11:03 , 03 июня 2013

Миссия ЭкзоМарс 2018 – тотальный диктант для Роскосмоса

6 августа 2012 года огромное число людей по всему миру, затаив дыхание, следило за посадкой марсохода НАСА Curiosity. Сверхсложная операция была выполнена с ювелирной точностью, Curiosity благополучно сел в заданном районе Марса. Казавшаяся рискованной схема посадки оправдала себя на все 100%, она будет использована НАСА вновь для посадки марсохода 2020 года, но до этого марсоход на Красную планету должна будет посадить Россия.

В рамках подписанного в марте 2013 года соглашения между Роскосмосом и Европейским космическим агентством [ЕКА] будут запущены совместные миссии по исследованию Марса в 2016 и 2018 годах. Специалисты России участвуют во всех научных и технических группах проекта «ЭкзоМарс», научной программе обоих этапов проекта. Две стороны имеют равные права на научные данные.

Миссия «ЭкзоМарс» 2016 года будет включать в себя орбитальный аппарат и десантный модуль. Россия обеспечит запуск миссии ракетой-носителем «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» и предоставит два из четырех научных инструментов орбитального аппарата. Подробнее о целях, научных инструментах и ходе этой миссии читайте в обзоре.

Миссия 2018 года предполагает исследование Красной планеты научными инструментами марсохода «Пастер» и доставившей его на поверхность Марса российской посадочной платформы. Россия обеспечит запуск миссии ракетой-носителем «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М», посадочную платформу, научное инструменты для платформы при участии европейских партнеров, два из девяти научных инструментов марсохода. Перелетную ступень [с некоторым российским участием], марсоход и остальные научные инструменты для него, а также часть научных инструментов для посадочной платформы обеспечит ЕКА.

До вхождения России в программу «ЭкзоМарс» взамен США европейский вклад оценивался в €1,4 млрд, в том числе €1 млрд – затраты непосредственно ЕКА и €400 млн – дополнительные расходы отдельных стран-участниц ЕКА. К сожалению, представители нашей стороны пока не смогли назвать общую стоимость российской составляющей. Есть лишь информация по стоимости ракеты-носителя «Протон-М» для запуска миссии «ЭкзоМарс» 2016 года, но это лишь часть общих расходов нашей страны по данной программе. Представитель европейской стороны заявил, что информация по общей стоимости затрат двух сторон обычно не предоставляется.

Миссия 2018 года начнется с пуска ракеты-носителя «Протон-М» с космодрома Байконур. Разгонный блок «Бриз-М» выведет связку из перелетной и посадочной ступеней на отлетную траекторию к Марсу. После его отделения в околоземном пространстве и вплоть до сближения с Марсом управление полетом перейдет к европейской перелетной ступени, которая по достижению Марса осуществит сброс российской посадочной ступени с находящимся в ней марсоходом «Пастер».

Предварительная схема посадки выглядит следующим образом, с высокой степенью вероятности в ней будут изменения.

972172
(Изображение: НПО им. С.А. Лавочкина )

Предоставленный Роскосмосом ЕКА предварительный проект посадочной платформы имеет массу 1,6 тонны. Согласно ИКИ РАН, на платформе будут установлены научные инструменты общей массой до 50 килограмм. Планируемый срок службы на поверхности – 1 марсианский год. Список научных инструментов платформы станет известен в 2014 году. Возможно, посадочная платформа будет иметь свой бур для взятия образцов.

Атмосфера Марса слишком тонка, чтобы было возможно затормозить аппарат и посадить его лишь на парашютах, и слишком толста, чтобы можно было пренебречь ею.

Современная Россия не имеет опыта посадки космических аппаратов на Марс. Самый успешный советский опыт – миссия «Марс 3» 1971 года, аппарат сел на поверхность, начал передавать панораму, но сигнал прекратился. Однако у Роскосмоса есть большой опыт посадок на Землю спускаемых капсул КК «Союз», КА серии «Бион», капсул разведывательных спутников, а к 2018 году у современной России будет опыт посадки на Луну.

МАРСОХОД «ПАСТЕР»

972174

Марсоход «Пастер» на поверхности Марса.
(Рисунок: ЕКА)

Научными целями миссии марсохода «Пастер» в порядке приоритета являются:

  • поиск признаков жизни, существовавшей на Марсе в прошлом или существующей на нем сегодня;
  • описание водных/геохимических условий среды в приповерхностных слоях в зависимости от глубины.

Существовала ли жизнь на Марсе в прошлом и существует ли она там сегодня? Для поиска ответа на этот вопрос марсоход будет оснащен набором научных инструментов и буровой установкой, способной брать образцы с глубины до двух метров.

Зачем нужен бур?

