«Техника-молодежи» 1987 г №4, с.42-45
| НА БРЕЮЩЕМ — НАД ФОБОСОМ Межпланетные полеты в 1988 году. |
Советские ученые ведут подготовку нового международного проекта «Фобос». Цель — комплексные исследования Марса, его загадочных спутников Фобоса, Деймоса и, естественно, межпланетного пространства, Солнца.
Следуя добрым традициям программы «Интеркосмос», Академия наук СССР пригласила научные организации других стран участвовать в новой космической экспедиции. С энтузиазмом откликнулись на это предложение ученые Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Чехословакии, Австрии, ФРГ, Финляндии, Франции, Швеции, Швейцарии и Европейского космического агентства. Мы попросили заместителя директора Института космических исследований АН СССР В. М. Балебанова рассказать о задачах и программе нового проекта.
Вячеслав БАЛЕБАНОВ,
заместитель директора ИКИ
АН СССР, лауреат
Государственной премии СССР
Первой после Земли планетой, у которой появились искусственные спутники, стал Марс. В конце 1971 года на его орбиты вышли американский «Маринер-9» и советские «Марс-2» и «Марс-3».
Увы, марсианская погода не благоприятствовала их успешной работе: исключительной силы пылевая буря закрыла тогда от горизонта до горизонта оранжевый диск.
Дождавшись ее окончания, «Маринер-9» все же провел фотографирование поверхности. Спустя два года к планете прибыли советские АМС «Марс-4» и «Марс-5». Но и им помешала пылевая буря. Тем не менее они выполнили съемку районов, которые хотя и плохо, но все же были видны сквозь еще не осевшую пылевую завесу: обширные горные области, пустынные равнины, усеянные кратерами, вулканические зоны.
Особо заинтересовали исследователей речные долины. Ведь реки, вода — это жизнь, если не сейчас, то, возможно, в прошлом.
Судя по отсутствию террас, столь характерных для Земли, долины сформировались, по-видимому, без влияния тектоники. Скорее всего они образовались внезапно, катастрофически, при прохождении больших количеств воды. Но откуда им взяться на маловодном Марсе? Может быть, от таяния мерзлоты? Причинами же послужило резкое изменение климата или, скажем, излияние вулканических лав.
Но чем в таком случае объяснить значительную, в 1-2 км, глубину долин? По мнению ряда исследователей, марсианские реки были особыми — из-за быстрого охлаждения их сковало ледяным панцирем, и текущие под ним воды, испытывая значительное давление, интенсивно вгрызались в русло.
В 1973 году советские АМС впервые измерили давление марсианской атмосферы: 1 мбар на горных вершинах, 10 мбар в низинах; в среднем — в 200 раз меньше, чем на Земле. Она содержит 95% углекислого газа, остальное — кислород, водяной пар, угарный газ, озон, аргон.
Долгое время среди ученых дискутировался вопрос: из чего состоят полярные шапки? Судя по белому цвету, а также по тому, что их размеры зимой увеличиваются, а летом уменьшаются, они сложены изо льда. Но вот очередная космическая экспедиция установила, что лед этот не водный, а сухой. Температура замерзшей углекислоты — 125°С. Позже, впрочем, оказалось, что в состав шапок входит и небольшое количество обычного льда.
По мере того как космические зонды уточняли состав атмосферы, ее динамику, выяснилось, что «кухня» марсианской погоды находится именно над полюсами. На Земле, как мы знаем, — над океанами. В первом приближении метеорологические сезонные изменения происходят следующим образом.
Осенью, когда средняя температура падает ниже -73°С, водяные пары (их в марсианской атмосфере примерно в 1000 раз меньше, чем в земной) вымораживаются. Выпадает устойчивый, в несколько миллиметров толщиной, ледяной покров. Наступает зима. При дальнейшем понижении температуры насыщенный углекислым газом лед превращается сначала в газгидрат, затем распадается на твердые углекислоту и воду. При этом выделяется столь значительная теплота фазового перехода, что ниже — 125°С — это точка конденсации СО, — температура на планете не опускается.
