Виталий Егоров (Zelenyikot) - Делай космос!

• Название: Делай космос!
• Автор: Виталий Егоров (Zelenyikot)
• Жанр: Физика
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-17-109423-2

Покорители далеких планет часто становятся героями книг или фантастических фильмов. Они пересекают пояса астероидов, проносятся мимо живописных планет-гигантов, поднимаются на склоны инопланетных гор и любуются внеземными закатами… Будущее наступило, но не такое, как мы хотели. Теперь изучают и открывают космос настоящие покорители – роботы. Вместе с ними люди, не покидая Земли, пересекают миллионы километров пустоты, преодолевают трудности, находят решение в безвыходной ситуации и открывают нам загадки космоса. Предлагаем отправиться в путешествие с настоящими покорителями космоса: межпланетными зондами, луноходами и марсоходами.

Нашим проводником станет популяризатор и энтузиаст космонавтики Виталий Егоров (блогер Zelenyikot) – основатель сообщества в соцсетях «Curiosity-марсоход», администратор и редактор сообщества «Открытый космос», человек, нашедший на поверхности Марса советский спускаемый аппарат «Марс-3».

---

Такой преградой для космических аппаратов является ЭВТИ – экранно-вакуумная теплоизоляция. Вакуумная она не потому, что из нее откачивают воздух, а потому, что она выполняет свое предназначение в вакууме.

ЭВТИ – это многослойная «ткань» из тонкой пленки с металлическим напылением. Это напыление может быть алюминиевым, медным или золотым. На современных российских межпланетных станциях и телескопах используется металлизированная ЭВТИ на основе оксида индия, на американском зонде MAVEN – с германиевым напылением.

Такая теплоизоляция используется и на Земле. К примеру, в так называемых «Спасательных одеялах» (многослойные покрывала из металлизированной пленки, хорошо удерживающие тепло), но, поскольку внизу у нас еще есть ветер и дождь, то полной изоляции от холода она не дает.

В «золото» космические аппараты в массовом порядке стали одевать сравнительно недавно, примерно одно-два десятилетие назад, поэтому еще не все привыкли к их новому образу. Хотя золотистой теплоизоляцией были покрыты уже аппараты NASA в программах Gemini и Apollo. Но, к примеру, российский космический корабль «Союз» по-прежнему одевается в невзрачную «куртку».

На заре космонавтики экранная теплоизоляция достигалась блестящими полированными боками спутников или белой краской. Но по мере увеличения длительности эксплуатации аппаратов, становилось ясно, что требуется что-то более существенное.

В ранние «ватники», заворачивались лунные спускаемые аппараты серии «Луна». Например, «Луна-13» совершила мягкую посадку в 1966 году и проработала на поверхности Луны семь дней, пока не сели аккумуляторы. Примерно такой же тканью были укутаны и советские луноходы. Однако, на распространенных повсюду снимках и музейных макетах «Луноходы» изображены «голыми», поэтому сегодня нигде нельзя увидеть облик тех исторических аппаратов, что сейчас стоят на Луне.

Со временем теплозащита развивалась, и к 90-м годам стала все ближе подходить к нынешнему золотому цвету.

ЭВТИ на космическом аппарате «Марс-96» была ярко-оранжевой, но еще на тканевой основе. Во время старта такой тканью была покрыта практически вся станция.

Наконец, с приходом XXI века, началась «золотая» эпоха. При этом важно отметить, что разные производители ЭВТИ имеют разные технологии, ноу-хау и секреты. Каждый производитель космических аппаратов выбирает наиболее подходящую ему модель теплоизоляции. Далеко не всякая «золотая фольга» по факту оказывается золотой: металлов, дающих такой оттенок, несколько.

В России ЭВТИ производит «НИИ космических и авиационных материалов». Увидеть и сравнить разные типы теплоизоляции можно на фотоснимках космических аппаратов перед их размещением под головным обтекателем ракеты. Например, космический телескоп Gaia Европейского космического агентства запускался российской ракетой и разгонным блоком «Фрегат» производства НПО Лавочкина. На снимках видно, что ЭВТИ отличается, хоть и оба типа ткани имеют золотистый оттенок.

Можно обратить внимание, что «золотая пленка» несколько небрежно покрывает аппараты. Дело в том, что эта изоляция не должна прилипать к поверхности, а должна выступать именно экраном, находясь между телом и средой, чтобы отражать инфракрасные лучи обратно к источнику.

2. Меркурий

2.1. Messenger: знакомство и прощание с Меркурием

Кажется странным, что третья по близости планета к Земле до недавнего времени была хуже всего изучена. На Венеру и Марс слетало более десятка космических аппаратов. Даже у Юпитера земные посланники бывали чаще. У Сатурна два десятка лет проработала исследовательская станция Cassini. Кажется, что против Меркурия сложился настоящий заговор.

