Завоевание Марса

Исследование Марса, в котором приняли участие телеуправляемые роверы MER, в очередной раз изменило наши представления о соседней планете. Сегодня считается установленным, что в её истории был тёплый и влажный Нойский период (Noachian), который закончился 3,7 млрд лет назад.

Будет много интересных букв, разбавленных иллюстрациями via.

4 января 2004 года на марсианскую поверхность совершил мягкую посадку американский космический аппарат нового поколения — телеуправляемый ровер «Спирит». Вскоре к нему присоединился его механический собрат «Оппортьюнити», и вместе они начали изучение планеты, которая больше века привлекала пристальное внимание астрономов и фантастов.

Плановый срок эксплуатации роверов был определён в три месяца, однако реальная работа с ними продолжалась много лет, сделав исследование Марса рутинным не только для учёных, но и для любознательных дилетантов со всего мира.

Наследие «Луноходов»

20 июля 1989 года, в двадцатую годовщину высадки астронавтов корабля «Аполлон-11» (Apollo 11) на Луну, американский президент Джордж Буш-старший объявил о планах, которые позднее были названы Инициативой в области исследования космического пространства (Space Exploration Initiative, SEI). В ходе её реализации до конца столетия предполагалось собрать на орбите многомодульную станцию «Фридом» (Freedom), заложить базу на Луне и наконец-то заняться организацией пилотируемой экспедиции на Марс.

Хотя выступление Буша вызвало большой резонанс в Соединённых Штатах, предметное изучение идеи администрацией Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration, NASA) показало, что на реализацию SEI потребуется 20-30 лет и как минимум 500 млрд долларов.

Указанная сумма несколько охладила пыл энтузиастов, и в августе 1990 года был созван Консультативный комитет по вопросу о будущем космической программы США (Advisory Committee on the Future of the United States Space Program) под председательством авторитетного аэрокосмического менеджера Нормана Огастина.

В декабре он выпустил отчёт, в котором признавалось, что Марс можно рассматривать в качестве перспективной цели внеземной экспансии, но для её достижения потребуется провести большой объём научных исследований с использованием беспилотных космических аппаратов. Кроме того, комитет предлагал стратегию «работаем за деньги» (go-as-you-pay), подразумевавшую оперативное внесение изменений в планы с учётом выделяемых средств.

В апреле 1992 года NASA возглавил Даниэль (Дэн) Голдин, который, следуя выбранной стратегии, отменил все проекты дальних пилотируемых экспедиций и сосредоточил усилия специалистов в направлении создания роботизированных комплексов, оснащённых современным оборудованием.

Новый этап изучения Марса начался, когда 7 ноября 1996 года на мысе Канаверал был запущен космический аппарат «Марс Глобал Сервейор» (Mars Global Surveyor). В программу миссии входила съёмка с ареоцентрической орбиты поверхности соседней планеты в высоком разрешении, составление её глобальной топографической карты, исследование климата, гравитационного поля и распределения пыли в атмосфере.

Несмотря на свою относительно низкую стоимость (154 млн и 20 млн в год на обработку информации), за годы работы «Марс Глобал Сервейор» помог собрать колоссальный объём данных, которые произвели настоящую революцию в ареологии. Одним из важнейших открытий стало обнаружение оврагов на склонах холмов, гребнях кратеров и песчаных дюнах.

Возможное объяснение — овраги возникли под действием воды, которая либо просачивалась из подземных источников, либо появлялась при таянии засыпанного грунтом льда. «Свежесть» очертаний некоторых оврагов указывала на их недавнее происхождение. Но насколько недавнее?

Сделав повторные снимки, учёные нашли дюну в безымянном кратере в районе Геллеспонт (Hellespontus region), на которой ещё три года назад никаких оврагов не было, а тут появились сразу два. Таким образом, было показано, что вода меняет лик Марса не в доисторические времена, а прямо сейчас!

