографирование содержания воды в грунте Марса на глубине до одного метра.

Подобный прибор того же Отдела ядерной планетологии Института космических исследований РАН у Марса уже летает, но разрешение его карт очень низкое – фактически равное высоте полета спутника.

HEND – летает на американском аппарате Mars Odyssey с 2001 года. Грубо говоря, он ловит все нейтроны, которые вылетают с поверхности, независимо от угла отражения. Поэтому очень сложно определить, откуда какой нейтрон прилетел, да и карты распределения воды, которые помог составить HEND, слишком мелкого масштаба.

На орбите Луны, на спутнике NASA LRO, протестировано следующее поколение прибора – LEND. Он уже имеет так называемый «коллиматор» – маску, которая отсекает часть нейтронов, позволяя принимать их только с узкого участка местности. Этот коллиматор уже наделал шуму в лунной геологии, найдя воду там, где ее быть не должно. Так что, наверняка найдется что-то интересное и на Марсе, осталось только подождать несколько лет, пока наберется необходимый объем данных.

4.5. Schiaparelli: посадка на Марс для начинающих.

Спускаемый зонд Европейского космического агентства Schiaparelli был потерян 19 октября 2016 года в результате программной ошибки системы управления радара-высотомера.

Schiaparelli.

Зонд должен был научить Европейское космической агентство садиться на Марс… но не научил. И эта авария стала далеко не первой в попытках землян достичь поверхности «Красной планеты».

Сейчас на Марсе действуют два космических аппарата: марсоходы Opportunity и Curiosity. В предыдущие годы успешно потрудились еще два марсохода и четыре посадочные станции. Восемь аппаратов сели неудачно, разбившись о поверхность Красной планеты, или частично неудачно, проработав около минуты. Одна посадочная станция пролетела мимо Марса. То есть, счет между землянами и «ПВО марсиан» почти равный, но все же земляне пока проигрывают. Все полностью успешные посадочные миссии на Марсе оказались американскими.

С 1970-х годов инженерам NASA везло – почти все посадки на «Красную планету» удавались им с первой попытки, за одним редким исключением.

В 1971 году Марса достигло первое изделие человеческих рук: советский марсоход «Марс-2». Из-за ошибки определения угла входа в атмосферу скорость посадки была такой, что изделие разбилось о поверхность планеты и не смогло принести никакой научной пользы.

Брат-близнец «Марс-3» оказался более успешен – он благополучно спустился и сел, успел даже приступить к работе, но вышел из строя примерно через минуту. Пара этих аппаратов СССР должна была отработать технологию посадки на Марс, изучить свойства грунта: плотность, структуру, химический состав. Это исследование рассматривалось как предварение более сложных программ: отправки мощного марсохода, а затем и пилотируемой высадки.

Частично с задачей удалось справиться: «Марс-3» показал, что садиться можно, и что Марс столь же твердый, как и Луна. Аппарат заложил практически классическую схему спуска, которая во многом повторялась вплоть до Curiosity, хотя в деталях были и отличия.

Как и большинство посадочных марсианских модулей, «Марс-3» входил в атмосферу планеты без предварительного торможения на перелетной скорости 5,8 километров в секунду. Первый удар атмосферы принимал на себя тормозной конус, который NASA называет Heat Shield, «Тепловой Щит». Название неслучайно, поскольку даже разреженная атмосфера Марса на такой скорости нагревает его до температуры свыше 1500 градусов Цельсия.

Форма теплового щита рассчитана так, что трение атмосферы незначительно, а нагрев происходит из-за ударной волны, которую формирует перед собой щит. Сильно сжатый газ нагревается и передает температуру поверхности щита. Материал поверхности щита начинает испаряться и тем самым охлаждать более глубокие слои.

Космический аппарат ненадолго окутывает облако плазмы. Через плазму не проходят радиоволны, поэтому на самом жарком этапе спуска поддерживать связь с аппаратом невозможно. Но из-за расстояния между нашими планетами и задержки времени поступления сигнала на 7–10 минут, управлять посадкой с Земли все равно не получилось бы.

Тормозные конусы имелись у всех аппаратов, пытавшихся сесть на Марс. Но у всех, кроме советских «Марсов», щиты составляли часть полной теплозащитной капсулы, в которой прятались марсоход или модуль. На наших же аппаратах щит и «скорлупа» крепились отдельно.

Когда гиперзвуковая скорость падает до сверхзвуковой, щит перестает быть эффективным. Сразу от него не избавляются, но начинается этап парашютного торможения: сначала выпускается тонкий вытяжной, а за ним уже и основной парашют. Атмосферный поток еще высок – скорость составляет около 1500 километров в час, поэтому парашют называют сверхзвуковым. Чтобы поток не порвал резко раскрывшийся купол, используют технологию разрифовки: стропы заплетают таким образом, чтобы раскрытие было постепенным.

Чем шире раскрывается парашют, тем больше падает скорость, но атмосфера Марса настолько разрежена, что ее плотности не хватает для обеспечения мягкой посадки. Впрочем, и на Земле парашюта для мягкой посадки недостаточно, и требуются двигатели мягкой посадки.

На Марсе парашют позволяет сбрасывать скорость примерно до 300 километров в час, и требуется еще какое-то инженерное решение, чтобы доставить в сохранности полезную нагрузку на поверхность. Здесь уже открывается больше простора для творчества инженеров и конструкторов.

