Новая статья: Наши на Марсе

ExoMars – это совместный проект Европейского космического агентства (ЕКА) и госкорпорации «Роскосмос» по изучению поверхности, атмосферы и климата Марса. Одна из основных задач разработки – поиск признаков жизни. Предыдущие исследования, проведённые с помощью космических аппаратов, не смогли ответить на многие вопросы, в частности – откуда в марсианской атмосфере взялся метан? На Земле этот газ является в основном продуктом биологических процессов, и в гораздо меньшей степени – результатом вулканической или гидротермальной деятельности. ExoMars будет изучать метан и другие газовые примеси в атмосфере Марса.

⇡#История

ЕКА начало изучать возможности посылки космического аппарата к Красной планете в конце 1970-х – начале 1980-х. В июне 2003 года российская ракета «Союз-ФГ», стартовавшая с космодрома Байконур, запустила зонд MarsExpress, который в декабре вышел на орбиту вокруг Марса, реализовав тем самым первый европейский проект в данном направлении. Чуть ранее, в 2002-м, был инициирован проект ExoMars, который рассматривался как специализированная посадочная миссия флагманского класса для биологической оценки марсианской среды и поиска признаков жизни. Для решения данной задачи на Марс в 2009 году предполагалось высадить ровер с научной аппаратурой Pasteur, названной в честь знаменитого микробиолога Луи Пастера.

С момента публикации проект испытывал трудности: на целый год задержалось начало финансирования, и срок старта миссии сдвинули на осень 2011 года. В 2005 году к работам присоединились США, предложив организовать ретрансляцию научных данных через марсианский спутник MTO (Mars Telecommunications Orbiter), находившийся в разработке.

По мере проектирования разработка становилась всё дороже, а аппарат всё тяжелее. Когда в ноябре 2005 года началось финансирование очередной фазы работ, выяснилось, что масса межпланетного комплекса превысила возможности запланированного носителя – российского «Союза-2.1Б», а американцы отказались от создания спутника-ретранслятора. Теперь орбитальный и посадочный модули можно было запустить по отдельности двумя «Союзами» или вместе – одной Ariane 5, но денег на это не было. Осенью 2006 года запуск пришлось перенести на ноябрь 2013 года.

В июне 2007 года концепцию миссии пересмотрели: теперь предполагалось использовать ракету Ariane 5, а полезную нагрузку Pasteur сфокусировать на поисках признаков марсианской жизни в прошлом или настоящем.

Весной 2008 года концепция, казалось, была окончательно сформирована, и команда разработчиков рапортовала о готовности перейти к детальному проектированию перелётного аппарата и марсохода. В июне 2008 года было подписано соглашение между ЕКА и Роскосмосом на поставку радиоизотопных нагревателей для ровера и разрешение заказать для запуска «Протон», если в том возникнет необходимость. Вклад NASA сводился к некоторому участию в научной программе и в предоставлении каналов связи с Землёй.

В конце ноября 2008 года на Совете ЕКА министры стран-участниц агентства ограничили возможный европейский вклад суммой в 1 млрд € и настоятельно рекомендовали «искать возможности международного сотрудничества» для завершения миссии. В декабре США объявили о готовности объединить свою марсианскую программу с европейской. Начался «марсианский роман» двух агентств, который длился бурно, но недолго – меньше четырёх лет.

За это время менялась конфигурация миссии, состав научной аппаратуры, ракеты-носители и сроки запуска. В октябре 2009 года ЕКА объявило о новом варианте плана – ExoMars решили разбить на два этапа: в 2016 году летит орбитальный аппарат с приборами для изучения малых компонентов марсианской атмосферы и аппаратурой для ретрансляции данных с марсохода, который уходил вторым запуском в 2018 году на американском посадочном комплексе вместе с американским марсоходом MAX-C.

Весной 2011 года оказалось, что NASA не в состоянии выполнить свои обязательства по совместной программе. Из-за риска срыва проекта ЕКА обратило взор на восток: осенью европейцы предложили Роскосмосу принять участие в программе, но уже в качестве не просто поставщика ракеты, а полноправного партнёра. Владимир Поповкин, возглавлявший в то время отечественное космическое ведомство, совместной работой заинтересовался. В начале декабря 2011 года в Париже состоялись переговоры представителей Роскосмоса, ЕКА и NASA. По итогам встречи были созданы две рабочие группы: одна анализировала научную составляющую российского участия, а вторая занималась вопросами адаптации ракеты «Протон-М» к требованиям миссии.

