В 2020 году к Марсу отправились миссии разных стран. Но не все они могут добраться до цели: запуск зондов к другим планетам по-прежнему остается очень сложным делом

В этом году одна за другой стартовали сразу несколько миссий на Марс, причем в течение всего одного месяца. 19 июля туда отправился зонд Объединенных Арабских Эмиратов «Надежда» («Аль-Амаль» по-арабски), который займется изучением марсианской атмосферы. 23 июля к Марсу был запущен китайский аппарат «Тяньвэнь-1», состоящий из орбитальной станции и марсохода, чьей главной задачей станет демонстрация технологий (если она пройдет успешно, Китай станет второй космической державой мира после США, cумевшей доставить ровер на Красную планету и обеспечить его передвижение). И, наконец, 30 июля состоялся долгожданный старт программы «Марс-2020», в рамках которой на поверхность Красной планеты будет доставлен ровер «Персеверанс»; он оценит, насколько пригоден был для жизни Марс в прошлом. Несмотря на то, что все три запуска прошли в штатном режиме, радоваться пока рано. Хотя инженерам и удалось добиться значительных успехов в области роботизированных полетов в последние годы, путешествия к Марсу все еще остаются очень опасным для техники и сложным делом. Из 48 миссий, запущенных к планете, больше половины оказались неудачными — причем провалы случались на самых разных этапах.

Доля успешных межпланетных миссий с начала космической эры сильно выросла, но обидные провалы встречаются и сегодня 

Попытки отправить к Марсу исследовательские аппараты начались еще в 1960-е годы. Конечно, тогда не шло речи об освоении планеты и интерес к ней во многом был обусловлен соперничеством между США и СССР. Кроме того, полет к Марсу был мечтой Сергея Королева, который сыграл ключевую роль в освоении человеком космоса. Он считал пилотируемый полет к Красной планете самой главной целью своей работы.

Однако начало этого пути было усеяно неудачами: первые три запуска советских межпланетных станций закончились аварией еще на старте, а четвертый, во время которого советский «Марс-1» успешно вышел на межпланетную траекторию, завершился отказом системы ориентации космического корабля, что привело к его потере.

Первый успех состоялся спустя 4 года после начала «марсианской гонки», когда «Маринер-4», принадлежащий США, совершил первый пролет мимо Красной планеты и получил 21 полный снимок ее поверхности. С тех пор США удалось совершить еще 16 удачных запусков из 22 миссий, что можно считать довольно хорошим показателем, в то время как у России закончились провалом 15 из 18 миссий.

Одной из громких неудач ранней «марсианской гонки» стала посадка советского «Марса-2», который стал первым искусственным объектом, достигшим поверхности Красной планеты. Миссия была запущена в 1971 году, она должна была исследовать Марс непосредственно с поверхности. Из-за программной ошибки, угол входа в атмосферу Марса, который играет очень важную роль во время спуска, оказался больше расчетного. Как следствие, парашюты оказались неэффективны, «Марс-2» не смог нормально затормозить и разбился о поверхность. Зато его брату «Марсу-3» первая контролируемая посадка удалась. Правда, связь с модулем была потеряна спустя 14,5 секунд после начала передачи данных, но зато он успел отправить на Землю первое частичное изображение поверхности Красной планеты. 

Со временем доля успешных миссий заметно увеличилось. Первой по-настоящему результативной можно считать программу «Викинг». Космические аппараты «Викинг-1» и «Викинг-2» состояли из орбитальных станций, изучавших атмосферу Марса, и посадочных модулей, которые в 1976 году передали с поверхности планеты первые цветные фотографии высокого качества и выполнили биологические эксперименты.

В 1997 году на Красной планете появился первый марсоход «Соджорнер», который проработал там в течение 83 сол («солом» называют марсианские сутки, они длятся чуть дольше земных — 24 часа 37 минут) и изучил лежавшие рядом камни с помощью спектрометра.

Но спустя два года при работе над станцией Mars Climate Orbiter произошла самая странная и обидная ошибка за всю космическую историю, которая стоила NASA 193 миллиона долларов. Специалисты из Lockheed Martin, которые проектировали и строили аппарат, опирались на британскую систему мер (фунт-секунды), в то время как инженеры из Лаборатории реактивного движения (JPL) решили, что их коллеги уже произвели стандартную для космических миссий конвертацию, и использовали в своих расчетах метрическую систему (ньютон-секунды). На расхождение никто не обращал внимание до тех пор, пока не произошла ошибка, из-за которой MRO подошел слишком близко к Марсу и просто сгорел в его атмосфере.

В последние два десятилетия количество успешных запусков уверенно превышает число неудач. Половина из последних касается именно посадки на поверхность планеты, которую все еще технически очень сложно осуществить. Последней громкой неудачей стала потеря в 2016 году спускаемого аппарата «Скиапарелли» Европейского космического агентства, который в 2016 году слишком рано отключил двигатели торможения и, набрав скорость 540 километров в час, врезался в Марс. Как выяснилось позднее, причиной аварии стал сбой в работе «навигатора» ровера, в результате чего была неверно рассчитана высота.

Полет к другой планете может обернуться неудачей на любом этапе, и сам запуск — далеко не главная сложность

Почему же безопасно добраться до Марса до сих пор так сложно?

Полет можно разделить на несколько критических стадий, и самая первая из них — запуск. Сегодня инженеры сталкиваются с гораздо меньшим количеством проблем на этом этапе, но во время первых миссий многие попытки выйти за пределы даже низкой околоземной орбиты заканчивались провалом. Иногда это было связано с отказом системы управления, иногда с утечкой топлива — причины могут быть самые разные. Последний подобный провал произошел во время запуска российского аппарата «Фобос-грунт», который так и не смог покинуть низкую околоземную орбиту из-за того, что произошел сбой бортового компьютера и не сработала маршевая двигательная установка, и вместо того, чтобы отправиться к Марсу, он начал постепенно терять высоту и в итоге сгорел в атмосфере.

Если запуск прошел успешно и во время дальнейшего полета не возникло никаких технических неполадок, то следующая критическая стадия — сближение с Красной планетой. Во время противостояния, когда Земля находится ближе всего к Марсу, расстояние между планетами составляет «всего» 55 миллионов километров. Однако долететь по прямой мы не можем, поскольку и Земля, и Марс не «заморожены» в пространстве, а движутся вокруг Солнца по круговым орбитам, еще и с разными скоростями. И во время этой «погони» космический аппарат постепенно сокращает расстояние до Марса, в то время как последний продолжает вращаться вокруг Солнца. Поэтому его запуск можно сравнить с передачей мяча в футболе — игрок целится не туда, где в данный момент находится его партнер, а туда, где он окажется после удара по мячу.

Значит, для того, чтобы достичь цели, аппарат должен следовать эллиптической траектории, которая позволяет совершить переход с земной орбиты на марсианскую — в небесной механике ее называют гомановской траекторией. Из-за этого расстояние, которое космический корабль должен пролететь до Марса, очень сильно увеличивается. В итоге вместо 55 миллионов километров аппарат должен в среднем преодолеть 450 миллионов. И дистанция может оказаться еще больше, если инженеры решат использовать гравитационный маневр, чтобы сэкономить топливо и разогнать космическую станцию. В зависимости от выбранной стратегии время полета к Красной планете может составлять от шести месяцев до года. И что-то может пойти не так в любой момент этого путешествия.

Правильно «прицелиться» не так-то просто. При корректировке курса аппарата ученые опираются на расчеты, которые учитывают, где находится космический корабль и Марс в данный момент времени. Если возникнет сбой, и аппарат отправит на Землю неточные данные о своем положении, он либо разобьется, либо промахнется и улетит в глубокий космос.



Следующий и, пожалуй, самый сложный момент — как минимум, для тех миссий, которые имеют марсоход или спускаемый аппарат в составе — посадка на поверхность планеты. Первая крупная проблема: задержка радиосигналов. В среднем, требуется около 12,5 минут, чтобы передать команду с Земли на Марс и столько же, чтобы получить ответ, что делает невозможным управление системами в режиме реального времени. Поэтому процедура должна быть автоматизирована. Это значит, что управляемый спуск невозможно выполнить без автономного бортового компьютера, который способен выполнять сложную последовательность операций.

Из-за абсолютной невозможности вмешательства процедуру посадки на Марс назвали «семь минут ужаса» — это выражение было придумано для миссии марсохода «Кьюриосити». Именно столько занимает по времени процесс, от входа в атмосферу до посадки (иногда это шесть минут, зависит от сложности автоматических операций). Но для ученых, находящихся на Земле, эти минуты могут показаться вечностью, поскольку на кону стоят годы работы, карьера и миллионы долларов.   

В первую очередь, важен угол вхождения в атмосферу, который должен составлять около 12 градусов. И здесь главную роль играют теплозащитные щиты, которые должны поглотить большую часть кинетической энергии аппарата и защитить его инструменты от перегрева, возникающего из-за атмосферного трения — температуры могут подняться до 1000 градусов Цельсия.

На высоте 9-10 километров от поверхности главную роль начинает играть большой парашют, используя который аппарат сбрасывает скорость. Однако атмосфера Марса намного более разрежена по сравнению с земной (ее плотность у поверхности равна плотности атмосферы нашей планеты на высоте 35 километров), поэтому совершить мягкую посадку без дополнительных средств невозможно. И тут приходят на помощь тормозные ракетные двигатели, которые начинают работать примерно на высоте 2 километров. Что случится после — зависит от конструкции аппарата: в случае «Оппортьюнити» для смягчения посадки использовались надувные подушки безопасности, а «Кьюриосити» задействовал «небесный кран», который аккуратно поставил его на землю и улетел на безопасное расстояние с помощью тех же тормозных двигателей.

С учетом того, как сложно выполнить безошибочно весь набор процедур, кажется удивительным, что первая успешная мягкая посадка на Марс состоялась 40 лет назад. С тех пор набор технологий, необходимых для посадки, принципиально не изменился: во время первой истории мягкой посадки «Марса-3» использовались те же тормозной экран, парашюты и двигатель мягкой посадки. 

 У Марса — самая плохая статистика успешных запусков, но дело не в самой планете

Из-за того, что миссии на Марс часто заканчивались неудачей, особенно на заре космических исследований, родилась мрачная шутка о том, что планета проклята. И если обратиться к статистике, она действительно окажется не слишком обнадеживающей. Из 45 миссий, которые состоялись на сегодняшний день, 26 оказались частично неудачными. Это значит, что долететь до Марса космическим кораблям удается лишь в 42 процентах случаев — пока что это худший результат для планет Солнечной системы.

Тем не менее, нельзя сказать, что Марс по своей природе как-то особенно недоступен для исследований. Дело в другом: для разных небесных тел статистика очень разнится по историческим причинам, а некоторые планеты почти полностью обойдены вниманием исследователей. Например, из 44 миссий к Венере полностью или почти полностью успешными были 26 (59 процентов успеха), а к Юпитеру или Сатурну — все. Но значит ли это, что до газовых гигантов Солнечной системы лететь проще, чем до соседних объектов? Конечно же, нет.

Исследования ближайших к Земле небесных тел начались еще в 1960-е годы, когда не было ни совершенных компьютеров, ни полноценных данных о планетах и их спутниках, ни опыта прошлых неудач. Полеты к внешним планетам Солнечной системы стартовали лишь десятилетие спустя, когда инженеры уже имели представление о трудностях, с которыми они могут столкнуться. Кроме того, количество космических кораблей, отправленных к газовым гигантам, невелико. Если на сегодняшний день к спутнику нашей планеты было запущено 109 миссий, то к Юпитеру всего 9, а к Нептуну — и вовсе одна.

Также важно учитывать, что сегодня трудности часто возникают именно в процессе посадки спускаемых модулей и планетоходов, а такого рода исследования пока что ведутся, в основном, на Марсе и на Луне. При этом до Луны радиосигнал идет меньше двух секунд, что позволяет контролировать процесс приземления, в то время как в случае с Красной планетой, как мы уже говорили ранее, в режиме реального времени это неосуществимо.

Однако, если посмотреть на результаты последних последних лет, можно увидеть, что число аварий, особенно для орбитальных станций, заметно сократилось. Возможно, в будущем «марсианское проклятье» и вовсе будет снято — хотя утверждать с уверенностью это нельзя, ведь для пилотируемых миссий на Марс, которые запланированы на ближайшие десятилетия, будут пробоваться новые технологии, что всегда сопряжено с рисками.