19 июня 2005 операторы Европейского космического агентства закончили развертывание антенн радиолокатора MARSIS на борту АМС Mars Express и приступили к испытаниям этого уникального прибора. «Теперь Mars Express действительно одна из самых важных научных миссий к Марсу», – заявил директор научных программ ЕКА профессор Дэвид Саусвуд.
    Как известно, европейская станция была запущена 2 июня 2003 г. с Байконура носителем «Союз-Фрегат» и вышла на орбиту спутника Марса семью месяцами позже, 25 декабря. Научная аппаратура Mars Express успешно работает и приносит интереснейшие результаты. И вот после более чем годовой задержки вступает в строй радиолокатор MARSIS, предназначенный в первую очередь для поиска льда и воды под марсианской поверхностью.
    MARSIS представляет собой радиолокатор с синтезированием апертуры, выполняющий также функции радиовысотомера и работающий в диапазоне очень низких частот (ОНЧ, VLF). Основная задача прибора – «просвечивание» верхнего слоя Марса толщиной до 5 км с высоты до 800 км и поиск залежей льда или резервуаров жидкой воды; такие исследования ранее никогда не проводились. Вторичная задача – альтиметрия поверхности Марса и зондирование ионосферы планеты с высоты до 1200 км.
    Рабочая частота радара MARSIS – около 6 МГц, что соответствует длине волны 50 м. В состав прибора входят два блока электроники и две антенны – дипольная с двумя секциями длиной по 20 м, ориентированными вдоль направления движения КА, и монопольная длиной 7 м, направленная в надир. В предыдущей публикации содержались неточные данные об антеннах радара MARSIS, которые ЕКА опубликовало на своем сайте 8 февраля 2005 г. Техническая информация, приводимая в этой статье, заимствована из доклада разработчиков антенного комплекса Джеффри Маркса, Майкла Рейлли и Ричарда Хаффа на 36+м симпозиуме по аэрокосмическим механизмам.
    Дипольная антенна излучает радиолокационный импульс с линейной частотной модуляцией и переключается на прием. Отраженный от поверхности планеты и от линий раздела различных материалов под поверхностью сигнал принимают обе антенны – дипольная и надирная, причем последняя «ловит» помехи, которые затем «вычитают» из полезного сигнала.
    Антенны MARSIS первоначально разрабатывались для прибора-зонда на американском спутнике Европы Europa Orbiter. Ввиду серьезных ограничений на массу эти антенны было решено сделать из складываемых и сплющиваемых (foldable and flattenable) элементов, которые после развертывания из транспортного положения образуют длинный полый цилиндр. В варианте для Mars Express эта технология позволила создать антенны суммарной массой всего 7.1 кг, что и дало возможность использования прибора MARSIS.
    Антенны изготавливаются из композитного материала фибергласс/кевлар. В развернутом состоянии дипольная антенна имеет диаметр 38 мм, а монопольная антенна – 20 мм. В местах складывания элементов трубы в ее поверхности сделаны фигурные вырезы. В ходе складывания каждый такой элемент скручивается, и его диаметр оказывается вдвое меньше, чем в свободном состоянии. Длинные 20-метровые секции в сложенном виде имеют длину 1.53 м, а короткая 7-метровая антенна – 1.3 м; все они размещаются в контейнере с тремя дверцами для развертывания антенн.
    Раскрытие антенны происходит после пиротехнической разблокировки замка дверцы за счет напряженного состояния элементов «трубки». Этот процесс занимает всего две секунды; две секции дипольной антенны затем медленно (за 30 сек) поворачиваются на 90° и после некоторых колебаний устанавливаются по вектору скорости. Допустимое отклонение концов дипольной антенны от расчетного положения – не более 20 см.

