Описание свойств каменистого грунта. Технологическая новизна проекта

В работе получено решение задачи о жесткой посадке спускаемого аппарата «Марс-6», который в ходе своей миссии в 1973 г. разбился о поверхность Красной планеты. Для уточнения обстоятельств жесткой посадки выполнено численное моделирование удара аппарата о грунт Марса в программной системе LS-DYNA. Результаты моделирования сопоставлены с данными спутниковой съемки.

Авторы: И.А. Долгов, Ю.В. Новожилов, Д.С. Михалюк - АО«ЦИФРА».

Консультант: В.Ю. Егоров - ООО «НПП ДАУРИЯ»

«Марс-6» - автоматическая межпланетная станция, которая была запущена в СССР в 1973 году. Космический аппарат состоял из космического перелетного блока, и посадочного модуля - спускаемого аппарата. Орбитальная станция «Марс-6» осталась в поясе астероидов, а спускаемый аппарат на этапе спуска успел развернуть парашют и проанализировать состав атмосферы, но в момент включения тормозных ракетных двигателей связь с ним прервалась. Для исследования причин и последствий аварии место крушения изучается методами анализа спутниковой фотосъемки. Сегодня поиск «Марса-6» возможен благодаря американскому спутнику MRO, который снимает поверхность Марса, с детализацией до 26 см. Именно таким способом в 2013 г. Виталием Егоровым, работавшим в составе группы энтузиастов, на дне гигантского кратера Птолемея был найден аппарат «Марс-3» .

Вследствие того, что посадка «Марса-6» скорее всего была аварийная, элементы аппарата и парашюта могут быть видны недостаточно четко даже на спутниковой фотографии с большой детализацией. Аппарат после соударения с поверхностью планеты на большой скорости мог оставить кратер и отскочить на существенное расстояние. Для более детального анализа последствий жесткой посадки необходимо применять современные методы численного моделирования, которые позволяют напрямую моделировать процесс удара спускаемого аппарата о поверхность планеты. По результатам подобного расчета можно определить размеры кратера, который может образоваться при ударе спускаемого аппарата с заданной скоростью, а также расстояние, на которое отлетает спускаемый аппарат после первичного касания поверхности планеты. Таким образом, зная значения данных параметров, можно сократить количество зон поиска на спутниковой съемке и определить местоположение спускаемого аппарата на поверхности планеты.

Для прогнозирования размера кратера от удара при жесткой посадке аппарата «Марс-6» в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Создание расчетной модели спускаемого аппарата с максимально достоверными массово-жесткостными характеристиками;
2. Cоздание расчетной модели грунта Марса в месте посадки, с учетом нелинейных физико-механических свойств грунта;
3. Проведение многовариантного исследования соударения аппарата «Марс-6» с грунтом Марса при разных скоростях и углах падения;
4. Проведение сравнения размеров полученного кратера при численном моделировании с размерами кратера на данных со спутниковой съемки.

Состав и результаты миссии «Марс-6»

В 1973 г. с левой пусковой установки площадки №81 космодрома Байконур был запущен космический аппарат «Марс-6» (экспедиция М-73). Цели данного аппарата можно разделить на два больших блока задач: цели подлетного аппарата и цели спускаемого аппарата (СА). Целями подлетного аппарата являлись: изучение состава и плотности атмосферы, изучение рельефа, определение яркостной температуры атмосферы, измерение магнитного поля. Целями спускаемого аппарата являлись: измерение характеристик атмосферы по высоте, измерение химического состава атмосферы, исследование поверхностных пород, получение первых снимков с поверхности Марса, определение механических характеристик поверхностного слоя грунта.

Рисунок 1. Орбитальный и спускаемый аппарат «Марс-6» [http://zelenyikot.com/mars-6/ ]

Во время части экспедиции, предназначенной для доставки СА на поверхность планеты, схема отделения и посадка на поверхность планеты происходили следующим образом. Спускаемый аппарат входит в атмосферу при угле 11.7° входа со скоростью 5600 м/c. На участке пассивного аэродинамического торможения, устойчивость СА обеспечивалась его формой и центровкой. При достижении скорости в 600 м/c была введена в действие парашютная система. При парашютном спуске на высотах от 20 км проводились измерения температуры, давления, химического состава атмосферы. Результаты передавались на пролетный аппарат, но полезная информация была выделена только с радиокомплекса СА. Непосредственно перед посадкой связь с СА была потеряна. Последняя полученная с него телеметрия подтвердила выдачу команды на включение двигателя мягкой посадки. Новое появление сигнала ожидалось через 143 секунды после пропадания, однако этого не произошло.

Однозначно причину неудачного завершения работы СА определить не удалось. К наиболее вероятным версиям относятся следующие:

• аппарат разбился, в том числе, по причине отказа радиокомплекса при скорости спуска 60 м/с;
• к аварийной ситуации привело превышение амплитуды колебаний аппарата под действием марсианской бури в момент включения двигателей мягкой посадки.

Рисунок 2. Макет аппарата «Марс-3» после жесткой посадки

Среди результатов данной миссии можно выделить то, что впервые на Землю были переданы данные о параметрах марсианской атмосферы, проведены измерения химического состава атмосферы, давления, окружающей температуры. Результаты этих измерений были весьма важны как для расширения знаний о планете, так и для выявления условий, в которых должны работать будущие марсианские станции.

В настоящее время, ведутся поиски места падения СА «Марс-6», для этого специалисты и энтузиасты проводили визуальный просмотр и анализ снимков высокого разрешения предполагаемой зоны падения, которые сделаны спутником Mars Reconnaissance Orbiter. В качестве предполагаемых мест падения выбраны несколько кратеров и поэтому для получения уточненных данных было решено прибегнуть к современным методам численного моделирования физических процессов.

Геометрия и конструкционные решения СА «Марс-6»

На рисунке 3 представлен общий вид спускаемого аппарата «Марс-3» в разрезе и фотография макета аппарата. Модель аппарата «Марс-6» построена на основе данных об аппарате «Марс-3», т.к. с точки зрения массово-жесткостных характеристик они являются сходными.