Советские «Марсы» имели довольно малую массу для посадочных станций, поэтому обходились небольшими тормозными пороховыми двигателями. Причем, у «Марса-2» и «Марса-3» двигателей было два: один уводил парашют в сторону, а второй – «подвешивал» яйцеобразную капсулу на цепях над поверхностью планеты.

Последние метры «Марсы» пролетали в свободном падении, и удар на себя принимала толстая пенопластовая «скорлупа». Из-за смещенного центра масс, по принципу неваляшки, «яйцо» стабилизировалось, и верхняя часть кожуха отстреливалась в сторону. Затем раскладывались «лепестки», которые позволяли развернуть посадочную станцию вертикально, чтобы антенны могли передать данные на спутник.

У «Марса-6» в 1973 году был один твердотопливный двигатель мягкой посадки, который сразу и гасил скорость, и отводил парашют. Точнее, должен был это делать. Что с ним произошло на самом деле, мы не знаем – передача данных с него прервалась примерно на этапе отделения парашюта, и сам аппарат на поверхности Марса пока не обнаружен. Существует гипотеза, что, как и в случае со Schiaparelli, к аварии привела неверная оценка расстояния до поверхности.

Передача данных в полете, реализованном на «Марсе-6» – это тоже результат опыта «Марса-3». «Третий» молчал, как и задумывалось, но специалисты на Земле поняли, что лучше бы он вещал на протяжении всей посадки. И хотя «Марс-6» отключился, не добравшись до поверхности, поработать он все же успел: провел первый непосредственный анализ атмосферы Марса и передал результаты на Землю. Напарник «Марса-6», «Марс-7», промахнулся мимо планеты, и его сигналы какое-то время регистрировались орбитальной станцией.

Аппараты Viking-1 и Viking-2 от NASA в 1976 году использовали более сложную систему посадки – их уже оснастили жидкостными ракетными двигателями. Жидкостный двигатель позволяет автоматике контролировать импульс, добиваясь плавности спуска и меньшей скорости столкновения с поверхностью. При этом весь процесс посадки для Viking протекал легче, поскольку скорость входа аппаратов в атмосферу составляла всего 3 километра в секунду. Межпланетные аппараты сначала выходили на околомарсианскую орбиту, выбирали подходящее место, и только потом посадочные модули спускались в атмосферу. Благодаря такой схеме на поверхность «Красной планеты» удалось доставить массивные аппараты, которые проработали несколько лет и провели массу экспериментов, в том числе по поиску воды и жизни (правда, не нашли).

Следующая посадка произошла целых двадцать лет спустя, в 1997 году. Спускаемый аппарат Mars Pathfinder должен был протестировать несколько технологий, в том числе способ торможения при помощи «воздушных мешков». Первая часть спуска проходила по привычной для NASA схеме, в капсуле. А уже из капсулы на привязи вытягивался спускаемый аппарат. В нескольких десятках метров над поверхностью срабатывали твердотопливные тормозные двигатели. Вокруг аппарата надувались баллоны из прочной ткани, которую используют для создания скафандров.

Модуль в «пузырях» ударялся о поверхность и сотни метров скакал, подобно мячу. В конце концов, баллоны сдувались, и Mars Pathfinder раскладывался по хитрой схеме, обеспечивающей вертикализацию аппарата, на каком бы боку ни оказался аппарат в конце движения.

Впервые эту технологию с «лепестками» применили еще в СССР для посадки «Луны-9», а позже она пригодилась для посадки марсоходов Spirit и Opportunity.

Первый европейский посадочный зонд Beagle 2 в 2003 году садился похожим образом, только он умудрился обойтись даже без порохового тормозного двигателя. Спускался аппарат в капсуле и на парашюте, а потом тоже сразу скакал как мячик. Beagle 2 сел практически удачно, даже сумел немного поработать на поверхности, подобно «Марсу-3». Только на Земле узнали об этом спустя десять лет после посадки.

Для нормальной работы Beagle 2 надо было развернуть 4 лепестка с солнечными батареями и одну панель с приборами. Аппарат успел раскрыть только две солнечные батареи и остановился навсегда по неизвестной причине. Скорее всего, его аккумулятор сел, не успев зарядиться от Солнца, но это только предположение. Beagle 2 не передал данные о себе, поэтому, с точки зрения ESA, он ушел в атмосферу и навсегда замолчал. Нашли Beagle 2 только в 2013 году по снимкам марсианского спутника MRO.

В 1999 году NASA потеряло свою единственную посадочную миссию на Марсе – аппарат Mars Polar Lander. К его модулю прилагались два отделяемых импактных (ударных) зонда Deep space 2. Предполагалось, что они будут садиться и работать самостоятельно. И хотя потеряли все вместе, можно считать эту неудачу сразу за три. Картина выглядела так же, как и у других аварий на посадке: аппараты ушли в атмосферу – и тишина. Южный полюс Марса оказался недостижим, даже следов миссии не нашли.

В 2009 году попытку покорения полюса, на этот раз Северного, повторили. Конструкция Phoenix во многом повторяла Polar Lander, только с учетом прежних ошибок. Это была спускаемая платформа, похожая на Viking, только спускалась она без торможения на орбите. Полет завершился удачной посадкой. Было изучено северное приполярье и найдена марсианская вода.

