Исследование планеты Марс с помощью космических аппаратов

Перелёт ракеты к Земле продлится около 280 дней. За это время она будет периодически выходить на связь с наземными станциями, сбрасывая телеметрию и принимая команды, и отрабатывать коррекции траектории двигателями малой тяги. За сутки до входа в атмосферу Земли будет проведена последняя коррекция, обеспечивающая попадание СА в заданный район на поверхности. За 15 минут до входа в атмосферу от ракеты отделится СА массой 12 кг.

Возвращение СА с образцами грунта на Землю произойдёт ориентировочно в мае – июне 2008 года.

б) ЕВРОПЕЙСКИЙ ПРОЕКТ MARS EXPRESS

MarsExpress с посадочным аппаратом Beagle 2 должен быть запущен с Байконура РН "Союз – Фрегат" в период 23 мая – 2 июня 2003 года. Ориентировочно 26 декабря 2003 г. зонд Beagle 2 должен выполнить посадку с подлётной траектории в районе 11° с.ш. и 270° з.д., а станция выйдет на орбиту спутника Марса. Стартовая масса орбитального аппарата 1190 кг, сухая масса с установленными приборами – 680 кг, масса Beagle 2 – 60 кг. Приборный комплекс состоит из камеры высокого разрешения HRSC, картирующего спектрометра OMEGA, фурье-спектрометра PFS, радара MARSIS для зондирования коры планеты до глубины в несколько километров, атмосферного спектрометра SPICAM и анализатора нейтральных атомов ASPERA. С помощью бортового радиопередатчика будет выполняться эксперимент по радиозондированию MaRS. Многие из этих экспериментов перенесены на MarsExpress с "Марса-96". В разработке проекта принимают участие 25 компаний из 15 стран Европы.

Mars Express должен проработать на орбите по крайней мере один марсианский год (до декабря 2005 г.), но топлива несёт на двойной срок. Программа работы Beagle 2 на поверхности рассчитана на 6 месяцев, дополнительная программа – до конца первого марсианского года (669 местных или 687 земных суток). Связь с Землёй будет вестись через ретранслятор на КА MarsExpress или MarsOdyssey.

Одной из основных задач Beagle 2 является (впервые после пионерских экспериментов на посадочных аппаратах Viking) поиск химических признаков жизни на Марсе, прошлой или современной. Две другие – исследовать геологию, минеральный и химический состав в точке посадки, изучить погоду и климат.

Роботизированный комплекс Beagle 2 – это произведение инженерного искусства, авторами которого являются германская DLR, российский "Трансмаш" и итальянская Techniospacio. В состав его входит манипулятор со стереокамерой, микроскопом, точильно-сверлильным рабочим органом и "кротом" – полуавтономным ползающим сборщиком образцов. На Марсе, где буквально все породы покрыты ржавчиной, необходимо сначала избавиться от неё, а уже потом вести измерения. Для этого предусмотрены две возможности.

Первая состоит в том, что поверхность камня фрезеруется, а затем на очищенной площадке высверливается полым сверлом отверстие и забирается образец диаметром 2 мм и длиной 10 мм. Вторая заключается в использовании "крота" по имени Pluto, который выползает из своего "домика", перемещается со скоростью около 1,5 мм/с на расстояние до 3 метров и зарывается в грунт под защитой какого-нибудь камня. Обратно он возвращается за счёт сматывания кабеля на катушку, неся в своей "пасти" неокисленный образец.

в) АМЕРИКАНСКИЙ ПРОЕКТ MARS EXPLORATION ROVER

Американским вкладом в план 2003 г. является пара марсоходов MER (MarsExplorationRover), способных проходить до 100 метров в сутки. Пуск двух станций значительно увеличивает шансы на успех и – в наиболее благоприятном случае – позволит исследовать сразу два района Марса.

Если сравнить задачи и состав научной аппаратуры КА MER с полезной нагрузкой Beagle 2 – сходство просто бросается в глаза. "Американцы" также оснащаются панорамной камерой, микроскопом и спектрометром Мёссбауэра, манипулятором с пятью степенями свободы и даже шлифовальным устройством RAT для удаления ржавчины на участке диаметром 47 мм.

Когда летом 2000 г. было принято решение о создании этих аппаратов, задача казалась относительно простой. Нужно повторить посадку знаменитой станции MarsPathfinder (1996 – 1997) с другой полезной нагрузкой – марсоходом с комплексом научной аппаратуры Athena, разработка которого велась уже несколько лет. Но ровер массой 150 кг оказался великоват для разработанной ранее подсистемы обеспечения посадки. Понадобились бóльшие по размеру парашюты и посадочные амортизаторы, и на их отработку ушло немало времени.

