Космические исследования

Июль и август — "мертвый сезон". Не только в Северном полушарии Земли, но и на Марсе; по крайней мере, в 2017 году. Все дело в том, что в своем движении Марс в это время заходит за Солнце по отношению к наблюдателям с Земли: солнечная корона создает помехи для радиосвязи, а на несколько недель она прерывается совсем.

В это время "отдыхают" и космические аппараты, которые находятся на Марсе или на орбите вокруг него (всего их сейчас два и шесть соответственно, если считать только работающие). Для "новенького" в этой флотилии аппарата TGO российско-европейской миссии "ЭкзоМарс-2016" летний период — время, когда приостанавливаются операции по снижению орбиты с помощью атмосферы.

С 15 марта 2017 года TGO находится на этапе снижения высоты орбиты. Этот процесс не очень корректно называют аэробрейкингом (транскрипция английского термина aerobraking). Если переводить его по смыслу, получится "аэродинамическое торможение", но при этом надо помнить, что смысл маневра не столько в том, чтобы снизить скорость движения, сколько в том, чтобы уменьшить высоту — расстояние самой дальней точки орбиты от поверхности Марса (апоцентр или апоарий). Это достигается именно понижением скорости в перицентре — точке орбиты, ближайшей к планете (также для Марса называется периарий).

Баллистические законы определяют, что быстрее всего аппарат движется в перицентре, и если принудительно заставить его затормозить здесь, то ему не хватит энергии, чтобы "набрать" высоту в апоцентре. Скорость TGO в перицентре снижают, принудительно "опуская" аппарат. При этом он как бы "чиркает" о верхние слои атмосферы Марса. Хотя на таких высотах (чуть более 120 км) она очень разреженная, но все же концентрации молекул достаточно, чтобы за счет соударения с ними TGO замедлялся. Чтобы достичь заданных для рабочей орбиты 400 км, понадобится лишь чуть больше года. Перед началом серии маневров аэродинамического торможения высота апоцентра высокоэллиптической орбиты составляла около 33 тыс. км.

В апреле 2018 года маневры торможения должны завершиться. После этого с помощью двигателей TGO, включаемых в районе апоария, предстоит поднять перицентр примерно до 400 км.

Операции по управлению торможением проводятся из Европейского центра космических операций (European Space Operation Center или ESOC, фактически центр управления полетом), с помощью антенн дальней космической связи систем ESTRACK (ЕКА) и DSN (НАСА). Такой способ торможения требует регулярных измерений положения аппарата в то время, когда он проходит апоцентр. Период орбиты сейчас составляет около 14 часов, а по мере того как высота будет снижаться, будет становиться еще короче (к концу процесса он составит уже 2 часа). Понятно, что если радиосвязь "с Марсом" нарушается, то проводить этот маневр довольно рискованно. Поэтому в циклограмме работ на август запланирован перерыв.

TGO был заранее переведен на более или менее стабильную орбиту с достаточно высоким перицентром. Маневры возобновятся в конце августа 2008 года. До конца июля с борта TGO будет приниматься телеметрическая информация, а на аппарат будут отправлять команды по поддержанию систем. Затем две недели TGO будет "молчать", когда Марс скроется за Солнцем. После возобновления радиосвязи на борт будет отправлено обновленное программное обеспечение, а затем, по результатам проверок, операции по торможению возобновятся.

Казалось бы, сейчас для участников научной программы TGO самое время немного передохнуть, однако работа на Земле кипит несмотря на лето. Именно сейчас готовятся планы операций в ходе уже научной миссии. Исследователи — руководители экспериментов должны решить, какие наблюдения надо провести в первую очередь и как распределить эти наблюдения соответственно графику прохождения по орбите, поделить между собой ресурсы, например, объем данных или направление наведения КА и многое другое.

Очередная рабочая встреча по миссии "ЭкзоМарс-2016" года состоялась в конце июня в Институте космических исследований РАН. Здесь собрались руководители всех научных экспериментов, проекта в целом, специалисты в сфере управления полетом. Кроме планов на будущее, обсуждались результаты первых тестовых включений научных приборов, которые происходили осенью 2016 и весной 2017 года. Их главной целью была проверка работоспособности и калибровка приборов.

Научная нагрузка на борту TGO включает четыре приборных комплекса. Самый "зрелищный" — комплекс камер CaSSIS для цветной съемки и получения стереопар. Его первые снимки Марса уже порадовали энтузиастов космоса: на сайте ЕКА были выложены самые удачные, в частности, цветные снимки Фобоса и изображения стереопары из области лабиринта Ночи. Описывая характеристики прибора на пресс-конференции для российских журналистов, его научный руководитель Ник Томас (профессор университета Берна, Швейцария) сказал, что разрешающей способности камер CaSSIS "немножко не хватает для того, чтобы разглядеть из Москвы автобус в Петербурге". Но уже из Твери это наверняка бы получилось: CaSSIS сможет различить детали рельефа размером 4,5 м с высоты всего 400 км (если быть точным, то разрешение камеры равно 4,5 м на пиксел).

Во время первых включений CaSSIS отработал штатно, некоторые проблемы возникли с программным обеспечением. Их планируется исправить в новой версии ПО, которая будет загружена на борт аппарата в ближайшее время.