В 2012 году марсоход Curiosity стал самым тяжелым объектом, который удалось благополучно доставить на Марс. Мало того, что он был вдвое тяжелее средней массы других марсианских посадочных модулей, Curiosity отличался еще и высочайшей конструктивной сложностью, поэтому эквилибристика в надувном мяче ему не подходила, и даже ронять его со спускаемой платформы на высоте пары метров было нельзя. Сесть мягко платформа может, но на последних метрах реактивная струя поднимает слишком много пыли. Поэтому даже на легких аппаратах конструкторы стараются ставить как можно больше сопел, чтобы распределять реактивный поток.

Для посадки Curiosity пришлось разрабатывать новую сложнейшую конструкцию, которая оставляла ракетные двигатели высоко наверху и вместе с ними поднимала мастерство посадки до фантастического уровня – SkyCrane.

По сути технология и название SkyCrane заимствованы у вертолетчиков. Именно там принцип «подлететь, зависнуть и погрузить» применяется давно и успешно. Только пропеллер на Марсе бесполезен, поэтому пришлось полагаться на ракетные двигатели. Сейчас взлетающей, зависающей и мягко садящейся ракетой никого не удивишь, а в середине 2000-х – это было весьма рискованное решение. Думаю, инженеры Jet Propulsion Laboratory потратили немало трудов, чтобы убедить всех чиновников NASA в успехе своего плана.

Наконец, вторая европейская попытка посадки на Марс – Schiaparelli, который опирался, кажется, на весь предыдущий опыт посадок на Марс: и на свой, и на чужой. В целом, посадочная схема повторяла схему Phoenix или Viking, только вместо ног удар приходился на широкий поддон из алюминиевых сот, что напоминает советские «Марсы».

Памятуя о неудаче Beagle 2, инженеры ESA разработали модуль «из целого куска», без каких-либо подвижных механизмов, антенн или панелей. От солнечных батарей вообще отказались.

Странно, что при этом решили обойтись без воздушных мешков, хотя они практически успешно посадили Beagle 2. Видимо, когда в 2013 году нашли пропавший зонд, разработка Schiaparelli дошла уже до того уровня, когда что-либо переделывать было поздно. Тем более, как показывают предварительные сообщения, сбой в посадке Schiaparelli случился на программном уровне, а не в «железе».

В целом, опыт полетов и посадок на Марс говорит о том, что это дело сложное, но возможное. И опыт здесь является определяющим фактором – частота попыток повышает шансы на успех, и даже наземной отработки с испытаниями всех возможных сценариев никогда не бывает мало.

В будущем, вероятно, полеты на Марс дополнятся новыми приемами и технологиями. И в России, и в США не первый год испытываются надувные тормозные щиты. Космопромышленник Илон Маск собирается сажать на поверхность Марса корабль BFR массой в десятки тонн при помощи аэродинамической посадки по схеме Space Shuttle. Сотрудники РКК «Энергия» тоже рассматривали такую схему еще в 1980-х – 1990-х годах и сочли ее вполне перспективной.

Из более реальных проектов в ближайшие годы стоит ожидать посадку марсохода Paster в рамках российско-европейского проекта ExoMars – там будет применена платформа. Также нас ждет посадка американского марсохода MSL (Mars Science Laboratory) 2020 – SkyCrane. И, возможно, посадка китайского марсохода – как именно ее будут осуществлять, пока неизвестно, но, скорее всего, либо на платформе, либо по схеме Spirit/Opportunity.

Глава первоначально подготовлена для научно-популярного портала N+1, и опубликована под названием «9:8 в пользу марсиан. Почему так трудно совершить успешную посадку на Красной планете».

Страница: https://nplus1.ru/material/ 2016/10/27/mars-landing-difficulties.

4.6. «Фобос-Грусть».

9 ноября 2011 года в космос отправилась первая в XXI веке российская автоматическая межпланетная станция «Фобос-Грунт». Задачи на нее возлагались беспрецедентной сложности: вернуть на Землю грунт с одного из спутников Марса – Фобоса. Успешный старт стал первым шагом на сложном пути к Красной планете и обратно, но уже на втором шаге – отлете с околоземной орбиты – что-то пошло не так.

Жизнь зонда «Фобос-Грунт» началась в нелегкое переходное время. С советских времен отечественной космонавтике не везло с Марсом. Практически ни один космический аппарат, отправленный к четвертой планете, не выполнил полностью свою научную программу, хотя отдельные успехи достигнуты были: первая посадка, первое непосредственное изучение атмосферы, первые цветные снимки с орбиты. Уже на закате Советского Союза, в 1988 году, к Марсу отправились две автоматические станции «Фобос». Их главной целью стал ближайший к Марсу и крупнейший из его спутников. И снова марсианских исследователей преследовали неудачи: сначала они потеряли «Фобос-1» из-за программной ошибки еще по пути, а «Фобос-2» прекратил работу через несколько месяцев. Он вышел на орбиту Марса и уже приступил к сближению с Фобосом, но тут прервалась связь, а причину сбоя так и не установили.

«Фобос-Грунт».

