Европа и Япония готовы продолжить «Меркурианские хроники» (+ВИДЕО)

Если все пойдет по плану, то в 2025 году BepiColombo выйдет на орбиту Меркурия. Иллюстрация ESA

Приоткрыть завесу тайн самой близкой к Солнцу планеты Меркурий призвана новая межпланетная миссия BepiColombo, старт которой состоялся 20 октября с космодрома Куру. Ракета-носитель тяжелого класса Европейского космического агентства (ESA) Arian-5 (Ариан-5) успешно стартовала с площадки во Французской Гвиане. На борту находится межпланетный комплекс BepiColombo, состоящий из трех аппаратов. На высоте более тысячи километров над Землей комплекс отделился от разгонного блока ракеты-носителя и начал движение к Меркурию по заданной траектории.

Все летит по плану

BepiColombo – международный проект, главные участники которого – ESA и японское космическое агентство JAXA. В целом в подготовке миссии приняли участие специалисты из многих стран, включая Россию. Это будет всего лишь третья специальная экспедиция землян к Меркурию за все время существования космических программ. На подготовку к полету ушло более десяти лет, а сам полет продлится около семи.

Полет на Меркурий – финальная миссия масштабной космической программы европейцев, принятой еще на рубеже веков. В нее входили большие орбитальные и межпланетные миссии, среди которых наиболее яркие – немного драматичный полет зонда «Розетта» к астероиду, миссия Venus Express и продолжающаяся ExoMars. В ESA уже принят новый план запусков вплоть до середины следующего десятилетия, среди которых старт орбитального рентгеновского телескопа и миссия в окрестности Юпитера.

Однако не все проекты уложились в свои сроки, включая и BepiColombo. Как рассказал на предпусковой презентации BepiColombo глава представительства ESA в России Рене Пишель, следующий масштабный запуск будет произведен в 2020 году: продолжение российско-европейской миссии ExoMars. Говоря о целесообразности и научной полезности полета к Меркурию, г-н Пишель отметил, что решение о включении проекта в график принимается целой группой ученых и специалистов после рассмотрения всех аспектов той или иной программы на конкурсной основе. Выигрывают наиболее интересные и наукоемкие проекты, которые могут решить сразу целый ряд поставленных задач. Полет к Меркурию – комплексный эксперимент, который будет проводиться сразу двумя орбитальными аппаратами. В задачах полета, помимо исследований Меркурия, наблюдение за активностью Солнца.

«Планетка за углом»

Меркурий – планета земной группы и самое близкое к Солнцу крупное небесное тело. Расстояние до Земли составляет «всего» около 100 млн км, по масштабам Солнечной системы – практически «за углом». Однако, чтобы добраться до планеты и выйти на ее орбиту, BepiColombo придется проделать путь порядка 9 млрд км, что примерно соответствует пути к дальней границе Солнечной системы и обратно. Это расстояние европейский космический корабль должен преодолеть за семь лет. Выход на орбиту Меркурия запланирован на 5 декабря 2025 года.

Сложность полета – одна из основных причин, почему к Меркурию организована лишь третья миссия, а с выходом на орбиту и вовсе вторая за всю историю космических исследований. Полету BepiColombo предшествовали успешные экспедиции NASA Mariner-10 (1974–1975 годы – пролет планеты) и Messenger (2004–2011 – с выходом на орбиту).

Столь длительный полет обусловлен несовершенством техники землян. Чтобы точно «попасть» в цель, учитывая очень ограниченные запасы топлива и реактивную тягу, нужно использовать для маневров по изменению скорости другие планеты. Для Bepi Colombo это будут Земля и Венера. 13 апреля 2020 года аппарат снова посетит орбиту Земли и далее дважды (в 2020 и 2021 годах) – орбиту Венеры. Первый пролет Меркурия должен состояться 2 октября 2021 года.

Почему не получится долететь по прямой? Набрав необходимую для полета скорость, космический корабль просто не успеет вовремя затормозить. Для этого нужно погрузить на борт большое количество горючего, что сегодня не представляется возможным. Грубо говоря, при современных технологиях аппарат просто сожжет все топливо на разгон и торможение, а на орбитальные маневры и прочие задачи «дров» уже не хватит.

На полетном модуле BepiColombo установлен, пожалуй, самый современный маршевый солнечно-электрический двигатель SEP, который еще называют ионным. 