Рисунок 3. Конструкция СА «Марс-3»

Основными параметрами СА, которые влияют на формирование кратера при ударе, являются масса СА и его амортизирующие элементы конструкции. Общая масса аппарата «Марс-6» составила 3880 кг, из них масса научной аппаратуры орбитального отсека - 114 кг, масса спускаемого аппарата - 1000 кг. Корректирующая двигательная установка была заправлена 598 кг топлива. Масса спускаемого аппарата при входе в атмосферу Марса - 844 кг. Масса автоматической марсианской станции после посадки - 355 кг, из них масса научной аппаратуры - 19 кг. Стоит отметить, что центр масс СА «Марс-6» находится в нижней трети аппарата для того, чтобы создавался эффект «неваляшки» и аппарат всегда переворачивался на днище после соударения с поверхностью планеты.

Амортизация СА «Марс-6» была выполнена из условий посадки на поверхность Марса с вертикальной скоростью до 10 м/c и боковой – до 30 м/c; действующие перегрузки не должны были превышать 180 g, в периферийных местах перегрузки не должны были превышать 240 g. Амортизация нижней части корпуса, толщиной 270 мм, состояла из трех слоев пенопласта. Снаружи амортизация СА защищалась слоем стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На СА предусматривался защитный кожух для оборудования станции, а также для защиты от повреждений лепестковых опор. Защитный кожух имел дополнительную внешнюю амортизацию для защиты посадочного аппарата и оборудования при повторных ударах боковой поверхностью. Амортизация задней части кожуха состояла из двух слоев пенопласта. Также для усиления конструкции введено несколько ребер жесткости и алюминиевых трубок между амортизирующим слоем и лепестками автоматической станции.

При создании расчетной модели спускаемого аппарата для точного описания физических процессов учитывались нелинейные свойства материалов, а именно, упруго-пластические свойства материалов из которых сделан кожух, внутренние элементы конструкции и энергопоглотителя - стекловолокнистого композита, сплава алюминия и пенопласта, соответственно. Для моделирования нелинейных свойств стекловолокна и сплава алюминия использовалась билинейная упруго-пластическая модель материала с кинематическим упрочнением с возможностью разрушения элементов. Для моделирования пластических свойств пенопласта (рисунок 4) использовалась модель прогрессирующего разрушения с возможностью схлопывания пор и уплотнения.

Рисунок 4. Диаграмма обжатия пенопласта ПС-1

Предполагаемая область падения СА «Марс-6»

Район посадки спускаемого аппарата «Марс-6» был выбран в низменной части Эритрейского моря в южном полушарии Марса. Спускаемый аппарат по данным обработки траекторных измерений проведенной в 1974 году совершил посадку в область с номинальными координатами 23,9° ю. ш. и 19,5° з.д. Примерное место приземление СА «Марс-6» на карте Марса показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Место приземления «Марс-6»

Как видно из карты, наиболее близким удачно приземлившимся аппаратом к СА «Марс-6» является марсоход Opportunity. Так же из карты видно, что марсоход Opportunityи СА «Марс-6» находятся на одной и той же равнине, поэтому можно считать, что ландшафт и свойства реголита в области падения СА «Марс-6» близки к свойствам реголита в области приземления марсохода Opportunity. Грунт на месте приземления марсохода Opportunity представляет собой слоистую структуру. На поверхности находится эоловые наносы, которые накрывают толщу слоистого грунта.

Описание свойств эоловых песков

Эоловые пески – это мелкодисперсная структура, которая образуется в ходе действия ветровой эрозии. Это легкая и сыпучая структура, которая имеет размер зерен 0,1-10 мкм. Виды различных эоловых песков представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Эоловые пески на поверхности Марса

Физико-механические свойства эоловых песков представлены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические свойства эоловых песков Марса

Описание свойств каменистого грунта

Каменистый грунт наиболее прочный тип реголита, который формируется из смеси грунта и обломочного материала. Эоловые наносы и каменистый грунт, очевидно, образуют чехол на поверхности пород на всей поверхности равнины, на которую приземлился марсоход Opportunity и СА «Марс-6». Виды каменистого грунта представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Каменистый грунт на поверхности Марса

Физико-механические свойства каменистого грунта представлены в таблице 2.

Таблица 2. Свойства каменистого грунта Марса

Для моделирования поведения грунта Марса выбрана модель Мора-Кулона, которая позволяет описывать зависимость касательных напряжений материала от величины нормальных напряжений. В основе данной модели лежит гипотеза о зависимости предельных касательных напряжений от среднего нормального напряжения, которая обусловлена внутренним трением в материале. При нагружении грунты работают преимущественно на сдвиг по поверхности с наименьшей несущей способностью. Поэтому сдвиговая прочность является определяющей прочностной характеристикой для грунтов. Разрушение реализуется в тот момент, когда величина сдвигового напряжения достигает предела прочности грунта на сдвиг. Для проведения исследований построена модель двуслойного грунта, где верхний слой является слоем эоловых наносов, а нижний слоем - каменистый грунт. Поскольку значения свойств грунта Марса не являются полностью определенными, а заданы в некоем диапазоне, то в работе выполнен анализ зависимости результатов от свойств грунта («твердый грунт» и «мягкий грунт»).

Численное решение задачи

Для численного решения задачи в качестве инструмента выбран программный комплекс LS-DYNA. Для моделирования процесса удара использовалась постановка Лагранж-Эйлерового взаимодействия на базе структурированных сеток (Structured Arbitary Lagrange Eulerian, S-ALE), которая позволяет описывать большие деформации среды без деформации конечных элементов, что приводит к более стабильным и корректным результатам. Расчетная модель аппарата «Марс-6» и области грунта представлены на рисунке 8.

Рисунок 8. Расчетная модель аппарата «Марс-6» и грунта

Конечно-элементная модель аппарата содержит 29 232 узлов, модель области грунта - 94 500 узлов. Всего на каждом временном шаге решается порядка 400 тысяч уравнений. Время одного расчета (0,3 секунды процесса удара) занимает порядка 4-8 часов на рабочей станции с процессором Corei7.