Возможность передвижения по поверхности Марса и способность брать образцы с глубины до двух метров играют исключительно важную роль в успехе миссии.

Марсоход «Пастер» будет искать два типа следов жизни: морфологические и химические. Эти поиски будут сопровождаться точным определением геологического контекста.

Связанная с биологическими процессами морфологическая информация могла сохраниться на поверхности горных пород [например, биогенное осадконакопление, окаменевшие бактериальные маты, строматолиты и т.д.]. Подобные исследования требуют мобильности и систему формирования изображений, способную в необходимом разрешении покрывать диапазон масштабов от метрового до субмиллиметрового [для распознавания микротекстур горных пород].

Эффективная химическая идентификация биомаркеров требует доступа к хорошо сохранившимся органическим молекулам. Так как атмосфера Марса более разряжена, чем атмосфера Земли, возникают три фактора, противодействующие длительному сохранению биомаркеров:

  • Уровень ультрафиолетового излучения на поверхности Марса выше, чем на Земле, радиация быстро повредит возможные организмы и биомолекулы, если они окажутся на поверхности;
  • Фотохимия, обусловленная ультрафиолетовым излучением, приводит к образованию активных форм кислорода, которые при активации могут разрушать биомаркеры. Диффузия оксидантов под поверхность плохо описана – это важное исследование будет проведено марсоходом;
  • Ионизирующая радиация проникает на глубину в несколько метров под поверхность планеты. Это вызывает медленный процесс деградации, который за несколько миллионов лет может изменить органические молекулы так, что возможность их обнаружение окажется за пределами чувствительности аналитических инструментов. Эффекты воздействия ионизирующего излучения уменьшаются с глубиной.

Главная цель миссии «ЭкзоМарс» – исследование древних [возрастом более 3 млрд лет] осадочных горных пород и эвапоритовых отложений. Свидетельства существования жизни на Марсе, если она когда-либо там существовала, могли избежать радиационного и химического повреждения, только будучи погребенными под поверхностью в течение длительного периода. Исследования показывают, что проникновение на глубину в диапазоне до 2-х метров необходимо для извлечения образцов хорошо сохранившейся органики самой ранней истории Марса.

Кроме того, важно избежать отложений пыли, этот переносимый ветром материал подвергся действию ультрафиолетового излучения, ионизирующей радиации и оксидантов в атмосфере и на поверхности Марса. Любые органические биомаркеры в данных образцах будут крайне деградированы.

Учитывая все эти причины, буровая установка марсохода «Пастер» будет способна проникнуть и получить образцы хорошо консолидированных формаций с различной глубины, вплоть до 2-х метров.

Сам себе хозяин

Марсоход «Пастер» будет иметь лишь 1 – 2 сеанса связи за марсианский день – сол [длиннее земного дня на 40 минут], поэтому сконструирован работать в значительной степени автономно. Ученые на Земле будут осуществлять целеуказание на основе сжатых стереоизображений, полученных с расположенных на мачте марсохода камер.

«Пастер» будет создавать цифровые карты по данным с навигационных стереокамер, самостоятельно вычислять подходящую траекторию передвижения и перемещаться приблизительно на 100 метров в сол. Безопасность передвижение обеспечат камеры предупреждения столкновений ближнего плана.

Снимки с системы камер в сочетании с данными, собранными подповерхностным радиолакатором во время путешествия марсохода, позволят ученым на Земле определить подходящие места для бурения.

После этого устройство взятия образцов из-под поверхности приступит к автономному бурению на требуемую глубину [максимум 2 метра], параллельно осуществляя исследование минералогии стенки буровой скважины, и соберет небольшие образцы. Эти образцы будут доставлены в расположенную внутри марсохода аналитическую лабораторию.

Научные инструменты

Точная визуальная и спектральная характеристика поверхности Марса является основой для определения геологического контекста районов, которые посетит марсоход. Эти данные могут быть дополнены электромагнитным и нейтронным исследованием подповерхностных слоев, что будет далее способствовать пониманию условий отложения пород [например, осадочное отложение, вулканогенный материал, эоловые отложения]. Знание геологической истории водной среды прошлого является необходимым шагом в поиске следов существования на Марсе жизни в прошлом или настоящем.

Данные с набора расположенных на борту марсохода инструментов помогут ученым провести последовательное изучение Марса, начиная от панорамных [метровых] масштабов, постепенно подходя к меньшим [субмиллиметровым] исследованиям, заканчивая молекулярной идентификацией органических компонентов.

