Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Меркурий - планета ближайшая к Солнцу

Космические исследователи Меркурия

Завершение миссии: прощание с Меркурием

     30 апреля специалисты Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (США), осуществлявшие управление миссией Messenger, объявили о ее завершении. Одноименный космический аппарат, ставший первым в истории космонавтики искусственным спутником Меркурия и второй после Mariner 10 миссией, осуществлявшей его исследование из космоса, прекратил свое существование в результате соударения с поверхностью Меркурия 30 апреля в 15:26:02 EDT (19:26:02 GMT) по бортовому времени КА. Его орбитальная скорость была близка к 3910 м/с, и, по расчетам специалистов, после удара на поверхности планеты должен был остаться кратер диаметром примерно 16 м.

Космический аппарат MESSENGER
Мозаичный «портрет» кратера Абедин на Меркурии. Его дно покрыто слоем материала, расплавленного энергией падения породившего тела и покрывшегося трещинами в процессе остывания. Особенно интересна неглубокая депрессия между центральными пиками: она может быть вулканической по происхождению, так как окружена красноватым материалом, известным по другим местам взрывного вулканизма.
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Непосредственно процесс соударения не был зафиксирован штатными средствами управления полетом либо иными наземными или космическими телескопами, поскольку аппарат упал на полушарие планеты, обращенное в противоположную от Земли сторону. Кроме того, это событие произошло вскоре после соединения Меркурия с Солнцем, что не позволяло наблюдать его космическими телескопами из-за опасности «засветки» и повреждения чувствительных элементов.
     Запуск аппарата Messenger, на создание которого было затрачено 450 млн $, состоялся 3 августа 2004 г. После семилетнего перелета с шестью гравитационными маневрами около Земли, Венеры и самого Меркурия аппарат был наконец выведен на орбиту вокруг планеты 18 марта 2011 г. и приступил к осуществлению научной программы. Спустя год, как изначально и планировалось, основная программа исследований была завершена. Однако полученные результаты, в свою очередь, поставили множество новых вопросов. И поскольку бортовые системы и научная полезная нагрузка станции оставались вполне работоспособными, NASA дважды - в 2012 и 2013 гг. - принимало решение продлить миссию, что позволило продолжить наблюдения с чрезвычайно малых высот и получить беспрецедентно подробные изображения поверхности планеты и информацию о ее составе.

Космический аппарат MESSENGER
Мозаичный «портрет» кратера Хокусай (Hokusai) на Меркурии.
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Срок второго продления истек 18 марта 2015 г., тем не менее инженерам удавалось удерживать станцию на орбите еще полтора месяца. По сути это было третье продление миссии, в ходе которого космический аппарат опускался в перицентре до предельно низких высот - от 5 до 35 км. За этот дополнительный срок ученым удалось собрать важную информацию, которая может пролить свет на магнитные аномалии Меркурия и его заполненные льдом полярные кратеры.

Космический аппарат MESSENGER
Обширные вулканические равнины севера.
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     «Сегодня мы прощаемся с одним из наиболее совершенных космических кораблей, когда-либо исследовавших наши соседние планеты, - заявил 30 апреля Шон Соломон (Sean С. Solomon), научный руководитель проекта Messenger и директор Обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета. - Messenger установил рекорд по числу гравитационных маневров, провел более четырех лет на орбите вокруг ближайшей к Солнцу планеты и на протяжении всей своей миссии выдерживал экстремальные тепловые и радиационные нагрузки. Изобретательная и преданная команда инженеров и операторов миссии, ученые и руководители могут гордиться тем, что миссия Messenger превзошла все ожидания и завершилась потрясающе длинным списком открытий, которые изменили наши взгляды не только на одну из планет земной группы, но и на всю внутреннюю Солнечную систему».

Послужной список

     Развивая мысль, высказанную Шоном Соломоном, напомним, что миссия Messenger продолжалась 3922 дня 13 час 09 мин и 53 сек, считая с момента старта, или 1504 дня 18 час 40 мин и 34 сек с момента выхода на орбиту вокруг Меркурия. Аппарат совершил 4104 полных витка, сделал более 250000 снимков поверхности и выполнил уникальные научные исследования. В ходе трех пролетов Меркурия и последующих четырех лет работы на Землю было передано более 10 терабайт информации.