В процессе моделирования падения аппарата «Марс-6» проведено моделирование штатной посадки для подтверждения корректности выбора расчетной модели, а также моделирование нештатной посадки под различными углами падения, с различными значениями физико-механических параметров материала грунта. Пример результатов расчета с начальной скоростью 60 м/с и углом атаки 10 градусов представлен на анимации. Процесс включает в себя соприкосновение аппарата с грунтом, упруго-пластическую деформацию аппарата и грунта в области удара, отскок аппарата и разлет элементов грунта.

В результате многовариантного моделирования получены диапазоны значений ширины кратера после падения СА «Марс-6», которые представлены на рисунке 9.

Рисунок 9. Диапазоны возможных диаметров кратеров после падения СА «Марс-6»

При всех возможных вариантах углов падения СА «Марс-6» ускорение на аппаратуре превосходит критическое ускорение из чего следует, что СА во всех представленных случаях выходит из строя.

В результате моделирования определено, что ширина кратера, в зависимости от угла падения, варьируется от 3,5 м до 4,2 м при падении СА «Марс-6» в «твердый грунт» и от 4,6 м до 5,5 м при падении в «мягкий грунт». Расстояние до повторной точки контакта (Рисунок 10) варьируется от 0 м до 46 м при падении в «мягкий грунт» и от 0 м до 99 м при падении в «твердый грунт» в зависимости от угла падения СА «Марс-6».

Рисунок 10. Диапазоны возможных диаметров кратеров после падения СА «Марс-6»

При рассмотрении предполагаемой области падения СА «Марс-6» , определенной Антоном Громовым, на фотографии со спутниковой съемки (рисунок 11), можно заметить, что расстояние между кратерами примерно равно 9 м, когда ширина самого кратера равна примерно 4 м. Данные значения соответствуют диапазонам полученным данных численного моделирования, поэтому можно говорить, что данный кратер мог остаться после удара именно СА «Марс-6». Необходимо дальнейшее изучения данного предполагаемого места падения методами высокоточной спутниковой фотосъемки.

Рисунок 11. Предполагаемое место падения СА «Марс-6»

В результате выполнения работы получены следующие результаты:

• Выбрана методика численного моделирования, создана модель СА «Марс-6» и выбрана модель Марсианского грунта;
• Проведена валидация расчетной модели на моделировании штатной посадки;
• Получены результаты моделирования падения аппарата «Марс-6» в нештатном режиме;
• По результатам многовариантного моделирования определены размеры кратера от ударов под различными углами для разной твердости грунта;
• Определены возможные расстояния до точки вторичного контакта с поверхностью.

Литература

1. Croop B. Lobo H. Selecting Material Models for the Simulation of Foams in LS-DYNA [Журнал]. - NY: 7th European LS-DYNA Conference, 2009 г.
2. Evans Jonson, Walker An Eulerian approach to soil impact analysis for crashworthiness applications [Журнал]. - Durban: International Journal of Impact Engineering, 2010 г.
3. Fasanella Jackson, Kellas Soft Soil Impact Testing and Simulation of Aerospace Structures [Журнал]. - Hampton: Proceedings of the 10th LS-DYNA Users Conference, 2008 г.
4. Hallquist LS-DYNA Keyword User Manual [Книга]. - Livermore: Livermore Software Technology Corporation, 2007.
5. Ozturk U. E. Anlas G. Finite element analysis of expanded polystyrene foam under multiple compressive loading and unloading [Журнал]. - Gebze: Materials and Design, 2010 г.
6. Qasim H. Shah A. Topa Modeling Large Deformation and Failure of Expanded Polysterene Crushable Foam Using Ls-Dyna [Журнал]. - Kuala Lumpur: International Islamic University Malaysia, 2013 г.
7. Баженов Котов Математическое моделирование нестационарных процессов удара и проникания осесимметричных тел и идентификация свойств грунтовых сред [Книга]. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2011.
8. Григорян Об основных представлениях динамики грунтов [Книга]. - Москва: ПММ, 1960.
9. Демидов Н.Э. Базилевский А.Т. Грунт Марса: разновидности, структура, состав, физические свойства, буримость и опасности для посадочных аппаратов [Статья] // Астрономический вестник. - Москва: [б.н.], 2015 г. - 49(4).
10. Ковтуненко Проектирование спускаемых автоматических космических аппаратов: опыт разработки диалоговых процедур [Книга]. - Москва: Машиностроение, 1985.
11. Петров Ю.А. Макаров В.П., Колобов А.Ю., Алешин В.Ф Посадочные устройства космических аппаратов (КА) на основе пенопластов и сотоблоков [Книга]. - МГТУ им. Н.Э. Баумана: ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.

Весной прошлого года Виталий Егоров, российский любитель космонавтики (на данный момент сотрудник первой в России частной компании Dauria Aerospace), в содействии с пользователями соцсети "Вконтакте" на снимках марсианской поверхности потерянный советский спускаемый аппарат "Марс-3".

Теперь, Виталий Егоров приглашает всех желающих приступить к поискам советской исследовательской станции "Марс-6”, которая также была потеряна. Об этом он написал в своем блоге .

Автоматическая межпланетная станция "Марс-6" была запущена на орбиту с помощью ракеты-носителя "Протон-К" 5 августа 1973 года в 21:45 мск. 12 марта 1974 года спускаемый аппарат "Марс-6" начал входить в плотные слои атмосферы. Примарснение проходило без сбоев: торможение об атмосферу тепловым щитом, раскрытие парашюта, передача данных на Землю об ориентации, перегрузках и даже составе атмосферы Красной планеты. Однако, на последнем этапе посадки, связь с аппаратом прервалась. На данный момент его точное месторасположение не известно. Известно лишь только предполагаемое место посадки.

"В наших силах сообща найти потерянную станцию и решить загадку сорокалетней давности", - пишет Егоров.

В поисках нам поможет марсианский зонд NASA Mars Reconnaissance Orbiter, на борту которого установлена камера высокого разрешения HiRise, способная проводить съемку марсианской поверхности с детализацией 25 сантиметров на пиксель. Так, именно благодаря её снимкам был обнаружен потерянный советский аппарат "Марс-3".