Два спектрометрических комплекса ACS (разработка Института космических исследований РАН, научный руководитель Олег Кораблев) и NOMAD (совместная разработка институтов Бельгии, Испании, Италии и Великобритании, научный руководитель Анн-Карин Вандаль, сотрудник Института космической аэрономии, Бельгия) нацелены на изучение атмосферы Марса. Оба комплекса включают по три спектрометра, работающие в разных полосах инфракрасного и ультрафиолетового диапазона.

Задача исследовать малые составляющие атмосферы — важнейшая для TGO. Может быть, самый популярный из них — метан, который то регистрируется в атмосфере Марса, то словно "исчезает" от наблюдателей. Известно, что на Земле метан активно производят живые организмы. На Марсе видимой жизни нет и метана тоже почти нет, потому что из-за нестабильности он быстро распадается под действием солнечного излучения. Однако какие-то признаки наличия метана все же регистрируются, иногда с очень высокой достоверностью. Могут ли быть его источником пока не обнаруженные бактерии? Или, может быть, дело в скрытой геологической активности? С этим и хотят разобраться разработчики проекта.

Кроме метана интересны гидроксильные соединения, разнообразные неорганические кислоты и многие другие. Концентрация таких составляющих может составлять всего несколько частиц на триллион, и чтобы зарегистрировать их, необходима очень высокая чувствительность и длительное время наблюдений.

«ЭкзоМарс»

(ExoMars) — совместная программа Европейского космического агентства (European Space Agency, ESA/ЕКА) и российской госкорпорации "Роскосмос" по исследованию Марса. Основной целью программы является поиск доказательств существования жизни на Марсе. Соглашение "Роскосмоса" и Европейского космического агентства о сотрудничестве в области исследования Марса и других тел Солнечной системы робототехническими средствами подписано 14 марта 2013 года. Соглашение закрепляет участие России в проекте "ЭкзоМарс" и подразумевает возможные проекты в области исследований Юпитера и Луны.

По программе "ЭкзоМарс" уже осуществлен запуск автоматической межпланетной станции "ЭкзоМарс-2016" и запланирован запуск станции "ЭкзоМарс-2020".

Головной исполнитель по техническому обеспечению проекта с российской стороны — Научно-производственное объединение имени С.А. Лавочкина, по научной нагрузке проекта — Институт космических исследований РАН. Научный руководитель проекта с российской стороны — академик Лев Зеленый.

Спектрометры "ЭкзоМарса" могут работать в двух режимах. Первый — наблюдения в надир, то есть вниз. Таким образом виден отраженный от Марса свет или свечения в атмосфере, если речь идет о ночной стороне планеты. Но более интересен второй режим — наблюдения Солнца или звезд, когда они просвечивают через край атмосферы. В обоих случаях по полосам поглощения в спектре можно судить о составляющих атмосферы, но во втором режиме можно еще и понять, на какой высоте наблюдается то или иное вещество. А это исключительно важно для моделей марсианской атмосферы.

Неудобство состоит в том, что наблюдения на лимбе ограничены по времени: когда Солнце заходит или выходит из-за горизонта. К этому добавляются требования по тепловому режиму (приборы нельзя включать и выключать на манер обычного электрического рубильника) и наведению (для наблюдений на лимбе надо правильно сориентировать аппарат). С учетом параметров орбиты TGO получается определенное число "окон" для наблюдений. И уже сейчас руководители экспериментов вместе со специалистами по управлению аппаратом "делят орбиты" — разрабатывают стратегию и план научных наблюдений в рамках основной научной миссии. Эта миссия продлится с апреля 2018 до конца 2019 года. Конечно, после этого аппарат не выключается и научные наблюдения не прекращаются, но "горизонт планирования" пока ограничен этими сроками.

Нейтронный телескоп FREND с блоком дозиметрии "Люлин-МО" (также разработка ИКИ РАН с участием Института космических исследований и технологий Болгарской академии наук) — пожалуй, самый неприхотливый прибор на борту аппарата. Он не требует специального наведения (правда, и полноценно работать может, только когда смотрит в надир), в нем нет движущихся частей, а одна из важных научных задач связана с измерением радиационного фона на орбите Марса. Благодаря этим особенностям именно FREND был включен дольше всех: он собирал научные данные еще во время перелета к Марсу и работал практически весь период тестовых включений (другие приборы включались периодически).

Основным результатом FREND за это время были данные о нейтронной компоненте радиационного фона на орбите вокруг Марса. Это важная калибровочная информация. Позже, уже на рабочей орбите, важно будет отделить данные о потоке нейтронов от грунта Марса от нейтронного потока из космоса. А блок дозиметрии, замерявший уровень радиационного фона, показал, что за время путешествия от Земли к Марсу и обратно космические путешественники наберут около 60% дозы, которую разрешено набрать космонавтам за время работы.

Главная же задача эксперимента FREND — на основе данных о нейтронном альбедо восстановить карту того, как в верхнем слое грунта Марса распространены водород и вода (вечная мерзлота). "Предполагается, что вода — благоприятная среда для зарождения жизни,— говорит Игорь Митрофанов, руководитель эксперимента.— По результатам предыдущих исследований мы смогли найти под поверхностью Марса своеобразные оазисы, где воды больше, чем в окружающих районах. И если совместить эти данные с информацией о метане, которые получат ACS и NOMAD, то, возможно, мы приблизимся к ответу на вопрос о жизни на Марсе".

Ольга Закутняя, Институт космических исследований РАН