Далёкое и близкое

Проблема энергосбережения волнует не только производителей компьютерного "железа": создатели зондов, запускаемых к другим планетам, пытаются сэкономить на топливе, спланировав полёт так, чтобы выжать максимум энергии из сближения своих посланцев с небесными телами, встречающимися на пути.

Мне часто вспоминается пример из давнего урока географии. Учитель пометил на глобусе две точки, расположенные на одной средней широте, но по разные стороны Атлантики. Нужно было указать кратчайший путь между пунктами. В пятом классе почти каждый первый провел линию, параллельную экватору. Правильный же ответ читатель получит сам, соединив точки натянутой нитью.

Морская наука мудро оберегает время путешественников, да и топливо бережёт. Пути в космосе еще менее очевидны, а вот мотивация при выборе дорог схожа, разве что со временем мало кто считается. Оно, в отличие от горючего, обычно не стоит ни гроша. Из-за всеобщего подчинения законам гравитации в космических путешествиях тоже не бывает прямых путей. За примером даже в космос лететь не надо. Попробуйте, скажем, по прямой доставить снежок до дерева, что в шагах двадцати от вас. Сил не хватит, придется кидать по дуге, а времени на полет уйдёт больше. Те же законы правят и планетами, сложные взаимные перемещения которых создают дополнительные трудности космическим аппаратам. С одной стороны, эти законы сильно усложняют расчёты, с другой - позволяют использовать их во благо.

В каждом случае создатели того или иного зонда, запускаемого к другой планете, пытаются сэкономить на топливе, спланировав полёт так, чтобы выжать максимум энергии из сближения своих посланцев с небесными телами, встречающимися на пути, даже если это затянет миссию. Хотите вывести аппарат на орбиту вокруг Марса? Обеспечьте возможность вовремя затормозить, дайте горючего. Нужно чуть поднять орбиту спутника? Без усилий двигателя он ни за что не изменит гравитации.

Любой негравитационный маневр приходится оплачивать топливом, которое нужно разместить на борту, а потом ещё вывести в космос вместе с аппаратом. Именно поэтому разговор о трёх космических зондах, которые в этот момент летят к трём разным планетам, мы начали с главного, энергетического вопроса. Во многом их судьба предначертана и легко читается по топливным бакам.

Под зонтиком

Не так давно зонд "Кассини" сделал несколько витков вокруг Солнца, сближаясь то с Землей, то с Венерой, чтобы набрать нужную скорость перед полётом к Сатурну. Этот путь продлился семь лет, и именно время послужило платой за даровую энергию. Зато аппарат сэкономил топливо для многочисленных корректировок траектории внутри системы Сатурна, что позволяет ему сейчас проводить столь разносторонние наблюдения.

Той же монетой решили заплатить учёные NASA, посылая аппарат Messenger к Меркурию. Хотя дорога к этой планете короче на порядок, чтобы выйти на расчётную орбиту, новый зонд затратит всё те же семь лет. Вот только в пути ему предстоит не столько разгоняться, сколько тормозить, отдавая излишки своей энергии планетам. К Земле аппарат уже возвращался в прошлом году, а впереди нас ждут сначала два сближения с Венерой, потом три - с самим Меркурием.

Через полтора года после третьего манёвра возле Меркурия "Посыльный" наконец останется возле планеты. Messenger (The MErcury Surface Space ENvironment, GEochemistry and Ranging mission) должен стать первым искусственным спутником Меркурия. Воистину самое тёмное место - под фонарём: у человечества до сих пор нет полной карты ближайшей к Солнцу планеты. В своё время Mariner-10 сумел запечатлеть с километровым разрешением лишь 45% поверхности. Другие аппараты с Меркурием не сближались, а с Земли его изучать сложно, мешает Солнце. Мощное излучение близкого светила угрожает и "Мессенджеру", но конструкторы предусмотрели специальный защитный зонтик, который будет оберегать исследовательскую аппаратуру.

На борту нашлось место семи научным приборам. Это две камеры для съёмки поверхности; лазерный высотомер для топографических исследований; пара спектрометров жёсткого излучения и прибор, работающий в диапазоне от тепловых лучей до ультрафиолета; магнетометр и, наконец, радиолокатор, с помощью которого будут фиксироваться малейшие изменения скорости зонда. Последний инструмент позволит уточнить распределение тяжелых элементов, а также уточнить толщину коры в разных местах. Многочисленные спектрометры должны собрать исчерпывающую информацию о составе поверхности и о разреженной атмосфере планеты.

Близость к светилу создаёт не только проблемы. Мощный поток частиц солнечного ветра возбуждает атомы приповерхностных пород, заставляя их излучать рентгеновские и гамма-кванты. По энергии последних можно судить о составе меркурианской поверхности - получается практически готовый ионный зонд, только успевай детекторы подставлять. За год работы зонда, если не случится непред виденного, мы получим больше информации о Меркурии, чем за всё предыдущее время. В частности, учёные планируют найти лёд на неосвещенной части поверхности и проверить гипотезу о существовании ещё одного пояса астероидов, вращающихся возле самого Солнца.

Возвращаясь к началу статьи, отметим, что при стартовой массе зонда в 1100 кг 55% веса отдано топливу, а полезная нагрузка тянет лишь на несколько десятков килограммов. Чтобы рационально расходовать топливо, "Messenger" оборудован одним главным и аж шестнадцатью вспомогательными двигателями.

На пару дней к Венере

К соседней для нас и Меркурия планете прибыл другой зонд - Venus Express. Европейское космическое агентство сумело избежать сложных гравитационных манёвров, поэтому, стартовав с космодрома Байконур в ноябре прошлого года, аппарат достиг цели уже в начале апреля. Для этого пришлось увеличить массу модуля до 1200 кг, 580 из которых сгорели в двигателях. Научное оборудование зонда весит всего 90 кг и во многом повторяет начинку другого, не вполне удачного европейского проекта - Mars Express, спускаемый модуль которого Beagle-2 так и не вышел на связь после посадки около двух лет назад. Часть приборов разработана российскими учёными, и почти вся информация будет обрабатываться при участии наших соотечественников. Тому есть исторические предпосылки - так уж получилось, что СССР в 1970-80-е годы гораздо дальше продвинулся в исследовании Венеры, чем главный конкурент - США.

Несмотря на потраченные в своё время миллиарды рублей и долларов, знания о нашей ближайшей соседке тоже оставляют желать лучшего. Её поверхность, по-видимому, сложена в основном базальтовыми породами, которые наиболее распространены и на Земле, Луне и Марсе. Судя по многочисленности метеоритных кратеров, рельеф планеты сформировался примерно полмиллиарда лет назад (большая часть поверхности Земли куда моложе). Процессы выветривания на Венере малозаметны, что весьма странно при такой плотной и динамичной атмосфере. Поскольку планета окутана непроницаемыми облаками, а посадку сильно осложняют высокое давление и температура в полтысячи градусов выше нуля, то фотографий поверхности не так уж много. Они сделаны главным образом советскими аппаратам серии "Венера", которым удалось пробиться сквозь облака и передать информацию за те десятки минут, что выдерживала техника.

Что касается жутких венерианских атмосферных условий, совершенно неясно, отчего планета, похожая по массе и размерам на Землю, так сильно от неё отличается. Возможно, на этот вопрос ответит зонд, который должен заступить на научную вахту в мае, после корректировки орбиты. У Venus Express нет посадочного модуля, зато целая обойма спектрометров позволит детально изучить атмосферу с орбиты, а то немногое, что атмосфера всё же пропускает, даст возможность судить и о поверхности. Заодно будут проведены исследования магнитного и гравитационного полей Венеры.

Расчётное время работы зонда составляет… двое суток. Правда, по местному календарю, на Земле пройдет больше года - так медленно Венера вращается вокруг своей оси, и вдобавок в противоположном направлении, нежели большинство других планет. Одна из задач проекта - разобраться и в этой аномалии.

Дальше некуда

К тому времени, когда венерианская миссия закончится, Messenger все еще не успеет добраться до Меркурия. Однако в своих долгих мытарствах он окажется не одинок. На другом конце Солнечной системы будет торить нелёгкий путь к Плутону зонд New Horizons - самый лёгкий аппарат из всей троицы, его стартовый вес не дотягивает даже до полутонны: экономия за счёт малого запаса топлива. С другой стороны, 80 кг горючего сильно ограничивают манёвренность зонда, каждый "шаг" - на вес золота. Проблему доставки корабля к Плутону решили "в лоб" - разогнали ракету до рекордной скорости и отправили к Юпитеру, который должен "отфутболить" аппарат к цели. Итог - всего лишь девять лет пути, хотя Плутон в десятки раз дальше от Земли, чем Меркурий.

Кроме двух фотокамер, способных работать на таком гигантском удалении от источника света, зонд оснащен измерителем параметров частиц солнечного ветра, ультрафиолетовым спектрометром, спектрометром заряженных частиц, детектором космической пыли и радиоспектрометром. Предусмотрены эксперименты, которые помогут больше узнать о поверхности, атмосфере и магнитосфере планеты, ну и спутники, конечно, не забыты. Аппарат проследует мимо Плутона, а не станет выходить на орбиту: дефицит топлива. К какому именно телу из пояса Койпера отправятся (и отправятся ли) "Новые горизонты", возможно, удастся узнать ближе к 2015 году. Слыхали? Бензин снова подорожает!