Межпланетный орбитальный аппарат Mars Global Surveyor (в представлении художника). NASA/JPL/Corby Waste
photojournal.jpl.nasa.gov

Появление свежих оврагов на марсианской поверхности, зафиксированное межпланетным орбитальным аппаратом Mars Global Surveyor. NASA/JPL/MSSS
space.com

Впрочем, наличие воды на марсианской поверхности в прошлом и настоящем требовалось доказать прямыми измерениями, что могли сделать только посадочные аппараты.

В 90-е годы, несмотря на известные экономические проблемы, российские специалисты продолжали работу над реализацией плана изучения Марса, предложенного сотрудниками Научно-производственного объединения (НПО) имени С.А. Лавочкина в 1984 году.

Среди прочего он предусматривал отправку в космос двух мобильных лабораторий 7М, которые проектировались на основе опыта, полученного при эксплуатации «Луноходов». При этом рассматривались два конкурирующих варианта шасси. Конструкторы Научно-испытательного центра (НИЦ) имени Г.Н.Бабакина предложили «традиционный» вариант ­— на лёгких пружинных металлических колёсах.

Коллеги из Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного машиностроения (ВНИИТрансмаш) создали уникальное бесклиренсное шасси на запатентованных конических колесах: планетоход с ними отличался высокой проходимостью (ведь отсутствие клиренса подразумевает, что такая машина просто не может «сесть на брюхо»), однако имел бóльшую массу.

Поскольку в тот период российские учёные старались привлечь к перспективным проектам зарубежных специалистов, они обратились к американцам с предложением о совместных испытаниях планетохода. В работе приняли участие сотрудники компании McDonnell Douglas, Планетарного общества (The Planetary Society) и Исследовательский центр имени Эймса (Ames Research Center).

Они предоставили радиотехнику и телекамеры. Для проверки этого оборудования был проведён грандиозный эксперимент: группа управления находилась в Хантингтон-Бич (Калифорния) и через спутник командовала планетоходом, находящимся на Толбачинском полигоне (Камчатка).

31 августа 1993 года машина прошла 15 м и передала в США двенадцать полноценных телекадров, включая пять стереопар. Они тут же были обработаны специальной программой, которая сделала карту ландшафта, окружавшего аппарат.

Опыты с прототипами, изготовленными ВНИИТрансмашем, были продолжены. В марте 94-го планетоход побывал в пустыне Мохаве, в феврале 95-го — на склоне гавайского вулкана Килауэа, в ноябре 96-го — на полигоне в Северной Аризоне.

Прототип российского бесклиренсного планетохода на американском полигоне; ноябрь 1996 года. NASA Ames Research Center
schwehr.org

Испытания прошли вполне успешно, однако американцы при создании своего варианта всё же предпочли «традиционное» шасси. 4 декабря 1996 года в космос отправилась межпланетная станция «Марс Патфайндер» (Mars Pathfinder), которая состояла из посадочной платформы и маленького шестиколёсного марсохода «Соджорнер» (Sojourner).

4 июля 1997 года она вошла в атмосферу соседней планеты, парашют замедлил спуск, а надувные подушки-амортизаторы обеспечили смягчение удара. Станция совершила посадку на границе долины Арес (Ares Vallis), в точке с координатами 19°7' с.ш. и 33°13' з.д. Считается, что некогда та была затоплена водой, но впоследствии превратилась в пустыню.

Запланированная научная программа была выполнена в течение первых семи марсианских суток, называемых «солами» (sol). Посадочная платформа измеряла скорость ветра, давление и температуру, связывалась с Землёй и передавала команды марсоходу. В процессе было получено 16 500 изображений поверхности; на некоторых из них запечатлена работа «Соджорнера».

В свою очередь, марсоход, преодолев в общей сложности 104 м, провёл шестнадцать анализов пород; при этом для упрощения навигации большие камни в окрестностях получили имена собственные: Barnacle Bill, Casper, Scooby Doo, Shark, Yogi и т.п.

Примечательно и то, что после посадки «Марс Патфайндер» обрёла новое название — Мемориальная Станция Карла Сагана (Carl Sagan Memorial Station) в честь всемирно известного астрофизика, который умер в декабре 1996 года. Хотя планировалось, что миссия продлится от недели до четырёх, станция проработала почти три месяца: последняя передача с борта прошла 27 сентября.

