Уже в мае Mars Odyssey начал выполнение научной программы: в работу вступил российский нейтронный детектор HEND и зафиксировал два гамма-всплеска – 8 и 17 мая.
    А 20 мая детектор HEND и американский нейтронный спектрометр NS зарегистрировали потоки частиц и излучения, вызванные повышением солнечной активности.
    4 мая был проведен тест двигателей станции – для того, чтобы измерить малые приращения скорости аппарата при работе двигателей ориентации. Навигационная группа сообщила, что тест прошел успешно и данные соответствуют ожидаемым. Стоит напомнить, что неверный учет малых приращений в полете станции Mars Climate Orbiter (MCO) в 1998–1999 гг. привел к гибели аппарата, зарывшегося в атмосферу Марса. Менеджеру миссии Mars Odyssey Дэвиду Спенсеру (David A. Spencer) и другим участникам проекта страшно было даже подумать о возможности повторения подобной ошибки…
    Первая коррекция траектории станции TCM-1 была проведена 23 мая. До старта расписание коррекций было другим, и первую планировали на 15 апреля. Но выведение прошло настолько аккуратно, что график был пересмотрен, первый маневр отложен на месяц – и значительно уменьшен по величине. Двигатели станции были включены в 17:30 UTC (10:30 PDT) и проработали 82 сек, изменив скорость аппарата на 3.6 м/с.
    В течение первого месяца полета станция использовала антенну низкого усиления LGA (Low Gain Antenna) для приема команд с Земли и антенну среднего усиления MGA (Medium Gain Antenna) для передачи телеметрии. 9 мая на расстоянии 9.5 млн км от Земли группа опробовала двустороннюю связь через остронаправленную «антенну высокого усиления» HGA (High Gain Antenna), а с конца мая перешла на этот режим связи полностью.