Уже в российских реалиях, практически на последнем издыхании, отечественная космонавтика вложила весь свой энтузиазм и стремление к изучению космоса в новую программу: «Марс-96». Люди работали в тяжелых условиях, с многомесячными задержками невысоких зарплат. Как и «Фобосы», «Марс-96» был международным проектом, на его борту установили немало иностранных научных приборов. Но все чаяния инженеров и ученых распались где-то над Тихим океаном или Южной Америкой, когда разгонный блок не произвел второго включения для вывода аппарата на отлетную орбиту. На третьем витке вокруг Земли станция прекратила поддерживать связь с Землей, а четвертого уже не состоялось.

Потеря «Марса-96» тяжело ударила по космической отрасли и в особенности отразилась на НПО им. С.А. Лавочкина – главном предприятии СССР и России по межпланетной тематике и беспилотным научным комплексам. Именно тогда с завода и конструкторского бюро ушло немало специалистов, чья компетенция и опыт пригодились бы спустя 15 лет.

В условиях ограниченного финансирования отрасли российское космическое академическое сообщество наметило новую амбициозную цель для возвращения пошатнувшегося авторитета отечественной межпланетной космонавтики. И избрана была еще более сложная задача – добыча грунта с Фобоса. Научную составляющую проекта возложили на себя Институт космических исследований РАН и Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Совместно с российскими учеными в проекте приняли участие научные группы Франции, Германии, Голландии, Швейцарии, Италии, Швеции, Болгарии, Украины, Китая и США.

Фобос – это картофелеобразное космическое тело, вращающееся на высоте примерно 6 тысяч километров над поверхностью Марса в плоскости близкой к экваториальной. Несмотря на сходство с бесформенными астероидами, Фобос отличается от них плотностью, спектральными характеристиками и особенностями орбиты. Существует две основных гипотезы его возникновения: захват пролетающего астероида или выброс грунта с Марса в результате катастрофического столкновения. Ни одна из гипотез не находит полного подтверждения, исходя из имеющихся данных. В любом случае, ученые признают, что его реголит должен содержать как марсианскую породу, выброшенную в космос ударами астероидов по Марсу, так и древнее протовещество, из которого формировалась вся Солнечная система. Поэтому грунт Фобоса может рассказать об эволюции не только Марса, но и всех окрестных планет, в том числе Земли.

Задачу нашей космонавтики поставили сложную и сроки назвали близкие – 2003 год. Но станцию «Фобос-Грунт», как и всю космическую отрасль, преследовали общие проблемы: недофинансирование, постоянные изменения планов, переделки и полный пересмотр всей концепции. Накладывались также общий кризис высокотехнологичной промышленности и отсутствие отечественной современной электроники космического класса.

Сначала автоматическая межпланетная станция готовилась к старту со средней ракетой «Союз-2», и достижение Марса предполагалось при помощи электроракетной двигательной установки. В проекте «Фобос-Грунт» присутствовало требование – обеспечить не менее 20 % финансирования за счет привлечения коммерческих партнеров. Они нашлись в 2007 году в Китае. К и без того сложной автоматической межпланетной станции добавился попутный малый космический аппарат «Инхо-1». Проект пришлось серьезно переделывать. Электрический двигатель заменили на химический, разработав маршевую двигательную установку на базе созданного на НПО им. С.А. Лавочкина разгонного блока «Фрегат». Выведение на перелетную орбиту к Марсу серийным разгонным блоком было невозможно, так как аппарат требовал коррекции траектории во время перелета и торможения у Марса, поэтому были необходимы переделки бортового комплекса управления. Пуск перенесли на 2009 год. Ракета «Союз» уже оказалась мала для такой нагрузки, поэтому ее заменили на более мощный украинский носитель «Зенит-2». Обновленная масса превысила 13 тонн. За полгода до открытия пускового окна 2009 года, старт сдвинули до ноября 2011-го – из-за особенностей планетных орбит. На Марс с Земли легче всего лететь, если стартовать в течение одного месяца с периодом в два года.

Из-за постоянных переносов срока, переделок и недостаточного финансирования, многие выражали опасения по поводу успешности миссии. За месяц до старта на заседании Госдумы тогдашний глава Роскосмоса Владимир Поповкин пояснял, что сроки и так затянуты, и если не запустить аппарат в 2011-м, то лучше уже не пускать никогда, поскольку технологии постоянно устаревают, а опытные специалисты уходят. Вероятность успеха миссии, при условии пуска в 2011 году, посчитали в 93 %, и госкомиссия приняла решение о пуске, хотя были и более сдержанные оценки – в 22,5 %, но им не придали значения.

«Фобос-грунт» проектировался с учетом последних достижений техники: по модульной негерметичной многоступенчатой схеме. В перспективе, такая платформа рассматривалась как основа будущих космических программ от Меркурия до Юпитера. Компоновка позволяла широко варьировать состав полезной нагрузки, двигательную установку, менять назначение и программу будущих аппаратов. Таким образом, «Фобос-грунт» выполнял не только научные, но и технологические задачи, и должен был стать первой испытательной ласточкой целой армады российских межпланетных зондов, которые готовило НПО им. С.А. Лавочкина.

