У марсианских миссий могут возникнуть проблемы с передачей данных в 2020-е годы

На днях успешно начался полёт к Марсу миссии InSight. Однако уже в следующем десятилетии могут возникнуть проблемы с передачей данных между Марсом и Землёй. Дело в том, что нынешние искусственные спутники Марса, запущенные NASA, постепенно стареют, а работа по созданию нового орбитального аппарата пока не ведётся. Портал SpaceFlight Insider попытался разобраться в том, как можно будет сохранить связь с аппаратами на поверхности Марса в 2020-е годы.

Нужно отметить, что отправка и получение данных с поверхности Марса – непростая инженерная задача, поскольку нужно учитывать ряд ограничивающих факторов, таких как вращение планеты вокруг оси, количество аппаратов на орбите и поверхности планеты, а также малую мощность сигналов, передаваемых с поверхности. Всё это усложняет постоянную скоростную связь между поверхностью Марса и Землёй. Для обеспечения постоянного и надёжного потока данных между космическими аппаратами и центром управления на Земле с начала 2000-х годов используются спутники-ретрансляторы.

Спутник-ветеран Mars Global Surveyor (MGS) и его «напарник» Mars Odyssey первыми начали применяться в роли ретрансляторов сигнала в современную эпоху исследований Марса. Они служили в этой роли для марсоходов-двойников Spirit и Opportunity вплоть до прибытия аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) в 2006 году.

Mars Global Surveyor был переведён в безопасный режим в ноябре 2006 года, и вскоре после этого, в январе 2007 года, NASA объявило, что потеряло контакт со стареющим орбитером. MRO, которому уже 12 лет, и 17-летний Odyssey с тех пор служат основными ретрансляторами для аппаратов, работающих на поверхности Марса.

Оказалось, что искусственные спутники Марса незаменимы в роли ретрансляторов радиосигнала. Их применение позволило сократить полную массу посадочных аппаратов, поскольку отпала необходимость ставить на них мощные, но тяжёлые радиопередатчики. Команды, управляющие той или иной миссией, теперь планируют более плотные графики научных исследований для своих посадочных аппаратов и марсоходов, поскольку сократилось время, затрачиваемое на отправку и приём данных, ведь теперь сеансы связи проводятся в короткие «окна», когда сверху пролетает спутник.

Учёные, занятые в той или иной миссии, также выиграли от этого, ведь теперь с поверхности планеты можно передать более значительные объёмы научных данных, так как аппараты тратят меньше времени на сеансы связи и, соответственно, больше на научную работу.

Где найти замену?

До конца 2016 года выдвигались предложения создать телекоммуникационный и научный спутник Марса для замены стареющих орбитеров, который можно будет запустить во время пускового окна 2022 года. Предложения по созданию Next Mars Orbiter (NeMO) имели несколько общих решений. В качестве основной двигательной установки предлагался ионный двигатель на солнечных батареях, а в качестве устройства связи – лазер оптического диапазона.

Ионный двигатель должен был послужить демонстратором новой технологии в условиях марсианской орбиты, а также использоваться для доставки на Землю возвращаемого аппарата с образцами марсианского грунта. Научные же инструменты для нового спутника можно было бы создать на основе уже отработанных технологий, используемых в MRO. Новый спутник мог бы делать снимки с таким же высоким разрешением и проводить удалённый мониторинг поверхности Марса с такой же чувствительностью, как и его предшественники, что обеспечило бы непрерывный поток научных данных с орбиты Марса.

Тем не менее, финансирование NeMO было прекращено, а средства перенаправлены на разработку миссии по доставке образцов марсианского грунта (Mars Sample Return). Для сохранения интересных образцов должен использоваться марсоход, который полетит в 2020 году. Данный проект теперь является приоритетным для марсианской программы NASA на 2020-е годы. Стареющие спутники-ретрансляторы при аккуратном использовании их оставшегося ресурса ещё могут послужить и в следующие десять лет.

Научный координатор проекта MRO д-р Ричард Зурек (Richard Zurek) оптимистично настроен насчёт работы нынешних спутников-ретрансляторов в 2020-е годы.

