Исследование планеты Марс с помощью космических аппаратов

Полёт к Марсу – трудное дело. Это не к бабушке в гости съездить. Мы сделали всё, что могли. Единственное, что мы не можем сделать – предотвратить невезение.

Эдвард Вейлер, руководитель Управления космической науки NASA

Планета Марс известна человечеству с незапамятных времён. Наблюдая на небе звезду кроваво-красного цвета, древние люди дали ей имя бога войны. Астрологи считали влияние Марса роковым на судьбы людей, родившихся во вторник (день Марса) или, если в зодиакальном созвездии при рождении присутствовала эта планета.

С появлением телескопов планеты стало возможно изучать более подробно. Ещё Галилей установил, что Марс имеет шарообразную форму, а итальянский астроном Дж.Скиапарелли в 1877 году обнаружил на поверхности планеты прямолинейные участки, которые он принял за рукотворные сооружения и назвал "каналами". Это дало повод думать, что на Марсе существует (или существовала в прошлом) разумная жизнь.

В первой половине ХХ века эту тему эксплуатировали многие писатели-фантасты. Так, Герберт Уэллс в романе "Война миров" в красках описывает вторжение марсиан на Землю, их победу над английской армией и гибель от земных болезней, с которыми они не умели бороться. Алексей Толстой создаёт роман "Аэлита", где, наоборот, земляне прилетают на Марс и чуть было не устраивают там социальную революцию. О марсианах писали Р.Брэдбери, А.Азимов, братья Стругацкие и другие фантасты.

С началом космической эры начался качественно новый этап изучения красной планеты. Спектрографические исследования, а впоследствии и прямая посадка на Марс со всей очевидностью подтвердили, что в настоящее время высшей формы жизни (тем более разумной) на нём не может быть. Причина проста: отсутствие кис-лорода в атмосфере, микроскопические доли водяного пара и озона, космический холод. С другой стороны, обнаружены сухие русла древних рек, эрозия почвы, характерная для больших потоков воды, поэтому всё большее число учёных склоняется к версии, что много миллионов лет назад на планете была более плотная атмосфера и, возможно, вода, а, следовательно, вполне могли существовать те или иные формы органической жизни. Ответить на этот вопрос и призваны космические экспедиции к красной планете.

1. ИССЛЕДОВАНИЯ МАРСА В 1962–1978 гг.

С началом новой, космической эры исследования Марса приобрели качественно новое значение. Появилась возможность "посмотреть" планету вблизи, не строя гипотез об её природе на основании астрономических наблюдений из земных обсерваторий.

1 ноября 1962 года с космодрома "Байконур" стартовала ракета-носитель (РН) "Восток" с автоматической межпланетной станцией (АМС) "Марс-1" массой 893,5 кг. Задачами этого полёта были: исследование космического пространства, проверка радиосвязи на межпланетных расстояниях, фотографирование Марса. Последняя ступень РН с АМС была выведена на промежуточную орбиту искусственного спутника Земли (ИСЗ), обеспечив старт и необходимое приращение скорости для полёта к Марсу.

Полёт АМС "Марс-1" дал науке новые данные о физических свойствах космического пространства между орбитами Земли и Марса, об интенсивности космического излучения, напряжённости магнитных полей Земли и межпланетной среды, распределении метеорного вещества и др. Последний сеанс связи с АМС состоялся 21 марта 1963 года при удалении станции от Земли на расстояние 106 миллионов километров. К сожалению, неисправность системы ориентации нарушила направленность антенн на Землю и не позволила далее осуществлять радиосвязь. 19 июня 1963 года АМС прошла на минимальном расстоянии от планеты (около 197 тыс.км), после чего вышла на гелиоцентрическую орбиту.

Следующими были американцы. 5 ноября 1964 года с космодрома на мысе Канаверал (Canaveral Cape) стартовала РН "Атлас–Центавр" (Atlas–Centaur) с АМС "Маринер-3" (Mariner-3) массой 260,8 кг. Но через 10 часов после старта связь с ракетой прервалась.

Через 3 недели, 28 ноября, попытка была повторена. Аналогичный аппарат "Маринер-4" был успешно выведен на орбиту и 15 июля 1965 года прошёл около Марса на расстоянии 9850 километров, после чего вышел на гелиоцентрическую орбиту, став искусственным спутником Солнца. Связь с ним продолжалась до 20 декабря 1967 года.