В феврале 2012 года NASA объявило о выходе из программы ExoMars из-за отсутствия средств. У ЕКА остался только один крупный партнёр – Роскосмос. 14 марта 2013 года между двумя агентствами было подписано соглашение, подразумевавшее полноправное участие российских учёных и инженеров во всех международных научных и технических группах в рамках проекта ExoMars, равные права российских и европейских участников проекта на научные данные, а также дальнейшие возможные проекты в области исследований Юпитера и Луны.

Россия должна была обеспечить запуски и участвовать в научной программе обоих этапов проекта, для чего предстояло создать общий с ЕКА наземный комплекс для приёма и обработки научной информации. На первом этапе миссии – ExoMars-2016 – российское участие ограничивалось предоставлением средств выведения и двух научных приборов: блока для исследования химического состава атмосферы и нейтронного детектора. Второй этап миссии – ExoMars-2018 – включал в себя тяжёлый европейский марсоход и российскую посадочную платформу. ExoMars-2016 (в основном, в части посадки) должен был стать подготовительным или даже «тренировочным» этапом к ExoMars-2018, в котором решались основные научные задачи миссии на поверхности Красной планеты.

Следует напомнить, что советским и российским учёным хронически не везло с исследованиями Марса, в отличие, например, от программ изучения Луны и Венеры. Последние позволили достичь значимых научных результатов и добиться ряда мировых приоритетов, например, в деле первой мягкой посадки на Луну, доставки образцов лунного грунта на Землю с помощью беспилотного аппарата или первой в мире съёмки поверхности Венеры. Что же касается Красной планеты, то СССР предпринял 16 попыток отправки автоматических марсианских станций, и лишь семь из них окончились частичным успехом. Российские же проекты «Марс-96» и «Фобос-Грунт», на которые возлагались большие надежды, потерпели неудачу ещё на стадии запуска…

И вот теперь – ExoMars. Он даёт российским учёным хороший шанс реализовать целый ряд идей, разработанных ранее для миссий «Марс-96» и «Фобос-Грунт», а также для перспективного проекта «Марс-НЭТ». Последний предполагал развернуть в различных частях марсианской поверхности примерно десяток метеостанций для изучения погоды, радиационной обстановки и сейсмической активности на планете Аэлиты.

⇡#Наука и техника

После заключения соглашения с Россией проект ExoMars-2016 «заморозили»: был утверждён окончательный состав приборов для орбитального модуля, а летом 2013 года ЕКА подписало контракт с концерном Thales Alenia Space на постройку орбитального модуля и посадочного аппарата. Всего на первый этап проекта было выделено 643 млн €, а общие затраты на оба этапа превысят 1 млрд €.

Научные задачи первого этапа миссии формулировались в следующих пунктах (в соответствии с приоритетностью):

• исследовать состав атмосферы и климат планеты с орбитального аппарата, ответив на вопрос о том, сколько в атмосфере метана и как он распределяется;
• измеряя содержание газов в атмосфере, изучить возможный вулканизм Марса с орбиты;
• изучить распространённость воды в подповерхностном слое с орбиты, и внутреннее строение и климат планеты – с поверхности;
• определить теоретическую пригодность поверхности Марса для существования жизни;
• разведать районы посадки ExoMars-2018;
• провести мониторинг радиационной обстановки на траектории перелёта, на орбите и поверхности планеты;
• создать объединённый с ЕКА наземный комплекс приёма данных и управления межпланетными миссиями.

Межпланетный аппарат ExoMars-2016 стартовой массой 4332 кг состоит из двух компонентов: орбитального модуля TGO (Trace Gas Orbiter) и посадочного модуля-демонстратора входа и спуска в марсианской атмосфере EDM (Entry, Descent and Landing Demonstrator Module) Schiaparelli. Последний назван в честь итальянского астронома Джованни Скиапарелли, открывшего в 1877 году так называемые «марсианские каналы».

