Если всё пройдёт по плану, автоматическая межпланетная станция Европейского космического агентства BepiColombo прибудет к Меркурию в декабре 2025 года. Она состоит из двух независимых аппаратов, которые разделятся достигнув планеты. Один из них будет изучать поверхность Меркурия, а другой, предоставленный Японией, его магнитосферу. Миссия названа в честь Джузеппе «Бепи» Коломбо, итальянского учёного, математика и инженера из Университета Падуи, который вычислил способ достижения космическим аппаратом орбитального резонанса с Меркурием, что позволило совершить множественные пролёты мимо этого небесного тела. Его методика была использована в успешной миссии NASA Mariner 10, которая пролетела близ Меркурия в 1975 году.
В середине 1970-х годов NASA рассматривало предложение отправить космический аппарат к Меркурию, но отклонило его. В 1990-м Управление вновь решило запустить миссию к маленькой горячей планете. Она подразумевала использование двух относительно крупных космических аппаратов, аналогичных BepiColombo. Однако проект был очень дорогостоящим и не имел шансов на финансирование со стороны NASA.
Однако в середине 1980-х годов специалист по расчёту траекторий из Лаборатории реактивного движения (JPL) разработала способ вывода космического аппарата на орбиту Меркурия с достаточным научным оборудованием на борту. В конце концов, в 2011 году NASA достигло этой цели. Между серединой 1970-х и концом 1990-х годов было подано множество идей и проведена масса исследований по выходу на орбиту Меркурия, поскольку различные учёные и инженеры пытались выяснить наилучший способ достижения космическим аппаратом крошечной, быстрой планеты, столь близко расположенной к очень пылающему газовому шару.
Жаркое лето
Летом 1974 года Космический Научный Национальный Исследовательский Совет США провёл ряд встреч своих консультативных групп, таких как Комитет исследования Луны и планет (COMPLEX), которому было поручено задание изучить возможные планетарные миссии на следующее десятилетие.
В рамках подготовки к этой деятельности JPL провела почти десяток отдельных исследований новых планетарных миссий, некоторые из которых основывались на существующих конструкциях космических аппаратов, адаптированных для новых миссий, а другие требовали полностью новых разработок. Два из этих исследований были сосредоточены на запланированном прибытии кометы Энке в 1980 году, одна миссия предполагала создание венерианского орбитального радара, а другая – солнечного электрического зонда для полёта вне эклиптики. Остальные же миссии сосредоточились на Марсе — речь шла об орбитальном зонде для исследования полярных областей, марсоходе и миссии по доставке образцов грунта Красной планеты на Землю. Одно из исследований предполагало пролёт мимо Юпитера и Урана с зондом для изучения атмосферы последнего, а другое описывало миссию по запуску орбитального аппарата к Юпитеру. Многие из космических аппаратов, которые NASA затем построила — такие как Magellan, Galileo, даже Curiosity, — были либо первоначально предложены, либо существенно усовершенствованы в начале и середине 1970-х годов.
Одна из предложенных миссий 1974 года предполагала создание космического аппарата Mariner Mercury Orbiter 1978, который мог быть запущен в июле 1978 года и выйти на орбиту Меркурия в мае 1980 года с предполагаемым сроком эксплуатации в четыре месяца. Космический аппарат имел бы изначальную массу в 3120 килограммов и орбитальную массу в 775 килограммов. Разница заключалась в огромном количестве топлива, необходимого для достижения зондом орбиты Меркурия. Масса научного оборудования составляла всего 68,4 килограмма.
Целью миссии было составление карты поверхности Меркурия с разрешением в 500 метров, проведение обширных измерений магнитосферной среды, проверка теории гравитации при помощи трёх различных экспериментов, определение распределения массы Меркурия и содержания радиоактивных изотопов на его поверхности для исследования состава планеты. Для достижения этих целей космический аппарат был бы оснащён двумя камерами, двумя магнитометрами, 14-канальным ультрафиолетовым датчиком, телескопом заряженных частиц, приборами для изучения плазмы, инфракрасным радиометром и гамма-спектрометром.
В JPL его называли Mercury Venus Mission ’73 spare, или же запасным вариантом для Mariner 10, оснащённым новой двигательной установкой. Mariner 10 была последней в серии миссий Mariner (хотя миссии Voyager изначально обозначались также): она была направлена на полёт к Венере и Меркурию.
Миссии Mariner предусматривали резервные аппараты на случай аварии основного во время запуска. Однако Mariner 10 изначально не предполагала наличие полноценного запасного аппарата. Согласно книге Брюса Мюррея и Эрика Бёрджесса «Полёт к Меркурию» (1977 год), JPL изначально планировала создание некоторого количества запасных частей — впрочем не для всех компонентов, необходимых для полёта. Однако благодаря экономии средств на основном космическом аппарате, удалось приобрести полный набор оборудования для запасного, что позволило бы ему полететь в случае отказа первого. Когда миссия завершилась успехом, запасной аппарат был помещён в стерильное хранилище.
Для миссии к орбите Меркурия космическому аппарату потребовалась бы новая теплозащита из-за близости планеты к Солнцу, система управления ориентацией, разработанная для зонда Viking Orbiter, а также сами двигатели ориентации. Набор инструментов был бы немного другим, нежели у Mariner 10. В этой миссии использовалась бы широкоугольная камера с полем зрения, аналогичным, разработанной для космического аппарата Mariner 9, который был запущен на Марс в 1971 году, а ультрафиолетовый окклюзионный спектрометр был бы удалён, так как он не был нужен. Топливный бак космического аппарата Viking Orbiter был бы удлинён примерно на 60 сантиметров. Также пришлось бы заменить двигатель Viking с тягой в 1,33 кН, который не был достаточным для замедления аппарата в глубоком гравитационном поле Солнца, на реактивный двигатель с тягой в 4 кН, разработанный для Space Shuttle.
Для отправки к Меркурию космический аппарат должен был быть запущен на самой мощной американской ракете тех лет — Titan IIIE с разгонным блоком Centaur. Он должен был совершить два пролёта мимо Венеры с интервалом в год, после чего достиг бы 24-часовой эллиптической орбиты с наклонением 70 градусов, с перигелием в северном полушарии на высоте 500 километров, но с апогеем гораздо выше. Эта орбита позволила бы космическому аппарату составить карту поверхности Меркурия, а также гравитационного поля и магнитосферы планеты в течение его короткого срока службы на орбите. Окончательное наклонение орбиты было бы выбрано научной группой, но вероятнее всего его величина составила бы от 110 до 135 градусов. Орбита, проходящая над полюсами Меркурия, была важной по нескольким причинам, включая возможность обзора большей части поверхности планеты.
Предлагаемая траектория подразумевала долгий полёт к Меркурию, но она привела бы к наименьшей обратной скорости, которой могли бы добиться эксперты по траекториям из JPL. Это была самая большая проблема для любого меркурианского орбитального аппарата: запуск с Земли в сторону Солнца по сути означал скоростной спуск, что требовало большого количества топлива для замедления и достижения орбиты Меркурия, а не для пролёта мимо него и сгорания близ нашего светила.
В 1975 году COMPLEX представил результаты своего обзора возможной будущей деятельности в области космических наук. Результаты работы Совета касательно исследования Солнечной системы были включены в отчёт «Возможности и выбор в космических науках». Основным рекомендацией Совета для NASA в области планетарной науки было планирование миссии по доставке образцов грунта с поверхности Марса — она остаётся нереализованной мечтой планетологов и по сей день. Другие важные рекомендации касались исследований внешних планет. В отчёте также упоминались внутренние планеты и Луна, однако они явно не были в приоритете. Также приводилась таблица, в которой указывалось, что меркурианский орбитальный аппарат является частью «рекомендуемой программы», однако сама миссия к Меркурию не была явно обозначена в тексте отчёта.
Торможение
Весной 1976 года NASA заказало у компании Science Applications Incorporated «Исследование меркурианского орбитального космического аппарата», которое было представлено Управлению в январе 1977 года. Целью этого исследования была помощь планировщикам NASA в оценке требований к траекториям и грузоподъемности различных режимов полёта для достижения космическим аппаратом орбиты Меркурия.
В его рамках рассматривались три различных режима полёта: с солнечным электрическим двигателем мощностью 15 и 21 киловатт, а также с солнечным парусом, и рассчитывался диапазон времени полёта и массы полезной нагрузки для миссий на Меркурий. Основным выводом авторов отчёта было то, что все три варианта предпочтительнее более прямой «баллистической траектории» к Меркурию, предложенной в предыдущем исследовании JPL.
В 1978 году, через три года после того, как представленный доклад снизил приоритетность Меркурия для NASA, комитет COMPLEX выпустил новый отчёт «Стратегия исследования внутренних планет». В нём были изложены научные цели исследования Меркурия, включая составление карты недостаточно изученной половины поверхности планеты с пространственным разрешением 100 метров или лучше.
В рамках отчёта обсуждались текущие ограничения двигательных технологий для достижения орбиты планеты. «На данный момент, возможности США ограничены баллистическими запусками, и выведение соответствующей необходимому научному минимуму полезной нагрузки на круговую орбиту Меркурия, при помощи подобных запусков, исключены одним или несколькими факторами». Среди этих ограничений были небольшая масса возможной полезной нагрузки, небольшое количество окон для запуска, длительное время полёта и выход только на высокоэллиптические орбиты, что серьёзно снижало бы возможность изучения химического состава планеты, получения качественных изображений поверхности и проведения экспериментов по теплоотдаче. В отчёте рекомендовалось подождать появления двигательной установки низкой тяги — т.е. электроракетного двигателя. Однако, если такая система станет доступной, Комитет рекомендовал начать работу над миссией к Меркурию в конце периода 1977–1987 годов, при условии, что это не сможет негативно повлиять на изучение Земли, Марса и Венеры.
Хотя нет прямых документов, указывающих на это, всё же очевидно, что COMPLEX не был впечатлён предложенной орбитальной миссией с использованием резервного аппарата Mariner 10. Без поддержки научного сообщества миссия к Меркурию не получила одобрения NASA. К концу 1970-х годов у NASA имелись более приоритетные научные миссии, а планетарные проекты уже конкурировали с астрофизическими за финансирование. Среди всех возможных объектов для исследования в Солнечной системе, Меркурий не находился на вершине приоритетного списка для дальнейшего изучения, даже если это можно было бы сделать с помощью запасного космического аппарата. Вскоре американская планетарная наука вошла в период застоя 1980-х, который некоторые называли «потерянным десятилетием» — тогда не было запущено ни одной новой планетарной миссии. Резервный аппарат Mariner 10 был изъят из стерильного хранилища и передан в Смитсоновский институт. В 2013 году он наконец был выставлен на показ в галерее «Время и навигация» Национального музея воздухоплавания и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия.
Орбитальные манёвры в свете Солнца
В следующем десятилетии реальное планирование миссии NASA к Меркурию так и не началось. Программа планетарных исследований Управления была сосредоточена на других целях. В то время NASA не сильно продвинулось в разработке солнечных парусов и не было готово к проектированию электрического двигателя. Без этих новых технологий казалось маловероятным, что Управление решит начать разработку меркурианского орбитального аппарата.
В 1985 году эксперт по орбитальной динамике из JPL Чэн-Ван Йен обратила своё внимание на Меркурий. Она проанализировала данные для ряда окон запуска и траекторий и продемонстрировала, что возможно запустить космический аппарат в сторону Меркурия и, совершив несколько пролётов мимо планеты в сочетании с небольшими маневрами, вывести относительно небольшой зонд на орбиту планеты. Хотя время полёта было относительно долгим — от трёх до пяти лет — преимущество этого подхода заключалось в том, что имелась возможность вывести более крупную полезную нагрузку на орбиту Меркурия, чем это было возможно ранее. Что ещё лучше, при выборе этих траекторий можно было задействовать недорогой и заслуженный ракетоноситель Delta II.
