Введение

Марс 96 (иногда называемый Марсом 8) — неудачная миссия к Марсу, запущенная в 1996 году для его исследования Российскими космическими силами и не связанная напрямую с одноименной советской программой марсианских зондов. После сбоя второй ступени разгона, сборочный модуль зонда вошел в атмосферу Земли, разрушившись над значительной территорией Тихого океана, Чили и Боливии. Космический аппарат "Марс 96" был создан на базе зондов "Фобос", запущенных к Марсу в 1988 году. Они представляли собой новую конструкцию, и оба в конечном итоге потерпели неудачу. Для миссии "Марс 96" разработчики считали, что устранили недостатки зондов "Фобос", но эффективность этих улучшений так и не была продемонстрирована из-за гибели зонда на этапе запуска.

История

Марс-96 – единственный советский/российский лунный или планетарный зонд 1990-х годов, представлял собой амбициозную миссию по исследованию эволюции атмосферы Марса, его поверхности и недр. Первоначально планировались два космических аппарата – «Марс-94» и «Марс-96», но миссии были перенесены и получили названия «Марс-96» и «Марс-98». Впоследствии миссия «Марс-98» была отменена, и «Марс-96» стал первой российской космической миссией за пределы земной орбиты после распада Советского Союза. Весь космический аппарат состоял из орбитального модуля, двух небольших автономных станций и двух независимых спускаемых аппаратов-проникателей. Это была очень амбициозная миссия и самый тяжелый межпланетный зонд, запущенный к тому времени. В состав аппаратуры миссии входило большое количество приборов, предоставленных Францией, Германией, другими европейскими странами и Соединенными Штатами. Аналогичные приборы позднее были использованы в миссии «Марс Экспресс», запущенной в 2003 году. Научным руководителем проекта был Александр Захаров.

Научные цели

"Марс-96" должен был расширить наше понимание Марса. Научной целью миссии было изучение эволюционной истории поверхности планеты, атмосферы и внутреннего строения. Также планировалось проведение других исследований во время перелета, в частности, астрофизических. Их можно разделить на несколько категорий:

Марсианская поверхность

Исследования поверхности Марса должны были включать глобальную топографическую съемку, минералогическое картирование, анализ состава грунта, а также изучение криолитозоны и ее глубинного строения.

Атмосфера

Исследования атмосферы должны были охватывать климат, концентрацию определенных элементов, ионов и химических веществ, таких как вода, углекислый газ, озон и другие, общий глобальный мониторинг, изменения давления во времени и характеристику аэрозолей.

Внутренняя структура

Исследования структуры планеты должны были определить толщину коры, изучить марсианское магнитное поле, исследовать тепловой поток, найти признаки действующих вулканов и изучить сейсмическую активность.

Исследования плазмы

Исследования плазмы должны были включать изучение силы и ориентации магнитного поля, исследование ионного и энергетического состава плазмы во время межпланетного перелета и вблизи Марса, а также исследование магнитосферы и ее границ.

Астрофизические исследования

Астрофизические исследования планировалось проводить во время межпланетного перелета. Они включали изучение космических гамма-всплесков, а также исследование колебаний Солнца и других звезд.

Орбитальный аппарат

Орбитальный аппарат Mars 96 был трёхосевым космическим аппаратом, стабилизированным по солнцу и звёздам, и был разработан на базе конструкции орбитальных аппаратов к Фобосу. Он был оснащён развертываемыми антеннами высокой и средней направленности. К обеим сторонам аппарата были прикреплены две большие солнечные панели. Также он имел отделяемый двигательный блок, который должен был быть отброшен через некоторое время после выхода на орбиту Марса. Две наземные станции были установлены сверху аппарата. Два проникающих зонда были прикреплены к двигательному блоку. Кроме того, он включал в себя систему MORION, которая являлась центральным интерфейсом, микропроцессором и системой памяти. Полная масса орбитального аппарата с топливом составляла 6180 кг, а масса без топлива – 3159 кг.

Наземная станция

Каждая поверхностная станция помещалась в аэрооболочку высотой около 1 метра и диаметром около 1 метра. Каждая станция включала в себя блок обработки данных станции (SDPI) для управления работой станции, телекоммуникационный блок с передатчиком и приемником для передачи данных, а также систему электропитания, состоящую из двух радиоизотопных термоэлектрических генераторов (RTG), аккумулятора и электроники для контроля заряда аккумулятора. Каждая поверхностная станция также несла компакт-диск с научно-фантастическими рассказами, звуком и произведениями искусства, вдохновившими исследование Марса. Он предназначался в качестве подарка для будущих человеческих исследователей. Ожидаемый срок службы каждой поверхностной станции составлял один год.

