Золотой век исследования космоса

На просторах Солнечной системы сейчас работает по меньшей мере 21 автоматическая межпланетная станция. Земные аппараты передают сигнал с поверхности других планет, один готовится загарпунить комету и сесть на неё. Редактор журнала «Новости космонавтики» Александр Ильин популярно рассказал о космических аппаратах, которые в настоящее время трудятся в разных частях обитаемой части космоса.

20 января в 9 млн км от кометы Чурюмова-Герасименко «проснулся» космический аппарат Rosetta. Он находится в полете уже почти десять лет: Rosetta стартовала 2 марта 2004 г. С одной стороны, фантастика, ставшая реальностью – предстоит первая посадка на ядро кометы. С другой – десять лет! Когда-то человечеству потребовалось меньше времени, чтобы пройти от первого орбитального полета до высадки на Луну!

Почему Rosetta летит так долго? Дело в том, что европейский зонд должен не пролететь мимо цели, а сопровождать ее длительное время, а значит должен выйти на орбиту, аналогичную кометной. В данном случае это потребовало множества гравитационных маневров у планет - и «орбитальный футбол» затянулся на целое десятилетие.
Конечно, «космический атомоход» вроде закрытого NASA проекта JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) догнал бы комету за пару лет, однако он и стоил бы на порядок дороже. «Посткризисному» человечеству подобные проекты просто не по карману – ведь находятся дела и траты «поважнее».

Кроме уникального JIMO, который должен был исследовать галилеевы спутники Юпитера, отложены на неопределенный срок и многие другие амбициозные межпланетные миссии, такие как Jupiter Europa Orbiter* (исследование системы Юпитера и в особенности его спутника Европы с орбиты вокруг него) и программа доставки грунта с Марса. Новаторские проекты MoonRise (доставка грунта из южного полярного региона Луны), Comet Hopper (посадочный модуль, который должен был прыжками передвигаться прыжками по кометному ядру) и Titan Mare Explorer (зонд-«лодка», которому предстояло исследовать Море Лигеи или Море Кракена на Титане) проиграли в конкурсах другим миссиям.

* Возможно, JEO будет заменен миссией Europa Clipper, предусматривающей выход на вытянутую орбиту вокруг Юпитера и выполнение 45 близких пролетов Европы.

В связи с уменьшением финансирования космических программ во всем мире будущее исследований в дальнем космосе весьма туманно. В то же время сегодня наблюдается настоящий «золотой век» подобных миссий: на просторах Солнечной системы работает по меньшей мере 21 автоматическая межпланетная станция!


Messenger у Меркурия.

У Меркурия трудится американский Messenger. 18 марта 2011 г. он вышел на орбиту вокруг планеты. Пожалуй, самым неожиданным его открытием стало подтверждение обильных запасов водного льда и других замороженных летучих веществ в постоянно затененных околополярных кратерах Меркурия. Кроме того, данные, полученные благодаря лазерной локации, позволили сделать вывод: поверхность Меркурия в целом относительно ровная и перепад высот по ней значительно меньше, чем на Луне или Марсе. Еще одним ценным итогом стала прецизионная карта меркурианского гравитационного поля, которая проливает свет на внутреннее строение планеты. Так, меркурианское ядро оказалось просто гигантским – оно простирается примерно до 85% радиуса планеты! Специалисты шутят, что Меркурий напоминает «апельсин с толстой кожурой».



Venus Express у Венеры.

Венеру исследует с орбиты спутника европейский Venus Express, стартовавший 9 ноября 2005 г. с космодрома Байконур с помощью ракеты «Союз-ФГ» и разгонного блока «Фрегат» и прибывший к цели в апреле 2006 г.
Его наблюдения сделали понятными структуру и движение атмосферы Венеры от верхних слоев и практически до поверхности, и в результате была построена лучшая на сегодняшний день глобальная температурная карту атмосферы. Приборы Venus Express позволили построить профили содержания различных веществ в атмосфере в различных областях планеты, а также подтвердили наличие на Венере молниевых разрядов, которые могут оказывать существенное влияние на химию атмосферы. Наконец, третья группа научных результатов касается процесса потери Венерой своей атмосферы. Ведущую роль здесь играет солнечный ветер. Когда его частицы сталкиваются с ионами верхних слоев венерианской атмосферы, последним сообщается достаточно энергии, чтобы они навсегда покинули планету. Этот механизм позволяет объяснить, почему в процессе своей эволюции Венера потеряла практически всю свою воду.

