«Наука в России» 2005 №5

Со времени запуска первого искусственного спутника Земли (1957 г.) наши представления об окружающем пространстве изменились коренным образом благодаря измерениям приборов космических аппаратов и в настоящее время сводятся к следующему. Из внешних областей Солнца со скоростью нескольких сотен километров в секунду растекается поток плазмы. На расстоянии 10-12 радиусов Земли энергия солнечного ветра сравнивается с энергией магнитного поля нашей планеты, и он меняет направление, обтекая область вокруг нее и образуя полость, называемую магнитосферой (похожие есть и у других планет, обладающих магнитным полем). Некоторое количество частиц плазмы проникает в ее внутренние области и запасается в простирающейся на сотни тысяч километров хвостовой части. Накопленная там энергия время от времени взрывным образом высвобождается в форме мощных электрических токов, замыкающихся через полярную ионосферу. Их вспышки проявляются в виде магнитных бурь, сопровождаемых северными сияниями.

Подобные резкие изменения магнитного поля представляют опасность для радио— и проводных линий связи, газо— и нефтепроводов, но особенно для линий электропередачи — вызывают мощные токи, выводящие их из строя. Примеры тому — события 11-12 февраля 1958 г. на Кольском полуострове и 13 марта 1989 г. в Канаде, когда надолго без энергоснабжения остались районы с населением несколько миллионов человек. Важную роль в магнитосферных процессах играют и радиационные пояса — энергичные частицы, удерживаемые вблизи Земли магнитным полем. Они нарушают работу космических аппаратов, негативно влияют на пилотов и пассажиров авиалайнеров во время длительных полетов.

Магнитосфера, с одной стороны, — удобная лаборатория для изучения плазменно-волновых преобразований, а с другой — экран, защищающий все живое от вредного космического излучения. Ее изучение необходимо как для развития фундаментальной науки, так и для решения прикладных задач.

НОВЫЙ ШАГ В ИССЛЕДОВАНИИ МАГНИТОСФЕРЫ

Наряду с несомненными успехами последних лет в познании происходящих в плазменной оболочке нашей планеты процессов немало вопросов остается открытыми. Один из них — взаимодействие в ней волн и частиц. Теоретические работы в этом направлении привели к созданию концепции природных магнитосферных мазеров*, использующих достижения квантовой электроники. Их активное вещество, как и у рукотворных вакуумных электронных приборов, — энергичные заряженные частицы, движущиеся с разными скоростями, а электродинамическая система — магнитные силовые трубки, заполненные неоднородной плазмой. Наличие достаточно резких границ в распределении последней чревато эффективным отражением волн и формированием их естественных резонаторов. Именно такой механизм, как показали недавние исследования, регулирует количество частиц в радиационных поясах магнитосферы.

* Мазер — общее название квантовых усилителей электромагнитных волн и генераторов излучения, вакуумных электронных приборов (прим. ред.).

Другая важная задача — изучение кольцевого тока (текущего вокруг Земли на высотах 10-60 тыс. км), чьи изменения влекут за собой вышеупомянутые магнитные бури. Несмотря на наличие значительного наблюдательного материала, пока неясны, к примеру, условия его формирования и распада, локальные эффекты, роль компонентов на разных стадиях возникновения этих возмущений.

Спутник «Резонанс» в транспортном положении.

На решение данных проблем направлен новый проект «Резонанс». Он предусматривает запуск двух спутников на специально подобранные так называемые магнитосинхронные орбиты, позволяющие проводить долговременные измерения в выбранной силовой трубке магнитного поля. Следует отметить, что полет по таким траекториям планируется впервые.

Инициаторы проекта «Резонанс» — ИКИ РАН и Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Космические аппараты создают в Научно-производственном объединении им. С.А. Лавочкина. В работах принимают участие также специалисты Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (г. Троицк, Московская область), Полярного геофизического института Кольского научного центра РАН и Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, коллеги из Радиоастрономического института и Львовского филиала Института космических исследований Национальной АН Украины. Исследовательские приборы подготавливаются в кооперации с учеными Франции, Великобритании, Болгарии, Польши, Австрии и Германии.

Изображение Фобоса на фоне Марса
(данные экспедиции «Фобос-2»).



Спутники Марса — Фобос и Деймос (данные НАСА).

Данный космический аппарат восьмигранная параллельная призма высотой 700 мм с расстоянием между гранями 1900 мм. Снаружи к ней прикреплена сетка с вмонтированными фотопреобразователями. Аппаратуру установили на одной из наружных граней и центральной термостабилизированной панели, проходящей через центр тяжести спутника и связывающей между собой его продольные балки. В ее середине — топливный бак с шестью гидразиновыми* двигателями, остальные четыре — на корпусе спутника, а по его торцам — два радиатора-охладителя.

* Гидразин — компонент ракетного топлива (прим. ред.).

Согласно замыслу проекта ракета-носитель «Союз-2-1б» выведет на опорную околокруговую орбиту высотой около 200 км головную часть (общей массой 7600 кг) — два спутника, дополнительную полезную нагрузку и маршевую двигательную установку. Включение последней переводит весь комплекс на первую промежуточную траекторию (апогей 6932 км, период обращения 2,74 ч), затем в районе ее перигея — на вторую, высшая точка которой равна высоте апогея рабочей орбиты. Здесь один спутник отделяется от головной части, после чего его полетом управляет собственная двигательная установка. Другой тем временем выполняет двухимпульсный маневр, чтобы попасть на рабочую орбиту и тоже отстыковаться от головной части. Ориентировочный срок запуска космической станции — 2008-2010 гг., время ее функционирования — 5 лет.

Подчеркнем: в задачи миссии входят исследования нелинейных и нестационарных процессов в магнитосфере. Поэтому характерному времени их развития должны соответствовать измерения электромагнитных полей, энергичных частиц и параметров плазмы. Данное требование сталкивается с естественными трудностями постановки эксперимента: плотность последней на высотах полета спутников очень низкая. Новые подходы, применяемые при разработке соответствующих приборов, позволят решить эту задачу.

При выборе технических решений проекта «Резонанс» учитывается возможность их преемственности последующими космическими экспедициями — к Марсу и Фобосу. В частности, в обоих случаях предложено применять разгонный блок «Фрегат», схожие конструктивные элементы как космических аппаратов, так и бортовых научных приборов.

ПУТЬ К ФОБОСУ

В июле 1988 г. с космодрома Байконур стартовали два космических аппарата и взяли курс на Марс. Но через месяц из-за ошибки управления первый из них был потерян. Второй на восьмом месяце полете вышел на эллиптическую траекторию движения вокруг Красной планеты, потом преобразованную в круговую, близкую к орбите Фобоса. Затем планировался спуск на его поверхность двух посадочных устройств для соответствующих контактных исследований. Однако зе несколько дней до кульминационного этапа экспедиции связь с летательным аппаратом прервалась.

Изображение Фобоса (данные НАСА).

Спутник «Фобос-2» проработал на марсианских орбитах только 57 дней и тем не менее помог получить немало уникальных сведений. Например с помощью установленного на его борту спектрометра обнаружили поток ионов кислорода, покидающго атмосферу Марса, благодаря чему оценили скорость ее эрозии из-за взаимодействия с солнечным ветром. Для изучения свойств Красной планеты, в частности наличия там воды, результаты этой краткой экспедиции крайне важны. Ведь ранее о ней было известно меньше, чем о значительно более удаленных — Меркурии, Юпитере, Сатурне.

В 1996 г. у нас пытались реализовать проект «Марс-96». Однако ракета-носитель не вывела космический аппарат на межпланетную траекторию. Разумеется, его потеря стала трагедией для российской науки, но основные эксперименты, подготовленные для несостоявшейся отечественной миссии, выполнила в 2003 г. европейская «Марс-Экспресс»*. Тогда же РАН и Федеральное космическое агентство страны решили продолжить изучение Фобоса и Марса на качественно новом уровне технологии. Так возникла идея еще более крупномасштабного проекта «Фобос-Грунт», основная цель которого — доставить на Землю образцы вещества данного небесного тела для детальных лабораторных исследований.

*См.: Ю.М. Марков. Станция назначения — Красная планета. — Наука в России, 2003, № 5 (прим. ред.).

Чем же интересен для нас этот объект? Он имеет неправильную форму, напоминающую эллипсоид (13,3х 11,1x9,3 км), впрочем, как и второй спутник Красной планеты-Деймос (7,5x6,2x5,2 км). Орбиты обоих практически круговые, радиусы соответственно 9378 и 23459 км, периоды обращения 7 ч 39 мин и 30 ч 21 мин. Причем, согласно наземным измерениям, Фобос по очень пологой спирали приближается к Марсу и, по оценкам, через несколько десятков миллионов лет (мгновение в истории Вселенной!) разрушится и упадет на последний, поскольку вращается по близкой к нему траектории и подвергается воздействию его приливных сил.

