Миссия «Бепи Коломбо» стартовала к Меркурию. Чем интересен этот проект?

BepiColombo

EKA в содружестве с JAXA утвердили программу BepiColombo в 2008 году, в ходе которой планируется исследовать ближайшую к Солнцу планету — Меркурий[5]. Проектная стоимость программы 350 млн евро. Миссия будет состоять из двух космических аппаратов, работающих на разных орбитах.

Запуск был осуществлён с помощью ракеты-носителя Ариан-5[6] 20 октября 2020 года[7] с космодрома во Французской Гвиане.

Общий вес комплекса составляет 4,1 тонны[6], из которых примерно половина — горючее. BepiColombo будет использовать электроракетные двигатели, опробованные на зонде Смарт-1.

Пролёт зонда Mercury Transfer Module миссии БепиКоломбо у Земли 10 апреля 2020 года

Для экономии топлива в течение полёта BepiColombo совершит девять гравитационных манёвров: один раз у Земли, дважды у Венеры и шесть раз у Меркурия[8].

Полёт продлится 7,2 года. Прибытие в район Меркурия ожидается в декабре 2025 года[6]. Учёные ожидают, что обе станции смогут проработать в окрестностях Меркурия как минимум год. До сих пор единственными искусственными аппаратами, пролетевшими вблизи Меркурия, были американские «Маринер-10» (середина 1970-х; совершил три пролёта планеты и передал изображения планеты) и Мессенджер (запущен в 2004 году; совершил первый пролёт Меркурия в 2008, а на круговую орбиту вокруг Меркурия вышел в начале 2011[10]; завершил полёт в апреле 2020 года[11]).

Цели проекта «БепиКоломбо»[8]:

• изучить состав поверхности Меркурия и окружающего его пространства;
• оценить геологическую историю развития планеты;
• изучить химический состав поверхности и её внутреннюю структуру;
• проанализировать происхождение магнитного поля и исследовать его взаимодействие с солнечным ветром;
• картировать распространённость водородсодержащих соединений и водяного льда в полярных областях.

Во время гравитационного маневра у Земли, перелётный модуль Mercury Transfer Module миссии BepiColombo приблизился к поверхности нашей планеты на 12 689 км в 07:25 МСК 10 апреля 2020 года. В это время работали три селфи камеры на перелётном модуле MTM, шесть из одиннадцати приборов на борту аппарата Mercury Planetary Orbiter и семь датчиков трёх приборов аппарата Mercury Magnetospheric Orbiter. Кроме того, меркурианский радиометр и тепловой инфракрасный спектрометр (MERTIS) аппарата MPO с расстоянии 700 тыс. км провёл наблюдения Луны, зафиксировав максимальную температуру около 100 °C. Во время пролётов у Венеры 15 октября 2020 года и 11 августа 2021 года планируется исследовать атмосферу Венеры приборами MPO — MERTIS и ультрафиолетовым спектрометром PHEBUS[12].

Загадочный карлик

Планета расположена слишком близко к Солнцу, и, чтобы вывести любой аппарат на ее орбиту, нужно преодолеть колоссальное притяжение нашей звезды. Для этого необходимо столько энергии, что отправить миссию даже на самые окраины Солнечной системы, к Плутону, куда проще.

С Земли наблюдать за Меркурием тоже непросто: он постоянно тонет в солнечном сиянии и виден лишь примерно за час до восхода или заката. Даже космические телескопы направлять в его сторону опасно — велик риск повредить аппаратуру.

Поэтому, в отличие от Марса или Венеры, о Меркурии мы знаем сравнительно немного — а даже имеющиеся знания зачастую не можем уверенно объяснить и вынуждены строить теории.

Впрочем, кое-что известно наверняка — например, точные размеры планеты. Ее диаметр примерно втрое меньше земного, при этом легче она почти в 20 раз.

Правообладатель иллюстрации NASA / JHU Applied Physics Lab / Carnegie Inst. Wa Image caption Таким Меркурий предстал космической станции НАСА «Мессенджер»

Год на Меркурии вчетверо короче: совершить полный оборот вокруг Солнца планета успевает за 88 земных дней. Зато сутки там тянутся по нашим меркам бесконечно — целых 58 дней. Таким образом, за два меркурианских года планета лишь трижды успевает обернуться вокруг своей оси.