Орбитальный модуль TGO массой 3755 кг внешне мало отличается от классического геостационарного спутника. Ничего экстраординарного в экстерьере – тот же коробчатый корпус с остронаправленной антенной и раскинувшимися в стороны панелями солнечных батарей. В состав научной аппаратуры входят четыре уникальных прибора:

• NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) – комплекс из трёх спектрометров (двух инфракрасных и одного ультрафиолетового), предназначенный для идентификации компонентов атмосферы с высокой чувствительностью. В создании прибора, разработанного в Бельгийском институте космический астрономии в Брюсселе, участвовали учёные из Испании, Италии, Великобритании, Канады и США;
• ACS (Atmospheric Chemistry Suite) – комплекс для изучения химии атмосферы, состоящий из трёх спектрометров. По характерным особенностям полученных спектров можно узнать, какие вещества составляют атмосферу, определить их концентрацию и распределение по высоте. Все приборы комплекса ACS разработаны в Институте космических исследований Российской Академии Наук (ИКИ РАН) при участии организаций Франции (Лаборатория исследований атмосферы, окружающей среды и космоса LATMOS Национального центра научных исследований CNRS), Германии и Италии. Результаты работы ACS и NOMAD будут дополнять друг друга;
• CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) – система цветной стереоскопической съёмки поверхности для поиска мест, являющихся потенциальными источниками газовых примесей, а также динамических поверхностных процессов, например, сублимации, эрозии или вулканизма. С помощью прибора будут подбираться потенциально возможные места посадки лэндера EDM, уточняться данные о деталях рельефа и других возможных опасностях. Система разработана Бернским университетом в Швейцарии с участием организаций из Италии и Польши;
• FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) – детектор эпитепловых нейтронов с высоким разрешением. Прибор регистрирует и картографирует потоки нейтронов от поверхности Марса, которые позволят судить о содержании водорода (и, как следствие, воды и водяного льда) в приповерхностном слое глубиной до одного метра. Карты распространённости водорода важны для выбора мест посадки будущих марсианских миссий. FREND создан в ИКИ РАН и во многом похож на своих предшественников – российские приборы HEND и LEND для миссий NASA Mars Odyssey и Lunar Reconnaissance Orbiter.

Как следует из аббревиатуры названия, посадочный модуль EDM Schiaparelli массой 577 кг предназначен для отработки технологии посадки и проведения научных исследований на поверхности Марса. В «транспортном положении» он закрыт теплозащитным «коконом» и напоминает «летающую тарелку» диаметром 2,4 м, составленную из двух приплюснутых конусов. Schiaparelli врезается в марсианскую атмосферу со скоростью 5800 м/с. После первоначального аэродинамического торможения вводится в действие парашютная система, а теплозащитный «кокон» сбрасывается по частям. Сначала уходит передний экран. Когда до поверхности останется чуть больше километра, сбрасывается задний экран с парашютом, и включатся три блока тормозных двигателей, снижающие скорость спуска до 0,5 м/с. На высоте 2 м двигатели отключаются, и модуль плюхается на поверхность Марса. Удар смягчает специальная сминаемая конструкция в донной части аппарата – никаких особых опорных «ножек» у Schiaparelli нет.

Для посадки намечен район на Плато Меридиана (Meridiani Planum), неподалёку от места высадки американского марсохода Opportunity, который функционирует там уже 12 лет, более чем в 40 раз превысив запланированный срок службы.

Поскольку посадочный модуль EDM должен проработать всего несколько суток, он оснащён аккумуляторами и имеет на борту несколько научных инструментов:

• DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface) – комплекс датчиков для измерения скорости и направления ветра на местности, влажности, давления, температуры у поверхности, прозрачности атмосферы и напряжённости электрического поля;
• AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis) – датчики сбора данных об окружающей обстановке во время входа в атмосферу, спуска и посадки. После определения фактической траектории спуска их информация позволит улучшить модель марсианской атмосферы.
• COMARS+ (Combined Aerothermal and Radiometer Sensors Instrument Package) – комбинированный комплекс аэротермодинамических и радиометрических датчиков для измерения тепловых потоков, воздействующих на хвостовой обтекатель модуля при спуске;
• DECA (Descent Camera) – камера для съёмки на этапе спуска. Начнёт получать изображения вскоре после сброса лобового обтекателя. С интервалом полторы секунды будут сделаны 15 снимков, которые сохранятся в локальной памяти и после посадки будут переданы сначала в компьютер модуля, а затем – на Землю;
• INRRI (INstrument for landing – Roving laser Retroreflector Investigations) – лазерный уголковый отражатель, укреплённый в верхней части снаружи модуля. Предназначен для исследований, проводимых при посадке и передвижении будущего ровера по поверхности. У Schiaparelli служит для поиска посадочного модуля с орбитального методом лазерной локации.

Комплект научной аппаратуры модуля будет измерять скорость ветра, влажность, давление и температуру на месте посадки. Приборы должны получить первые научные данные по электрическим полям на поверхности планеты, которые в сочетании с исследованиями концентрации пыли в атмосфере, обеспечат понимание роли электрических сил в процессе возникновения пылевых бурь.

Как уже отмечалось выше, в 2018 году должен начаться второй этап проекта ExoMars, с гораздо более широким участием России: в нём наши учёные и инженеры получают возможность как показать своё искусство, так и получить бесценный опыт.

Межпланетный аппарат ExoMars второго этапа состоит из перелётного и десантного модулей. Последний разрабатывает российское НПО имени С.А. Лавочкина. Перелётный модуль обеспечит коррекцию курса, снабжение аппарата электроэнергией и поддержание теплового режима. Интересно, что бортовой компьютер, управляющий полётом к Марсу, будет находиться в десантном модуле. Основная задача «десантника» – доставка на поверхность планеты посадочной платформы (тоже российской разработки) и европейского марсохода. Последний впервые в истории космических исследований будет снабжён полноценной буровой установкой, способной многократно извлекать образцы пород из-под поверхности с глубины до 2 м. На марсоходе будут установлены прибор для анализа органических молекул, радар для поиска линз подповерхностного льда, водородный детектор для поиска воды, спектрометры и другие инструменты.

Российская посадочная платформа – это не просто рама для крепления марсохода при спуске. У неё будет собственная научная программа: мониторинг климата и радиационной обстановки на поверхности Марса, исследования состава атмосферы и поверхности, изучение их взаимодействия, а также внутреннего строения планеты. Для этого на платформе будут размещены 11 исследовательских приборов.

Одной из главных научных задач марсохода станет поиск следов жизни, имевшей место в далёком прошлом, когда климат на Красной планете был много мягче. Для этого необходимо обследовать древние породы, сформировавшиеся в присутствии воды. Наличие таких пород накладывает геологические ограничения на поиск подходящей площадки: они должны залегать на поверхности или вблизи её на достижимом расстоянии от аппарата, независимо от того, в какой точке достаточно большой зоны он совершит посадку.

Поиски подходящего места велись в 2013–2014 годах, рассматривали четыре района: Долина Мавра (Mawrth Vallis), Плато Кислое (Oxia Planum), Долина Гипанис (Hypanis Vallis) и Ложбина Овна (Aram Dorsum).

Схема посадки ExoMars второго этапа во многом похожа на широко освещавшуюся в СМИ последовательность посадки марсохода Curiosity. Однако если американский аппарат на последнем этапе спускали на поверхность тросы с зависшего «небесного крана», в миссии ExoMars требуется посадить платформу, на которой сверху закреплён марсоход.

Десантный модуль включает несколько систем. Теплозащитный «кокон» (передний экран и задний кожух) принимает на себя тепловую и аэродинамическую нагрузку во время входа в атмосферу Марса, а двухкаскадная парашютная система затормозит модуль до дозвуковой скорости, после чего отделится посадочная платформа. Используя двигательную установку, она погасит оставшуюся скорость и мягко приземлится на поверхность планеты. Платформа имеет четыре посадочные опоры и два «пандуса» для схода марсохода.

В посадочном модуле будет использована европейская аппаратура, проверенная в миссии ExoMars-2016: бортовой компьютер, радар и радиосистема. Программное обеспечение также предоставят европейские специалисты. Они же будут управлять бортовыми системами всего аппарата на этапах перелёта и спуска/посадки. Российскому компьютеру на посадочной платформе управление будет передано только после схода марсохода с трапов. После этого европейский вычислительный комплекс обеспечит взаимодействие российского с приёмно-передающей аппаратурой платформы.