Развертывание антенн радиолокатора MARSIS

MARS EXPRESS

    Сами по себе полые композитные трубки не являются токопроводящими, хотя они и покрыты оксидом индия и олова для предотвращения накопления статического заряда. Роль антенн выполняют два посеребренных медных провода, протянутых вдоль каждой из них.
    В феврале 2000 г. Astro Aerospace начала работу над проектом, в октябре 2001 г. он прошел квалификацию, а весной 2002 г. готовые антенны были уже предъявлены на приемочные испытания. Вопрос: а как, собственно, испытывать конструкцию, которая спроектирована в расчете на работу в условиях космического полета, которая в условиях земной тяжести «не стоит», которая не может правильно разворачиваться при наличии даже слабого трения?
    Еще до запуска разработчики признавали, что программа испытаний является слабым местом проекта. Проверить удалось лишь часть операций, которые должны происходить при развертывании антенны; кроме того, конструкторы опробовали развертывание «на плоскости». «Невозможные» в условиях тяжести и трения операции были промоделированы на компьютерах. Работу антенны в качестве излучающего элемента проверили при подвешивании макета КА под вертолетом.
    По аналогичной технологии было решено сделать и радиолокатор SHARAD на американской станции MRO. В ходе работы над этим проектом – и уже после запуска КА Mars Express – выяснилось, что динамика развертывания «трубы» может быть весьма и весьма неожиданной. Оказалось, что в местах перегиба она вполне может выгнуться в обратную сторону и антенна может ударить своим свободным концом по аппарату. Развертывание было отложено более чем на год, чтобы дать ее разработчикам возможность более точно оценить риск, а владельцам остальных научных приборов – получить от них как можно больше информации.
    Нужно напомнить, что аппарат Mars Express создавался в спешном порядке (отсюда и «экспресс») и при жестких весовых ограничениях, причем создавался обширной международной и даже межконтинентальной кооперацией. Прибор MARSIS разработан итальяно-американской командой во главе с профессором Джованни Пикарди (Giovanni Picardi). Финансировали его Итальянское космическое агентство и NASA, а головными организациями по прибору были Университет La Sapienza в Риме и Лаборатория реактивного движения в Калифорнии, которая также изготовила приемник.
    За создание передатчика и антенной подсистемы отвечал Университет Айовы (США), который заказал две развертываемые антенны компании Astro Aerospace (с 1999 г. в составе TRW Inc., с 2002 г. подразделение фирмы Northrop Grumman). Сам же аппарат делала французская компания Astrium SAS.
    «Первые данные от радара… будут сигналом успеха новаторского международного партнерства», – заявил накануне развертывания менеджер проекта от JPL Ричард Хорттор. Новаторское-то оно новаторское, но если бы между антенной и корпусом станции не было стольких посредников, быть может, угрозу удалось бы распознать раньше…


    Итак, в феврале 2005 г. ЕКА объявило о предстоящем развертывании антенн MARSIS, а 29 апреля уточнило, что процедура назначена на 2–12 мая. Было решено, что все три «трубки» будут развертываться по отдельности с паузами в несколько суток для оценки состояния аппарата, а после этого поведение КА проанализируют еще раз.
    Три недели были отведены на приемку прибора, а затем предполагалось начать зондирование одного из районов Марса, представляющего особый интерес для ученых.
    Как раз в начале июня в результате естественной эволюции орбиты Mars Express эта область оказывалась на трассе полета.
    Процедура началась 4 мая. На время развертывания первой секции дипольной антенны станцию перевели в «свободный» режим ориентации – оценки показывали, что станция может повернуться на целых 45°. После окончания динамического режима она вновь «схватила» Солнце и Землю. Развертывание прошло благополучно, но… не закончилось. Mars Express не имел камеры, которая могла бы передать изображение «трубки», но косвенным путем, по динамике аппарата, операторы убедились, что один из 13 элементов (10-й) не зафиксировался в развернутом состоянии. Это стало ясно лишь 7 мая, и на следующий день было решено отложить развертывание второй секции и разбираться в ситуации.
    Было не ясно, что делать с 1-й секцией и как ее нештатное состояние скажется на развертывании второй.
    10 мая, однако, проблему удалось разрешить. Предполагая, что материал антенны слишком затвердел в условиях длительного полета, 10 мая в 08:20 UTC операторы развернули Mars Express так, чтобы затененная сторона антенны нагревалась Солнцем. После часовой выдержки в таком положении станция вернулась в штатную ориентацию и 11 мая в 02:50 UTC вновь вышла на связь с Дармштадтом. И – ура! – выяснилось, что «трубка» распрямилась полностью.