Работа Йен воодушевила людей, заинтересованных в дальнейшем изучении Меркурия, и вскоре различными группами были предприняты новые исследования по планированию миссий к этой планете. В 1985 году Европейское космическое агентство провело предварительное исследование возможности создания меркурианского орбитального аппарата. С 1990 по 1992 год департамент космических наук Российской Академии Наук по сути занимался тем же самым. Также, начиная с 1992 года, японское научное агентство ISAS рассматривало подобный орбитальный аппарат как кандидата для своей миссии Planet C.
В 1988 году Йен возглавила исследование JPL по планированию миссии меркурианского орбитального аппарата, и в этом же году отдел космической физики и исследования планет NASA поддержал совместное начинание, возглавленное Центром космических полётов имени Годдарда (GSFC), которое заключалось в проведении нескольких семинаров и исследований в течение следующих пары лет. К 1990 году совместная команда JPL/GSFC представила свой отчёт о меркурианском орбитальном аппарате, вскоре за которым последовал доклад рабочей группы по научной составляющей этой миссии.
Научные цели этого аппарата включали как планетологические, так и магнитосферные аспекты. Планетологическими целями было изучение тепловой и геологической эволюции внутреннего ядра и поверхности Меркурия, происхождение Солнечной системы и процессы её формирования, а также новые ограничения для динамо магнитного поля планеты. Цели физических экспериментов заключались в изучении поведения солнечных частиц как на дневной, так и на ночной стороне Меркурия. Также планировалось исследование процессов солнечных вспышек, производящих нейтронные и гамма-лучевые выбросы, ускорение солнечных энергетических частиц, происхождение солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, а также выбросов корональной массы и структуры потоков внутренней части Солнечной системы. Одной из целей астрофизики являлось изучение и значительное улучшение параметров теории относительности и солнечного гравитационного поля. Для достижения всех этих научных целей миссии потребовалось бы два почти идентичных космических аппарата, запущенных на одной ракете.
Группа JPL/Goddard разработала список предварительных научных инструментов, включавший детектор энергичных частиц, анализатор быстрых электронов, анализатор быстрых ионов, спектрометр гамма/рентгеновского излучения, анализатор ионного состава плазмы, линейно-сканирующую камеру, магнитометр и оптимизированный анализатор солнечного ветра, радио- и плазменный анализатор, а также анализатор солнечных нейтронов.
Концепция космического аппарата представляла собой восьмиугольник с двумя маленькими солнечными панелями на каждой из четырёх его сторон, способных вместе генерировать вблизи Меркурия 415 ватт. Эти панели могли складываться, частично покрывая аппарат и регулируя теплообмен. Кроме того, аппарат должен был иметь сорок слоёв теплозащиты и вращаться со скоростью 10 оборотов в минуту, с осью вращения перпендикулярно направленной к Солнцу, чтобы ни одна сторона не оставалась под солнечными лучами на долгий период времени. Сухая масса космического аппарата составила бы 800 килограммов, масса топлива — 1600 килограммов. С учётом 200-килограммового адаптера полезной нагрузки совокупная масса аппаратов достигала пяти тонн. Это была бы очень тяжёлая миссия. Для сравнения, каждая пара из орбитального аппарата и посадочного модуля Viking весила 3 527 килограммов.
Для запуска столь большого космического аппарата потребовалась бы ракета-носитель Titan IV-Centaur, а также множественные гравитационные манёвры у Венеры и Меркурия. Время полёта составило бы от трёх до шести лет в зависимости от того, сколько пролётов мимо Меркурия потребовалось бы для выхода на орбиту. Миссия акцентировалась бы на изучении магнитосферы Меркурия в течение первых двух лет и на его планетарной съёмке в течение последующих двух лет. Два космических аппарата вышли бы на разные орбиты: один на полярную орбиту высотой 200 километров с периодом обращения 12 часов, а второй — на очень свободную экваториальную орбиту, которая в конечном итоге была бы изменена на полярную, подобную орбите другого космического аппарата. Миссия предполагала возможность запуска в 1997, 1999, 2002, 2004, 2005 и 2007 годах.
Исследование возможности создания меркурианского орбитального аппарата было проведено в то время, когда NASA все ещё представляло себе планетарные миссии как крупные и всесторонние, и двойная космическая миссия с массой намного превышающей массу Viking была значительной даже для того времени. Ракеты Titan IV-Centaur стоили недёшево, и есть отчёты о том, что учёные даже рассматривали возможность использования Space Shuttle. Общая стоимость подобной миссии была оценена примерно в 650 миллионов долларов, требуя серьёзных инвестиций со стороны NASA. Однако в начале 1990-х годов просто не было достаточной научной или политической поддержки для столь дорогостоящей миссии к Меркурию. К счастью, появилась другая альтернатива.
Программа Discovery
В начале 1990-х годов NASA запустила новую программу создания более маленьких планетарных космических аппаратов под названием Discovery. Для старта этого проекта Управление пригласило представить идеи миссий в рамках встречи, которая состоялась в сентябре 1992 года в Сан-Хуан Капистрано, Калифорния. Несколько команд предложили следующие миссии на Меркурий:
- Роберт Редди из Лаборатории Лоуренса Ливермора предложил концепцию миссии «Меркурий: Недра, Поверхность и Окружающая Среда».
- Дуэйн Мулеман из Калтеха предложил MIRROR — космический аппарат для обзора и радиолокационной разведки Меркурия.
- Альберт Мецгер из Лаборатории Реактивного Движения предложил миссию «Орбитальное Картирование Меркурия».
- Роберт Нельсон из Лаборатории Реактивного Движения предложил Hermes Global Orbiter.
- Брюс Биллс из Годдардского космического центра NASA предложил Mallcu.
- Джейкоб Тромбка из Космического центра NASA им. Годдарда предложил миссию «Поля и Динамика Поверхности Меркурия».
- Стэн Пил из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре предложил миссию «Геофизика Меркурия».
- Си Ти Расселл из UCLA предложил миссию «Магнитные, Гравитационные и Атмосферные измерения на Меркурии».
- Пол Спудис из Лунного и Планетарного Института предложил миссию «Меркурий: Пролёт над полюсами».
Из примерно 70 предложенных миссий Discovery, представленных на семинаре в Сан-Хуан-Капистрано, девять были посвящены Меркурию, что демонстрирует не только интерес к подобным миссиям, но и широко признанную веру в то, что вычисления Чэн-Ван Йен доказали возможность достижения орбиты Меркурия при помощи ракеты класса Delta II.
Брюс Биллс из отдела геодинамики Космического центра NASA им. Годдарда, предложил миссию на Меркурий под названием Mallcu, что означает аймарское название андского кондора, мифического спутника бога Солнца. Mallcu должен был выйти на полярную орбиту вокруг Меркурия с целью определения формы и центра масс планеты, её приливных амплитуд и фаз, количественной оценки вулканизма, определения её тектонической истории, изучения кратерообразования, оценки плотности их распределения на планете, выяснения происхождения и природы её магнитного поля, а также оценки отражательной способности поверхности Меркурия.
Mallcu должен был иметь лишь несколько инструментов. Основным из них был бы прибор, аналогичный лазерному альтиметру Mars Observer (или MOLA) — крупный и дорогостоящий космический аппарат Mars Observer вскоре потерпел неудачу во время своего полёта к Марсу. Версия для Меркурия была бы меньше, чтобы предотвратить перегрев крупных оптических апертур находящихся так близко к Солнцу. Другие инструменты включали бы магнитометр и камеру. Наблюдения за орбитой космического аппарата вокруг Меркурия позволили бы ученым разработать модель гравитации для планеты. Mallcu имел бы необычную систему теплозащиты, состоящую из двух больших заслонок, немного напоминающих зонтики, изготовленных из бета-ткани. Одна из них защищала бы от Солнца, а другая — от солнечного света, отражённого Меркурием.
Миссия Hermes Global Orbiter использовала бы ракету Delta II для запуска космического аппарата массой 300 килограмм, стабилизированного по трём осям, созданного на основе спутника Eagle, предоставленного компанией TRW для нескольких военных миссий на низкой околоземной орбите. Космический аппарат вышел бы на полярную орбиту вокруг Меркурия с перигеем на высоте 200 километров и апогеем на высоте 15 000 километров. Для охлаждения космический аппарат использовал бы заслонку и пассивное излучение. Hermes был бы оснащён камерой, лазером, блоком детектора лазера, ультрафиолетовым спектрометром и магнитометром. Предполагаемая стоимость миссии составляла 146 миллионов долларов.
Дуэйн Мулеман из Калтеха предложил космический аппарат, который, подобно Hermes, использовал бы платформу спутника Eagle от TRW. Его предложение называлось MIRROR — космический аппарат для обзора и радиолокационной разведки Меркурия. Джейкоб Тромбка из Годдардского космического центра NASA предложил уменьшенную версию крупной миссии Mercury Orbiter от GSFC. Миссия по изучению поля и динамики поверхности Меркурия состояла бы из одного космического аппарата, запущенного на ракете Delta II, но другие её детали неизвестны.
Пол Спудис из Лунного и Планетарного Института представил миссию «Меркурий: Пролёт над полюсами», которая пролетела бы мимо планеты два или три раза, примерно раз в шесть месяцев, совершая наблюдения за её полюсами, на которых предполагалось наличие водяного льда. Основные научные вопросы заключались в определении состава полярных шапок из водяного льда и измерении температуры, количества и чистоты полярного льда. Космический аппарат также изучал бы геологию Меркурия. Минимальным требованием было выполнение одного прохода через полюс и одного через экватор. Сухая масса космического аппарата составляла 375 килограммов, а снаряжённая масса — 880 килограммов. Для миссии также использовалась бы ракета Delta II.
Космический аппарат Спудиса был бы стабилизирован по трём осям и имел бы сочленённые солнечные панели, модульную конструкцию с восемью отсеками для оборудования, антенну для гамма-лучевого спектрометра и жёстко установленную заслонку, предварительно развернутую перед запуском. По словам Спудиса, эти конструктивные особенности были проверены на Mariner 10. Среди инструментов были нейтронно-гамма-лучевой спектрометр, тепловой эмиссионный спектрометр, камера с узким углом обзора и радарный звукомер-скальпометр. Целью было уложиться в 140 миллионов долларов.
Изучение Меркурия
Несмотря на возрождённый интерес к Меркурию, вызванный расчётами траектории Чэн-Ван Йен в 1985 году, и многочисленные исследования возможности подобных миссий в конце 1980-х и начале 1990-х годов, прошло много лет, прежде чем был предложен, выбран и запущен реальный космический аппарат к этому небесному телу.
В 1996 году NASA провело конкурс на миссии программы Discovery. Одним из участников был проект MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging), предназначенный для изучения поверхности, окружающей среды и геохимии Меркурия. В октябре 1997 года NASA выбрала миссии Genesis и CONTOUR, но не MESSENGER. Позднее миссия CONTOUR столкнулась с отказом в полёте, но Genesis успешно доставила образцы частиц солнечного ветра на Землю. В 1998 году агентство провело ещё один конкурс Discovery, и MESSENGER снова принял участие. В июле 1999 года NASA выбрало Deep Impact и MESSENGER в качестве следующих двух миссий Discovery. Обе миссии имели предельные затраты в 300 миллионов долларов и даты запуска в конце 2004 года.
MESSENGER достиг орбиты Меркурия в 2011 году, и в течение следующих нескольких лет активно изучал планету, отправляя данные, которые до сих пор анализируются. Лаборатория прикладной физики создала MESSENGER и оснастила его тепловым экраном, который сохранял его прохладным на протяжении всей миссии, что также позволило Лаборатории набраться достаточно опыта для последующей разработки космического аппарата Parker Solar Probe, который работает в ещё более безжалостной среде. В 2015 году, исчерпав своё топливо, MESSENGER разбился о поверхность Меркурия.
Конструкция MESSENGER и его научные данные помогли в разработки миссии BepiColombo. При условии, что всё пойдёт по плану, BepiColombo достигнет Меркурия в 2025 году с набором более продвинутых инструментов, чем у её предшественника. И когда это произойдёт, надеемся, что помимо Джузеппе Коломбо, общественность также выразит благодарность Чэн-Ван Йен, которая 40 лет назад сделала расчёты, вдохновившие людей задуматься о достижении орбиты Меркурия.