После неутешительных результатов 1973 года и 15 лет отсутствия на марсианской сцене, Советский Союз возвращается к исследованию красной планеты в 1988 году с двумя автоматическими межпланетными станциями нового поколения. Главной целью этих двух машин была не сама планета Марс, а один из ее спутников, который дал название обоим зондам – «Фобос».
Миссии к луне Марса
Интерес научного сообщества к малым телам (астероидам и кометам) Солнечной системы действительно значительно возрос, и марсианский спутник Фобос был основной целью. Малые тела, которые являются одними из самых примитивных материалов Солнечной системы, являются необходимыми элементами для понимания ее происхождения и эволюции. Считается, что Фобос – не более чем странствующий астероид, захваченный гравитационным полем Марса. Больший спутник Марса, также имеет значительное преимущество с точки зрения доступности. Энергия, которая должна подаваться на космический корабль, предназначенный для марсианского спутника, намного ниже, чем требуется для достижения Луны или Марса. Более того, спутник принадлежит марсианской системе, и красная планета была выбрана в качестве направляющей нити для советской программы исследования планет после 1990 года. Таким образом, миссия на луну красной планеты была предшественником следующих советских попыток.
На разработку миссии к ушло восемь лет, и за это время было сделано много изменений. Поначалу Советский Союз рассматривал возможность посадки на поверхность спутника. Сложный маневр, но с большим научным потенциалом, исследование поверхности на месте может дать больше результатов, чем любой удаленный анализ. Но сама посадка создавала серьезные технические проблемы.
Миссия претерпела изменения, а сценарий, включающий модули орбитального и спускаемого механизма, был сохранен:
- Сначала автоматический зонд – «Фобос» должен был быть размещен вокруг Марса на экваториальной эллиптической орбите.
- Затем маневры ракетного топлива изменили бы форму орбиты, чтобы сделать ее круглой и приблизить ее к спутнику. Более точные настройки позволили космической станции, находится от марсианской луны на расстояниях 50 – 100 метров.
- Во время одного из своих близких полетов, станция должна была сбросить два небольших модуля на поверхность спутника для проведения экспериментов на месте.
- Межпланетная станция «Фобос» также должна была, воспользоваться эстакадой на малых высотах для изучения испарения части поверхности луны Марса, благодаря лазерному и ионному лучу. Пролетая сквозь облако высвободившегося вещества, появившиеся от удара лазером по поверхности, можно было бы собрать данные спектрометрами орбитального аппарата.
Цели двух станций были на самом деле множественными. Помимо изучения поверхности марсианского спутника, орбитальный аппарат должен был выполнять второстепенные задачи:
- Изучение межпланетной среды.
- Наблюдение за солнцем.
- Определение характеристик плазменной среды в окрестностях планеты.
- Исследование поверхности.
- Исследование марсианской атмосферы.
Большинство научных приборов присутствовало на обоих зондах, но некоторые были отправлены только в одном экземпляре, на «Фобос-1» или «Фобос-2». Научная нагрузка на зонды была в значительной степени международной, и в ней приняли участие многие страны. В миссии принимали участие 14 стран.
Автоматические межпланетные зонды «Фобос-1,2»
Межпланетные станции в основном состояли из герметичной тороидальной секции под давлением (охватывающей электронные системы), окруженной цилиндрическим модулем, который поддерживал научные приборы. Под этот набор было закреплено четыре сферических резервуара, заполненных гидразином. После того, как основной двигатель должен был быть сброшен, гидразин питал двигатели системы управления ориентацией и использовался для регулировки орбиты. Оба зонда были стабилизированы по всем трем осям. Солнечные и звездные датчики позволили расположить автоматический космический корабль в космосе. Система управления ориентацией имела в своем распоряжении 28 двигателей маневра (24 развивают тягу в 50 ньютонов и 4 тяги в 10 ньютонов). Они были установлены на сферических баках, а дополнительные двигатели были установлены на корпусе космического корабля и солнечных панелях.
Миссия «Фобос» включал в себя два спускаемых аппарата:
- Первый, DAS, имел продолжительный срок службы (1 год) но было статичным. После того как этап посадки закончится, он не мог изменить место.
- Второй, названный Hopper, был намного подвижнее. Его продолжительность жизни составляла всего несколько дней, но он мог вести себя как настоящий космический исследователь. Прыгая по окрестностям марсианской луны, он мог двигаться как ему угодно. Амплитуда каждого прыжка была максимум 20 метров, и наш прыгающий робот мог выполнить дюжину прыжков.
Автоматические станции «Фобос» несли несколько приборов:
- Солнечные рентгеновские и ультрафиолетовые телескопы.
- Нейтронный спектрометр и радиолокационный эксперимент Гранта, предназначенные для изучения рельефа планеты.
- Спускаемый аппарат имел рентгеновский альфа-спектрометр для получения информации о химическом элементном составе грунта.
- Сейсмометр для определения внутренней структуры.
- Датчики температуры.
- Акселерометр для проверки физического состояния и механические свойства поверхности.
Автоматические межпланетные станции «Фобос» по-прежнему являются одними из самых тяжелых, когда-либо запущенных. Каждый зонд весил 6200 кг, в том числе 3600 кг вес силовой установки и 500 кг научной нагрузки. Это новое поколение зондов показало значительные улучшения по сравнению с предыдущими советскими зондами. Но неосведомленность диспетчеров с изменениями, внесенными в зонды, привели к фатальным ошибкам.
Фобос 1
«Фобос-1» вылетел с космодрома Байконур 7 июля 1988 года. Полет на Марс был без особых проблем до 2 сентября 1988 года, когда связь была внезапно прервана. Несмотря на отчаянные попытки восстановить контакт с зондом, «Фобос-1» упорно молчал.
Более позднее исследование покажет, что человеческая ошибка является причиной потери зонда. 29 и 30 августа «Фобос-1» получил инструкцию для одного из своих научных инструментов. К сожалению, управление было неверно истолковано бортовым компьютером, который отключил двигатели маневрирования от системы управления ориентацией. Не в состоянии удерживать свое положение в пространстве, станция начала медленно вращаться сама по себе, и солнечные панели потеряли свою ориентацию к солнцу. Не в состоянии воспользоваться солнечной энергией, зонд исчерпал предельные запасы энергии, содержащиеся в его батареях, прежде чем замолчать навсегда.
Сегодня, когда происходит необычное событие (получение набора ошибочных команд), космические зонды переводят себя в режим резервного копирования. Машина немедленно останавливает всю свою деятельность, направляет свои солнечные панели в направлении Солнца, чтобы иметь возможность продолжать подпитывать его энергией бортовые системы, а затем терпеливо ждать инструкций от Земли. Инженеры анализируют ситуацию, исправляют возможную ошибку и выводят зонд из режима ожидания. К сожалению, «Фобос-1» не был разработан, чтобы вести себя, таким образом в случае критических сбоев.
Фобос 2
«Фобос-2» вылетел 12 июля 1988 года, через 5 дней после своего близнеца, и работал должным образом во время его круиза на Марс. Он достиг красной планеты 29 января 1989 года и успешно вышел на эллиптическую орбиту.
С этой первой орбиты «Фобос-2» начинает наблюдать планету Марс и изучать ее плазменную среду. В середине февраля орбита меняется дважды, и зонд располагается на практически круговой орбите, расположенной немного за пределами орбиты марсианского спутника. Исследование Марса продолжается, пока станция получает первые изображения луны. Три дополнительных исправления выводят советскую машину на синхронную орбиту с Фобосом на расстоянии от 200 до 600 км. Но 27 марта, когда космический корабль готовится завершить этап своей миссии, то есть пролет над спутником в пределах 50 метров и выпуском двух посадочных модуля, контакт с зондом был потерян.
Чтобы определить орбиту луны красной планеты, станция использовала свою камеру. При съемке, солнечные панели больше не были ориентированы на солнце, а «Фобос-2» работал на батарейках. Через регулярные промежутки времени станция должна была вращаться, чтобы солнечные батареи оказались перед солнцем и перезаряжались. Считается, что во время последнего навигационного маневра на станцию попал всплеск частиц, испущенных солнечной вспышкой, что вызвало неисправность бортового компьютера и обрыв связи с кораблем. Как и в случае с «Фобос-1», аппарат быстро разрядил свои батареи и окончательно отключился.
Но есть и другая версия, по которой межпланетная станция была намеренно уничтожена.
Научные результаты
Несмотря на потерю, «Фобос-2» в кульминации миссии, было получено много значительных результатов за 52 дня, проведенных на марсианской орбите, и эту миссию нельзя назвать неудачной.