Проникнувшийся

Каждый зонд состоял из двух основных элементов: головной отсек и хвостовой отсек. При ударе зонда о поверхность головной отсек должен был отделиться и углубиться в поверхность на 5–6 метров, в то время как хвостовой отсек оставался на поверхности, соединенный с головным отсеком проводами. В головном отсеке размещалось бортовое оборудование и часть аналитического комплекса, а в хвостовом отсеке – остальная часть аналитического комплекса и радиооборудование. Каждый зонд питался от радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ) и аккумулятора. Ожидаемый срок службы каждого зонда составлял один год.

Орбитальный аппарат

ARGUS Платформа ARGUS состояла из двух телевизионных камер и картографического спектрометра. ARGUS имела собственную многопроцессорную систему управления, навигационную телевизионную камеру (не связанную с двумя другими), систему сбора данных с памятью объемом 1,5 гигабита, систему теплового управления и систему калибровки в полете. Она была разработана для высокоточного наведения установленных на ней приборов по всем трем осям. Платформа PAIS была разработана для установки и ориентации приборов SPICAM, EVRIS и PHOTON. HRSC Стереоскопическая телевизионная камера высокого разрешения (HRSC) была разработана для проведения детальных топографических и атмосферных исследований структуры облаков, яркости лимба и особенностей терминатора. Она была одной из камер, установленных на платформе ARGUS. Конструкция была повторно использована в камере HRSC на Mars Express. WAOSS Широкоугольная стереоскопическая телевизионная камера (WAOSS) была разработана для глобального мониторинга Марса с течением времени с целью изучения движения облаков, изменений поверхности, вызванных пылевыми бурями, и других долгосрочных наблюдений поверхности и атмосферы. Она была установлена на платформе ARGUS. OMEGA Видимый и инфракрасный картографический спектрометр (OMEGA) был разработан для картирования состава поверхности Марса, включая магматические и осадочные породы, почвы, инеи и льды. Он также должен был картировать основные газообразные и твердые компоненты атмосферы. Он был установлен на платформе ARGUS. PFS Планетарный спектрометр Фурье был разработан для проведения специализированных исследований поверхности и атмосферы. Атмосферные исследования включали мониторинг трехмерных полей температуры и давления, глобальное картирование ветров, изменения концентрации воды и монооксида углерода в пространстве и времени, оптическую глубину, фазовую функцию, распределение размеров и химический состав аэрозолей. Исследования поверхности включали температуру и термофизические свойства почв, минералогический состав поверхности, поверхностные конденсаты и высотометрию. TERMOSCAN Картографический радиометр был разработан для определения тепловой инерции почвы, мониторинга суточных и сезонных изменений температурного режима, поиска аномальных источников тепла и проведения тепловых исследований атмосферы. SVET Спектрометр картографирования высокого разрешения был разработан для спектрофотометрии Марса в полосах поглощения некоторых пород, которые могут существовать, для определения их состава, изучения природы аэрозолей и преобразования данных TERMOSCAN в цифровой формат, совместимый с системой MORION. SPICAM Основными задачами многоканального оптического спектрометра были определение вертикальных профилей озона, водяного пара, монооксида углерода, аэрозолей и температуры в средней и нижней атмосфере, диагностика ионосферы, глобальное распределение водяного пара и построение модели плотности атмосферы. Он был установлен на платформе PAIS. UVS M Ультрафиолетовый спектрофотометр должен был определить распределение водорода, гелия и кислорода в верхних слоях атмосферы, определить содержание дейтерия в атмосфере, построить высотный профиль атмосферы и определить нейтральный компонент межпланетной среды. LWR Длинноволновый радар использовался в экспериментах GRUNT и PLASMA. Целями GRUNT были изучение подповерхностной структуры марсианских криолитосфер, определение глубины залегания ледоносных пород и их географического распределения, а также оценка диэлектрических свойств почвы. Целями PLASMA было изучение глобального распределения профилей высоты плотности электронов в верхней ионосфере для изучения динамики взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Марса. PHOTON (или ФОТОН) Гамма-спектрометр должен был картировать элементный состав горных пород с высоким пространственным разрешением и точностью, а также определить содержание природных радиоактивных элементов и основных элементов, образующих горные породы. Он был установлен на платформе PAIS. NEUTRON S Нейтронный спектрометр был разработан для исследования содержания воды в поверхностных слоях марсианской почвы. MAK Квадрупольный масс-спектрометр был разработан для определения состава верхних слоев атмосферы и ионосферы, измерения высотных профилей ионного и нейтрального состава атмосферы, измерения и обновления изотопных соотношений, а также измерения сезонных и суточных изменений атмосферы и ионосферы. ASPERA Энергетический масс-ионный спектрограф и имэджер нейтральных частиц был разработан для измерения взаимодействия плазмы и нейтральных частиц вблизи Марса. FONEMA Быстрый всенаправленный несканирующий анализатор энергии и массы ионов был разработан для исследования тонкой структуры, динамики и происхождения околомарсианской плазмы с измерениями трехмерных распределений горячих ионов с высоким временным разрешением. DYMIO Всенаправленный ионосферный масс-спектрометр был разработан для исследования динамики ионосферы и ее взаимодействия с солнечным ветром. MARIPROB Ионосферные плазменные спектрометры были разработаны для измерения марсианской ионосферы и конвекции холодного плазмы в магнитосфере. MAREMF Электростатический анализатор и магнитометр должны были проводить измерения вектора магнитного поля и трехмерного распределения электронов и ионов в плазменной среде Марса и в солнечном ветре. ELISMA Волновой комплекс был разработан для измерения взаимодействия солнечного ветра с околомарсианской плазменной средой, идентификации неустойчивостей в ионосфере и магнитосфере, изучения волн атмосферного происхождения, генерируемых пылевыми бурями и молниями, глобального картирования плазменных конвекций, определения распределения температуры и плотности теплой плазмы на высоте до 300 км и мониторинга динамической связи между верхней атмосферой и нижней ионосферой. SLED Спектрометр низкоэнергетических заряженных частиц был разработан для проведения детальных исследований энергетического излучения частиц в околомарсианской среде и мониторинга низкоэнергетических космических лучей во время межпланетного перелета. PGS Прецизионный гамма-спектрометр был разработан для измерения гамма-излучения с поверхности Марса, мощных солнечных вспышек и гамма-всплесков. LILAS 2 Исследование космических и солнечных гамма-всплесков должно было определить местоположение источника гамма-всплеска с высокой точностью, проанализировать особенности низкоэнергетического поглощения в спектрах и изучить тепловое излучение на стадии затухания гамма-всплеска. EVRIS Прибор EVRIS Investigations of Oscillations in Stars был разработан для исследования пульсаций, вращения и внутренней структуры звезд, а также измерения фотометрических микровариаций, вызванных этими пульсациями. Он был установлен на платформе PAIS. SOYA Солнечный осцилляционный фотометр был разработан для изучения внутренней структуры Солнца. RADIUS M Радиационный/дозиметрический контрольный комплекс был разработан для изучения радиации во время межпланетного перелета и вблизи Марса, прогнозирования дозы радиации для космического аппарата, контроля дозиметрии на борту космического аппарата, изучения распространения заряженных частиц в межпланетном пространстве и оценки метеоритной опасности для космического аппарата.

Запуск

Запуск должен был состояться 16 ноября 1996 года с использованием ракеты-носителя Proton 8K82K/11S824F. Это четырехступенчатая ракета в конфигурации, которая ранее совершала всего два полета – оба раза для запуска космических аппаратов "Фобос" к Марсу в 1988 году. Первые три ступени должны были работать до полного расхода топлива. Затем должна была включиться четвертая ступень, называемая Блок D2, чтобы вывести ракету и космический аппарат на околоземную парковочную орбиту. Позже она должна была повторно включиться для начала транс-марсианского перелета. После выключения четвертой ступени космический аппарат должен был отделиться, развернуть антенны и использовать свой двигательный комплекс для завершения импульса. После этого космический аппарат должен был развернуть солнечные панели и научную платформу PAIS.

Межпланетный круиз

Поездка должна была занять около 10 месяцев. По пути планировались две коррекции курса. Астрофизические исследования также должны были проводиться во время межпланетного перелета. Прибытие на Марс было запланировано на 12 сентября 1997 года.

Прибытие

За четыре-пять (предпочтительно пять) дней до прибытия космический аппарат должен был отделить обе посадочные станции для приземления в двух различных точках в северном полушарии. После отделения космический аппарат выполнит маневр уклонения для изменения траектории орбитального модуля на траекторию пролётного манёвра в преддверии выхода на орбиту. В нужный момент, направив главный двигатель двигательной установки по направлению движения, космический аппарат включит двигатель для торможения и перейдёт на орбиту Марса. Начальная орбита вокруг Марса будет иметь перицентр 500 км, апоцентр около 52 000 км и период обращения 43,09 часа.