Выход АМС Mars Odyssey на орбиту спутника Марса

MARS ODYSSEY

    В начале июня был успешно испытан ретранслятор UHF-диапазона для марсианских посадочных аппаратов. Его сигнал приняла 46-метровая антенна Стэнфордского университета в Калифорнии. Эти тесты были повторены в ходе полета и показали, что мощность сигнала UHF-передатчика на 6 дБ ниже расчетной. Впрочем, и в таком состоянии ретранслятор сможет обеспечить необходимую пропускную способность радиолинии от посадочных зондов.
    В этот же период станции Сети дальней связи NASA провели серию дифференциальных измерений дальности. Этот вспомогательный метод, введенный после аварии MCO, состоит в одновременном наблюдении КА и удаленного радиоисточника (квазара) с двух разных наземных станций. Затем эти измерения обрабатываются специальным образом и дают в 3 раза более высокую точность определения местонахождения КА, чем только при измерении дальности до него и относительной скорости.
    15 июня группа управления с успехом испытала термоэмиссионный прибор THEMIS по звезде Тета Центавра (Менкент) и начала нагрев детектора гамма-спектрометра GRS. Эта процедура была необходима для «стирания» радиационных повреждений, случившихся за прошедшие месяцы полета. В конце июня была открыта крышка гамма-спектрометра и проведены измерения, показавшие отличную работу прибора. Также в июне был успешно проведен тест складывания солнечных батарей станции – в таком виде они будут находиться во время выхода на орбиту спутника Марса и в период аэродинамического торможения.
    Вторая коррекция траектории TCM-2 была выполнена 2 июля в 16:30 UTC (09:30 PDT) и была меньше первой: двигатели работали 23 сек и изменили скорость станции на 0.9 м/с. На этом закончился первый этап перелета, и аппарат на время оставили в покое. Управленцы же готовились к наиболее ответственным операциям – выходу на орбиту спутника Марса и аэродинамическому торможению.
    16 июля в 08:30 PDT (15:30 UTC) станция 2001 Mars Odyssey прошла половину пути - 100 суток осталось позади, 100 суток - впереди. В этот день ее отделяло от Земли 45.8 млн км и от Марса - 30 млн км. Гелиоцентрическая скорость аппарата была 26 км/с.
    Станция следовала по «короткой» траектории, при которой долгота в момент старта и в момент финиша различаются менее чем на 180°. Этим объясняется столь короткий перелет - обычно до Марса приходится лететь месяцев 10–11.
    Два первых месяца с аппаратом работали только антенны наземной станции Канберра, но в мае-июне ее стало видно и из более северных районов Голдстоуна и Мадрида. Программа работ закладывалась на борт в среднем раз в месяц.
    Следующее сообщение о полете станции было выпущено 20 августа и принесло плохую новость. На прошедшей неделе не удалось получить ответа от аппаратуры MARIE, предназначенной для регистрации радиационной обстановки по трассе Земля-Марс в интересах планирования пилотируемой экспедиции. «Мы имеем ограниченную информацию о природе проблемы…» – признал Д.Спенсер. После безуспешных попыток перезапустить прибор операторы станции были вынуждены отключить его, и руководитель полета сформировал комиссию по поиску причин отказа и мер для восстановления работы MARIE – но уже после выхода на орбиту вокруг Марса.
    В остальном аппарат работал штатно.
    17 августа по командам с Земли на борту были открыты и вновь закрыты клапаны двигательной установки – чтобы проверить их готовность к включению 24 октября. 31 августа изменили ориентацию станции – для того, чтобы уменьшить расход топлива на разгрузку маховиков. А 6 сентября состоялся тест телекоммуникационной подсистемы станции, имитирующий циклограмму торможения у Марса. Все прошло без замечаний.
    17 сентября в 04:06 UTC (16 сентября в 21:06 PDT) Odyssey выполнил третью коррекцию (продолжительность 12 сек, приращение скорости 0.45 м/с). Это был первый маневр приведения аппарата в ту точку вблизи Марса, где 24 октября должен был включиться его основной двигатель. Сообщение за 17 сентября содержало и очередную неприятность: возникла проблема со звездным датчиком станции. Пока он был затенен антенной HGA, датчик работал без замечаний. Но после того, как ориентация аппарата изменилась, изображения звездного неба оказались насыщены солнечным светом! Прибор, конечно, был оснащен шторкой для того, чтобы такая засветка не происходила. Но, как выяснилось, «солнечный зайчик» пускала открытая крышка спектрометра GRS. Когда 31 августа ее закрыли, все пришло в норму. Анализ ориентаций КА показал, что во время будущих критических операций звездный датчик сможет работать по назначению.
    12 октября в 04:00 UTC (11 октября в 21:00 PDT) станция провела коррекцию TCM-4, самую скромную по масштабу (длительность 3 сек, приращение скорости 0.077 м/с), но самую важную по существу. Эта коррекция изменила на несколько километров высоту точки встречи с Марсом и задала ее точное время: 24 октября в 02:26 UTC. 15 октября на борт была заложена программа торможения и перехода на околомарсианскую орбиту.


    Расстояние до Марса сокращалось с каждым днем: 18 августа – 18.5 млн км, 17 сентября – 10.8 млн, 12 октября – всего 3.5 млн км. А Красная планета готовилась к встрече по-своему. В конце июня Космический телескоп имени Хаббла на околоземной орбите и станция Mars Global Surveyor (MGS) на околомарсианской обнаружили, что с наступлением весны в Северном полушарии, значительно раньше обычного, вокруг бассейна Хеллас (Эллада) начались пылевые бури. Дальше стало еще интереснее: под воздействием бурь над Элладой начинало «штормить» в районах, удаленных от нее на тысячи километров. Так, в районе Кларитас-Сирия пылевая буря бушевала уже в первых числах июля. Скорость ветра достигла 27 м/с, тонкая пыль поднялась на 80 км над поверхностью.

Марсианская Эллада до и во время пылевой бури

MARS ODYSSEY

    Вскоре граница штормов перешла экватор, и к началу августа уже почти всю планету окутала пыль. Глобальная пылевая буря, случающаяся раз в несколько десятков лет! В последний раз нечто подобное происходило в 1971 году...
    Спектрометр TES станции MGS позволил увидеть те места, откуда поднималась пыль, отследить ее движение и взаимодействие с рельефом и другими погодными явлениями. Помере того как Солнце нагревало облака пыли, температура верхних слоев атмосферы Марса поднялась почти на 50°C, – а поверхность вымораживалась. Где-то в конце августа заработал механизм автоматического «гашения» бури: над замерзшими равнинами планеты ветры стали ослабевать, а пыль – оседать.
    Правда, на этом дело не кончится. Марс приближается к перигелию, и, как только атмосфера прояснится, Солнце согреет поверхность, вновь усилятся ветры, поднимется пыль – и все начнется сначала.