АМС "Маринер-4" впервые передала на Землю 22 снимка поверхности Марса. На полученных снимках не было обнаружено ничего, что могло бы хоть отдалённо напомнить прямолинейные образования, которые с Земли можно принять за каналы. Ясно видны кратеры. На 14 снимках удалось обнаружить 600 кратеров диаметрами от 3 до 180 км. Поверхность планеты выглядит в общих чертах как обратная сторона Луны. Кроме кратеров, на Марсе были обнаружены и другие виды рельефа – небольшие горные гряды, отдельные возвышенности, борозды. Но большая часть планеты ровная.

Учёные обнаружили, что в сильно разреженной атмосфере Марса есть углекислый газ, азот, аргон, водяные пары, но нет кислорода. Следовательно, сделали вывод учёные, "жизнь там может существовать лишь в форме бактерий и других низших организмов, да и то под поверхностью планеты, т.к. у Марса нет магнитного поля, и его поверхность совсем не защищена от солнечной и космической радиации".

Аналогичную космическую программу выполнили через пять лет АМС "Маринер-6" и "Маринер-7" (масса 412,8 кг; стартовали 24 февраля и 27 марта 1969 года). Мы не будем подробно останавливаться на этих полётах, скажем лишь, что на минимальном расстоянии от Марса (3430 км) эти аппараты прошли 31 июля и 5 августа 1969 года и передали на Землю 75 и 126 снимков соответственно.

1971 год стал годом решительного штурма Марса, и его завершение вписало принципиально новую страницу в историю исследования красной планеты. Конечно, над научной ценностью исследований порой превалировали политические амбиции двух сверхдержав, но – обо всём по порядку.

8 мая 1971 года стартовал американский аппарат "Маринер-8" массой 1030 кг. Однако, через несколько минут после старта, РН с АМС вышла из-под контроля и упала в Атлантический океан.

30 мая стартовал "Маринер-9", аналогичный погибшему "Маринеру-8". Но, в отличие от своего неудачного предшественника, этот аппарат успешно достиг цели назначения, став 13 ноября 1971 года первым искусственным спутником Марса. Вращаясь по орбите вокруг планеты, АМС передала на Землю 7329 фотоснимков поверхности Марса, а также его спутников – Фобоса и Деймоса. Кроме того, с помощью инфракрасного фурье-спектрометра и радиопросвечивания были определены зависимость температуры и давления от высоты, а также состав атмосферы.

Советские достижения к началу 1971 года были куда скромнее американских. В 1969 году планировалось запустить два космических аппарата (КА) для исследования Марса с орбиты искусственного спутника, но они не были выведены на межпланетные траектории из-за аварии РН "Протон". Для завоевания лидерства было решено разработать проект М-71, предусмотрев запуск в 1971 году трёх КА.

Первый (М-71С) должен был стартовать раньше и выйти на орбиту искусственного спутника Марса до прилёта американского КА. Два других, старт которых намечался позже, в оптимальные астрономические сроки, должны были доставить на поверхность Марса АМС, а их орбитальные аппараты – провести исследования с орбиты искусственного спутника планеты. Первый КА, кроме политической задачи, решал чрезвычайно важную техническую (служить навигационным "маяком" для обеспечения мягкой посадки двух других КА на поверхность Марса).

5 мая 1971 года стартовала станция М-71С. Но вывести её на межпланетную траекторию не удалось: оператор выдал неправильную установку на второе включение разгонного блока. Поэтому, потеряв возможность создания первого искусственного спутника Марса и лишившись маяка, позволявшего с высокой точностью определить положение Марса и обеспечить расчётные условия входа спускаемых аппаратов в атмосферу, оставалось надеяться на безупречную работу системы космической автономной навигации (СКАН), установленной на втором и третьем КА.

19 и 28 мая стартовали два аналогичных аппарата "Марс-2" и "Марс-3" массой 4650 кг (РН "Протон"). В отличие от "Марса-1", оба были оборудованы спускаемыми аппаратами (СА), имевшими парашютную систему для спуска в атмосфере, экранно-вакуумную теплоизоляцию, электронагреватель и химическую батарею. На обоих АМС находились фототелевизионные камеры для фотографирования поверхности Марса, а также аппаратура для измерения температуры и химического состава атмосферы, измерения скорости ветра, физико-химических свойств грунта.

Совместный полёт станций к Марсу продолжался около шести месяцев, после чего, при подлёте, их пути разошлись. 21 ноября 1971 года СА станции "Марс-2" был направлен на планету, но из-за ошибки бортового компьютера при коррекции уменьшилась высота перицентра пролётной гиперболы, СА вошёл в атмосферу Марса под большим углом и разбился о поверхность (последующий анализ установил, что "Марс-2" шёл точно по расчётной траектории и коррекция не требовалась, но этот вариант не успели проверить на стенде системы управления). После этого АМС "Марс-2" 27 ноября перешла на орбиту спутника Марса (через 2 недели после "Маринера-9") и сделала в общей сложности 362 оборота вокруг красной планеты. С "Марса-2" на планету была сброшена капсула, доставившая на поверхность вымпел с изображением герба СССР.

От АМС "Марс-3" 2 декабря отделился спускаемый аппарат массой 635 кг, который перешёл на расчётную траекторию, вошёл в атмосферу со скоростью 5800 м/с, уменьшил скорость за счёт аэродинамического торможения, открыл парашют – и в 16 часов 48 минут московского времени впервые в истории человечества совершил мягкую посадку на поверхность Марса (45° ю.ш. и 158° з.д.). Уже через две минуты началась передача на Землю видеосигнала (к сожалению, из-за сильнейшей пылевой бури ничего рассмотреть не удалось, а через 14,5 сек сигнал и вовсе пропал по причине коронных разрядов в атмосфере). Станция же перешла на орбиту спутника Марса и сделала 20 оборотов.

В результате исследований были установлены: температура поверхности, зависимость её от времени суток и широты, физико-химические свойства грунта, выявлены тепловые аномалии на поверхности Марса. Было установлено, что Северная полярная шапка имеет температуру ниже  –110°C  и что содержание водяного пара в атмосфере Марса в 5000 раз ниже, чем на Земле. Были получены данные о структуре верхнего слоя атмосферы Марса, зарегистрировано наличие у него собственного магнитного поля (!), обнаружена слоистая структура марсианской атмосферы и её свечение за линией терминатора.

Последним актом нашего десятилетнего наступления на тайны Марса был полёт четвёрки советских КА "Марс-4", "Марс-5",  "Марс-6" и "Марс-7", стартовавших в период с 21 июля по 9 августа 1973 года. Первые два имели идентичную конструкцию и предназначались для вывода на орбиту вокруг Марса, два других несли спускаемые аппараты.

Первым достиг планеты "Марс-4" (10 февраля 1974 года), который прошёл на расстоянии 2200 километров от её поверхности и провёл фотографирование с полётной траектории. Вторым прибыл "Марс-5" (12 февраля), который вышел на замкнутую орбиту с таким расчётом, чтобы проходить в светлое время марсианских суток над районом, выбранным для посадки спускаемых аппаратов "Марс-6" и "Марс-7".

"Марс-7" приблизился к планете первым (9 марта), но его спускаемый аппарат вследствие нарушения в работе одной из бортовых систем прошёл на высоте 1300 км над поверхностью и не совершил посадку. Зато на "Марсе-6" операция спуска прошла безукоризненно, и 12 марта 1974 года он опустился на поверхность планеты в районе 24° ю.ш. и 20° в.д. Во время снижения в течение 150 секунд передавалась информация на Землю.

Фотографические камеры "Марса-4" и "Марса-5" получили около 60 фотографий планеты очень высокого качества. К слову, двумя годами ранее в этой области Марса "Маринер-9" не смог получить качественных фотографий из-за пылевой бури.

Кроме фотокамер, на "Марсе-5" работал большой комплекс аппаратуры для физических исследований атмосферы и поверхности. В частности, при исследовании полярных шапок Марса был сделан вывод о том, что они состоят из конденсированной углекислоты, причём Южная сравнительно тонкая (порядка нескольких метров), а вот Северная в её нестаивающей части может быть очень толстой, здесь могли накопиться слои мощностью в сотни метров и даже в километры. Нестаивающая часть Северной полярной шапки может быть своеобразным резервуаром, в котором сконденсирована большая часть атмосферы Марса, в десятки раз превышающая массу свободной газообразной атмосферы.

Наконец, нельзя не упомянуть и об американской экспедиции "Викинг Орбитер" (Viking Orbiter), давшей, пожалуй, наиболее полную картину марсианской природы до настоящего времени (по крайней мере, до 1997 года, времени начала работы американского марсохода "Sojourner"; но об этом – в следующей главе).

Итак, 20 августа и 9 сентября 1975 года с космодрома на мысе Канаверал стартовали РН "Титан-3С-Центавр" (Titan-3C-Centaur) с АМС "Викинг-1" и "Викинг-2" соответственно (масса 3400 кг).

АМС "Викинг-1" сблизилась с Марсом 19 июня 1976 года и вышла на орбиту, где производила фотосъёмку местности. Найдя подходящее место (22° с.ш. и 48° з.д.), посадочный блок аппарата "Викинг-1" (ПБ-1) совершил успешную мягкую посадку 20 июля 1976 года в 11 часов 53 минуты по Гринвичу.

Немедленно после посадки началась съёмка поверхности планеты, метеорологические измерения, а с 28 июля – исследования грунта для идентификации неорганических и органических веществ, а также для поиска признаков жизни. ПБ-1 работал в активном режиме до 1 сентября, когда наземные средства в основном перешли на обеспечение посадки и работы посадочного блока АМС "Викинг-2" (ПБ-2), так как одновременную работу в активном режиме эти средства обеспечить не могли. АМС "Викинг-2" сблизилась с Марсом 7 августа, а 3 сентября в 22 часа 58 минут по Гринвичу ПБ-2 успешно совершил мягкую посадку в районе 50° с.ш. и 226° з.д.

Программа ПБ-2 в основном была аналогична ПБ-1, но был проведён ряд дополнительных экспериментов, например, сдвиг камней с помощью грунтозаборника и взятие с места, где лежал камень, пробы грунта.

Эти пробы показали, что почва Марса представляет собой хорошо перемешанную смесь, на 80 % состоящую из богатых железом глин. Цвет почвы красноватый, что объясняется процессом окисления железа. Состав почвы: SiO₃ (45 %), Fe₂O₃ (18 %), Al₂O₃ (5 %), MgO (8 %), CaO (5 %), SO₃ (8 %). Средняя плотность – 1,8 г/см³.

Среднее атмосферное давление у поверхности Марса составило 7,5 мбар (около 6 мм рт.ст.). В атмосфере, состоящей из углекислого газа (95 %), были обнаружены азот (2 – 3 %) и аргон (1 – 2 %). Кислорода всего 0,3 %. Был сделан предварительный вывод о том, что атмосфера в прошлом была несколько более плотной.

С середины декабря началась поочерёдная работа обоих блоков в активном режиме, а также продолжались исследования двух орбитальных блоков обеих АМС, в частности, фотосъёмки с близкого расстояния двух спутников Марса – Фобоса и Деймоса.

Официально программа "Викинг" завершилась в мае 1978 года, но фактически ПБ-1 работал до 11 ноября 1982 года.

Подводя итоги, агентство NASA заявило, что "признаков биологической жизни на Марсе (основная цель экспедиции) обнаружено не было. В то же время нельзя делать окончательных выводов по исследованиям только малой части планеты. Не исключена также возможность существования жизни в других областях Марса с другими природными условиями".

2. СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП ИССЛЕДОВАНИЙ 1988–2002 гг.

В середине 70-х в вопросах исследования Марса наступило десятилетнее затишье. Американцы сосредоточились на разработке перспективной программы "Спейс Шаттл" (Space Shuttle), а советские учёные – на программе орбитальных станций ("Салют", "Прогресс", "Мир"). Плюс к этому – гонка вооружений в Космосе, развитие спутниковой связи…

Однако, в эпоху так называемой горбачёвской "перестройки", был реализован совместный с европейскими странами советский проект "Фобос", предусматривавший, кроме стандартной фотосъёмки Марса, ещё и съёмку его спутника Фобоса с близкого расстояния и зондирование его поверхности.

7 и 12 июля 1988 года с Байконура были запущены два многоцелевых аппарата "Фобос-1" и "Фобос-2". С первым из них 29 августа была потеряна связь – из-за ошибки в заложенной с Земли программе была отключена пневмосистема ориентации и стабилизации.

Судьба второго была удачнее: 29 января 1989 года АМС вышла на орбиту Фобоса, осуществила сближение с ним, съёмки планеты и спутника. Через два месяца, 27 марта, с аппаратом была потеряна связь по не установленной до сих пор причине.

К числу наиболее интересных результатов исследований самого Марса следует отнести инфракрасные изображения поверхности планеты, полученные с помощью прибора "Термоскан" (Thermo-scan). По сути, впервые удалось получить подробную тепловую карту планеты столь высокого качества.

Прибор ИСМ (ISM), сделанный во Франции, измерял спектр Марса в ближнем инфракрасном диапазоне для исследования грунта (там расположен целый ряд полос поглощения, характерных для различных минералов). Советский прибор КРФМ исследовал верхние слои атмосферы планеты.

Видеоспектрометрический комплекс "Фрегат" (СССР – ГДР – Болгария) проводил съёмки Фобоса с близкого расстояния (200 – 1100 км). Было получено около 40 изображений с разрешением до 40 м. Сопоставление этих изображений со снимками, полученными ранее "Маринером-9" и "Викингом", показывает их полную идентичность и хорошее дополнение друг к другу.

К сожалению, приборы ИСМ и КРФМ пронаблюдали Фобос всего один раз, поэтому данных для надёжной интерпретации было получено мало.

После этой программы (хотя и не полностью, но выполненной) последовала серия провалов. 25 сентября 1992 года американцы запустили многоцелевой аппарат Mars Observer стоимостью 980 млн.$ для исследования поверхности и атмосферы Марса с орбиты спутника. Однако 21 августа 1993 года, за три дня до намечаемого прибытия к планете, с аппаратом была потеряна связь, предположительно в результате отказа бортовой двигательной установки (ДУ).

Продолжая хронику неудачных полётов к Марсу, вспомним и российский "Марс-96", который, стартовав 16 ноября 1996 года, из-за отказа разгонного блока остался на низкой околоземной орбите и на следующий день сгорел в атмосфере над Южной Америкой.

Неудачно завершился и полёт американского аппарата Mars Climate Orbiter (в рамках программы Mars Surveyor '98). Стартовав 11 декабря 1998 года, он успешно добрался до красной планеты, но… 23 сентября 1999 года сгорел в атмосфере планеты в результате ошибки в навигационных расчётах.

И, наконец, стартовавшая 3 января 1999 года американская станция Mars Polar Lander (РН Delta-2) с двумя пенетраторами Deep Space 2 погибла при посадке 3 декабря 1999 года из-за недостатков конструкции посадочной системы.

Научная программа этого полёта предусматривала две независимые программы. Собственно станция Mars Polar Lander (в рамках всё той же программы Mars Surveyor '98) была предназначена для посадки в районе Южной полярной шапки и исследования местности (панорамная стереофотосъёмка, метеорологические наблюдения, изучение климата полярных областей, а главное – определение химического состава полярной шапки и поиск льда в марсианском грунте). Экспериментальные пенетраторы Deep Space 2 были разработаны в рамках программы Millenium и предназначались для поиска воды в грунте Марса.

Однако были и удачные пуски. Так, 7 ноября 1996 года стартовала американская АМС Mars Global Surveyor (MGS). Это был аппарат для глобальной съёмки и спектрометрирования поверхности Марса, а также для составления карты рельефа планеты с целью выбора мест посадки будущих пилотируемых и автоматических экспедиций. Прибыв к Марсу 11 сентября 1997 года, станция начала аэродинамическое торможение 17 сентября (было выдано несколько тормозных импульсов, высота орбиты уменьшилась, и аппарат "окунулся" в верхние слои атмосферы, где скорость его ещё немного упала; до 4 февраля 1999 года аппарат таким образом "чиркал" по атмосфере на каждом витке, уменьшая скорость и высоту до расчётных). С 8 марта 1999 года и до сих пор MGS успешно ведёт измерения с низкой орбиты спутника Марса и подробную съёмку его поверхности (ориентировочное время окончания работы – май 2004 г.)

Подводя предварительные итоги, отметим, что приборы MGS позволили:

- обнаружить следы недавнего пребывания воды на поверхности Марса, включая места просачивания её из грунта и высохшие озёра;

- оценить количество воды, запасённой в полярных шапках планеты (примерно в 1,5 раза больше объёма ледников Гренландии);

- найти в Южном полушарии районы сильно намагниченной коры, что говорит о быстром охлаждении планеты в начальный период её существования;

- построить наиболее точную топографическую карту Марса, получить надёжные модели структуры коры Марса, обнаружить древние ударные бассейны и, возможно, погребённые под северными равнинами каналы;

- отслеживать динамику атмосферы и перемещение циклонов, суточное и сезонное поведение СО₂ и ледяных облаков;

- установить большую роль пыли в изменениях, происходящих на поверхности планеты.

Однако споры относительно природы Великой Северной равнины и существования на ней в прошлом океана продолжаются.