Программа полета предполагала выведение космического аппарата на опорную низкую околоземную орбиту с высшей точкой орбиты в 360 километров. Там он в автоматическом режиме должен был сориентироваться сначала по Солнцу, чтобы солнечные батареи начали питание бортовой сети, затем – по звездам, такая ориентация является более точной. Звездная ориентация позволила выдать маршевой двигательной установке первый импульс для выхода на переходную эллиптическую орбиту с высшей точкой 4162 километра. После первого импульса отбрасывался дополнительный топливный бак, и устанавливалась двусторонняя связь с Землей. До этого со станции на Землю предполагалась передача телеметрии, но никаких команд на аппарат передать было невозможно. Такое решение было вынужденным, из-за экономии массы решили отказаться от двусторонней связи на низкой околоземной орбите, а для передачи на аппарат – модернизировали только самые большие антенны Дальней космической связи России. Они могли вести передачу только с расстояния в несколько тысяч километров. Даже на переходной орбите не предполагалась никакая передача команд, если «Фобос-Грунт» летит по программе полета. Связью воспользовались бы, только если потребовалось внести навигационные поправки для перехода на отлетную траекторию к Марсу.

Перелет от Земли к Марсу кажется самым легким и простым этапом программы полета «Фобос-Грунт». Затем аппарату предстояло выйти на марсианскую орбиту, сбросить маршевую двигательную установку с тяжелым топливным баком, отделить соединительную ферму, высвободить из нее китайского «пассажира», и только потом приступить к сближению с Фобосом. После посадки на Фобосе ожидалась напряженная и сложная работа. Сбор грунта и отправка к Земле была лишь частью задачи. На поверхности оставалась долгоживущая станция для длительного изучения породы на местности и внешних условий. Место посадки выбрали такое, с которого никогда бы не было видно Марс – чтобы он не создавал лишней тени солнечным батареям. Возвратиться на Землю предстояло совсем небольшому модулю массой в 7 кг, который доставил бы 100–200 г инопланетного грунта. Вместе с ним вернулись бы образцы бактерий и других живых существ, впервые в истории совершившие межпланетный перелет.

К сожалению, ничего из намеченной программы выполнено не было. Никто не ожидал, что полет «Фобос-Грунта» с пугающими подробностями повторит печальный опыт своего предшественника – «Марс-96», отличаясь только длительностью полета и ускользающим шансом спасти миссию.

Ночью 9 ноября 2011 года ракета-носитель «Зенит-2SБ» вывела «Фобос-Грунт» на опорную орбиту. Через 2,5 часа ожидалось первое включение маршевой двигательной установки. После старта ракеты космический аппарат скрылся из пределов видимости российских станций, но иностранные станции подтвердили прием телеметрии и построение солнечной ориентации – выполнение программы полета началось успешно.

Оставалось дождаться включения маршевой двигательной установки. Институт космических исследований даже разместил обращение к астрономам-любителям мира – посмотреть в телескоп на полет «Фобос-Грунта» и подтвердить вспышку запущенного двигателя. Но вспышки так никто и не дождался. Двигатели молчали, станция молчала, хотя продолжала держаться солнечными батареями к Солнцу.

На следующих витках еще удавалось поймать телеметрию с бортового передатчика. Инженеры и программисты по скупым цифрам пытались понять причины сбоя, писали программу повторного запуска двигательной установки, но на вторые сутки после старта прекратилась и передача телеметрии. В это же время начались первые попытки передачи на борт обновленного набора команд. Российским специалистам предложили свою помощь европейские ученые: они подключили свою наземную станцию космической связи в Австралии.

Хотя причины сбоя пока никто не понимал, решающее значение имела возможность приема данных с Земли на борт. «Фобос-Грунт» был еще жив и ждал новых команд, но не мог их получить. Остронаправленная антенна, которая должна была развернуться на российские станции космической связи с расстояния 4-х тысяч километров, оказалась практически неспособна поддерживать связь с высоты 300 километров. Спутник летел слишком быстро относительно поверхности Земли, и узкий «луч» диаграммы направленности антенны безвольно скользил по ней, не имея возможности остановиться, чтобы принять новые команды. Тяжелые многометровые антенны Дальней космической связи не успевали следить за быстро проносящейся по небу станцией, а мощность их передатчиков могла просто сжечь приемник «Фобоса-Грунта» с близкого расстояния.

Низкая орбита позволяла держаться «Фобос-Грунту» в полете еще нескольких недель, но пусковое окно к Марсу закрывалось гораздо быстрее. Надежды на успешный пуск к Марсу таяли с каждым днем, но создатели межпланетной станции продолжали борьбу за свое детище. Теперь, при каждом удобном пролете над российскими наземными станциями, в сторону аварийного аппарата неслись запросы, чтобы оценить его готовность к приему команд, и готовились аварийные программы для возвращения к нормальной жизни бортового вычислительного комплекса и его старта к Марсу. В другом полушарии то же самое пытались сделать европейские коллеги на станции космической связи в Перте (Австралия).

Ответ удалось получить только через две недели – 23 ноября. Во время пролета над освещенной стороной Земли, когда солнечные батареи могли питать бортовую сеть, из Австралии смогли получить ответ от станции: по громкой связи специалисты Байконура слышали ликование европейских коллег. Анализ телеметрии показал, что «Фобос-Грунт» находится в аварийном режиме работы, и его бортовой вычислительный комплекс работает только тогда, когда есть солнечный свет на батареях. В это время над Россией проходила ночная часть орбиты, а значит все попытки связи и отправки команд оказались бесполезны.

