Полеты космических аппаратов на планету Меркурий

В 70-е годы XX века, достаточным потенциалом для полноценного исследования космоса, и Меркурия в частности, обладали только две державы – СССР и США. Первыми осуществили полеты космических зондов к Меркурию именно Соединенные Штаты, тогда как Советский Союз сконцентрировался на изучении Венеры и Марса, отправив к ним серию одноименных межпланетных станций. Серии исследовательских аппаратов, посланных к Меркурию, Марсу, Венере из США – назывались «Маринер» и «Мессенджер». Сама же космическая программа «Меркурий», вопреки названию, имела целью разработку околоземных пилотируемых аппаратов. К началу XXI века работы над запусками зондов к первой планете стали вести Япония и Евросоюз.

Наблюдения с помощью телескопов

Первым отследил движения Меркурия в свой телескоп Галилео Галилей. Во время составления астрономического «портрета» Венеры (1610 г), он следил за сменами ее фаз, но фазы Меркурия рассмотреть не мог – не хватало кратности.

С момента этого наблюдения, изучением и описанием Меркурия  в разное время занимались: Пьер Гассенди, Джованни Зупи, Иоганн Кеплер, Джон Бевис, Иоганн Шрётер, Фридрих Бессель, Джованни Скиапарелли, Эжен Антониади. Результатом научных трудов стало подтверждение гелиоцентрической модели нашей планетной системы. Скиапарелли и Антониади вели картографирование поверхности Меркурия, но применение оптических телескопов значительно ограничивало возможности. В удобное для наблюдения время, планета была повернута к Земле одной и той же стороной, поэтому ученым удалось составить лишь частичную топографическую картину.

Исследования Меркурия современными методами

Измерения массы, установление точного периода вращения, первые снимки Меркурия в высоком разрешении удалось получить только благодаря развитию радиоастрономии. Радиолокационные и радиоастрономические методы исследования помогли установить температуру поверхности (от 150К до 600К) и картографировать ее (от 210^о до 350^о долготы). Исследования Меркурия с помощью мощного орбитального телескопа «Хаббл» – из-за близости объекта к Солнцу и опасности повреждения оборудования – не проводились.

Запуск к Меркурию космических кораблей – работающих в автоматическом режиме межпланетных станций наблюдения – стал одним из наиболее точных методов исследования самой маленькой планеты Солнечной системы. Все автономные аппараты, запущенные учеными, летят «в один конец». Их задача – получение и передача на Землю всех возможных данных об исследуемом объекте. Возможностями для организации посадки на Меркурий и возвращения космических зондов – современная наука пока не располагает.

Маринер-10

Миссия первого запущенного к Меркурию космического аппарата стартовала 3 ноября1973 года. Поднявшаяся с мыса Канаверал, американская ракета-носитель «Атлас/Центавр» вынесла на орбиту Земли автоматический зонд весом 503 кг, несущий на себе две камеры высокого разрешения для съемок в видимом и ультрафиолетовом диапазоне, УФ-спектрометры, ИК-радиометр, два магнитометра и счетчика Гейгера, общей массой 79,4 кг.

Используя притяжение Венеры, «Маринер-10» выполнил гравитационный маневр торможения. Пройдя на расстоянии 5770 км от нее, он сделал замеры магнитного поля, измерил массу космического тела и составил модель атмосферной динамики планеты Меркурий. Передав в ЦУП более 3 тыс. снимков поверхности, аппарат изменил вектор движения, снизив перигелий своей орбиты.

Через 3 месяца, достигнув Меркурия, зонд произвел три последовательных сближения с планетой (на 703 км, 48 069 км и 327 км), в ходе которых определил ее температуру (от -183^оС до + 187^оС), составил карту более 40% ее поверхности, измерил напряжение магнитного поля.

Messenger

Вторым полет на Меркурий совершил американский космический зонд «Messenger». Третьего августа 2004 года с мыса Канаверал стартовала ракета-носитель «Дельта», выведшая на орбиту автоматическую межпланетную станцию для изучения первой планеты Солнечной системы. Более массивному, чем его предшественник «Маринер-10», космическому аппарату (1100 кг), понадобилось 6,5 лет для того, чтобы достигнуть точки назначения.

На борту станции находились:

• лазерный высотометр;
• трехкомпонентный магнитометр;
• четыре спектрометра, диапазоном от рентгеновского, до инфракрасного спектра;
• двухрежимная камера для съемки поверхности.

Вес аппаратуры составлял около 500 кг. Для защиты от солнечного излучения корпус зонда был укутан многослойной термоизоляцией, имел радиаторы, тепловые трубы, защитный экран. Силовая установка включала один маршевый и 16 маневровых жидкостных ракетных двигателей, топливом которым служили гидразин с тетраоксидом диазота (окислитель).

Выполнив 6 гравитационных маневров, автоматическая станция достигла меркурианской орбиты в январе 2008 г. Проведя в период с 14 января 2008 г по 17 марта 2011 г три сближения с планетой Меркурий, зонд лег на стационарную орбиту, став ее искусственным спутником. Исчерпав топливо в апреле 2015 г, он рухнул на поверхность Меркурия.

BepiColombo

Третья экспедиция к Меркурию, стартовавшая 20 октября 2018 года была названа в честь современного итальянского инженера, астронома и математика Джузеппе Коломбо. Ученый, разрабатывавший трассу для вывода космических аппаратов на орбиту первой планеты, внес огромный вклад в успех миссии Mariner-10. Именно его вычисления безопасного гравитационного маневра, выводящего искусственный спутник на резонансную орбиту, легли в основу программы зонда.

В разработке миссии участвовали Японское агентство аэрокосмических исследований и Европейское космическое агентство. Два независимых космических аппарата MPO (Mercury Planetary Orbiter) для исследования поверхности, и MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) для наблюдений за магнитосферой – будут проводить изучение Меркурия с двух разновысотных орбит. На орбиту Земли комплекс был запущен ракетой-носителем Ариан-5. К точке назначения спутники доставит перелетный модуль, разработанный Европейским агентством. К концу полета аппараты лишатся сцепки и выйдут каждый на свою траекторию.

Цели миссии:

• составить подробную мультиволновую карту поверхности планеты Меркурий;
• изучить ее химический состав, структуру;
• провести исследования окружающего пространства;
• замерить интенсивность магнитного поля;
• провести мониторинг воздействия «солнечного ветра»;
• выявить и картографировать участки полярных областей, содержащих лед и водородные соединения.

На борту исследовательского комплекса весом в 4100 кг (более 50% из которых занимает топливо) находятся: 7 различных спектрометров, позволяющих вести анализ в диапазоне от гамма-лучей до длинных радиоволн, панорамный энерго-масс-спектрометр; альтиметр, магнитометр, акселерометр; автоматы для мониторинга и записи поведения плазмы, сканеры поверхности.

Перелет займет около 7 лет. Во время полета комплексу предстоит провести 17 гравитационных маневров, позволяющих рационально использовать топливо для стационарного плазменного двигателя разработки российского ОКБ «Факел», ранее опробованного на лунной автоматической станции SMART-1. Космический аппарат завершит свой полет к Меркурию в конце 2025 г.