Mars Express

Агляд місіі

Місія Mars Express прысвечана арбітальнаму (і першапачаткова наземнаму) вывучэнню нетраў, падпаверхні, паверхні, атмасферы і асяроддзя планеты Марс. Навуковыя задачы Mars Express уяўляюць сабой спробу выканаць недасягнутыя навуковыя мэты расійскай місіі Марс-96, дапоўненыя экзабіялагічнымі даследаваннямі з дапамогай Beagle-2. Даследаванне Марса мае вырашальнае значэнне для лепшага разумення Зямлі з пункту гледжання параўнальнай планеталогіі.

Першапачаткова на касмічным апараце было сем навуковых прыбораў, невялікі пасадачны апарат, рэтранслятар пасадкавага модуля і камера візуальнага назірання, усе яны былі распрацаваны, каб зрабіць свой унёсак у разгадку таямніцы зніклай марсіянскай вады. Усе прыборы выконваюць вымярэнні паверхні, атмасферы і міжпланетнага асяроддзя з касмічнага апарата на палярнай арбіце, якая дазволіць яму паступова ахапіць назіраннямі ўсю планету.

Агульны першапачатковы бюджэт Mars Express без уліку пасадачнага апарата складаў 150 мільёнаў еўра.^[7][8] Галоўным падрадчыкам па будаўніцтве арбітальнага карабля выступіла кампанія EADS Astrium Satellites.

Запуск

Апарат быў запушчаны 2 чэрвеня 2003 года ў 17:45 з касмадрома Байканур у Казахстане з дапамогай ракеты Саюз-ФГ/ Фрэгат. Mars Express і разгонны блок Фрэгат першапачаткова былі запушчаны на паркавальную арбіту ў 200 км над Зямлёй, затым Фрэгат запусціўся ў 19:14, каб разагнаць касмічны апарат да пераходнай марсіянскай арбіты. Фрэгат і Mars Express раздзяліліся прыкладна ў 19:17. Затым былі разгорнуты сонечныя панэлі, і 4 чэрвеня быў выкананы манеўр карэкцыі траекторыі, каб дакладней накіраваць Mars Express да Марсу. Mars Express між іншым стаў першым запушчаным Расіяй зондам які паспяхова ўляцеў далей за нізкую калязямную арбіту з часоў распаду Савецкага Саюза.

Выкід пасадачнага апарата

Пасадачны апарат <i>Бігль-2</i> быў адстыкаваны 19 снежня 2003 г. у 8:31 UTC на балістычнай траекторыі да паверхні. Ён увайшоў у атмасферу Марса раніцай 25 снежня. Чакалася, што пасадка адбудзецца 25 снежня каля 02:45, аднак пасля таго як неаднаразовыя спробы звязацца з пасадачным апаратам з выкарыстаннем Mars Express і арбітальнага апарата NASA Mars Odyssey не мелі поспеху, 6 лютага 2004 года савет кіравання Beagle 2 абвясціў яго страчаным. Было праведзена расследаванне, вынікі якога былі апублікаваны пазней у тым жа годзе.^[9]

Выхад на арбіту

20 снежня Mars Express зрабіў кароткае ўключэнне карэкцыйнага рухавіка, каб удакладніць траекторыю падлёту. Затым арбітальны апарат 25 снежня ў 03:00 запусціў свой галоўны рухавік і выйшаў на вельмі эліптычную арбіту пачатковага захопу 250 км × 150 000 км з ухілам 25 градусаў.

Першая ацэнка выхаду на арбіту паказала, што арбітальны апарат дасягнуў сваёй першай вехі на Марсе. Далей арбіта была скарэкціравана яшчэ чатырма запускамі галоўнага рухавіка да жаданых 259 км × 11 560 км у каляпалярнай (нахіл 86 градусаў) плоскасці з перыядам 7,5 гадзін. Побач з перыцэнтрам верхні бок быў накіраваны ўніз да паверхні Марса, а каля апацэнтра антэна з высокім узмацненнем накіравана на Зямлю для ўваходнай і выходнай сувязі.

Праз 100 дзён апацэнтр знізіўся да 10107 км і перыцэнтр падняўся да 298 км, знізіўшы арбітальны перыяд да 6,7 гадзін.

Разгортванне MARSIS

4 мая 2005 года Mars Express разгарнуў першую з дзвюх сваіх 20-метровых радарных антэн для эксперыменту MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding). Спачатку антэна не зафіксавалася цалкам, аднак 10 мая выстаўленне яе на некалькі хвілін на сонечнае святло выправіла збой. Другая 20-метровая антэна была паспяхова разгорнута 14 чэрвеня. Абедзве 20-метровыя антэны былі патрэбныя для стварэння вялікай 40-метровай дыпольнай антэны для працы MARSIS; 17 чэрвеня была разгорнута менш значная антэна-манаполь даўжынёй 7 метраў. Радарныя антэны першапачаткова планавалася разгарнуць у красавіку 2004 года, але працэс быў адкладзены з-за боязі, што разгортванне можа пашкодзіць касмічны апарат. З-за затрымкі чатырохтыднёвы этап уводу ў эксплуатацыю быў падзелены на дзве часткі: два тыдні да 4 ліпеня і яшчэ два тыдні ў снежні 2005 года.

Намінальныя навуковыя назіранні пачаліся ў ліпені 2005 года.^[10][11]

Працэс адпраўкі даных

З моманту выхаду на арбіту Mars Express паступова выконвае свае першапачатковыя навуковыя мэты. Касмічная станцыя накіравана на Марс падчас навуковай дзейнасці, а затым паварочваецца да Зямлі, каб перадаць сабраныя даныя, хоць некаторыя прыборы, такія як Marsis ці Radio Science, могуць працаваць нават пакуль касмічная станцыя арыентуецца на Зямлю.

Структура

Арбітальны апарат Mars Express мае форму куба з двума крыламі сонечных панэлей на супрацьлеглых баках. Стартавая маса 1123 кг уключае базавы апарат з 113 кг карыснай нагрузкі, 60 кг спускавы апарат і 457 кг паліва. Асноўны корпус мае памеры 1,5 м × 1,8 м × 1,4 м з алюмініевай сотавай структурай, пакрытай алюмініевай абалонкай. Сонечныя панэлі каля 12 м ад кончыка да кончыка. Дзве драцяныя дыпольныя антэны даўжынёй 20 м цягнуцца з процілеглых бакоў перпендыкулярна сонечным панэлям і з’яўляюцца часткай радыёлакатара.^[12]

Сістэма руху

Ракета-носьбіт «Саюз/Фрэгат» забяспечыла большую частку энергіі, неабходнай Mars Express для дасягнення Марса. Фрэгат быў адстыкаваны як толькі АМС апынулася на курсе на Марс. Бартавыя рухальныя сродкі касмічнага карабля выкарыстоўваліся для запаволення зонда для выхаду на арбіту Марса і пасля для карэкцыі арбіты.^[12]

Корпус пабудаваны вакол галоўнай рухальнай сістэмы, якая складаецца з двухкампанентнага галоўнага рухавіка магутнасцю 400 Н. Два паліўных бака аб'ёмам 267 літраў маюць агульную ёмістасць 595 кг. Прыкладна 370 кг неабходны для асноўнай місіі. Гелій пад ціскам з 35-літровага бака выкарыстоўваецца для падачы паліва ў рухавік. Карэкцыя траекторыі робіцца з дапамогай набору з васьмі рухавікоў па 10 Н, па адным на кожным куце корпуса касмічнага апарата. Канфігурацыя апарата аптымізавана для "Саюза/Фрэгата" і была цалкам сумяшчальная з ракетай-носьбітам Дэльта II.

Энергетычная сістэма

Энергія касмічнага апарата забяспечваецца сонечнымі батарэямі плошчай 11,42 квадратных метраў. Першапачаткова планавалася магутнасць 660 Вт на 1,5 АА, але няспраўнае злучэнне знізіла колькасць даступнай энергіі на 30%, прыкладна да 460 Вт. Гэтая страта магутнасці істотна ўплывае на навуковую аддачу місіі. Энергія захоўваецца ў трох літый-іённых батарэях агульнай ёмістасцю 64,8 Аг для выкарыстання падчас пралёту па начным баку арбіты. Уся энергасістэма мае напружу 28 В. Падчас звычайнай фазы працы энергаспажыванне касмічнага карабля знаходзіцца ў дыяпазоне 450–550 Вт.^[13]

Авіёніка

Кантроль становішча (3-восевая стабілізацыя) дасягаецца з дапамогай двух 3-восевых інерцыяльных вымяральных блокаў, набору з двух зорных і двух сонечных датчыкаў, гіраскопаў, акселерометраў і чатырох рэакцыйных колаў магутнасцю 12 Н·м·с. Дакладнасць навядзення складае 0,04 градуса адносна інерцыяльнай сістэмы адліку і 0,8 градуса адносна арбітальнай сістэмы Марса. Тры бартавыя сістэмы дапамагаюць Mars Express падтрымліваць вельмі высокую дакладнасць навядзення, што важна для працы некаторых навуковых прыбораў.

Камунікацыі

Падсістэма сувязі складаецца з 3 антэн: парабалічнай антэны з высокім каэфіцыентам узмацнення дыяметрам 1,6 м і дзвюх усенакіраваных антэн. Першая з іх забяспечвае каналы сувязі (канал тэлекамандаў і тэлеметрыі) у X-дыяпазону (8,4 ГГц) і S-дыяпазону (2,1 ГГц) і выкарыстоўваецца падчас нармальнай дзейнасці апарата. Антэны з нізкім каэфіцыентам узмацнення выкарыстоўваліся падчас запуску і ранніх этапаў палёту, а таксама ў непрадбачаных сітуацыях на арбіце. Дзве рэтрансляцыйныя УВЧ антэны пасадачнага апарата ўстаноўлены на верхнім баку апарата для сувязі з Beagle 2 або іншымі пасадкавымі модулямі з дапамогай прыёмаперадатчыка Melacom.^[14]

Тэрмакантроль

Тэрмакантроль адбываецца шляхам выкарыстання радыятараў, шматслаёвай ізаляцыі і актыўных абагравальнікаў. Касмічны апарат павінен забяспечваць камфортнае асяроддзе для прыбораў і бартавога абсталявання. Два прыборы, PFS і OMEGA, маюць інфрачырвоныя дэтэктары, якія патрабуюць вельмі нізкіх тэмператур (каля −180 °C). Датчыкі на камеры (HRSC) таксама павінны быць халоднымі. Але астатнія прыборы і бартавое абсталяванне лепш за ўсё працуюць пры пакаёвай тэмпературы (10-20 °C).

Касмічны апарат пакрыты пазалочанай цеплавой коўдрай са сплаву алюмінія і волава для падтрымання ўнутранай тэмпературы 10–20 °C. Прыборы, якія працуюць пры нізкіх тэмпературах і павінны быць халоднымі, цеплаізаляваны ад гэтай адносна высокай унутранай тэмпературы і выпраменьваюць залішняе цяпло ў прастору з дапамогай прымацаваных радыятараў.^[12]

Блок кіравання і захоўвання даных

Касмічны апарат кіруецца двума блокамі кіравання і кантроля даных з 12 гігабітамі^[12] цвёрдацельнай памяці для захоўвання даных і службовай інфармацыі для перадачы.

Яшчэ адным ключавым аспектам місіі Mars Express з’яўляецца яго інструмент штучнага інтэлекту (MEXAR2).^[15] Асноўная мэта інструмента — стварэнне расклада загрузкі розных частак сабраных навуковых даных назад на Зямлю. Інструмент эканоміць час аператараў, аптымізуе выкарыстанне прапускной здольнасці антэн, прадухіляе страту даных.^[15]

Пасадачны модуль

Мэтамі пасадачнага апарата Бігль-2 было ахарактарызаваць геалогію, мінералогію і геахімію месца пасадкі, фізічныя ўласцівасці атмасферы і паверхневых слаёў, сабраць даныя аб марсіянскай метэаралогіі і кліматалогіі і знайсці магчымыя прыкметы існавання жыцця. Пасадка прайшла няўдала, і спускальны апарат быў страчан. Дакладны лёс апарата заставаўся загадкай, пакуль у студзені 2015 года не было абвешчана, што Mars Reconnaissance Orbiter знайшоў зонд цэлым на паверхні Марса. Затым было ўстаноўлена, што памылка не дазволіла разгарнуць дзве з чатырох сонечных панэляў пасадачнага модуля, што заблакіравала сувязь з Mars Express. Бігль-2 быў першым брытанскім і першым еўрапейскім зондам, які здзейсніў пасадку на Марсе.

Навуковыя задачы карыснай нагрузкі Mars Express — правесці глабальную фотагеалогію з высокім раздзяленнем (раздзяленне 10 м), мінералагічнае картаграфаванне (раздзяленне 100 м), вызначыць склад атмасферы, вывучыць падземную структуру паверхні, глабальную атмасферную цыркуляцыю, узаемадзеянне атмасферы і паверхні, атмасферы і міжпланетнага асяроддзя. Агульная маса, запланаваная на навуковую карысную нагрузку, складала 116 кг.^[16] Апарат мае шэраг спектрометраў для даследвання складу матэрыялаў, камеру з высокай раздзяляльнасцю, радар для даследавання вады ў нетрах планеты.

За гады працы апарата быў атрыманы вялікі масіў даных, якія ўдакладнілі разуменне структуры і працэсаў на Марсе. Да таго можна аднесці пабудову структуры атмасферы з высокай дакладнасцю ад паверхні да вышынь 100—150 км і яе тэмпературнага профілю да 50—55 км. Упершыню былі адначасова вымераныя ўтрыманне і карты размеркавання вадзяной пары і азону ў атмасферы. Выяўлена начное ззянне вокісу азоту, вядомае на Венеры, але раней не заўважанае на Марсе. Выяўлены найменшыя аэразольныя часціцы, якія запаўняюць атмасферу планеты да вышынь 70—100 км.

Упершыню вадзяны лёд быў выяўлены ў паўднёвай палярнай шапцы ў канцы марсіянскага лета. Карты, пабудаваныя на аснове даных прыбора OMEGA з раздзяляльнасцю 1—3 км, паказваюць, што ўчасткі вадзянога лёду размешчаны па краях вялікіх абласцей замарожанага вуглякіслага газу. Таўшчыня яго пласта не перавышае некалькіх метраў, а пад ім знаходзіцца пласт вадзянога лёду, магчыма эквівалентны па таўшчыні паўночнай палярнай шапцы, які цалкам складаецца з вадзянога лёду з невялікай (менш за 1%) прымешкай пылу.

Прыбор OMEGA таксама правёў мінералагічнае картаграфаванне значнай часткі планеты, і, нягледзячы на ​​значную разнастайнасць мінеральнага складу, карбанаты выяўлены не былі. Яны шырока распаўсюджаныя на Зямлі і менавіта ў іх адкладах, а не ў жывым рэчыве, вугалі і нафце, сканцэнтравана асноўная колькасць вугляроду на нашай планеце. Такім чынам, даныя Mars Express не пацвярджаюць наяўнасць на Марсе запасаў CO₂, дастатковых для істотных змяненняў масы яго атмасферы і, адпаведна, трансфармацыі клімату планеты.

Mars Express выявіў у атмасферы Марса метан, што можа сведчыць аб наяўнасці жыцця на планеце (метан не можа доўга знаходзіцца ў атмасферы Марса, таму яго запасы папаўняюцца альбо ў выніку жыццядзейнасці мікраарганізмаў або ў выніку геалагічнай дзейнасці). Яго ўтрыманне таксама было вызначана як 10±5 частак на мільярд. Хоць гэта няшмат, паколькі метан бесперапынна разбураецца ў атмасферы за кошт фотадісаціацыі, для падтрымання такой колькасці ў атмасферы на Марсе павінна быць крыніца з прадукцыйнасцю каля 300 тон метану на год. Такой крыніцай можа быць тэктанічная актыўнасць. Хоць сёння Марс лічыцца тэктанічна неактыўным, выкід метану ў атмасферу можа быць звязаны з «кропкавай» тэктонікай: рэшткавым вулканізмам або геатэрмальнай актыўнасцю.

Дзякуючы здымкам касмічнага апарата навукоўцы змаглі пабудаваць і прадставіць трохмерныя мадэлі марсіянскіх ландшафтаў^[17][18].

Станцыя выявіла шчыльныя аблокі сухога лёду, якія кідаюць цень на паверхню планеты і нават уплываюць на яе клімат^[19].

Па выніках назіранняў Mars Express, атрыманых у перыяд з мая 2012 года па снежань 2015 года, на Марсе выяўлена падземнае возера з салёнай вадой. Возера знаходзіцца каля паўднёвага полюса планеты пад паўтаракіламетровым пластом марсіянскага лёду і дасягае 20 кіламетраў у шырыню. Гэта самы вялікі вадаём, знойдзены на Марсе^{[20][21][22][23]}.

• Праект ESA Mars Express – афіцыйны сайт
• Праект ESA Mars Express – навуковы сайт
• Мастацкая галерэя NASA Mars Express