Их назвали Фобос (греч. φοβος - страх) и Деймос (греч. Δειμος - ужас), да и какие ещё имена можно дать спутникам Марса – бога войны?

Долгие годы астрономам были известны только их орбитальные и некоторые физические параметры.

Серьёзное изучение Фобоса и Деймоса наземными средствами, ввиду их очень малых размеров, было бесперспективно, и первые их подробные изображения были получены космическими средствами. Они были переданы на Землю с космических аппаратов Маринер-9 (Mariner 9) в 1971 году, а также Викинг (Viking) в 1977 году.   

Позднее новые фотографии были получены с космических аппаратов Марс Глобал Сервейер (Mars Global Surveyor) в 1998 и 2003 гг., Марс Экспресс (Mars Express) в 2004 и 2010 гг., Марс Реконайсанс Орбитер (Mars Reconnaissance Orbiter)  в 2007 и 2008 гг.

В 1989 году Фобос был сфотографирован и с помощью космического аппарата Фобос-2, но об этой космической экспедиции речь будет идти ниже.

Всё сказанное выше о космических исследованиях спутников Марса касается только получения их более или менее подробных фотографий с пролетающих мимо них космических аппаратов.

Первая попытка не только сфотографировать Фобос, но и непосредственно исследовать его со спускаемого на него аппарата была предпринята в нашей стране.

В июле 1988 г. с космодрома Байконур к Марсу стартовали два космических аппарата. Однако главной целью их исследований был не сам Марс, а его спутник Фобос. История экспедиции двух космических аппаратов ФОБОС-1 и ФОБОС-2 оказалась драматической [Sagdeev, Zakharov, 1992]. Уже через месяц полета на трассе Земля-Марс из-за ошибки управления был потерян один из аппаратов – ФОБОС-1. Второй аппарат, идентичный первому продолжал полет. Через семь месяцев после запуска космический аппарат ФОБОС-2 вышел на эллиптическую орбиту вокруг Марса и, после нескольких модификаций, его орбита стала круговой, близкая к орбите – Фобоса. На этапах формирования орбиты космического аппарата проводились научные исследования Фобоса, Марса и околомарсианского пространства.

После фазирования орбит и сближения космического аппарата с Фобосом предполагался сброс двух посадочных аппаратов на поверхность Фобоса для дальнейших «контактных» исследований этого небесного тела. Однако, за несколько дней до этого кульминационного этапа экспедиции, из-за сбоя в системе управления связь с космическим аппаратом была потеряна. Экспедиция закончилась, не выполнив основного своего этапа. Тем не менее, исследования Марса, Фобоса и околомарсианского пространства, выполненные в течение 57 дней на этапе орбитального движения вокруг Марса, позволили получить уникальные научные результаты о тепловых характеристиках Фобоса, о свойствах реголита по его отражательным характеристикам в ИК-диапазоне [Ksanfomality, Moroz, 1995],  о плазменном окружении Марса, взаимодействии его с солнечным ветром [Lundin, Zakharov et al., 1989]. Например, по величине потока ионов кислорода, покидающих атмосферу Марса, обнаруженных при помощи спектрометра ионов, установленного на КА ФОБОС-2,  удалось оценить скорость эрозии атмосферы Марса из-за взаимодействия с солнечным ветром [см. обзоры Zakharov, 1992; Nagy et al., 2004]. Эти измерения чрезвычайно важны для исследования истории воды на Марсе и марсианской атмосферы. Действительно, до полета ФОБОС-2 об околомарсианском пространстве было известно меньше, чем о свойствах пространства около значительно более удаленных планет - Меркурия, Юпитера, Сатурна. Научные данные космического аппарата ФОБОС-2 до сих пор являются уникальными, они открыли новый этап исследований Марса, который продолжается, хотя и не без потерь, усилиями Американского и Европейского космическими агентствами.

Проект по продолжению исследований Фобоса и доставке на Землю образцов грунта с его поверхности был предложен практически сразу после завершения экспедиции ФОБОС-2. В 1992 году международная группа участников проекта ФОБОС-2 c участием ИКИ РАН, ГЕОХИ РАН, ИПМ РАН, НПО им. С.А. Лавочкина и других организаций предложила реализовать совместный Российско-Американский проект по доставке образцов грунта с Фобоса [Duxbury et.al.]. Это предложение рассматривалось на волне развития российско-американского сотрудничества по космосу по совместной программе «Вместе к Марсу», однако, этот проект не  был поддержан. Затем подобные предложения обсуждались еще на нескольких конференциях и в публикациях, в частности [Galeev et.al., 1996; Zakharov, 1998; Zakharov and Sukhanov, 1999, Авдуевский и др.,1999, 2000, Marov et.al.,2004].

В 1998 году Российская академия наук и Федеральное космическое агентство приняли решение продолжить исследования Фобоса и Марса на качественно новом технологическом уровне в крупномасштабном проекте ФОБОС-ГРУНТ, основная цель которого – доставка на Землю образцов грунта с Фобоса для детальных лабораторных исследований.

 

Чем же интересен Фобос? 

