Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

Загадковий Меркурій вивчають космічні апарати

А. П. Відьмаченко

доктор фізико-математичних наук

Головна астрономічна обсерваторія НАН України

ВСТУП

Меркурій є найменш вивченою планетою земного типу. Раніше тільки один космічний апарат (КА) — американський «Маринер-10» — наближався до планети в 1974 та 1975 рр. Він передав відомості, зібрані під час трьох короткострокових прольотів, лише про частину (45%) меркуріанської поверхні. Новим апаратом, запущеним для вивчення Меркурія, став «Мессенджер» («МЕSSЕNGЕR» — МЕrсurу Surfасе, Sрасе ЕNvironment, GЕоchеmіstrу, аnd Ranging, тобто «Поверхня Меркурія, космічне оточення, геохімія й систематизація»). Проект «Мессенджер» коштуватиме 256 млн дол. США і при цьому стане однією з найдешевших космічних місій НАСА. За допомогою цього КА вчені мають намір одержати фотографії всієї поверхні планети та довідатися більше про її будову й принципи формування. Біля Меркурія новий космічний дослідник з’явиться у січні 2008 р.

Крім цих двох американських місій, ще Європейське космічне агентство (ЕSА) разом з японським аерокосмічним дослідницьким агентством (JАХА) розробляє місію «ВерріСоlоmbо». Запустити КА «ВерріСоlоmbо» планується в 2013 р., а орбіти Меркурія він досягне 2019 р., де й розділиться на дві складові.

Зупинімося детальніше на згаданих вище космічних місіях до Меркурія і на наукових результатах, як уже здобутих з їхньою допомогою, так і запланованих.

КА «МАРИНЕР-10»

«Маринер-10» («Маrіnеr-10») — автоматична міжпланетна станція, запущена 3 листопада 1973 р. ракетою-носієм Аtlаs/Сеntаur (Аtlаs SLV-3D/ Сеntаur D-1А) з космодрому на мисі Канаверал (на рис. 1. показано зовнішній вигляд КА «Маринер-10»). Завданням польоту було вивчення планет Венера й Меркурій із пролітної траєкторії. Загальна вартість проекту — приблизно 100 млн дол. США. «Маринер-10» дотепер все ще залишається єдиним апаратом, що зробив дослідження й знімання Меркурія із близької відстані. Це був останній апарат серії «Маринер», оскільки апарати «Маринер-11» і «Маринер-12» у свій час були перейменовані у «Вояджер-1» і «Вояджер-2» відповідно.

Характеристики апарата: корпус завдовжки 1,4 м та дві сонячні панелі завдовжки 2,7 м кожна; маса в момент запуску — 503 кг, з них 79,4 кг припадало на наукові прилади. КА був обладнаний двома ідентичними камерами для роботи у видимому й ультрафіолетовому діапазонах; інфрачервоним радіометром; ультрафіолетовим спекгрометром; детектором сонячної плазми; комплектом лічильників Гейгера—Мюллера для реєстрації заряджених часток; двома магнітометрами, винесеними на штанзі завдовжки 7 м.

КА «Маринер-10» був першим апаратом, що використав гравітаційний маневр і змінив за допомогою Венери свій перигелій для зближення з орбітою Меркурія. При цьому відстань до Венери стала 5770 км. Апарат передав приблизно 3000 знімків планети в ультрафіолетових і видимих променях з максимальною роздільністю 90 та 18 м відповідно. Фотографії показали, що атмосфера планети перебуває в постійному русі, за їхніми даними була створена модель динаміки венеріанської атмосфери. Апарат також уточнив масу Венери (вона виявилася трохи меншою, ніж використовували раніше під час розрахунків), і підтвердив відсутність у неї магнітного поля.

Потім «Маринер-10» тричі пролітав мимо Меркурія: у 1974 р. — 29 березня (на відстані 703 км) і 21 вересня (48 070 км), у 1975 р. — 16 березня (327 км). Була складена карта для 45% поверхні планети. Ґрунтуючись на показаннях приладів, було встановлено, що нічна температура на Меркурії становить -183 °С, а середня денна дорівнює +187 °С. Поверхня Меркурія виявилася сильно кратерованою і схожою з місячною. Але на відміну від Місяця на Меркурії були виявлені незвичайні високі й дуже протяжні обриви (так звані ескарпи). За даними КА, Меркурій майже позбавлений атмосфери: є тільки вкрай розріджена газова оболонка, що складається в основному з гелію. Апарат уперше виміряв магнітне поле планети.

КА «МЕССЕНДЖЕР»

Конструкція апарата. Стартова маса КА «Мессенджер» становила приблизно і 100 кг, причому майже 600 кг (понад половину всієї маси) — паливо. Корпус апарата виготовлено з композиційного графітового матеріалу і має розміри 1,42×1,85×1,27 м. Щоб забезпечити в КА прийнятний тепловий режим, передбачено спеціальні заходи (потужність сонячного випромінювання на орбіті Меркурія в 11 разів вища, ніж поблизу Землі). Спеціальний сонцезахисний екран розміром 2,5×2 м прикриває звернений до Сонця бік апарата, корпус якого вгорнуто у багатошарову теплоізоляцію, а для відведення тепла від корпуса передбачено радіатори й теплові труби.

За джерело енергії для станції правлять дві однобічні поворотні панелі сонячних батарей (СБ) розміром 1,5×1,65 м з фотоелементами з арсеніду галію. Вони здатні виробляти понад 2 кВт електроенергії, але апаратові досить усього 385—485 Вт на стадії перельоту та 640 Вт під час роботи на орбіті; тому панелі СБ будуть орієнтувати під різними кутами відносно Сонця. Крім того, 67% площі панелей покрито невеликими дзеркалами, які відбиватимуть більшу частину сонячних променів і запобігатимуть перегріву панелі.

Рушійна установка міжпланетної станції містить в собі двокомпонентний маршевий двигун з тягою 68 кг для значних маневрів і 16 малих однокомпонентних рідинних ракетних двигунів.

Рис. 2. Складання КА «Мессенджер». Фото з сайту http://messenger.jhuapl.edu.

У систему зв’язку КА входять дві антени високого підсилення (НGА) типу «фазовані решітки», дві антени середньо гопідсилення (МGА) та чотири антени низького підсилення (LGА). Усі антени закріплено нерухомо, що підвищує їхню надійність. При цьому сигнали фазованих решіток (їх уперше використовують у «далекому космосі») можуть бути спрямовані під кутом до 45° до осі антени. Одинаддятиватний передавач забезпечує передачу даних з борта на Землю зі швидкістю від 9,9 біт/с до 104 кбіт/с. Команди із Землі на борг ідуть зі швидкістю від 7,8 до 500 біт/с.

Орієнтацію КА здійснюють за допомогою двох зоряних датчиків, а також чотирьох гіроскопів і чотирьох акселерометрів, що входять до складу інерційного вимірювального блоку IМU (Іnеrtіаl Меаsurmеnt Unіt). «Мозком» апарата є два модулі (основний і резервний) інтегрованої електроніки ІЕМ, кожний з них має головний процесор RАD6000 (25 МГц) і аналогічний процесор для захисту від збоїв (10 МГц). До складу кожного ІЕМ також входить твердотільний запам’ятовувальний пристрій з пам’яттю до 1 Гбайта.

Наукова апаратура. До її складу входять такі прилади.

1) Дворежимна камера МDI (Меrсurу DualImaging System) для топографічного знімання й детального дослідження ландшафту Меркурія. Вона складається із ширококутної й вузькокутної мультиспектральних камер. Ширококугна камера має поле зору 10,5° і 12 різних фільтрів для спостереження у спектральному діапазоні 400—1100 нм. Вузькокутна камера з полем зору 1,5° реєструватиме детальні чорно-білі зображення поверхні планети.

2) Рентгенівський спектрометр XRS (Х-Rау Sресtrоmеtеr) для визначання елементного складу тонкого (до 1 мм) верхнього шару поверхні Меркурія з просторовою роздільністю 200—1000 км. Він реєструє рентгенівське випромінювання з енергією в межах від 1 до 10 кеВ, де перебувають спектральні лінії магнію, алюмінію, кремнію, сірки, кальцію, титану й заліза, а також сонячне рентгенівське випромінювання й гамма-випромінювання.

3) Гамма-спектрометр і нейтронний спектрометр GRNS (Gаmmа-Rау аnd Neutron Spectrometer) для реєстрації гамма-променів і нейтронів від елементів на поверхні Меркурія, що випускають під впливом космічного випромінювання, а також природного випромінювання радіоактивних елементів. Прилад буде застосований для картографування поверхні планети, щоб визначити елементний склад її кори, і зокрема — виявити полярні льоди.

4) Спектрометр енергійних часток і плазми EPPS (Еnеrgеtіс Раrtiсlе аnd Рlаsmа Sресtrоmеtеr), призначений для вивчення складу, розподілу й енергії заряджених часток у магнітосфері Меркурія, складається зі спектрометра заряджених часток ЕРS і високошвидкісного плазмового спектрометра FIPS.

