Исследование Марса и его спутников перспективными межпланетными станциями НПО им. С.А. Лавочкина

Исследование Марса и его спутников перспективными межпланетными станциями НПО им. С.А. Лавочкина (к 30-летию запуска КА «ФОБОС-2»)

Авторы: Ефанов В.В. (профессор, доктор технических наук); Ширшаков А.Е. (кандидат технических наук).

В статье приводятся описание результатов межпланетной экспедиции КА «ФОБОС-2», запущенного в 1988 году, а также возможные перспективные сценарии изучения околомарсианского пространства, включая доставку на Землю образцов реголита с естественных спутников Марса.

Представлены предварительный проектный облик межпланетной станции для решения поставленной задачи и её возможный научный комплекс.

Идея посещения Марса не одно столетие вызывает огромный интерес у человечества, особенно после открытия на этой планете каналов, возможно искусственного происхождения. Достаточно вспомнить роман Алексея Толстого «Аэлита», написанный в 1937 году.

С начала космической эры в числе приоритетов научных космических программ СССР и США были исследования Луны и Марса дистанционными и контактными методами. Достигнуты значительные успехи. На Луне побывало несколько пилотируемых экспедиций, в течение продолжительного времени работали мобильные лаборатории «ЛУНОХОД-1, -2», управляемые с Земли; «МАРС-3» впервые сове шил мягкую посадку (Автоматические…, 2010); поверхность Марса бороздят роверы. На Луне и Марсе обнаружен водяной лёд. В ближайшей перспективе готовится к запуску на планету новая межпланетная станция, для поиска следов биологической жизни, и на Луну также отправится автоматический космический аппарат (Ефанов В.В., Долгополов В.П., 2016; Хартов В.В. и др., 2010; Khartov V.V. et al., 2011).

Но, несмотря на значительные успехи в фундаментальных космических исследованиях, проводимых межпланетными станциями и орбитальными астро-физическими обсерваториями, остаётся невыясненным вопрос о происхождении Солнечной системы и её эволюции; о происхождении жизни на Земле и, возможно, на других планетах (например, проект SETI (США)).

Мы знаем, что окружающий мир имеет несчётное количество экзопланет и среди них немало землеподобных.

В этих условиях значительный интерес для изучения представляет Фобос. Он является малым телом и одним из двух (вместе с Деймосом) спутников Марса. Малые размеры этих тел исключают внутренний нагрев, какую-либо тектоническую активность, по- этому их вещество представляет собой исходный материал протопланетного облака. Исходя из этого, многие считают, что вещество Фобоса является первичным материалом Солнечной системы. Изучение внешнего слоя вещества (в частности, Фобоса) – реголита – может дать ценную информацию о ранних этапах образования тел Солнечной системы.

В 80-е годы прошлого столетия НПО имени С.А.Лавочкина совместно с ИКИ и ГЕОХИ имени В.И. Вернадского АН СССР создали межпланетную станцию серии «ФОБОС». Аппараты «ФОБОС-1, -2» были запущены в 1988 году. Эти аппараты обладали многофункциональными возможностями работы и в качестве искусственного спутника планеты, обладающей сильным гравитационным полем, и средством доставки десантных аппаратов на различные космические тела, в том числе и малые.

Указанные выше космические станции предназначены для комплексных исследований: спутника Марса Фобоса путём сближения с ним вплоть до состояния «бреющего» полёта над его поверхностью и сброса на него десантных аппаратов; планеты Марс с подлётной траектории и с орбиты ИСМ; межпланетного пространства (Автоматические…, 2010).

Общий вид этого космического аппарата представлен на рисунке 1.

Указанной станцией на поверхность Фобоса доставлялась долгоживущая автономная станция (ДАС), общий вид которой показан на рисунке 2.

Научная программа экспедиции:

На трассе перелёта:

- изучение Солнца в рентгеновском, ультрафиолетовом и видимом диапазонах излучения;

- определение состава солнечного ветра;

- изучение характеристик межпланетных ударных волн.

На орбите искусственного спутника Марса:

- уточнение параметров орбитального движения Фобоса и его физических свойств;

- зондирование поверхности и атмосферы Марса в видимом, ультрафиолетовом, инфракрасном и гамма-диапазонах;

- изучение структуры магнитосферы Марса, определение параметров магнитного поля;

- изучение межпланетного пространства.

При сближении с Фобосом:

- телевизионная съёмка поверхности Фобоса с высоким разрешением;

- определение химического, минералогического состава поверхности Фобоса, его физических свойств;

- изучение внутреннего строения Фобоса, его радиофизических характеристик;

- десантирование на поверхность планеты исследовательских зондов.

Выполнение научной программы признано частично успешным (Автоматические…, 2010).

Получена уникальная информация о структуре и динамике слоёв солнечной атмосферы (хромосфера, корона, переходной слой). Новые данные позволили понять динамику различных образований в атмосфере Солнца при температурах от десятков тысяч до миллионов градусов.

Завершён эксперимент «Небесная механика» по построению высокоточной теории движения Фобоса и уточнению его гравитационной постоянной. Получены уникальные снимки Фобоса с различных ракурсов и расстояний.

Проведена съёмка поверхности Марса радиоспектрометром, получены тепловые характеристики Фобоса, данные о плазменном окружении планеты, его взаимодействии с солнечным ветром и др.

Полученные данные явились хорошей основой для создания инженерной модели Фобоса, необходимой для последующих экспедиций (Автоматические…, 2010).

Однако, к сожалению, не была выполнена наиболее интересная часть программы – доставка на поверхность Фобоса десантных аппаратов для проведения контактных исследований. При сближении с естественным спутником Марса внезапно прервалась радиосвязь со станцией, которую в дальнейшем восстановить не удалось.

