Зачем нужна сорок пятая экспедиция к Марсу?

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

— 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.

Панорама района Грили-Хейвен. Вид на Кейп-Йорк и на кратер Индевор. Панорама получена марсоходом "Оппортьюнити" во время зимовки в 2012 году.

Следы марсохода "Оппортьюнити", заснятые камерой MRO

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.

Камера высокого разрешения HiRISE на борту "Марсианского орбитального разведчика" (MRO)

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.

Олег Капцов, Военное обозрение