Марсоход будет нести девять инструментов:

Панорамная камера [Великобритания, PanCam, The Panoramic Camera] сконструирована для поиска текстурной информации о породах, которая может быть связана с существованием на Марсе жизни. Кроме того, PanCam даст информацию, которая поможет раскрыть геологические характеристики окружающей среды Марса. Данный инструмент даст стерео и 3D образы окружающей марсоход местности во благо миссии в целом.

В частности, панорамная камера будет использована: чтобы помочь определить место посадки и положение марсохода относительно местных географических ориентиров; чтобы обеспечить геологический контекст исследуемых марсоходом районов; чтобы способствовать выбору лучших мест для проведения экзобиологических исследований; для изучения свойств атмосферы и других переменных явлений.

Кроме того, PanCam поддержит научные измерения остальных инструментов марсохода. Камера сделает снимки высокого разрешения труднодоступных мест, например, кратеров и боковых пород. Инструмент будет следить за образцом породы из буровой установки до его помещения внутрь марсохода и дробления там с целью последующего детального химического, физического и спектрального анализа инструментами аналитической лаборатории.

Инструмент PanCam состоит из:

  • двух широкоугольных камер [WACs, Wide Angle Cameras] для панорамной съемки [поле обзора 34°, фиксированное фокусное расстояние]; оба «глаза» оснащены 12-позиционным диском со светофильтрами, каждый из которых покрывает различные диапазоны длин волн, что делает возможным мультиспектральные наблюдения;
  • одной камеры высокого разрешения [HRC, High Resolution Camera] для цветной съемки высокого разрешения [поле обзора 5°, с механизмом автоматической фокусировки];
  • блока интерфейса инструмента PanCam [PIU, PanCam Interface Unit], «мозг» для взаимодействия инструмента с марсоходом;

Три этих элемента будут размещены на оптической скамье на поворотно-наклонном устройстве на вершине марсохода «Пастер».

Инфракрасный спектрометр [Россия, ISEM, Infrared Spectrometer for ExoMars], расположенный на мачте марсохода, проведет исследования минералогического состава грунта. По данным с этого инструмента будет проводиться выбор образцов для анализа другими инструментами марсохода.

Камера ближнего плана [Швейцария, CLUPI, Close — UP Imager] – камера для получения крупным планом в высоком разрешении цветных снимков пород, выходов пластов на поверхность, буровой мелочи и образцов керна. Инструмент будет исследовать геологические типы отложений, микротекстуру пород, а также искать морфологические биомаркеры. Разрешение с расстояния в 50 сантиметров составит 20 микрон/пиксел.

Подповерхностный радиолокатор [Франция, WISDOM, Water Ice and Subsurface Deposit Observation On Mars] для описания стратиграфии расположенных под марсоходом областей. WISDOM будет использован совместно с российским прибором Adron для принятия решений о том, где следует проводит сбор подповерхностных образцов для анализа.

WISDOM будет дистанционно исследовать природу подповерхностной области, используя для картографирования подповерхностных слоев радиолокационные импульсы в диапазоне частот от 500 МГц до 3 ГГц. Инструмент проведет высокоточные измерения с вертикальным разрешением в несколько сантиметров вплоть до глубины в 3 метра, дополнив исследования, которые будут проведены с помощью буровой установки марсохода вплоть до глубины 2 метра. Инструмент будет передавать и принимать сигналы, используя две небольших антенны, расположенные в задней части марсохода. Измерения с инструмента WISDOM будут использованы для обнаружения оптимальных мест для бурения, определяя природу, положение и размер потенциальных целей, а также позволят убедиться в безопасности буровых операций, уменьшая вероятность контакта с возможной опасностью.

Основные научные цели WISDOM: исследовать трехмерную геологию и геологическую эволюцию района посадки, дать информацию по основным физическим характеристикам местных пород, их слоистости и структуре; исследовать электромагнитные свойства марсианского грунта, картографировать масштабы разнообразия в приповерхностных слоях; наблюдение местного распределения хорошо уплотненных осадочных отложений, которые могут указывать на существовавшие в прошлом богатых водой условий окружающей среды.

Нейтронный спектрометр – [Россия, ADRON-RM] – будет измерять уровень лежащего на глубине до одного метра подповерхностного водорода, представленного в адсорбированной воде, водяном льде, соединениях OH и/или H2O в гидратных минералах. Прототипом данного инструмента является установленный на марсоходе НАСА Curiosity отечественный прибор DAN [Dynamic Albedo of Neutrons]. Проведенные ADRON-RM измерения в районе посадки марсохода «Пастер» будут использованы для сравнения с результатами аналогичных измерений, проведенных в кратере Гейла марсоходом Curiosity.

