ИНЖЕНЕРИЯ, ИТ И НАУКИ О ЗЕМЛЕ — МАРСУ

Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA), Университет штата Аризона, Jet Propulsion Laboratory (JPL) и компания Lockheed Martin Space Systems запустили 4 августа 2007 г. с космодрома на мысе Канаверал космический аппарат Phoenix Mars Lander, который, как ожидается, должен достигнуть поверхности Марса 25 мая 2008 г. Общая стоимость проекта достигает 420 млн. долл.

При этом NASA выполняло запуск устройства, Университет штата Аризона курировал создание оборудования, установленного на космическом аппарате, а Lockheed Martin сконструировала и построила собственно сам корабль. В задачи Jet Propulsion Laboratory, подразделения Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), входят управление маневрированием марсианского зонда в космосе, а также расчет траектории движения. Помимо этого JPL возьмет на себя посадку корабля на поверхность Красной планеты. “Мозгом” аппарата является его бортовой компьютер BAE Systems RAD6000, построенный на базе RISC-процессоров, использующих 32-разрядную архитектуру IBM Power. Среди функций компьютера, устойчивого к значительным перепадам температур и имеющего защиту от радиации, — навигация, а также управление научным оборудованием и электропитанием космического аппарата.

Из 420 млн. долл., потраченных на проект, 325 млн. составил грант, полученный Университетом штата Аризона. Это учебное заведение также приютило у себя Центр управления, который будет командовать космическим кораблем во время миссии и получать от него научные результаты. К слову, полет на Марс в Америке будет сопровождаться обширной просветительской программой, предполагающей ознакомление общественности — как детей, так и взрослых — с основными принципами и научными результатами эксперимента.

Третья попытка

Имя Phoenix было дано новой марсианской миссии неспроста. Мифическая птица феникс символизирует возрождение. Согласно древнегреческой мифологии, она жила в Аравии, тяготела к источникам холодной воды и пела по утрам прекрасные песни. Среднестатистическая продолжительность жизни феникса составляла пятьсот лет, причем в каждый конкретный момент времени существовал один-единственный экземпляр. Когда приходило время умирать, феникс сгорал, а из его пепла появлялся новый птенец. Так и марсианский проект США несколько раз умирал и возрождался.

Первые две попытки высадиться в полярных зонах Марса закончились неудачно — в декабре 1999-го космический аппарат Mars Polar Lander разбился при посадке. Сразу же после этого был отменен проект Mars Surveyor 2001 Lander, при этом почти готовый космический аппарат был законсервирован.

В ходе третьего проекта была коренным образом пересмотрена технология посадки аппарата на поверхность планеты — Phoenix будет использовать специальный парашют, с помощью которого скорость космического корабля снизится до 216 км/ч. После этого парашют отделится и в дело вступят импульсные ракетные посадочные двигатели, которые, как ожидается, замедлят Phoenix до скорости 8,8 км/ч.

Космический корабль, размеры которого в развернутом виде составляют примерно 5,5×1,5 м, состоит из нескольких конструктивных элементов и подсистем: бортового компьютера, управляющего всей жизнедеятельностью аппарата, системы снабжения энергией, состоящей из аккумуляторов и солнечных батарей, телекоммуникационного модуля, ответственного за прием и передачу данных на Землю, навигационной системы, двигателей, корпуса, а также термозащиты для предотвращения перегревания Phoenix.

Цели проекта

Марс издавна манит землян и будоражит воображение. Не в последнюю очередь это вызвано тем, что наш космический сосед является планетой земного типа, а размышления на тему “есть ли жизнь на Марсе” сопровождают всю историю развития научной и философской мысли человечества. Уникальна ли жизнь? Как она зарождается? Одиноки ли мы во Вселенной? Погибли ли живые существа на Марсе? Что привело к их смерти? Не станем ли жертвами и мы? На Земле много людей, которых волнуют эти вопросы. Стремление решать кроссворды и головоломки, и желательно масштабные, — одно из свойств человеческой натуры.

Аппарат, который планируется посадить в зоне марсианской Арктики, призван ответить на три ключевых вопроса: пригодны ли полярные районы Марса для жизни, тает ли там периодически лед и как менялись погодные условия в зоне приземления в исторический период, а также исследовать особенности марсианского климата. Главной задачей миссии является поиск воды на Красной планете. “За водой” — именно так звучит неофициальный лозунг проекта. К тому же ожидается, что Phoenix Mars Lander станет еще одной ступенькой на пути к будущему полету на Марс людей.

