Наука и технологии 10 Декабря 2018

Семь лет до Меркурия

Истекает второй месяц космической миссии BepiColombo к Меркурию. Испытаны ионные двигатели, проведено тестовое включение приборов. Прибытие зонда к планете запланировано на декабрь 2025 года. «Стимул» узнал подробности проекта
Семь лет до Меркурия
Ракета-носитель Ariane 5 вывела BepiColombo на расчетную орбиту
airbus.com

Миссия стартовала 20 октября с космодрома Куру во Французской Гвиане. Ракета-носитель Ariane 5 вывела BepiColombo на расчетную орбиту. Запуск много раз переносился в связи с неготовностью аппаратов, но на этот раз все прошло успешно.

В проекте участвуют два аппарата с разными задачами. Первый, более тяжелый, — Меркурианский планетный орбитальный аппарат (Mercury Planetary Orbiter, MPO) разработки Европейского космического агентства (ЕКА). Он будет находиться на довольно низкой орбите и почти всегда «смотреть» на поверхность планеты.

Второй — Меркурианский магнитосферный орбитальный аппарат (Mercury Magnetospheric Orbiter, MMO), созданный в Японском агентстве аэрокосмических исследований. Задача MMO — исследования магнитосферы Меркурия и его плазменного окружения. Орбита аппарата более вытянута и пересекает различные области магнитосферы, а также выходит за ее пределы, в область солнечного ветра.

Первоначально предполагалось, что российское НПО им. С. А. Лавочкина изготовит еще и третий аппарат, «Меркурий-П», который должен был осуществить первую в истории посадку на ближайшую к Солнцу планету. Однако впоследствии из-за удорожания посадочного модуля от этого аппарата решено было отказаться.

Европейцы и японцы, пусть и с задержками против первоначально согласованных сроков, свои аппараты изготовили. И зонды полетели вместе. На расчетном расстоянии от Меркурия они разделятся и выйдут на разные орбиты. Mercury Planetary Orbiter — основная часть миссии. Масса зонда — 1230 кг, на нем установлено 11 приборов.

magnifier.png Первоначально предполагалось, что российское НПО им. С. А. Лавочкина изготовит еще и третий аппарат, «Меркурий-П», который должен был осуществить первую в истории посадку на ближайшую к Солнцу планету

Mercury Magnetospheric Orbiter весит куда меньше Mercury Planetary Orbiter — 285 кг — и несет пять групп инструментов. Они будут анализировать заряженные частицы солнечного ветра, отклоняемые магнитосферой Меркурия, и таким образом определят ее параметры максимально точно. Чтобы четче прояснить границы магнитосферы, аппарат будет иметь вытянутую орбиту высотой от 590 до 11 640 км.

В научной программе проекта принимают непосредственное участие российские исследователи; четыре прибора в составе комплексов научной аппаратуры были полностью или частично разработаны в России.

В Институте космических исследований (ИКИ) РАН создан один из научных приборов — Меркурианский гамма- и нейтронный спектрометр МГНС (MGNS, Mercury Gamma ray and Neutron Spectrometer). «Измеренный спектр гамма-излучения Меркурия позволит выяснить состав вещества его поверхности, так как каждый породообразующий элемент излучает спектральные линии гамма-лучей со вполне определенными энергиями, — рассказал “Стимулу” научный руководитель эксперимента, руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН Игорь Митрофанов. — Измеренный поток нейтронов позволит оценить массовую долю воды в веществе полярных районов этой планеты. МГНС — это единственный прибор, который целиком создан в России для этого проекта российской научной группой и за российские деньги».

magnifier.png В первой половине 2010-х годов «Мессенджер» точно измерил параметры вращения Меркурия. Выходило, что планета вращается как тело с жидким ядром, притом рекордно большим, в три четверти ее диаметра

ИКИ также участвовал в создании других приборов на борту аппарата BepiColombo. Специалисты института делали отдельные блоки для ультрафиолетового спектрометра ФЕБУС (PHEBUS, Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy), камеры наблюдения в лучах натрия МСАСИ (MSASI, Mercury Sodium Atmosphere Spectral Imager) и плазменного комплекса СЕРЕНА (SERENA, Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances).