Орбита космического аппарата постепенно снижалась. Тормозящее воздействие атмосферы возрастало с каждым витком. Еще через неделю наблюдатели заметили начало разрушения станции – от нее отделилось один или два фрагмента. Полет продолжался, и нескольким астрономам любителям удалось произвести съемку аппарата. «Фобос-Грунт» летел с развернутыми солнечными батареями, подтверждая успешное начало работы на орбите. На некоторых кадрах удалось разглядеть даже отделяемый топливный бак, который должен был отделиться после первого включения двигателя, но так и остался в составе аппарата.

«Фобос-Грунт» вошел в плотные слои земной атмосферы 15 января 2012 года на 1097-м витке вокруг Земли. Он распался где-то над Тихим Океаном или Южной Америкой.

После завершения всех спасательных работ, когда судьба второй российской автоматической межпланетной станции была решена, встал главный вопрос о причинах аварии. Первое время винили программную ошибку на этапе построения ориентации по звездным датчикам, перед первым пуском маршевой двигательной установки. Была даже попытка обвинить американских военных в воздействии на космический аппарат. По мнению, высказанному главой Роскосмоса Владимиром Поповкиным, «Фобос-Грунт» мог попасть в излучение радара, которым американская станция облучала пролетающий поблизости астероид 2005 YU55 с целью зондирования. Но последующий более глубокий анализ телеметрии и моделирование на наземном макете бортового вычислительного комплекса позволил отсечь лишние и определить более убедительную причину.

Главной причиной аварии признали несовершенство конструкции космического аппарата. Первоначальный сбой бортового вычислительного комплекса был вызван воздействием космической радиации – тяжелой заряженной частицы. Такие частицы не редкость в космосе: что в межпланетном пространстве, что на околоземной орбите. Из-за высоких энергий таких частиц защититься от радиации практически невозможно, мы и наша техника на Земле прикрыты десятками километров атмосферы, а в космосе конструкторы предусматривают различные методы защиты от сбоев, вызываемых такими частицами. Для повышения надежности обычно используют два бортовых вычислительных комплекса, которые страхуют друг друга. Возможно применение специальных алгоритмов определения ошибок в программе. Электронику для космических аппаратов тоже используют специальную, военного или космического исполнения, которое обеспечивает более стабильную работу в потоках космического излучения.

«Фобос-Грунт» имел дублированный бортовой вычислительный комплекс, в котором использовалась электроника военного назначения. Российские ГОСТы это позволяют. Космическая электроника имеет высокую стоимость, поэтому конструкторы вынуждены были прибегнуть к такому выбору из-за ограниченности бюджета. В чем конструкторы бортового вычислительного комплекса просчитались, так это во внутренней компоновке. Два дублированных полукомплекта вычислительного комплекса располагались близко друг к другу, в параллельных плоскостях, в результате одна космическая частица пробила оба полукомплекта сразу и привела к прекращению программы полета и перезагрузке компьютера. Космический аппарат еще сохранял полную работоспособность и ждал команд с Земли, но из-за невозможности установить связь на низкой орбите эту команду передать не удавалось.

Позже выяснилось, что пробитые микросхемы оперативного запоминающего устройства относились как раз к тому типу, который наиболее уязвим именно к такого рода излучениям.

Согласно заключению госкомиссии, авария произошла «вследствие недооценки фактора космического пространства разработчиками и создателями межпланетной станции». Виновные в просчете сотрудники НПО имени Лавочкина были привлечены к административной ответственности.

Таким образом, виновными назвали разработчиков космического аппарата, которые выбрали слабые микросхемы и не предусмотрели возможности связи на низкой околоземной орбите. При этом никто не вспомнил, что их решения определялись не их желанием или компетенцией, а бюджетом и поставленными сроками. Тут можно вспомнить марсианскую аварию, которая произошла за десятилетие до «Фобос-Грунта»: американский научный зонд Mars Polar Lander должен был впервые совершить посадку в полярных регионах Марса, изучить грунт и местный лед, провести климатические наблюдения. Аппарат успешно стартовал с Земли, но после входа в атмосферу Марса связь с ним прервалась. Миссия погибла по невыясненной причине, а госкомиссия главной причиной неудачи назвала недофинансирование и давление сроков. Конструкторов и программистов к административной ответственности не привлекали, а увеличили бюджет и через 4 года. Они реализовали сверхуспешную экспедицию двух марсоходов Spirit и Opportunity, один из которых работает по сей день – пятнадцатый год.

Полет «Фобоса-Грунта» показал, что сегодня российская межпланетная космонавтика совсем не та, которая досталась в наследство от СССР. Стало ясно, что требуется тренировка, повторение прежних успехов и реализация более простых проектов для отработки новой технологии и получения опыта молодыми инженерами. Следующая серия межпланетных станций – «Луна-25-26-27» («Луна-Глоб», «Луна-Глоб-2», «Луна-Ресурс») по задачам полета повторяют «Луну-9», «Луну-10», «Луну-16» 60-х годов прошлого века, хотя для них предусмотрена более сложная схема полета и научная программа.

Результатом полета «Фобос-Грунт» стал перенос или отмена последующих межпланетных аппаратов, которые готовились к реализации на платформе «Фобос-Грунт»: полет к астероиду Апофис отменили, посадку на Венеру перенесли на 15 лет, практически забыты несколько марсианских проектов, в том числе «Марс-Грунт».

Россия поддержала европейскую программу «ЭкзоМарс» и в ней надеется взять свой марсианский реванш. Программа включает два запуска российскими ракетами: первый этап – спутник TGO, который уже успешно работает на орбите у Марса, второй этап – марсоход, который будет садиться на российской посадочной платформе в 2021 году.

Работа в проекте «Фобос-Грунт» стала практической школой для молодого поколения инженеров предприятия. Они взялись под руководством немногочисленных опытных специалистов решать уникальные для отечественной космонавтики задачи: создание системы посадки на базе лазерного высотомера, лидара и телевизионной стереосистемы. Разрабатывали различные варианты манипуляторного грунтозаборного устройства и даже своеобразного искусственного интеллекта, способного самостоятельно, без указания с Земли, выбирать наиболее интересные образцы грунта. Их труды и приобретенные знания должны воплотиться в запуске «Фобос-Грунт-2», который включен в Федеральную космическую программу на 2015–2025 годы под названием «Экспедиция-М». Однако активная подготовка станции к полету начнется только после успешной посадки «Луны-25» в 2019 году, и европейского марсохода Paster в 2021-м.

Глава первоначально подготовлена для познавательного журнала «Вокруг Света», и опубликована под названием «Ставка на красное».

Страница: http://www.vokrugsveta.ru/article/261547/

4.7. Mars Orbiter Mission: индийский Марс.

Индия может! Именно это можно сказать по результатам работы индийской автоматической межпланетной станции на орбите Марса. Mars Orbiter Mission или сокращенно MOM создан в самые короткие сроки и обошелся в рекордно малую сумму. Если говорить только о спутнике, то на его разработку потратили всего.

Mars Orbiter Mission.

25 миллионов долларов. При этом он успешно долетел и несколько лет исправно шлет цветные фотографии Красной планеты.

MOM вращается на сильно вытянутой (высокоэллиптической) орбите, как ни один марсианский спутник. Эта орбита позволяет ему осматривать всю планету как с расстояния 75 тысяч километров, так и с высоты 375 километров. На аппарате установлены 5 научных приборов, один из которых – цветная фотокамера. Пробный кадр сделали еще на земной орбите, правда, качество, прямо сказать, невысокое.

Первое фото с орбиты Марса подтвердило работоспособность аппарата, но вызвало язвительные комментарии интернет-пользователей в стиле «моя мобила снимает лучше».

Следующие кадры оказались нагляднее. На снимках можно было рассмотреть структуру атмосферы и весеннюю пыль, которая висит в южном полушарии. При наступлении теплого времени года на полярных шапках тает углекислотный лед, от чего поднимаются мощные ветра.

Снимок полного «глобуса» с расстояния 74,5 тысяч километров показал больше облаков у северного полюса.

Несмотря на низкое разрешение снимков, индийский аппарат показывает нам Марс, как никто другой. Американские и европейские спутники снимают с низкой орбиты камерами высокого разрешения и не могут охватить всю планету, индийские марсианские кадры хороши именно с эстетической точки зрения. Аналогичные ракурсы съемки дает только маленькая «веб-камера» на европейском спутнике Mars Express, но у нее качество съемки совсем уж невысокое.

4.8. InSight: летим долбить Марс.

В мае 2018 года с военной базы Ванденберг в Калифорнии к Марсу отправилась группа космических аппаратов, которые должны получить новые данные о Красной планете. Главная нагрузка ракеты Atlas V – спускаемый аппарат InSight, который будет изучать Марс изнутри.

Конструкция InSight позаимствована у успешной миссии NASA Phoenix, которая высадилась в приполярье Марса десятью годами ранее. По сути, это круглый стол, на котором размещены научные инструменты и приборы. Электропитание модуля обеспечивается разворачивающимися как веер солнечными батареями.

InSight.

Под «столом» располагаются ракетные двигатели, топливные баки, радар-высотомер, подпружиненные раскладные «ноги» и прочие системы мягкой посадки. Перелет совершается в теплозащитной капсуле, которая высвободит космический аппарат только перед самой поверхностью.

Phoenix изучал грунт и водяной лед, которого много у марсианских полюсов. InSight же должен сесть близко к экватору, всего в нескольких сотнях километров от марсохода Curiosity – на вулканической равнине Элизий. Работа InSight должна продлиться около двух земных лет, то есть один марсианский год, хотя, возможно, работу продолжат, если системы будут функционировать нормально.

Марсоходы Spirit и Opportunity могли пробурить Марс только на 0,5 сантиметра. Прорыть траншею колесом получалось лишь на пару сантиметров. Phoenix копнул грунт сантиметра на три. Марсоход Curiosity бурит на 7 сантиметров.

InSight должен забить стальную сваю на глубину до 5 метров. Система HP3 (Heat Flow and Physical Properties Probe) разработана Германским космическим агентством DLR. На глубине несколько метров не будут изучать химию породы и не будут искать микроскопических марсиан. Всё проще – такая глубина нужна для того, чтобы определять температуру грунта от поверхности и до внедренного зонда.

В ходе забоя скважины еще больше узнают о плотности грунта, что важно для уточнения моделей тепловой инерции, то есть определения плотности грунта, его скорости накапливания и отдачи тепла в течение суток. Поскольку данные по тепловой инерции получены уже со всей планеты при помощи спутников, лучшее понимание связи между плотностью и теплом поверхности позволит лучше узнать весь Марс.