Однако разработка матчасти для ExoMars второго этапа сильно выбивалась из графика. В конце 2015 года специально организованная группа специалистов Роскосмоса, ЕКА, российских и европейских промышленных компаний начала проработку решений для компенсации задержки. По итоговому отчёту группы в мае 2016 года участники работ решили перенести запуск на следующее пусковое окно, которое откроется в июле 2020 года.

Понятно, что ExoMars-2020 является «гвоздём» всей программы, но сейчас внимание публики приковано к миссии первого этапа.

⇡#Миссия

Ожидалось, что ExoMars-2016 стартует 7 января 2016 года. Но, как частенько случается в сложных проектах, срок выдержать не удалось. В начале года испытатели обнаружили проблему с двумя датчиками давления топлива на посадочном модуле. В теории она могла привести к утечке топлива и представлять серьёзную угрозу для успеха посадки на Марс. Было решено эти датчики… попросту удалить из модуля. Работы потребовали времени, и запуск перенесли с января на март. Новое пусковое окно оставалось открытым с 14 по 25 марта, и благодаря орбитальному расположению планет, ExoMars-2016 по-прежнему мог достичь своей цели в октябре.

Наконец, все системы собрали и вновь проверили, получив «добро». 14 марта, в начале пускового окна в 12:31:42 московского времени (или в 09:31:42 по Гринвичу), межпланетный комплекс стартовал на ракете-носителе «Протон-М». Схема выведения была новой, аппарат выводился на траекторию полёта к Марсу в течение 12 часов. Поскольку предыдущие флагманские российские миссии «Марс-96» и «Фобос-Грунт» потерпели неудачу именно на этапе выведения, можно понять то волнение, которое испытывали все участники проекта. Но все прошло как по маслу.

Три ступени ракеты-носителя отработали штатно. Затем четырьмя включениями двигателя разгонный блок сформировал траекторию отлёта. Именно работа «Бриза-М» вызывала особые опасения наблюдателей: ни для кого не было секретом, что за время своей эксплуатации с 1999 года блок стал виновником четырёх аварий при запуске космических аппаратов. Причиной по крайней мере двух из них сочли особенности работы двигателя.

Дело в том, что тяга последнего сравнительно невысока – всего 2 тс (2000 килограмм-сил), и для того чтобы разогнать аппарат до нужной скорости, он вынужден работать очень долго. Общая длительность его работы в этом запуске составила 2972 секунд (почти 50 минут!). Для сравнения: на блоке ДМ, иногда применяющемся на том же «Протоне-М», двигатель развивает тягу около 8 тс, а американские верхние ступени ракет Atlas V и Delta IV оснащены движком тягой 10-11 тс. Кроме того, чтобы уменьшить гравитационные потери, вызванные низкой тягой, при стандартных перелётах на геопереходную или геостационарную орбиты двигатель «Бриза-М» приходится включать несколько – от трёх до пяти – раз, отрабатывая требуемые приращения скорости относительно короткими импульсами, которые выдаются в районах перигея и апогея. И тем не менее, длительность некоторых включений может превышать полчаса – а это много для ракетного двигателя данного типа: длительная работа может вызвать перегрев отдельных узлов или разрушение подшипников турбонасосного агрегата, подающего топливо в камеру сгорания.

В данном случае двигатель включался всего четыре раза. Но, в отличие от запусков геостационарных спутников связи, которые «Бриз-М» выводит обычно за 9 часов, разгоннику пришлось функционировать на 3 часа дольше. Для того, чтобы сформировать очень точную траекторию перелёта к Марсу, «Бриз-М» должен был не только разгоняться, но и маневрировать, обеспечивая определённую ориентацию перед включениями двигателя как в зоне радиовидимости наземных пунктов управления, так и вне её. Вся циклограмма работы закладывалась в память компьютера разгонного блока перед стартом на Земле.