Станция «Марс Патфайндер» была по сути испытательной и должна была продемонстрировать политикам, принимавшим решения о финансировании NASA, что космос можно исследовать малобюджетными комплексами: общие затраты на миссию, включая стоимость ракеты и её пуска, составили всего лишь 280 млн долларов.

Однако конструкторы не имели возможности разместить на станции инструменты для глубокой ареологической разведки, поэтому сумели выяснить только, что в районе посадки, вероятно, когда-то протекал поток воды «глубиной в сотни метров», по своей мощи схожий с «потоком, наполнившим в своё время Средиземное море».

Межпланетная посадочная станция Mars Pathfinder и марсоход Sojourner при сборке в предстартовое положение; октябрь 1996 года. NASA
grin.hq.nasa.gov

Круговая панорама, снятая камерой посадочной платформы межпланетной станции Mars Pathfinder, по центру у камня Yogi работает марсоход Sojourner; панорама «сшита» из телеснимков, полученных в течение 8-го, 9-го и 10-го солов; июль 1997 года

Марсианские роверы

Успех миссии станции «Марс Патфайндер» внушал уверенность, что мобильные лаборатории способны выполнять операции, ранее доступные лишь астронавтам. 27 июля 2000 года астрофизик Эдвард (Эд) Вейлер, занимавший должность заместителя администратора Управления научных миссий NASA (Science Mission Directorate of the NASA), сообщил, что принято решение в 2003 году отправить в космос крупный ровер-марсоход. При этом разработчики отказались от посадочной платформы, за счёт чего можно было увеличить массу научного оборудования на самом исследовательском аппарате.

В августе формат будущей миссии изменился: теперь в плане фигурировали два одинаковых ровера MER (Mars Exploration Rover), которые высадятся в разных частях планеты. Вейлер заявил прессе:

«В первый раз наука и техника дали нам возможность исследовать чужие планеты такими способами, которые существовали только в научно-фантастических фильмах. Иметь два ровера, которые одновременно едут по совершенно разным районам Марса, быть в состоянии посмотреть, что там на другой стороне холма, — невероятно восхитительная идея».

Марсоходы создавались специалистами Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL). Предполагалось, что каждый из MER проработает 90 солов; ожидаемая протяжённость маршрута — 600 м, максимальный суточный переход — до 40 м. Общий бюджет миссии был определён в размере 600 млн долларов, но со временем стоимость проекта выросла.

Научным руководителем группы, создававшей приборный комплекс для новых марсоходов, стал профессор астрономии Корнеллского университета Стивен Сквайрс. Он выбирал оборудование, основываясь на главной цели миссии — провести анализ марсианских пород в радиусе нескольких сотен метров от места посадки в поисках следов воздействия воды, выясняя её роль в формировании облика и климата планеты.

Ровер-марсоход Mars Exploration Rover (в представлении художника). NASA/JPL/Cornell University
photojournal.jpl.nasa.gov

Конструкция ровера-марсохода MER. Иллюстрация из архива журнала «Новости космонавтики»

Для обзора окружающей местности на MER использовалась цветная панорамная стереокамера PanCam (Panoramic Camera). Её установили на высоте около 1,3 м над грунтом, на штанге, которая могла поворачиваться на 360° относительно вертикальной оси, при этом головка объективов наклонялась на угол от −90° до +90°. Камера использовала ПЗС-детекторы с матрицей 1024×2048 и была снабжена восемью фильтрами; рядом с ней установили чёрно-белую широкоугольную навигационную стереокамеру меньшего разрешения.

Другой важный прибор — термоэмиссионный спектрометр Mini-TES (Mini-Thermal Emission Spectrometer), который по инфракрасному излучению определял минеральный состав рельефа (карбонаты, силикаты, простейшая органика и т.п.), что позволяло выбрать образцы для детального изучения. Спектрометр был размещён в корпусе ровера и использовал штангу PanCam как перископ.