Для точного измерения перепадов температур внутри скважины на аппарате разместили термодатчики на гибкой ленте, которая крепится к забиваемой свае. На ленте датчики располагаются через каждые 35 сантиметров. Ученые попытаются выяснить, насколько глубоко прогревается грунт под солнечными лучами, и как меняется баланс температур в течение марсианского года. Это знание послужит многим целям, например, позволит точнее определять глубину залегания вечной мерзлоты и оценивать возможные запасы воды.

Еще один способ познать нутро «бога войны» – это послушать при помощи сейсмометров – приборов для изучения колебаний грунта. Это будет уже не первая попытка. Сейсмометры стояли на спускаемых аппаратах Viking, которые начали свою работу еще в 77-м году. Однако из-за неудачного размещения они всё время регистрировали только порывы ветра и, кажется, только раз услышали подземный толчок неизвестного происхождения.

Сейсмический эксперимент предполагался на российской станции «Марс-96», но, к сожалению, миссия оборвалась в Тихом океане. Марсоходы, в принципе, тоже могли бы использовать свои акселерометры для регистрации заметных сейсмических толчков, но ничего существенного за время их работы в тектонике планеты не происходило.

InSight обладает сверхчувствительным французским прибором SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure), который на порядки превосходит чистоту и качество своих марсианских предшественников. Уроки прошлого были учтены, и сейсмометр разместят непосредственно на поверхности Марса, под двумя защитными колпаками – от ветра и от перепадов температуры. SEIS обладает трехосевым широкополосным сейсмометром и трехсегментным сейсмометром короткого периода.

За счет размещения датчиков по трем осям сейсмометр сможет определять направление и глубину до источника сейсмического толчка, что, в свою очередь, позволит изучить недра Марса до самого ядра (если будет достаточно мощная волна). Точность же прибора такова, что он должен зафиксировать даже гравитационное воздействие спутника Марса – Фобоса, который, в отличие от земной Луны, имеет намного меньшие размеры и массу, а значит имеет незначительное воздействие на Марс.

Для установки на поверхности планеты сейсмометра и устройства забивания свай InSight оборудован специальным краном-манипулятором с захватом и навигационной камерой. Камера повторяет конструкцию навигационных камер марсоходов, только она цветная, но снимки все равно не будут превышать один мегапиксель. Еще одна камера будет располагаться под «столом» у ног посадочного устройства, чтобы лучше наблюдать за установленными на планете приборами.

Вращение планет вокруг своей оси нестабильно, за тысячи лет ось вращения планеты меняет направление и совершает покачивания, эти движения называют прецессией и нутацией. Кроме того, возможны отклонения в процессе суточного и годового вращения. Дополнительное влияние на осевое вращение Марса оказывает наличие и размер жидкого ядра в центре планеты, приливные воздействия Фобоса и Деймоса и перераспределение массы углекислого газа по поверхности, который в зависимости от сезона выпадает льдом то на одном, то на другом полюсе.

Земная ось совершает полный прецессионный цикл за 25 765 лет. Марс – примерно за 175 000 лет.

Данные по прецессии Марса были получены на основе анализа движения космических аппаратов Mars Odyssey и Mars Global Surveyor при помощи эффекта Допплера. Данный эффект влияет на частоту передаваемого сигнала с космического зонда и на зонд в зависимости от изменения его скорости. В случае с орбитальными аппаратами, летающими вокруг Марса, точность измерений достигает 1 м/с, но если передатчик и приемник разместить на поверхности планеты, то точность должна возрасти.

Подобные эксперименты проводили с посадочным зондом Mars Pathfinder и с марсоходами Spirit и Opportunity, когда они останавливались в своем путешествии чтобы перезимовать. Но длительность этих экспериментов не достигала и полугода, а чтобы изучить все детали вращения планеты, надо наблюдать как минимум год. Для точного определения расположения InSight и всех подробностей его перемещения вместе с планетой, на его борту размещен прибор RISE (Rotation and Interior Structure Experiment). По сути, это два радиопередатчика X-диапазона с рупорными антеннами среднего усиления, направленными в противоположные стороны. Теоретический предел точности определения скорости для аппарата, размещенного на поверхности Марса, составляет 5 мм/с, но в NASA ожидают точность около 5-10 см/с.

При необходимости RISE может использоваться для передачи полезной информации, но в нормальном режиме для этого будет применяться отдельная антенна UHF-диапазона (радиоволны ультравысокой частоты), передающая данные на орбитальные аппараты.

Данные с трех основных приборов InSight NASA сравнивает с жизненными показателями Марса: SEIS послушает дыхание и пульс, HP3 изменит температуру тела, RISE замерит двигательные рефлексы. Кроме этого, на приборном столе InSight размещены испанские устройства TWINS для наблюдения за климатом, аналогичные прибору REMS марсохода Curiosity. Под ветрозащитным колпаком сейсмометра скрывается датчик атмосферного давления, рядом располагается магнитометр. На другой стороне «стола» цветовая таблица для калибровки фотокамеры и лазерный уголковый отражатель LaRRI, который пригодится, если кто-то, пролетая над Марсом, решит посветить лазером в InSight.

Посадка InSight ожидается в ноябре 2018 года.