Мультиспектральный фотоприемник для съемки под поверхностью [Италия, Ma_MISS, Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies] будет расположена внутри бура марсохода «Пастер». Ma_MISS будет делать снимки стенок пробуренных марсоходом скважин для изучения марсианской минералогии и горных пород. Это даст ценную информацию для изучения подповерхностных грунта и пластов породы [стратиграфия], распределение и состояние связывающих воду минералов, и поможет охарактеризовать геофизическую обстановку на Марсе.

972176

Оптическое окно инструмента Ma_MISS в аналоге бурового устройства марсохода «Пастер».
(Изображение: SELEX Galileo)

Во время бурения марсоходом верхних пластов Ma_MISS осветит цилиндрическую стенку скважины через прозрачное окошко в буровом инструменте и захватит отраженный свет, проведет его анализ и передаст данные по стратиграфии скважины на компьютер марсохода для дальнейшего анализа и передачи на Землю.

Ma_MISS будет использовать движение бурового инструмента для получения данных со всей поверхности скважины. Вращение инструмента по мере спуска позволит получить снимки в горизонтальной [кольцевой снимок] и вертикальной [снимок столба] последовательности.

Главная научная цель Ma_MISS – исследование подповерхностных слоев Марса. Это ключ к пониманию химических и физических процессов, что привели к формированию и эволюции исследуемого района.

Поверхность Марса подвержена воздействию внешних процессов, таких как эрозия, образование осадочных пород и ударные воздействия, которые меняет ее первоначальные свойства. Исследование подповерхностных слоев – это единственный способ, позволяющий изучить образцы, близкие к своему изначальному составу. Анализ не подвергшихся воздействию материалов инструментом Ma_MISS совместно с данными исследований образцов с бура, полученными от расположенных внутри марсохода инструментов [Raman, MicrOmega, MOMA], будет иметь решающее значение для интерпретации первоначальных условий формирования пород на Марсе.

Анализ подповерхностных слоев «на месте» даст информацию, которая может быть использована в следующих исследованиях: для оценки обитаемости района бурения и поиск возможных признаков жизни; для определения наличия льда или воды в районе бурения; для описания распределения и состава минералов, определения природы местной геологии и химии; для изучения приповерхностных слоев Марса с точки зрения возможных угроз и ресурсов для выживания людей на поверхности Красной планеты.

Внутри марсохода анализом собранных буром образцов займутся инструменты MicrOmega, RLS и MOMA.

Спектрометр видимого и инфракрасного диапазонов с построением изображения [Франция, MicrOmega] для определения минералогического и молекулярного состава образцов, собранных буровой установкой марсохода. MicrOmega входит в набор аналитических инструментов, среди которых, в том числе, RLS и MOMA, которые проведут описание собранных образцов, в частности, возможно содержащихся в них органических веществ.

Спектрометр рамановского рассеяния [Испания, RLS, Raman Spectrometer] – мощный инструмент для точной идентификации и описания минералов и биомаркеров. Спектрометр рамановского рассеяния чувствителен к составу и структуре любых минеральных и органических соединений. Это его способность позволит получить прямую информацию по возможным органическим соединениям, которые могут быть связаны с признаками существования жизни на Марсе в настоящем или прошлом, а также общую минералогическую информацию по магматическим, метаморфическим и седиментационным процессам, в особенности по геопроцессам, связанным с водой.

Инструмент будет использован: для идентификации органических соединений и поиска признаков жизни; для идентификации продуктов минерального происхождения и индикаторов биологической активности; для описания минеральных фаз, созданных связанными с водой процессами; для описания магматических минералов и связанных с процессами их изменения [например, окисления] продуктов.

Анализатор органических молекул [Германия, MOMA, Mars Organic Molecule Analyser] – крупнейший инструмент марсохода «Пастер», единственный нацеленный непосредственно на биомаркеры. MOMA ответит на вопросы, связанные с зарождением, эволюцией и распределением возможной жизни на Красной планете.

Эти исследования будут проводиться посредством двух основных видов активности:

  • обнаружение даже в очень малых концентрациях органических молекул;
  • установление их биотического или абиотического происхождения путем молекулярной идентификации, используя в качестве критерия хиральность молекул.

В дополнение к изучению образцов, собранных буровой установкой, MOMA будет анализировать газы атмосферы Марса.

MOMA имеет два дополняющих друг друга режима работы: газовой хроматографии-масс-спектрометрии [MOMA GC-MS, Gas Chromatograph-Mass Spectrometry] и масс-спектрометрии с лазерной десорбцией [MOMA LD-MS, Laser Desorption-Mass Spectrometry].

Николай Никитин

По материалам ЕКА и ИКИ РАН.

За ряд пояснений по миссии отдельная благодарность
Ольге Закутной [ИКИ РАН] и Рольфу де Грооту [Rolf de Groot, ЕКА].



Загрузка комментариев...

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире