Введение

1973 Американский роботизированный космический зонд; пролетел мимо Венеры и Меркурия.

"Маринер-10" – американский роботизированный космический зонд, запущенный НАСА 3 ноября 1973 года для пролёта мимо планет Меркурий и Венера. Он стал первым космическим аппаратом, совершившим гравитационные манёвры у нескольких планет. "Маринер-10" был запущен примерно через два года после "Маринера-9" и стал последним аппаратом в программе "Маринер". (Аппаратам "Маринер-11" и "Маринер-12" было суждено перейти в программу "Вояджер" и получить названия "Вояджер-1" и "Вояджер-2".) Целями миссии были измерение окружающей среды, атмосферы, поверхности и физических характеристик Меркурия, а также проведение аналогичных исследований Венеры. Второстепенными задачами являлись проведение экспериментов в межпланетном пространстве и получение опыта миссий с использованием гравитационного маневра у двух планет. Научной группой "Маринера-10" руководил Брюс С. Мюррей из Лаборатории реактивного движения.

Конструкция и траектория

"Маринер-10" был первой миссией, использовавшей гравитационный маневр у одной планеты (Венеры, в данном случае) для достижения другой планеты. Он использовал Венеру, чтобы изменить траекторию полета и снизить перигелий до уровня орбиты Меркурия. Этот маневр, основанный на расчетах орбитальной механики итальянского ученого Джузеппе Коломбо, вывел космический аппарат на орбиту, которая многократно возвращала его к Меркурию. "Маринер-10" использовал давление солнечного излучения на солнечные панели и высокоусиливающую антенну для управления ориентацией в полете, став первым космическим аппаратом, применившим активное управление солнечным давлением. Компоненты "Маринер-10" можно разделить на четыре группы по их функциональному назначению. Солнечные панели, энергетическая подсистема, подсистема управления ориентацией и компьютер обеспечивали нормальную работу космического аппарата во время полета. Навигационная система, включая гидразиновый двигатель, поддерживала траекторию "Маринер-10" к Венере и Меркурию. Несколько научных приборов собирали данные на обеих планетах. Наконец, антенны передавали эти данные в сеть дальнего космоса на Землю и принимали команды от центра управления полетами. Различные компоненты и научные приборы "Маринер-10" были прикреплены к центральному узлу, имевшему форму восьмиугольной призмы. Внутри узла размещалась внутренняя электроника космического аппарата. NASA установило жесткий лимит в 98 миллионов долларов США на общую стоимость "Маринер-10", что стало первым случаем, когда агентство подвергло миссию жестким бюджетным ограничениям. Перерасход средств был недопустим, поэтому планировщики миссии тщательно учитывали экономическую эффективность при проектировании приборов космического аппарата. Контроль над затратами достигался главным образом за счет выполнения контрактных работ ближе к дате запуска, чем это рекомендовалось обычными графиками миссий, поскольку сокращение времени на выполнение работ повышало экономическую эффективность. Несмотря на напряженный график, очень немногие сроки были сорваны. Управление ориентацией необходимо для того, чтобы приборы и антенны космического аппарата были направлены в нужном направлении. Во время коррекции курса космическому аппарату, возможно, потребуется поворот, чтобы его ракетный двигатель был направлен в правильном направлении перед запуском. "Маринер-10" определял свою ориентацию с помощью двух оптических датчиков, один из которых был направлен на Солнце, а другой – на яркую звезду, обычно Канопус; кроме того, три гироскопа зонда предоставляли второй способ расчета ориентации. Газовые двигатели на азоте использовались для регулировки ориентации "Маринер-10" по трем осям. Электроника космического аппарата была сложной: она содержала более 32 000 электронных компонентов, среди которых наиболее распространенными были резисторы, конденсаторы, диоды, микросхемы и транзисторы. Для питания компонентов космического аппарата требовалось изменить электрические характеристики солнечных панелей. Энергетическая подсистема использовала два резервных комплекта схем, каждый из которых содержал повышающий регулятор и инвертор, для преобразования постоянного тока от панелей в переменный и изменения напряжения до необходимого уровня. Подсистема могла хранить до 20 ампер-часов электроэнергии в 39-вольтовой никель-кадмиевой батарее. Пролет мимо Меркурия представлял серьезные технические проблемы для ученых. Из-за близости Меркурия к Солнцу "Маринер-10" должен был выдерживать в 4,5 раза больше солнечной радиации, чем при старте с Земли; по сравнению с предыдущими миссиями "Маринер", компонентам космического аппарата требовалась дополнительная защита от тепла. На корпус были установлены тепловые экраны и солнцезащитный экран. После оценки различных вариантов материала для солнцезащитного экрана планировщики миссии выбрали "бета-ткань" – комбинацию алюминированного каптона и листов из стекловолокна, обработанных тефлоном. Однако солнечная защита была невозможна для некоторых других компонентов "Маринер-10". Две солнечные панели "Маринер-10" должны были оставаться открытыми. Покрытие панелей лишило бы их возможности вырабатывать электроэнергию. Решением было установить на панели регулируемый наклон, чтобы можно было изменять угол, под которым они направлены на Солнце. Инженеры рассматривали возможность складывания панелей друг к другу, образуя V-образную форму с основным корпусом, но испытания показали, что этот подход может привести к перегреву остальной части космического аппарата. Альтернативным решением было установить солнечные панели в линию и наклонять их вдоль этой оси, что также имело дополнительное преимущество – повышение эффективности газовых двигателей на азоте, которые теперь можно было разместить на концах панелей. Панели можно было поворачивать на максимальный угол 76°. Кроме того, сопло гидразинового двигателя "Маринер-10" должно было быть направлено на Солнце для правильной работы, но ученые отклонили идею закрытия сопла тепловой дверцей, посчитав это ненадежным решением. Вместо этого на открытые части ракеты была нанесена специальная краска для уменьшения теплопередачи от сопла к чувствительным приборам на космическом аппарате. Точное выполнение гравитационного маневра у Венеры представляло собой еще один серьезный вызов. Чтобы "Маринер-10" сохранил курс к Меркурию, его траектория не должна была отклоняться более чем на от критической точки вблизи Венеры. Чтобы обеспечить возможность внесения необходимых коррекций курса, планировщики миссии утроили количество гидразина, которое "Маринер-10" должен был нести, а также оснастили космический аппарат большим количеством азота для двигателей, чем было на предыдущей миссии "Маринер". Эти улучшения сыграли решающую роль в обеспечении второго и третьего пролетов мимо Меркурия. Миссии все еще не хватало окончательной гарантии: резервного космического аппарата. Обычно зонды запускались парами, с полной избыточностью для защиты от выхода из строя одного из них. Бюджетные ограничения исключили эту возможность. Хотя планировщики миссии оставались в рамках бюджета и смогли перенаправить часть средств на создание резервного космического аппарата, бюджет не позволял запустить оба аппарата одновременно. В случае выхода из строя "Маринер-10", NASA разрешило бы запуск резервного аппарата только после диагностики и устранения фатальной ошибки; это должно было быть завершено в течение двух с половиной недель между запланированным запуском 3 ноября 1973 года и последней возможной датой запуска 21 ноября 1973 года.