Весной, когда полярная шапка постепенно испаряется, огромные массы СO2 выбрасываются в атмосферу. Давление резко повышается. Потоки газа устремляются в осеннее полушарие, захватывая с поверхности мелкие частицы. С усилением ветра до 100 м/с количество поднятой пыли возрастает настолько, что возникает антипарниковый эффект. Пылевые облака перехватывают значительную часть солнечной энергии, вследствие чего атмосфера разогревается, а поверхность несколько остывает. При этом создаются местные перепады температур, из-за чего ветры еще более усиливаются.
Существует гипотеза, что полярные шапки могут периодически исчезать. Дело в том, что наклонение оси вращения Марса меняется значительно больше, чем у Земли, — от 15° до 35°, ведь у него нет столь массивного спутника, как Луна у Земли. При максимальном наклонении — это случается раз в 120 тыс. лет — лед на полюсах полностью испарится, при минимальном — вымерзнет значительная часть атмосферы (и примерно в 10 раз упадет ее среднее давление).
Итак, очень разреженная углекислая атмосфера, низкие температуры, отсутствие, как было установлено в ходе полетов АМС, заметного магнитного поля, которое могло бы защитить поверхность от бомбардировки заряженными частицами, — таков набор фактов, сильно подорвавших позиции сторонников «населенного» Марса. Однако вопрос — есть ли жизнь на Марсе? — до сих пор открыт даже после того, как портативные химические лаборатории «Викингов» произвели анализ грунта. «Результаты неоднозначны. И очень не похожи на те, что ожидались», — сделали вывод исследователи. Реакции, которые на Земле длятся до двух недель, здесь завершились за двое суток. А может, марсианские микроорганизмы гораздо активнее земных? Или причина в неизвестных химических свойствах грунта планеты?
Микрофлору не обнаружили. Высокочувствительный прибор, который при дополетных испытаниях «опознал» в антарктическом грунте более 20 органических соединений, в марсианском зарегистрировал лишь кислород, водяной пар и углекислый газ. И никаких следов органики!
И все же — есть ли жизнь на Марсе? Если суммировать наши сегодняшние знания об этой планете, то, даже не имея доказательств о существовании там жизни, трудно обосновать и причины, по которым ее там не может быть.
Загадки спутников. Нерешенных проблем предостаточно не только на Марсе, но и на его спутниках, один из которых — Фобос — из-за приливного, как говорят астрономы, рассеяния энергии медленно приближается к планете, а другой — Деймос — наоборот, удаляется.
Достаточно сказать, что наблюдениями с Земли долго не удавалось точно установить ни массу, ни размеры этих небесных тел. Измерения, выполненные с борта АМС, показали, что они почти вдвое больше, чем предполагалось. Их форма неровная, а поверхность изрыта кратерами ударного происхождения.
Любопытная деталь: фотокамеры «Викинга» обнаружили на Фобосе множество прямых параллельных борозд шириной 200-300 м и глубиной 20-30 м. Почти все они начинаются у крупнейшего — диаметром 10 км — кратера Стикни, занявшего более трети поперечника самого спутника. Видимо, столкновение с метеоритом было настолько сильным, что это привело к растрескиванию Фобоса?
Его масса в 1,5 раза меньше ожидавшейся, а плотность около 2 г/см3. Следовательно, он не может, как считали раньше, состоять из плотных, переплавленных вулканическими процессами пород, из которых сложены его кора и мантия. Спектральные наблюдения показали, что отражательная способность Фобоса такая же, как и у углистых хондритов (каменных метеоритов).
А вот другая загадка. У Деймоса, сложенного из того же материала, что и его собрат по планете, рельеф совершенно иной: на поверхности, засыпанной многометровым слоем реголита, нет ни борозд, ни сколь-нибудь крупных кратеров.
Вызывает удивление и неправильная форма спутников. Может быть, это хорошо сохранившиеся астероиды, захваченные в древнейшие времена Марсом из расположенного по соседству пояса астероидов? Тогда они из-за своей малой массы не должны были претерпеть существенных геологических изменений с момента образования Солнечной системы! Ну а поскольку поверхностный реголит под действием солнечного ветра и метеоритной бомбардировки все-таки подвергся определенной переработке, его изучение позволит судить не только об условиях формирования тел Солнечной системы около 4,5 млрд. лет назад, но и об их последующей эволюции.
Таким образом, исследование Марса и его спутников представляет чрезвычайно большой интерес для науки. Ответы на многие вопросы, которые планируется получить в рамках проекта «Фобос», помогут лучше познать происхождение Земли, приблизиться к пониманию причин, обусловивших уникальность нашей планеты в Солнечной системе.
Задание космороботам. В июле 1988 года с космодрома Байконур стартует с интервалом в несколько дней два космических аппарата. Мощные «Протоны» выведут их на промежуточную орбиту ИСЗ, откуда они отправятся в 200-суточный полет в окрестности четвертой, считая от Солнца, планеты.
Ее расположение к моменту их полета будет таково, что они смогут попасть лишь на вытянутые эллиптические орбиты искусственного спутника Марса, ближайшая точка которой (перигей) находится в нескольких тысячах километров от поверхности планеты. Но эти орбиты будут временными, или, как говорят баллистики, промежуточными. Проработав на них около 60 суток, станции перейдут на круговые «орбиты наблюдения» с периодом обращения 8 часов и перицентром 9700 км.
Мощные приборные комплексы обеих станций займутся изучением поверхности и атмосферы красной планеты.
Как всегда, предпочтение отдается телевизионной съемке. Ее проведут в трех спектральных каналах сразу, затем ЭВМ из черно-белых снимков синтезирует цветной (подобно тому, как это было сделано с фотопортретом кометы Галлея). Полученные ИК-изображения поверхности Марса позволят детально изучить тепловую инерцию грунта, оконтурить районы вечной мерзлоты и очаги внутреннего, вулканического тепла.
Определение элементного и изотопного состава грунта поверхности марсианской луны. Дистанционный лазерный масс-спектрометрический анализ грунта производится на расстоянии 50 м. По времени пролета испарившегося вещества от исследуемой поверхности, определяемому массой частиц, рассчитывается вид элемента. В течение каждого цикла измерений будет зарегистрировано примерно 1 млн. ионов.  |
В 1974 году советская АМС «Марс-5», регистрируя гамма-излучение Марса, впервые определила характер его пород в обширном экваториальном районе. Продолжая эти работы, космороботы получат информацию об основных породообразующих элементах — магнии, алюминии, сере, железе, а также о радиоактивных уране, тории, калии (последнее необходимо для изучения так называемой тепловой истории красной планеты).
Разумеется, чтобы разгадать большинство марсианских загадок, нужно точно знать, как именно распределены в атмосфере планеты озон, водяной пар, молекулярный кислород, пыль. Этим займутся спектрометрические приборы. Одновременно радио— и фотометрические приборы «выведут» вертикальные профили температуры, давления, причем в их сезонной и суточной динамике. Такие сведения позволят исследователям создать более полные фотохимические модели марсианской атмосферы, понять причины зарождения пылевых бурь, четче представить динамику газообмена между атмосферой и полярными шапками. Не исключено, что, определив соотношение между дейтерием и водородом в атмосфере Марса, ученым удастся понять причины, приведшие к исчезновению «жидкой» воды.
 Изучение состава поверхностного слоя грунта Фобоса. С борта аппарата, находящегося на высоте 50-100 м от Фобоса, инжектируется пучок ионов. Выбиваемые ими из грунта вторичные ионы регистрируются с помощью масс-анализатора. По полученному спектру судят о содержании элементов. |
Солнечный ветер в парусах ионосферы. Подобно тому, как корабельный локатор позволяет рулевому зримо представить рельеф скрытой в тумане береговой линии, так и установленный на борту АМС импульсный радиозонд многое расскажет ученым о невидимых слоях ионосферы красной планеты. Известно, что в зависимости от концентрации заряженных частиц в плазме электромагнитное излучение либо проходит через нее, либо отражается. Зондируя ионосферную плазму набором радиоимпульсов с возрастающей частотой, которые последовательно отразятся от ее различных слоев, можно точно измерить время, затраченное каждым импульсом на путь туда и обратно. А следовательно, определить толщину слоев, высоту, на которой они находятся, и другие данные, характеризующие структуру этой оболочки планеты.
До недавнего времени ионосферу Земли зондировали снизу, используя ионосферные станции, потом сверху, оснащая ими ИСЗ (например, «Интеркосмос-19»). А вот исследования ионосферы других планет будут проводиться впервые. Полученные данные позволяют многое прояснить и в природе магнитного поля Марса!
Вспомним: межпланетное пространство заполнено потоками плазмы, непрерывно испускаемой Солнцем. И хотя она чрезвычайно разрежена — в 1 см3 содержится не более нескольких десятков частиц, которые вследствие этого даже не сталкиваются друг с другом, — тем не менее планетарные магнитные поля (а при их отсутствии — газовые оболочки планет) активно взаимодействуют с солнечным ветром.
Когда плазма налетает, скажем, на земное магнитное поле, оно останавливает ее на расстоянии 60 тыс. км от Земли. Само магнитное поле как бы «поджимается», его силовые линии «сметаются» с дневной стороны планеты на ночную. Образуется вытянутая в форме кометы область — магнитосфера, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли. Солнечный ветер в эту зону непосредственно не проникает, поэтому ионосфера оказывается защищенной от него.
На планетах, лишенных такого надежного магнитного «щита», картина иная. Две плазмы — солнечная и планетная, то есть ионосферная, — интенсивно взаимодействуют между собой. Под напором солнечного ветра ионосфера, например, Венеры с фронта оказывается сильно поджатой, а на флангах, где его давление слабее, раздувается.
Ну а что происходит у Марса? Анализ данных, полученных советскими АМС, позволяет прийти к выводу, что собственное магнитное поле у этой планеты есть, но оно, по-видимому, в десятки тысяч раз слабее, чем у Земли. Поэтому пока не ясно, может ли оно служить таким «щитом» от солнечного ветра, как земное поле для нашей планеты.
Если представить, что Марс, как и Земля, защищен магнитным «щитом», то поведение ионосферы должно быть подобно земной. Ну а если ближе к венерианской? Значит, магнитное поле красной планеты столь мало, что солнечный ветер «не замечает» его присутствия.
Почему подобные тонкости важно знать? Дело в том, что, по современным воззрениям, образование магнитных полей планет тесно связано с их внутренним строением. Из теории, в частности, следует, что небесное тело, обладающее собственным магнитным полем, должно иметь жидкое ядро и достаточно быстро вращаться. В среднем плотности Венеры, Земли и Марса примерно одинаковы. Следовательно, и внутреннее их строение должно
 Долгоживущая автономная станция (ДАС) |
Охота за Фобосом. На круговых орбитах с перицентром 9700 км АМС будут находиться от 35 до 140 суток. Отсюда они начнут своего рода охоту за Фобосом, который летает на 300 км ниже. Поскольку точных сведений об орбитах марсианских спутников нет, станции сначала проведут в автономном режиме навигационные измерения параметров своего движения относительно Фобоса, затем, уточнив в процессе телевизионных съемок формы и детали его рельефа, подберут для себя посадочные площадки.
Тем временем наземные вычислительные комплексы, завершив обработку поступившей информации, передадут на борт АМС команды: перейти на синхронные с Фобосом орбиты (см. 4-ю стр. обложки). При снижении, когда до поверхности останется 35 км, космороботы возьмут управление на себя.
Когда же аппараты опустятся еще ниже и зависнут на 50-метровой высоте, начнется один из самых артистичных «номеров» программы «Фобос». Пройдя участок зависания на бреющем полете, что лишь ненамного быстрее пешехода (около 2 м/с), космороботы дистанционно исследуют химические и физические свойства грунта.
Произойдет это так: с борта АМС на крохотный участок поверхности, площадью всего 1 мм2, будет сфокусирован лазерный луч. Плотность энергии в освещенном пятне превысит 10 МВт, поэтому пыль, покрывающая марсианскую луну тонким слоем, моментально, со взрывом, испарится. Бортовой масс-спектрометр, проанализировав образовавшееся при этом облачко плазмы, тут же выдаст сведения о составе испарившегося грунта. По полученным данным, естественно, можно судить и о составе коренных пород, из которых образовалась пыль. Уместно подчеркнуть: этот уникальный космический лазер предназначен сугубо для мирных научных целей.