Испытания ионного двигателя. Фото ESA

Реактивная тяга создается выхлопом ионизированного в электрическом поле газа (в случае с BepiColombo это ксенон, которого загружено 600 кг). Интересно, что подобного рода двигатели используются уже давно для орбитальной ориентации спутников, но как маршевый, ионный двигатель был применен впервые совсем недавно на американском аппарате Deep Space 1, главной миссией которого была отработка новейших технологий.

Двигатель SEP очень надежен и расходует минимальное количество топлива. Для рискованных межпланетных миссий, казалось бы, идеально. Проблема лишь в том, что у ионного двигателя очень низкая тяга по сравнению с обычными химическими. Поэтому путешествие корабля с SEP может занимать очень долгое время. Чтобы повысить скорость, нужно уменьшить массу аппарата. При уменьшении массы возникают ограничения по функционалу миссии. Так что до выхода на орбиту в 2025 году BepiColombo придется шесть (!) раз пролететь мимо Меркурия, постепенно меняя скорость.

Кстати, аппарат назван в честь итальянского математика и небесного механика Джузеппе Коломбо (1920–1984), который является одним из авторов-разработчиков таких сложных маневров при межпланетных полетах.

Окончательная сборка компонентов BepiColombo на космодроме Куру.  Фото ESA/CNES/Arianespace

Два спутника за одну доставку

BepiColombo на самом деле не один аппарат, а целый межпланетный комплекс, состоящий из четырех компонентов: блок доставки MTM, высокоорбитальный спутник MМO, орбитальный спутник MPO и защитно-интерфейсный модуль MOSIF. Разделение системы произойдет, когда «посылка» будет доставлена по адресу, если по дороге не случится аварийных ситуаций.

• MTM (Mercury Transfer Module) – трансферный модуль – довезет полезный груз до места работы. Аппарат оснащен четырьмя ионными двигателями мощностью по 15 кВт каждый, запасом топлива и солнечными батареями площадью в 42 кв. м.
• MOSIF (Mercury Magneto- spheric Orbiter's Sunshield and Interface Structure) – защитный кожух для магнитосферного спутника – также отделится по прибытии. Этот элемент необходим, чтобы оградить оборудование MMO от солнечных ожогов и механических повреждений. Его использование предусмотрено только в ходе перелета от Земли до Меркурия.
• MMO (Mercury Magneto-spheric Orbiter) – орбитальный спутник для исследования магнитного поля планеты и солнечной активности. Аппарат разработан в Японии в сотрудничестве с Австрией при поддержке JAXA. На борту пять приборов весом 45 кг.
• MPO (Mercury Planetary Orbiter) – орбитальный спутник для всестороннего изучения поверхности, оснащенный 11 приборами разного назначения. Оборудование разработано специалистами из Германии, Италии, Франции, Великобритании, Финляндии и России.

Что касается нашего прибора – нейтронного спектрометра MGNS (гамма-лучевой и нейтронный спектрометр), то он полностью создан в России на деньги, выделенные Роскосмосом. По словам руководителя группы разработчиков прибора, руководителя отдела ядерной планетологии Института космических исследований РАН, доктора физико-математических наук Игоря Митрофанова, российской группе ученых удалось выиграть независимый конкурс на постройку спектрометра у европейских коллег.

После разделения по прибытии к Меркурию, каждый из двух аппаратов займет свою орбиту вокруг планеты. Японский магнитосферный спутник выйдет на вытянутый эллипс, а европейский – на почти круговую орбиту с максимальным приближением к планете на 450 км. По плану, работать на орбитах спутники должны в течение трех лет. Если все пройдет как надо, официально миссия будет завешена 1 мая 2028 года.

Вода на Меркурии? Да вы шутите...

Однако до того, как космический корабль начнет маневрировать в межпланетном пространстве, ученым и организаторам миссии приходится еще больше «маневрировать» здесь, на Земле, чтобы пуск состоялся. Это касается всех аспектов: политических, экономических и научных. Далеко не все аппараты стартуют в назначенные сроки.

BepiColombo обошелся участникам, по разным оценкам, около 1,8 млрд долл. Вопрос о том, зачем выкидывать в космос такие огромные деньги, всплывает постоянно, и порой ученым и инженерам весьма трудно доказать, в чем, собственно, полезность той или иной миссии для жителей Земли. И можно ли на фундаментальные исследования тратить такие деньги, когда на нашей планете хватает своих проблем. Так говорили, когда закончилась лунная программа в США, и когда строили МКС, и всякий раз, когда тема космоса всплывает на фоне экономических проблем или аварий.

Ответ на это может быть только один: если человечество хочет развиваться дальше, то фундаментальные космические исследования просто необходимы. Чтобы начать эксплуатацию лунных и марсианских ресурсов, надо лететь в том числе и на Меркурий, потому что каждый полет, даже неудачный, дает огромный массив полезной информации. Кто знает, например, какой из открытых в полете BepiColombo фактов и где пригодится в будущем? Кажется, именно поэтому к космическим исследованиям подключается все больше стран, даже тех, где экономика не слишком сильна, а социальные проблемы далеки от решения.

Ученые и специалисты ESA не просто так выбрали исследование Меркурия и решили потратить на это значительные средства. По мнению ученых, самая близкая планета к Солнцу просто нашпигована противоречиями, в которых следует разобраться. То есть надо выяснить, почему Меркурий такой, как он есть, и что из этого следует применимо к другим областям знаний человека. О задачах миссии рассказал один из штатных ученых ESA, кандидат физико-математических наук Дмитрий Титов.

Тайна первая – внутреннее магнитное поле. Ученые не ожидали его там обнаружить, так как для возникновения поля планете нужно иметь расплавленное ядро. Американский аппарат Mariner-10 обнаружил сходство магнитных полей на Меркурии и Земле. Позже спутник Messenger выяснил, что магнитный диполь вокруг Меркурия смещен по отношению к центру планеты, тогда как, по идее, все должно быть симметрично. Отчего такой дисбаланс – ученым предстоит выяснить.

Вторая тайна – высокая концентрация железа. Совершенно непонятно, откуда оно на Меркурии взялось. По существующей теории возникновения планет, железа там должно быть немного. Некоторые ученые полагают, что силикатная мантия у Меркурия была, но ее «сдуло» после столкновения с каким-то массивным небесным телом.

Тайна третья – есть ли на Меркурии водяной лед? Совсем недавно выяснилось, что ось вращения планеты перпендикулярна плоскости орбиты. Это означает, что на Меркурии нет сезонов. Исходя из этого можно предположить, что в полярных областях солнце не появляется вообще никогда, и температура составляет ниже 200 градусов по Цельсию. Водяной пар, который попадает на поверхность разными способами, может оседать в этих областях в виде льда. BepiColombo должен будет «заглянуть» в полярные кратеры, чтобы точно установить его наличие.

Впервые гипотезу о присутствии льда в приполярных кратерах выдвинули американские ученые после исследований с помощью радиотелескопа «Аресибо». Позже их предположения отчасти подтвердил Messenger уже на месте. Теперь BepiColombo предстоит изучить область Южного полюса, которая была недоступна его предшественнику.

Также среди задач миссии – исследовать взаимодействие сверхразряженной атмосферы и солнечного ветра и провести наблюдения за Солнцем, раз уж оно так близко.

Справка. Планета Меркурий

• Планета земной группы, самая близкая к Солнцу, самая маленькая в системе (после «увольнения» Плутона)
• Расстояние до Солнца: 57,91 млн км
• Расстояние до Земли: от 82 млн до 217 млн км (в зависимости от расположения планет)
• Меркурианские сутки: 58,65 земных суток
• Меркурианский год: 88 земных суток
• Температура на поверхности: от –170 до +450 градусов Цельсия
• Атмосфера: гелий,  натрий, кислород, калий, аргон, водород
• Внутреннее строение (предположительно): жидкое железоникелевое ядро, силикатная мантияъ

Справка. Этапы полета BepiColombo

• 20.10.2018 – старт
• 13.04.2020 – пролет Земли
• 16.10.2020 – первый пролет Венеры
• 11.08.2021 – второй пролет Венеры
• 02.10.2021 – первый пролет Меркурия
• 23.06.2022 – второй пролет Меркурия
• 20.06.2023 – третий пролет Меркурия
• 05.09.2024 – четвертый пролет Меркурия
• 02.12.2024 – пятый пролет Меркурия
• 09.01.2025 – шестой пролет Меркурия
• 05.12.2025 – выход на орбиту Меркурия, завершение перелета, расстыковка аппаратов
• 01.05.2027 – номинальное завершение миссии
• 01.05.2028 – завершение запланированного продления миссии