    Развертывание двух остальных секций антенного комплекса было отложено на июнь: специалистам нужно было разобраться в ситуации и предложить более надежную процедуру. Было решено, что на полчаса до и полчаса после развертывания аппарат будет переводиться в медленное вращение, позволяющее прогреть стыки элементов антенны, а сразу после этого – ориентироваться на Солнце, чтобы восстановить заряд аккумуляторных батарей.
    13 июня в 11:30 UTC операторы в Дармштадте выдали команду на развертывание, но лишь 14 июня в 14:20, когда станция смогла сориентироваться на Землю и передать телеметрию, стало ясно: развертывание второй секции дипольной антенны состоялось. В течение еще двух суток операторы убедились, что на этот раз обошлось без неприятных сюрпризов. Все элементы второй секции зафиксировались, а аппарат не получил повреждений. Наконец, 17 июня по команде из Дармштадта была успешно развернута и надирная антенна.
    19 июня специалисты ЕКА впервые включили MARSIS, опробовали режим передачи и получили отраженный сигнал.
    23 июня началась приемка инструмента, которая рассчитана на 38 витков вокруг Марса и должна закончиться 4 июля. В этот период MARSIS будет «смотреть» строго в надир с участков вблизи перицентра, что соответствует на Марсе полосе от 15°ю.ш. до 70°с.ш. Трасса станции будет, в частности, проходить через область Фарсида (Тарсис) и Великую Северную равнину.

Борозды Медузы (5°ю.ш., 213°в.д.) и их окрестности на границе горного и равнинного района Марса. Этот перспективный вид сгенерирован на основе цифровой модели местности, построенной по снимкам камеры HRSC

MARS EXPRESS

    С 4 июля с помощью радара MARSIS предполагается начать штатные измерения в обзорном режиме в полосе между 30°ю.ш. и 60°с.ш. над ночной стороной планеты. Такой режим измерений благоприятен для глубинного зондирования Марса, так как над ночной стороной ионосфера не создает помех радиосигналам MARSIS. Однако в середине июля перицентр перейдет на освещенную сторону и останется там до декабря 2005 г. В этот период MARSIS продолжит изучение подповерхностного слоя Марса с использованием сигналов более высокой частоты и начнет атмосферное зондирование.
    За работу радара отвечают специалисты специального центра управления фирмы Alenia Space в Риме.


    9 июня американо-французско-российская группа ученых, работающих с УФ-спектрометром SPICAM на КА Mars Express, опубликовала в журнале Nature сообщение о первом в истории наблюдении полярного сияния на Марсе. Правда, сияние это не очень обычное и даже не совсем полярное.
    Дело в том, что в атмосферах планет-гигантов и Земли, обладающих глобальным магнитным полем, обычны «настоящие» полярные сияния – результат взаимодействия заряженных частиц, спускающихся вдоль линий магнитного поля, с нейтральными атомами и молекулами верхней атмосферы. На Марсе же глобальное магнитное поле отсутствует, и сохранились лишь отдельные участки остаточной намагниченности.
    Тем не менее 11 августа 2004 г. при полете на высоте 270 км SPICAM зарегистрировал над Южным полушарием Марса, над лимбом, свечение шириной около 30 км и высотой до 8 км. Очевидно, оно было вызвано возбуждением атмосферы заряженными частицами, скорее всего, электронами, и не было похоже ни на «обычное» полярное сияние, ни на диффузное свечение ночной атмосферы Венеры.
    Марсианское сияние над 52°ю.ш. и 177°в.д. оказалось компактным и привязанным к одной области наиболее сильного локального магнитного поля на Марсе в Киммерийской Земле, обнаруженной ранее приборами американской станции Mars Global Surveyor (50°ю.ш., 180°д.). Такие остаточные поля имеют форму каспа (воронки) и концентрируют поток электронов на небольшие участки марсианской атмосферы.
    Как удалось выяснить исследователям, свечение в основном было результатом возбуждения молекул монооксида углерода на высоте 140 км над поверхностью Марса. Интенсивность свечения была примерно в 100 раз ниже, чем у земных полярных сияний.