21.10.2018

BepiColombo: третья миссия к Меркурию успешно стартовала

20 октября в 4:45 по московскому времени с космодрома Куру, расположенного во Французской Гвиане, был запущен космический аппарат BepiColombo. Он направляется к Меркурию. Это всего лишь третья миссия к этой планете – самой близкой к Солнцу и самой малоизученной планете земной группы. По плану аппарат достигнет цели через семь с лишним лет, а его научная программа продлится год. Оборудование BepiColombo должно помочь нам лучше разобраться, как устроена эта планета и ее магнитосфера.

Загадочный Меркурий

Меркурий – самая маленькая, самая близкая к Солнцу и самая малоизученная планета земной группы. До нынешнего момента к нему были отправлены только две миссии, и обе – под руководством НАСА: «Маринер-10», запущенный в 1973 году, и «Мессенджер», запущенный в 2004 году. Третьей миссией станет BepiColombo – совместный проект Европейского космического агентства (ESA) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA).

К Венере и Марсу запущены уже десятки космических аппаратов, которые изучали и изучают эти планеты с орбиты и с поверхности. То, что BepiColombo – всего лишь третья миссия к Меркурию, связано не с тем, что Меркурий не интересен, а с тем, что из-за близости к Солнцу его чрезвычайно трудно изучать.

Во-первых, в окрестностях Меркурия экстремальные температурные и радиационные условия. Днем поверхность планеты в некоторых местах нагревается до 450°C, а ночью остывает до -180°C, аналогичные перепады температур будут и на космическом аппарате, летающем вокруг Меркурия и периодически попадающем в его тень. Плотность солнечного ветра в тех краях гораздо выше, чем у Земли, поэтому высокоточные приборы будут сильнее страдать от облучения. Из-за этого всему оборудованию требуется усиленная защита.

Во-вторых, сложно выводить космический аппарат на орбиту Меркурия. В классической схеме перелета к любой планете (гомановская траектория) предполагается два маневра. Первый маневр – переход с орбиты Земли на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, которая пересекает орбиту планеты назначения в противоположной точке (от места старта относительно Солнца). Второй маневр нужен, чтобы перейти на орбиту, близкую к орбите планеты. В случае полета к Меркурию оба этих маневра будут торможениями: сначала надо сбросить скорость, чтобы аппарат полетел «внутрь» земной орбиты, потом он ускорится под действием силы притяжения от Солнца, и при подлете к Меркурию надо будет еще раз затормозить. Оба торможения будут порядка 5 км/с и потребуют очень много топлива – современные ракеты могут поднимать корабли, у которых топлива может хватить лишь на один подобный маневр.

Альтернатива имеется, но это более долгие траектории, которые используют тяготение планет – так называемые гравитационные маневры – для изменения скорости аппарата. Впервые таким способом – и именно к Меркурию – полетел зонд «Маринер-10». Рассчитал его траекторию итальянский математик Джузеппе (Бепи) Коломбо (Giuseppe Colombo). В честь него и названа миссия BepiColombo. Гравитационное торможение происходит следующим образом. Аппарат подлетает к планете, обгоняя ее, при этом он притягивается планетой, а ускорение от силы притяжения направлено против движения аппарата – и он тормозится.

О чем рассказали предшественники BepiColombo?

«Маринер-10» был первым аппаратом, отправленным к Меркурию. Он стартовал с мыса Канаверал во Флориде 3 ноября 1973 года. «Маринер-10» сближался с Меркурием всего три раза (29 марта 1974 года – на расстоянии 703 км, 21 сентября 1974 года – на расстоянии 48069 км и 16 марта 1975 года – на расстоянии 327 км) и сумел запечатлеть всего около 45% поверхности планеты (рис. 2).

Тем не менее, этот космический аппарат собрал большое количество интересных данных: около 300 черно-белых фотографий, некоторые – с очень высоким по тем временам разрешением 140 метров/пиксель, получил данные об атмосфере и экзосфере планеты, а также обнаружил у Меркурия магнитное поле, похожее на поле Земли. 24 марта 1975 года у «Маринера-10» закончилось топливо, но, возможно, он до сих пор вращается вокруг Солнца.

Следующей миссией стал «Мессенджер», запущенный 3 августа 2004 года с того же космодрома, что и «Маринер-10». Так же, как и предшественник, «Мессенджер» использовал гравитационные маневры, чтобы достигнуть Меркурий. Путь занял у него почти семь лет: на околопланетную орбиту он вышел в марте 2011 года. Она была сильно вытянутой и проходила мимо полюсов планеты. В течение основной миссии «Мессенджер» делал два оборота вокруг Меркурия каждые 24 часа, максимально приближаясь к его поверхности на расстояние 200 км и максимально отдаляясь более чем на 15000 км. «Мессенджер» летал вокруг Меркурия четыре года, пока у него не кончилось топливо. Аппарат упал на поверхность планеты 30 апреля 2015 года.

«Мессенджеру» удалось получить изображение почти всей поверхности Меркурия, используя лазерный альтиметр и мультиспектральную систему визуализации. Выяснилось, что большая часть Меркурия покрыта не кратерами, а следами вулканической активности, образовавшими гладкие равнины. «Мессенджер» обнаружил мелкие, нерегулярные впадины в кратерах и на равнинах планеты. Происхождение этих впадин до сих пор остается загадкой.

Различные спектрометры «Мессенджера» определяли элементный и минеральный состав пород на поверхности Меркурия. Несмотря на высокую плотность планеты и предполагаемое наличие железного ядра, на поверхности Меркурия, по-видимому, находится небольшое количество железа, но зато там высокое содержание летучих элементов (серы, натрия, хлора). Также «Мессенджер» обнаружил на Меркурии воду – в виде льда, залегающего в затененных полярных кратерах.

