NASA отправило очередную миссию к Марсу: в чем ее особенности

30 июля с пусковой площадки SLC-41 мыса Канаверал на ракете Atlas V 541 стартовала очередная автоматическая межпланетная станция NASA - «Марс-2020» с ровером «Персеверанс».

Посадка марсохода запланирована 18 февраля 2021 года на поверхности планеты в районе кратера Джезеро — в точке, где есть дельта реки, интересная для ученых с точки зрения поиска следов былой жизни.

Минимальная программа исследований рассчитана на два земных года, но, скорее всего, она будет продолжена. Основными научными целями марсохода станут изучение геологии Марса и истории его эволюции, поиски следов жизни, а также отбор и подготовка образцов грунта для доставки на Землю в будущем.

Что такое «Марс-2020»

Проект «Марс-2020» NASA анонсировало еще 4 декабря 2012 года. Тогда из-за сокращения бюджетного финансирования «Программы по исследованию Марса» для новой миссии была выбрана общая конструкция предыдущего марсохода «Кьюриосити» (Curiosity, «Любопытство»). Предполагалось сэкономить на новом ровере, используя запасные части предшественника, в том числе оставшуюся от программы «Кьюриосити» запасную «батарейку» — радиоизотопный термоэлектрический генератор, РИТЭГ.

В итоге сильно удешевить постройку нового аппарата все равно не получилось: если на «Кьюриосити» в NASA потратили 2,5 миллиарда долларов, то миссия «Марс-2020» обошлась в 2,4 миллиарда долларов. Еще 300 миллионов заложено на эксплуатацию ровера на Марсе в течение планового срока миссии.

На новом ровере семь научных инструментов — для самого детального анализа марсианских пород и поиска органических примесей

«Персеверанс» имеет массу небольшой малолитражки — 1025 килограмм. Его габариты составляют 3×2,7×2,2 метра — но это если не учитывать довольно длинную руку-манипулятор, о которой нужно сказать отдельно. Для перемещения по Марсу ровер оснащен шестью колесами полуметрового диаметра из алюминиевого сплава с титановыми спицами — похожими, но несколько более прочными, чем на «Кьюриосити».

В состав полезной нагрузки ровера входят семь научных инструментов:

• Камера Mastcam-Z — система из двух камер для панорамных и стереоскопических снимков поверхности, в том числе с оптическим увеличением. Также ее будут использовать для определения минералогического состава пород на поверхности Марса.
• Камера-спектрометр SuperCam — инструмент для анализа химического и минералогического состава марсианских пород.
• Рентгеновский флуоресцентный спектрометр PIXL с тепловизором позволит сделать самый детальный анализ элементного состава грунта на Марсе за всю историю исследований планеты.
• Ультрафиолетовый рамановский спектрометр SHERLOC с камерой высокого разрешения будет искать органические примеси в грунте и уточнять его минеральный состав. На его калибровочной мишени кроме всего прочего размещены пять кусочков материалов, которые в будущем будут использоваться для создания марсианских скафандров.
• Метеостанция MEDA обеспечит измерение температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра, относительной влажности и размера и формы частиц пыли в воздухе.
• Радар сверхбольшого диапазона RIMFAX — георадар, предназначенный для обнаружения ближайших подповерхностных слоев пород, умеющий «заглядывать» на глубину до 10 метров.
• Манипулятор — помимо спектрометров, на нем установлен небольшой механизм, способный бурить небольшие отверстия на глубину до шести сантиметров.

Ровер имеет довольно мощные мультимедийные возможности: на нем целых 23 камеры для навигационных и технических операций, а для записи марсианских звуков имеется два микрофона. Кроме того, на марсоходе установлена необычная экспериментальная установка MOXIE, которая будет получать кислород из углекислого газа, содержащегося в марсианской атмосфере. Предполагается, что в будущем такие установки позволят снабжать кислородом экипажи пилотируемых экспедиций на Марс. Для связи с Землей на «Персеверансе» установлены целых три антенны:

• основная ультравысокочастотная антенна, которая будет передавать сигнал со скоростью до 2 мбит/с через спутники-ретрансляторы на орбите Марса (MRO, MAVEN и TGO («ЭкзоМарс-2016»);
• узконаправленная антенна для прямой связи с Землей (в периоды видимости) со скоростью до 160 бит/с на Землю и до 500 б/с с Земли.
• малонаправленная антенна для приема простых сигналов с Земли.

На марсоходе впервые установлен дрон!