     Среди основных научных открытий Messenger'a следует назвать:

     • открытие летучих элементов, испаряющихся при умеренно высоких температурах;
     • обнаружение водяного льда в перманентно затененных околополярных кратерах и подтверждение гипотезы о его наличии, высказанной в 1991 г. после открытия на радиотелескопе Аресибо аномального отражения радиоволн от полярных областей Меркурия;
     • обнаружение темного органического материала, покрывающего ледяные образования в некоторых кратерах, природа которого на данный момент не понятна;
     • выявление нерегулярных полостей-впадин, которые, по мнению ученых, являются уникальными особенностями ландшафта Меркурия и механизм образования которых пока также непонятен;

Космический аппарат MESSENGER
Детальная топографическая карта северного полушария Меркурия по данным многолетних измерений высотомера MLA включает гладкую вулканическую равнину и загадочное северное поднятие. Разность между наименьшей (синий) и наибольшей (красный) высотами достигает 10 км.
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     • составление подробной карты поверхности Меркурия, изображения большей части которой были получены впервые. Особый интерес представляет бассейн Калорис - один из наиболее крупных и наиболее молодых ударных кратеров в Солнечной системе;
     • определение химического состава поверхности, выявление и изучение следов вулканической деятельности;
     • раскрытие необычной внутренней структуры Меркурия и изучение его геологической истории;
     • определение химического состава экзосферы планеты и его вариаций в зависимости от времени года и суток, обнаружение экзосферного «хвоста», вызванного взаимодействием с солнечным ветром;
     • исследование магнитосферы Меркурия и подтверждение магнитодинамического механизма ее образования - ранее считалось, что процессы остывания ядра Меркурия давно завершены и оно не способно генерировать магнитное поле;
     • обнаружение смещения магнитного поля от оси вращения Меркурия на величину примерно 0.2 радиуса планеты;
     • открытие высокой динамичности магнитосферы Меркурия вследствие взаимодействия с солнечным ветром.
     • открытие энергичных электронов и магнитосферных токов.

     Перечисляя научные достижения, нельзя обойти стороной и технологические, к которым относятся, в первую очередь, реализованные в проекте схемные и конструктивные решения, позволившие аппарату выдержать сложные условия перелета и орбитального функционирования и обеспечившие успех миссии. В первую очередь среди них следует отметить керамический солнечный экран, защищавший бортовую аппаратуру и научные инструменты от испепеляющего излучения: его внешняя поверхность нагревалась до +300°С, но в тени за щитом сохранялась комфортная для аппаратуры практически комнатная температура +20°С.

     Из числа других технических решений следует упомянуть:

     • предельно плотную компоновку, позволившую обеспечить максимум функциональных возможностей при минимальной массе;
     • управление солнечными батареями с целью поддержания их теплового режима - по мере приближения к Солнцу панели фотоэлектронных преобразователей отворачивались в сторону от светила, при этом снижение мощности сопровождалось понижением температуры панели;
     • использование концентраторов в конструкции панелей солнечных батарей;
     • отказ от применения массивных и восприимчивых к интенсивному тепловому воздействию крупногабаритных параболических антенн, традиционных для дальних космических миссий, в пользу неподвижных фазированных антенных решеток, обладающих меньшей приведенной массой и меньшим риском механического повреждения;
     • первое применение программной системы SciBox в ходе планирования, оптимизации и генерирования последовательности управляющих команд для всей научной полезной нагрузки миссии - ранее это средство применялось только при управлении индивидуальными инструментами миссий Cassini и MRO;
     • использование давления солнечного света на аппарат для тонкой подстройки траектории при осуществлении трех гравитационных маневров около Меркурия, что дало возможность сэкономить топливо и снизить риск неудачи при сборе научных данных в ходе пролета;
     • использование газов наддува топливных баков для создания тяги двигательной установки после исчерпания бортовых запасов топлива.

     Уже из этого перечня становится понятным, что полет к Меркурию был поистине уникальным и с научной, и с технологической точки зрения. Потому в его итогах ученым и инженерам разбираться придется еще долго.

