«Викинги» на Марсе

13.11.2017

Карл Саган у макета спускаемого аппарата

Прошло уже 35 лет с тех пор как миссия четверых «Викингов» — 2 орбитальных станций и 2 спускаемых аппаратов — завершилась с ошибкой оператора приведшей к опусканию антенны спускаемого аппарата Викинга-1. Эта миссия стала второй достигшей поверхности «красной планеты» и первой по-настоящему успешной (связь с Марс-3 добравшимся до поверхности Марса на 4,5 года раньше оборвалась всего спкустя 15 секунд).

«Викингам» же удалось проработать на поверхности Марса 4 и 6 лет вместо запланированных 90 дней, передав за это время сведения об марсианском климате в различные времена года с противоположных концов планеты, сделать на пару 4,5 тыс. фотографий поверхности и провести первые эксперименты по поиску жизни. Орбитальные станции же проработали 2 и 4 года вместо запланированных 120 дней, сделав за это время 700 и 1385 оборотов вокруг Марса и передав более 52 тыс. фотографий, покрывающих 97% марсианской поверхности.

Конструкции аппаратов

Орбитальные станции имели форму восьмиугольника с диаметром в 2,4 м и высотой 3,3 м при размахе солнечных панелей в 9,7 м (их площадь имела целых 15 м²). Вес станции составлял 2325 кг, в который входили цветные камеры видимого и инфракрасного света и детекторы воды. Для питания оборудования во время пролёта в тени Марса на станциях устанавливались никель-кадмиевые батареи на 30 ампер-часов.

Для связи у Земли использовалась всенаправленная антенна, у Марса — направленная 1,5-метровая в диаметре. Скорость связи составляла 2-16 кбит/с для научных данных и всего 8,3-33,3 бит/с для инженерных (данных о состоянии самого аппарата). Также станции выполняли роль ретранслятора для спускаемых аппаратов при скорости связи 4 кбит/с в ходе их спуска и 16 кбит/с при связи с поверхности. Для хранения информации использовались 2 магнитофона на 4,76 Мбайт каждый.

Электронные компоненты «Викингов»

Компьютеры обоих аппаратов имели 18 тыс. ячеек памяти на цилиндрических магнитных плёнках по половине из которых приходилось на инструкции и данные (память только для чтения и перезаписываемая память соответственно). В дальнейшем этот компьютер стал командным компьютером «Вояджеров» (CCS), а его идея полного дублирования компонентов была использования при создании двух других их компьютеров.

Одна из плат памяти «Викингов» на вибростенде

Создание программного обеспечения для спускаемых аппаратов проходило с июля 1971 года до июня 1974-го и потребовало для написания 20 тыс. его слов 1609 человеко-месяцев работы. Так как было принято решение подбирать подходящее железо уже после написания кода — «железо» было поставлено всего за 2 месяца до запуска аппаратов.

На сбрасываемом 3,5-метровом в диаметре абляционном щите устанавливались анализатор потенциала запаздывания (для измерения плотности атмосферы) и масс-спектрометр верхних слоёв атмосферы. Для контролирования спуска на нём были установлены 12 небольших рулевых двигателя с 85-килограмовым титановым баком гидразинового однокомпонентного топлива. 50-килограмовый тормозной парашют был выполнен из полиэстера и имел 16 метров в диаметре.

На спускаемых аппаратах весом в 576 кг имевших размах в 2,21 м между каждыми из 3-х опор, было установлено значительно больше приборов: чёрно-белые камеры, масс-спектрометр для газового хроматографа, сейсмометр, флуоресцентный спектрометр рентгеновских лучей, набор инструментов для измерения погоды, пробоотборник и биологическая лаборатория. Для связи с станциями на орбите и на прямую с Землёй использовалась направленная 76-сантиметровая тарелка, а для получения команд — ненарпавленная антенна. Питания аппаратов осуществлялось за счёт 2 РИТЭГов с плутонием-236 по 35 Ватт мощности (такие же использовались до этого на Пионере-10 и -11) и 4 никель-кадмиевых батареи. Для снижения эффекта загрязнения образцов грунта в местах посадки 3 посадочных двигателя аппарата имели по 18 сопел каждый и два 85-килограммовых бака питающие их. Три посадочные опоры аппарата имели внутри себя алюминиевые соты, которые сминаясь гасили удар при посадке.

Программа «Викинг» была учреждена в сентябре 1974 года, так что в целях соблюдения договора о космосе (подписанного США в 1967 году) согласно которому все страны подписавшие договор брали на себя обязательства сократить до 1/1000 шанс заражения планет земными организмами (за 50-летний период начинавшийся 1 января 1969 года) — посадочные аппараты «Викингов» помещались в биощиты, после чего их поверхность стерилизовалась при температуре 131° C продолжительностью достаточной для того чтобы шанс заражения планеты не превышал 1/10000 на один аппарат (к слову, несмотря на то что договор о космосе подписало уже 107 стран, отдельную должность специалиста по планетарной защите имеют только две организации: NASA и ESA).

Ход миссии и сделанные ей открытия

11-месячный путь к Марсу двух пар аппаратов начался с мыса Канаверал 20 августа и 9 сентября 1975 года на верхушке ракет-носителей Titan-IIIE с разгонным блоком «Центавр». После прибытия к Марсу аппараты разделялись и спускаемый аппарат переходил на парковочную орбиту пока станция делала снимки заранее выбранного места посадки.

Старт Викинга-1

Викинг-1 прибыл к Марсу 19 июня 1976 года, а посадка была назначена на 4 июля. Однако на снимках место посадки оказалось, что оно слишком каменисто и его решили поменять. В итоге новое место для посадки искали в районе ранее намеченного более двух недель, так что спускаемый аппарат сел без происшествий на западный склон равнины Хриса но только к 20 июля. Уже 7 августа к Марсу прибыла и вторая пара аппаратов с которыми случилась та же история. На этот раз с поисками нового места и посадкой спускаемого аппарата уложились в предварительно запланированный срок (к 3 сентября), но не обошлось без происшествий: аппарат сел без повреждений на равнину Утопия, однако одна из его 3-х посадочных опор встала на камень, так что он от начала и до конца своей работы простоял с наклоном в 8° относительно горизонта что, однако никак не повлияло на его научную миссию.

Видео запуска аппаратов на Марс и комментарии участников миссии

Ещё на этапе спуска аппараты смогли зафиксировать в атмосфере кроме подавляющего объёма углекислого газа (95%) ещё и 1-2% аргона с 2-3% азота. На высоте в 6 км раскрывался парашют и сбрасывался абляционный щит, после торможения парашют отстреливался и на высоте в 1,4 км включались двигатели мягкой посадки. После посадки аппараты брали пробы грунта с помощью механической руки и добавляли к ним воду и питательную среду. Спускаемым аппаратам удалось зафиксировать выделение кислорода и углекислого газа из проб, а после нагрева в пробах почвы кроме существенной доли кремния, железа, кальция, алюминия и титана были обнаружены следы углерода, водорода и фосфора.

В целом результаты оказались неутешительны: содержание органических веществ в почве составляло один на миллион (даже ниже показателей лунного грунта) и кроме одного результата из 3-х биологических экспериментов (который в последствии был признан ложноположительным) и «лица на Марсе» (которое при снимках последующих миссий в более высоком разрешении оказалось просто горой) — следов жизни найдено не было. Как выразились биологи миссии: «Марс оказался самостерилизованным» за счёт ультрафиолетового излучения, сухости почвы и процессов её окисления (почти весь кислород, не связанный в углекислом газе атмосферы пошёл на окисление железа в почве, который за счёт содержания 15% оксидов железа имеет характерный красноватый оттенок).

«Марсианское лицо» при съёмке с увеличенным разрешением посредством MRO

Орбитальные станции смогли заснять широкую сеть русел рек, которые когда-то проистекали на Марсе, что сместило дальнейшие миссии к Марсу с поисков жизни в данный момент, к поискам следов жизни существовавших на «красной планете» ранее. Кроме этого им удалось уточнить массу двух марсианских спутников: согласно данным их плотность была всего в 2 раза выше плотности воды, а это означало что Фобос и Деймос скорее всего образовались в поясе астероидов и затем были захвачены гравитацией Марса. Со снимками с поверхности Марса связана довольно смешная история: так как взвесь марсианской пыли рассеивает красный свет, то в вечернее время (когда свету приходится проходить значительную толщу атмосферы) красный свет рассеивается и небо становится… голубым (как у нас днём на Земле), это вызвало настоящую путаницу в NASA: так первый снимок с голубым небом был опубликован 21 июля, а 26 июля вышел его вариант с красным небом (как считалось исправленный).

Первый цветной снимок и его «исправленный» вариант

Основная миссия «Викингов» завершилась 15 ноября 1976 года, а уже к 26 числа началось соединение Марса с Солнцем, в ходе которого с аппаратами была временно потеряна связь. Измерения момента пропадания связи с аппаратами позволило экспериментально подтвердить соответствие замедление движения сигнала в гравитационном поле массивного объекта (Солнца) теории Эйнштейна с точностью в 0,1% (в 20 раз выше точности всех предыдущих экспериментов). После выхода Марса из солнечной тени в середине декабря началась уже расширенная миссия «Викингов».

Данные по атмосферному давлению Викинга-1 варьировались между 6,8 и 9 мбар, а у Викинга-2 составляли 7,3-10,8 мбар (разница в давлениях была вызвана тем что Викинг-2 сел в точку на 900 метров ниже своего собрата). Перепады температур составляли от -77° C до -14° C для Викинга-1 и от -120° C до 4&deg C для Викинга-2 соответственно. Сейсмометр на Викинге-1 вышел из строя ещё до посадки и не принёс полезных данных, но и сейсмометр Викинга-2 молчал всё время за исключением единственного случая, а кроме этого по снимкам стало понятно что ландшафт в местах обоих посадок практически не менялся: Марс оказался таким же геологически мёртвым телом, как и Луна.

Скорость ветра оказалась ниже ожидаемой и не превышала 120 км/час, но несмотря на это только за первое лето в северном полушарии орбитальные станции зафиксировали две глобальные пылевые бури общей продолжительностью в 4 месяца. Станции смогли измерить содержание аэрозолей в атмосфере, что позволило оценить концентрацию водяного пара: максимальная концентрация приходилась на северный полюс в середине марсианского лета, к осени пиковая концентрация смещалась к экватору, где его концентрация повышалась на 30%. В купе с данными снимков на которых было видно, что часть северной полярной шапки сохраняется на протяжении всего года, это позволило предположить о том что его неразмерзающая часть является водяным льдом (в последствии это подтвердил посадочный модуль «Феникс» севший вблизи северного полюса):

Синим цветом указаны неудачная миссия Скиапарелли и планируемые миссии InSight (посадочная платформа которая должна сев в конце 2018 года пробурить 5-метровую скважину для измерения перепадов температур) и Экзомарс (марсоход который должен быть доставлен на Марс к середине 2020 года).

Теорию об циркуляции воды в марсианской атмосфере также подтверждали снимки Викинга-2, на которых во время марсианской зимы обнаруживался иней:

Окончание миссии и её наследие

Орбитальная станция Викинга-2 проработала до 25 июля 1978 года, когда была отключена из-за израсходования всего газа из системы ориентации. 11 апреля 1980 года из-за отказа батареи был отключен и его спускаемый аппарат, а 7 августа того же года закончился газ у орбитальной станции Викинга-1 (хотя благодаря его экономии станция смогла проработать 2 лишних года, передавая научные данные в ограниченном режиме). Спускаемый аппарат Викинга-1 продержался дольше всех и скорее всего мог бы и дальше продолжать работать, если бы на борт аппарата не были переданы неверные команды, вызвавшие опускание его направленной антенны и потерю связи с ним 11 ноября 1982 года. Операторы JPL продолжали безуспешные попытки связи с ним более полугода, пока миссия «Викингов» не была признана оконченной 21 мая 1983 года.

Цветная карта Марса с разрешением 232 м на пиксель (оригинал весит 52 МБайт)

Не смотря на то что последние данные с «марсианских викингов» были получены 3,5 десятка лет назад, они продолжают плодотворно использоваться и вдохновлять учёных на новые свершения до сих пор: так только в 2014 году на основе данных «Викингов» была составлена самая подробная цветная карта Марса из существующих на данный момент, а в 2016 году шла оцифровка данных биологических экспериментов миссии (которые до тех пор хранились на микроплёнках):

А так об миссии высказался заместитель директора по научной стратегии отдела исследований NASA в Годдарте и руководитель проекта планетарной защиты прибора SAM Кьюриосити Дэнни Главин:

«Мы построили SAM на основе огромного опыта и наследия Викингов. Возможности спускаемых аппаратов Викингов и их инструментов были весьма продвинутыми на тот момент. Даже само осуществление успешной посадки на марсианскую поверхность было большим подвигом».

В отличии от Викингов данные экспериментов Кьюриосити сейчас сразу выгружаются в Планетарную систему данных NASA для повышения их доступности.