В ноябре 2015 г. на орбиту вокруг Утренней звезды, возможно, все-таки выйдет японский аппарат あかつき («Акацуки», то есть «Рассвет»). В декабре 2010 г. он не смог этого сделать из-за неисправности клапана в одном из топливопроводов маршевого двигателя. Японские специалисты готовят повторную попытку через пять лет, когда аппарат снова приблизится к планете, но уже с использованием двигателей малой тяги.
Попутно с «Акацуки» был отправлен в межпланетное путешествие экспериментальный аппарат с солнечным парусом Ikaros. Последняя информация о приеме его сигналов датирована сентябрем 2012 г.



Lunar Reconnaissance Orbiter у Луны.

У Луны в данный момент работают американские аппараты LRO и LADEE и два Artemis’а, а на ее поверхности – китайский 嫦娥三号 («Чанъэ-3») и луноход 玉兔 («Юйту»).
LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) работает на окололунной орбите уже почти пять лет – с июня 2009 г. Пожалуй, самый интересный научный результат миссии был получен с помощью прибора российского производства LEND: нейтронный детектор обнаружил запасы водного льда в полярных областях Луны. Данные LRO показали, что «провалы» нейтронного излучения фиксируются как внутри кратеров, так и в их окрестностях. Значит, запасы льда есть не только в постоянно затемненных «холодных ловушках», но и рядом. Как они там оказались, пока не вполне понятно.



Место посадки LEM`а Apollo-17.


LRO отснял с высоким разрешением значительную часть поверхности Луны, включая места посадок пилотируемых экспедиций Apollo, а также автоматических зондов и советских луноходов.
LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) начал изучение лунной экзосферы и пылевой среды лишь недавно: аппарат вышел на окололунную орбиту в октябре 2013 г. Перед началом работы с использованием лазерной системы LLCD был проведен первый в истории сеанс связи по оптическому каналу с окололунной орбиты.

В феврале 2007 г. в рамках проекта THEMIS по изучению магнитосферных суббурь были запущены пять идентичных по конструкции микроспутников. В 2010 г., когда проект завершился, решили два из них использовать для исследования Луны. Один из аппаратов вышел на окололунную орбиту 27 июня 2011 г., а второй – 17 июля 2011 г. После этого зондам присвоили новые названия: THEMIS B стал называться ARTEMIS* P1, а THEMIS C – ARTEMIS P2.

* ARTEMIS – Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon's Interaction with the Sun.

Проект «Чанъэ-3» стал грандиозным успехом Китая. Мягкая посадка на Луну была осуществлена с первой попытки. На посадочном аппарате работают телескоп для наблюдений в ближнем ультрафиолете и ультрафиолетовая камера для съемки земной магнитосферы. Луноход «Юйту» стал третьим автоматическим лунным ровером в истории. Он оснащен панорамной камерой, инфракрасным и альфа-рентгеновским спектрометрами и радиолокатором, позволяющим изучить геологическую структуру Луны до глубины порядка 100 м. Хотя «Юйту» и столкнулся с техническими трудностями (из-за механических повреждений не удалось пережить вторую ночь в штатном режиме), работа китайского лунохода продолжается.



Ровер Curiosity на Марсе.

Марс с орбиты изучает целая флотилия зондов: американские 2001 Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) и европейский Mars Express. Скоро к ним должны присоединиться американский MAVEN и индийский मङ्गलयान («Мангальян»). Кроме того, на самой планете работают два американских ровера – Opportunity и Curiosity.

Mars Odyssey в строю уже более 12 лет: он вышел на ареоцентрическую орбиту 24 октября 2001 г. Главной его задачей было изучение геологического строения планеты. С помощью российского нейтронного детектора HEND зонду удалось впервые получить данные, свидетельствующие о крупных запасах воды на Марсе. Он также использовался в качестве ретранслятора для передачи информации с марсохода Spirit (последняя связь с Землей – 22 марта 2010 г.) и продолжает использоваться для обеспечения связи с марсоходами Opportunity и Curiosity.

MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) оснащен камерой высокого разрешения HiRISE на основе телескопа-рефлектора диаметром 0.5 м – самого большого из установленных на межпланетных аппаратах. Благодаря столь мощной оптике, MRO способен различить на поверхности Марса детали размером всего 30 см. Снимки, сделанные камерой HiRISE, помогают ученым детально изучать геологию Красной планеты.
25 мая 2008 г. MRO заснял момент, когда другой американский марсианский зонд – Phoenix – спускался на парашюте. 6 августа 2012 г. камера HiRISE засняла момент спуска марсохода Curiosity. Кроме того, на снимках высокого разрешения, переданных MRO, были обнаружены и другие межпланетные аппараты, в том числе советский «Марс-3».



