Следующий этап проекта ExoMars – посадку марсохода, берет на себя Роскосмос. В далеком будущем, возможно, Европа замахнется на новую амбициозную задачу – доставку грунта с Марса.
На Schiaparelli разместили и климатическую исследовательскую станцию, но она должна была проработать всего неделю – пока не сядут аккумуляторы. Долговременных источников питания для аппарата не предусмотрено. Еще одна любопытная деталь Schiaparelli – лазерный уголковый отражатель. Спутник ExoMars TGO не оборудован лазером, поэтому уголковый отражатель Schiaparelli точно так же оставили на будущее.
Для Schiaparelli выбрали место посадки на равнине Меридиана. На ней уже работает марсоход Opportunity, и эта посадка стала самым тесным сближением на Марсе двух посадочных аппаратов. Несмотря на «близость», реально их будут разделять сотни километров, поэтому «Оппи» не сможет изучить место неудачной посадки «Скиппи».
Два главных научных прибора ExoMars TGO: европейский NOMAD и российский ACS являются блоками нескольких спектрометров и частично дополняют друг друга, но захватывают разные диапазоны волн инфракрасного света. Именно на них возлагается главная задача миссии – картография газов атмосферы Марса.
Оба они пользуются одним методом – наблюдают атмосферу на просвет. То есть анализируют свет солнца, погружающегося в атмосферу Марса на линии горизонта. Этот метод и высокое спектральное разрешение приборов позволяет не просто определять газы в атмосфере, но даже отличать их изотопный состав. А это ключевой показатель, который в теории позволит отличить биогенный газ от геологических выбросов. Разница только – в атомном весе углерода.
На Земле жизнь предпочитает выделять метан с легким изотопом С-12, потому что его легче связывать с водородом в результате биохимических процессов. Геологические процессы не так избирательны, и в них С-12 и С-13 формируют метан примерно в равных пропорциях. Помимо метана на биологическую активность может указывать аммиак, который точно так же выделяется живыми организмами в результате жизнедеятельности. Пока аммиака на Марсе не находили, но если он хоть немного содержится в атмосфере, то TGO его найдет. Разумеется, ученые знают только земную жизнь и, фактически, ее признаки ищут на Марсе, но за неимением альтернатив приходится «искать там, где светлее». В свое оправдание они говорят, что законы физики и химии на наших планетах работают одинаково, геологическое строение похожее, а когда-то и условия были схожи, поэтому нет оснований полагать, что эволюция вещества из неживого в живое проходила как-то иначе.
К слову сказать, до конца не ясно, как на Земле-то проходил процесс зарождения жизни, и это, кстати, важный аргумент в пользу исследования Марса. Казалось бы, зачем тратить сотни миллионов долларов, чтобы найти того, кто напустил газу на другой планете? А вот для того – чтобы понять, как мы на нашей-то планете оказались.
Сейчас уже мало кто из ученых всерьез полагает, что мы можем оказаться марсианами-переселенцами, в виде бактерий добравшиеся на метеоритах с Марса на Землю. Скорее возможен обратный вариант – найдя на Марсе местную жизнь придется доказать, что она действительно местная, а не залетела с Земли. Но все-таки, Марс является такой относительно независимой лабораторией, где вдалеке от Земли мог проводиться повторный природный эксперимент по созданию живой материи, способной к осознанию себя и окружающего мира, запуску космических аппаратов и написанию постов.
Кроме оптических спектрометров TGO несет на борту еще камеру CaSSIS, которая может снимать поверхность с разрешением до 5 метров, и проводить стереосъемку местности. Предыдущий аппарат ESA Mars Express уже много лет ведет свои наблюдения за поверхностью. Разрешение его камер – до 20 метров, то есть снимки TGO будут охватывать более узкие полосы местности, зато детали поверхности видны будут лучше. Снимки этой камеры будут использованы, в том числе для выбора места посадки будущего марсохода Paster, который должен стартовать в 2020-м году.
Четвертый прибор TGO снова российский – нейтронный детектор FREND. Его задача – картографирование содержания воды в грунте Марса на глубине до одного метра.
Подобный прибор того же Отдела ядерной планетологии Института космических исследований РАН у Марса уже летает, но разрешение его карт очень низкое – фактически равное высоте полета спутника.
HEND – летает на американском аппарате Mars Odyssey с 2001 года. Грубо говоря, он ловит все нейтроны, которые вылетают с поверхности, независимо от угла отражения. Поэтому очень сложно определить, откуда какой нейтрон прилетел, да и карты распределения воды, которые помог составить HEND, слишком мелкого масштаба.
На орбите Луны, на спутнике NASA LRO, протестировано следующее поколение прибора – LEND. Он уже имеет так называемый «коллиматор» – маску, которая отсекает часть нейтронов, позволяя принимать их только с узкого участка местности. Этот коллиматор уже наделал шуму в лунной геологии, найдя воду там, где ее быть не должно. Так что, наверняка найдется что-то интересное и на Марсе, осталось только подождать несколько лет, пока наберется необходимый объем данных.
