Как глубоко в недра Марса дошел прогресс

В январе 2021 года NASA продлило научную программу автоматической станции InSight — та еще два года будет дальше прислушиваться к сейсмической активности Марса, проводить метеорологические наблюдения и, естественно, делать снимки нагорья Элизиум. Через несколько дней, однако, выяснилось, что попытки погрузить ленту с термическими датчиками на глубину пяти метров станция оставит — команда инструмента HP3 объявила о завершении своей работы. Рассказываем, что происходило с инструментом эти два года и том, при чем тут Советский Союз.

12 февраля 2019 года роботизированная рука станции InSight аккуратно установила на поверхность Марса второй из ее основных научных инструментов HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package). Ученые потратили две недели на проверку всех систем и 28 февраля 2019 года ударный зонд торжественно приступил к работе.

Нормальная работа инструмента продлилась всего пять минут, после чего Марс нанес удар под дых земным инженерам. «Крот» смог углубиться на несколько десятков сантиметров в грунт, совершив в общей сложности за четыре часа четыре тысячи толчков, после чего остановился. Анализ данных показал, что датчики температуры еще не вошли в грунт, зонд наклонен примерно на 15 градусов относительно вертикальной оси, а опорная конструкция немного сместилась.

Это не бур

Конструкция HP3 совершенно не похожа на инструменты, которыми оснащены марсоходы — буровой головки нет, зато есть какое-то странное долото, из которого торчит провод. Здесь стоит отмотать время на много лет назад: история создания «крота» не менее увлекательна, чем его приключения на Марсе.

Все началось в конце прошлого века, когда в России работали над созданием марсохода, который планировалось отправить к планете вначале в 1996, а затем в 1998 году. Среди предприятий, участвовавших в разработке планетохода, был и ВНИИТрансмаш, за которым, по словам главного конструктора по космической тематике Сергея Федосеева, было закреплено право создавать приборы для оценки проходимости и физико-механических свойств приповерхностного слоя грунта, таких как плотность или величина момента сдвига. Такие приборы были разработаны для венерианских автоматических станций «Венера-13», «Венера-14» и «Вега», двух луноходов, аппарата «Фобос-2», исследовавшего один из спутников Марса, а также на первые в истории шагающие марсоходы ПрОП-М, которые 50 лет назад, в 1971 году, отправились на Красную планету вместе с аппаратами «Марс-2» и «Марс-3», но так и не начали свою работу.

Схема устройства марсохода, разработанного ВНИИТрансмаш и ИКИ РАН.

Вместе с марсоходом в 1998 году к Красной планете должен был отправиться новый прибор для исследования свойств грунта. Он представлял собой мобильный пенетрометр. В основе механизма, который приводил инструмент в движение, лежала пружина, которая вначале взводилась, накапливая потенциальную энергию, а затем, распрямлялась, расходуя основную часть энергии на удар по подвижному заостренному наконечнику, который продвигается вперед в грунт, а остаток — на перемещение корпуса в проделанной в грунте скважине. При кажущейся экзотике прибор получился относительно простым и потребляющим немного энергии.

Принцип работы «крота».

Работу над марсоходом завершить не удалось и программу свернули, хотя специалисты успели свозить шасси марсохода на испытания даже в пустыню Мохаве в США, а свой пенетрометр — на Камчатку, чтобы протестировать в условиях вулканического грунта, смешанного с камнями.

Общий вид «крота», созданного во ВНИИТранмаш для российского марсохода.

Тем не менее, труд отечественных инженеров не канул в Лету — разработкой заинтересовались европейские коллеги, которые помогали создавать британскую автоматическую марсианскую станцию «Бигль-2». Они попросили главного идеолога «крота» Валерия Громова (он же проектировал пенетрометр для «Лунохода-1» и разработал шасси для нового марсохода, получившее шутливое прозвище «громоход») помочь с созданием его уменьшенной версии, получившей неофициальное прозвище «карандаш». Официально же пенетрометр назывался PLUTO (PLanetary Undersurface TOol).

Модель «Бигля-2» в Музее науки в Лондоне. PLUTO виден в верхнем левом углу кадра.

Общий вид «карандаша».

Длина прибора составляла 28 сантиметров, а диаметр — два сантиметра. Весил пенетрометр меньше килограмма, помещался в отдельный отсек станции и был связан с ней при помощи провода. Задача перед «карандашом» стояла следующая: стартуя из вертикального или горизонтального положения зарыться на глубину до полутора метров со скоростью до нескольких миллиметров за один удар, взять образец грунта и извлечь на на поверхность Марса для анализа. Здесь и сокрыто главное отличие отечественного «крота» от европейского «карандаша» — последний мог двигаться как вперед, так и назад по пробитой скважине, возвращаясь на поверхность планеты.

