Марсианский «Странник»: как почти игрушечный ровер «Соджорнер» открыл эру путешествий по Красной планете

4 декабря 1996 года с космодрома на мысе Канаверал (штат Флорида) стартовала миссия Mars Pathfinder («Марсопроходец»), в рамках которой спустя семь месяцев на поверхность Марса был впервые благополучно высажен марсоход. Ровер, названный Sojourner («Странник» или «Проезжий») проработал три месяца вместо недели, собрал множество научных данных и, что еще более важно, проложил путь для марсоходов следующих поколений. За все эти заслуги похожий на детскую игрушку «Соджорнер» несомненно займет почетное место в музее исследований Марса, если таковой когда-нибудь создадут марсианские колонисты. А пока что Vokrugsveta.ru подробно рассказывает о создании «Соджорнера» и его приключениях на Красной планете.

Тернистый путь

Человечество начало «прощупывать» Марс своими аппаратами еще в начале 1960-х. С тех пор вблизи Красной планеты и на ее поверхности побывал целый ряд советских и американских аппаратов линеек «Марс», «Маринер», «Викинг» и «Фобос». Еще больше межпланетных станций было потеряно на пути к Марсу или при посадке.

В 1971 году советские инженеры предприняли две попытки доставить на Красную планету первый в мире марсоход: аппараты ПрОП-М («Прибор оценки проходимости — Марс») находились на борту станций «Марс-2» и Марс-3». Увы, в обоих случаях советскую космонавтику постигла неудача: станция «Марс-2» разбилась при посадке, а станция «Марс-3» достигла поверхности Марса, но связь с ней прервалась через несколько секунд — только спустя много лет энтузиасты разглядели «Марс-3» на спутниковых снимках в кратере Птолемей. Поэтому первым марсоходом, сумевшим выполнить свою миссию, оказался американский «Соджорнер».

Подготовка миссии Mars Pathfinder стартовала в начале 1990-х и растянулась более чем на пять лет. 4 декабря 1996 года ракета-носитель «Дельта-2» вывела новую межпланетную станцию NASA на околоземную орбиту. Путь к Марсу занял более полугода — только 4 июля 1997-го (в NASA специально подгадали под День независимости США) спускаемый аппарат («лэндер») на скорости свыше 6,1 км/с вошел по гиперболической траектории в атмосферу Марса.

Раскрылся гигантский парашют, включились тормозные двигатели, надулись амортизационные баллоны — но все равно встреча с поверхностью произошла на скорости 25 метров в секунду (90 км/ч). «Маросопроходец» несколько раз отскочил от поверхности и, наконец, застыл на месте. Амортизационные «подушки» выпустили газ, после чего посадочный модуль самостоятельно принял вертикальное положение и раскрыл три «лепестка» с солнечными панелями.

Анимация основных этапов миссии Mars Pathfinder

Место для посадки тщательно выбиралось заранее. Находящееся к северу от марсианского экватора 1700-километровое ущелье получило звучное название Долина Арес (Ares Vallis) — в честь древнегреческого бога войны Ареса («двойника» древнеримского Марса). Ученые предполагали, что оно было сформировано мощными потоками воды. Предположительно, она вытекала из переполненного кратера Аргир — изливавшегося оттуда потока хватило для образования еще трех долин в окрестностях Аргира.

Итак, посадка стала свершившимся фактом. Наступила очередь действовать «Соджорнеру» — 11,5-килограммовой машине предстояло пуститься в странствие по марсианской поверхности.

По последнему слову космической техники

К тому моменту у человечества уже был накоплен определенный опыт эксплуатации внеземных колесных транспортных средств: советских луноходов и роверов, на которых передвигались по Луне американские астронавты. «Соджорнер» стал воплощением новой технологической эпохи в этой области.

С виду новый ровер напоминал детскую игрушку, да и по размерам не слишком от нее отличался: 65 сантиметров в длину, 48  см в ширину и 30  см в высоту. Аппарат был оснащен солнечными панелями, способными работать как при экстремально низких, так и при высоких температурах, а также тремя неперезаряжаемыми литийтионилхлоридными батареями, которые должны были некоторое время обеспечивать аппарат энергией ночью.

