Здесь был робот: как космические аппараты добрались туда, где не ступала нога человека
Первое селфи на поверхности Марса сделал американский марсоход Curiosity 8 сентября 2012 года. Получилось не очень — потом стало лучше: это фото от 31 октября того же года было обработано, чтобы убрать искажения, и кадрировано, но оригинал немногим хуже. Вообще, камера под названием Mars Hand Lens Imager, или MAHLI,установленная на манипуляторе марсохода, предназначалась для маркосъемки в научных целях почвы и камней с расстояния от 2,1 см, но могла делать и другие фотографии — например, самого аппарата. Нет, не на потеху землянам, конечно, а, помимо прочего, для контроля состояния устройства и его местонахождения. Источник: NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems, Julian Herzog / Wikimedia Commons
.jpg){kind=link}
Примерно полтора месяца назад на поверхность Марса совершил мягкую посадку очередной космический аппарат — марсоход НАСА Perseverance — и впервые в истории передал на землю звуки с поверхности другой планеты. Человек до Марса пока не добрался, но мы и на Луне, ближайшей соседке нашей планеты, уже без малого полвека не были. Зато космические аппараты с Земли побывали уже много где. И пусть удача не всегда была благосклонна к нашим роботам, тем не менее их следы остались на пыльных дорожках немалого числа планет и других небесных тел.
Луна
Первым рукотворным объектом с Земли, коснувшемся поверхности другого небесного тела, стала советская космическая станция «Луна-2» — это произошло 14 сентября 1959 года в 00 часов 02 минуты по московскому времени. Станция на скорости 11 800 км/ч врезалась в поверхность спутника Земли, образовав на ней очередной кратер диаметром от 15 до 130 метров в районе Моря Дождей. Зачем она эта сделала и что случилось с «Луной-1»?
Начнем с конца: «Луна-1», запущенная девятью месяцами ранее, хотя и стала первым в мире космическим аппаратом, достигшим второй космической скорости и преодолевшим притяжение Земли, промахнулась мимо Луны и вышла на гелиоцентрическую орбиту, где, вероятно, пребывает по сей день. А создание кратера с помощью 390-килограммовой «Луны-2» — часть научной программы. До этого аппарат, к слову, не оборудованный собственным двигателем, успел провести измерения солнечного ветра, подтвердить отсутствие магнитосферы у Луны и выполнить иные научные исследования, а главное — показать научному сообществу, во-первых, возможность достижения другой планеты, а во-вторых, возможности советской науки.
Первую мягкую посадку на Луну удалось выполнить только шестью годами позже советской же космической станции «Луна-9», чему предшествовало более десятка неудачных попыток: аппараты то сходили с обриты вместе с ракетами из-за технических неполадок, то разбивались о поверхность Луны. Наконец, 3 февраля 1966 года «Луна-9» передала первые в истории снимки с поверхности спутника Земли.
Помимо научного оборудования, на борту «Луны-2» находились два предмета, названных вымпелами (на фото копия из Канзасского центра космосферы и космоса), — стальные шары из 72-х пятиугольных сегментов, один диаметром 150 мм, другой — 90 мм. Внутри шаров были заряды взрывчатки, призванные погасить энергию удара о поверхность и сделать возможным сохранение сегментов в лунном грунте. Совершенно не исключено, что некоторые их них так там и лежат. Источник: Patrick Pelletier / Wikimedia Commons
Венера
Следующим объектом для исследования роботами была выбрана ближайшая к Земле планета Солнечной система — Венера. Обратим внимание читателя, что планетой, согласно определению Международного астрономического союза от 2006 года, называется небесное тело, вращающееся вокруг звезды (или ее остатков — но не другой планеты), достаточно массивное, чтобы принять форму, близкую к сферической под действием собственной гравитации и являющееся гравитационной доминантой на собственной орбите, то есть разогнавшее другие тела с орбиты или сделавшее их своими спутниками. Почему Венера , а не Марс? По нескольким причинам.
