Прогресс

Сорок пятая экспедиция к Марсу

— Что такое минимум информации при максимуме затрат?
— Это запуски космических станций на Марс.

18 ноября 2013 года с мыса Канаверал был осуществлен запуск ракеты-носителя «Атлас-V» с автоматической межпланетной станцией MAVEN, предназначенной для исследования атмосферы Марса.

Все системы стартовой площадки SLC-4 сработали идеально — в 13:18 по местному времени окрестности космодрома содрогнулись от мощного гула РД-180 (в обеих ступенях РН «Атлас-V» используются двигатели российского производства). 300-тонная огнедышащая упряжка оторвалась от стартового стола и, резко увеличив свою скорость, устремилась ввысь, навстречу звездам. Через 27 минут после выхода на опорную околоземную орбиту запустились двигатели разгонного блока «Центавр»: MAVEN набрал вторую космическую скорость и вышел на отлетную траекторию к Марсу.
Первый корректирующий маневр намечен на 3 декабря. Через 10 месяцев, 22 сентября 2014 года, станция, пролетев в ледяной черноте 300 млн. километров, должна выйти на марсианскую орбиту. Начнется научная миссия расчетной продолжительностью 1 земной год.

Запуск по программе MAVEN стал одной из главных интриг в области космических запусков 2013 года — полная или частичная приостановка работы государственных учреждений США с 1 октября 2013 года поставила запланированную экспедицию к Красной планете под угрозу, несмотря на полную готовность всех технических систем ракетно-космической системы, а также удачное «временное окно» для запуска к Марсу. Возникла реальная угроза срыва всех намеченных сроков и переноса запуска MAVEN на 2016 год.

И это при том, что сам космический аппарат уже с августа находился на мысе Канаверал, проходя интенсивную подготовку к полету, а внутри сборочного цеха космодрома ждала готовая ракета-носитель «Атлас-V»!

Абсурдную ситуацию спасли юристы NASA, нашедшие в законах «лазейку», согласно которой запуск межпланетного зонда соответствует критериям, исключающим MAVEN из списка вынужденных бюджетных сокращений. Пятилетний труд сотрудников университета Колорадо и лаборатории космических исследований университета Беркли не пропал даром — межпланетная станция стоимостью 671 млн. долл. (в 485 млн. обошлось создание самого зонда, еще 187 млн. были потрачены на предстартовую подготовку и закупку РН «Атлас-V») была благополучно отправлена к намеченной цели.

MAVEN стал 45-ой миссией к Марсу и десятым по счету орбитальным разведчиком NASA в окрестностях Красной планеты. Название зонда является сложной аббревиатурой Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, что полностью отражает задачи предстоящей экспедиции. MAVEN предназначен для исследования атмосферы Марса — тонкой газовой оболочки, чье давление в приповерхностном слое составляет всего 0,6% атмосферы Земли, а газовый состав совершенно непригоден для дыхания человека (марсианская атмосфера практически полностью — на 95% — состоит из углекислого газа).

Снимок аппарата "Викинг", 1976 год

Но даже эта хлипкая атмосфера продолжает непрерывно исчезать — малая гравитация Марса не способна удержать газовую оболочку вокруг планеты. Ежегодно космический ветер «сдувает» в космос её верхние слои, обрекая Марс на превращение в застывшую каменную глыбу, подобную Луне или Меркурию.

Но когда это должно произойти? И каким был Марс в далеком прошлом, когда его газовая оболочка еще не была настолько сильно разряжена? Каковы темпы исчезновения марсианской атмосферы в абсолютных значениях?

Именно это должен выяснить аппарат MAVEN: двигаясь вокруг Марса по эллиптической орбите с перицентром 150 км и апоцентром 6200 км, он должен определить текущее состояние верхних слоев и характер их взаимодействия с солнечным ветром. Установить точные темпы потери атмосферы, а также факторы, влияющие на этот процесс. Определить соотношение стабильных изотопов в атмосфере, что должно «пролить свет» на историю марсианского климата. Косвенно, это сможет дать ответ на вопрос: существовали ли в прошлом условия, допускающие наличие на поверхности Марса жидкой воды?

Единственное, чем опечалены специалисты NASA, — новый орбитальный зонд ввиду своей чрезвычайно вытянутой орбиты не может быть использован в качестве ретранслятора сигналов марсоходов.

MAVEN проходит испытания на центрифуге

На борту зонда 8 самых современных приборов:
— комплект для изучения частиц и полей (три анализатора частиц «солнечного ветра», датчик ленгмюровских волн (колебаний плазмы) и пара индукционных магнитометров);
— ультрафиолетовый спектрометр, позволяющий дистанционно определить параметры атмосферы и ионосферы далекой планеты;
— нейтральный и ионный масс-спектрометр для изучения изотопного состава атмосферы Марса.