Посаждение на поверхностную станцию

Пока орбитальный аппарат выполнял включение двигателей для выхода на орбиту, обе поверхностные станции должны были совершить мягкую посадку на Марс. Обе последовательности посадки были идентичны. Они начинались с торможения аппарата посредством аэродинамического сопротивления. На высоте 19,1 км раскрывался парашют, за которым следовало отделение теплового щита на высоте 18,3 км и надувание амортизирующих подушек на высоте 17,9 км. Когда посадочный модуль, защищенный амортизирующими подушками, коснулся поверхности, парашют отделялся. Подушка безопасности в конечном итоге останавливалась, после чего обе подушки безопасности разделялись, открывая посадочный модуль. Четыре лепестка раскрывались, и посадочный модуль подавал сигнал орбитальному аппарату, когда тот пролетал над местом посадки.

Орбита Марса

Первая задача, которую орбитальный аппарат должен был выполнить после выхода на орбиту Марса, заключалась в получении сигнала от обеих наземных станций для подтверждения посадки. Окно для посадки "Пенетраторов" открывалось через семь-двадцать восемь дней после выхода на орбиту Марса. Основной этап научных исследований орбитального аппарата не мог начаться, пока оба "Пенетратора" не будут отпущены и двигательный блок не будет сброшен.

Посадка проникновения

Приземление каждого зонда будет идентичным. Оно начиналось с раскручивания зонда для обеспечения стабильности, после чего следовало отделение от орбитального аппарата. Зонд включал твердотопливный ракетный двигатель, который начинал его снижение с орбиты. Через 20–22 часа зонд входил в марсианскую атмосферу. Затем он развертывал тормозное устройство. При столкновении с поверхностью, передняя часть отделялась и углублялась в грунт больше, чем основной корпус. После этого зонд осуществлял сеанс связи с орбитальным аппаратом для подтверждения успешной посадки.

Первичная научная фаза орбитального аппарата

Примерно через месяц после выхода на орбиту, после отделения проникающих модулей, орбитальный аппарат должен был отделить свой двигательный блок. Двигательный блок мешал бы развертыванию прибора LWR и платформы ARGUS, поэтому его отделение необходимо до начала основной научной фазы. Номинальная миссия орбитального аппарата планировалась на один земной год. После отделения двигательного блока, орбитальный аппарат располагал маломощной двигательной установкой для поддержания орбиты. В рамках номинальной фазы был возможен пролет мимо Деймоса, но пролет мимо Фобоса был возможен только после завершения номинальной миссии. В случае одобрения расширенной миссии, аэробреможение в течение двух-трех месяцев позволило бы сократить орбитальный период примерно до девяти часов.

Провал миссии

Ракета-носитель стартовала 16 ноября 1996 года в 20:48:53 UTC. Ракета-носитель работала штатно до вывода на опорную орбиту. Планированный второй запуск четвертой ступени блока D2 не произошел. Космический аппарат отделился и затем автоматически выполнил включение своего двигателя. К сожалению, из-за отсутствия запуска четвертой ступени, космический аппарат снизил перигей обратно в атмосферу Земли, что привело к повторному входу в атмосферу. Четвертая ступень вошла в атмосферу на последующем витке. Существуют расхождения между американскими и российскими источниками относительно хронологии событий.

Выводы

Комиссия по расследованию не смогла установить, была ли авария "Марса-96" вызвана отказом верхней ступени "Блок Д2" ракеты-носителя "Протон-К" или неисправностью самого космического аппарата "Марс-96". Комиссия по расследованию пришла к выводу, что отсутствие данных телеметрии на критических этапах миссии не позволило определить причину аварии. Отказ произошел при втором включении верхней ступени "Блок Д2", когда космический аппарат находился за пределами зоны действия российских наземных станций. На борту "Марса-96" находилось 200 граммов плутония-238 в виде небольших таблеток. Они были разработаны для выдерживания высоких температур и ударов и, вероятно, пережили вход в атмосферу. На ступени "Блок Д2" плутоний отсутствовал. Считается, что космический аппарат упал в овальной области протяженностью 320 км и шириной 80 км, расположенной в направлении с юго-запада на северо-восток и центром в 32 км к востоку от города Икике, Чили. Никаких обломков космического аппарата или верхней ступени обнаружено не было.

Судьба плутониевого топлива

Первоначально предполагалось, что сборочный модуль "Марс-96" сгорел в атмосфере, а обломки упали в Тихий океан.