К счастью, MRO проводил съемку поверхности планеты, где может находиться место посадки советского аппарата. По словам Егорова, "площадь поверхности, которую охватывают эти кадры, составляет 964,5 квадратных километров. Здесь может находится парашют, тормозной щит и сам спускаемый аппарат "Марс-6”. Но нет 100% гарантии, что искомые объекты оказались именно на этих кадрах. Если мы просмотрим все фрагменты, и не найдем ничего похожего, то обратимся в NASA с просьбой, чтобы они досняли недостающие фрагменты всей территории. Но даже это не гарантирует успешность наших поисков: если в расчеты советских баллистиков закралась ошибка, или они не учли какие-либо факторы, то "Марс-6” улетел туда, где его никто не думал искать. Но даже это добавит информации, и на ее основе получится уточнить обстоятельства посадки".

Серый эллипс - предполагаемое место посадки. Пронумерованные прямоугольники - участки, снятые камерой HiRise, которые мы и будем просматривать. Иллюстрация: Виталий Егоров

Отметим информацию, которая может помочь в поисках аппарата. Известно, что первым отстреливался тормозной щит, который по своей траектории улетал дальше. В отличие от "Марса-3" у "Марса-6" парашют, тормозной двигатель и парашютный контейнер не разделялись. Также, в случае успешной посадки отстреливался пенопластовый кожух, однако мы не знаем была ли посадка успешной.

Связь с аппаратом была потеряна после отделения зонда от парашюта и тормозного двигателя. Следовательно, можно только предполагать, что произошло дальше. И вот согласно расчетам, разделение спускаемого аппарата с парашютной системой должно было произойти на высоте несколько метров от поверхности. Это говорит о том, что "Марс-6” должен располагаться рядом с парашютом. Но есть вероятность того, что в оценках расстояния до поверхности есть ошибка.

Схема посадки "Марса-6". Анимация: Виталий Егоров

"...крепления могли расцепиться раньше времени и зонд мог просто разбиться, упав с большой высоты. Либо наоборот, не успел расцепиться, тормозной двигатель не сработал, и зонд разбился о поверхность. В таком случае, отдельно должен лежать только щит", - добавляет Виталий.

И это ещё не все сложности. За 40 лет песчаные бури могли бесследно засыпать парашют. И если это произошло, "то мы не сможем идентифицировать посадочный модуль, даже если его найдем. Обнадеживает тот факт, что с "Марсом-3” погрешность при расчетах места посадки составила всего 3 километра, что для 1971 года является впечатляющим результатом. И парашют "Марса-3" все еще заметен даже в наши дни, что тоже в нашу пользу".

Однако, есть и положительный моменты, касающиеся поверхности планеты. В случае "Марса-3" поверхность была усыпана множеством валунов, которые усложняли поиски, поскольку марсианский камень можно было спутать с аппаратом. В случае с "Марсом-6", поверхность представляет собой голые равнины, заполненные песчаными дюнами.

И так, перейдем к самому поиску. Виталий, в качестве разминки, разместил ссылки на фрагменты снимков, полученных зондом MRO, которые можно скачивать и внимательно просматривать. Каким образом планируется проведение работы Егоров написал следующее: "Рекомендую сначала написать в комментариях кто какой фрагмент скачал и просматривает. В той же ветке целесообразно и выкладывать находки. Если попадается что-то подозрительное или любопытное, сделайте скриншот и разместите снимок в комментариях. В подписи укажите номер фрагмента (или оставьте в той ветке, где он уже обсуждается), и точное местоположение найденного объекта. Не вставляйте снимки больше 700 точек по ширине. Каждый фрагмент целесообразно просмотреть нескольким людям, поскольку один человек может что-то упустить

"Марс-3" мы искали через Вконтакт, но в Живом Журнале (где проходят поиски) возможна авторизация из разных соцсетей, что позволяет значительно расширить аудиторию поисков".

Кадр 1

Размер пикселя 53 см.

Спускаемый аппарат будет размером всего 3 пикселя (искать практически бесполезно),

Начало космической эры проходило под знаком Марса. Ученые полагали, что природные условия на Красной планете мало отличаются от земных, поэтому соседний мир идеально подходит для колонизации. Даже если там нет разумных существ, то наверняка должна быть какая-то флора и хотя бы примитивная фауна. Притягивали внимание и так называемые «каналы» — тонкие прямые линии на красной поверхности, которые одни астрономы принимали за ирригационные сооружения марсиан, другие — за лесные массивы вдоль древних высыхающих водоемов.

Марс рассматривали как главную цель экспансии основоположники космического ракетостроения Вернер фон Браун и Сергей Королев: прорабатываемые ими проекты предусматривали отправку огромных межпланетных кораблей, а планируемые экспедиции должны были занять годы.

Однако перед тем следовало убедиться, что Марс действительно обладает плотной атмосферой и водными ресурсами.

Первую автоматическую станцию, значившуюся в секретных документах под обозначением 1М, советские специалисты планировали отправить в сентябре 1960 года, когда образовалось «астрономическое окно» для пусков к Красной планете. Для этой станции профессор Александр Игнатьевич Лебединский подготовил массивный блок оборудования, который включал фототелевизионное устройство и спектрорефлексометр, призванный определить, есть ли жизнь на Марсе. Главный конструктор Сергей Павлович Королев предложил предварительно проверить блок в степи, поблизости от космодрома. Прибор показал, что в Казахстане жизни нет, чем вызвал многочисленные шутки ракетчиков. В результате блок Лебединского остался на Земле.

Из-за задержек с подготовкой ракеты старт несколько раз откладывали.

В конце концов, когда надежды на то, что станция пройдет вблизи Красной планеты, уже не оставалось, запуск состоялся.

10 октября 1960 года ракета-носитель «Молния» с аппаратом 1М № 1 ушла в небо и тут же потерпела аварию. Специалисты лихорадочно подготовили второй запуск, но и он закончился безрезультатно.