Характеристики спутников Марса

Рассмотрим вначале то, что о них сейчас уже известно. По классификации тел Солнечной системы, Фобос - это малое тело, один из двух спутников Марса (второй спутник – Деймос). Изображения Фобоса и Деймоса показывают, что оба они имеют неправильную форму, которая может быть аппроксимирована эллипсоидом, размеры которого для Фобоса составляют 13,3х11,1х9,3 км, для Деймоса – 7,5х6,2х5,2 км.

Большая ось эллипсоидов для обоих спутников направлена на Марс, и оба спутника вращаются вокруг Марса синхронно. Орбиты спутников практически круговые с радиусом 9378 км (2,76 R_М ) и 23459 км (6,9 R_М) для Фобоса и Деймоса, соответственно. Плоскости орбит обоих спутников близки к экваториальной плоскости Марса и наклонены под углом ~24⁰ к плоскости эклиптики. Период обращения Фобоса вокруг Марса 7 час. 39 мин., для Деймоса эта величина составляет 30 час. 21 мин. Учитывая, что продолжительность марсианских суток 24 ч 39,5 мин (мало отличается от земных), Фобос за это время три раза восходит над горизонтом на западе и заходит на востоке.

Наземные измерения параметров орбиты Фобоса показывают, что она медленно меняется - Фобос по очень пологой спирали приближается к Марсу (за каждые 100 лет высота орбиты Фобоса уменьшается на 9 м.). Причинами такого изменения орбиты (векового ускорения) являются приливные потери орбитальной энергии. Орбита Фобоса настолько близка к Марсу, что находится в пределах зоны (т.н. предел Роша), внутри которой приливные силы стремятся его разрушить. Оценки дальнейшей эволюции орбиты Фобоса показывают, что через несколько десятков миллионов лет (мгновение в истории Солнечной системы) спутник неминуемо разрушится и его фрагменты упадут на Марс.

Другой интересной особенностью, связанной с движением Фобоса, является его либрация. Этот спутник является уникальным объектом среди известных синхронно вращающихся спутников планет в Солнечной системе, так как имеет, по-видимому, наибольшую амплитуду либрации. Основной причиной этого является тот факт, что период свободной либрации этого спутника (~10 час.) близок к периоду орбитального вращения (~7,7 час.). По точным измерениям амплитуды либрации можно определить моменты инерции Фобоса, что важно для исследований распределения масс (его внутренней структуры). Точные измерения расстояний от Земли до Фобоса с посадочного аппарата на поверхности Фобоса даст возможность существенно улучшить некоторые параметры орбитальной динамики, в частности, улучшить оценки массы некоторых астероидов, находящихся за орбитой Марса.

Поверхности обоих спутников кратерированы, однако, топографически они сильно отличаются. Фобос имеет множество глубоких почти прямых параллельных борозд 100-200 м шириной и 10-20 м глубиной, природа которых остается дискуссионной. Некоторые из этих борозд имеют длину до 30 км. Почти все эти протяженные полосы начинаются вблизи самого большого кратера на Фобосе – Стикни, размер которого 10 км в диаметре, что составляет более трети диаметра Фобоса. Интересно заметить, что тело, столкнувшееся с Фобосом и оставившее столь крупный кратер на его поверхности, могло привести к катастрофическим результатам - разрушению Фобоса, если бы он обладал очень плотной (консолидированной) внутренней структурой, но то факт, что он не разрушиться, указывает на достаточно пористую внутреннюю структуру Фобоса. Видимо, это на самом деле имеет место, что не противоречит средней плотности Фобоса (1,887 г/см³).

Подобных полос на Деймосе нет. Кратеры там много меньше в диаметре, чем на Фобосе. Основной крупномасштабной морфологической особенностью поверхности Деймоса является его кажущаяся однородность поверхности. Наиболее загадочный вопрос, касающийся морфологических особенностей этих двух спутников – почему поверхности их так сильно различаются и каковы процессы, приведшие к таким характерным особенностям Фобоса?

Спутники Марса представляют особый интерес ввиду своей малости.  Дело в том, что все планеты и большинство их спутников за время своей эволюции претерпели в той или иной степени изменения под действием внешних факторов и, что наиболее существенно, в результате эндогенных процессов, таких как вулканизм. Эти процессы коренным образом преобразовали вещество планет и практически «стерли память» о первородном веществе. Принципиально иная ситуация обстоит с малыми телами в Солнечной системе – кометами, астероидами, спутниками планет и, в частности, спутниками Марса.  Поверхность Фобоса, по-видимому, представляет собой смесь материала, богатого углистыми соединениями, переработанного космическими излучениями. У этих тел, в силу их малости и обычном содержании в слагающем веществе радиогенных изотопов исключается внутренний нагрев и эндогенная (тектоническая) активность. Поэтому они представляют собой тот исходный первичный материал, близкий к веществу протопланетного облака, из которого образовались планеты Солнечной системы.

Воздействие внешних факторов, таких как солнечный ветер, космические лучи, метеориты, которым подвергаются малые тела, безусловно, модифицируют внешний слой грунта - реголит. Для Фобоса, видимо, существенным фактором, влияющим на свойства  реголита, является также близость Марса. Таким образом, исследования реголита малых тел могут дать информацию о ранних этапах образования тел Солнечной системы, происхождении и эволюции планет, в том числе и ранней истории Земли.