В конце маневров по коррекции орбиты, которые имели место 21 марта, «Фобос-2» был настолько близко к марсианскому спутнику, что стали ощущаться гравитационные возмущения. Орбита станции была слегка изменена, что позволило точно определить массу марсианской луны. Имея массу, было легко получить плотность, которая оказалась ниже ожидаемой. Плотность спутника действительно ниже, чем у астероидов класса углеродистых хондритов, его внутренняя часть должна быть более или менее пористой или богатой льдом. Напомним, что Фобос и Деймос, вероятно, являются астероидами, захваченными планетой Марс, и что их состав должен быть близок к составу тел пояса астероидов, из которого они происходят.
Спектральный анализ поверхности луны марса был получен как KRFM с пространственным разрешением 1 км, так и ISM. Ни один из двух спектров не соответствовал спектру углеродистых хондритов. Существенные неоднородности были обнаружены обоими инструментами, и состав поверхности Фобоса будет менее однородным, чем ожидалось. KRFM также измерил температуру поверхности Фобоса и тепловую инерцию поверхности.
Система обработки изображений «Фобос-2» сделала 37 фотографий хорошего качества на расстоянии от 200 до 1000 километров. Эти изображения были добавлены к тем, которые были получены с помощью станций Mariner 9 и Viking . Разрешение лучших снимков достигает 40–80 метров на пиксель. Они особенно охватывают область к востоку от кратера Стикни.
Сканирующий радиометр TERMOSKAN получил изображения поверхности в инфракрасном поле, которые впоследствии были связаны с изображениями, снятыми в видимом диапазоне. Большинство экваториальных областей планеты были нанесены на карту с пространственным разрешением 2 км. Инфракрасные изображения обычно демонстрируют те же характеристики поверхности, что и обычные фотографии, но с лучшей контрастностью, что свидетельствует о важности атмосферного тумана для наблюдений на поверхности. Эта завеса, которая почти постоянно покрывает марсианский ландшафт, поглощает часть видимого света, оставаясь прозрачной для инфракрасного излучения.
Инфракрасный спектрометр ISM собрал мультиспектральные изображения планеты Марс. Этот чрезвычайно мощный спектрометр был впервые использован в глобальной исследовательской миссии. Для каждого пикселя на земле он мог записать 128 спектральных пикселей!
Пространственное разрешение варьировалось от 5 км, когда «Фобос-2» двигался по своей эллиптической орбите на расстоянии 30 км по круговой орбите. Этот спектрометр провел довольно полное минералогическое картирование экваториальных областей и наблюдал практически все геологические образования красной планеты (такие как Валлес Маринер или вулканы купола Тарсис), кроме полюсов.
KRFM провел исследование атмосферы Марса и получил важную информацию: вертикальные профили температуры, состав облаков, влажность.
В течение первых четырех проходов в точке орбиты, когда автоматическая станция находится ближе всего к Марсу, два рентгеновских гамма спектрометра GS-14 и VGS исследовали низкое гамма-излучение поверхности. Это позволило однозначно идентифицировать калий, уран и торий в марсианской коре. Другие элементы, такие как железо, алюминий, кремний, кальций и титан, вероятно, присутствуют. Полученные результаты в значительной степени согласуются с результатами, полученными в неорганическом химическом анализе марсианской почвы с помощью флуоресцентной спектрометры XRFS на спускаемых аппаратах Viking, Кроме того, содержание калия, урана и тория почти такое же, как измерено советским рентгеновским орбитальным гамма спектрометром 5 марта.
Единственное атмосферное исследование было проведено спектрометром AUGUSTE, который работал в двух спектральных областях: ультрафиолетовой и инфракрасной. Этот спектрометр наблюдал исчезновение и постепенное повторное появление Солнца в марсианской атмосфере во время затуманивания, что позволило ему, среди прочего, изучить свойства озонового слоя в ультрафиолетовом спектре и изменения высоты в инфракрасном диапазоне.
Наконец, «Фобос-2» завершил одно из самых полных исследований на сегодняшний день о взаимодействии между солнечным ветром и марсианским магнитным полем. Он получил новую информацию о ключевых элементах, таких как магнитопауза, ударная волна, магнитосферный хвост. Был открыт новый процесс потери атмосферы, т.е. утечки элементов в космосе.
Русские никогда не отказывались от изучения красного соседа, не говоря уже об изучении спутника Фобос. В конце 1999 года они представили новую автоматическую межпланетную станцию «Фобос Грунт». Он должен был прибыть через 28 месяцев и приземлится на луне четвертой планеты, прежде чем начнет копать поверхность, и доставит несколько сотен грамм образцов на Землю в апреле 2008 года. К сожалению, миссия была провалена аппарат не смог преодолеть околоземную орбиту. Но эти неудачи не останавливают Российских ученых. Мы строим новые планы покорения красного соседа!