Следующее «астрономическое окно» открылось в 1962 году. На этот раз ученые собирались отправить в космос три станции серии 2МВ. Две из них вышли на околоземную орбиту 24 октября и 4 ноября, но повторили судьбу предшественниц. Лишь один запуск оказался успешен: 1 ноября разгонный блок перевел на межпланетную траекторию автоматическую станцию 2МВ-4 № 2, известную ныне под именем «Марс-1». Почти пять месяцев с ней удавалось поддерживать связь. За это время станция приблизилась к Марсу на расстояние 195000 км, но 21 марта 1963 года из-за неполадок бортовой аппаратуры «замолчала».

Не очень хорошо поначалу складывались дела и у американцев. Первой межпланетной станцией , запущенной к Марсу 5 ноября 1964 года, стала «Маринер-3» («Mariner-3», «Mariner-C»), и еще на раннем этапе полета она вышла из-под контроля. Три недели спустя, 28 ноября, запустили «Маринер-4» («Mariner-4», «Mariner-D»), и теперь фортуна улыбнулась американцам. Станция пролетела в 10000 км от Марса, 14 июля 1965 года сделала и на следующий день передала на Землю двадцать два снимка. Они показали поверхность, густо изрытую кратерами и совершенно безжизненную. Никаких каналов, признаков лесов или водных потоков на планете не обнаружилось.

NASA Макет аппарата «Марс-1»

Получалось, что Марс больше похож на Луну, чем на Землю.

Разочарование в Красной планете вызвало разочарование в космонавтике вообще. Начались разговоры, что изучение «мертвых миров» никому не нужно, что оно приносит лишь убытки. В то же время раздавались голоса, критикующие достоверность снимков, переданных станцией. Сторонники продолжения исследований (среди них были знаменитые ученые Кларк Чапман, Джеймс Поллак и ) указывали, что «Маринер-4» заснял лишь небольшую часть поверхности, по которой нельзя судить о планете в целом.

Так или иначе, но исследования продолжались. Необходимо было составить новые карты Марса, очистив их от ошибок, которые накопились в течение века наблюдений. 24 февраля и 27 марта 1969 года сотрудники NASA запустили к Марсу еще две автоматические станции: «Маринер-6» («Mariner-6», «Mariner-F») и «Маринер-7» («Mariner-7», «Mariner-G»). Первая пролетела в 3390 км от Марса и сделала 76 снимков; вторая приблизилась на расстояние в 3500 км и прислала на Землю 126 изображений. Было заснято до 10% марсианской поверхности. Данные предыдущей миссии были подтверждены в полном объеме: перед учеными открылся негостеприимный и весьма однообразный мир.

Мягкая посадка

Все-таки отказаться от волнующей идеи наличия марсианской жизни было непросто. В научном сообществе нашлись оптимисты, которые верили, что когда-то климат на Красной планете был мягче, чем сегодня, и на ней могли развиться простейшие микроорганизмы. Их поиском должны были заняться специальные роботизированные комплексы, доставленные на поверхность планеты.

Первыми попытку высадиться на Марс предприняли опять же советские ученые.

Был утвержден проект М-71, предусматривающий отправку трех автоматических станций в 1971 году. Станция М-71С должна была стартовать раньше остальных и выйти на орбиту искусственного спутника Марса; две другие доставили бы на поверхность планеты спускаемые аппараты, а их орбитальные модули провели бы дистанционное исследование. При посадке на Марс аппарат, снабженный разнообразной измерительной аппаратурой, должен был по командам бортовой автоматики отделить защитный кожух, открыть «лепестки» корпуса и принять вертикальное положение. После этого включались передатчики и научная аппаратура; на грунт выносились рентгеновский спектрометр и прибор оценки проходимости ПрОП-М (первый марсоход!), который совершал короткое путешествие, изучая по дороге физические свойства. В течение 25 минут панорама и научная информация передавались бы в эфир на орбитальный модуль для ретрансляции на Землю.

Интересно, что конструкторы учитывали возможность «заражения» Марса земными микроорганизмами и постарались свести ее к минимуму: отдельные части спускаемого аппарата тщательно стерилизовались, а сборка его проводилась в специальном «чистом» блоке со шлюзовой камерой, фильтрами и бактерицидными лампами.

Станция М-71С, получившая при запуске обозначение «Космос-419», стартовала 5 мая 1971 года, но осталась на околоземной орбите. 19 и 21 мая 1971 года на межпланетную траекторию были выведены станции «Марс-2» (М-71 № 171) и «Марс-3» (М-71 № 172). На этот раз ракеты «Протон-К» и разгонные блоки «сработали» безупречно. Три станции — две советских М-71 и одна американская «Маринер-9» («Mariner-9», «Mariner-I»), запущенная 30 мая, — бесшумно полетели к соседней планете. Однако в сентябре на Марсе началась песчано-пыльная буря, и советские станции, работавшие по заранее заложенной программе, никак не могли переждать ее. 21 ноября спускаемый аппарат «Марса-2» вошел в атмосферу под слишком большим углом и разбился о поверхность планеты. Спускаемый аппарат «Марса-3» попытался достичь поверхности 2 декабря. Он вошел в атмосферу со скоростью 5800 м/с, уменьшил скорость за счет аэродинамического торможения, открыл парашют и совершил мягкую посадку. Во время спуска аппарат в течение 15 секунд передавал слепые кадры, после чего связь с ним была утрачена.

Между тем буря продолжала бушевать. Орбитальные модули проводили съемку, но пыль полностью скрывала рельеф.

Программа исследований оказалась безнадежно сорвана.

Только в последние дни 1971 года атмосфера начала очищаться, и 2 января 1972 года «Маринер-9» начал картографирование. В отличие от советских аналогов, его компьютер поддавался перепрограммированию, в результате чего эта орбитальная станция стала единственной из всех, запущенных в мае 1971 года, которая сумела выполнить свое задание.

Последние «Марсы»

Советские ракетчики решили взять реванш через два года. В июле и августе 1973 года они запустили к Марсу сразу четыре станции серии М-73. Казалось, на сей раз удача улыбнется советским ученым. Все четыре ракеты-носителя сработали как надо, и в сторону соседней планеты полетела вереница аппаратов: орбитальный «Марс-4» (M-73 № 52С), орбитальный «Марс-5» (M-73 № 53С), посадочный «Марс-6» (М-73 № 50П) и посадочный «Марс-7» (М-73 № 51П).

