В глубины Марса с термометром
Идея погрузить научные приборы поглубже в Марс возникала и раньше, но этим аппаратам до сих пор не везло. «Марс-96» с пенетраторами, которые смогли бы погрузиться на 5–6 метров, не сумел улететь с земной орбиты. Mars Polar Lander с похожими мини-зондами, способными погрузиться на полметра, вошел в атмосферу и бесследно пропал. 5 мая к Марсу отправится новая миссия InSight, одна из целей которой погрузить ленту с термодатчиками на глубину до 5 метров.
InSight на поверхности Марса, рисунок NASA
Аппарат
Вид InSight на разных этапах полета, здесь и далее фото и рисунки NASA
Конструктивно InSight построен на базе успешного зонда Phoenix, благополучно севшего на Марс в 2008 году. Аппарат состоит из перелетной ступени, аэрооболочки с теплозащитой, парашюта и самого зонда. Полная масса — 727 кг, из них сам зонд весит 360 кг. Для экономии веса и денег применено не только повторное использование уже работавших на Марсе конструкций, но и остроумные технические решения — например, на перелетной ступени нет своих двигателей, поэтому в аэрооболочке прорезаны отверстия под выхлопы двигателей, установленных на раме зонда. В двигательной системе отсутствуют баки с газом наддува. Обычно они обеспечивают неизменное давление топлива на входе в двигатели и постоянство их характеристик. На InSight с каждой секундой работы двигателей давление будет падать, и система управления будет пересчитывать ухудшающуюся тягу двигателей.
Перелетная ступень
Перелетная ступень массой 80 кг несет на себе солнечные панели, звездные и солнечные датчики, а также антенны. Солнечные панели не могут поворачиваться, поэтому в первые месяцы полета аппарата, пока он будет находиться недалеко от Солнца, InSight займет положение под углом к нему, а потом переориентируется так, чтобы панели стали перпендикулярны солнечному свету. Интересно, что, в отличие от Curiosity, перелетная ступень не будет стабилизироваться закруткой, вместо этого система управления будет поддерживать постоянную трехосную ориентацию. Перелетная ступень будет сброшена незадолго до входа в атмосферу.
Аэрооблолочка
Аэрооболочка состоит из шестидесятидвухкилограммового теплозащитного щита и задней части массой 110 кг. Конструктивно она является копией аэрооболочки зонда Phoenix, а инженерные решения вроде угла полураствора конуса в 70° восходят аж к «Викингам» 70-х годов 20 века. В качестве теплозащиты используется абляционный (испаряющийся) материал, который применялся на всех американских марсианских аппаратах кроме Curiosity. Толщина теплозащитного слоя немного увеличена по сравнению с Phoenix, потому что ожидалось, что InSight будет садиться в марсианскую пылевую бурю, и теплозащита будет сильнее обдираться песком. Однако перенос старта с 2016 на 2018 год из-за неготовности одного из научных приборов привел к тому, что скорость входа в атмосферу (и нагрузка на теплозащиту) окажутся ниже первоначальных.
Парашют
Парашют в целом аналогичен таковому у Phoenix и отличается только усиленными стропами для того, чтобы выдержать на увеличившуюся на 15% нагрузку. Он должен будет раскрыться на высоте 10,5 км и скорости 1,7М.
InSight в сложенном виде под оболочкой
Конструктивно InSight во многом базируется на Phoenix, и это хорошо заметно — у него похожая шестиугольная рама, такие же круглые солнечные панели и три раскладные посадочные опоры. Самым большим отличием является бортовой компьютер — Phoenix был сделан на основе отмененного Mars Surveyor, который должен был стартовать в 2001 году, поэтому компьютер на нем остался на технологиях 90-х годов. На InSight, по неподтвержденной информации, установлен современный RAD-750, успешно работающий на Juno, MAVEN, GRAIL. А вот литий-ионные аккумуляторы на InSight стоят совершенно такие же, как и на Phoenix, несмотря на прогресс в этой области за последние десять лет.
Процесс посадки InSight аналогичен Phoenix (на видео выше именно он). На высоте 5,5 км должен включиться посадочный радар, на 1,1 км зонд отделится от верхней части аэрооболочки с парашютом и начнет спуск на 12 двигателях, работающих в импульсном режиме. Вблизи от поверхности ему нужно будет затормозить и сесть со скоростью не выше 2,4 м/с. Посадочные опоры должны выдержать одновременно уклон 16° и камни до 40 см.
Один из аппаратов MarCO
Интересно, что InSight будет лететь к Марсу не один — вместе с ним отправятся два первых в истории межпланетных кубсата MarCO — «WALL-E» и «EVA». Их задачей будет технологическая демонстрация работы кубсатов в дальнем космосе — оба аппарата должны будут ретранслировать на Землю телеметрию InSight во время посадки.
Научные приборы
На борту InSight установлены три научных прибора.
SEIS — Seismic Experiment for Interior Structure — это самый чувствительный сейсмометр из всех когда-либо установленных на космических зондах. На Марс сейсмометры отправляли и раньше, но, например, на «Викингах» один отказал, а второй оказался практически бесполезным из-за того, что стоял на самом аппарате и фиксировал порывы ветра и вибрацию техники вместо полезных данных. Поэтому в случае InSight сейсмометр выгрузят на поверхность и накроют специальным колпаком для защиты от помех из-за ветра и перепадов температуры.
Колпак SEIS в разрезе
Главными чувствительными элементами SEIS являются два типа сенсоров, расположенных внутри вакуумной сферы — три широкополосных сейсмометра с обратными маятниками дополняются тремя сенсорами, фиксирующими короткопериодические события. Основные сенсоры дополняются множеством других датчиков и метеостанцией, аналогичной Curiosity, для учета и исключения метеорологических помех. Прибор разработан вместе учеными и инженерами США, Франции, Великобритании и Швейцарии и стал главной головной болью миссии — из-за нарушения его герметичности старт пришлось задержать на два года. Отдельной сложной задачей стала защита этого очень чувствительного прибора на старте от вибраций ракеты-носителя.
HP3 — Heat-Flow and Physical Properties Probe представляет собой по сути пятиметровую ленту с термометром на каждые 35 см. Для того, чтобы она смогла погрузиться в Марс, создан специальный «крот», который работает по принципу забивания свай — груз на пружинке будет ударять в нижнюю часть конструкции, погружая ее все глубже. Цикл займет 200 миллисекунд и должен будет погружать «крота» на 0,1–1 мм. Каждые 50 см «крот» будет останавливаться на трое суток, чтобы измерить температурную проводимость на этой глубине.
«Крот» и лента с датчиками крупным планом
Кроме этого, на раме зонда установлен радиометр, который будет измерять температуру на поверхности. Полученные данные дадут геологам крайне ценную информацию об истории Марса и о жизненном цикле каменистых планет в целом. Также температурный профиль может помочь узнать, как именно Марс терял свое магнитное поле.
Вид сверху на раму InSight, антенны отмечены стрелкой
RISE — Rotation and Interior Structure Experiment — этот эксперимент предназначен для очень точного определения параметров вращения Марса вокруг своей оси. Технически это реализовано через транспондер и две антенны, передающие сигнал на Землю. Антенны направлены в стороны, потому что когда Земля находится невысоко над горизонтом, измерения наиболее точны. Знание того, как вращается Марс, какие прецессию и нутацию он испытывает, поможет узнать больше о ядре планеты, находится ли оно в жидком или же твердом состоянии.
Для того, чтобы переставить с рамы на поверхность Марса сейсмометр RISE и термометр HP3, потребовалась специальная рука-манипулятор, которая конструктивно аналогична манипулятору отмененного зонда Mars Surveyor. Также на InSight стоят две камеры — одна на манипуляторе, другая на раме, там, где она сможет увидеть установленные на поверхности приборы.
Старт
По плану старт должен состояться 5 мая в 14:05 МСК. Для выведения зонда используется ракета Atlas V самой легкой версии 401. Сначала вторая ступень и зонд должны выйти на низкую орбиту, а, спустя виток, двигатель второй ступени включится во второй раз, и InSight должен будет оказаться на пути к Марсу.
Схема выведения, изображение ULA