Два различных варианта стартовой позиции PLUTO.

Вверху: схемы движения вперед, забора пробы грунта и движения назад «карандаша». Внизу: внутреннее строение «карандаша».

Однако злой рок преследовал инструмент — 25 декабря 2003 года «Бигль-2» достиг Марса, но на связь не вышел. Полученные через 12 лет орбитальным аппаратом Mars Reconnaissance Orbiter снимки смогли подтвердить факт высадки на планету, а заодно и выявили причину молчания. Оказалось, что солнечные панели станции развернулись не полностью, тем самым не дав возможности антенне передавать и получать данные, и «Бигль-2» погиб на Красной планете, так ничего и не изучив.

Место посадки «Бигля-2», сфотографированное аппаратом MRO.

В дальнейшем «кротом» хотели оснастить ряд межпланетных аппаратов: меркурианский «БепиКоломбо», «ЭкзоМарс» или лунный посадочный модуль. В итоге, в 2011 году инструмент решили отправить в качестве полезной нагрузки станции InSight, создававшейся в NASA. Его разработали немецкие и польские специалисты. Конструкция HP3 отталкивалась от проекта PLUTO, однако из-за отличий в задачах была существенно переработана: изменениям подверглись ударный механизм, мотор и проводка. Кроме того, в отличие от PLUTO, HP3 не мог двигаться назад — ему это было попросту не нужно.

Жар из недр

Температура верхних слоев грунта нашей планеты в основном зависит от внешних факторов: температура окружающего воздуха, времена года, освещенность Солнцем. Однако если мы начнем двигаться вглубь, то ситуация станет меняться. На глубине нескольких десятков сантиметров исчезнет влияние суточных перепадов температуры воздуха, а когда счет пойдет на десятки метров, прекратятся и сезонные колебания температуры грунта. Затем влияние внешних факторов станет несущественным, и на первый план выйдут уже эндогенные процессы, отвечающие за неуклонное повышение температуры с ростом глубины — распад радиоактивных элементов, тектоника плит и другие процессы, связанные с земной корой и мантией.

Однако земная кора — крайне неоднородная система, поэтому в разных местах на планете результаты измерения градиента будут разные. На них влияет целый ряд факторов: подземные воды, минеральный состав и структура грунта, близость вулканически активных регионов. Описывает зависимость температуры грунта от глубины геотермический градиент, который численно равен отношению разности температур между двумя точками к разности глубин между ними.

Если с Землей геологи разобрались неплохо, то о геотермическом градиенте Марса мы практически ничего не знаем: есть лишь теории и данные расчетов, которые никогда не проверялись экспериментально. Получив эти данные, ученые могли бы не только больше узнать о внутреннем строении Красной планеты, но и оценить теплопроводность грунта, которая зависит от его минерального состава, и тепловой поток, который идет из недр планеты к ее поверхности, а затем сравнить полученные значения с теоретическими предсказаниями.

Их-то и должен был добыть HP3. Предполагалось, что 35-сантиметровый пенетрометр, двигаясь вертикально вниз, заведет на глубину ленту с 14 датчиками температуры. Заставить робота зарыться в марсианский грунт на несколько метров — такой была задача, на реализацию которой раньше никто не осмеливался.

Устройство HP3. Показаны инфракрасный радиометр (RAD), который используется для измерения температуры поверхности, опорная конструкция (SS), шлейф с датчиками температуры (TEM-P), кабель для передачи данных на станцию (ЕТ), оптический измеритель длины шлейфа, протянутого в грунт (TLM), активный датчик теплопроводности (ТЕМ-А), наклономер «крота» (STATIL), электронный блок управления (BEE), который стоит на станции и подключается через кабель (ET).

Закопаться «крот» должен был на пять метров — расчеты показали, что начиная с глубины три метра большинство сезонных колебаний температуры перестанут влиять на результаты измерений. Оставшиеся два метра как раз дадут информацию о тепловом потоке из недр Марса.

Расположение датчиков температуры на шлейфе, который тянет за собой «крот».

HP3 должен был измерять теплопроводность грунта примерно каждые полметра по мере продвижения вглубь. План был таков: вначале «крот» останавливал свою работу на два дня, чтобы рассеялось тепло, выделившееся из-за трения пенетрометра о грунт, а затем внешнюю оболочку «крота» должны были нагревать в течение 24 часов до десяти градусов по Цельсию постоянной мощностью, при этом датчики температуры должны были контролировать, как распространяется тепло от зонда в грунте.
На целевой глубине датчики должны были начать измерять температуру Марса каждые 15 минут. Геологи надеялись получить данные за период от нескольких месяцев до марсианского года.