Инженерам нужно было придумать, как защитить технику от жара: поток солнечного излучения на Меркурии превышает земной в 5–11 раз, разница вызвана эллиптичностью орбиты. Зонд покрыли отражающими зеркалами. Вдобавок Mercury Planetary Orbiter будет летать на орбите Меркурия под прямым углом к экватору (на высоте от 480 до 1500 км) — это также снизит нагрев.


 


Загадочная планета

Меркурий — загадочный и странный мир. У него нет атмосферы, на солнечной стороне температура доходит до 430 °С, на теневой опускается до –190 °С, но уже на глубине полутора метров почти одинакова везде и довольно близка к земной.

Солнце встает над одной и той же точкой поверхности не каждый день, а однажды за два местных года (раз в 176 земных суток). Виной тому соотношение меркурианских циклов: один оборот вокруг оси планета делает примерно за 59 суток, а вокруг Солнца — за 88 суток. Из-за этого Солнце на горизонте идет то с востока на запад, то с запада на восток. Ничего похожего нет ни на одной другой планете нашей системы.

Долгое время ученые считали, что период обращения Меркурия вокруг Солнца — 88 земных суток — точно соответствует периоду его обращения вокруг собственной оси, то есть планета находится в состоянии приливного захвата и всегда обращена к Солнцу одной стороной, как Луна по отношению к Земле. Однако в 1965 году радарные наблюдения с помощью радиотелескопа в обсерватории Аресибо показали, что сутки на Меркурии длятся 59 суток, что поставило астрономов в тупик.

МЕРК КОЛОМБО.png
Профессор Падуанского университета Джузеппе Коломбо по прозвищу Бепи
sciencemuseum.org.uk

Профессор Падуанского университета Джузеппе Коломбо по прозвищу Бепи заметил, что 59 суток составляют почти точно две трети от 88, и доказал, что такое соотношение может быть действительно стабильным и Меркурий не находится в стадии перехода в состояние приливного захвата.

Впоследствии жизнь и работа Коломбо были во многих отношениях связаны с Меркурием. Он, например, участвовал в проработке миссии «Маринер-10», и именно Бепи в 1970 году заметил, что аппарат может совершить не один, а два пролета рядом с этой планетой — второй через шесть месяцев после первого, и рассчитал необходимые для этого маневры. Так что нынешняя меркурианская миссия не зря носит имя этого итальянского ученого.

Многие характеристики Меркурия долго оставались загадкой. Автоматическая станция «Маринер-10», пролетавшая мимо планеты в 1974–1975 годах, засекла слабое магнитное поле. Это натолкнуло ученых на мысль о твердом металлическом ядре. Но в первой половине 2010-х годов аппарат «Мессенджер» точно измерил параметры вращения Меркурия — выходило, что планета вращается как тело с жидким ядром, притом рекордно большим, в три четверти ее диаметра.

Структура Меркурия противоречит всем моделям формирования планет. Вначале ученые предположили, что тот столкнулся с другой планетой и мантию просто унесло в космос, поэтому-то ядро такое непропорционально большое. Но гамма-спектрометр на «Мессенджере» показал: на Меркурии много легких металлов, а при столкновении они бы просто испарились. Стало ясно, что расчетов и наблюдений в телескопы недостаточно — нужны исследования на месте.

magnifier.png Зонд оборудован системой QinetiQ, которая состоит из четырех ионных двигателей T6, работающих на солнечной энергии. Считается, что они эффективнее расходуют топливо, чем жидкостные. T6 работают на инертном газе — ксеноне

Весьма загадочны районы в высоких широтах планеты. Ось вращения Меркурия почти не наклонена, поэтому некоторые приполярные области никогда не освещаются прямыми лучами. Радар на станции «Мессенджер» нашел там что-то очень похожее на залежи водяного льда под тонким слоем пыли. Этого никак не ожидаешь на ближайшей к Солнцу планете. Лед предположительно есть и в глубоких кратерах.