Помимо указанного, в процессе космического полёта были подтверждены новые проектно-конструкторские и технологические решения, которые успешно использовались при создании перспективных автоматических космических аппаратов (Маров М.Я., 2011; Polishchuk G.M. et al., 2011). В частности, инновационная автономная маршевая двигательная установка явилась прототипом при создании всемирно известного эффективно функционирующего межорбитального космического буксира. С 2000 года он вывел на отлётные и рабочие орбиты более 200 отечественных и зарубежных аппаратов.

В последующем в России была создана межпланетная станция «ФОБОС-ГРУНТ», и в 2011 году осуществлён её запуск. Но случилось так, что при выходе её на отлётную орбиту к Марсу космические тяжёлые заряженные частицы повредили бортовой комплекс управления и аппарат был потерян. Основная задача станции была весьма амбициозной – доставка на Землю в автоматическом режиме образцов вещества Фобоса (Мартынов М.Б., 2011).

Актуальность решения указанной научной задачи не снижается не только в настоящее время, но и в перспективе. Пока ни одно крупное агентство не заявило о разработке аналогичного проекта.

Основные научные задачи такого проекта, по мнению учёных (Зеленый Л.М. и др., 2010; Галимов Э.М., 2010), должны быть нацелены на решение проблем, связанных с возникновением и эволюцией Солнечной системы. Это может быть обеспечено исследованиями физико-химических свойств реликтового вещества с Фобоса. Также многие фундаментальные вопросы о строении и образовании Земли, о процессах формирования её оболочек, о рождении и развитии жизни не могут быть решены только в рамках исследования земного вещества.

Другие не менее важные научные задачи включают в себя:

- исследования физико-химических характеристик Фобоса, это позволит подойти к пониманию происхождения марсианских спутников;

- определение детальных параметров орбитального и собственного вращения Фобоса, это важно для изучения внутреннего строения малого космического тела и эволюции его орбиты;

- исследование физических условий среды вблизи Марса – электрических и магнитных полей, характеристик взаимодействия солнечного ветра с плазменным окружением Марса и др. (Зеленый Л.М., Захаров А.В., 2011).

Учёные ГЕОХИ имени В.И. Вернадского отмечают необходимость высокоточного изучения вещества Фобоса в земных лабораториях, что позволит ответить на ряд фундаментальных вопросов о происхождении Солнечной системы, образовании её планет, появлении биологической жизни, обеспечить нас новыми фундаментальными знаниями (Галимов Э.М., Костицин Ю.А., 2011).

Для возможной, в среднесрочной перспективе, реализации такой космической экспедиции была проведена предпроектная проработка облика межпланетной станции с тем же названием.

На рисунке 3 представлен общий вид проектного облика такой станции.

Примерный сценарий предлагаемой космической экспедиции может выглядеть следующим образом. Межпланетная станция после запуска и перелёта Земля – Марс будет выведена на эллиптическую орбиту вокруг Марса, после нескольких коррекций его орбита окажется близкой к орбите Фобоса и космический аппарат будет поддерживать с Фобосом синхронное движение. Затем будет осуществлена посадка аппарата на естественный спутник Марса. После посадки грунтозаборным комплексом будут взяты образцы реголита и помещены в капсулу на возвращаемом аппарате. Он осуществит старт с посадочного модуля и после перелёта Марс – Земля достигнет земной атмосферы, отделит капсулу с реголитом, которая приземлится на нашу планету.

Межпланетная станция, оснащённая научным комплексом, останется на поверхности Фобоса и будет проводить исследования в естественных условиях в течение длительного времени.

Состав комплекса научной аппаратуры можно спрогнозировать, исходя из состава приборов, созданных в 2011 году ИКИ и ГЕОХИ РАН для станции «Фобос-Грунт» (Зеленый Л.М., Захаров А.В., 2011; Галимов Э.М., Костицин Ю.А., 2011). В дальнейшем эти приборы скорее всего будут технически и технологически усовершенствованы с учётом будущих достижений.

Примерный перечень приборов приведён в таблице 1.

На борту аппарата также целесообразно установить приборы для исследования околомарсианского пространства и, возможно, для экспериментов в процессе перелёта Земля – Марс.

В настоящее время ведутся работы по новому проекту для исследования Марса. В его состав входит десантный модуль, который доставит на поверхность планеты комплекс научной аппаратуры (Хартов В.В. и др., 2014).

Общий вид указанного десантного модуля показан на рисунке 4.

Сейчас широко развёрнута наземная отработка этой межпланетной станции.

Возможность существования жизни на Марсе представляет собой одну из нерешённых научных задач нашего времени и имеет первоочередное значение в рамках указанного проекта. Из указанного вытекают основные научные задачи проекта (Ваго Х. и др., 2014):

- поиск следов прошлой и настоящей жизни на Марсе;

- исследование вертикальных профилей водной/ геохимической среды в подповерхностном слое;

- исследование газовых примесей в атмосфере Марса и их источников и др.

Состав комплекса научной аппаратуры приведён в таблице 2 (Зеленый Л.М. и др., 2014).

Экспедиция на Фобос даст уникальную информацию о первичном материале Солнечной системы, происхождении и развитии спутниковых систем других планет, об изменении реголита малых тел под влиянием внешних условий.

Реализация экспедиции на Марс будет логическим продолжением предыдущих миссий; приборы, установленные на десантном модуле, определят, существовала ли жизнь на Красной планете; будут проведены исследования на глубине поверхности, что гарантирует открытие новых научных горизонтов и станет важнейшим этапом миссии по доставке образцов грунта с Марса в дальнейшей перспективе.

Мы смотрим в будущее с оптимизмом, помня о прошлом.