    За 22 часа до прибытия на борту были отключены алгоритмы, обеспечивающие в нормальном полете защиту КА от сбоев. Не дай бог, в этот критический период из-за какой-то мелочи аппарат «вылетит» в защитный режим – и просвистит мимо Марса…
    Основные операции начались за 2.5 часа до включения двигателя, 23 октября в 23:56 UTC (16:56 PDT). (Здесь и далее дается время прихода радиосигнала на Землю, фактически все происходило на 8.5 минут раньше.) Первой из них была разгрузка маховиков с помощью двигателей ориентации. Избавившись от накопленного момента, маховики могли теперь отработать циклограмму ориентации станции во время маневра.
    24 октября в 01:59 UTC группа управления в последний раз оценила параметры траектории станции на основании данных от ее акселерометров. В 02:06 UTC, за 20 мин до включения основного двигателя, были запитаны нагреватели, обеспечивающие наиболее эффективную работу двигателей ориентации. Им предстояло «держать» аппарат по всем трем осям во время торможения. В 02:12 сработали пироклапаны и произошла подача горючего и окислителя в магистрали двигательной установки.
    Еще через 5 мин (и за 9.5 мин до включения) был выполнен наддув баков гелием, обеспечивающий равномерное поступление компонентов в двигатель. В ходе этих операций было замечание к одному из датчиков давления, но выполнению операции оно не мешало.
    В 02:18 передатчик аппарата был переключен на антенну MGA, а приемник – на LGA. Эта операция позволила иметь сигнал с аппарата непосредственно во время торможения – правда, только сигнал несущей частоты, не модулированный телеметрией. Но изменение частоты сигнала вследствие эффекта Допплера уже довольно информативно: оно показывает, включился ли бортовой двигатель и как он отрабатывает программу. (Когда осенью 1999 г. к Марсу подходили две предыдущие станции, не было предусмотрено и такой возможности. В результате обе сгинули без следа, и обстоятельства их гибели пришлось восстанавливать по косвенным признакам.)
    После этого станция 2001 Mars Odyssey сориентировалась и в 02:26 UTC (19:26 PDT) включила свой основной двигатель тягой 695 Н. Лишь через 5 минут операторы смогли подтвердить по изменению частоты сигнала, что маневр начался. Антенны Сети дальней связи слышали аппарат до 02:36:42 – в этот момент, в строгом соответствии с циклограммой, станция на 20 минут зашла за Марс (и одновременно на две минуты – в тень). В 02:39 станция прошла перицентр на высоте 328 км и стала медленно подниматься, одновременно замедляя свой полет за счет работы двигателя. В 02:45 он выключился, израсходовав 262.8 кг топлива, и еще через 4 минуты аппарат развернулся антенной HGA в сторону Земли. В соответствии с программой были вновь «включены» алгоритмы защиты КА.

Ход аэродинамического торможения

MARS ODYSSEY

    Напряженное 20-минутное ожидание закончилось в 02:55 UTC: сразу четыре станции Сети дальней связи, две в Голдстоуне и две в Канберре, приняли сигнал с борта. Зал управления ликовал: через четыре с лишним года после миссий Mars Pathfinder и Mars Global Surveyor Америка вернулась к Марсу...
    В 03:00 на борту был прекращен наддув баков основного двигателя: он больше не понадобится. Минуту спустя станция включила телеметрию и стала передавать ее со скоростью 40 бит/с.
    Планом полета предусматривалось, что за 19 минут торможения станция снизит свою скорость относительно Марса с 5422 до 4374 м/с. Приращение скорости, измеренное как векторная разность двух скоростей, составит 1427 м/с, а ускорение (точнее, замедление) будет порядка 1/10 земного. Этот план обеспечивал вывод аппарата на орбиту с перицентром на высоте 300 км и с периодом 19.9 час с допуском 4 часа в любую сторону. Как показали измерения, аппарат вышел на орбиту с периодом 18.6 час, что несколько облегчало последующее торможение, а высота перицентра отличалась от расчетной всего на 1 км. Высота в апоцентре составила примерно 27000 км.
    Ближе всего к поверхности станция подходила над Северным полушарием (где был конец осени), дальше всего удалялась – над Южным. Боб Мейз, «главный навигатор» станции в Лаборатории реактивного движения, заявил, что дополнительных коррекций не потребуется и Mars Odyssey может сразу переходить к следующему этапу полета – аэродинамическому торможению.
    Но уже 24 октября операторы станции включили электронику гамма-спектрометра GRS и в течение трех витков проводили проверку нейтронных приборов HEND и NS. Оба прибора, российский и американский, работали без замечаний и вблизи перицентра регистрировали выбитые из поверхности Марса нейтроны. Первый тепловой снимок с помощью спектрометра THEMIS – с целью калибровки прибора – планировался на 28 октября. Фактически он был сделан 30 октября около 13:00 UTC, на 9-м витке. Полученные данные были обработаны постановщиками из Университета штата Аризона, и уже 31 октября снимок был опубликован.


    Вечером 26 октября КА 2001 Mars Odyssey приступил к аэродинамическому торможению в верхних слоях атмосферы Марса. Этот хитроумный маневр был впервые осуществлен станцией Mars Global Surveyor (MGS). Напомним, как это делается: вместо того, чтобы снижать высоту апоцентра за счет импульсов бортовым двигателем, станция опускает перицентр в верхние слои атмосферы и тормозится за счет ее сопротивления. Этот процесс занимает достаточно длительное время – более года в случае MGS и (по плану) 76–78 суток для «Одиссея». Однако затраты топлива сокращаются настолько, что без использования аэродинамического торможения станцию пришлось бы делать вдвое тяжелее и втрое дороже.

Мы видим Южное полушарие Марса в конце весны. Панорама снята с высоты 22000 км и охватывает более 6500 км, разрешение в центральной части снимка около 5.5 км на пиксел. Синее пятно диаметром 900 км в центре – это южная полярная шапка из замерзшей углекислоты. Ветер сдувает холодный воздух с шапки в левую сторону. Правая нижняя часть – это ночная сторона планеты, там, естественно, очень холодно. Слева вверху – полдень, и там относительно тепло. Большая кольцевая структура – это бассейн Аргир с окружающими его горами.

MARS ODYSSEY

    Итак, 26 октября в апоцентре 4-го витка «Одиссей» слегка притормозил, опустив перицентр до высоты 157 км, и в ночь на 27 октября в первый раз прошел сквозь верхнюю атмосферу. В качестве «рабочих органов» для торможения, как и было запланировано, аппарат использовал панели солнечных батарей, ориентация задавалась двигателями и поддерживалась маховиками. Связь на это время выключалась – так как батареи не смотрели на Солнце, нужно было экономить энергию. После коррекции в апоцентре второе погружение было проведено уже до высоты 135 км. «Рабочей» высоты 128 км планировалось достигнуть с третьего раза, но операторы решили с этим немного подождать. На всякий случай.
    Всего станции предстоит сделать это около 380 раз. К 25 ноября период должен сократиться до 10 часов, а к 15 декабря – до 5 часов. Примерно 14 января апоцентр снизится до 400 км, и останется только вытащить перицентр из атмосферы – и готово! В период торможения станция MGS и сам Odyssey будут наблюдать за состоянием атмосферы Марса. Дело в том, что нагретая в условиях пылевой бури атмосфера «вспухает» и может представлять определенную опасность при аэродинамическом торможении. Кроме спектрометра THEMIS, во время торможения будет работать и наш HEND, и только на высоте ниже 180 км будет отключаться его высоковольтный источник.
    Рабочая орбита аппарата – близкая к солнечно-синхронной, она имеет наклонение 93.1°, высоту 400 км и период 118 мин. Программа исследований Марса рассчитана на 917 суток – с 31 января 2002 по 5 августа 2004 г.