На манипуляторе IDD (Instrument Deployment Device) в передней части ровера находились четыре инструмента для исследования образцов. Альфа- и рентгеновский спектрометр APXS (Alpha-Particle and X-ray Spectrometer) выявлял элементный состав пород и грунта: образцы зондируются лучами, испускаемыми изотопом кюрий-244, после чего регистрируется энергетический спектр рассеянных альфа-частиц и вторичных рентгеновских лучей.

Данные APXS облегчали и дополняли анализ минерального состава, имея и самостоятельную ценность: с их помощью можно было реконструировать историю выветривания пород и воздействия на них воды. Мёссбауэровский спектрометр (Mössbauer spectrometer) с двумя радиоактивными источниками на кобальте-57 позволял установить состав и относительное количество железосодержащих минералов.

Панхроматическая камера-микроскоп MI (Microscope Imager) давала возможность рассмотреть образцы на масштабах в сотни микрометров; при этом стали бы видны характерные особенности осадочных пород, образовавшихся в воде, следы вулканической активности и метеоритной бомбардировки, а также особые структуры в карбонатах, которые американские астробиологи описали как гипотетические окаменелости биологического происхождения.

Чтобы очистить образцы от пыли и выветренных слоёв, использовалось шлифовальное устройство RAT (Rock Abrasion Tool): за пару часов оно было способно снять до 5 мм с базальта на площадке диаметром 45 мм.

Каждый ровер располагал тремя ловушками, которые притягивают частицы пыли, обладающие магнитными свойствами. Одна ловушка была установлена на передней части MER и доступна для анализа спектрометрами, вторая — на верхней плоскости в поле зрения панорамной камеры, третья — на RAT.

Кроме того, на корпусе ровера конструкторы расположили калибровочные мишени для трёх спектрометров и цветную калибровочную таблицу для PanCam, выполненную в форме солнечных часов.

Представители двух поколений американских марсоходов: Sojourner и Mars Exploration Rover; 5 декабря 2002 года. NASA/JPL
photojournal.jpl.nasa.gov

Ровер-марсоход MER-A на посадочном устройстве при сборке в предстартовое положение; 14 апреля 2003 года

Станция MER по своей структуре напоминала матрёшку. Шестиколёсный ровер-марсоход располагался внутри посадочного устройства с тремя боковыми треугольными лепестками, раскрытие которых после посадки приводило к переворачиванию в правильное положение. Чтобы ровер уместился, его штангу положили набок, панели солнечных батарей сложили кверху, а переднюю пару колес повернули причудливым образом.

Снаружи, на посадочном устройстве, закрепили надувные подушки-амортизаторы, аналогичные тем, которые использовались на станции «Марс Патфайндер». Собранная конструкция помещалась на лобовой аэродинамический экран и прикрывалась хвостовым обтекателем с парашютной системой. Всё это вместе имело массу 1077 кг, из которых 179 кг приходилось на ровер, 369,5 кг — на посадочное устройство, 84 кг — на лобовой экран, 209 кг — на хвостовой обтекатель и парашюты.

Предварительная защита проекта MER прошла в Лаборатории реактивного движения в середине октября 2000 года; критическая защита перед экспертами — в середине августа 2001 года и заняла три дня. Среди прочего обсуждался важный вопрос: реально ли выполнить за оставшееся время запланированный объём работ? Может быть, имеет смысл ограничиться одним ровером? Так или иначе, но после тестирования первого комплекта приборов сразу началось изготовление второго.

Чтобы привлечь к проекту интерес общественности, была объявлена кампания «Отправь своё имя на Марс» (Send your name to Mars): любой интернет-пользователь мог зайти на специальный сайт NASA, заполнить специальную форму и получить электронный сертификат, удостоверяющий участие в инициативе. К ноябрю 2002 года на призыв откликнулись почти 4 млн. человек со всего мира.

Их имена записали на DVD-диски — каждый MER нёс одну копию, которая была закреплена на лепестке посадочного устройства. При этом на верхнюю поверхность дисков нанесли зашифрованные фразы, придуманные членами Планетарного общества, а известная компания LEGO, участвовавшая в популяризации проекта, предоставила фиксаторы для дисков в виде «кирпичиков» из детских конструкторов и двух «астроботов» (Astrobot) — маленьких кукол с именами Бифф Старлинг и Сэнди Мундаст.