Окончание полета

     Как известно, все на свете когда-то кончается. После того, как 18 марта закончился второй дополнительный срок, инженеры и специалисты прекрасно сознавали, что существовать аппарату остается недолго. Ориентация орбиты была такова, что под влиянием возмущений со стороны Солнца высота перицентра постепенно снижалась, а топлива для периодического подъема орбиты уже почти не было. Тем не менее какой-то запас времени еще оставался. И чтобы извлечь из него максимальную пользу, специалисты решили осуществить третье продление миссии, получившее название «кампания парения».
     Логика решения заключалась в том, что после полного выполнения всей запланированной программы исследований терять уже в общем-то было нечего, а потому стоило попробовать рискованный режим полета с предельно низкими значениями высоты в перицентре. Ничего хуже, чем разбиться о поверхность, спутнику все равно не грозило, а в случае успеха можно было рассчитывать на уникальные снимки Меркурия и результаты научных измерений с предельно малых высот.
     С этого момента все коррекции орбиты имели одну цель - постараться последними остатками топлива максимально отсрочить момент падения.
     Так, осуществленный 18 марта в апогее эллиптической орбиты - маневр ОСМ-13 с приращением скорости 3.07 м/с обеспечил подъем перицентра с отметки 11.6 км до 34.5 км, причем период обращения составил 496.5 мин. Однако ко 2 апреля орбита вновь деградировала и на момент маневра ОСМ-14 высота перицентра была уже всего 5.5 км! На этот раз четыре двигателя выдали импульс 2.96 м/с и подняли перицентр до 27.5 км.

Космический аппарат MESSENGER
Съемка Меркурия камерой MDIS проводилась с 29 марта 2011 г. по 30 апреля 2015 г. На первый снимок (слева) с разрешением 2.7 км попал 80-километровый кратер Дебюсси. Последний кадр миссии с разрешением 2.1 м был сделан с предельно малой высоты над точкой 72.0°с.ш., 13б.2°з.д., но охватил район шириной всего около 1 км на дне кратера Йокаи (Jokai)
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Считалось, что остатков гидразина в баках хватит еще на одно включение двигателей, и 6 апреля специалисты миссии осуществили маневр OCM-15. Однако топливо закончилось раньше, чем предполагалось, и суммарная величина импульса составила лишь 1.77 м/с, хотя и обеспечила подъем с 13.1 км до 25.7 км.
     В связи с этим инженеры миссии запланировали на 8 апреля дополнительный маневр ОСМ-15А, который должен был обеспечить недостающее приращение скорости с использованием в качестве рабочего тела сжатого гелия, предназначавшегося для наддува топливных баков. Эта уникальная операция принесла успех: приращение скорости составило 1.94 м/с, перицентр удалось поднять с 18.2 до 29.1 км.
     На запасах газа наддува были осуществлены еще два маневра поддержания орбиты. 14 апреля в ходе ОСМ-16 высота периапсиса была поднята с 6.5 до 13.3 км. Через десять дней она снова снизилась до 8.3 км, и 24 апреля был предпринят ОСМ-17 с подъемом до 18.2 км.

Космический аппарат MESSENGER
График высоты перицентра за последние полтора месяца работы АМС Messenger
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Наконец, 28 апреля в 17:20 EDT по бортовым часам состоялся последний маневр ОСМ-18, цель которого заключалась в обеспечении падения аппарата на определенном витке и в заданном районе. Он продолжался 3.02 мин и обеспечил приращение скорости всего в 0.45 м/с. В результате перицентр поднялся с 5.3 до 6.З км, а период обращения вырос до 501.3 мин.

Космический аппарат MESSENGER
Предполагаемое место падения аппарата и профиль полета последних минут
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Последний виток Messenger'a с управлением полетом в реальном времени начался 30 апреля в 11:15 EDT, когда через 70-метровую антенну сети DSN в Мадриде на аппарат были отправлены команды считывания последних данных и изображений. После плановой передачи связи на 34-метровую антенну в Голдстоуне (Калифорния) на борт была отправлена команда переключения бортового радиокомплекса в режим радиомаяка, и в 15:04 EDT операторы подтвердили ее исполнение. Настроение в Центре управления полетом в APL было праздничным и грустным одновременно: члены команды в последний раз слышали аппарат, с которым проработали более четырех лет.

Космический аппарат MESSENGER
Предполагаемое место падения аппарата и профиль полета последних минут
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     «Мы следили за сигналом маяка еще около 25 минут, - пояснил руководитель полета Энди Коллоуэй (Andy Calloway). Операторы знали, что Messenger столкнется с меркурианской горной грядой в 15:26 бортового времени, или в 15:34 по земному, а радиозаход по расчету был в 15:29.- Было очень непривычно сознавать, что в эти последние три минуты Messenger уже должен упасть на Меркурий, но мы еще не можем этого подтвердить...» Однако сигнал почему-то стал стихать на четыре минуты раньше, и в 15:25 смолк.