Посадочный аппарат «Марс-3», обнаруженный на снимках MRO командной под руководством zelenyikot.

Запущенный с Байконура Mars Express вышел на орбиту Марса в декабре 2003 г. Россия приняла в проекте самое непосредственное участие: три из семи научных приборов были изготовлены с участием российских специалистов. Важнейшие результаты, полученные с их помощью, касаются геохимии и атмосферной химии Красной планеты. Полученные данные о распределении гидратированных минералов на ее поверхности помогут ученым определить, когда закончилась эпоха «теплого и влажного» Марса, наиболее благоприятная для возможного зарождения жизни. Mars Express также провел исследование состава атмосферы, в частности распределения водяного пара и свечения молекулярного кислорода, что важно для понимания сегодняшнего Марса и его климата. Интересным оказалось открытие «авроральных сияний» на планете без глобального магнитного поля. В отличие от земных, они происходят не на полюсах.
Наконец, были получены вроде бы убедительные данные о том, что в атмосфере планеты есть метан в следовых количествах. Этот парниковый газ интересен прежде всего потому, что пока неясен его источник на Марсе: свидетельствует ли он о продолжающейся геологической активности планеты или служит признаком жизни? К сожалению, последующие измерения приборами Curiosty присутствия метана в атмосфере Марса не подтвердили.

MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) – специализированный аппарат для изучения современного состояния и эволюции атмосферы Марса – и первый индийский марсианский зонд «Мангальян» должны выйти на орбиту вокруг Красной планеты в сентябре 2014 г.

Opportunity – второй марсоход из проекта Mars Exploration Rover. Он опустился на поверхность Марса десять лет назад, 25 января 2004 г., через три недели после аналогичного ровера Spirit. Американский марсоход продолжает функционировать и сегодня, превысив запланированный трехмесячный срок работы уже в 40 раз. Предыдущий рекорд работы на поверхности Марса принадлежал спускаемому аппарату Viking 1 (1976–1982).
Марсоход Opportunity обнаружил убедительные доказательства существования в прошлом жидкой воды на Марсе. На момент написания статьи ровер Opportunity проехал по Марсу 38,74 км, не побив, правда, рекорд передвижения по поверхности для автоматических планетоходов: в 1973 г. «Луноход-2» прошел по поверхности Луны примерно 42 км.

Марафон «Лунохода-2»
Как известно, «Луноход-2» был доставлен на Луну 16 января 1973 г. и за четыре лунных дня (до 22 апреля) прошел 36,2 км, передав 86 панорам лунной поверхности и свыше 80000 телевизионных снимков. В начале пятого лунного дня, 9 мая 1973 г., при выходе из кратера он зачерпнул грунт крышкой приборного отсека, что привело к снижению зарядного тока солнечной батарей и ухудшению работы системы терморегулирования. «Луноход-2» успел пройти за сеанс связи несколько сотен метров, но 10 мая не смог возобновить движение. С учетом этого последнего рывка пройденное расстояние было оценено в 37 км, и на протяжении 40 лет эта оценка не подвергалась сомнению, хотя измерения пройденного пути с помощью одометра, по определению, не могли иметь высокую точность: их погрешность составляла 10-15%.
После публикации детальных снимков района работы «Лунохода-2» в кратере Лемонье, сделанных американским КА LRO, появилась возможность сопоставить результаты счисления пути и снятые в реальном масштабе времени путевые карты со следом, оставленным аппаратом в лунном грунте. Такая работа была проделана в МИИГАиК группой Ирины Петровны Карачевцевой, которая определила фактическую длину пройденного «Луноходом-2» пути в 42,1-42,2 км. Что же касается первого «Лунохода», то оказалось, что он прошел не 10,54, а 9,93 км.