Модельный Марс для испытаний «крота» выглядел как цилиндры метрового диаметра и высотой три и пять метров, заполненные различными песками. В беседе с N + 1 руководитель HP3 Тильман Спон (Tilman Spohn) из Германского центра авиации и космонавтики говорит, все испытания инструмент прошел успешно — и при земном давлении и температуре грунта, и при марсианских. В качестве аналога марсианского грунта использовались разные виды песков, в частности кварцевый, а также песок, содержащий камни.

Но реальный Марс оказался не совсем таким, как модельный.

Драма в марсианской песочнице

Первая версия о том, что остановило продвижение пенетрометра, гласила, что тот столкнулся с камнем. Команда зонда надеялась, что пенетрометру удастся его обогнуть и продолжить работу. Однако последующие попытки к успеху не приводят — приходится срочно разрабатывать план дальнейших действий. В этом и всех дальнейших «мозговых штурмах» инженерам будет помогать земной «двойник» InSight, который стоял на стенде-имитаторе поверхности Марса и позволял «проиграть» на практике различные последовательности действий станции.

Брэд Питт на земном полигоне у лабораторной модели InSight. Слева видна земная версия HP3.

Следом за первой гипотезой появляется вторая: возможно, задняя часть пенетрометра зацепилась за опорную конструкцию при встрече с камнем. Через месяц с небольшим специалисты, задействовав даже сейсмометр станции, объявляют — препятствие на пути пенетрометра действительно есть, но это не камень, а твердый слой (дюрикраст) толщиной более десяти сантиметров, который состоит из слипшихся друг с другом песчинок, мелких камней и гальки. Подобные твердые корки выветривания наблюдаются и на Земле, в условиях засушливого климата и чередования сухих и влажных сезонов. «Крот» никак не может его преодолеть из-за недостатка трения о стенки скважины, которая все больше расширяется из-за «топтания» зонда на одном месте.
Летом 2019 года инженеры приступают к активной фазе спасательной операции. Роботизированная рука станции приподнимает опорную конструкцию инструмента, чтобы скомпенсировать отдачу при ударах. Отныне и впредь рука будет играть главную роль в спасении «крота».

В начале октября 2019 года InSight аккуратно касается ковшом на своей роботизированной руке боковой поверхности зонда и начинает давить на нее, чтобы улучшить сцепление «крота» с грунтом. Ковш достался станции от отмененной миссии Mars Surveyor 2001. HP3 совершает ряд ударов и продвигается еще на два сантиметра вглубь.

Уход «крота» в грунт при помощи ковша, давящего на его боковую поверхность.

Обнадеженные ученые пытаются развить успех: зонд углубляется еще немного и усилие руки увеличивают. Но через несколько дней, в ходе новых серий толчков, пенетрометр неожиданно выскакивает из грунта на половину своей длины — сохранив, к счастью ученых, равновесие. Работу инструмента вновь приостанавливают.

Первое «прыжок» назад «крота» в октябре 2019 года.

В конце октября все начинается сначала. InSight опять пускает в дело ковш, что позволяет тому углубиться на 3,2 сантиметра. Еще два месяца попыток, и к концу декабря 2019 года пенетрометр почти полностью скрывается в грунте. Но уже в январе 2020 года зонд вновь начинает подниматься из грунта.
После этого специалисты решают пойти на серьезный риск: теперь ковш должен аккуратно коснуться заднего конца зонда и давить прямо на него. Кажется, повредить шлейф, отвечающий за передачу данных и электроэнергию, он не должен.

Установка ковша на заднюю крышку «крота» в феврале 2020 года.

К марту инженеры объявляют: методика работает, зонд вновь начал уходить в грунт. В Европе и США уже бушует пандемия ковида, но на программу по спасению инструмента, по словам Спона, она не особенно влияет: ученые продолжают слать на Марс инструкции, проводя совещания в онлайне. Ход работ вновь меняется: руку несколько раз переставляют, чтобы изменить точку приложения силы, затем начинают сгребать ковшом песок в скважину, чтобы еще увеличить трение пенетрометра о стенки пробитой скважины. Это помогает — «крот» скрывается в грунте. После этого рука начинает давить уже не на сам зонд, а на грунт над ним.
Осенью 2020 года зонд вновь останавливается. Станция к этому моменту получает слишком мало солнечной энергии — наступила марсианская зима, из-за чего работы ведутся в сокращенном варианте, а очередную «долбежку» переносят на январь 2021 года. 9 января команда HP3 предпринимает последнюю попытку заставить «крота» двигаться дальше. Безуспешно. «Крот», попрыгав, остается на прежнем месте. Итоговая глубина, вместо целевых трех-пяти метров — лишь 45 сантиметров. Марс победил.

