Маринер-10: Первая миссия к Меркурию

Фотомозаика из изображений Меркурия, сделанных Маринером-10 29 марта 1974 года

К моменту первой встречи человечества с ближайшей к Солнцу планетой Солнечной системы, когда космический зонд Mariner 10 прошел в 700 км от Меркурия 29 марта 1974 года, миссии на наших других планетарных соседях продолжались уже более десятилетия. Всего Советским Союзом и Соединенными Штатами было произведено более четырех десятков миссий на Марс и Венеру, и из них 17 были успешными.

Посещение Меркурия было связано с определенными сложностями: чем планета ближе к Солнцу, тем более мощные гравитационные силы должен преодолеть космический аппарат, чтобы изменить свою траекторию и скорость. Поэтому отправить космический корабль на Марс (в среднем на расстояние 78,3 миллиона км) легче, чем на Венеру (в среднем 41,4 миллиона километров – но она ближе к Солнцу). Отправка зонда на Меркурий (в среднем 91,7 миллиона км от Земли и всего 57,9 миллиона км от Солнца) требует больше топлива, чем отправка его во внешние пределы Солнечной системы.

Поэтому Маринер-10 был уникален – и не только для первой миссии на Меркурий. Это была также первая миссия, посетившая две планеты. Маринер-10 использовал Венеру для совершения вспомогательного гравитационного маневра, который теперь является стандартной частью межпланетных полетов. Также во время миссии впервые был использован экспериментальный высокочастотный передатчик «Х-диапазона».

Иллюстрация Лаборатории реактивного движения NASA, показывающая научные инструменты Маринера 10 для изучения атмосферных, поверхностных и физических характеристик Венеры и Меркурия.

Маринер-10 был построен в форме восьмиугольного корпуса 1,4 м. в поперечнике и глубиной 4,5 м, с восемью отдельными отсеками для электроники, оборудованными тепловой защитой. Зонд был оснащен только двумя солнечными батареями, в отличие от аппаратов остальной серии Маринер, у которых их было четыре. Аппарат имел два реактивных двигателя для стабилизации корабля на трех осях и 29 кг жидкого топлива для их питания. Все вместе весило около 500 кг.

Состав оборудования

Бортовые приборы включали в себя: радиометр для обнаружения инфракрасного излучения; два спектрометра для обнаружения ультрафиолетового излучения; плазменные детекторы для изучения солнечного ветра; магнитометры для обнаружения магнитных полей; телескопы для изучения информации о том, захватывают ли какие-либо магнитные поля Меркурия заряженные частицы, и два 15-сантиметровых телескопа, подключенных к системе видеоизображения. Они были расположены на стороне космического корабля, укрытой от Солнца, чтобы защитить электронику от перегрева. С другой стороны корабля устройство, похожее на зонт, обеспечивало дополнительную защиту от солнечной радиации.

Mariner 10 был первым космическим аппаратом, который передал цифровые цветные изображения с высоким разрешением. Эти фотографии Земли и Луны были сделаны с расстояния 2,6 миллиона километров. NASA / JPL / СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Первая фотография Маринер-10

Вскоре после запуска 3 ноября 1973 года Маринер-10 развернулся, чтобы сфотографировать Землю и Луну. Цель этой манипуляции состояла в том, чтобы откалибровать телевизионные камеры в рамках подготовки к основной миссии. Маринер-10 был первым космическим аппаратом, способным передавать цифровые данные цветного изображения высокого разрешения.

Путешествуя со скоростью около 38 600 км/ч, Маринер-10 достиг первой цели миссии через три месяца. 5 февраля 1974 года космический аппарат пролетел на расстоянии 5 631,5 км от поверхности Венеры.

Находясь в непосредственной близости от Венеры, Маринер-10 сделал около 4000 изображений и выполнил несколько важных научных наблюдений, несмотря на возникшие серьезные технические неполадки.

Эта фотография Венеры была сделана 5 февраля 1974 года.

В то время как Венера кажется безликой в нормальном свете из-за своего облачного покрова, ультрафиолетовые фильтры камер Маринер-10 показали гораздо более динамичную атмосферу. Мраморный вид атмосферы планеты показывает места, где больше или меньше поглощается ультрафиолетовое излучение. Основываясь на наблюдениях с Земли ученые ожидали увидеть пятнистую поверхность атмосферы, но данные, переданные Маринер-10, были для большинства исследователей сюрпризом, что привело в последствии к большой теоретической работе по обоснованию причин этого явления. Эта загадка не решена и по сегодняшний день.

Траектория Маринер-10 и гравитационный маневр. НАСА / JPL

Гравитационный маневр

Гравитационное поле Венеры сначала замедлило скорость Маринер-10 примерно до 16 000 км/ч, а затем выбросило его на новую траекторию к Меркурию.