Самый большой и совершенный атомный (!) марсоход Curiosity с рекордной массой 899 кг был доставлен на Марс 6 августа 2012 г. Среди прочих на борту ровера установлен российский прибор DAN (Dynamic Albedo of Neutrons), который используется для обнаружения водорода (а значит, воды) в приповерхностном слое грунта толщиной примерно до 1 м. Ученые из группы И.Г.Митрофанова интерпретируют измерения так, что верхний слой толщиной 20-40 см - сухой, с содержанием воды, не превышающим 1% по массе, а под ним находится грунт с относительно высоким содержанием воды, которое значительно изменяется вдоль трассы движения и в отдельных местах превышает 4%.
В районе посадки в кратере Гейл Curiosity обнаружил следы древнего озера. Анализ осадочных пород показал, что оно существовало около 3,6 млрд лет назад, предположительно было пресноводным и содержало ключевые химические элементы, необходимые для жизни: углерод, водород, кислород, азот и серу. Ученые предполагают, что в такой воде могли существовать простые бактерии, например хемолитоавтотрофные (то есть получающие энергию за счет окисления неорганических соединений и использующие углекислый газ как источник углерода).
Работа Curiosity рассчитана до июня 2014 г., но, судя по скорости его движения, к этому времени он едва успеет подойти к своей главной цели – слоистой горе Шарпа, центральному пику кратера Гейл. Впрочем, вырабатываемой РИТЭГом энергии хватит еще примерно на 12 лет функционирования марсохода.



Зонд Dawn у Цереры (фантазия художника).

В Главном поясе астероидов работает всего один посланец человечества – Dawn. Этот уникальный американский аппарат оборудован тремя ксеноновыми ионными двигателями. Благодаря использованию двигателей малой тяги с большим удельным импульсом, Dawn обладает огромным запасом характеристической скорости, что позволит ему провести исследования двух крупнейших объектов Пояса не с пролетной траектории, а с орбиты. В 2011-2012 гг. Dawn изучал Весту, а в настоящий момент выполняет перелет к Церере. Зонд достигнет этой карликовой планеты в феврале 2015 г.
Dawn пролил свет на историю образования Весты и подтвердил, что это тело должно рассматриваться как протопланета земного типа, развитие которой было остановлено гравитационными возмущениями со стороны Юпитера. Удивительным открытием стало обнаружение в ее южном полушарии двух огромных кратеров, частично перекрывающих друг друга. Первый имеет диаметр 395 км, а второй – 505 км, или почти 90% диаметра самой Весты.
Кроме того, Dawn подтвердил гипотезу, что именно Веста является источником так называемых вестоидов. Эти астероиды выделяются из общего списка по параметрам орбит и по сходству состава с метеоритами типа HED, составляющими примерно 5% всех земных находок.

Что касается КА Rosetta, она вышла на финишную «прямую». В мае зонд проведет фотосъемку своей цели – кометы 67P (Чурюмова-Герасименко) с расстояния около 2 млн км. В августе он встретится с кометой, а в ноябре сбросит на ее ядро посадочный аппарат Philae.



И снова взгляд в будущее - Juno у Юпитера.

В пути к Юпитеру после последнего гравитационного маневра у Земли находится Juno. Запущенный 5 августа 2011 г. зонд достигнет планеты-гиганта лишь в августе 2016 г. Основная цель этой относительно «недорогой» миссии (общая стоимость менее 1 млрд $) – изучение внутреннего строения Юпитера косвенными методами.
Juno – первый аппарат с солнечными батареями, который будет работать так далеко от Солнца. К сожалению, его научный арсенал не предназначен для изучения спутников планеты – поэтому новые данные о галилеевых лунах мы получим не ранее 2030 г., когда в систему Юпитера прибудет европейский JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer). Возможно, к нему присоединится и американский Europa Clipper.



Cassini и Huygens.

В системе Сатурна продолжает работу Cassini, самый дорогой и один из самых результативных зондов: американо-европейская миссия Cassini-Huygens обошлась почти в 3.5 млрд $. Стоит заметить, что военный бюджет США в 2014 г. составит 526 млрд $. Эта страна могла бы позволить себе запускать зонды, подобные Cassini, десятками и даже сотнями, однако у ее лидеров находятся иные приоритеты.


Поверхность Титана - спутника Сатурна.
Фотография, переданная Huygens.

Гейзеры Энцелада, углеводородные озера на Титане, новые спутники, «спицы» в кольцах и шестиугольный шторм в атмосфере Сатурна – вот лишь немногие открытия Cassini. Этот уникальный аппарат дал ученым возможность наблюдать систему Сатурна в динамике с момента выхода на орбиту вокруг планеты 1 июля 2004 г. и по сегодняшний день. Впервые была осуществлена и посадка на спутник планеты-гиганта: зонд Huygens 14 января 2005 г. передал снимки с поверхности Титана. Работа основного КА неоднократно продлевалась и в настоящее время рассчитана до сентября 2017 г.