Забавно, но, видимо, именно необычность схемы выведения послужила причиной журналистского ляпа. Сразу после запуска зонда в некоторых СМИ появились броские заголовки: «Бриз-М» смог вывести ExoMars-2016 только с четвёртой попытки!» У знающих людей такая «сенсация» ничего кроме смеха не вызвала, а вот неискушённого читателя могла ввести в заблуждение. Тут нельзя не вспомнить бессмертное: «Учите матчасть!»…

Как бы то ни было, разгонный блок благополучно вывел межпланетный зонд на расчётную траекторию, отделился и, включив свой многострадальный двигатель, отошёл на безопасное расстояние. Это не было лишним: через семь часов обсерватория в Бразилии обнаружила «Бриз-М» в сопровождении шести фрагментов – разгонный блок частично разрушился при пассивации баков…

В это время ExoMars-2016, выполнив ориентацию на Солнце, передал сигнал о том, что все его системы работают нормально и был взят на управление европейским Центром управления полётами (ЦУП) в Дармштадте. Самый первый этап миссии, которая в общей сложности длится семь месяцев, продолжался трое суток. 17 марта проверки завершились, и начался этап ввода аппарата в эксплуатацию. На седьмые сутки после старта планировалась первая коррекция траектории аппарата. Но выяснилось, что она не нужна – «Бриз-М» вывел зонд на отлётную траекторию с точностью более высокой, чем рассчитывалось. На этапе комплексной проверки научной аппаратуры 5 и 6 апреля прошли первые включения российских приборов на TGO. 7 апреля включили камеру высокого разрешения, которая передала первый снимок космического пространства. Анализ данных показал, что приборы успешно перенесли не только нагрузки при старте, но и первые три недели перелёта к Красной планете.

24 апреля аппарат был введён в эксплуатацию и передан в штатное управление; три раза в неделю ЦУП связывался с зондом, вёл измерения параметров полёта по технологии сверхвысокой точности (Delta-differential One Way Ranging) для подготовки коррекции параметров траектории. Серьёзную плановую коррекцию провели 28 июля — для того, чтобы обеспечить заданную дату прихода в близкие окрестности планеты-цели (19 октября 2016 г.) и минимизировать импульс перевода аппарата на высокоэллиптическую орбиту вокруг Марса. 11 августа прошла вторая коррекция.

6 октября 2016 года команда миссии ExoMars в Дармштадте провела заключительную тренировку с имитацией прибытия на Красную планету (ФОТО).

В эти дни семимесячный полет межпланетного комплекса должен подойти к своей кульминации.

15 октября все системы Schiaparelli были включены и протестированы. Специалисты ЦУПа подготовили и загрузили коды программ для автономной работы демонстрационного посадочного модуля во время его трёхдневного пассивного полёта и последующего входа в атмосферу.

16 октября 2016 года состоится отделение демонстрационного десантного модуля Schiaparelli («Скиапарелли») от орбитального модуля TGO (Trace Gas Orbiter). До этого в течение нескольких дней последний будет развернут модулем Schiaparelli к Солнцу, получая необходимое тепло, чтобы сэкономить электроэнергию для поддержания рабочей температуры после отделения от TGO.

Демонстрационный посадочный модуль Schiaparelli должен войти в атмосферу Марса 19 октября 2016 г. в 14:42 UTC на высоте 122,5 км и совершить посадку через шесть минут. Приём информации на этапе спуска обеспечит европейский КА Mars Express, работающий с 2003 года на орбите спутника Марса.

17 октября, примерно через 12 часов после отделения Schiaparelli, модуль TGO предпримет маневр отклонения, выводящий его в расчётную точку для выхода на орбиту вокруг Марса. 19 октября в 13:09 UTC орбитальный модуль начнёт выдачу 134-минутного тормозного импульса. В результате торможения КА снизит свою скорость на 1550 м/с и выйдет на орбиту спутника Марса. TGO начнёт свою научную миссию в конце 2017 года, после года сложных маневров торможения и перехода на круговую орбиту. Впоследствии он также будет выступать как ретранслятор сигналов, передаваемых с ровера, который войдёт в состав следующей миссии проекта ExoMars.

Модуль должен сесть на поверхность Марса сегодня, в день публикации статьи, так что мы будем внимательно следить за событиями и обновлять материал по мере поступления информации.