Такая «сувенирная» сборка весила 69 г и прошла испытания в экстремальных условиях, выдержав изменение температуры от −125°С до +60°С, воздействие вакуума, вибрации и перегрузок до 4000 g. Кстати, содержание «шифровок» позднее было придано огласке, чтобы те, кто взялся решать эту головоломку, могли увидеть, насколько приблизились к разгадке: на диске станции MER-A было написано «Wish you were here», MER-B — «Explore to learn».

В том же ноябре NASA и LEGO объявили конкурс среди американских школьников от 5 до 18 лет, предложив придумать названия для роверов и до 31 января 2003 года прислать свои варианты. В конкурсе приняли участие около десяти тысяч ребят.

8 июня администратор NASA Шон О'Киф объявил имя победителя: им стала третьеклассница Софи Коллиз из Скоттсдейла (штат Аризона), назвавшая MER-A именем «Спирит» (Spirit, «Дух»), а MER-B — «Оппортьюнити» (Opportunity, «Возможность»). Интересно, что Софи по рождению русская, из приюта и была удочерена в возрасте двух лет.

Третьеклассница Софи Коллиз, придумавшая имена для марсоходов, с моделью MER; июнь 2003 года. NASA
mars.nasa.gov

Диск с именами участников кампании Send your name to Mars; его фиксируют «кирпичики» конструктора LEGO и кукла Astrobot, про краю нанесена зашифрованная надпись. The Planetary Society
planetary.org

Электронный сертификат участника кампании Send your name to Mars из личного архива автора статьи А. Первушина

Выбор мест будущих посадок занял куда больше времени. Он был возложен на комиссию, которую возглавили Мэтт Голомбек из JPL и Джон Грант из Национального музея воздухоплавания и астронавтики (National Air and Space Museum).

Учёные предложили на её рассмотрение 185 вариантов, удовлетворяющих требованию «достижимости» с технической точки зрения. При этом учитывалось, что место должно быть в низине с минимальным уклоном и поблизости от марсианского экватора, ведь там природные условия наиболее благоприятны для поддержания простейших форм жизни.

В январе 2001-го комиссия отобрала девять приоритетных районов, из них в октябре остановилась на четырёх: долине Атабаска (Athabasca Valles) на равнине Элизий (Elysium Planitia), где следы недавнего вулканизма соседствуют с наносами, оставленными водным потоком; кратере Гусев (Gusev crater), в котором когда-то было озеро; каньоне Мелас (Melas Chasma) в долинах Маринера (Valles Marineris), в котором с орбиты видны осадочные породы; Земле Меридиана (Terra Meridiani), где дистанционными средствами обнаружен крупнозернистый гематит, который обычно образуется в воде. В сокращённый список были внесены также две запасные точки: на равнине Исиды (Isidis Planitia) и в каньоне Эос (Eos Chasma).

Орбитальному аппарату «Марс Глобал Сервейор» было дано задание отснять названные районы с наибольшим возможным разрешением — 3 м в пикселе. По итогам этих изысканий, в мае 2002-го, предполагалось сократить список до двух пунктов, а за год до запуска — утвердить.

Но минул ещё почти год до того момента, пока обе точки высадки были названы официально. Оказалось, что по каждому из четырёх районов есть серьёзные замечания, для снятия которых требуется провести дополнительную съёмку.

Кроме того, в NASA долго не были уверены, успеют ли подготовить роверы к астрономическому «окну». Поэтому окончательное решение было обнародовано только 11 апреля 2003 года, когда стало ясно: полетят оба. По итогам обсуждения выбор остановили на кратере Гусев и Земле Меридиана. Размеры заданных «эллипсов рассеивания», в пределы которых должен был попасть марсоход, составили 20 км в ширину и до 200 км в длину.