Эпилог

«Перед финальным испытанием 9 января дерево решений было четко разложено и согласовано. Поэтому, когда мы говорим, что прогресса в работе не было, было ясно, что это конец. Все мы были разочарованы, но готовы к этому. Мы достигли определенных успехов. Но не вышло. Мы боялись, что NASA могло остановить нас раньше, но [напротив, оно] нас все время поддерживало!», — рассказал N + 1 Тильман Спон.

Снимок места работ, сделанный 31 января 2021 года.

Так можно ли сказать, что все усилия по разработке «крота», занявшие почти 30 лет, и эти игры в песочнице на другой планете были впустую? Вряд ли, так как делать что-то впервые в мире трудно, будь то первый полет человека в космос или первая попытка залезть на несколько метров вглубь Марса. Кроме того, с остановкой землеройных работ работа самого HP3 не заканчивается — она будет длится до момента завершения всей научной программы InSight, который намечен на сентябрь 2022 года.
По мнению Спона, история HP3 не является ни провалом, ни удачей. Ему до сих пор трудно сформулировать точные причины случившегося, однако, скорее всего, ученых в первую очередь подвели свойства марсианского грунта. Инженеры, на основании анализа данных предыдущих исследовательских миссий, считали, что механические свойства реголита на Марсе будут подобны кварцевому песку, а толщина дюрикраста (если он вообще встретится на пути зонда) составит всего 1-2 сантиметра. Однако в реальности «крот» столкнулся с твердой коркой, толщиной от 7 до 20 сантиметров, преодолеть которую не смог. Кроме того, пенетрометр за время своей работы мог дополнительно утрамбовать грунт перед собой или наткнуться на небольшой камень, который теперь толкает перед собой.

Сергей Федосеев из ВНИИТрансмаш согласен со Споном. Возможности «крота» не безграничны, он способен работать среди песка и камней, но что-либо «бурить», пробиваться через толстый слой твердого грунта не умеет.

Однако это не означает, что инструмент изначально никуда не годился. Напротив, технология, придуманная еще во времена советской космонавтики, наконец дождалась своего звездного часа и оказалась жизнеспособной. Теперь немецкие специалисты хотят продолжить совершенствовать конструкцию «крота», в частности, в сторону уменьшения массы и увеличения эффективности работы. Для какого именно тела Солнечной системы будет создан новый «крот» пока неизвестно: возможно он вернется штурмовать Красную планету или полетит на Луну.

Кроме того, сама «неудача» оказалась все же рекордом — до «крота» максимально глубоко в грунт Красной планеты проникал бур марсохода «Кьюриосити», проделав в породах скважину, глубиной до 7 сантиметров. Остальные аппараты, такие как «Викинги» или «Феникс», копались в самом верхнем слое реголита, и даже новый марсоход NASA сможет бурить породы на глубину, не превышающую значений «Кьюриосити».

Несмотря на то, что пенетрометр навеки застыл вкопанным в Марс, его исследовательская программа не окончена. Радиометр HP3 по-прежнему работает и вместе с частично растянутой лентой с датчиками сможет определять динамику изменений температуры поверхности Марса в зависимости от внешних условий. Так за два года работы инструмент собрал данные о структуре приповерхностного слоя и даже зафиксировал крохотное падение температуры грунта во время затмения Солнца Фобосом.

Заодно «кроту» удалось определить среднюю теплопроводность верхних сорока сантиметров грунта. Она оказалась равна 0,04 ватт на метр-кельвин — это в 3-5 раз меньше, чем у типичных земных песков, и в 30-50 раз ниже, чем у базальта, которых входит в состав марсианских песков. Низкая теплопроводность в теории предполагает высокую пористость грунта (около 60 процентов от общего объема) и, следовательно, плотность всего 1,2 грамма на кубический сантиметр, что значительно ниже, чем плотность базальта (около трех граммов на кубический сантиметр).

Однако наблюдения за работой «крота» показали, что грунт очень прочный. Получается противоречие — как может рыхлый материал быть очень твердым? Идея о том, что мы имеем дело с песком и твердой коркой, плохо объясняет полученные данные, так что, чтобы ответить на этот вопрос ученым еще предстоит поломать голову.

В следующий раз «раскопками» на Красной планете займется марсоход российско-европейского проекта «ЭкзоМарс-2022», который привезет на Марс буровую установку и попытается проникнуть на глубину до двух метров, занимаясь исследованиями состава грунта.

Источник:  https://nplus1.ru/