Эту странность первым сумел объяснить итальянский математик и инженер Джузеппе (Бепи) Коломбо. Он же разработал и предложил НАСА теорию гравитационного маневра, которая теперь используется для полетов всех космических аппаратов и позволяет прокладывать нужный маршрут за счет притяжения других небесных тел.

Европейская миссия названа именно в его честь.

Альтернативный взгляд

Зонд BepiColombo прошел вибрационные тесты и готовится к запуску, а в ESA раскрыли детали его миссии к Меркурию.

Уже почти 10 лет европейское (ESA) и японское (JAXA) космические агентства работают над совместной миссией BepiColombo, которая должна отправиться к Меркурию в 2020 г. Недавно аппарат прошел финальные тесты перед окончательной предстартовой сборкой. Подводя итоги, в ESA организовали брифинг, на котором инженеры и ученые раскрыли новые подробности предстоящего полета и научной работы.

—

Меркурий остается одной из наименее изученных планет Солнечной системы, хотя находится вовсе не так далеко (около 77 млн км), как, например, Сатурн. Обжигающая близость сильно затрудняет работу космических аппаратов, так что до сих пор Меркурий обследовали всего два американских зонда, Mariner-10 и Messenger. Работа последнего принесла массу интересных открытий и загадок. Решить некоторые из них и сможет новая миссия ESA и JAXA: в отличие от предыдущих, аппарат должен даже совершить посадку на поверхность планеты.

BepiColombo предстоит замедлиться заранее, из-за чего траектория его полета заметно усложнилась. По словам разработчиков ESA, зонд совершит облет Земли, два облета Венеры и еще шесть – самого Меркурия, прежде чем окончательно сойтись с ним. Долгий путь займет больше семи лет и закончится в 2025-м. Уже на орбите Меркурия BepiColombo разделится на два независимых аппарата, европейский и японский, которые начнут исследования. От перелетного модуля Mercury Transfer Module (MTM) отделятся спутник Mercury Planetary Orbiter (MPO) и аппарат для исследования магнитосферы Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). ММО изготовлен JAXA, а остальные элементы миссии – плюс трехметровый солнцезащитный экран MOSIF – европейскими партнерами.

На месте BepiColombo ждут экстремальные перепады температур, которые могут меняться в течение дня от –170 до 430 °С, плюс мощные потоки излучения от Солнца. По словам одного из разработчиков миссии, Ульриха Рейнингауза (Ulrich Reininghaus), для космического аппарата «это все равно что работать в печи для пиццы». При этом MPO будет работать на слабо вытянутой полярной орбите Меркурия и исследовать его поверхность и внутреннее строение; ММО же будет двигаться высокоэллиптической полярной орбитой и промерит глобальное магнитное поле планеты.

Главным вопросом, ответить на который надеются ученые благодаря данным BepiColombo, остается природа геологической активности Меркурия. Messenger показал, что планета до сих пор слегка сжимается в размерах, возможно, из-за еще продолжающегося остывания ядра, и геофизики надеются понять, отчего и как это происходит. Нуждаются в подтверждении и залежи «вечного» льда в тени на дне глубоких кратеров и вулканов, которые заметил тот же Messenger. Наконец, близость Солнца с его могучей гравитацией позволит еще раз и с особенной точностью проверить некоторые следствия Общей теории относительности.

Сергей Васильев
Рекламное видео:

Большие амбиции

В общей сложности «Бепи Коломбо» должен пролететь 9 млрд км — это вдвое больше, чем радиус всей Солнечной системы.

Интенсивность солнечного излучения на Меркурии примерно в 10 раз выше, чем на Земле. Аппарату придется работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур (от -180 до +450 градусов Цельсия).

Для этого ученым пришлось разработать специальную многослойную термозащиту и механизмы распределения энергии. Например, одна из двух орбитальных станций будет непрерывно вращаться вокруг своей оси, чтобы не оставаться повернутой к Солнцу только одной стороной.

Правообладатель иллюстрации ESA/ATG medialab Image caption К Меркурию приборы полетят вместе, а уже там разделятся

80% материалов, использованных для строительства аппарата, никогда раньше не проходили проверку в подобных экстремальных условиях.

Теперь их можно будет использовать в следующих проектах ЕКА: солнечной орбитальной станции, которую планируют запустить в 2020 году, и миссии для изучения спутников Юпитера, запланированной на 2022 год.