Еще одна особенность Фобоса — наибольшая среди известных синхронно вращающихся спутников планет Солнечной системы амплитуда либрации*. Точное ее измерение позволит определить моменты инерции** изучаемого небесного тела (что важно для познания его внутренней структуры), а определение расстояния от него до Земли (с посадочного аппарата) — выверить некоторые параметры небесной механики, массы астероидов, находящихся за орбитой Красной планеты.

* Либрация — периодические маятникообразные колебания небесного тела относительно его центра масс (прим. ред.).

** Момент инерции — величина, характеризующая распределение масс в теле, являющаяся наряду с массой мерой его инертности — свойства сохранять состояние равномерного прямолинейного движения или покоя (прим. ред.).

Поверхности Фобоса и Деймоса кратерированы. Кроме того, первый имеет множество почти прямых параллельных борозд шириной 100— 200 м, глубиной 10-20 м и длиной до 30 км; почти все они начинаются вблизи самого крупного кратера Стикни (диаметр 10 км). На втором же подобных полос нет, кратеры значительно меньше, наружный слой грунта представляется однородным. Столь сильное различие марсианских спутников и его причины — пока для нас загадка.

Космический аппарат «Фобос-Грунт».

Надо сказать, что именно подобные «малые жители» Вселенной — предмет особого интереса ученых. Дело в том, что все планеты и большинство их спутников за время своего существования претерпели изменения под влиянием внешних и внутренних факторов, в частности вулканизма. В результате теперь их вещество коренным образом отличается от первородного. Принципиально иная ситуация с кометами, астероидами, спутниками Марса. Небольшой размер исключает их внутренний нагрев и тектоническую активность, поэтому они состоят из исходного, первичного материала протопланетного облака, из которого образовались тела Солнечной системы. Наиболее же распространенная гипотеза происхождения Фобоса и Деймоса — они являются захваченными астероидами типа углистых хондритов*, на что указывают их низкое альбедо, невысокая плотность и результаты спектральных измерений.

* Хондриты — каменные метеориты, содержащие сферические частицы размером от микроскопических зерен до горошин (прим. ред.).

На внешний слой фунта данных объектов — реголит — безусловно воздействуют солнечный ветер, космические лучи, метеориты и т.д. Кроме того, обнаружение на Земле метеоритов, как было доказано, марсианского происхождения свидетельствует о выбросе вещества с Красной планеты (особенно на ранних этапах эволюции). Часть его могла осесть на Фобосе. Вероятно, происходящие на поверхности малых тел процессы непосредственно связаны с химическим составом коренных пород. Изучение их наружного слоя позволит получить сведения о глубинном веществе, сформировавшем планеты, в том числе и Землю.

Измерения характеристик плазменной составляющей околомарсианского пространства, выполненные космическими аппаратами «Марс-5» и «Фобос-2», свидетельствуют: солнечный ветер испытывает возмущения вблизи орбит спутников Красной планеты. Это позволило предположить там повышенную плотность пылевых частиц — пылевой тор. Наиболее вероятно, что его вызвал выброс материала с Марса и Фобоса при бомбардировке их микрометеоритами. Важную роль в формировании пылевого тора, как показал недавно выполненный численный анализ, играют орбитальные резонансы, обусловленные вариациями давления солнечной радиации.

Надо сказать, что с самых первых отечественных миссий к Марсу проводили плазменные исследования вблизи него, и практически все имеющиеся на сегодняшний день сведения предоставлены нашими космическими аппаратами. Правда, вплоть до последнего времени оставалась неясность в определении его собственного магнитного поля. Восполнила пробел запущенная в 1996 г. и продолжающая сейчас работать американская станция «Марс Глобал Сервейер». С учетом полученных ею данных предстоит изучить взаимодействие солнечного ветра с плазменным окружением Марса, не похожее, например, на происходящее вокруг Земли (с достаточным сильным магнитным полем) или Венеры (без такового). И сделать это поможет российский космический аппарат «Фобос-Грунт».

Программу исследований для новой межпланетной миссии готовят в ИКИ РАН с участием других организаций. Космический комплекс для нее (перелетно-орбитальный модуль, маршевая и тормозная двигательные установки, возвращаемый и спускаемый аппарат) разработали специалисты создавшего советские лунные и межпланетные станции Научно-производственного объединения им. С.А. Лавочкина во главе с генеральным конструктором и генеральным директором Г.М. Полищуком. А наземное изучение образцов грунта Фобоса планируется под руководством академика Э.М. Галимова в Институте геохимии и аналитической химии В.И. Вернадского РАН.