Впечатляющее научное оборудование и системы жизнеобеспечения, включающие в себя систему ориентации, бортовой компьютер, солнечные батареи и аппаратуру связи с Землей, обеспечивающую обмен данным со скоростью до 10 Мбит/с — все поместились в корпусе размерами 2,3 х 2,3 х 2 м (ширина зонда с раскрытыми панелями солнечных батарей — 11 м). Масса приборов, систем и научного оборудования — 809 кг.

Был ли Марс похож на Землю в далеком прошлом? MAVEN обязательно выяснит этот вопрос. Главное — благополучно добраться до места назначения. А это, как свидетельствует практика, очень непросто…

Хроники полетов к Марсу

Марс является самым посещаемым и наиболее изученным небесным телом, обгоняя по этим критериям даже близкую к нам Луну. Исследователей привлекает многое: относительно короткое время перелета (даже с существующими технологиями — меньше года). Подходящие условия на поверхности: отсутствие экстремальных давлений и температур, приемлемые радиационный фон, освещенность и гравитация. Из всех планет Марс наиболее подходит для поисков внеземной жизни (пусть даже в далеком прошлом), а в перспективе годится для высадки на его поверхности пилотируемой экспедиции.

Однако путь к Красной планете усеян авариями и обломками космических аппаратов: из 45 запущенных экспедиций до Красной планеты добралось чуть более половины. А полностью выполнить запланированную программу смогли лишь единицы.

Космос не прощает спешки и малейших ошибок. Многие из «исследователей Марса» завалили свою миссию еще на старте. В основном это относится к космической гонке 60-х, когда по заданию партии и правительства требовалось во что бы то ни стало запустить аппарат и добиться приоритета в космосе. В результате станции «Марс 1960А», «1960В», «Маринер-8» погибли в атмосфере Земли из-за аварий ракет-носителей.

Еще больше станций смогло выбраться на опорную орбиту, но не смогло выйти на отлетную траекторию: кто-то застрял на НОО, как «Фобос-Грунт», и позже возвратился на Землю в виде ослепительно яркого болида; кто-то не набрал необходимой скорости для полета к Марсу и бесследно сгинул на просторах гелиоцентрических орбит («Маринер-3»). Всего из 45 запущенных зондов на расчетную траекторию к полета к Марсу смог выйти лишь 31 (включая MAVEN). К чести нашей страны, первым из космических аппаратов, взявшим курс к Красной планете, был советский зонд Марс-1 (запущен 1 ноября 1962 г.). К сожалению, о нем повествует следующий абзац.

Макет межпланетной автоматической станции "Марс-1"

Настоящий кошмар начинается во время многомесячного перелета к Красной полете. Одна неверная команда — и аппарат, потеряв ориентацию, утрачивает возможность связи с Землей, превращаясь в бесполезный космический мусор. Со станцией «Марс-1» произошла похожая неприятность — утечка азота из баллонов системы ориентации: связь со станцией была потеряна на расстоянии 106 млн. км от Земли. Другой аппарат — «Зонд-2» — пострадал от неполного раскрытия панелей солнечных батарей: возникшие перебои с электропитанием стали причиной выхода из строя бортовой аппаратуры, «Зонд-2» тихо угас на глазах своих создателей. Согласно баллистическим расчетам, 6 августа 1965 г. неуправляемый зонд должен был пройти в окрестностях Марса.

Очень тяжко и страшно погибал на просторах космоса японский зонд «Нодзоми». Отсутствие собственной ракеты-носителя необходимой мощности стало плохой приметой при отправке экспедиции к далекой планете, тем не менее, хитроумные японцы надеялись набрать необходимую скорость за счет сложных гравитационных маневров в окрестностях Земли и Луны. Разумеется, все пошло не по плану — «Нодзоми» сбился к курса. Японцам удалось вычислить новую траекторию и вновь направить станцию к Марсу, пусть даже с опозданием по графику на 4 года. Теперь главное — продержаться в открытом космосе в течение длительного времени. Увы… Мощная солнечная вспышка повредила хрупкую начинку зонда. К моменту приближения к Марсу в баках замерз гидразин — выдать тормозной импульс не удалось, и «Нодзоми» в отчаянии прошла в 1000 км над поверхностью Красной планеты, так и не выйдя на околомарсианскую орбиту.

При очень обидных обстоятельствах был потерян американский зонд «Марс Обсервер» (1993 г.) — связь с ним прервалась всего за несколько дней до прибытия к Марсу. Наиболее вероятной причиной считается взрыв двигателя из-за утечки компонентов горючего.

Первым, кому удалось преодолеть сложную дистанцию и передать фотографию Красной планеты вблизи, стал американский зонд «Маринер-4», пролетевший в окрестностях Марса в июле 1965 г.

Ряд аппаратов был потерян уже на орбите Марса.

27 марта 1989 года была потеряна связь с советской станцией «Фобос-2», к тому времени уже 57 дней находившейся на орбите Марса. За время своей работы «Фобос-2» передал на Землю уникальные научные результаты о тепловых характеристиках Фобоса, плазменном окружении Марса и эрозии его атмосферы под воздействием «солнечного ветра». Увы, выполнить главную задачу миссии — высадку на поверхность Фобоса мини-зондов ПрОП-Ф и ДАС — не удалось.

В 1999 году при курьезных обстоятельствах погибла американская станция «Марс Климат Орбитер», сгорев на первом же витке в атмосфере Красной планеты. Внутреннее расследование NASA показало, что рабочие группы специалистов пользовались разными системами измерений — метрической и традиционной англосаксонской (футы, фунты, дюймы). С тех пор в NASA действует запрет на американские единицы измерения — все расчеты производятся исключительно в килограммах и метрах.

Створки посадочной платформы смыкаются вокруг сложенного марсохода "Оппортьюнити", 2003 г.

Очень большие неприятности ожидают того, кто отважится высадиться на поверхность Марса — коварная атмосфера слишком слаба, чтобы положиться на прочность парашютных строп, но все еще слишком плотна, чтобы приблизиться к поверхности на космической скорости. Это прозвучит необычно, но Марс в плане посадки является одним из самых сложных небесных тел!

Посадка происходит в несколько этапов: тормозные двигатели, аэродинамическое торможение в верхних слоях атмосферы, замедляющий парашют, вновь тормозные двигатели, двигатели мягкой посадки/надувные «подушки безопасности» или уникальный «воздушный кран». Отдельной строкой стоит проблема стабилизации.

Самый тяжелый из рукотворных объектов, который удалось доставить на поверхность планеты, стал марсоход MSL, более известный как «Кьюриосити» — аппарат массой 900 кг (вес в гравитационном поле Марса — 340 кг). Но, признаемся честно, специалисты полета и сторонние наблюдатели были ошарашены сложностью схемы посадки и возникшими проблемами при спуске в атмосфере планеты. 500 тысяч строк программного кода, 76 пиропатронов в определенной последовательности, отделение марсохода от висящей в воздухе при включенных реактивных двигателях платформы и мягкое опускание с высоты на нейлоновых тросах. Фантастика!

Планета Марс: воды нет, растительности нет, населена американскими роботами.
Автопортрет марсохода "Кьюриосити"

Немало героев смогло пережить вибрацию и огромные перегрузки на этапах запуска и разгона к Марсу, выдержало жестокий холод космического пространства, но погибло при попытке приземления на коварное небесное тело. Так, например, разбился советский «Марс-2», став первым рукотворным объектом на поверхности Марса (1971 год).

Первой станцией, совершившей мягкую посадку на поверхность Марса, стала советская «Марс-3». Увы, из-за возникшего коронного разряда, через 14 секунд после посадки станция вышла из строя.

Бесследно исчез в 2003 году европейский зонд «Бигль-2» (посадочный модуль орбитального зонда «Марс-Экспресс») — аппарат смело шагнул в малиновую атмосферу планеты, но после на связь с Землей так и не вышел…

Марс надежно хранит свои тайны.

P. S. По состоянию на 21 ноября 2013 г. на поверхности Красной планеты работают два марсохода — «Оппортьюнити» (MER-B) и «Кьюриосити» (MSL). Первый проработал в тех условиях уже 3586 дней — в 39 раз дольше расчетного срока и прополз за это время по поверхности 38 километров.
На орбите Марса находятся три аппарата: «Марс-Одиссей», «Марсианский орбитальный разведчик» (MRO), а также европейский зонд «Марс-Экспресс». Дольше всех продержался «Одиссей» — его миссия продолжается уже тринадцатый год.

На помощь ветеранам мчится новая смена — индийский зонд Mangalyaan (запущен 5 ноября 2013 г.), а также вышеупомянутый МAVEN. Будем надеяться, что в ближайшем будущем Россия также примет активное участие в «марсианской регате» — на 2016 и 2018 гг. запланированы две совместные российско-французские экспедиции «Экзомарс» (соглашение о сотрудничестве было подписано 14 марта 2013 г.). В том же 2018 году к Марсу должна отправиться обновленная и более совершенная станция «Фобос-Грунт 2». На этот раз все пройдет успешно.