Космический аппарат MESSENGER
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ MESSENGER

     Согласно баллистическим расчетам, перед гибелью Messenger должен был пройти на высоте нескольких километров над заполненным застывшей лавой ударным кратером Шекспир, после чего столкнуться с безымянным хребтом в точке с приблизительными координатами 54.5° с.ш. и 210.1° в.д.
     Если бы соударение не состоялось, то в 15:38 EDT аппарат должен был вновь выйти из-за Меркурия. На всякий случай операторы слушали сигнал из Голдстоуна, но, как и ожидалось, космос ответил молчанием. Модель движения КА оказалась правильной: гравитация Солнца сделала свое дело...

Следующие шаги

     Следующей миссией, которую человечество направит к первой от Солнца планете, должна стать BepiColombo. Работы по ней ведут совместно ЕКА и JAXA, и в ее состав должны войти уже два аппарата - Mercury Planetary Orbiter (MPO) и Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), в процессе перелета размещаемые на общей платформе Mercury Transfer Module (МТМ).
     В ходе подготовки уже пройдено много важных этапов. Так, аппарат MPO прошел успешные термовакуумные испытания в Европейском центре космической техники ESTEC, a MMO завершил испытания на воздействие факторов космического пространства.
     В ближайшее время ожидается доставка MMO в Европу и стыковка всех трех изделий в единую сборку.
     Стартовое окно для миссии открывается в июле 2016 г. Однако из-за задержек в закупках критических элементов и готовности некоторых приборов полезной нагрузки было решено отложить старт для уменьшения риска. Таким образом, предстартовая подготовка миссии завершится в декабре 2016 г„ тем самым следующая возможность для старта с космодрома Куру на носителе Ariane 5 откроется 27 января 2017 г. По заверениям баллистиков, такая задержка старта не повлечет отсрочки выхода КА на орбиту вокруг Меркурия, который ожидается в январе 2024 г.
     В отличие от Messenger'a с его гидразиновыми двигателями, BepiColombo оснащен высокоэффективной электроракетной двигательной установкой. Тем не менее на пути к Меркурию запланированы восемь (!) гравитационных маневров: аппарат один раз вернется к Земле (июль 2018), затем два раза пройдет около Венеры (2019 и 2020) и пять раз (в период между 2020 и 2023) сблизится с Меркурием. После того, как гелиоцентрическая скорость будет снижена до величины, достаточной для торможения у Меркурия, МТМ отделится, а связка в составе MPO и MMO в ходе очередного сближения с планетой выйдет на орбиту вокруг нее. С помощью двигателей MPO орбита связки будет снижена до круговой, после чего европейский и японский аппараты разделятся и начнут самостоятельный полет.
     Основной задачей новой миссии станет изучение гравитационного поля Меркурия и влияния комической погоды на поверхность планеты.
     Возможно, в ходе наблюдений поверхности удастся идентифицировать место падения Messenger'a, используя составленную им подробную карту поверхности. Найти его было бы очень желательно - ведь новый кратер должен быть одним из самых молодых на Меркурии, кроме того, он должен содержать подповерхностный материал, который ко времени наблюдения будет подвержен эрозии только на протяжении короткого и точно известного отрезка времени. Таким образом, спектроскопия этого участка позволит уточнить темпы формирования оптических свойств поверхности планеты.
     Следует отметить, что в состав научной аппаратуры аппарата MPO входит гамма-лучевой и нейтронный спектрометр MGNS, создаваемый в лаборатории И.Г.Митрофанова в российском Институте космических исследований.
     Впрочем, у нашей страны были и более масштабные предложения. Так, ИКИ и НПО имени С.А.Лавочкина рассматривали проект «Меркурий-П», предусматривающий не только выход КА на орбиту около Меркурия, но и посадку на его поверхность. Начало работ над этим проектом восходит к 2003 г., когда в составе BepoColombo еще присутствовал посадочный аппарат (вскоре отмененный). В 2011 г. проект «Меркурий-П», наряду с такими миссиями, как «Марс-Грунт», «Венера-Д» и «Сокол/Laplace», рассматривался как продолжение работ по проекту «Фобос-Грунт», который тогда еще не успел приобрести столь печальную известность. Запуск российской миссии к Меркурию в то время был запланирован на 2019 год.
     Интересно, что схема посадки станции, а в общем-то и компоновка посадочного модуля очень напоминали те, что использовалась еще на «Луне-9». Объявленными научными задачами являлись контактные исследования грунта и изучение особенностей взаимодействия солнечного излучения с поверхностью.
     К сожалению, судьба «Фобос-Грунта» наложила свой отпечаток на всю межпланетную программу. И сегодня осуществление российской посадки на Меркурий видится возможным не раньше 2031 г.
Автор материала: И. СОБОЛЕВ, "НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ" 

2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru