Как устроена первая марсианская миссия Китая
Марсианское лето началось: эмиратский аппарат Al Amal уже отправился к Красной планете, теперь на очереди китайская миссия. Ракета-носитель «Чанчжэн-5» с автоматической межпланетной станцией «Тяньвэнь-1» массой 5 тонн уже стоит на стартовой площадке LC101 космодрома Вэньчан, запуск запланирован на 23 июля. Если пуск перенесут из-за погоды или технических причин, стартовое окно к Марсу открыто до 5 августа 2020 года. «Тяньвэнь-1» — не просто исторически важная миссия для китайской космонавтики, на ней будет также отработан ряд технологий, которые прежде марсианские миссии не использовали. N + 1 подробно рассказывает, как устроена станция, что она несет на борту, и как именно китайцы планируют сажать на Красную планету посадочный модуль.
«Тяньвэнь-1» — это часть масштабного проекта по исследованию Солнечной системы, объявленного властями Китая еще в 2017 году. Для межпланетных миссий к Луне, Марсу, Юпитеру и астероидам, а также для запуска на орбиту модулей околоземной орбитальной станции был построен четвертый, самый южный китайский космодром — Вэньчан, который расположен в восточной части острова Хайнань.
Календарь «Тяньвэня-1»
Для столь амбициозных планов китайцам нужна была ракета-носитель тяжелого класса. К моменту, когда Китай объявил о планах покорения Солнечной системы, она уже была: «Чанчжэн-5» («Великий поход-5»), совершила первый полет в 2016 году. По грузоподъемности «Чанчжэн-5» уступает только двум существующим ракетам-носителям: американским Delta IV Heavy и Falcon Heavy. Для полета к Юпитеру и миссии по доставке грунта с Марса проектируется сверхтяжелая ракета, «Чанчжэн-9».
Свое имя межпланетная станция «Тяньвэнь-1» получила по итогам интернет-голосования и в переводе звучит как «Вопросы к небу»: так называлось известное стихотворение древнекитайского поэта Цюй Юаня, жившего в III веке до нашей эры.
Другие страны начинали изучать Марс с простого — они отправляли к нему пролетные или орбитальные аппараты. В 2011 году Китай последовал той же логике и отправил к Марсу орбитальный аппарат «Инхо-1» — тот должен был добраться до Красной планеты в роли «пассажира» российской межпланетной станцией «Фобос-Грунт». Но из-за отказа бортовой ЭВМ «Фобос» так и не покинул околоземную орбиту и сгорел в земной атмосфере. В любом случае, «Инхо-1» — это крошечный орбитальный аппарат, по своим техническим характеристикам ближе к CubeSAT, а не «взрослым» станциям.
Теперь Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация (CASC) намерена сразу, без каких-либо других «пробных камней», отправить к Марсу технически сложную миссию с орбитальным и посадочным аппаратами, а также марсоходом. В чем-то она напоминает советские миссии «Марс-2» и «Марс-3», летавшие в 1971 году, которые тоже состояли из орбитального аппарата, спускаемого аппарата и марсохода ПрОП-М.
Для работы над «Тяньвэнь-1» китайские специалисты использовали опыт, полученный при разработке и испытаниях лунных аппаратов «Чанъэ». На марсианском орбитальном аппарате стоят такие же двигатели тягой 3000 ньютонов для коррекции траектории полета, как и на лунном «Чанъэ-5» . А двигатель с регулируемой тягой на посадочном модуле и опоры «Тяньвэнь-1» проектировались с опорой на опыт создания посадочного модуля станции «Чанъэ-4». Программное обеспечение, управляющее посадкой станции — то же, что стояло на «Чанъэ-3» и «Чанъэ-4».
Орбитальный аппарат миссии оснащен камерой со средним разрешением (100 метров с орбиты высотой 400 километров), камерой с высоким разрешением (2 метра), подповерхностным радаром, спектрометром для анализа состава минералов на поверхности, анализатором энергетических частиц, магнитометром, анализатором ионов и нейтральных частиц. Его основная задача —построение топографической карты Марса, кроме того ей предстоит изучать ионосферу, состав марсианского грунта и искать залежи водяного льда под поверхностью планеты. Также «Тяньвэнь-1» будет служить ретранслятором для связи с марсоходом с полярной эллиптической орбиты 265 × 12 тысяч километров.
Марсоход, имя которого нам пока неизвестно, оборудован мультиспектральной камерой, оптическими — для навигации и топографической съемки, георадаром для исследования марсианских глубин до 100 метров, детектором магнитного поля, метеостанцией и анализатором грунта. Семь приборов на орбитальном модуле и шесть на марсоходе позволят выполнить комплексное исследование Красной планеты. Однако сами китайские специалисты признают, что основная цель «Тяньвэнь-1» демонстрационная: долететь, совершить мягкую посадку и проехать по поверхности Марса. Так Китай станет второй космической державой мира после США, сумевшей доставить самоходный аппарат на Красную планету и обеспечить его передвижение.
Главное отличие «Тяньвэня-1» от большинства предыдущих попыток посадки на Красную планету — в том, что межпланетная станция сначала затормозит и выйдет на орбиту вокруг Марса, а только потом отправит на планету спускаемый аппарат. Похожим образом садились только спускаемые аппараты американских «Викинга-1» и «Викинга-2» в 1976 году. Китайский подход с большой паузой между выходом на околомарсианскую орбиту и посадкой позволяет снизить скорость при входе в атмосферу и облегчить спускаемый аппарат.
Пока что никому, кроме американцев, еще не удавалось посадить на Марс аппарат, так, чтобы тот уцелел и остался работоспособен. Первая в истории мягкая посадка на Марс советского аппарата «Марс-3» в 1971 году закончилась потерей связи через несколько секунд после начала передачи телеметрии с поверхности. Две попытки Европейского космического агентства мягко посадить спускаемые аппараты закончились тем, что в 2003-м «Бигль-2» смог сесть на Марс, но не вышел на связь, а «Скиапарелли» в 2016-м вовсе разбился при посадке.
Спуск китайского аппарата пройдет в пять этапов:
аэродинамическое торможение в атмосфере;
торможение с помощью одного парашюта, которое снизит скорость до дозвуковой;
отстрел лобового экрана и активное торможение реактивной двигательной установкой тягой 7,5 килоньютонов;
сброс внешнего теплозащитного кожуха и зависание на высоте 70 метров — чтобы избежать удара о какие-либо препятствия при дальнейшем снижении (держать высоту аппарат будет при помощи основного двигателя тягой 7,5 килоньютонов);
дальше при помощи лидара автоматика построит трехмерную карту поверхности и выберет посадочную площадку,
мягкая посадка под контролем оптических камер на основном и маневровых двигателях (тяга которых варьируется между 25 и 250 ньютонами).
Основной и запасной районы посадки аппарата находятся в южной части Равнины Утопия в восточной части северного полушария Марса. Посадочные эллипсы имеют размеры 100×40 километров.
В случае успешной посадки китайский ровер съедет с посадочного модуля и приступит к автономной работе. Его запланированный срок работы — 90 марсианских суток (солов) — столько же, сколько по плану должны были прослужить американские «Спирит» (Spirit) и «Оппортунити» (Opportunity), которые в итоге прожили рекордно долго. Сама посадочная платформа, в отличие от российского «Казачка», не несет на борту научных приборов и будет выполнять сугубо служебные функции — на ней будет оборудование для связи и управления, а также камера, главная задача которой — снять марсоход после его схода на поверхность, как это делала камера на платформе лунного аппарата «Чанъэ-4» и «Чанъэ-3».
Масса марсохода 240 кг, максимальная скорость составляет 200 м/ч, угол подъема 30°. Электропитание будет осуществляться за счет четырех панелей солнечных батарей, но в отличие от старых американских марсоходов такой же концепции, «Спирита» и «Оппортьюнити», две солнечных панели китайского марсохода могут менять свою ориентацию, чтобы приспособиться к углу падения солнечных лучей и таким образом получать максимальный объем энергии, что особенно важно для зимовки на Марсе. Американским марсоходам приходилось осенью заезжать на пригорки, чтобы солнечные панели собрали достаточно света низкого весеннего солнца для пробуждения после долгой марсианской зимы. Впрочем, зимовки для «Спирита» и «Оппортьюнити» и не планировались — это их удивительная живучесть позволила им продолжить работу на Красной планете. Очевидно, что Китай, несмотря на заявленные 90 солов «жизни» своего первого марсохода, будет стремиться увеличить срок его службы.
Также «Тяньвэнь-1» станет самым далеким для Китая рукотворным объектом (от 55 до 400 миллионов километров), что соответствует задержке сигнала до 22 минут и вносит проблему с затуханием радиосигнала. Так что в ходе этой миссии китайцы также отработают технологии обеспечения связи и контроля столь удаленного космического аппарата.
Для работы по лунной и марсианской программам Китай построил несколько наземных станций дальней космической связи. На западе Китая, в Каши — 35-метровая антенна, на востоке, в Цзямусы — 64-метровая антенна, еще одна 35-метровая антенна стоит в аргентинской провинции Неукен. Также Китай построил приемно-передающие станции в африканской Намибии. Для отработки дальней связи китайские специалисты принимали информацию с американских межпланетных станций «Новые горизонты», «Кассини» и «Юнона».
Сейчас в Китае завершается строительство еще одного радиотелескопа с антенной диаметром 70 метров в районе Уцин северокитайского города Тяньцзинь, который станет ключевым для получения научных данных с марсохода. Также для обеспечения миссии «Тяньвэнь-1» Китай будет использовать суда космического слежения «Юаньван-5» и «Юаньван-6»: они уже вышли в автономное плавание в акваторию Мирового океана.
Китайская станция — не единственный аппарат, который отправится в полет к Марсу в эти дни. Прямо сейчас «открыто» астрономическое окно для эффективного полета к четвертой планете Солнечной системы, оно бывает раз в 26 месяцев. На днях на Марс отправилась орбитальная АМС Al Amal («Надежда») Объединённых Арабских Эмиратов на японской ракете-носителе среднего класса H-IIA, следом за «Тяньвэнем-1», 30 июля, в полет отправится и американский марсоход Perseverance (NASA).
Александр Хохлов