Примерно через пять недель, 23 марта, Маринер-10 начал передавать снимки Меркурия. Сначала, с расстояния 5,3 млн. км, изображения были немного лучше, чем те, которые можно было наблюдать через телескоп на Земле. Но они неуклонно улучшались. К тому времени, когда Маринер-10 находился в пределах 3,5 миллиона километров от Меркурия, изображения, полученные на Земле, показали, каков характер поверхности планеты, дав ученым представление о том, что она содержит кратеры, похожие на лунные.

28 марта работа Маринер-10 приобрела высокую интенсивность, снимки производились каждые 42 секунды. 29 марта аппарат приблизился к планете, пролетев в пределах 705 км от поверхности. Пролет происходил над темной стороной планеты, поэтому не осталось никаких пригодных для использования фотографий, но зонд присылал высококачественные изображения и до и после этого события. Он продолжал снимать и отправлять фотографии до 3 апреля, когда находился на расстоянии уже более 3,5 миллионов километров от Меркурия. Всего было сделано и передало более 2000 фотографий, которые были получены на станциях слежения в Deep Space Network в Голдстоуне, штат Калифорния; Tidbinbilla, Австралия; и Мадриде, Испания.

Из наблюдений Маринер-10, отправленных на Землю, ученые узнали, что Меркурий достаточно плотный, и имеет магнитное поле, которое примерно в сто раз слабее земного.

Изображение полученное при первой встрече Маринер-10 с Меркурием, показывает кратер шириной 140 км и его окрестную зону со вторичными кратерами.
НАСА / JPL

Снимки Меркурия показали планету, очень похожую на Луну – на самом деле планета всего в 1,4 раза больше по диаметру чем спутник Земли, хотя имеет массу в 4,6 раза больше. Поверхность Меркурия – бесплодный ландшафт бассейнов, кратеров, уступов, хребтов и равнин.

«Там, где равнины отсутствуют, перекрывающиеся кратеры и бассейны образуют прочный ландшафт», – отмечено в техническом отчете, подготовленном Лабораторией реактивного движения для НАСА. «Равнинные материалы имеют много одинаковых характеристик с лунными морями, и кратерами примерно в той же степени. Это разделение морфологии Меркурия похоже на то, что мы наблюдаем у Луны».

Композиция из снимков Маринер-10. CORBIS / GETTY

Вскоре после того, как Маринер-10 исчерпал все топливо, NASA отключило его передатчик 24 марта 1975 года.

Это была бы последняя миссия по программе НАСА Маринер. Прошло почти 33 года, прежде чем следующая миссия MESSENGER посетила Меркурий, прибыв к планете в 2008 году.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Маринер-10

Космический аппарат Маринер-10 был запущен 3 ноября 1973 года и совершил пролет около Меркурия и Венеры.

Это был последний корабль серии Маринер (Маринер 11 и 12 были переименованы в Вояджер 1 и 2).

Его основными целями были изучение этих двух планет, их окружающей среды, атмосферы и передача изображений поверхности (у Венеры облачного слоя).

Это был первый космический аппарат, который с помощью гравитации Венеры изменил свою траекторию полета, чтобы пролететь мимо Меркурия. Он также использовал давление света от Солнца, чтобы сделать небольшие корректировки курса.

Маринер-10 совершил облет облачной Венеры 5 февраля 1974 года, а первый пролет около Меркурия — 29 марта 1974 года, пролетев на расстоянии всего 703 км от поверхности планеты.

Второй пролет состоялся в сентябре 1974 года, а третий, и к сожалению, последний пролет — 16 марта, 1975, прошедший на весьма близком расстоянии от планеты в 327 км. В течение всех 3-х пролетов, было получено около 40-45% изображений поверхности планеты. На данный момент связи с космическим аппаратом нет и он наверное еще вращается вокруг Солнца.

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.

Рис. 4. Основные блоки BepiColombo: транспортный модуль (Mercury Transfer Module) с солнечным электроракетным двигателем, который будет работать во время путешествия к Меркурию, планетный зонд (Mercury Planetary Orbiter, MPO), который в основном будет изучать поверхность планеты, экран, защищающий ММО от Солнца (Sun Shield), и магнитосферный зонд Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Рисунок с сайта esa.int

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

Рис. 5. Планетный зонд МРО и его оборудование. Рисунок с сайта sci.esa.int

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.

Рис. 6. Магнитосферный зонд MMO в чистом помещении Европейского космического агентства в Нидерландах. MMO был доставлен из Японии в апреле 2015 года. Большой диск, расположенный «на крыше» аппарата — антенна с высоким коэффициентом усиления, которая будет передавать данные на Землю. На заднем плане можно видеть модель транспортного модуля. Фото с сайта sci.esa.int

Зонду ММО предстоит обращаться по сильно вытянутой полярной орбите: в ближайшей точке орбиты до Меркурия будет 590 км, в самой далекой — 11 640 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.

Рис. 7. Магнитосферный зонд МMО и его оборудование. Рисунок с сайта sci.esa.int

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.

См. также:
На Меркурий за водой — рассказ Игоря Митрофанова о российской составляющей полезной нагрузки BepiColombo.