К сожалению, ни одна из этих станций не смогла в полном объеме выполнить программу исследований. 10 февраля 1974 года из-за сбоя в бортовом компьютере не включилась тормозная двигательная установка «Марса-4», и станция прошла мимо цели на расстоянии 2200 км, передав на Землю только один снимок. 12 февраля «Марс-5» вышел на ареоцентрическую орбиту, но быстро растратил энергию и сумел заснять лишь незначительную часть южного полушария планеты. 9 марта спускаемый аппарат станции «Марс-7» промахнулся мимо Красной планеты, пройдя в 1300 км от ее поверхности. 12 марта спускаемый аппарат станции «Марс-6» вошел в атмосферу Марса, выпустил парашют и начал передавать первые данные. Однако через 150 секунд связь с ним прервалась.

По отечественной программе изучения Марса был нанесен тяжелейший удар.

Несмотря на многолетнее обсуждение различных инициатив, включая проект доставки на Землю образцов марсианского грунта, других серьезных попыток высадиться на соседнюю планету предпринято не было — советские ученые сосредоточились на Венере.

Космические археологи

До последнего времени о судьбе «Марса-3» и «Марса-6», совершивших мягкую посадку на Красную планету, было мало что известно. Однако появление космических станций нового поколения, способных разглядеть с орбиты даже небольшие объекты, открыло фантастические возможности для космических археологов.

Первый успех пришел к Виталию у, известному в интернете под псевдонимом Зеленый Кот и ныне занимающемуся активной пропагандой космонавтики.

В ноябре 2012 года он обратил внимание на то, что многие «исторические» аппараты, совершившие посадку на Марс, никто даже не пытается отыскать, хотя вокруг Красной планеты обращается «Марсианский разведывательный спутник» (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) с камерой высокого разрешения HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment).

Проанализировав снимки кратера Птолемея, Егоров нашел подходящие объекты и обратился к профильным специалистам с просьбой подтвердить его открытие. NASA откликнулось и скорректировало работу MRO так, чтобы провести более детализированную съемку указанного района. В апреле 2013 года спускаемый аппарат «Марс-3» был найден.

NASA

Через год группа энтузиастов занялась поисками «Марса-6», который совершил посадку в низменной части Эритрейского моря в южном полушарии Марса. Задача оказалась сложнее, и ее решение заняло куда больше времени: только две недели назад Виталий Егоров наконец-то объявил, что удалось идентифицировать кратер, образовавшийся при падении спускаемого аппарата на поверхность. Конечно, открытие требует подтверждения, но, похоже, еще одной загадкой Марса стало меньше.

К сожалению, российская программа изучения тел Солнечной системы развивается очень вяло. Отечественные специалисты в ближайшие годы готовятся воспроизвести опыт лунных запусков, которые осуществляла команда больше полувека назад. Вряд ли следует рассчитывать и на скорый марсианский прорыв.

МОСКВА, 20 июл — РИА Новости. Группа российских энтузиастов с помощью снимков с американского спутника Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) нашла вероятное место, где на Марсе в 1973 году разбился спускаемый аппарат советского межпланетной станции "Марс-6". Об этом сообщили РИА Новости инициатор поисков, популяризатор космонавтики Виталий Егоров и автор открытия Антон Громов.

В 2013 году Егоров благодаря изучению снимков нашел спускаемый аппарат станции "Марс-3".

"Межпланетные аппараты для человечества как органы чувств, которые мы посылаем в другие миры. Меня с детства вдохновляла эта идея, а в конце статьи про успешный поиск "Марса-3" было сказано, что "Марс-6" ещё не найден. Конечно, мне сразу захотелось подарить человечеству знание о его судьбе", — рассказал автор открытия Антон Громов.

Инициатор поисков Егоров рассказал РИА Новости, что группа энтузиастов просмотрела спутниковые снимки высокого разрешения предполагаемой зоны падения.

"Громов обнаружил кратер, который мог остаться после падения "Марса-6". Для получения уточненных данных было решено прибегнуть к современным методам численного моделирования физических процессов. Инженерная компания из Санкт-Петербурга по просьбе энтузиастов провела "виртуальный краш-тест" спускаемого аппарата "Марс-6", чтобы выяснить картину происшествия. Полученные значения соответствуют видимым данным, поэтому можно говорить, что конкретный кратер мог остаться после удара именно спускаемого аппарата "Марс-6", — рассказал Егоров.

По результатам моделирования "Марс-6" должен был оставить кратер диаметром порядка четырех метров при падении в твердый грунт и диаметром около пяти метров при падении в мягкий грунт. Он мог отскочить при ударе о поверхность на расстояние 46-99 метров в зависимости от типа поверхности планеты. Именно такой кратер энтузиасты и нашли в низменной части Эритрейского моря в южном полушарии Красной планеты, где, предположительно, и упал спускаемый аппарат.

Авторы открытия отмечают, что для проверки точности расчетов требуется дальнейшее изучение предполагаемого места падения методами высокоточной спутниковой фотосъемки. Для этого они намерены подождать новых снимков с MRO, которые выложит NASA после того, как на Марсе закончится глобальная пылевая буря.

"Марс-6" — советская межпланетная станция, которую запустили в 1973 году с космодрома Байконур на ракете "Протон-К". Она состояла из перелетного блока и посадочного модуля - спускаемого аппарата. Перелетный блок изучал состав и плотность атмосферы, рельеф Марса, определял яркостную температуру атмосферы и измерял магнитное поле. Цель запуска — измерение характеристик атмосферы по высоте, химического состава атмосферы, исследование поверхностных пород, получение первых снимков с поверхности Марса и определение механических характеристик поверхностного слоя грунта.

Орбитальная станция осталась в поясе астероидов, а спускаемый аппарат развернул парашют и успел проанализировать состав атмосферы, но в момент включения тормозных двигателей связь с ним прервалась. Точная причина аварии неизвестна. Эта советская станция впервые в истории передала данные о химическом составе, давлении и температуры марсианской атмосферы.

«Марс-6» (М-73П № 50) - советская автоматическая межпланетная станция (АМС) серии М-73 по программе «Марс» запущенная 5 августа 1973 года в 17:45:48 UTC. Серия М-73 состояла из четырёх АМС четвёртого поколения, предназначенных для изучения планеты Марс . Космические аппараты «Марс-4 » и «Марс-5 » (модификация М-73С), должны были выйти на орбиту вокруг планеты и обеспечивать связь с предназначенными для работы на поверхности автоматическими марсианскими станциями. Спускаемые аппараты с автоматическими марсианскими станциями доставляли космические аппараты «Марс-6» и «Марс-7 » (модификация М-73П).

Спускаемый аппарат АМС «Марс-6», в отличие от спускаемого аппарата идентичной по конструкции АМС «Марс-7», совершил посадку на планету.

Технические характеристики [ | ]

Орбитальный аппарат [ | ]

Основным конструктивным элементом, к которому крепятся агрегаты, в том числе, двигательная установка, панели солнечных батарей, параболическая остронаправленная и малонаправленные антенны, радиаторы холодного и горячего контуров системы обеспечения теплового режима и приборная часть, служит блок топливных баков двигательной установки.

Важное отличие модификаций М-73С и М-73П заключается в размещении научной аппаратуры на орбитальном аппарате: в спутниковом варианте научная аппаратура устанавливается в верхней части блока баков, в варианте со спускаемым аппаратом - на коническом переходном элементе, соединяющем приборный отсек и блок баков.

Для аппаратов экспедиции 1973 года КТДУ модифицирована. Вместо основного двигателя 11Д425.000 установлен 11Д425А, тяга которого в режиме малой тяги составляет 1105 кгс (удельный импульс - 293 секунды), а в режиме - большой тяги - 1926 кгс (удельный импульс - 315 секунд). Блок баков заменен новым - больших габаритов и объёма за счет цилиндрической вставки, при этом применены также увеличенные расходные топливные баки. Установлены дополнительные баллоны с гелием для наддува топливных баков. В остальном орбитальные аппараты серии М-73 по компоновке и составу бортовой аппаратуры за небольшим исключением повторяли серию М-71.

Спускаемый аппарат [ | ]

На орбитальных аппаратах М-73П в верхней части блока топливных баков двигательной установки с помощью цилиндрического переходника и соединительной рамы крепится спускаемый аппарат.

В спускаемый аппарат входят:

В спускаемом аппарате была установлена аппаратура для измерения температуры и давления атмосферы, масс-спектрометрического определения химического состава атмосферы, измерения скорости ветра, определения химического состава и физико-механических свойств поверхностного слоя, а также для получения панорамы с помощью телевизионных камер.

Масса [ | ]

Общая масса КА «Марс-6» составила 3880 кг, из них масса научной аппаратуры орбитального отсека - 114 кг, масса спускаемого аппарата - 1000 кг. Корректирующая двигательная установка заправлена 598,5 кг топлива: 210,4 кг горючего и 388,1 кг окислителя. Масса спускаемого аппарата при входе в атмосферу Марса - 844 кг. Масса автоматической марсианской станции после посадки - 355 кг, из них масса научной аппаратуры - 19,1 кг.

Технологическая новизна проекта [ | ]

Впервые в практике отечественной космонавтики в одной межпланетной экспедиции одновременно участвовали четыре автоматических космических аппарата. При подготовке экспедиции продолжена начатая для аппаратов серии М-71 модернизация наземных экспериментальной и испытательной баз, командно-измерительного наземного комплекса.

Так, для проверки и уточнения тепловых расчетов созданы специальные вакуумные установки, оснащённые имитаторами солнечного излучения. Аналог автоматических КА прошел в них полный объём комплексных тепловакуумных испытаний, задача которых состояла в проверке способности системы терморегулирования поддерживать температурный режим в заданных пределах на всех этапах эксплуатации.

Задачи и цели полета [ | ]

Спускаемый аппарат.

Пролётным аппаратом [ | ]

Спускаемым аппаратом [ | ]

Реализация проекта [ | ]

Все космические аппараты серии М-73 успешно прошли весь цикл наземных испытаний. Запуски этих автоматических космических аппаратов в соответствии с советской программой исследования космического пространства и планет солнечной системы осуществлены в июле - августе 1973 г.

Полёт [ | ]

Схема полёта.

В полете КА М-73П («Марс-6 и 7»), предназначенных для доставки спускаемого аппарата, полностью повторяется схема отделения и десантирования СА на марсианскую поверхность, которая была разработана для предшествующей экспедиции М-71. Важнейший этап экспедиции - посадка на марсианскую поверхность - осуществляется следующим образом. Вход спускаемого аппарата в атмосферу происходит в заданном диапазоне углов входа, со скоростью около 6 км/с. На участке пассивного аэродинамического торможения устойчивость спускаемого аппарата обеспечивается его внешней формой и центровкой.

Орбитальный (пролетный) аппарат после отделения СА и при последующем сближении с Марсом - в этом заключается отличие от схемы полета М-71 - с помощью гироплатформы разворачивается таким образом, что антенны метрового диапазона повернуты для приема сигнала со спускаемого аппарата, а остронаправленная антенна - для передачи информации на Землю. После завершения работы с автоматической марсианской станцией аппарат продолжает полет по гелиоцентрической орбите.

Управление полётом [ | ]

Для работы с КА серии М-73 использован наземный радиотехнический комплекс «Плутон» , расположенный на НИП-16 близ Евпатории. При приеме информации с космических аппаратов на больших расстояниях для повышения потенциала радиолинии применено суммирование сигналов с двух антенн АДУ 1000 (К2 и К3) и одной антенны КТНА-200 (К-6). Выдача команд осуществляется через антенны АДУ 1000 (К1) и П 400П (К8) на второй площадке НИП-16. Обе антенны оснащены передатчиками дециметрового диапазона «Гарпун-4», способными излучать мощность до 200 кВт.

С точки зрения сеансного управления КА в логику функционирования бортовых систем внесены некоторые изменения: для аппаратов М-73П исключён типовой сеанс 6Т, предназначенный для торможения и выхода на орбиту спутника Марса.

Выполнение программы полета [ | ]

КА «Марс-6» (М-73П № 50) запущен с левой пусковой установки площадки № 81 космодрома Байконур 5 августа 1973 года в 20:45:48 ракетой-носителем «Протон-К». С помощью трёх ступеней ракеты-носителя «Протон-К» и первого включения ДУ разгонного блока КА выведен на промежуточную ОИСЗ высотой 174,9-162,9 км. Вторым включением ДУ разгонного блока через ~ 1 час 20 минут пассивного полета осуществлён переход КА на траекторию полёта к Марсу. В 22:04:09,6 КА отделился от разгонного блока. 13 августа 1973 года выполнена первая коррекция траектории движения. При закладке уставок снялась готовность первого канала БЦВМ САУ, однако при проведении сеанса коррекции она восстановилась. Импульс коррекции составил 5,17 м/с, время работы двигателя на малой тяге - 3,4 секунды, расход топлива - 11,2 кг. Почти сразу же отказал первый комплект бортового магнитофона ЭА-035. Ситуацию исправили переключением на второй комплект. Однако всего лишь через месяц после старта, 3 сентября 1973 года, на аппарате отказала телеметрия, в результате чего стало невозможно получать информацию в режиме непосредственной передачи по дециметровому каналу, а по сантиметровому можно было передавать информацию только в режиме воспроизведения, причём только информацию с ФТУ и видеомагнитофона. Пришлось изменить технологию управления, и в течение всего перелёта выдавать все команды по два-три раза «вслепую», контролируя их прохождение только по косвенным признакам.

Через 15 минут после отделения сработал тормозной двигатель СА, а спустя 3,5 часа спускаемый аппарат вошёл в атмосферу Марса в 09:05:53 со скоростью 5600 м/с (20160 км/ч). Угол входа составил −11,7°. Сначала торможение шло за счёт аэродинамического экрана, а через 2,5 минуты, при достижении скорости 600 м/с (2160 км/ч), была введена в действие парашютная система. На этапе парашютного спуска на высотах от 20 км до поверхности и ниже проводились измерения температуры и давления, а также определялся химический состав атмосферы. В течение 149,22 секунды результаты передавались на пролётный аппарат, но полезная информация выделена только из сигнала от радиокомплекса СА. Сигнал с КД 1, включённого за 25 минут до входа в атмосферу, был очень слабый, поэтому информацию с него расшифровать не удалось.

Весь участок спуска - от входа в атмосферу и аэродинамического торможения до снижения на парашюте включительно - продолжался 5,2 минуты. Общее время спуска на парашюте начиная с момента подачи сигнала на ввод парашютной системы составило 151,6 секунды. Во время спуска не было цифровой информации с прибора МХ 6408М, зато с помощью приборов «Зубр», ИТ и ИД была получена информация о перегрузках, изменении температуры и давления. Непосредственно перед посадкой связь с СА потеряна. Последняя полученная с него телеметрия подтвердила выдачу команды на включение двигателя мягкой посадки . Новое появление сигнала ожидалось через 143 секунды после пропадания, однако этого не произошло.

Район посадки спускаемого аппарата «Марс-6» был выбран в низменной части Эритрейского моря в южном полушарии Марса. Координаты точки прицеливания 25° ю. ш., 25° з. д. Спускаемый аппарат по данным обработки траекторных измерений проведенной в 1974 году совершил посадку в область с номинальными координатами 23,9° ю. ш. и 19,5° з. д. . (По данным другой обработки траекторных измерений проведенной в 1974 году в область Margaritifer Terra с номинальными координатами 23,54° ю. ш., 19,25° з. д. ) Посадка произошла в расчётную область разброса координат.

Однозначно причину неудачного завершения работы с СА определить не удалось. К наиболее вероятным версиям относятся:

Результаты [ | ]

Программа полета КА «Марс-6» выполнена частично. Программа спускаемого аппарата закончилась провалом.

Научные результаты

Спускаемый аппарат «Марса-6» совершил посадку на планету, впервые передав на Землю данные о параметрах марсианской атмосферы, полученные во время снижения.

Спускаемый аппарат Марса-6 проводил измерения химического состава марсианской атмосферы при помощи масс-спектрометра радиочастотного типа. Вскоре после раскрытия основного парашюта сработал механизм вскрытия анализатора, и атмосфера Марса получила доступ в прибор. Сами масс-спектры должны были передаваться после посадки и на Земле получены не были, однако при анализе параметра ток магнитоионизационного насоса масс-спектрографа, переданного по телеметрическому каналу в ходе парашютного спуска, было предположено, что содержание аргона в атмосфере планеты может составлять от 25 % до 45 %.

На спускаемом аппарате осуществлялись также измерения давления и окружающей температуры; результаты этих измерений весьма важны как для расширения знаний о планете, так и для выявления условий, в которых должны работать будущие марсианские станции.

Совместно с французскими учеными выполнен также радиоастрономический эксперимент - измерения радиоизлучения Солнца в метровом диапазоне. Прием излучения одновременно на Земле и на борту космического аппарата, удаленного от нашей планеты на сотни миллионов километров, позволяет восстановить объемную картину процесса генерации радиоволн и получить данные о потоках заряженных частиц, ответственных за эти процессы. В этом эксперименте решалась и другая задача - поиск кратковременных всплесков радиоизлучения, которые могут, как предполагается, возникать в далеком космосе за счет явлений взрывного типа в ядрах галактик, при вспышках сверхновых звезд и других процессах.

Поиск места падения [ | ]

В 2014 году любители космонавтики во главе с известным блогером и популяризатором космических исследований Виталием Егоровым проводили визуальный просмотр и анализ снимков высокого разрешения предполагаемой зоны посадки спускаемого аппарата, которые были сделаны спутником Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) .

В 2018 г. российские исследователи нашли вероятное место, где разбился спускаемый аппарат. Моделирование показало, что «Марс-6» должен был оставить кратер диаметром около четырёх метров при падении на твёрдый грунт и диаметром около пяти метров при падении в мягкий грунт; станция могла также отскочить при ударе на расстояние до 99 метров. Именно такой кратер исследователи нашли в низменной части в южном полушарии планеты.