Инструменты

"Маринер-10" выполнил семь экспериментов на Венере и Меркурии. Шесть из этих экспериментов использовали выделенные научные приборы для сбора данных. Эксперименты и приборы были разработаны исследовательскими лабораториями и учебными заведениями по всей территории Соединенных Штатов. Из сорока шести представленных предложений, JPL выбрал семь экспериментов, исходя из принципа максимальной научной отдачи при соблюдении бюджетных ограничений: общая стоимость семи научных экспериментов составила 12,6 миллиона долларов США, что примерно равно одной восьмой от общего бюджета миссии.

Ультрафиолетовые спектрометры

В этом эксперименте использовались два ультрафиолетовых спектрометра: один для измерения ультрафиолетового поглощения, другой – для регистрации ультрафиолетового излучения. Оккультационный спектрометр сканировал край Меркурия, когда планета проходила на фоне Солнца, и определял, поглощается ли солнечное ультрафиолетовое излучение на определенных длинах волн, что свидетельствовало бы о наличии газовых частиц и, следовательно, атмосферы. Спектрометр воздушного свечения регистрировал экстремальное ультрафиолетовое излучение, испускаемое атомами газообразного водорода, гелия, углерода, кислорода, неона и аргона. В отличие от оккультационного спектрометра, ему не требовалась подсветка от Солнца, и он мог перемещаться вместе с вращающейся сканирующей платформой на космическом аппарате. Главной целью эксперимента было установление наличия атмосферы у Меркурия, но также планировалось собрать данные о Земле и Венере и изучить межзвездное фоновое излучение.

Плазменные детекторы

Целью плазменного эксперимента было изучение ионизированных газов (плазмы) солнечного ветра, температуры и плотности его электронов, а также влияния планет на скорость потока плазмы. Эксперимент состоял из двух компонентов, направленных в противоположные стороны. Сканирующий электростатический анализатор был направлен к Солнцу и мог обнаруживать положительные ионы и электроны, которые разделялись набором из трех концентрических полусферических пластин. Сканирующий электронный спектрометр был направлен от Солнца и обнаруживал только электроны, используя всего одну полусферическую пластину. Приборы можно было поворачивать примерно на 60° в любую сторону. Вскоре после запуска ученые обнаружили, что сканирующий электростатический анализатор вышел из строя, поскольку защитная дверь анализатора не открылась. Была предпринята безуспешная попытка принудительно отстегнуть дверь во время первого маневра коррекции траектории. Операторы эксперимента планировали наблюдать траектории положительных ионов до их столкновения с анализатором, но эти данные были утеряны. Эксперимент все же смог собрать некоторые данные, используя исправно работающий сканирующий электронный спектрометр.