На исходе апреля был полностью собран комплекс MER-A. 23 мая его установили в головной блок вместе с третьей ступенью, а в конце месяца разместили на ракете-носителе «Дельта-2» (Delta 2), собранной на стартовом комплексе SLC-17A станции ВВС США «Мыс Канаверал». Пуск был намечен на 8 июня, но его не удалось осуществить из-за грозы, сопровождаемой сильным ветром. Ситуация повторилась и на следующий день, поэтому ракета стартовала 10 июня, отправив марсоход «Спирит» на межпланетную траекторию.

Через неделю головной блок с MER-B был вывезен на соседний старт SLC-17B и установлен на носитель «Дельта-2 Хэви» (Delta 2 Heavy), оснащённый более мощными ускорителями.

Запуск назначили на 26 июня, затем его сдвинули на три дня «вправо» и продолжали переносить из-за технических проблем (переклейка пояса защитной пробочной изоляции на 1-й ступени ракеты, устранение неисправности в аккумуляторной батарее системы аварийного подрыва и т.п.) вплоть до вечера 7 июля.

При первой попытке пуска поступил сигнал о неисправности заправочно-сливного клапана кислорода на 1-й ступени. Специалисты подали на клапан серию команд «открыть-закрыть», после чего предприняли ещё одну попытку, и за сорок две минуты до полуночи по местному времени «Дельта» ушла в небо. Новая миссия по изучению Марса началась.

Запуск ровера-марсохода Spirit (MER-A) на космодроме мыса Канаверал; 10 июня 2003 года. NASA/KSC
mediaarchive.ksc.nasa.gov

Запуск ровера-марсохода Opportunity (MER-B) на космодроме мыса Канаверал; 8 июля 2003 года. NASA/KSC
mediaarchive.ksc.nasa.gov

Доказательства воды

Перелёт станций MER к соседней планете прошёл без особых проблем. Операторы провели необходимые коррекции, протестировали оборудование.

Подготовка к запускам была столь напряжённой и трудоёмкой, что учёные не успели освоить все операции по дистанционному управлению марсоходами, поэтому занялись нюансами в августе, используя «технический» экземпляр ровера SSTB (Surface System Test-Beds), который перемещался по полигону в Пасадене (штат Калифорния).

Они учились двигать манипулятором и работать удалённо с приборами — вплоть до определения бортовым спектрометром материала монет. Некоторые из процедур — в частности, очистка поверхности камня устройством RAT — впервые проводились на полностью собранном аппарате.

Испытания продолжались до конца сентября, после чего усложнились: теперь специалисты командовали двумя «техническими» роверами сразу, сводили их с посадочного устройства на грунт, имитировали пятидневную работу на Марсе с подходом к интересному камню, шлифовкой его поверхности, измерениями.

Станция MER-A первой прибыла к Марсу. 4 января 2004 года она развернулась лобовым аэродинамическим экраном вперёд, и на высоте 2200 км спускаемый аппарат отделился от перелётной ступени.

Вращаясь, он вошёл в атмосферу со скоростью 5,4 км/с и за четыре минуты спуска погасил её до 430 м/с. На высоте 7400 м аппарат ввёл в действие пятнадцатиметровый парашют и отстрелил лобовой экран.

За 8 секунд до касания газогенераторы надули подушки-амортизаторы до давления 0,07 атм. На высоте 100 м сработали тормозные твердотопливные двигатели: аппарат «завис» в воздухе, отстрелил хвостовой обтекатель с парашютом и устремился вниз.

После касания он подпрыгнул на подушках двадцать восемь раз и остановился, пройдя 300 м за 57 секунд. Ещё через 16 минут на Землю пошёл чёткий и сильный сигнал, сообщающий о том, что «Спирит» благополучно доставлен в кратер Гусев. Позднее были определены точные координаты места посадки: 14°34' ю.ш., 175°28' в.д.

Вход спускаемого аппарата станции MER в атмосферу Марса (в представлении художника). NASA
mars.nasa.gov

А с кем там воевать будут? С марсианами что ли? Завоеватели хреновы.

МЕХАНИЗМ

Подозрение на: флуд  Статья #2 дезинформационного кодекса  Выполненное действие: пользователь предупрежден  Погрешность принятого решения: 15%

Это сообщение отредактировал system - 3.02.2022 - 08:12