Как бы там ни было, в феврале 2002 г. начался этап сборки и лётных испытаний. Старт КА планируется 30 мая и 27 июня 2003 года, прибытие на Марс – 4 января и 8 февраля 2004 года соответственно. Каждый марсоход рассчитан на 3 месяца непрерывной работы на поверхности красной планеты.

Что порадовало разработчиков осенью 2001 г., так это выход на орбиту вокруг Марса станции MarsOdyssey. Марсоход MER в принципе может связываться с Землёй напрямую, но это очень медленный канал. Чтобы передать "картинку", нужен орбитальный ретран-слятор. В штатном режиме для этого используется ретранслятор на "Одиссее", и он, по-видимому, будет работоспособен. Его может заменить MarsExpress, а в самом крайнем случае – MarsGlobalSurveyor (но к этому моменту станции исполнится уже 8 лет, и доживёт ли "Глобал Сервейор" до весны 2004 г., никто не поручится).

г) ПРОЕКТЫ 2005 – 2011 ГОДОВ

В нижеприведённой таблице перечислены перечень аппаратов и сроки их работы в период с 2005 по 2018 годы, согласно материалам планирования загрузки Сети дальней связи (DSN).

д) ВЫСАДКА АСТРОНАВТОВ СОСТОИТСЯ В 2019 ГОДУ?

14 – 16 сентября 1998 г. в Институте космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) состоялось международное совещание под названием "Экспедиция к Марсу", организованное РКК "Энергия", ИКИ РАН и Планетарным обществом США.

Казалось бы, трудно было выбрать для этого более неподходящее время и место. Всерьёз обсуждать перспективы пилотируемой марсианской экспедиции в России в дни жестокого кризиса? Но, если подходить не с позиций сегодняшнего дня, то ясно, что ни в России, ни в США такая экспедиция невозможна без политического решения, которое с тем большей вероятностью будет положительным, чем более обоснованными и менее дорогостоящими будут предложения разработчиков и учёных. А значит, совещание в ИКИ прошло не зря. Ведь как российские, так и американские проекты находятся на сугубо предварительном этапе разработки. И взаимное ознакомление с работами друг друга, их прямой диалог помогают и нашим, и американцам "нащупать" оптимальные варианты.

Два основных доклада с подробным изложением предлагаемых сценариев марсианской экспедиции сделали Л.А.Горшков (РКК "Энергия") и Д.Кук (Douglas R. Cooke, Космический центр им. Джонсона, NASA).

Л.А.Горшковым был представлен проект пилотируемой марсианской экспедиции РКК "Энергия", основанный на опыте более чем 30-летних исследований "королёвской" фирмы. Проект является инициативной разработкой, не утверждённой на уровне РКА.

Класс ДУ для межпланетного перелёта – ЭРДУ. Ядерный ракетный двигатель менее эффективен и мало приемлем с политической точки зрения. В качестве источника энергии для ЭРДУ рассматривается не ядерный реактор, а солнечные батареи.

При использовании ЭРДУ необходимая начальная масса комплекса получается порядка 400 тонн. Наилучшим вариантом по носителю было бы использование РН класса "Энергия" – для сборки комплекса нужны только пять пусков носителя и четыре стыковки, причём такой сложный объект, как марсианский посадочный аппарат со взлётной ракетой, выводится за один пуск.

Марсианский комплекс состоит из солнечного буксира массой 210 – 250 т с запасом рабочего тела 160 т, жилого (орбитального) модуля массой 80 т и посадочного аппарата массой около 60 т. В состав последнего входит взлётная ракета массой около 25 т. Жилой модуль включает в себя радиационное убежище с каютами членов экипажа, средства жизнеобеспечения и завод по производству пищи, командный пост и аппаратуру управления полётом, привода солнечных батарей, шлюзовую камеру. В состав солнечного буксира входят центральный модуль, топливный модуль с баками рабочего тела (ксенон), панели с большим количеством двигателей, многократно резервированных, система управления ЭРДУ. Солнечные батареи расположены в форме ромба со стороной 400 м и строятся на основе ферм с плёночными электрическими преобразователями.

Сборка марсианского комплекса осуществляется автономно, без использования в качестве базы той или иной орбитальной станции. Первым на орбиту выводится жилой блок, на который транспортными кораблями доставляются сменные экипажи сборки и испытаний. В течение нескольких месяцев последовательно запускаются элементы солнечного буксира, последним доставляется марсианский посадочный аппарат. Экипажи сборки и испытаний развёртывают батареи солнечного буксира и проводят испытания комплекса, а затем прибывает экипаж марсианской экспедиции (четыре человека).