К сожалению, никакого заговора тут нет. Точнее есть, но это заговор сил природы. Меркурий очень близок к Солнцу, поэтому не все телескопы могут его наблюдать. Например, космический телескоп Hubble не может снимать из-за опасности засветки. Космическим аппаратам добраться до Меркурия сложнее, чем до Юпитера или даже Плутона. Летать во внешнюю Солнечную систему относительно просто – достаточно набрать третью космическую скорость: 16,65 км/с. Лететь к Меркурию тоже просто – стартовав с Земли, надо сбрасывать скорость.

Сложности начинаются, когда спутник пытается задержаться у Меркурия и выйти на его орбиту. Первая планета Солнечной системы – еще и самая маленькая, – ее масса незначительна по сравнению с колоссальной силой притяжения близкого Солнца. То есть, стартовав с Земли в сторону Меркурия, мы фактически будем падать на Солнце. В ходе падения будет возрастать скорость. Чтобы задержаться и выйти на орбиту Меркурия, потребуется много топлива.

Messenger

Из-за таких сложностей первый меркурианский исследователь от NASA – Mariner-10 вращался на околосолнечной орбите, только пролетая мимо планеты. Он всего трижды, в 1974-75-х годах, пролетел мимо Меркурия, успев снять менее половины видимой поверхности.

Этот снимок – практически единственное, что было у ученых для изучения поверхности планеты. Были еще некоторые результаты наземных наблюдений, например с радиотелескопов, но их явно не хватало для детального представления о планете.

Поэтому в 80-е задумали новую экспедицию. Для этого потребовалось просчитать новую траекторию, в которой космический аппарат активно использовал гравитацию ближайших планет. Новый зонд NASA Messenger, запущенный уже в 2004 году, использовал совершенно безумную траекторию, которая включала два пролета у Земли, два пролета у Венеры и три пролета у Меркурия, и только на четвертой встрече проходил выход на орбиту планеты. Такой маршрут требовал много времени, но экономил топливо, а значит, массу и стоимость всей экспедиции.

Пролетев почти 8 миллиардов километров (расстояние как до Плутона в его максимальном удалении), Messenger в очередной раз приблизился к Меркурию и вышел на эллиптическую орбиту. Он приближался к поверхности на 200 километров, а потом удалялся на 15 тысяч километров. Такая орбита требовалась по нескольким причинам. Прежде всего были технические ограничения: аппарат мог перегреться от солнечного излучения, отраженного от поверхности Меркурия. От прямых солнечных лучей Messenger прикрывался композитным щитом, но поверхность планеты отражает примерно 8 % солнечного излучения, что в тех местах тоже весьма немало. Кроме этого, эллиптическая орбита позволяла производить съемку и изучение Меркурия с разной широтой захвата изображения: от узких кадров высокого разрешения вблизи поверхности до широких – издалека.

Научные приборы космического аппарата позволяли провести широкий спектр планетологических исследований: камеры видимого и ближнего инфракрасного диапазона позволили рассмотреть и картографировать планету, наборы мультиспектральных фильтров – оценить цветовые вариации грунта; нейтронный, гамма и рентгеновский спектрометры помогли определить элементный состав поверхности и содержание воды в приповерхностном слое; лазерный высотомер создал карту высот Меркурия и помог «заглянуть» в вечно темные кратеры у полюсов планеты. Несколько приборов помогли изучить внешние условия, в которых приходилось работать спутнику и постоянно пребывать планете: магнитометр смог определить магнитное поле Меркурия; ультрафиолетовый спектрометр – изучить разреженную атмосферу и экзосферу, а датчик заряженных частиц – оценить воздействие солнечного ветра и заряженных частиц на планету.

И что же удалось сделать за четыре года?

Сначала никто и не предполагал, что аппарат столько протянет. Первоначально предполагалась работа на год. Затем работу аппарата продлили еще на год. Затем еще… В результате аппарат держали на орбите до последнего – пока позволял запас топлива.

Первым делом планету картографировали. Сбылась мечта многих астрономов и планетологов – они смогли заглянуть во тьму неизвестности. Впрочем, тьма еще оставалась в кратерах «вечной ночи» у полюсов планеты.

Ось вращения Меркурия практически не отклонена и перпендикулярна плоскости орбиты, поэтому на планете нет смены времен года, а в глубокие кратеры на полюсах Меркурия никогда не заглядывает Солнце.

С этими теневыми участками связана первая интрига. Радиоастрономические наблюдения планеты еще в 90-е годы выявили интересные подробности – у полюсов нашли участки, которые отражали радиоволны практически так же, как это должен был бы делать водяной лед. Лед? На планете, где температура на экваторе днем достигает +350 градусов Цельсия?