Происхождение спутников Марса

Теории происхождения спутников Марса основываются на нескольких противоречивых фактах. С одной стороны, низкое альбедо низкая плотность и  ранние спектральные измерения указывают на то, что Фобос может быть захваченным астероидом типа углистых хондритов, каких много во внешнем поясе астероидов, далеко за орбитой Марса. С другой стороны, расчеты эволюции орбит показывают, что захват астероида Марсом маловероятен. Это дает сильные аргументы в пользу того, что формирование спутников Марса происходило вместе с Марсом из концентрического сгущения первичного газопылевого диска на расстоянии орбиты Марса. Но в этом случае состав Фобоса должен отличаться от состава углистых хондритов и быть близок составу обыкновенных хондритов, характерных для области аккреции вблизи Марса.

Безусловно, в процессе эволюции спутники Марса подвергались воздействию различных внешних факторов. Начнем с самого Марса. Существование на Земле SNC метеоритов, которые с высокой степенью вероятности имеют марсианское происхождение, свидетельствуют о том, что выброс материала с поверхности Марса возможен, и, по-видимому, действительно происходил, особенно на ранних этапах эволюции. Часть этого выброшенного материала могла осесть на поверхность Фобоса, привнося тем самым компоненту марсианского вещества в состав реголита Фобоса. При метеорной бомбардировке выбросы из кратеров легко покидают спутники Марса, однако большая часть этого вещества остается в окрестностях Марса на орбитах, близких к их источникам, образуя пылевой тор (подробнее об этом гипотетическом образовании  сказано ниже). Значительная часть этого вещества возвращается на поверхность спутников.   Другим источником поверхностного материала спутников Марса может быть космическая пыль, захваченная гравитационным полем Марса. Под действием светового давления (эффекта Пойтинга-Робертсона) частицы космической пыли, находящиеся в межпланетной среде вблизи марсианской орбиты, могут изменять свою траекторию и аккретировать на Фобос.

Кроме того, реголит всех безатмосферных тел подвержен бомбардировке частицами космических лучей и солнечного ветра. Процессы образования реголита на малых телах, являющегося результатом воздействия указанных выше факторов, еще не достаточно изучены, однако, следует ожидать, что, несмотря на постоянную бомбардировку микрометеоритами и воздействию солнечного ветра, процессы, происходящие во внешнем слое реголита достаточно хорошо отображают химический состав коренных пород. Поэтому изучение реголита позволит получить сведения не только о реликтовом веществе, из которого сформировались планеты и тела Солнечной системы, но и об условиях их формирования и последующей эволюции.

Как видим, имеющиеся данные о физических и химических характеристиках Фобоса и Деймоса не позволяют сделать выбор между различными теориями происхождения этих тел – либо это захваченные астероиды, либо аккумулированные тела на марсианских орбитах (эволюционная теория), либо это результат столкновения крупного небесного тела с Марсом на ранних стадиях его эволюции. Из-за малого размера, неправильной формы и спектральных отражательных характеристик марсианские спутники часто связывают с астероидными аналогами, населяющими внешний пояс астероидов. Возникает вопрос о том, каковы могли бы быть физические процессы, которые бы объяснили их происхождение, какую роль в их происхождении сыграло гравитационное поле Марса? Ответ на все эти вопросы может дать вклад в понимание происхождение системы спутников Марса и их взаимосвязи с Марсом, что непосредственно связано с генезисом других спутниковых систем. А это, в свою очередь, приближает нас к решению фундаментальной проблемы происхождения и эволюции Земли и планет земной группы.

Наиболее мощным методом исследований реголита являются изучения соотношений состава основных породоборазующих элементов, летучих, изотопного состава. В настоящее время известно соотношение основного элементного состава хондритов и SNC метеоритов марсианского происхождения. Например, соотношение углерода и кремния для обыкновенных хондритов в три раза выше, чем для SNC, а соотношение этих же элементов для углистых хондритов почти в сто раз выше, чем для обычных хондритов. Подобный диагностический метод важно использовать для измерений соотношений других породообразующих элементов, изотопов кислорода, благородных газов. Зная эти соотношения и выполнив детальный анализ исследуемого образца реголита, можно определить его «родословную» и, таким образом, сделать заключение о происхождении тела. Геохронологический анализ (измерения соотношений радиоактивных элементов) позволит определить абсолютный возраст исследуемого вещества.

Значительный интерес представляют исследования характеристик плазмы в окрестности Марса. Плазменные исследования вблизи Марса проводились, начиная с самых первых отечественных миссий к этой планете. До начала работы Европейского спутника Марса «Марс Экспресс» (запуск в 2003 г.)  практически все данные о взаимодействии солнечного ветра с плазменным окружением Марса получены с помощью отечественных космических аппаратов [Vaisberg, 1992; Zakharov, 1992]. Правда, достаточно долго оставалась неопределенность в определении собственного магнитного поля Марса, что вызывало сложности в интерпретации плазменных измерений. Американский аппарат Марс Глобал Сервейер, запущенный в 1996 г., смог зарегистрировать наличие сравнительно слабого палеомагнитного поля у Марса [Acuna et.al., 1999]. Учитывая эти последние данные, представляет большой интерес исследовать особенности взаимодействия солнечного ветра с плазменным окружением Марса, которое не похоже ни на Венеру (планета без собственного магнитного поля) ни на Землю (планета с достаточно сильным собственным магнитным полем). 

