УДК 523
ПРОЕКТ ЭКСПЕДИЦИИ К ФОБОСУ © 2010 г. Л. М. Зеленый1, А. В. Захаров1, Г. М. Полищук2, М. Б. Мартынов2
Институт космических исследований Российской академии наук, Москва 2Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина Федерального космического агентства, Москва
Поступила в редакцию 30.06.2009 г.
В статье приводятся основные научные задачи и характеристики проекта Фобос-Грунт, предназначенного для полета к спутнику Марса Фобосу, доставки на Землю образцов вещества с этого небесного тела, а также для исследований Фобоса, Марса и околомарсианского пространства с помощью бортовой научной аппаратуры. Приводятся основные параметры баллистического сценария экспедиции, космического аппарата и научные задачи, решаемые при помощи установленного на аппарате комплекса научных приборов.
PACS: 96.30.Hf
ВВЕДЕНИЕ
Двадцать лет тому назад — в июле 1988 г. с космодрома Байконур стартовали два КА к Марсу. Но главной целью их исследований был не сам Марс, а его спутник Фобос. История экспедиции двух КА Фобос-1 и Фобос-2 оказалась драматической (8а§ёееу, Zakharov, 1992). Уже через месяц полета на трассе Земля-Марс из-за ошибки управления был потерян один из аппаратов — Фо-бос-1. Второй аппарат, идентичный первому, продолжал полет. Через семь месяцев после запуска космический аппарат Фобос-2 вышел на эллиптическую орбиту вокруг Марса и, после нескольких модификаций, его орбита стала круговой, близкой к орбите Фобоса. На этапах формирования орбиты КА проводились научные исследования Фобоса, Марса и околомарсианского пространства. На рис. 1 — изображение Фобоса на фоне Марса, полученное во время орбитального движения КА Фобос-2 (Аvanesov и др., 1989).
После фазирования орбит и сближения КА с Фобосом предполагался сброс двух посадочных аппаратов на поверхность Фобоса для дальнейших "контактных" исследований этого небесного тела. Однако за несколько дней до этого кульминационного этапа экспедиции из-за сбоя в системе управления связь с космическим аппаратом была потеряна. Экспедиция закончилась, не выполнив основного своего этапа. Тем не менее исследования Марса, Фобоса и околомарсианского пространства, выполненные в течение 57 дней на этапе орбитального движения вокруг Марса, позволили получить уникальные научные результаты о тепловых характеристиках Фобоса, о свойствах реголита по его отражательным характеристикам в ИК-диапазоне (К^апЮшаШу, Мого2, 1995), о плазменном окружении Марса, взаимодействии
его с солнечным ветром (Lundin, Zakharov и др., 1989). Например, по величине потока ионов кислорода, покидающих атмосферу Марса, обнаруженных при помощи спектрометра ионов, установленного на КА Фобос-2, удалось оценить скорость эрозии атмосферы Марса из-за взаимодействия с солнечным ветром (см. обзоры Zakharov, 1992; Nagy и др., 2004). Эти измерения чрезвычайно важны для исследования истории воды на Марсе и марсианской атмосферы. Действительно, до полета КА Фо-бос-2 об околомарсианском пространстве было известно меньше, чем о свойствах пространства около значительно более удаленных планет — Меркурия, Юпитера, Сатурна. Научные данные КА Фобос-2 до сих пор являются уникальными, они открыли новый этап исследований Марса, который продолжается, хотя и не без потерь, усилиями Американского (NASA) и Европейского (ESA) космических агентств.
Проект по продолжению исследований Фобоса и доставке на Землю образцов грунта с его поверхности был предложен практически сразу после завершения экспедиции Фобос-2. В 1992 г. международная группа участников проекта Фо-бос-2 c участием ИКИ РАН, ГЕОХИ РАН, ИПМ РАН, НПО им. С.А. Лавочкина и других организаций предложила реализовать совместный российско-американский проект по доставке образцов грунта с Фобоса (Duxbury и др., 1992). Это предложение рассматривалось на волне развития российско-американского сотрудничества по космосу по совместной программе "Вместе к Марсу", однако этот проект не был поддержан. Затем подобные предложения обсуждались еще на нескольких конференциях и в публикациях, в частности (Galeev и др., 1996; Zakharov, 1998; Za-
Рис. 1. Изображения Фобоса на фоне Марса (данные экспедиции Фобос-2).
kharov, Sukhanov, 1999; Авдуевский и др., 2000; Av-duevsky, 1999; Marov и др., 2004).
Наша страна пыталась реализовать амбициозный проект исследований Марса в 1996 г. — Марс-96, однако эта попытка оказалась неудачной — ракета-носитель не вывела космический аппарат на межпланетную траекторию. Потеря КА Марс-96, конечно, оказалась катастрофической для космической науки, в первую очередь, для планетных исследований, и многих научных групп, занимающихся экспериментальными исследованиями. Несколько лет спустя основные эксперименты, подготовленные для этого проекта, были выполнены на Европейском космическом аппарате Mars Express, запущенном в 2003 г. и успешно работающем на орбите Марса до настоящего времени.