Программа научных исследований

Все научное оборудование, установленное на Phoenix, призвано решать задачи в пяти областях естествознания — гидрологии, геологии, химии, биологии и метеорологии. Ожидается, что Polar Lander приземлится в районе полюса Марса между 65 и 75 градусами северной широты. Миссия рассчитана на 150 марсианских дней, в течение которых будет выдвинута механическая рука, задачей которого будет выкопать (вернее — выцарапать) яму во льду глубиной около полуметра и доставить полученные образцы грунта в мини-лаборатории космического корабля. Ожидается, что лед и осадочные породы могут содержать органические вкрапления, свидетельствующие о существовании жизни на Красной планете.

Ученые надеются, что подобно земным пустыням, которые на первый взгляд кажутся безжизненными, но не являются таковыми, полярные пустыни Марса могут в настоящем или в прошлом быть обитаемыми — несмотря на то, что последний дождь там шел, вероятно, несколько миллионов лет назад. По расчетам ученых, каждые 50 тыс. лет из-за вариаций орбиты на Марсе происходит потепление климата, в ходе которого лед тает. И есть крошечная вероятность, что живые организмы, находящиеся в анабиозе, возвращаются в эти периоды к жизни.

В целом Phoenix несет семь различных инструментов, все вместе они способны исследовать зону высадки максимально комплексно.

Средство визуального исследования Марса

В состав оборудования корабля входит построенная в Университете штата Аризона оптическая система Surface Stereo Imager (SSI). Она состоит из двух камер, смонтированных на выдвижной башенке высотой около 2 м, и предназначена для визуального исследования планеты. Система позволит получать стереоизображения арктической марсианской пустыни с разрешением 1024×1024 в оптическом и инфракрасном диапазонах. SSI будет поддерживать манипуляции механической руки и даст возможность формировать цифровые модели рельефа (ЦМР) окружающей корабль местности, что, в свою очередь, обеспечит создание трехмерных виртуальных изображений марсианского пространства. Помимо этого SSI поспособствует геоморфологическому и минералогическому анализу Красной планеты. Еще одной задачей является исследование оптических свойств атмосферы Марса, в частности — визуальная оценка количества пыли в воздухе.

Кроме вышеперечисленных задач, SSI будет вести наблюдение за количеством пыли, осаждающейся на приземленном космическом аппарате, что позволит сделать вывод о скорости осадконакопления и особенностях протекания атмосферных и эрозионных процессов на планете, а также даст возможность оценивать запыленность солнечных батарей и вызванное этим фактором снижение количества энергии. Последнее напрямую влияет на время функционирования аппарата Phoenix.

Камера механической руки

Установленная на конце механической руки камера Robotic Arm Camera (RAC) создана совместно учеными из Университета штата Аризона и немецким Институтом Макса Планка. Камера укреплена непосредственно возле ковша и позволяет в деталях видеть место, где проводится забор образцов грунта и льда.

Изображение стенок вырытой траншеи, как полагают ученые, позволит геологам определить наличие и очередность залегания напластований. В частности, изображения, на которых видны цвета и размеры частиц грунта, слагающего поверхность Марса в вертикальном разрезе, дадут возможность сделать выводы об изменении условий залегания осадков, а значит, и об истории изменения марсианского климата. Камера снабжена двумя источниками света, верхний из которых состоит из 36 голубых, 18 зеленых и 18 красных ламп, а нижний — из 16, 8 и 8 ламп соответственно. Помимо этого в состав устройства входят два моторчика, первый меняет фокусное расстояние объектива, а второй поднимает и опускает прозрачный пылезащитный кожух. Максимальное разрешение камеры — 23 микрона на пиксел.

Механическая рука и метеорологическая станция

Основной инструмент корабля — механическая рука Robotic Arm (RA), она создана JPL и может двигаться вперед-назад, вправо-влево, вверх и вниз, а также совершать круговые движения. Длина устройства составляет 2,35 м. На Земле RA испытывали в американской Долине Смерти, местности с очень твердым грунтом, где она смогла выкопать за 4 ч траншею глубиной 25 см.

В задачи метеорологического оборудования (MET, Meteorological Station), созданного Канадским космическим агентством, входит ежедневная фиксация изменений марсианской погоды путем использования датчиков температуры и атмосферного давления, а также измерение концентрации пыли и ледяного пара в воздухе Красной планеты с помощью лидара (light detection and ranging, LIDAR). Лидар будет посылать короткие импульсы света вертикально вверх и фиксировать отраженные атмосферой сигналы, что поможет выявить наличие невидимых невооруженным глазом облаков, тумана и мест концентрации пыли. При этом температура на планете будет измеряться с помощью трех термопар, установленных на выдвижной башенке высотой 1,2 м. Такое инженерное решение сможет фиксировать вертикальный профиль температуры у поверхности Марса.