Измерения, характеристик плазменной составляющей околомарсианского пространства, выполненные космическими аппаратами МАРС-5 и ФОБОС-2, указывают на то, что солнечный ветер испытывает возмущения, распространяясь вблизи орбит марсианских спутников [Богданов, 1981; Dubinin et.al., 1990, Sauer at.al., 1995]. На основании этого были сделаны предположения, что на орбитах Фобоса и Деймоса существует повышенная плотность пылевых частиц - пылевой тор. Наиболее вероятно существование пылевого тора связано с выбросом материала с поверхности Марса и Фобоса при бомбардировке их поверхностей микрометеоритами. Недавно выполненный численный анализ показал, что при формировании пылевого тора важную роль играют орбитальные резонансы, вызванные влиянием Марса и вариациями давления солнечной радиации [Krivov and Hamilton, 1997]. Исследование этой проблемы важно не только с точки зрения эволюции реголита на поверхности марсианских спутников, но и для изучения физических условий вблизи Марса при планировании перспективных экспедиций к Марсу.

Научные задачи проекта «Фобос-Грунт»

Как уже отмечалось, основной целью  проекта «Фобос-Грунт» является доставка за Землю образцов вещества с Фобоса для их последующих всесторонних исследований в земных лабораториях. Эти задачи подробно рассматриваются в статье академика Э.М. Галимова (Галимов, 2009), публикуемой в этом номере. На посадочном аппарате, помимо предназначенных для забора грунта манипуляторов, установлен комплекс научных приборов, предназначенных для прямых (in situ) измерений физико-химических свойств поверхности в месте посадки аппарата. Наряду с этим, предполагаются исследования системы Марса, включающей саму планету, его спутники и околомарсианское пространство путем дистанционных измерений,

Таким образом, основные научные задачи проекта нацелены на решение широкого спектра проблем, связанных, в первую очередь, с генезисом Солнечной системы. Решение этой главной задачи должно быть обеспечено путем исследования физико-химических свойств реликтового вещества с Фобоса. Другие научные задачи включают в себя:

исследования физико-химических характеристик Фобоса как небесного тела, что позволит приблизиться к пониманию происхождения марсианских спутников и, возможно, происхождения спутниковых систем у других планет;

определение детальных параметров орбитального и собственного вращения Фобоса, что важно для изучения внутреннего строения этого малого тела и эволюции его орбиты;

исследования физических условий среды вблизи Марса – электрических и магнитных полей, характеристик взаимодействия солнечного ветра с плазменным окружением Марса, в том числе регистрация «убегающих» из атмосферы Марса ионов кислорода, что позволит расширить представления об истории воды на Марсе; исследования вариаций атмосферы Марса.

Космический аппарат «ФОБОС-ГРУНТ»

Космический аппарат для экспедиции разработан в Научно-производственном объединении им. С.А. Лавочкина, головной организации отечественной космической промышленности, специализирующейся на создании автоматических космических аппаратов, создавшей все Советские лунные и межпланетные аппараты.

Космический аппарат «Фобос-Грунт» состоит из перелетно-орбитального модуля, маршевой двигательной установки, тормозной двигательной установки и возвращаемого аппарата, несущего спускаемый (на Землю) аппарат.

В состав космического комплекса включен также китайский малый спутник Марса YH-1 [Chi Wang, Hua Zhao, 2008]. Этот аппарат будет запущен совместно с КА «Фобос-Грунт» и доставлен на эллиптическую орбиту Марса, после чего будет отделен от основного аппарата и начнет выполнять программу научных исследований Марса и околомарсианского пространства, разработанную китайскими учеными.

Важное значение при создании межпланетных космических аппаратов является обеспечение требований КОСПАР по планетной защите [Rummel J. D., et al., 2002  ]. При создании космического аппарата «Фобос-Грунт» этому вопросу было уделено особое внимание, так как этот проект в соответствии с требованиями КОСПАР относится одновременно к двум категориям межпланетных экспедиций: космический  аппарат на орбите Марса и миссия с доставкой на Землю образцов внеземного вещества. Подробное обсуждение этого вопроса было представлено в работе [Pichkhadze et.al., 2008]

Сценарий экспедиции

Баллистико-навигационное обеспечение проекта «Фобос-Грунт» было разработано в НПО им. С.А. Лавочкина и Институте прикладной математики Российской академии наук под руководством чл.-корр. РАН Э.Л. Акима [Аким и др., 2004].

Сценарий экспедиции можно разбить на несколько этапов. Первый этап – запуск космического аппарата (КА), вывод его на околоземную орбиту и модификация этой орбиты для оптимизации работы бортовых систем и условий выведения КА на отлетную траекторию к Марсу. Планируется, что запуск производится с космодрома Байконур ракетой-носителем «Зенит» в октябре 2009 года. Перелет Земля-Марс начинается после вывода КА на отлетную траекторию и завершается подлетом к Марсу на минимальное расстояние. Длительность этого этапа – 10,0-11,5 месяцев.

Подлет к Марсу происходит по пролетной параболической траектории с высотой перицентра около 700 км. Благоприятной для экспедиции особенностью полета к Марсу в 2009 году является то, что плоскость подлетной траектории и начальной орбиты может быть близка к плоскости марсианского экватора. Тормозной импульс при подлете КА по пролетной параболической траектории к Марсу выводит КА на первую эллиптическую орбиту вокруг Марса.  Параметры этой орбиты: высота перицентра ~700 км, апоцентра около 77000 км, период обращения – 3 суток. Следующий этап экспедиции – формирование орбиты космического аппарата для сближения с Фобосом. Этот этап с помощью трех импульсной схемы  был уже отработан в предыдущей экспедиции к Фобосу. В соответствии с этой схемой второй импульс, который выполняется в апоцентре, увеличивает перицентр КА до высоты несколько превышающую высоту орбиты Фобоса. Третий импульс в перицентре формирует круговую орбиту с радиусом приблизительно 9900 км (на ~500 км выше орбиты Фобоса) в плоскости орбиты Фобоса.

Период обращения КА на этой круговой орбите 8,3 часа. Находясь на этой орбите, КА раз в 4 суток будет сближаться с Фобосом на расстояния в несколько сот километров. Работа на этой, так называемой орбите наблюдения, необходима для проведения точных навигационных измерений взаимного движения КА и Фобоса, что требуется для переходя на еще более близкую к Фобосу «квазисинхронную» орбиту. Эта орбита КА имеет равный с орбитой Фобоса период обращения, но отличается от нее по высоте на несколько десятков километров в меньшую и в большую стороны в разных частях орбиты. Двигаясь по такой орбите, КА будет постоянно находиться вблизи Фобоса на расстоянии 50-130 км. Более того, особенность «квазисинхронной» орбиты состоит в том, что в системе координат Фобоса космический аппарат совершает оборот вокруг этого спутника Марса за 7,36 час. (орбитальный период). Работа на этой орбите необходима для уточнения взаимного положения двух тел и изучения места посадки на поверхности Фобоса.

Посадка планируется в экваториальной области Фобоса, с которой невозможно наблюдать за Марсом. Такое решение принято по соображениям требуемой энергетики для работы КА на поверхности Фобоса – посадка на сторону Фобоса, постоянно обращенную к Марсу, как это планировалось ранее, приводит к ограничению энергетики космического аппарат из-за создания теней от Марса. Место посадки выбирается с учетом данных съемок поверхности Фобоса с высоким пространственным разрешением, выполненных космическим аппаратом «Марс Экспресс» [Neukum et.al., ]. Место посадки космического аппарата ограничено координатами от 70N до 210N и от 2140 до 2330W.

Посадки космического аппарата на поверхность Фобоса пожалуй, наиболее критический этап экспедиции. Он сводится к стыковке двух тел, одно из которых пассивное (Фобос). Выполнение операций по стыковке должны выполняться на значительных расстояниях от Земли, при которых наземная поддержка этих операций ограничена (время распространения сигнала в одном направлении – около 20 мин.). Кроме того, Фобос – тело неправильной формы, гравитационное поле которого недостаточно изучено, имеющиеся изображения поверхности, хотя и значительно улучшены благодаря съемкам КА «Марс Экспресс», но все-таки недостаточны для точного определения мести посадки аппарата. Все эти особенности диктуют необходимость автономного, автоматического проведения заключительного этапа сближения с поверхностью Фобоса и посадки. Для выполнения автономной посадки КА будут задействованы несколько приборов: телевизионные камеры для получения изображений предполагаемой зоны посадки с высоким пространственным разрешением и определяющие параметры перемещения КА относительно поверхности; высотомер-вертикант, обеспечивающий измерения дальности до поверхности и определяющий направление нормали к ней; измерители относительной скорости КА. Ввиду малости силы тяготения на Фобосе (ускорение свободного падения на Фобосе ~ 0,7 см/с2, в 1400 раз меньше, чем у поверхности Земли), в момент контакта КА с поверхностью будут включены двигатели малой тяги, обеспечивающие прижим и устойчивость КА на поверхности. 

После посадки КА и предварительных исследований грунта Фобоса научной аппаратурой, находящейся на борту КА, будет произведен забор образцов грунта. С этой целью на борту будет находиться грунтозаборное устройство, которое позволит взять образцы реголита и консолидированные образцы (камешки ~1 см) общим объемом ~100см3. Образцы грунта укладываются в контейнер спускаемого аппарата, который герметически закрывается. После этого возвращаемый аппарат готов к старту с Фобоса.