Действительно, на последнем этапе разработки в состав марсохода был включен небольшой экспериментальный вертолетный дрон «Инженьюити» (Ingenuity, «Изобретательность») — первый в истории изучения Марса атмосферный летательный аппарат. Он оснащен двумя углепластиковыми винтами диаметром 120 сантиметров. Сам аппарат при этом имеет относительно скромные размеры, его длина не превышает 20 сантиметров, а общая масса составляет около двух килограммов. За пределами корпуса находятся посадочные опоры, антенна, солнечная батарея и сами лопасти винта.

Вертолет установлен, как это ни странно, в нижней части марсохода и защищен там специальным композитным экраном, который будет отсоединен только через два месяца после посадки. Из-за этого создателям аппарата нужно будет выполнить довольно сложную инженерную задачу по отделению «Инженьюити» от самого ровера. 

Научная задача у дрона вполне ожидаемая, но при этом важная: «Инженьюити» должен отработать технологию полета в разреженной марсианской атмосфере, плотность которой приблизительно в 100 раз ниже, чем на Земле. Именно поэтому диаметр винта должен быть таким большим (относительно корпуса) и вращаться так быстро. Если аппарату все-таки удастся подняться в воздух, его будут использовать для разведки маршрута и фотографирования ровера со стороны.

Марсоход сможет работать круглосуточно и даже зимой

В качестве основного источника энергии для ровера «Персеверанс» используется радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) на плутонии-238 мощностью 110 Вт (здесь можно почитать подробнее о типах источников питания для космических аппаратов). Помимо этого, ровер также оснащен двумя заряжаемыми от Солнца литийионными батареями: они будут помогать при выполнении научных операций, когда потребление марсоходом энергии может возрастать до 900 кВт×ч.

Важно отметить, что использование РИТЭГ позволяет продолжать работу ровера круглосуточно и марсианской зимой, что невозможно для марсоходов с солнечными батареями. Кроме того, ни «Персеверанс», ни «Кьюриосити», благодаря наличию независимых от погоды РИТЭГ, не боятся пылевых бурь, одна из которых, например, сыграла роковую роль в судьбе ровера-ветерана «Оппортьюнити».

В радиоизотопном генераторе «Кьюриосити» используется диоксид плутония-238, купленный для нужд NASA в России, а в «Персеверансе» — уже произведенный в США. В конце восьмидесятых годов Соединенные Штаты свернули производство плутония-238 на своей территории, планируя закупать его у России. Всего с 1990-х было куплено 16,5 килограмма изотопа для использования в дальних космических миссиях («Новые горизонты», «Кассини», «Кьюриосити»), где использование солнечных батарей неэффективно. Но в последние годы Россия прекратила поставки плутония-238 в США, а с 2012 года его производство в США снова было восстановлено на уровне 1,5 килограмма в год.

Марс защитили от коронавируса и земных бактерий

Сам марсоход, как и его теплозащитные кожухи и парашют, прошли процесс стерилизации, чтобы этого не допустить. Это требование «планетарной защиты» соблюдается всеми странами, подписавшими «Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела» (1967 год). Во время и после сборки ровер тщательно обрабатывался спиртовым раствором, а парашют и тепловая защита были нагреты до 110 градусов Цельсия, чтобы убить микробы. Блок с бортовым компьютером, который нельзя обработать, выполнен в герметичном исполнении и вентилируется через высокоэффективные фильтры для изоляции возможных микробов внутри. Для того чтобы «разгонный блок Centaur» (третья ступень ракеты), выводящий аппарат на траекторию полета к Марсу и летящий туда же, не попал в планету и не занес земные микроорганизмы (которые, как известно из экспериментов, могут пережидать полет в вакууме), при старте межпланетная станция летит немного мимо Марса, а потом делает обязательную коррекцию траектории.

При посадке «Персеверанса» придется пережить «семь минут ужаса»

18 февраля 2021 года в 20:00 UTC по плану состоится посадка ровера на поверхности Марса в районе кратера Джезеро, что на западном склоне равнины Исиды — огромного ударного бассейна к северу от экватора планеты. Диаметр кратера — 45 километров, а рядом находится равнина Утопия, в южной части которой в апреле 2021 года должен приземлиться спускаемый модуль китайской миссии «Тяньвэнь-1».

«Персеверанс» будет садиться сразу с полетной траектории, без выхода на орбиту вокруг Марса. Такая схема посадки позволила сэкономить на топливе для торможения, но потребовала, как и в случае с «Кьюриосити», использовать мощную теплозащиту и сложную с инженерной точки зрения систему посадки — «небесный кран».

«Кран» — это устройство, зависающее в воздухе на реактивных двигателях и спускающее марсоход к поверхности на тросе. Такую схему посадки создатели «Кьюриосити» назвали «семью минутами ужаса»: поскольку весь процесс проходит автоматически и не управляется с Земли, инженерам остается только надеяться на лучшее. По сравнению с «Кьюриосити», навигационная система нового «небесного крана» была значительно модернизирована, а планируемая точность посадки выросла на 50%. Теперь «небесный кран» сможет самостоятельно анализировать поверхность перед посадкой, чтобы избегать потенциально опасных участков.

«Персеверанс» будет участвовать в миссии по доставке на Землю марсианского грунта

Особенность кратера Джезеро — неровный рельеф: на поверхности много булыжников, камней и уступов, которые затрудняют посадку и требуют более точного выбора площадки, так что «умная» система посадки будет весьма кстати.

Западная часть равнины Исиды сложена древними и разнообразными геологическими породами — поверхность Марса в этом регионе сформировалась 3,6 миллиарда лет назад. По мнению ученых, в кратере Джезеро, который сам был какое-то время озером, располагалась дельта древней марсианской реки. Таким образом, в нем должны находиться речные отложения, принесенные водным потоком со всего водного бассейна.

И именно этот район Марса выбран для самой амбициозной исследовательской миссии NASA в следующем десятилетии — доставки образцов грунта с поверхности Марса на Землю. На эту задачу уйдет не менее 11 лет (!), для ее реализации потребуется три отдельных космических аппарата. Сейчас суммарные затраты на доставку грунта с Марса оцениваются в семь миллиардов долларов.

Марсоход «Персеверанс» станет первым этапом этой глобальной миссии — двигаясь по маршруту, он будет не только сам анализировать грунт, но и отберет заинтересовавшие ученых образцы, упаковывая их в герметичные трубки и оставляя на пути следования. Возможно, концепция еще немного изменится и образцы с породой ровер будет собирать в тех же ячейках, чтобы потом выложить в одном удобном месте для забора европейским марсоходом за раз.

Следующие два запуска состоятся в 2026 году. В ходе первого из них на орбиту планеты будет доставлен транспортный модуль ERO (Earth Return Orbiter). За его разработку отвечает Европейское космическое агентство. Вторым будет отправлен еще один европейский посадочный аппарат, SRL (Sample Retrieval Lander, «Посадочный аппарат для возврата образца»). Он будет оснащен взлетной ракетой и малым марсоходом.

Дальнейшие события должны развиваться с хирургической точностью: сначала посадочный модуль SRL сядет на Марс в кратере Джезеро вблизи района работы марсохода «Персеверанс». Отделившийся от него малый марсоход соберет образцы пород, оставленные аппаратом «Персеверанс», и доставит их к посадочному модулю SLR. Затем при помощи роботизированной руки-манипулятора трубки будут перемещены во взлетную ракету, установленную на посадочном модуле. Ракета стартует с Марса в середине 2029 года. Головная часть ракеты состыкуется на орбите со спутником ERO, образцы грунта будут стерилизованы на месте и перемещены в возвращаемую капсулу, которая начнет перелет на Землю. Капсула с собранными образцами марсианского грунта должна приземлиться в штате Юта в 2031 году.

Откуда такое странное название?

Свое имя «Персеверанс» («Настойчивость») ровер получил в традиционном уже для NASA школьном конкурсе — чтобы попасть в список финалистов, ребята писали эссе с объяснением преимуществ своего варианта.

Кроме того, для привлечения общественного внимания все желающие могли отправить свое имя на Марс, заполнив анкету на сайте NASA. В акции поучаствовало почти 11 миллионов человек — их имена были записаны на карту памяти и находятся сейчас на корпусе марсохода. На табличке также нанесен рисунок с Солнцем и планетами, где в лучах нашей звезды азбукой Морзе записан девиз «Explore As One» — «Исследуем вместе».

Интересен расклад «подписантов» по странам: на первом месте Турция (2,5 миллиона человек), на втором Индия (1,5 миллиона человек) и только на третьем США (1,2 миллиона человек). Сейчас на сайте NASA уже можно записать свое имя для отправки в 2026 году на посадочном аппарате миссии по доставке грунта с Марса на Землю — Mars Sample Return.