Во-первых, Венера значительно ближе: в среднем расстояние от Земли до нее составляет 40 млн км, а в периоды сближения сокращается до 38 млн км, тогда как минимальная дистанция до Марса — 54,6 млн км, а средняя — 225 млн км (для сравнения: среднее расстояние от Земли до Солнца — примерно 150 млн км). Во-вторых, несмотря на бóльшую удаленность, поверхность Марса относительно хорошо видна в телескоп. В-третьих, и это отчасти следует из первых двух пунктов, с Марсом всё примерно понятно: небольшая (примерно вдвое меньше Земли) удаленная холодная планета с тонкой атмосферой — с большой вероятностью безжизненная пустыня. Венера же — совсем друге дело: находится в зоне, где может возникать и поддерживаться развитая жизнь, примерно одного размера с Землей, и ее поверхность скрыта под плотной облачностью. А вдруг там джунгли? Вдруг тропические острова посреди теплого океана?
Чтобы выяснить, как обстоят дела на этом курорте, советские инженеры и учетные задумали послать туда первую в истории межпланетную станцию. С первой попытки не получилось: запущенная в начале 1961-го «Венера-1» не добралась до Венеры и вышла на гелиоцентрическую орбиту. За ней в 1965-м последовали «Венера-2» и «Венера-3», запущенные с разницей в несколько дней. «Венера-2» опять-таки сломалась в дороге, а «Венера-3» дотянула до планеты, но вместо мягкой посадки из-за отказа части оборудования столкнулась с поверхностью, не передав никаких научных данных перед разрушением. Лишь «Венере-3» удалось войти в атмосферу и передать некоторые научные данные — но относительно немного, так как станцию раздавило давлением атмосферы.
Как это иногда бывает в турпоездках, курорт оказался несколько иного качества, чем предполагалось при покупке путевки: проектировщики предполагали, что на поверхности Венеры давление составляет 10 атмосфер. «Венера-3» (а также «Венера-4» и «-5») были построены с двойным запасом прочности и были способны выдержать 20 атм. Поэтому сначала «Венера-3», а потом и два ее последователя (изменения в конструкцию внести не успели) погибли в паре десятков километров от поверхности. И лишь «Венера-7» в 1970-м добралась до поверхности Венеры целой и невредимой, показав в подробностях, какие условия существуют на планете: температура 475 °C, давление 90 атм. В таких условиях станция проработала 20 минут, став первым космическим аппаратом с Земли, совершившим мягкую посадку на другую планету.
Первого изображения с поверхности Венеры пришлось дожидаться еще пять лет: только в 1975-м «Венера-9» сделала вот такой черно-белый панорамный снимок. В 1982-м «Венера-13» прислала первые цветные снимки с поверхности планеты. Источник: Ted Stryk / Wikimedia Commons
Марс
В продолжение золотого века отечественной космонавтики в 1972 году за Венерой последовал Марс: спускаемый аппарат с советской межпланетной автоматической станции «Марс-3» произвел первую в историю мягкую посадку на поверхность Красной планеты и через полторы минуты после примарсения стал передавать оттуда данные. Длилось это недолго, всего 15 секунд, после чего сигнал прервался и связь с аппаратом была потеряна навсегда. А он как раз начал отправлять первое в истории изображение с Марса...
Почему так случилось, мы, вероятно никогда не узнаем — в числе причин называют повреждения при посадке и пыльную бурю. Как можно видеть из названия станции, это была не первая попытка советских ученых отправить робота на Марс. Запущенный в 1962-м «Марс-1» из-за отказа систем пролетел мимо планеты, не выполнив задачу. За ним в 1971-м последовал «Марс-2» со спускаемым аппаратом на борту — тот должен был произвести мягкую посадку на поверхность, а станция оставалась бы на орбите для проведения исследований, но спускаемый аппарат разбился при посадке, став первым творением рук человека, оставшимся на этой планете.
Последователи «Марса-3» — «Марс-4», «-5», «-6» и «-7» — были запущены в 1973–1974 гг. и достигли Красной планеты почти одновременно. И ни одни из них не выполнил полностью запланированной программы. «Марс-4» и «-5» должны были изучать Марс с орбиты, но первый из-за неполадок пролетел мимо, не выйдя на орбиту планеты, а второй вышел на нее, но проработал там всего две недели и опять-таки из-за неполадок отключился. «Марс-6» и «-7» должны были доставить к планете спускаемые аппараты, а сами остаться на орбите, но «Марс-6» на нее упал, а «Марс-7» прошел мимо.
Впрочем, не стоит думать, что огромные средства, затраченные на такие программы, были потрачены впустую: по дороге к цели и «Венеры», и «Марсы» проводили изучения космического пространства и окрестностей, атмосферы и поверхности планет, да и сам запуск этих аппаратов, особенно сразу четырех, как в случае с последними четырьмя «Марсами», на такое удаление, поддержание связи с ними стали огромным техническим достижением не только для советской, но и в целом для земной мировой науки и техники.
Помимо прочего, на борту «Марса-2» и «-3» находились первые в истории марсоходы (на видео выше их показывают с отметки 8:35) — «Приборы оценки проходимости — Марс», или ПрОП-М. Они подключались к спускаемому аппарату 15-метровым кабелем, умели самостоятельно определять препятствие и решать, как его лучше обойти. По грунту они перемещались при помощи двух лыж, находившихся по бокам и немного приподнимавших аппарат над поверхностью. Разработка приборов велась на протяжении пяти лет коллективом из 150 человек в обстановке строгой секретности. Ни один из ПрОП’ов так и не ступил на поверхность Марса. Источник: SpaceLin / YouTube
Ветры других планет
Долгое время считалось, что микрофон, призванный снимать звук в тех случаях, когда на поверхности небесного тела имеется среда, в которой этот звук мог бы распространяться, увеличил бы массу автоматической межпланетной станции и стал бы еще одним потребителем энергии на борту, при этом не принес бы никакой научной пользы. Вместе с тем ученые и популяризаторы науки неоднократно предлагали снабдить микрофоном аппараты, направлявшиеся на поверхность Марса. Так, американская некоммерческая неправительственная организация Планетарное общество (The Planetary Society), основанная в 1980 году, чтобы всячески поддерживать проекты в области астрономии, исследования планет, освоения космоса и, в частности, повышать их популярность среди широкой аудитории, многие годы потратила на то, чтобы убедить должностных лиц и организации, осуществляющие запуск аппаратов на Марс, оснастить один из них микрофоном. Еще в 1996-м году сооснователь Планетарного общества Карл Саган (Carl Sagan), американский астроном, астрофизик и выдающийся популяризатор науки, писал в НАСА: «Если хотя бы несколько минут звуков с Марса будут записаны в ходе этого эксперимента (работы на поверхности Красной планеты аппарата Mars Polar Lander — прим.), это привлечет большой интерес публики и даст реальную возможность для проведения научных исследований».
И хотя Сагану удалось убедить инженеров НАСА, оснащенный микрофоном Mars Polar Lander разбился при посадке на Марс. Еще примерно полтора десятка лет после этого услышать звуки с Марса не удавалось по разным причинам. И вот, наконец, в прошлом месяце на Марс прибыл и совершил штатную посадку американский марсоход Perseverance, оснащенный сразу двумя микрофонами. Помимо повышения интереса публики к работе ученых, микрофоны призваны — и это главная их задача — помочь следить за техническим состоянием марсохода и помогать в научных исследованиях: к примеру, по тому, какой звук возникает, когда луч лазера Perseverance касается поверхности добытого манипуляторами марсохода камня, можно определить массу и относительную твердость породы, а следовательно, уточнить ее состав и происхождение. 22 февраля этого года НАСА первые в истории человечества опубликовало звуки другой планеты — услышать их можно Спешим предупредить: запись не очень впечатляет — ни пения птиц, ни приветственных криков аборигенов там нет, лишь едва слышные порывы ветра (что не удивительно, учитывая, что атмосферное давление на Марсе эквивалентно примерно 1% земного на уровне моря). Это не умаляет масштаба очередного достижения человечества и не означает, что дальше Perserverance не услышит чего-то более интересного. Кстати, аппарата на Красную планету было как раз весьма впечатляющим.
Заметим также, что в 2005 году космический аппарат «Гюйгенс» передал на землю записанные им во время снижения при посадке на спутник Сатурна Титан (об этом читайте ниже). Как и следовало ожидать, если спускаешься на парашюте через довольно толстую (более 400 км) атмосферу планеты, будет слышен
Астероиды
Следующим рубежом для роботов-исследователей стали астероиды. При том что 98% комет и астероидов Солнечной системы находятся в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера и в облаке Оорта за орбитой Нептуна, некоторые из оставшихся двух процентов могут проходить близко к Земле, поэтому их называют астероидами, сближающимися с Землей. Первым из таких в 1898 году был открыт Эрос, по форме напоминающий арахис в скорлупе. Крупный такой арахис — примерно 13 × 13 × 33 км. К нему-то в США и решили отправить космический аппарат Near Earth Asteroid Rendezvous — NEAR, позже переименованный в NEAR Shoemaker в честь астронома Юджина Шумейкера.
Миссия стартовала в феврале 1996-го, и через 16 месяцев NEAR Shoemaker оказался вблизи астероида Матильда из пояса астероидов — так была проложена траектория космического аппарата. Сделав сотни снимков Матильды и проведя измерения магнитного поля и массы небесного тела, аппарат отправился обратно к Земле, чтобы совершить необходимый для сближения с Эросом маневр, по дороге сделав уникальные снимки Антарктиды. Но на пути к Эросу произошел технический сбой, аппарат не смог совершить маневр для сближения с астероидом, и вся миссия оказалась под угрозой. К счастью, у специалистов НАСА оставались возможности перестроить маршрут аппарата, что и было сделано: NEAR Shoemaker пролетел мимо Эроса, чтобы выйти на орбиту вокруг него годом позже, чем было запланировано. На орбите вокруг астероида аппарат провел почти ровно год, а затем медленно сблизился с ним и 14 февраля 2001-го совершил мягкую посадку на его поверхность, где проработал еще две недели, анализируя состав грунта.
В 2005 году на другой околоземный астероид — Итокава — совершил посадку японский зонд «Хаябуса». Он забрал образцы грунта с поверхности Итокавы и в 2010 году вернулся с ними на Землю, став первым аппаратом, доставившим на нашу планету образцы вещества с астероида. До этого на Землю доставлялись только образцы лунного грунта, солнечного ветра и вещества кометы.
Это изображение составлено из восьми фотографий Эроса, сделанных NEAR Shoemaker с расстояния 200 км от поверхности астероида. Источник: Justin Cowart / Flickr
Титан
Нидерландский астроном Христиан Гюйгенс открыл спутник Сатурна Титан в 1655 году. Спустя 350 лет, 14 января 2005, спускаемый аппарат «Гюйгенс» совершил посадку на поверхность Титана. Это событие стало первой посадкой космического аппарата во внешней Солнечной системе (за пределами пояса астероидов) и самой удаленной от Земли. Этому предшествовало семь лет миссии «Кассини-Гюйгенс» — полета одной из самых крупных и тяжелых межпланетной станций, покидавших околоземную орбиту (5,6 тонн полной массы — только советские «Фобос-1» и «Фобос-2», направлявшиеся к спутнику Марса Фобосу, были крупнее, но они из-за технических неполадок не выполнили научную программы полностью). И какого полета! Вокруг Земли, мимо Венеры и Юпитера к Сатурну, причем после отделения «Гюйгенса» от «Кассини» последний продолжал изучение Сатурна и космической среды еще 12 лет, оставаясь на орбите газового гиганта, и только после двух продлений миссии вошел в атмосферу Сатурна, где и разрушился. «Гюйгенс» же проработал на поверхности Титана около полутора часов при температуре −179,3 °C и давлении метановой атмосферы в 1467,6 мбар (1,45 атм), проведя измерения и сделав снимки окружающего пространства — всего 350 штук. Предполагалось, что фотографий должно быть семьсот, но из-за ошибки в ПО половина визуальных данных не была передана на Землю и оказалась потеряна. Несмотря на это список открытий, сделанных с помощью «Кассини-Гюйгенса», с пояснениями занял бы, вероятно, больше места, чем весь этот материал. Кстати, «Вокруг света» писал об этой миссии в 2006 году, когда до ее завершения еще оставалось много лет.
Миссия «Кассини-Гюйгенс» в цифрах и фото с поверхности Титана, переданное «Гюйгенсом». Освещенность на поверхности спутника близка к таковой на Земле в ранние сумерки, при этом видимость снижена из-за дымки, желтоватый цвет которой придает метан.
Источник: NASA/Jet Propulsion Laboratory-Caltech, ESA/NASA/JPL/University of Arizona / Wikimedia Commons
Кометы
Астрономия долгое время отличалась от других естественных наук тем, что полагалась почти исключительно на наблюдение, ведь провести эксперимент с планетой, звездой или галактикой мы (пока) не можем. Со временем, впрочем, у астрономов появились методы если не распилить объект изучения, чтобы узнать, что у него внутри, то, по крайней мере, воздействовать на него таким образом, чтобы попытаться выяснить его внутреннее строение. Жаль, конечно, что мы не можем взять комету, заглянуть под поверхность и тщательно ее изучить, чтобы узнать, как и из чего она сделана и откуда взялась, но если бросить в нее что-нибудь крупное и посмотреть, что получится — какой глубины кратер, что и как будет разлетаться при ударе, — можно с высокой вероятностью получить научные данные, которые помогут ответить в том числе на перечисленные выше вопросы.
С примерно такими мыслями НАСА в 2005 году запустило к комете Темпеля 1 космический аппарат Deep Impact, состоявший из двух частей: 372-киллограммового модуля Smart Impactor для тарана кометы, и 601-килограммовго модуля Flyby, призванного наблюдать за ударом с безопасного расстояния. Ровно это и произошло: 4 июля 2005, примерно через полгода после запуска, Smart Impactor врезался в тело кометы, создав на ее поверхности кратер диаметром 100 м и глубиной 30 м и породив облако обломков вещества кометы, что позволило лучше узнать состав ее тела и сделать некоторые выводы о строении таких небесных тел.
В 2014-м была выполнена первая мягкая посадка на поверхность тела кометы (Чурюмова — Герасименко) — это сделал зонд «Филы», доставленный европейским аппаратом «Розетта». Об одном из открытий, сделанных в рамках миссии «Розетта», СМИ недавно рассказывали.
При посадке «Филы», не способный к передвижению по поверхности кометы, попал в тень от валуна, из-за чего не смог выполнить всю запланированную научную программу: не хватило энергии — поэтому, в частности, у нас нет фото с поверхности тела. Но зато есть такое фото кометы с «Розетты» с расстояния 2,5 км, на котором можно видеть одну из трех опор зонда. Источник: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA, CC BY-SA IGO 3.0
Меркурий
Ближашая к Солнцу планета остается наименее исследованной из планет земной группы, и за всю историю изучения космоса аппараты летали к ней лишь дважды: в 1974–75 вокруг Меркурия выполнил один пролет и два витка американский «Маринер-10», а в 2011-м до него добрался НАСА’вский MESSENGER (вообще-то в переводе с английского «вестник», но в том же время аббревиатура MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging). Из-за близости Меркурия к Солнцу при проектировании аппарата особое внимание было уделено теплоизоляции и теплоотводу аппарата, да и сам путь с орбиты Земли потребовал многочисленных гравитационных маневров. Будучи запущенным в 2004-м, MESSENGER совершил шесть таких маневров, обогнув Землю и дважды Венеру (второй виток предполагал снижение до верхней границы облаков планеты, то есть до 338 км от поверхности), к 2008-му добрался до Меркурия, но прежде чем выйти на орбиту вокруг него, совершил два пролета, на что понадобилось еще два года. Для сравнения: до Меркурия, который от Земли отделяет в среднем 77 млн км (хотя сейчас до него примерно 200 млн км, а максимальное удаление составляет 222 млн км), MESSENGER добирался четыре года, а зонд New Horizons до системы Плутон — Харон летел девять лет, но от Земли до него порядка 5 млрд км, и даже свет Солнца добирается туда около 4,5 часов.
По программе на орбите Меркурия аппарат должен был находиться двое меркурианских суток, то есть примерно один земной год, но по истечении этого срока миссия была продлена, помимо прочего, для изучения Солнца в период его максимума, и завершилась только в 2015 году. И не потому, что закончились объекты для изучения — дело в том, что к концу 2014-го на борту аппарата закончился газ, с помощью струй которого тот маневрировал в космосе, в том числе поддерживал свою орбиту. Когда это стало невозможно, MESSENGER, работавший до последних мгновений своей жизни, стал постепенно терять высоту над поверхностью Меркурия и в конце концов врезался в нее 15 апреля 2015, став первым и единственным изделием с Земли, достигшим поверхности Меркурия.
Слева показан первый снимок поверхности Меркурия, сделанный аппаратом MESSENGER 29 марта 2011-го спустя две недели после выхода на орбиту планеты, а справа — последний, сделанный и переданный на Землю в день падения. На нем участок поверхности размером примерно в 1 км. Одно из самых известных открытий в рамках миссии MESSENGER — обнаружение на Меркурии воды и органических соединений. Источник: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington / Wikimedia Commo
Источник - журнал "Вокруг Света"