Задачи BepiColombo

С помощью BepiColombo ученые надеются получить ответы на множество вопросов, вот некоторые из них (полный список задач миссии есть на ее сайте):

• Как сформировался Меркурий?
• Есть ли у планеты внутри жидкое ядро, и, если есть – какого оно размера?
• Плотность Меркурия выше, чем у других планет земной группы. Почему?
• Продолжается ли на планете геологическая активность?
• Можно ли использовать экстремальную близость Меркурия к Солнцу, чтобы еще точнее проверить общую теорию относительности?
• Как генерируется магнитное поле Меркурия и как оно взаимодействует с солнечным ветром?
• «Мессенджер» обнаружил лед на Меркурии, но что это за лед и каково его происхождение?

BepiColombo доставит на Меркурий два самостоятельных аппарата, которые будут обращаться вокруг планеты на разных орбитах: Mercury Planetary Orbiter (MPO), разработанный Европейским космическим агентством, и Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), разработанный Японским агентством аэрокосмических исследований.

Если все пойдет так, как планируют ученые, BepiColombo выйдет на орбиту 5 декабря 2025 года. Аппараты разделятся и 14 марта 2026 года MPO выйдет на окончательную орбиту.

Европейский модуль МРО доставит к Меркурию 11 экспериментальных установок (рис. 5), предназначенных для изучения самого Меркурия, его поверхности, структуры, движения и т. д. Он будет летать на низкой полярной орбите на высотах от 480 до 1500 км с периодом ~2,3 часа.

На борту зонда MPO находятся следующие инструменты. BELA – это лазерный альтиметр, который измеряет расстояние до поверхности. Его данные можно будет составить более детальные модели рельефа. MPO-MAG представляет собой два магнитометра на выносной стреле. Основная его задача – измерение магнитного поля вблизи планеты. MERTIS – это прибор, который работает по принципам болометра. Его задачи – изучение химического состава и распределения минералов и изучение температуры и тепловой инерции поверхности. MIXS (Т – телескоп, С – коллиматор) – рентгеновский спектрометр, предназначенный для определения химического состава поверхности за счет метода рентгенофлуоресцентного анализа. PHEBUS – ультрафиолетовый спектрометр, предназначенный для исследования химического состава веществ, испаряющихся с поверхности Меркурия. Четыре детектора нейтральных и ионизированных частиц SERENA смогут измерять массу, заряд, скорость, плотность и распределение заряженных частиц рядом с планетой, и, таким образом, изучать грунт Меркурия и взаимодействие с экзосферой планеты. В SIMBIO-SYS входят спектрометры и стереографические фотокамеры видимого и ближнего инфракрасного диапазона. Он будет фотографировать поверхность, производить геологическую разведку, искать признаки вулканизма и глобальной тектоники, изучать возраст и состав кратеров. SIXS – рентгеновский спектрометр, предназначенный для регистрации рентгеновского излучения от Солнца и поиска влияния на поверхность планеты, который также будет изучать солнечную корону, солнечный ветер и солнечные вспышки.

Внутри МРО находятся еще несколько исследовательских инструментов. ISA – акселерометр, отслеживающий изменение скорости аппарата, которое свидетельствует об изменении гравитационного поля. Гамма- и нейтронный спектрометр MGNS должен регистрировать излучение радиоактивных элементов и определять их количественное содержание. Кроме этого, он будет регистрировать вторичные нейтроны, которые образуются при взаимодействии солнечного ветра с поверхностью. Эти данные нужны для определения химического состава подповерхностных или не освещенных слоев Меркурия. MORE – радиолокатор, который будет измерять параметры вращения планеты.

Зонду ММО предстоит обращаться по сильно вытянутой полярной орбите: в ближайшей точке орбиты до Меркурия будет 590 км, в самой далекой – 11640 км. При этом, этот зонд, чем-то похожий на консервную банку, будет раскручен до 15 оборотов в минуту вокруг своей оси. Ориентация в пространстве подобрана так, чтобы Солнце не нагревало верх и низ аппарата: основной удар излучения придется на боковую поверхность зонда, которая будет постоянно оказываться в тени и не будет перегреваться. Заодно такое вращение позволит развернуть четыре 15-метровые антенны, измеряющие электрическое поле и радиоволны. ММО оснащен двумя пятиметровыми мачтами, на которых уставлены датчики для измерений магнитного поля (рис. 7). Такая изоляция нужна, чтобы защитить датчики от влияния со стороны электрооборудования зонда. На аппарате будут проводиться пять экспериментов, направленных по большей части на изучение окружающего Меркурий пространства.

На рис. 7 показано расположение всех пяти экспериментальных установок зонда ММО. MDM состоит из четырех пьезоэлектрических керамических датчиков, которые будут регистрировать и определять параметры пыли в космическом пространстве и рядом с Меркурием. В эксперименте MMO/MGF с помощью двух магнитометров будут изучаться магнитные поля Меркурия. MPPE представляет собой семь датчиков, регистрирующие высокоэнергичные частицы разной энергии и предполагает изучение частиц плазмы в магнитосфере планеты и космическом пространстве. MSASI нацелен на поиск и изучение натриевого «хвоста» планеты. PWI разработан для исследования электрического поля, электромагнитных волн и плазмы в магнитосфере Меркурия и космическом пространстве.

Орбиты аппаратов будут быстро меняться из-за гравитационного воздействия Солнца, поэтому потребуются их частые корректировки. Также топливо потребуется для поддержания правильной ориентации аппаратов, чтобы они не нагревались. Планируется, что аппараты проработают год, но при удачном стечении обстоятельств возможно продление миссии еще на год. Остается понадеяться, что эта миссия будет успешной.

Александр Яровитчук

Источники:

1. elementy.ru