И снова - "воспоминания о будущем" - 2015 год, New Horizons у Плутона.

Далеко за орбитой Урана летит еще один посланец человечества – зонд New Horizons. Стартовавший в январе 2006 г. аппарат достигнет Плутона лишь в июле 2015 г., при том что АМС покинула окрестности Земли с самой большой приобретенной за счет разгона на ракетных двигателях скоростью – 16,21 км/c, а затем выполнила гравитационный маневр у Юпитера. New Horizons пронесется мимо Плутона на скорости около 14 км/с, и общее время наблюдений составит всего 9 суток.

Можно ли достичь внешних планет быстрее? Да, можно. Российский инженер Павел Сулимов предложил метод движения КА с комбинированной двигательной установкой ЭРД+ЖРД по специально разработанной «раскачивающейся» траектории. Разгон такого КА осуществляется следующим образом: с помощью ЭРД поднимается апогей орбиты до границы сферы действия Земли, и в этой зоне неустойчивого равновесия между геоцентрическим и гелиоцентрическим тяготением достаточно небольшого импульса от ЖРД корректирующего характера, чтобы аппарат перешел на гелиоцентрическую траекторию. Дальнейший разгон на гелиоцентрической траектории осуществляется вновь с помощью ЭРД. Автор приводит результаты расчетов для аппарата массой 1500 кг, оснащенного ЭРД с удельным импульсом 1600 сек и тягой 83 мН, а также ЖРД. Общее время перелета до Плутона по пролетной траектории для такого аппарата около 4 лет, с выходом на орбиту планеты – 6,5 лет.

Для подобных полетов очень пригодился бы отечественный «ядерный буксир» с двигателями малой тяги. Если соответствующие решения были бы приняты, российский аналог атомного зонда JIMO мог бы появиться уже в середине 2020-х.



Легендарный Voyager.

Но вернемся в настоящее. В четыре (!) раза дальше от Солнца, чем New Horizons, на границе с межзвездным пространством, летят два легендарных американских аппарата – Voyager 1 и 2. Запущенные в 1977 г. зонды стали самыми успешными и результативными в истории межпланетных исследований: они впервые передали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а Voyager 2 стал единственным на сегодняшний день КА, достигшим Урана и Нептуна.
Их эпопея достойна отдельной книги. Отметим лишь крайнее достижение Voyager 1 – выход из пределов гелиосферы Солнца в межзвездное пространство, который был зафиксирован 25 августа 2012 г. За 36 лет полета Voyager 1 удалился от Солнца на 126.74 а.е., а Voyager 2 – на 103.93 а.е.* Для сравнения: расстояние до самой ближайшей звезды Проксима Центавра около 270000 а.е.

* По состоянию на 1 февраля 2014 г.



International Cometary Explorer.

На гелиоцентрической орбите находится еще один ветеран – ICE (International Cometary Explorer). Стартовав в августе 1978 г., этот американский КА в 1985 г. прошел сквозь плазменный хвост кометы Джакобини-Циннера, пролетев в 7862 км от ее ядра. Работа с ICE прекратилась в мае 1997 г., но при проверке в сентябре 2008 г. он еще был работоспособен. В августе 2014 г. аппарат должен пройти вблизи Земли, и в принципе его можно было бы направить к новой цели: например, к той или иной комете с пролетом в 2017 или 2018 г. Увы, это невозможно: Земля еще в принципе способна принять и расшифровать его телеметрию, но передатчики, которые позволили бы командовать ICE, были демонтированы в 1999 г. и не подлежат восстановлению.



Один из аппаратов Stereo.

Вокруг Солнца вращаются и другие аппараты: две солнечные обсерватории Stereo, поврежденный «ловец экзопланет» Kepler и китайский «Чанъэ-2». Несколько аппаратов работает в точках Лагранжа системы Солнце--Земля. По гало-орбите вокруг точки L1 движется солнечная и гелиосферная обсерватория SOHO, там же работают два других КА – ACE (Advanced Composition Explorer) и Wind. В районе точки L2 находится Gaia*, а в 2018 г. к ней должен присоединиться James Webb.

* Работавший там же Herschel был выключен 17 июня 2013 г., а Planck – 23 октября 2013 г. WMAP был уведен из L2 на орбиту захоронения в октябре 2010 г.



Российский «Фрегат».

…Среди искусственных спутников Солнца – три российских разгонных блока «Фрегат», единственная демонстрация флага новой России в межпланетном пространстве.