Состав[ | ]

Mercury Transfer Module[ | ]

Mercury Transfer Module (MTM)

, разработка Европейского космического агентства — перелётный модуль, который доставит к Меркурию аппараты MPO и MMO.

Mercury Planetary Orbiter[ | ]

Mercury Planetary Orbiter

(MPO), разработка Европейского космического агентства — аппарат для изучения поверхности и внутреннего строения планеты со слабо вытянутой полярной орбиты (400 км на 1500 км). В частности, планируется создание мультиволновой карты поверхности планеты.

Содержит 11 научных приборов:

• BELA(BepiColombo Laser Altimeter)
  — разработан Швейцарией и Германией
• ISA(Italian Spring Accelerometer)
  — разработан Италией
• MERMAG(Mercury Magnetometer)
  — разработан Германией и Великобританией
• MERTIS-TIS(Mercury Thermal Infrared Spectrometer)
  — разработан Германией
• MIXS(Mercury Imaging X-ray Spectrometer)
  — разработан Великобританией и Финляндией
• MORE(Mercury Orbiter Radio science Experiment)
  — разработан Италией и США
• SERENA(Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances (Neutral and ionised particle analyser))
  — разработан Италией, Швецией, Австрией и США, содержит Strofio mass spectrometer из программы Discovery НАСА
• SIMBIO-SYS(Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System) (High resolution and stereo cameras, visual and near infrared spectrometer)
  — разработан Италией, Францией и Швейцарией
• SIXS(Solar Intensity X-ray Spectrometer)
  — разработан Финляндией и Великобританией

Научные приборы с российским участием в составе миссии[8]:

• МГНС
  («Меркурианский гамма и нейтронный спектрометр») или MGNS (Mercury Gamma ray and Neutron Spectrometer).[13] Задачи: изучение элементного состава вещества поверхности Меркурия, что позволит уточнить представления об образовании и эволюции планеты; измерения отношения калия к торию и сопоставление этой величины с теми, что известны о других планетах земной группы, а также изучение полярных районов Меркурия и сопоставление их с полярными районами Луны. Прибор разработан в отделе ядерной планетологии ИКИ РАН.
• PHEBUS
  (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy)[14] — ультрафиолетовый спектрометр для измерения состава и динамики экзосферы Меркурия. Головной разработчик — Национальный центр космических исследований Франции. Разработка отдела физики планет ИКИ РАН — входной оптический блок с системой наведения прибора в заданном направлении. Также в разработке участвует Япония.
• PICAM
  (Planetary Ion Camera) — панорамный энерго-масс-спектрометр положительно заряженных ионов в составе плазменного комплекса SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances), совместная разработка учёных Австрии, Франции и России. Главная задача эксперимента — исследования потока ионов с поверхности планеты и ионов солнечного ветра в магнитосфере Меркурия, и таким образом, изучение грунта Меркурия и его взаимодействия с экзосферой планеты. Цели эксперимента — определить химический состав грунта, изучить физические процессы выброса с поверхности нейтральных частиц и измерить потоки магнитосферных ионов, которые возвращаются на поверхность; понять, существует ли у Меркурия ионосфера и каким образом происходит конвекция плазмы вблизи него, прояснить структуру магнитосферы и особенности её взаимодействия с солнечным ветром. Вклад ИКИ РАН — разработка электронно-оптической схемы.

Mercury Magnetospheric Orbiter[ | ]

Mercury Magnetospheric Orbiter

(MMO), разработка Японского агентства аэрокосмических исследований — аппарат для исследования магнитного поля и магнитосферы Меркурия с высокоэллиптической полярной орбиты (400 км на 12 000 км).

Содержит пять научных приборов.

• MPPE
  (Mercury Plasma Particle Experiment)
• MGF
  (Magnetic Field Investigation)
• PWI
  (Plasma Wave Investigation)
• MDM
  (Mercury Dust Monitor)

Приборы с российским участием в составе миссии[8]:

• MSASI
  (Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager)[15] — камера наблюдения в лучах натрия, разрабатываемая в кооперации России и Японии. Главная задача прибора — определение причин появления натрия в экзосфере Меркурия. Российский вклад — блок оптико-механической развёртки для получения изображения — разработан в отделе физики планет ИКИ РАН.