5) Спекгрометр для дослідження складу атмосфери і поверхні МАSСS (Меrсurу Аtmоsрhеrіс аnd Surfасе Соmроsіtіоn Sресtrоmеtеr) призначено для визначення складу верхньої атмосфери та поверхні Меркурія. Він уміщує в собі два спектрометри: видимого діапазону й УФ-діапазсну; 14-діапазону та видимого.

6) Лазерний висотомір МLА (Меrсurу Lаsеr Аltimеtеr) — для високоточного топографічного знімання поверхні Меркурія.

7) Трикомпонентний магнітометр МАG. Він досліджуватиме магнітні аномалії на поверхні Меркурія, а також вивчатиме структуру та динаміку його магнітного поля.

Політ КА «Мессенджер» до Меркурія. Меркурій є одним із труднодосяжних об’єктів Сонячної системи. Щоб перейти з навколоземної орбіти на навколомеркуріанську, треба «погасити» значну частину орбітальної швидкості Землі (приблизно 30 км/с). На сьогодні жоден космічний апарат не здатний на прямий переліт до Меркурія, тому застосовують складну стратегію численних гравітаційних маневрів. Траєкторія КА «Мессенджер» передбачає шість таких маневрів. 1 серпня 2005 р. апарат пройшов на висоті 2866 км від поверхні Землі, 24 жовтня 2006 р. та 5 червня 2007 р. «Мессенджер» двічі пролетів біля Венери. Так, 24 жовтня 2006 р. КА зробив гравітаційний маневр у полі тяжіння Венери, пройшовши на відстані 3040 км від її поверхні зі швидкістю 12,4 км/с. Після завершення даного маневру станція опинилася на геліоцентричній орбіті з такими параметрами: велика піввісь 0,7235 а. о., перигелшна відстань 0,546 а. о., афелійна відстань 0,901 а. о., ексцентриситет 0,245, нахилення до екліптики 6,1°. Причому цей маневр міжпланетна станція здійснювала практично наосліп для наземних контролерів. Адже Венера в цей момент перебувала за Сонцем, і зв’язок з апаратом був практично відсутнім: інженери приймали лише немодульований сигнал від станції та відслідковували її променеву швидкість за доплерівським зсувом частоти. Під час наступного маневру в гравітаційному полі Венери (5 червня 2007 р.) умови були вже сприятливішими.

15 січня, 6 жовтня 2008 р. та 30 вересня 2009 р. КА зробить ще три гравітаційні маневри біля Меркурія, і тільки 18 березня 2011 р. апарат вийде на високоеліптичну полярну орбіту навколо Меркурія і стане першим в історії штучним супутником Меркурія. Найменша висота у перицентрі становитиме близько 200 км. Апарат має пропрацювати на орбіті Меркурія протягом двох меркуріанських діб, тобто трохи менше одного земного року. Основний фактор, який визначатиме довговічність космічного апарата в цьому випадку, — перегрів бортових приладів променями близького світила.

Уважають, що відомості, які здобуде ця американська станція, будуть пізніше використані для уточнення завдань, що постануть перед міжнародною місією «ВерріСоlоmbо».

МІЖНАРОДНА КОСМІЧНА МІСІЯ «ВЕРРІСОLOМВО»

Тим часом Європейське космічне агентство (ЕSА) разом з японським аерокосмічним дослідницьким агентством (JАХА) розробляє ще одну космічну місію до Меркурія, її назва — «ВерріСоlоmbо». Вона складається із двох космічних апаратів — «Меrсurу Рlаnеtаrу Оrbіtеr» (МРО) і «Меrсurу Маgnеtоsрhеrіс Оrbіtеr» (ММО). Європейський апарат МРО досліджуватиме поверхню Меркурія та його внутрішню будову, а японський ММО буде стежити за магнітним полем і магнітосферою планети.

У підготовці цього космічного експерименту візьмуть участь і російські вчені з Інституту космічних досліджень Російської академії наук. До складу наукового обладнання для дистанційних досліджень планети та її магнітосфери входитиме російський прилад «Гамма» і нейтронний спектрометр «МГНС». Для дослідження магнітного поля Меркурія та його взаємодії із сонячним вітром призначено спеціальну установку.

Крім того, Росія створює ще три прилади разом з Японією, Францією й Австрією. У проекті бере участь також Роскосмос, за допомогою якого планується виведення даного КА на орбіту. Запуск «ВерріСоlоmbо» планується на 2013 р. У 2019 р. він досягне орбіти Меркурія, де й розділиться на дві складові.