На «Соджорнер» установили 11 электродвигателей постоянного тока, созданных компанией Maxon Motor. Шесть двигателей вращали колеса (по одному на каждое колесо диаметром 13 см), четыре задавали направление движения, а последний — поднимал и опускал спектрометр. Также машину снабдили тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГами) с несколькими граммами плутония-238 — для поддержания необходимой температуры в блоке электроники.

Марсоход отличался хорошей маневренностью (каждое из его колес могло вращаться самостоятельно), обладал способностью наклоняться, не переворачиваясь, на 45° и преодолевать препятствия высотой до 20 сантиметров. Из научного оборудования на борту были три камеры и спектрометр, способный определять элементный состав пород и пыли.

Сол за солом, метр за метром

4 июля 1997 года миссия ровера могла бесславно закончиться, так и не начавшись: после посадки марсоход не подавал признаков жизни. Однако после возвращения из спящего режима, в который посадочный модуль и «Соджорнер» автоматически уходили на ночь для экономии энергии, ровер прекрасно отозвался на команду с Земли и пришел в движение. Это был знаменательный момент. «Шесть колес на грунте», — торжественно объявил руководитель миссии Крис Салво, и 70 человек в зале управления разразились радостными воплями.

Изначально организаторы миссии ставили перед собой не очень амбициозные цели — уже сам факт посадки на Марс рассматривался как огромное достижение. Предполагалось, что «Соджорнер» проработает в течение семи, максимум тридцати марсианских суток и сделает несколько снимков окрестностей, после чего отключится навсегда.

Путешествие «Соджорнера» началось с того, что марсоход осмотрел близлежащий камень размером с футбольный мяч, имевший на своей поверхности несколько разноцветных выступов. Булыжник получил имя «Барнакл-Билл» (Barnacle Bill — так звали одного из противников мультипликационного Моряка Попая, поглощавшего шпинат в качестве «допинга»).

На исследование камня при помощи спектрометра ушло около десяти часов — в «Билле» обнаружилось высокое содержание диоксида кремния (SiO₂), нехарактерное для основных вулканических пород, к которым, как предполагалось, относился «Барнакл-Билл». В итоге геологи допустили, что камень, схожий с земной вулканической породой андезитом, мог образоваться как в результате извержения, так и при падении на поверхность Марса какого-то метеорита или кометы.

Затем «Соджорнер» обследовал камень «Йоги» (его назвали в честь мультяшного медведя Йоги). Выяснилось, что он весьма похож на земные базальты, имеющие вулканическое происхождение. Далее ровер отснял и отправил на Землю круговую трехмерную марсианскую панораму. Изучив ее, исследователи предположили, что территория вокруг места посадки аппарата миллиарды лет назад могла подвергнуться катастрофическому затоплению.

Дальнейший план исследований включал близкое знакомство с камнями «Каспер» и «Скуби-Ду», привлекшими внимание исследователей своим белым цветом. Большой интерес вызвали переданные на землю снимки марсианских восходов и закатов. Восход на фотографиях оказался розоватым (этот оттенок небу на Марсе придают частицы оксидов железа, содержащиеся в марсианской пыли), а Солнце — белым. Рано утром на небе бывали видны облака из ледяных кристаллов — но с ростом температуры они исчезали. По словам научного руководителя проекта Мэтта Голомбека, обнаружение в марсианской атмосфере облаков и фиксация резких перепадов давления стали самыми важными открытиями первого этапа работы «Соджорнера».

Не все проходило гладко — из-за огромного расстояния связь порой оставляла желать лучшего, а марсоход не всегда четко выполнял команды. Но в целом первая неделя работы «Соджорнера» была охарактеризована инженерами миссии как «фантастическая, за пределами самых смелых ожиданий». Специалисты из центра управления даже начали измерять свое время не в земных, а в марсианских сутках, называемых «солами». Впрочем, длительность одного «сола» не слишком отличается от земных суток и составляет 24 часа и 39,6 минуты.

