С военной базы Ванденберг в Калифорнии к Марсу отправилась группа космических аппаратов, которые должны получить новые данные о Красной планете. Главная нагрузка ракеты Atlas V — спускаемый аппарат InSight, который будет изучать Марс изнутри.
Конструкция InSight позаимствована у успешной миссии NASA Phoenix, которая высадилась в приполярье Марса десятью годами ранее. По сути это округлый стол, на котором размещены научные инструменты и приборы. Электропитание модуля обеспечивается разворачивающимися как веер солнечными батареями.
Под “столом” располагаются ракетные двигатели, топливные баки, радар-высотомер, подпружиненные раскладные ноги и прочие системы мягкой посадки.
Перелет совершается в теплозащитной капсуле, которая высвобождает космический аппарат только перед самой поверхностью.
Phoenix изучал грунт и водяной лед, которого много у марсианских полюсов. InSight же должен сесть близко к экватору, всего нескольких сотнях км, от марсохода Curiosity, на вулканической равнине Элизий. Работа InSight должна продлится около двух земных лет, т.е. один марсианский год, хотя, возможно, работу продлят, если системы будут функционировать нормально.
Вторжение в недра
Марсоходы Spirit и Opportunity могли пробурить Марс только на 0,5 см. Прорыть траншею колесом получалось на пару сантиметров. Phoenix копнул грунт сантиметра на три.
Марсоход Curiosity бурил на 7 см, пока буровое устройство не заело. Сможет ли бурить еще — пока не известно, хотя надежда есть.
InSight должен забить стальную сваю на глубину до 5 метров. Система HP3 (Heat Flow and Physical Properties Probe) разработана Германским космическим агентством DLR. На такой глубине не будут изучать химию породы и не будут искать микроскопических марсиан. Всё проще — такая глубина нужна чтобы определять температуру грунта от поверхности и до внедренного зонда.
В ходе забоя скважины еще узнают больше о плотности грунта, что важно для уточнения моделей тепловой инерции, т.е. определения какая плотность грунта с какой скоростью накапливает и отдает тепло в течение суток. Поскольку данные по тепловой инерции получены уже со всей планеты, лучшее понимание связи между плотностью и теплом поверхности позволит лучше узнать весь Марс.
Для точного измерения перепадов температур внутри скважины термодатчики разместили на гибкой ленте, которая крепится к забиваемой свае. На ленте датчики располагаются каждые 35 см. Ученые попытаются выяснить насколько глубоко прогревается грунт под солнечными лучами, и как меняется баланс температур в течение марсианского года. Это знание послужит многим целям, например позволит точнее определять глубину залегания вечной мерзлоты и оценивать возможные запасы воды.
Сейсмометр
Еще один способ познать нутро “бога войны” — это послушать при помощи сейсмометров. Это будет уже не первая попытка. Сейсмометры стояли на спускаемых аппаратах Viking, которые начали свою работу еще в 77-м году. Однако, из-за неудачного размещения, за время своей работы они регистрировали только порывы ветра, и, кажется, только раз услышали подземный толчок неизвестного происхождения.
Сейсмический эксперимент предполагался на российской станции “Марс-96”, но, к сожалению, миссия оборвалась в Тихом океане.
Марсоходы, в принципе, тоже могли бы использовать свои акселерометры, для регистрации заметных сейсмических толчков, но ничего существенного за время их работы в тектонике планеты не происходило.
InSight обладает сверхчувствительным французским прибором SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure), который на порядки превосходит чистоту и качество своих марсианских предшественников. Уроки прошлого были учтены, и сейсмометр разместят непосредственно на поверхности Марса, под двумя защитными колпаками — от ветра и от перепадов температуры. SEIS обладает трехосевым широкополосным сейсмометром и трехсегментным сейсмометром короткого периода.
За счет размещения датчиков по трем осям сейсмометр сможет определять направление и глубину до источника сейсмического толчка, что, в свою очередь, позволит изучить недра Марса до самого ядра (если будет достаточно мощная волна).
Точность же прибора такова, что он должен даже зафиксировать приливное воздействие спутника Марса Фобоса, который, в отличие от земной Луны, имеет намного меньшие размеры и массу, а значит воздействует на Марс совсем незначительно.
Для установки на поверхности планеты сейсмометра и устройства забивания свай InSight оборудован специальным краном-манипулятором, с захватом и навигационной камерой. Камера повторяет конструкцию навигационных камер марсоходов, только будет цветной, но снимки все равно не будут превышать один мегапиксель. Еще одна камера будет располагаться под “столом” у ног посадочного устройства, чтобы лучше наблюдать за установленными на планете приборами.
Стой ровно
Вращение планет вокруг своей оси нестабильно, ось вращения планеты меняет направление и совершает покачивания, эти движения называют прецессия и нутация. Кроме того, возможны отклонения в процессе суточного и годового вращения. Дополнительное влияние на осевое вращение Марса оказывает наличие и размер жидкого ядра в центре планеты, приливные воздействия Фобоса и Деймоса, и перераспределение массы углекислого газа по поверхности, который в зависимости от сезона выпадает льдом то на одном, то на другом полюсе.
Земная ось совершает полный прецессионный цикл за 25765 лет. Марс — примерно за 175000 лет.
Данные по прецессии Марса были получены на основе анализа движения космических аппаратов Mars Odyssey и Mars Global Surveyor при помощи эффекта Допплера. Данный эффект влияет на частоту передаваемого сигнала с космического зонда и на зонд в зависимости от изменения его скорости.
Анализируя эти изменения можно с высокой точностью определять местоположение и скорость источника, а также их изменения. В случае с орбитальными аппаратами, летающими вокруг Марса, точность достигает 1 м/с, но если передатчик и приемник разместить на поверхности планеты, то точность должна возрасти. Подобные эксперименты проводили с посадочным зондом Mars Pathfinder и с марсоходами Spirit и Opportunity, когда они останавливались в своем путешествии чтобы перезимовать. Но длительность этих экспериментов не достигала и полугода, а чтобы изучить все детали вращения планеты, надо наблюдать как минимум год.
Для точного определения расположения InSight и всех подробностей его перемещения вместе с планетой на его борту размещен прибор RISE (Rotation and Interior Structure Experiment). По сути, это два радиопередатчика в X-диапазона с рупорными антеннами среднего усиления, направленными в противоположные стороны. При необходимости они могут использоваться для передачи полезной информации, но в нормальном режиме для этого будет применяться отдельная антенна UHF-диапазона, передающая на спутники.
Теоретический предел точности определения скорости для аппарата, размещенного на поверхности Марса составляет 5 мм/с, но в NASA ожидают точность около 5-10 см/с.
Данные с трех основных приборов InSight NASA сравнивает с жизненными показателями Марса: SEIS послушает дыхание и пульс, HP3 изменит температуру тела, RISE замерит двигательные рефлексы. Кроме этого, на приборном столе InSight размещены испанские устройства TWINS для наблюдения за климатом, аналогичные прибору REMS марсохода Curiosity. Под ветрозащитным колпаком сейсмометра скрывается датчик атмосферного давления, рядом располагается магнитометр. На другой стороне “стола” цветовая таблица для калибровки фотокамеры и лазерный уголковый отражатель LaRRI, который пригодится, если кто-то пролетая над Марсом решит посветить лазером в InSight.
Вместе с InSight на ракете к Марсу отправились два микроспутника MarCO, но это другая история.