По химическому составу поверхности Меркурия можно с большой точностью выяснить, какому нагреву подвергалась планета и часто ли ее бомбардировали кометы. Анализ поможет прояснить другую гипотезу насчет аномально большого ядра. Согласно этой гипотезе, Меркурий сформировался далеко от нынешней орбиты. Если это так, то в грунте могут быть следы не только водяного льда, но и замерзших газов. Конечно, лед можно найти исключительно в кратерах близ полюсов, куда никогда не заглядывает Солнце. Но орбита Mercury Planetary Orbiter рассчитана таким образом, чтобы ему было проще всего вести съемку именно приполярных областей.

Еще одна многообещающая область — хребты вокруг кратера Рахманинова. Он резко выделяется не только двойной цепью гор, но и гладкой равниной диаметром 290 км. Равнина стала такой из-за застывшей лавы. В этом же месте лежит и самая низкая точка Меркурия — на 5,38 км ниже среднего уровня поверхности. Детальное изучение спектрометрами позволит раскрыть тайны недр планеты или хотя бы подобраться к разгадке: состав покрывающей дно кратера лавы может много рассказать и о том, из чего состоит ее ядро.

МЕРК МЕРК.png
Восемь планет нашей Солнечной системы и Солнце, в масштабе по размеру тел, но не по диаметру орбит. Из всех видимых невооружённых глазом планет Меркурий увидеть тяжелее всего
WIKIMEDIA COMMONS

 

Как долететь?

Зонд оборудован системой QinetiQ, которая состоит из четырех ионных двигателей T6, работающих на солнечной энергии. Считается, что они эффективнее расходуют топливо, чем жидкостные. T6 работают на инертном газе — ксеноне.

«Ионные двигатели — довольно эффективная система управления движением, в основе которой лежит ускорение ионов», — отметил в интервью RT Игорь Митрофанов. По словам эксперта, главное достоинство ионных двигателей — их экономичность.

magnifier.png BepiColombo будет ускоряться за счет гравитационных полей Земли и Венеры, а в перерывах между сближениями с планетами — нарезать огромные, но постепенно сужающиеся круги вокруг Солнца

«Во сколько раз вы можете увеличить скорость движения частиц, во столько раз вы можете сэкономить на массе космического корабля», — пояснил ученый.

Более того, по словам инженера ЕКА и научного сотрудника программы «БепиКоломбо» Йоханнеса Бенхофа, без компактных ионных двигателей полет к Меркурию был бы просто невозможен.

«В противном случае понадобился бы громаднейший космический корабль и гигантская пусковая установка, которых в настоящее время не существует в природе», — отметил Йоханнес Бенхоф.

Маршрут BepiColombo напоминает траекторию шарика в колесе для рулетки: аппарат будет ускоряться за счет гравитационных полей Земли и Венеры, а в перерывах между сближениями с планетами — нарезать огромные, но постепенно сужающиеся круги вокруг Солнца.

Еще по теме:
15.04.2021
14 апреля 1629 года родился математик, физик и инженер-конструктор Христиан Гюйгенс, подаривший человечеству мощный теле...
13.04.2021
Объединенный институт ядерных исследований получил патент на уникальную разработку — прибор для измерения угла наклона о...
12.04.2021
В 1928 году был написан первый учебник практической космонавтики Германа Поточника. Отдельные его главы до сих пор не по...
12.04.2021
12 января 1907 года родился выдающийся советский конструктор и руководитель Совета главных конструкторов ракетно-космиче...
Наверх