13 июля «Соджорнер» уже превысил свой номинальный срок работы — но, естественно, в центре управления решили эксплуатировать марсоход до тех пор, пока не откажут его системы. А тем временем переданные им фотоснимки вызвали на Земле фурор. Люди начали рассуждать о Красной планете в такой тональности, будто высадка человека на ее поверхность состоится буквально на днях. «Я вполне хорошо представляю себя на поверхности этой планеты», — высказался американский астронавт Стори Масгрейв, рассматривая фотоснимки, полученные с Марса.

За первый месяц работы посадочный модуль Mars Pathfinder передал на Землю большой массив данных, в том числе 9669 снимков деталей марсианского ландшафта. За это время марсоход преодолел 52 метра, сделав почти полный круг, и выполнил несколько спектрометрических анализов камней и грунта. Кроме того, марсоход зарегистрировал четырех «пылевых дьяволов» — мини-торнадо марсианских пустынь — и подтвердил наличие на поверхности Марса песка.

На основе полученных сведений ученые сделали вывод, что Марс за время своего существования подвергался нагревам, а позже — водной и ветровой эрозии. Это подкрепило теорию о том, что по поверхности Красной планеты когда-то текла жидкая вода. Ну а там, где была вода, возможно, присутствовала и жизнь…

Конец и итоги успешной миссии

В сентябре 1997-го инженеры начали испытывать трудности в установлении связи с посадочным модулем — причиной проблем стала деградация аккумуляторов «лэндера». Последний успешный прием данных состоялся 27 сентября, на 83-й сол работы станции на Марсе.

Далее у аппарата была зафиксирована череда неполадок — операторы предположили, что причиной отсутствия ответного сигнала могли стать перезагрузка бортового компьютера, падение напряжения в бортовой сети или проблемы на наземной приемной станции NASA. Правда, вечером 30 сентября инженерам удалось-таки установить кратковременную двустороннюю связь с модулем через вспомогательный передатчик. Выяснилось, что посадочный модуль по-прежнему функционирует, хотя и с трудом.

«Возможно, аккумуляторная батарея „лэндера“ полностью „умерла“, после чего перестал работать питаемый от нее „будильник“ аппарата — система, которая приводит его в работу каждый сол около полудня. В результате станция не знает, который час и когда выходить на связь», — объяснял на пресс-конференции заместитель менеджера проекта Брайан Мьюирхед. При этом он был полон оптимизма и полагал, что миссия Mars Pathfinder еще не окончена.

И действительно, 7 октября (92-й сол) группа управления сумела возобновить связь с «лэндером» — сигнал, исходящий от его основного передатчика, был пойман 34-метровой антенной в Мадриде. Причину проблем со связью специалисты объяснили разрядкой бортовых батарей, прослуживших уже три месяца.

Что же касается «Соджорнера», то, согласно заложенной в него программе на случай долгого отсутствия связи с посадочным модулем, на 90-й сол, он вернулся к «лэндеру» и начал наматывать вокруг него круги, чтобы получить исходящий радиосигнал. На 93-й сол группа управления попыталась «достучаться» до основного и вспомогательного передатчиков «лэндера», но тщетно. Все дальнейшие попытки наладить связь также оказались безуспешными, и 4 ноября 1997 года в NASA объявили о прекращении научной программы миссии Mars Pathfinder в связи с выходом из строя батарей посадочного модуля.

5 декабря 1997 года в журнале Science вышла серия статей, в которой были подведены основные научные итоги экспедиции. Во-первых, учeные обратили внимание на то, что обследованные марсианские камни содержат много диоксида кремния, что существенно отличает их от падающих на Землю метеоритов марсианского происхождения. Во-вторых, форма некоторых обследованных ровером камней подтверждала, что они могли подвергаться длительному воздействию воды несколько миллиардов лет назад. В-третьих, очень похожими оказались результаты анализов химического состава марсианского грунта, сделанные модулем Mars Pathfinder и спускаемыми аппаратами «Викинг-1» и «Викинг-2» в начале 1980-х — хотя места сбора образцов находились на расстоянии сотен километров друг от друга. Из этого исследователи сделали вывод, что грунт на Марсе достаточно однороден по своему составу.