В процессе телевизионной съемки исследователи ожидают, что удастся различить детали поверхности размером до 6 см. Будут составлены топографические, структурно-морфологические и т. п. карты Фобоса, что необходимо для координатной привязки всех выполненных измерений.
В конце участка зависания от АМС (с интервалом в несколько дней) отделятся долгоживущие автономные станции (ДАС).
Первыми коснутся грунта Фобоса выступающие контактные датчики посадочного блока и тут же выдадут команду: «заякориться» на поверхности. Раздастся взрыв пиротехнических зарядов. Из причального устройства вырвется и вопьется в грунт якорь-гарпун. Подобные меры предосторожности отнюдь не лишни: ведь сила тяжести на Фобосе в 1000 раз меньше земной. Поэтому для устойчивого сохранения станцией «штатного» положения — посадочной плитой вниз — она должна надежно «вцепиться» в поверхность. Затем раскроются элементы конструкции ДАС, панели солнечных батарей и датчики научной аппаратуры обратятся к Солнцу.
Одна из задач ДАС — длительные измерения орбитальных параметров Фобоса. Поскольку спутник Марса мал, влиянием негравитационных сил на его движение можно пренебречь, весьма слабо воздействует на него и нерегулярность распределения масс внутри его. В этих условиях подача радиосигналов бортовым передатчиком ДАС и их прием 70-метровыми антеннами в Евпатории и Уссурийске, а также 64-метровой антенной под Москвой позволит провести уникальные исследования по механике Солнечной системы, уточнить ряд ее важнейших параметров. Тех читателей, кто желает подробнее ознакомиться с так называемым методом глобальной интерферометрии с «большой базой», впервые примененном в международном проекте «Вега», отсылаем к «ТМ» № 4 за 1986 год. А как же будут принимать телеметрическую информацию ДАС, когда они окажутся вне зоны радиовидимости с территории нашей страны? В этом случае в работу включатся радиотелескопы, расположенные в Западной Европе, Северной и Южной Америке, Африке и Австралии.
Схема работы посадочного передвигающегося зонда. |
Еще один интересный эксперимент, требующий большого времени для своего проведения, связан с исследованием либрации Фобоса, а именно: его периодических маятникообразных колебаний под влиянием притяжения Марса и Солнца. Положение спутника будет с большой точностью определяться по радиоинтерференционным измерениям сигналов от находящихся в разных местах передатчиков, а положение Солнца будет независимо фиксироваться направленными на него оптическими датчиками ДАС.
Само собой разумеется, что ДАС займутся исследованиями и самого грунта — выяснением его структуры, физико-механических свойств. И хотя, как уже говорилось, основной объем информации по элементному составу будет получен лазерным зондированием, эти прямые измерения не менее важны, скажем, для калибровки аппаратуры, последующей интерпретации дистанционных измерений.
Правомерен вопрос: достаточно ли изучить небесное тело в двух точках, чтобы составить представление о веществе, из которого оно сложено? По-видимому, нет. Поэтому разработчики проекта «Фобос» наряду с посадкой двух ДАС предусмотрели и доставку на марсианский спутник двух малых мобильных зондов. Отделившись от АМС и совершив посадку, они выпустят «усы» устройства ориентирования. Затем, опираясь на них, приведут себя в рабочее положение и приступят к измерениям физико-механических свойств грунта. Полученную информацию передадут на Землю. Каждый из циклов работы — а всего их планируется около 10 — завершится 20-метровым прыжком аппарата с помощью устройства отталкивания. Успокоившись, зонд-попрыгунчик вновь готов к работе.
«Идея использования подобной техники столь новаторская, что потрясает умы», — заявил, ознакомившись с проектом, один из американских ученых. Поскольку в 1990 году и США намерены запустить космический корабль для исследования Марса с орбиты ИСМ, то, по мнению ведущих специалистов, координация программы этого полета с итогами проекта «Фобос» позволила бы достичь максимальных научных результатов. Такая совместная работа ученых будет способствовать не только расширению знаний о Солнечной системе, но и дальнейшему углублению взаимопонимания и дружбы между народами.