Через семь лет после трагедии с Марс-96 Российская академия наук и Федеральное космическое агентство приняли решение продолжить ис-
следования Фобоса и Марса на качественно новом технологическом уровне в еще более крупномасштабном проекте Фобос-Грунт, основная цель которого — доставка на Землю образцов грунта с Фобоса для детальных лабораторных исследований. Об истории подготовки этого проекта и разработке космического аппарата нового поколения, на базе которого создан аппарат Фобос-Грунт, говорится в публикуемой в этом номере статье акад. М.Я. Марова (Маров, 2010).
Чем же интересен Фобос?
ХАРАКТЕРИСТИКИ СПУТНИКОВ МАРСА
Рассмотрим вначале то, что о них сейчас уже известно. По классификации тел Солнечной системы Фобос — это малое тело, один из двух спутников Марса (второй спутник — Деймос). Изображения Фобоса и Деймоса показывают, что оба они имеют неправильную форму, которая может быть аппроксимирована эллипсоидом, размеры которого для Фобоса составляют 13.3 х 11.1 х 9.3 км, для Деймоса — 7.5 х 6.2 х 5.2 км (рис. 2).
Большая ось эллипсоидов для обоих спутников направлена на Марс, и оба спутника вращаются вокруг Марса синхронно. Орбиты спутников практически круговые с радиусом 9378 км (2.76 ЯМ ) и 23459 км (6.9 ЯМ) для Фобоса и Деймоса соответственно. Плоскости орбит обоих спутников близки к экваториальной плоскости Марса и наклонены под углом ~24° к плоскости эклиптики. Период обращения Фобоса вокруг Марса 7 ч 39 мин, для Деймоса эта величина составляет 30 ч 21 мин. Учитывая, что продолжительность марсианских суток 24 ч 39.5 мин (мало отличается
Рис. 2. (a) - Фобос. Изображение получено стереокамерой высокого разрешения (HRSC) с борта КА ESA Mars Express (ESA/DLR/FU Berlin); (б) - Деймос. Компьютерная мозаика по данным, полученным КА Viking Orbiter (NASA).
от земных), Фобос за это время три раза восходит над горизонтом на западе и заходит на востоке.
Наземные измерения параметров орбиты Фобоса показывают, что она медленно меняется — Фобос по очень пологой спирали приближается к Марсу (за каждые 100 лет высота орбиты Фобоса уменьшается на 9 м). Причинами такого изменения орбиты (векового ускорения) являются приливные потери орбитальной энергии. Орбита Фобоса настолько близка к Марсу, что находится в пределах зоны (так называемый предел Роша), внутри которой приливные силы стремятся его разрушить. Оценки дальнейшей эволюции орбиты Фобоса показывают, что через несколько десятков миллионов лет (мгновение в истории Солнечной системы) спутник неминуемо разрушится и его фрагменты упадут на Марс.
Другой интересной особенностью, связанной с движением Фобоса, является его либрация. Этот спутник является уникальным объектом среди известных синхронно вращающихся спутников планет в Солнечной системе, так как имеет, по-видимому, наибольшую амплитуду либрации. Основной причиной этого является тот факт, что период свободной либрации этого спутника (~10 ч) близок к периоду орбитального вращения (~7.7 ч). По точным измерениям амплитуды либрации можно определить моменты инерции Фобоса, что важно для исследований распределения масс (его внутренней структуры). Точные измерения расстояний от Земли до Фобоса с посадочного аппарата на поверхности Фобоса даст возможность существенно улучшить некоторые параметры орбитальной динамики, в частности, улучшить оценки массы некоторых астероидов, находящихся за орбитой Марса.
Поверхности обоих спутников кратерирова-ны, однако топографически они сильно отличаются. Фобос имеет множество глубоких почти прямых параллельных борозд 100—200 м шириной и 10—20 м глубиной, природа которых остается дискуссионной. Некоторые из этих борозд имеют длину до 30 км. Почти все эти протяженные полосы начинаются вблизи самого большого кратера на Фобосе — Стикни, размер которого 10 км в диаметре, что составляет более трети диаметра Фобоса. Интересно заметить, что тело, столкнувшееся с Фобосом и оставившее столь крупный кратер на его поверхности, могло привести к катастрофическим результатам — разрушению Фобоса, если бы он обладал очень плотной (консолидированной) внутренней структурой, но то факт, что он не разрушился, указывает на достаточно пористую внутреннюю структуру Фобоса. Видимо, это на самом деле имеет место, что не противоречит средней плотности Фобоса (1.887 г/см3).
Подобных полос на Деймосе нет. Кратеры там много меньше в диаметре, чем на Фобосе. Основ-
ной крупномасштабной морфологической особенностью поверхности Деймоса является его кажущаяся однородность поверхности. Наиболее загадочный вопрос, касающийся морфологических особенностей этих двух спутников — почему поверхности их так сильно различаются и каковы процессы, приведшие к таким характерным особенностям Фобоса?
Спутники Марса представляют особый интерес ввиду своей малости. Дело в том, что все планеты и большинство их спутников за время своей эволюции претерпели в той или иной степени изменения под действием внешних факторов и, что наиболее существенно, в результате эндогенных процессов, таких как вулканизм. Эти процессы коренным образом преобразовали вещество планет и практически "стерли память" о первородном веществе. Принципиально иная ситуация с малыми телами в Солнечной системе — кометами, аст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.