В-четвертых, оценив задержки радиосигнала, ученым удалось более точно определить период обращения планеты и предположить диаметр ядра Марса. В-пятых, анализ марсианской пыли показал, что многие ее частицы обладают магнитными свойствами за счет присутствия в них маггемита (магнитная модификация оксида железа γ-Fe₂O₃). В-шестых, сопоставление изображений с видеокамер и полученных метеорологических данных позволило предположить механизм образования на Марсе так называемых «пылевых дьяволов» — вихревых структур, возникающих в приповерхностном слое днем в безветренную погоду при сильном прогреве солнечными лучами. В-седьмых, окраска грунта в некоторых местах оказалась похожа на цвет оксигидроксида железа, что подтверждает теорию о более теплом и влажном климате Марса в далеком прошлом.

В числе достоинств экспедиции называлась и ее дешевизна — общие затраты на миссию, включая стоимость ракеты и ее пуска, составили всего 280 млн долларов. Впрочем, обратной стороной такой экономии стало отсутствие на посадочном модуле и ровере дополнительных научных приборов, использование которых помогло бы собрать больше данных о Марсе.

«Станция Mars Pathfinder была по сути испытательной и должна была продемонстрировать политикам, принимавшим решения о финансировании NASA, что космос можно исследовать малобюджетными комплексами. Однако конструкторы не имели возможности разместить на станции инструменты для глубокой ареологической разведки (ареологией иногда называют марсианскую геологию. — Прим. ред.), поэтому сумели выяснить только, что в районе посадки, вероятно, когда-то протекал поток воды „глубиной в сотни метров“, по своей мощи схожий с „потоком, наполнившим в своё время Средиземное море“», — отмечает, историк космонавтики Антон Первушин.

По следам «Соджорнера»

Опыт «Соджорнера» был учтен при подготовке следующей марсианской миссии — в 2004 году на Красной планете в рамках экспедиции Mars Exploration Rover (MER) оказались роверы-близнецы Spirit («Дух») и Opportunity («Возможность»), куда более крупные и долговечные, чем малютка «Соджорнер». Как и их предшественник, новые марсоходы, рассчитанные на 90 дней эксплуатации, проработали гораздо дольше: «Спирит» более шести лет, пока не увяз в песке, а «Оппортьюнити» — все 14 лет! Научные итоги этих двух путешествий оказались, опять же, гигантскими и помогли найти немало подтверждений гипотезы о древнем теплом Марсе, на котором было много жидкой воды.

На данный момент на поверхности Красной планеты работают несколько машин уже третьего поколения. Так, марсоход Curiosity прибыл в район марсианского кратера Гейла 6 августа 2012 года. Изначально предполагалось, что он проработает два года, но потом его миссию продлили на неопределенный срок. По состоянию на август 2024 года марсоход все еще активен, за истекшие 12 лет он преодолел более 32 км.

18 февраля 2021 года на Марс, в район кратера Езеро был доставлен ровер Perseverance («Настойчивость»), к настоящему моменту он преодолел свыше 40 км. Вместе с ним на Марс попал и первый летательный аппарат — крохотный вертолет Ingenuity («Находчивость»). Он проработал намного дольше запланированного, но 18 января 2024 года потерпел крушение после 72-го по счету полета. Сейчас Perseverance, полагавшийся ранее на «разведданные» с вертолета, вынужден продолжать свои исследования в одиночестве. Недавно он обнаружил потенциальные признаки древней марсианской жизни.

Наконец, 14 мая 2021 года к работе приступил китайский марсоход Zhurong («Чжужун»). К 7 мая 2022 года он проработал 349 солов, пройдя за это время почти 2 км. Первое марсианское лето его работы, продлившееся земной год, закончилось, и в преддверии наступающей зимы он перешел в спящий режим, из которого, увы, так и не сумел пробудиться. Судя по всему, его солнечные батареи подверглись сильному запылению и не смогли аккумулировать достаточно энергии…

Следующая высадка марсохода должна была состояться в 2023 году — отправить на Красную планету ровер «Розалинд Франклин», оснащенный буровой установкой, планировалось летом или осенью 2022 года в рамках российско-европейской миссии «ЭкзоМарс», однако из-за международных событий Европейское космическое агентство (ЕКА) отказалось от сотрудничества с Роскосмосом и намерено реализовать проект в 2028 году при участии NASA. Так что список действующих марсоходов теперь пополнится не ранее, чем через четыре года.