4.5. Schiaparelli: посадка на Марс для начинающих
Спускаемый зонд Европейского космического агентства Schiaparelli был потерян 19 октября 2016 года в результате программной ошибки системы управления радара-высотомера.
Schiaparelli
Зонд должен был научить Европейское космической агентство садиться на Марс… но не научил. И эта авария стала далеко не первой в попытках землян достичь поверхности «Красной планеты».
Сейчас на Марсе действуют два космических аппарата: марсоходы Opportunity и Curiosity. В предыдущие годы успешно потрудились еще два марсохода и четыре посадочные станции. Восемь аппаратов сели неудачно, разбившись о поверхность Красной планеты, или частично неудачно, проработав около минуты. Одна посадочная станция пролетела мимо Марса. То есть, счет между землянами и «ПВО марсиан» почти равный, но все же земляне пока проигрывают. Все полностью успешные посадочные миссии на Марсе оказались американскими.
С 1970-х годов инженерам NASA везло – почти все посадки на «Красную планету» удавались им с первой попытки, за одним редким исключением.
В 1971 году Марса достигло первое изделие человеческих рук: советский марсоход «Марс-2». Из-за ошибки определения угла входа в атмосферу скорость посадки была такой, что изделие разбилось о поверхность планеты и не смогло принести никакой научной пользы.
Брат-близнец «Марс-3» оказался более успешен – он благополучно спустился и сел, успел даже приступить к работе, но вышел из строя примерно через минуту. Пара этих аппаратов СССР должна была отработать технологию посадки на Марс, изучить свойства грунта: плотность, структуру, химический состав. Это исследование рассматривалось как предварение более сложных программ: отправки мощного марсохода, а затем и пилотируемой высадки.
Частично с задачей удалось справиться: «Марс-3» показал, что садиться можно, и что Марс столь же твердый, как и Луна. Аппарат заложил практически классическую схему спуска, которая во многом повторялась вплоть до Curiosity, хотя в деталях были и отличия.
Как и большинство посадочных марсианских модулей, «Марс-3» входил в атмосферу планеты без предварительного торможения на перелетной скорости 5,8 километров в секунду. Первый удар атмосферы принимал на себя тормозной конус, который NASA называет Heat Shield, «Тепловой Щит». Название неслучайно, поскольку даже разреженная атмосфера Марса на такой скорости нагревает его до температуры свыше 1500 градусов Цельсия.
Форма теплового щита рассчитана так, что трение атмосферы незначительно, а нагрев происходит из-за ударной волны, которую формирует перед собой щит. Сильно сжатый газ нагревается и передает температуру поверхности щита. Материал поверхности щита начинает испаряться и тем самым охлаждать более глубокие слои.
Космический аппарат ненадолго окутывает облако плазмы. Через плазму не проходят радиоволны, поэтому на самом жарком этапе спуска поддерживать связь с аппаратом невозможно. Но из-за расстояния между нашими планетами и задержки времени поступления сигнала на 7–10 минут, управлять посадкой с Земли все равно не получилось бы.
Тормозные конусы имелись у всех аппаратов, пытавшихся сесть на Марс. Но у всех, кроме советских «Марсов», щиты составляли часть полной теплозащитной капсулы, в которой прятались марсоход или модуль. На наших же аппаратах щит и «скорлупа» крепились отдельно.
Когда гиперзвуковая скорость падает до сверхзвуковой, щит перестает быть эффективным. Сразу от него не избавляются, но начинается этап парашютного торможения: сначала выпускается тонкий вытяжной, а за ним уже и основной парашют. Атмосферный поток еще высок – скорость составляет около 1500 километров в час, поэтому парашют называют сверхзвуковым. Чтобы поток не порвал резко раскрывшийся купол, используют технологию разрифовки: стропы заплетают таким образом, чтобы раскрытие было постепенным.
Чем шире раскрывается парашют, тем больше падает скорость, но атмосфера Марса настолько разрежена, что ее плотности не хватает для обеспечения мягкой посадки. Впрочем, и на Земле парашюта для мягкой посадки недостаточно, и требуются двигатели мягкой посадки.
На Марсе парашют позволяет сбрасывать скорость примерно до 300 километров в час, и требуется еще какое-то инженерное решение, чтобы доставить в сохранности полезную нагрузку на поверхность. Здесь уже открывается больше простора для творчества инженеров и конструкторов.
Советские «Марсы» имели довольно малую массу для посадочных станций, поэтому обходились небольшими тормозными пороховыми двигателями. Причем, у «Марса-2» и «Марса-3» двигателей было два: один уводил парашют в сторону, а второй