Разгон с орбиты ИСЗ по спиральной траектории до отлётной скорости выполняется с помощью ЭРДУ в течение примерно трёх месяцев. В течение примерно 20 суток, когда комплекс проходит через радиационные пояса, экипаж укрывается в радиационном убежище. Для выхода на орбиту спутника Марса и отлёта к Земле также используется солнечный буксир. Для схода посадочного аппарата с орбиты, а затем для старта взлётной ракеты используются ЖРД. При подлёте к Земле с помощью солнечного буксира выполняется выход на орбиту ИСЗ, на которой экипаж проходит карантин. После этого буксир, за исключением фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, может быть использован повторно.

Работы по осуществлению марсианской экспедиции осуществляются в три фазы. На первой, в 1999 – 2005 гг., на базе российского сегмента МКС отрабатывается использование электрореактивных ДУ (проекты "Модуль-М", "Модуль-М2" и "Марс-Модуль"). "Марс-Модуль" представляет собой масштабный прототип пилотируемого корабля. Эти прототипы должны подтвердить закладываемые в проект принципы и – дополнительно – принести научную информацию. На втором этапе, в 2010 – 2012 гг., проводится генеральная репетиция марсианской экспедиции в беспилотном варианте. Служебный (орбитальный) модуль не включается в состав комплекса – он отрабатывается в пилотируемом режиме на орбите ИСЗ. Вместо него к Марсу отправляется второй посадочный аппарат. Первый посадочный аппарат заберёт образцы марсианского грунта и вернёт их на Землю. Второй вместо взлётной ракеты будет нести полезную нагрузку, в качестве которой рассматривается комплект из десяти марсоходов массой по 1,5 – 2 тонны с большим радиусом действия. Они могли бы пройти по разным трассам и выполнить огромный объём научных исследований. На третьем этапе реализуется первая пилотируемая экспедиция, старт которой может быть осуществлён в 2015 г., а длительность составит два года. Если в её задачи не будет включено развёртывание марсианской базы, длительность работы экипажа на поверхности Марса составит от 7 до 30 суток. Если на этапе беспилотных исследований выяснится, что такая база (радиационное убежище) необходима, её оборудование может быть доставлено одновременно с марсоходами, а первая пилотируемая экспе-диция продлится дольше. Вопрос о политической и экономической осуществимости данного проекта на совещании не рассматривался.

Проект Центра Джонсона, в отличие от "энергиевского", не может похвастать тридцатилетней традицией. Его разработчики молоды и по-хорошему нахальны. Они заложили в проект по крайней мере три новшества: производство топлива на Марсе из местных ресурсов, использование для выхода на орбиту аэродинамического торможения и применение надувных жилых отсеков. Плюс к этому - солнечный электрический буксир. Как и "Энергия", отдел Кука выбрал электрическую тягу вместо ядерной, хотя последняя и была более выгодной с точки зрения массы.

В качестве базового носителя рассматривается РН Magnum с грузоподъёмностью порядка 80 тонн. В её состав входят центральный блок (на основе внешнего бака "шаттла") с тремя двигателями SSME и два стартовых жидкостных возвращаемых ускорителя, которые могут быть разработаны в ходе модификации транспортной системы SpaceShuttle. "Изюминкой" конструкции носителя является использование донной теплозащиты запускаемых марсианских модулей в качестве составного элемента головного обтекателя РН. Используя этот щит, так называемые "санки" (ellipsled), модули могут садиться на поверхность Марса или выполнять торможение в атмосфере планеты для выхода с пролётной траектории на орбиту (аэродинамический захват).

Солнечный буксир многократного использования (SEP) выводится однойРН Magnum. Буксир имеет тонкоплёночные солнечные батареи максимальным размахом 185 м, общей площадью 7100 м² и выходной электрической мощностью 800 кВт. Буксир и остальные компоненты доставляются и собираются на низкой орбите – возможно, но не обязательно, на орбите МКС. Буксир SEP используется только для разгона с низкой околоземной орбиты до высокоэллиптической в течение 9 – 12 месяцев. Чтобы избежать длительного нахождения экипажа в радиационных поясах, экипаж подсаживается с транспортного корабля уже на высокоэллиптической орбите. Переход с высокоэллиптической орбиты на трассу перелёта к Марсу осуществляется на ДУ с ЖРД, после чего SEP возвращается "своим ходом" на низкую околоземную орбиту. Так как возвращение с Марса обеспечивается ЖРД, американская экспедиция остаётся жёстко привязанной к оптимальным астрономическим срокам. Рассматривается два варианта схемы экспедиции. Условно их можно назвать двухпусковым и однопусковым, если под пуском понимать разгон с помощью солнечного буксира.