Телескопы заряженных частиц

Целью эксперимента с заряженными частицами было наблюдение за тем, как гелиосфера взаимодействует с космическим излучением. В сочетании с плазменными детекторами и магнитометрами, этот эксперимент мог предоставить дополнительные доказательства существования магнитного поля вокруг Меркурия, показав, захватывало ли такое поле заряженные частицы. Эти частицы затем проходили через набор детекторов и подсчитывались, а также проводилось изучение межпланетного магнитного поля между пролетами. Значительное ослабление магнитного поля аппарата привело бы к увеличению затрат.

Уход с Земли

Boeing закончил строительство космического аппарата в конце июня 1973 года, и Mariner 10 был доставлен из Сиэтла в штаб-квартиру JPL в Калифорнии, где JPL всесторонне протестировал целостность аппарата и его инструментов. После завершения испытаний зонд был перевезен на Восточный испытательный полигон во Флориде, место запуска. Техники заполнили бак космического аппарата гидразиновым топливом, чтобы зонд мог выполнять коррекцию курса, и прикрепили пиропатроны, детонация которых должна была дать сигнал Mariner 10 покинуть ракету-носитель и развернуть свои инструменты. Запланированный гравитационный маневр у Венеры сделал возможным использование ракеты Atlas Centaur вместо более мощной, но более дорогой Titan IIIC. Зонд и ракета Atlas Centaur были соединены вместе за десять дней до старта. Запуск представлял собой один из самых высоких рисков неудачи для миссии Mariner 10; Mariner 1, Mariner 3 и Mariner 8 потерпели неудачу в течение нескольких минут после старта из-за инженерных сбоев или неисправностей ракеты Atlas. У миссии был период запуска протяженностью около месяца, с 16 октября 1973 года по 21 ноября 1973 года. NASA выбрало 3 ноября в качестве даты запуска, поскольку это оптимизировало бы условия съемки при прибытии аппарата к Меркурию. Первая ступень Atlas работала около четырех минут, после чего была отброшена, а вторая ступень Centaur продолжила работу еще пять минут, выводя Mariner 10 на промежуточную орбиту. Эта временная орбита вывела аппарат на треть расстояния вокруг Земли: этот маневр был необходим для достижения нужной точки для второго включения двигателей Centaur, который направил Mariner 10 к Венере. Затем зонд отделился от ракеты; впоследствии, ступень Centaur отклонилась, чтобы избежать возможного столкновения в будущем. Ранее ни одна планетарная миссия не зависела от двух отдельных включений ракетных двигателей во время запуска, и даже с Mariner 10 ученые изначально считали этот маневр слишком рискованным. В течение первой недели полета камера Mariner 10 была протестирована путем создания пяти фотомозаик Земли и шести мозаик Луны. Также были получены фотографии северного полюса Луны, где ранее имелось недостаточно данных. Эти фотографии послужили основой для картографов для обновления лунных карт и улучшения сети управления Луной.

Круиз к Венере

В отличие от спокойного круиза, трехмесячное путешествие "Маринер-10" к Венере было сопряжено с техническими неисправностями, которые держали центр управления полетами в напряжении. Донна Ширли вспоминала о разочаровании своей команды: "Казалось, мы постоянно латали "Маринер-10", лишь бы дотянуть до следующего этапа и следующего кризиса". 13 ноября 1973 года был выполнен маневр коррекции траектории. Сразу после этого звездный трекер зафиксировался на ярком кусочке отслоившейся краски с космического аппарата и потерял ориентацию по путеводной звезде Канопусу. Автоматический протокол безопасности восстановил ориентацию на Канопус, но проблема с отслаивающейся краской возникала повторно на протяжении всей миссии. Бортовой компьютер также периодически несанкционированно перезагружался, что требовало перенастройки последовательности работы часов и подсистем. Во время перелета периодически возникали проблемы с высокоусиливающей антенной. 8 января 1974 года в энергосистеме произошла неисправность, предположительно вызванная коротким замыканием диода. В январе 1974 года "Маринер-10" выполнил ультрафиолетовые наблюдения кометы Коутека. 21 января 1974 года была выполнена еще одна коррекция курса.

Пролет Венеры

Космический аппарат пролетел мимо Венеры 5 февраля 1974 года, наиболее сближение произошло в 17:01 UTC. Это был двенадцатый космический аппарат, достигший Венеры, и восьмой, вернувший данные с планеты, а также первая миссия, успешно передавшая изображения Венеры на Землю. Mariner 10 опирался на наблюдения, сделанные Mariner 5 шесть лет ранее; важно отметить, что у Mariner 10 была камера, в то время как предыдущая миссия не имела её. Когда Mariner 10 облетал Венеру, переходя с ночной стороны планеты на дневную, камеры сделали первый снимок зонда Венеры, показывающий освещенную дугу облаков над северным полюсом, выходящую из темноты. Инженеры изначально опасались, что звездоискатель может принять гораздо более яркую Венеру за Канопус, повторив проблемы с отслаивающейся краской. Однако звездоискатель не дал сбой. Земное покрытие произошло между 17:07 и 17:11 UTC, в течение которого космический аппарат передавал радиоволны X-диапазона через атмосферу Венеры, собирая данные о структуре облаков и температуре. Хотя облачный покров Венеры почти однороден в видимом свете, было обнаружено, что обширные детали облаков можно увидеть через ультрафиолетовые фильтры камеры Mariner. Наземные ультрафиолетовые наблюдения показали некоторые нечеткие пятна еще до Mariner 10, но детали, увиденные Mariner, стали сюрпризом для большинства исследователей. Зонд продолжал фотографировать Венеру до 13 февраля 1974 года. Среди 4165 полученных фотографий одна серия изображений запечатлела плотную и отчетливо структурированную атмосферу, совершающую полный оборот каждые четыре дня.

Миссия раскрыла состав и метеорологическую природу атмосферы Венеры. Данные радиоэксперимента измерили степень преломления радиоволн, проходящих через атмосферу, что использовалось для расчета плотности, давления и температуры атмосферы на любой высоте. В целом, температура атмосферы выше ближе к поверхности планеты, но Mariner 10 обнаружил четыре высоты, где эта закономерность была обратной, что может указывать на наличие слоя облаков. Инверсии произошли на определенных уровнях, подтверждая предыдущие наблюдения, сделанные во время сближения с Mariner 5. Повышенная концентрация атомарного кислорода в верхних слоях атмосферы показала, что атмосфера разделена на верхние и нижние слои, которые не смешиваются друг с другом; фотографии верхних и нижних слоев облаков подтвердили эту гипотезу. Особый интерес представлял субсолнечный регион: поскольку Солнце находится прямо над головой, он передает больше солнечной энергии в эту область, чем в любую другую часть планеты. По сравнению с остальной атмосферой планеты, субсолнечный регион был очень активным и неровным. Наблюдались формирующиеся и рассеивающиеся "ячейки" воздуха, поднимаемые конвекцией, каждая шириной до , некоторые из которых имели многоугольные очертания. Это изменило форму эллиптической орбиты космического аппарата вокруг Солнца. Mariner 10 не был обнаружен или отслежен с Земли с тех пор, как прекратил передачу данных. Единственными причинами, по которым он мог бы не находиться на орбите, являются столкновение с астероидом или гравитационное возмущение при близком пролете мимо крупного тела.

Открытия

Во время своего пролета над Венерой, "Маринер-10" обнаружил свидетельства вращающихся облаков и очень слабое магнитное поле. Используя ближний ультрафиолетовый фильтр, он сфотографировал шевроновые облака Венеры и провел другие атмосферные исследования. Космический аппарат пролетал мимо Меркурия три раза. Благодаря геометрии своей орбиты – её орбитальный период был почти вдвое больше, чем у Меркурия – каждый раз была освещена одна и та же сторона Меркурия, поэтому удалось составить карту лишь 40–45% поверхности Меркурия, сделав более 2800 фотографий. Была обнаружена поверхность, во многом похожая на лунную. "Маринер-10" внес огромный вклад в понимание Меркурия, поверхность которого ранее не удавалось детально рассмотреть с помощью телескопических наблюдений. На карту были нанесены большинство или все области Шекспира, Бетховена, Койпера, Микеланджело, Толстого и Дискавери, половина областей Баха и Виктории, а также небольшие участки Солитудо Персефоны (позже Неруда), Лигурии (позже Радитлади) и Бореалиса. "Маринер-10" также обнаружил, что у Меркурия есть разреженная атмосфера, состоящая главным образом из гелия, а также магнитное поле и крупное ядро, богатое железом. Показания радиометра указывали на то, что ночная температура Меркурия составляет , а максимальная дневная температура . Планирование миссии MESSENGER, космического аппарата, исследовавшего Меркурий до 2015 года, в значительной степени опиралось на данные и информацию, собранные "Маринером-10".

Марьер 10

В 1975 году Почтовая служба США выпустила памятную марку, посвященную космическому зонду "Маринер-10". Памятная марка "Маринер-10" номиналом в 10 центов была выпущена 4 апреля 1975 года в Пасадене, штат Калифорния.