Время посадки КА на поверхность Фобоса и время старта возвращаемого аппарата с Фобоса определяется множеством факторов, включая условия освещенности КА, радиосвязи с наземных пунктов управления и получения телеметрической информации. Ближайшее после прилета к Марсу стартовое окно для возврата на Землю приходится на август 2011 года. После принятия решения о старте возвращаемого аппарата, срабатывают механические толкатели, обеспечивающие отделение возвращаемого аппарата от перелетно-орбитального модуля (остающегося на поверхности Фобоса) и сообщающие возвращаемому аппарату относительную скорость порядка 1 м/с. После ухода возвращаемого аппарата на безопасной расстояние включается его двигательная установка и возвращаемый аппарат выходит на орбиту вокруг Марса с высотой несколько меньшей высоты орбиты Фобоса. Далее, откорректировав орбиту, удобную для старта к Земле, выполняются операции по переводу возвращаемого аппарата на межпланетную траекторию Марс – Земля. Этот перевод производится по трех импульсной схеме, подобной той, которая использовалась для перевода КА с межпланетной траектории на круговую орбиту вокруг Марса, но в обратной последовательности. Время перелета Марс – Земля составляет 10,5-11,5 месяцев, при этом подлет к Земле произойдет в период с 15 июня по 20 июля 2012 года.

Траектория полета возвращаемого аппарата должна обеспечить прямой вход его в атмосферу и посадку в заданном районе на поверхности Земли. С этой целью при подлете аппарата будут выполнены несколько коррекций траектории. Перед входом в атмосферу Земли, от возвращаемого аппарата будет отделен спускаемый аппарат. В результате аэродинамического торможения спускаемого аппарата при спуске в атмосфере происходит снижение скорости аппарата с ~11,8 км/с (при входе в атмосферу) до ~35 м/с (посадка на поверхность Земли).  Расчетное место падения спускаемого аппарата зависит от множества факторов, включающих параметры входа в атмосферу, характеристик самой атмосферы в зоне падения (вариации плотности, направление и сила ветра). Разброс места падения представляет собой эллипс с характерными размерами до нескольких десятков километров. Поиск спускаемого аппарата на поверхности Земли осуществляется с помощью наземных средств и радиомаяков на спускаемом аппарате.

Дальнейший путь спускаемого аппарата – выполнение международных требований обеспечения карантина для внеземного вещества и далее капсула с образцами грунта Фобоса попадает в лаборатории для геохимического и биологического анализа. Программа наземных научных исследований доставленных образцов грунта Фобоса разрабатывается под руководством академика РАН Э.М. Галимова в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, головной научной организацией нашей страны по анализу внеземного вещества.

Доставкой образцов грунта с Фобоса на Землю экспедиция не заканчивается. Перелетно-орбитальный модуль, с которого стартует возвращаемый аппарат, останется на поверхности Фобоса для продолжения выполнения научной программы экспедиции. Планируется, что исследования на поверхности Фобоса с помощью комплекса научной аппаратуры будут проводиться в течение года.

Научная программа исследований

На борту перелетно-орбитального модуля установлены приборы для выполнения научной программы экспедиции. Эта программа включает исследования Фобоса и околомарсианского пространства на этапе орбитального движения космического аппарата вокруг Марса (до посадки на Фобос), а также на поверхности Фобоса (после посадки). Эти исследования направлены на уточнение фигуры Фобоса, его массы, плотности, внутреннего строения, гравитационного поля, магнитного поля, морфологии поверхности, т.е. характеристик Фобоса, как небесного тела. Кроме того, целый ряд приборов, установленных на аппарате, будут исследовать реголит Фобоса в области посадки аппарата. Эта область ограничена возможностью манипулятора, позволяющего обеспечить исследования реголита на расстоянии до метра от посадочного аппарата. На манипуляторе будут установлены устройство захвата образцов реголита для доставки их к аналитическим приборам на корпусе аппарата. Это дает возможность исследовать образцы грунта в нескольких местах в области посадки аппарата. Кроме того, исследования in situ в сочетании с наиболее сложной частью экспедиции – доставкой на Землю образцов грунта Фобоса, необходимы, для увеличения надежности выполнения всей экспедиции. Исследования внутренней структуры Фобоса быде проводится с помощью длинноволнового радара, а также сейсмическими методами. Сейсмические сигналы на Фобосе могут возникать в результате приливных воздействий, газопылевых и микрометеорных потоков. Несколько приборов направлены на изучение свойств околомарсианского пространства – взаимодействия солнечного ветра с плазменным окружением Марса, регистрацию микрометеоритов. Состав научной аппаратуры содержит несколько оптических приборов для получения панорамных и стереоизображений поверхности Фобоса в месте посадки. Одна из ТВ-камер предназначена в основном для решения служебной задачи, связанной с навигацией и управлением космическим аппаратом при его сближении и посадке на поверхность Фобоса. Управление комплексом научной аппаратуры осуществляется с помощью специального компьютера, реализующего различные программы работы бортовых приборов, сбор и формирование информационных блоков с научными данными для передачи их на Землю.

Состав бортовых научных приборов космического аппарат «Фобос-Грунт» позволяет решить многие научные проблемы.

Кроме научных исследований по программе проекта «Фобос-Грунт», планируется также выполнение совместных экспериментов, выполняемые научными приборами, установленными на КА «Фобос-Грунт» и на китайском малом спутнике Марса YH-1. Программа этих исследований использует уникальную возможность одновременной работы двух спутников Марса. По этой программе предполагаются одновременные измерения параметров околомарсианской плазмы на двух космических аппаратах (Lei Li et.al., 2008, Hua Zhao and Lei Li, 2008). Такие «двухточечные» измерения будут выполнены впервые и дают уникальную возможность разделить пространственные и временные эффекты в динамике околомарсианской плазмы. Кроме того, предполагается выполнение совместного российско-китайского эксперимента, зондирующего марсианскую ионосферу радиосигналами на двух частотах (Hua Zhao et.al., 2008). Такие исследования позволят получить данные о структуре и плотности марсианской ионосферы при различных условиях освещенности (суточная зависимость).

Кроме того, в состав спускаемого аппарата проекта Ф-Г включены несколько капсул с образцами различных биокультур. Этот эксперимент, БИОФОБОС, предназначен для проведения исследований с покоящимися формами биологических объектов, принадлежащих к различным таксономическим группам, в условиях длительного межпланетного перелета для решения вопросов планетарного карантина, астробиологии (проблема панспермии),  результаты этого эксперимента могут быть использованы при решении медико-биологических проблем пилотируемой космонавтики.

Научная программа, выполняемая на борту космического аппарата «Фобос-Грунт» готовится под руководством научного руководителя экспедиции академика РАН Л.М. Зеленого в Институте космических исследований (ИКИ) РАН с участием Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (ГЕОХИ) РАН, Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова (ИРЭ) РАН и ряда других научных организаций. В подготовке научной аппаратуры принимают участие большое число научных и промышленных организации нашей страны, а также научных групп Германии, Италии, Китая, Франции, Украины, Швеции, Швейцарии. Кроме того, среди участников проекта ученые многих стран Европы, США, Китая.

Литература

    Авдуевский В.С., Э.Л. Аким, М.Я. Маров, С.Д. Куликов, Р.С. Кремнев, К.М. Пичхадзе, Г.А. Попов,  Т.М. Энеев.  Космический проект "Фобос-Грунт": Основные характеристики и стратегия развития. Космонавтика и ракетостроение, N 2, 2000 .

    Аким Э.Л., Г.С. Заславский, И.М. Морской, В.А. Степанянц, А.Г. Тучин. Баллистика, навигация и управление полетом космического аппарата «Фобос Грунт», Известия РАН №5, 2002.

    Аким Э.Л., Г. С. Заславский, И. М. Морской, Е. Г. Рузский, В. А. Степаньянц, А. Г. Тучин, Доставка на Землю реликтового вещества с Фобоса – проект «Фобос-Грунт»: баллистика, навигация и управление полетом, Астрономический Вестник, том 44, № 1, стр. 29-40, 2010

    Галимов Э.М. Научное обоснование проекта доставки грунта с Фобоса, Астрономический Вестник, том 44, № 1, стр. 7-16, 2010

    Маров М. Я., Космический проект «Фобос-Грунт»: новый этап российской планетной программы, Астрономический Вестник, том 44, № 1, стр. 3-6, 2010

    Acuna M.H., J. E. P. Connerney, P. Wasilewski, R. P. Lin, K. A. Anderson, C. W. Carlson, J. M. McFadden, D. W. Curtis, D. Mitchell, H. Rème, C. Mazelle, J. A. Savaud, C. d'Uston, A. Cros, J. L. Medale, S. J. Bauer, P. Cloutier, M. Mayhew, D. Winterhalter, N. F. Ness, "Magnetic Field and Plasma Observations at Mars: Initial Results of the Mars Global Surveyor Mission", Science, 279, 1676-1680, 1998.

    Avanesov G.A., B.I.Bonev, F.,Kempe, A.T.Basilevsky, V.Boycheva, K.N.Chikov, M.Danz, D.Dimitrov, T.Duxbury, P.Gromatikov, D.Halmann, J.Heas, V.N.Heifets, V.Kolev, V.I.Kostenko, V.A.Kottsov, V.M.Krasavtsev, V.A.Krasikov, A.Krumov, A.A.Kuzmin, K.D.Losev, K.Lumme, D.N.Mishev, D.Mohlmann, K.Muinonen, V.M.Murav`ev, S.Murchie, B.Murrey, W.Neumann, L.Paul, D.Petkov, I.Petuchova, W.Rossel, B.Rebel, Yu.G.Shkuratov, S.Simeonov, B.Smith, A.Tochev, Yu.Uzunov, V.P.Fedotov, G.-G.Weide, H.Zapfe, B.S.Zhukov, Ya.L.Ziman, Teleevision observations of Phobos, Nature Vol.341, No.6243, pp.585-587, 1989.

    Avduevsky V.S., E.L. Akim, М.Ya. Marov, G.B. Efimov, T.M. Eneev, S.D. Kulikov, O.V. Papkov, M.S. Konstantinov, G.A. Popov. Missions to Phobos and other minor bodies with space vehicle  of new generation. Bulletin of the American Astronomical Society, 1999, v. 31, No. 4.

    Bogdanov A.V., Mars satellite Deimos interaction with the solar wind and its influence on flow around Mars, Journal of Geophysical Research, Vol.86,No.A8,pp.6926-6932, 1981

    Chi Wang, Hua Zhao, Introduction to YH-1, the First Chinese Mars Orbiter, 37^th COSPAR scientific assembly, 2008.

    Galeev A.A., V.I. Moroz, V.M.Linkin, A.V.Zakharov, A.T.Basilevsky, Yu.A.Surkov, E.L.Akim, T.Duxbury, R.S.Kremnev, B.N.Martynov, O.V.Papkov, Phobos Sample Return Mission, Adv.Space Res., Vol.17, No.12, pp.(12)31-(12)47, 1996.

    Dubinin, E. M., R. Lundin, N. F. Pissarenko, S. V. Barabash, A. V. Zakharov, H. Koskinen, K. Schwingenshuh, and Ye. G. Yeroshenko, Indirect evidences for a gas/dust torus along the Phobos orbit, Geophys. Res. Lett., 17(6), 861–864, 1990.

    Duxbury T., A.Albee, W.Ballhaus, C.Elachi, A.Zakharov, Joint Russian-U.S. Phobos Sample Return Mission, Discovery program Workshop, JPL D-10138, 1992,

    Hua Zhao, Lei Li, Magnetic Field Experiment on Yinghuo-1 at Mars, 37^th COSPAR Scientific Assembly, 2008.           

    Hua Zhao, Yue-qiang Sun, Ji Wu, Sat-sat Radio Occultation Experiment between Yinghuo-1 and Phobos-Grunt at Mars,     37^th COSPAR Scientific Assembly, 2008.

    Krivov A.V. and D.P. Hamilton, Martian Dust Belts: Waiting for Discovery. Icarus, Vol. 128, pp. 335–353, 1997.

    Ksanfomality L.V. and V.I. Moroz (1995), Spectral Reflectivity of Phobos` regolith within the range 315-600 nm, Icarus, 117, 383-401.

    Lei Li, Chi Wang, Hua Zhao, Guangwu Zhu, Shijin Wang, Aibin Zhang, Yue-qiang Sun, Stas Barabash, Plasma and Planetary Ion Analysis Experiment on YH-1, 37^th COSPAR Scientific Assembly, 2008.

    Lundin R., A.V. Zakharov, R. Pellinen et al. (1989), First measurements of the ionospheric plasma escape from mars, Nature, 341, 609-612.

    M.Ya. Marov, V.S. Avduevsky, E.L. Akim, T.M. Eneev, S.D. Kulikov, R.Z. Kremnev, K.M. Pichkhadze, G.A. Popov, G.N. Rogovsky. “Phobos-Grunt”: Russian sample return mission, Advance Space Research, 33, 2276 -2280, 2004,

    Nagy A.F., D. Winterhalter, K. Sauer, et al. (2004), The Plasma Environment of Mars, Space Science Reviews, 111, 33-114, in: Mars` Magnetism and Interaction with the Solar Wind (2004), ed. by D. Winterhalter, M. Acuna, A. Zakharov. 

    Neukum G., G.Michael, A.Dumke, T.Roatsch, H.Hoffmann, T.V.Shingareva, E.L.Akim, A.G.Tuchin, V.P.Fedotov, E.G.Ruzsky, A.V.Zakharov, T.C.Duxbury,, New MEX HRSC / SRC images of Phobos and the Fobos-Grunt landing sites, 48th Vernadsky-Brown Microsymposium on Comparative Planetology, Abstract m_48_05, 2008.

    Pichkhadze K.M., M.B.Martynov, S.N.Alexashkin, N.M.Khamidullina, O.I.Orlov, N.D.Novikova, E.A.Deshevaya, The program pf “Phobos-Grunt” mission planetary protection, 37^th COSPAR Scientific Assembly, 2008.

    Rummel, J. D., et al.  Report of the COSPAR/IAU Workshop on Planetary Protection, COSPAR, Paris, France, 2002.

    Sauer K., E. Dubinin, K. Baumgärtel, and A. Bogdanov, Deimos: An Obstacle to the Solar Wind, Science Vol. 269. no. 5227, pp. 1075 – 1078, 1995.

    Sagdeev R.Z., A.V. Zakharov (1992), Brief history of the Phobos mission, Nature, vol. 341, 6243, 581-585.

    Vaisberg O.L., (1992), The solar wind interaction with Mars: A review of results from early soviet missions to Mars, in Geophysical Monograph 66, Venus and Mars: Atmospheres, Ionospheres, and Solar Wind Interactions, ed. by J.G. Luhmann, M. Tatrallyay, R.O. Pepin, 311-327.

    Zakharov A.V. (1992), The plasma environment of Mars: Phobos mission results, in Geophysical Monograph 66, Venus and Mars: Atmospheres, Ionospheres, and Solar Wind Interactions, ed. by J.G. Luhmann, M. Tatrallyay, R.O. Pepin, 327-344.

    Zakharov A.V., A.A.Sukhanov, A Variant of the Phobos Sample Return Mission Scenario, Space Forum, Vol.4, pp.293-306б 1999.

    Zakharov A.V., Phobos sample return mission (Intention for future), “Planetary System: The long view”, ed. by L.M.Celnikier, J.Tran Thanh Van, 9^th Rencontres de Boils, 1998.

Подробнее