В двухпусковой схеме в первом пуске к Марсу отправляются возвращаемый жилой модуль (ReturnHabitat, RH) и ракетный блок для разгона с марсианской орбиты (TransEarthInjection, TEI), которые выводятся путём аэродинамического захвата на эллиптическую орбиту с периодом 1 марсианские сутки. Одновременно комплекс в составе возвращаемого аппарата (MarsAscentVehicle, MAV), аппаратуры для производства компонентов топлива, аппаратуры для научных исследований и ядерного источника питания садится на поверхность с подлётной траектории. Во втором пуске идёт жилой модуль с экипажем (для радиационной защиты экипажа на этапе перелёта используется слой воды; искусственная тяжесть не предусматривается). Модуль с экипажем выходит на орбиту спутника Марса путём аэродинамического захвата, а затем спускается на поверхность. На возвращаемом аппарате экипаж выходит на орбиту и стыкуется с возвращаемым жилым модулем. Для старта к Земле используется ЖРД блока TEI. Модуль RH выходит на низкую околоземную орбиту аэродинамическим захватом, а экипаж снимается с него и доставляется на Землю "шаттлом".

В рамках сценария, известного как опция Е-19(Р), два пуска планируются на 2016 и 2018 гг., причём посадка на Марс выполняется в июле 2019 г., через 50 лет после первой лунной экспедиции. Буквой Р обозначен "умеренный" (paced) темп работ. Существует также "агрессивный" сценарий Е-19(А), в котором пуски планируются на 2011 и 2013 г.

В однопусковой схеме к Марсу одновременно, но по отдельности, отправляются перелётный жилой модуль TransHab (TransitHabitat) с ракетным блоком TEI и комбинированный посадочный модуль (ComboLander) с возвращаемым аппаратом, поверхностным жилым модулем, аппаратурой для научных исследований и ядерным источником питания. Экипаж находится в модуле TransHab. Жилой модуль и посадочный модуль выходят методом аэрозахвата на орбиту спутника Марса высотой 250 км и стыкуются на ней. Спуск на Марс выполняется в посадочном модуле. Возвращаемый аппарат выходит на орбиту и стыкуется сперелётным модулем. Возвращение экипажа выполняется так же, как и при двухпусковой схеме.

В зависимости от принятого сценария, длительность работы экипажа на поверхности Марса составит от 45 до 500 суток. В последнем случае общая длительность экспедиции достигнет трёх лет.

Комментируя американскую схему, Л.А.Горшков подчеркнул важное сходство: команда Центра Джонсона также пришла к необходимости использования электрореактивных двигателей. В то же время, сказал он, с многокорабельной схемой и в особенности изготовлением топлива на Марсе пока согласиться нельзя. Производство топлива из местных ресурсов – очень интересная и хорошая технология на будущее, но класть её в основу первой пилотируемой экспедиции слишком рискованно, считает Леонид Алексеевич.

Стоит отметить, что в обоих проектах безопасность экипажа была объявлена первым приоритетом, а выполнение задачи – вторым. Но возникают и некоторые сомнения к правильности такого подхода, ведь участники полёта на Марс рискуют во имя будущего человечества, и добровольцы обязательно найдутся.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большая Советская Энциклопедия. 3-е изд. Том 15. М., "Советская Энциклопедия", 1974.

2. Бронштэн В.А. Новая загадка Марса/ В сб. "Познание продолжается", М., "Просвещение", 1970.

3. Леонов А.А. На космических трассах/ В сб. "Наука и человечество. 1965", М., "Знание", 1965.

4. Мороз В.И. Космические аппараты исследуют Марс: советская экспедиция 1973 – 1974 гг./ В сб. "Наука и человечество. 1976", М., "Знание", 1975.

5. Зигель Ф.Ю. Сокровища звёздного неба: Путеводитель по созвездиям и Луне. М., "Наука", 1987.

6. Морозов К.В. Ракеты-носители космических аппаратов. М., "Машиностроение", 1975.

7. Кондрашов А.П. Справочник необходимых знаний. М., "РИПОЛ КЛАССИК", 2001.

8. Зайцев Ю.


28-04-2015, 23:37