«Высказываются опасения, что наши спутники стареют, однако мы уже ищем им замену, — говорит д-р Зурек. — В будущем мы сможем ещё использовать MRO. На Odyssey мы не можем рассчитывать в долгосрочной перспективе, однако рассматриваем возможность перевода зонда MAVEN на более удобную для ретрансляции сигнала орбиту в будущем».

Будущие варианты

Mars Odyssey уже давно пережил свой расчётный срок существования, ведь его основная программа исследований завершилась ещё в августе 2004 года. Несмотря на то, что время от времени спутник переводится в безопасный режим для защиты бортовых систем, в 2012 году вышел из строя один из его трёх основных гиродинов (устройство инерционной системы ориентации космического аппарата) – на сегодняшний день это самая значительная неполадка этого аппарата. Из-за неё пришлось вводить в действие четвёртый, запасной гиродин, и с тех пор больше проблем не возникало. В агентстве заявляют, что, если только не случится какая-нибудь ещё крупная неполадка, Odyssey сможет продолжать работать до 2025 года, так как запаса топлива хватит именно до этого срока.

Если Odyssey прекратит работу раньше других марсианских спутников, для передачи данных как нынешних, так и будущих миссий на поверхности планеты будет использоваться MRO. Д-р Зурек заверяет, что топлива ему хватит как минимум до 2027 года. Впрочем, не исключено, что в дальнейшем будут выведены дополнительные спутники, которые смогут заменить этот спутник в случае необходимости.

Несмотря на то, что наклон их орбит неоптимален для передачи данных, спутники ExoMars Trace Gas Orbiter и Mars Atmospheric and Volatile Evolution Mission (MAVEN) также могут ограниченно применяться в случае необходимости. Оба аппарата несут на борту УКВ-передатчики Electra, похожие на те, что стоят на MRO, что позволяет им «общаться» с аппаратами, работающими на поверхности. Ещё в 2014 было проведено испытание ретрансляционного оборудования MAVEN, когда этот спутник успешно передал 550 гигабит данных (более чем полтерабайта) с марсохода Curiosity за один пролёт над ним.

Сегодня уже существуют планы корректировки орбит ExoMars и MAVEN после завершения их основной программы исследований, чтобы их было удобнее использовать в качестве ретрансляторов данных с поверхности планеты. К сожалению, они не имеют достаточного запаса топлива для корректировки наклона орбиты, поэтому регулярность передачи ими данных будет меньше, чем у Odyssey и MRO.

Сегодня разрабатываются технологии для передачи данных в будущем. Во время миссии InSight впервые будут опробованы в действии кубсаты как средство передачи данных во время входа спускаемого аппарата в атмосферу, снижения и посадки. Будет передана крайне важная телеметрия, которая даст инженерам сведения о состоянии аппарата. Однако мини-спутники имеют ограниченную применимость, поскольку они не способны нести большой запас топлива и навигационного оборудования для поддержания ориентации.

Команда MRO уже сегодня разрабатывает план управления навигационным оборудованием, использования энергетических топливных ресурсов своего аппарата. Так, в марте этого года спутник получил команду полностью перейти на ориентацию по звёздам, а инерционные измерительные устройства будут использоваться только для крупных корректировок орбиты.

Орбита MRO теперь корректируется с таким расчётом, чтобы спутник меньше времени находился в тени Марса, что обеспечивает лучшую зарядку его батарей. По словам д-ра Зурека, MRO не требуется много энергии для ретрансляции данных. Главное – сохранить батареи в хорошем состоянии как можно дольше.

Таким образом, при разумном использовании электроэнергии и навигационных систем остаётся лишь аккуратно расходовать топливо. На сегодняшний день на борту орбитера остаётся почти 200 кг топлива, которое используется для коррекции орбиты. Его должно хватить как минимум до 2027 года.

Скорее всего, именно MRO будет использоваться как основной ретранслятор на протяжении 2020-х годов. В то же время новый орбитер будет фигурировать в будущих запросах финансирования NASA. Однако, если средства на него не выделят в ближайшие годы, новый марсианский спутник-ретранслятор сможет вступить в строй на ранее конца следующего десятилетия.