Микроскопы

Модуль MECA (Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer), создание которого курировалось JPL, включает в себя оптический и атомный силовой микроскопы. Работа последнего основана на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Атомный микроскоп — результат работы швейцарского консорциума, а оптический создан Университетом штата Аризона.

Максимальное разрешение оптического микроскопа — 4 мкм, атомного — 10 нм. Микроскопические изображения марсианского грунта будут использоваться, в частности, для поиска доказательств того, что изучаемый субстрат когда-либо подвергался воздействию воды. Для этого будет проводиться поиск крошечных вкраплений глины. Оптический микроскоп снабжен инструментами подсветки — в его состав входят красная, зеленая, синяя и ультрафиолетовая лампы. Одноразовые средства подготовки образцов при этом созданы с использованием силикона.

Помимо этого в состав MECA входит инструмент для химического анализа растворенных в воде образцов грунта. Подобный метод исследования позволяет определять pH полученного раствора, а также выявлять наличие кислорода, углекислого газа, хлоридов, бромидов и сульфатов. MECA также содержит инструмент для определения тепловой и электрической проводимости образцов — для этого используются три иглы, вмонтированные в верхнюю часть механической руки.

Масс-спектрометр

Модуль TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer), построенный университетами штатов Аризона и Техаса в Далласе, является предметом особой гордости команды Phoenix. Устройство содержит восемь миниатюрных одноразовых муфельных печек, в которых происходит нагревание образцов марсианского грунта. По своим размерам каждая такая печка напоминает стержень шариковой ручки. Нагревание проходит медленно, при этом определяется теплоемкость образца. Когда температура в печке достигает 1000 °С, нагретый материал начинает выделять газ, который анализируется встроенным масс-спектрометром, определяющим концентрацию конкретных молекул и атомов в образце.

Фотографирование на спуске

Последний из инструментов Mars Descent Imager (MARDI) был создан компанией Malin Space Science Systems и представляет собой камеру, которая будет использоваться для фотографирования места спуска в процессе снижения аппарата на поверхность Марса. Ожидается, что съемка начнется после того, как Phoenix снизится до высоты примерно в 7 км и сбросит термозащиту. Фотографии, как надеются специалисты, помогут точно определить место, где сел корабль, а также предоставить информацию о географических, геоморфологических и геологических особенностях близлежащего ландшафта.

Полученные снимки также помогут определить, является ли место посадки репрезентативным. То есть могут ли полученные в ходе проекта результаты быть распространены на всю арктическую марсианскую пустыню.

MARDI весит около полукилограмма и, как предполагается, израсходует на создание серии снимков не более 3 Вт электричества. Угол обзора при этом будет составлять 66°, размер каждой фотографии 1024×1024 пиксела, а время экспозиции равно 4 мс.

Марсианские планы России

В настоящее время планы нашей страны относительно Марса остаются неопределенными — в Роскосмосе обещают представить программу развития космонавтики до 2040 г. в “ближайшем будущем”. По некоторым сведениям, подготовка к пилотируемым полетам на Луну в России возобновится в 2015—2020 гг. По оптимистичным прогнозам Федерального космического агентства, полет космонавтов к Красной планете ожидается в 2030 г.

В то же время Китай, третья страна в мире, которая обладает полным циклом по производству аппаратов для пилотируемых полетов, а также возможностью их запуска, заявляет, что до высадки китайского космонавта на Луне остается менее 20 лет, а в 2024 г. состоится прогулка гражданина КНР по поверхности этого спутника Земли. К слову, Джордж Буш поставил перед США задачу повторить пилотируемый полет на Луну не позднее 2020 г. и построить там обитаемую станцию. Правда, большие расходы на Ирак, как утверждают некоторые эксперты, замедляют стремительное развитие американской космической программы.

Заметное отставание России, обладающей огромным опытом космических полетов, и быстрое продвижение Китая, предопределило объединение усилий этих стран. В частности, в самом конце июня 2007 г. Роскосмос и Китайская национальная космическая администрация подписали контракт о сотрудничестве в области совместного исследования Марса и его спутника Фобоса. Ожидается, что работа будет проводиться по таким проектам, как “Фобос-Грунт” и “Всемирная космическая обсерватория/Ультрафиолет”. Планируется и создание российско-китайской системы радиоинтерферометров со сверхдальней базой с использованием имеющейся системы радиотелескопов, а также проведение работ в области изучения Луны. Согласно планам, уже в 2009-м Россия и Китай совместно отправят к Марсу космический корабль, который выведет на марсианскую орбиту китайский спутник и высадит на Фобос российский исследовательский аппарат.

По утверждениям экспертов, у России имеются прототипы космической техники для всех этапов марсианской экспедиции за исключением высадки на поверхность. Специалисты считают, что степень готовности нашей страны к путешествию на Марс составляет 50—60%.

Версия для печати (без изображений)