Аппараты-близнецы Spirit и Opportunity стали первыми крупными исследовательскими марсоходами. Их удалось построить и запустить в рекордный трехлетний срок. Ради этого инженеры пошли на многие ухищрения: вместо посадочной ракетной ступени у аппаратов была надувная пирамидка в качестве подушки безопасности, а чтобы марсоход в нее поместился, мачты, колеса и солнечные панели сделали складными. Чем был интересен Spirit, севший на Марс 20 лет назад, — в материале «Газеты.Ru».

Поиски жизни на Марсе и разочарование

Проект Mars Exploration Rover (MER), подразумевающий запуск двух марсоходов-близнецов Spirit и Opportunity, утвердили в 2000 году. Обязательным условием была готовность к 2003 году. Тогда открывалось лучшее за два десятилетия стартовое окно: Марс и Земля находились в идеальном орбитальном положении, что позволило отправить более тяжелый аппарат на ракете среднего класса Delta II. Обычно создание исследовательских космических аппаратов занимает намного больше трех лет, но в этот раз решение о запуске принималось почти аврально и было вызвано неожиданным событием.

К концу XX века одержимость исследованиями Марса в мире иссякла. В 1960-х главный вопрос для планетологов звучал так: «есть ли жизнь на Марсе?». За право выяснить это боролись СССР и США. Советский аппарат миссии «Марс-3» сел на Красную планету первым, но вышел из строя спустя полторы минуты, не успев передать данные. Поэтому первым функционирующим исследовательским аппаратом на Марсе в 1976 году стал американский «Викинг-1». Его миссия (вместе с «Викинг-2») подтвердила то, чего боялись ученые, глядя на снимки с орбиты.

Марс оказался безжизненной холодной пустыней. Если на нем и есть живые организмы, то они похожи на микробов и тщательно спрятаны. Из-за разочарования полеты к Марсу почти прекратились на 20 лет, а посадочных миссий не было вовсе (российская «Марс-96» не удалась из-за аварии ракеты). Безжизненные планеты, безусловно, тоже интересны ученым, но программа «Викинг» обошлась американскому бюджету в $1 млрд по курсу начала 1970-х. Это более 5 млрд современных долларов, что эквивалентно стоимости 2/3 атомного авианосца, двух марсоходов Perserverance, пяти миссий по исследованию Юпитера (аппарат Juno) и половины телескопа James Webb.

С тех пор на Марс решили запускать только «лоукостеры», одним из которых стал миниатюрный и похожий на игрушку марсоход Sojourner. Несмотря на малый размер, в 1997 году ему удалось найти камень Йоги: валун, форма и расположение которого указывали на то, что он принесен потоками воды. Так у ученых появились твердые доказательства, что в древности Марс был куда более пригоден для жизни, что вдохновило новую волну интереса к этой планете. Осмысление этого открытия потребовало времени, поэтому NASA утвердило проект MER лишь спустя три года после получения фотографий Йоги. Разработку поручили Лаборатории реактивного движения.

Два близнеца

За неполные три года разработать с нуля сложный аппарат невозможно, и потому было принято решение использовать как можно больше готовых элементов от предыдущих миссий.

В первую очередь разработчики NASA позаимствовали у Sojourner систему посадки. Традиционно и на Луну, и на Марс садились с помощью ракетных двигателей, которые обеспечивали мягкое «приземление». Если в миссии был луноход, то он находился наверху посадочной платформы и съезжал с нее по аппарели. Такие системы крайне сложны в разработке, поскольку требуют экстремальной надежности. Необходимо, чтобы автоматика точно подбирала импульсы двигателя исходя из высоты, скорости и массы остатка топлива.

При посадке из строя вышли шесть советских лунных аппаратов (успешных было восемь). В 1999 году разбился американский Mars Polar Lander. Как показал анализ, неправильная работа электроники заставила расположенный на опоре датчик касания грунта сработать на высоте 40 метров, после чего двигатели мгновенно отключились. Даже при идеальной работе всех систем платформа может перевернуться просто потому, что одна из опор попала на валун или в яму. Наконец, посадочный модуль с ракетным двигателем обладает немалым весом, вместо которого выгодно разместить полезную нагрузку.

Поэтому оба аппарата MER — Spirit и Opportunity — садились на надувные подушки, которые, по сути, были увеличенной копией подушек Sojourner. После того как спускаемый аппарат отделялся от перелетного модуля, он входил в атмосферу, где теплозащитный экран принимал на себя основной удар и слегка замедлял зонд. На скорости 1800 км/ч раскрывался парашют, при замедлении до 350 км/ч сбрасывалась теплозащита, и из капсулы свешивалась пирамидка с марсоходом внутри.

На заданной высоте на каждой из четырех ее сторон надувались по шесть больших подушек. «Укутанный» в них аппарат на Земле можно было бы безопасно сбросить с пятого этажа, но на Марсе гравитация втрое ниже. Одновременно начинали работать тормозные ракеты на верхней части капсулы, к которой подвешена пирамидка. Ракеты снижали скорость спуска почти до нуля, после чего на высоте 20-50 метров автоматика перерубала тросы и сбрасывала пирамидку вместе с марсоходом. Надувная конструкция ведет себя как мяч, потому посадочная платформа несколько десятков раз отскакивала от поверхности. Весь спуск занимал около шести минут.

После того как датчики подтвердили, что прыжки закончились, пирамидка раскрывалась. Если бы платформа упала вверх ногами, раскрывающиеся створки повернули бы ее вертикально. В полете марсоход находился в сложенном состоянии: были убраны колеса, мачта, солнечные панели и антенны. После раскрытия платформы ровер раскладывался, запускал все системы и переходил на питание от солнечных батарей.

Марсианские долгожители

Аппарат Spirit совершил посадку 4 января 2004 года в экваториальном районе Марса неподалеку от кратера Гусев, в котором с орбиты разглядели следы воды. Его «близнец» Opportunity сел 10 января у крошечного кратера Игл на противоположном конце планеты. Началась исследовательская программа, которая по плану должна была продлиться 90 дней.

Общий дизайн марсоходов унаследовал многочисленные концепты, созданные в Лаборатории реактивного движения в предыдущие годы. Spitit и Opportinity имели вес 185 кг, а размеры их достигали 1,6 х 2,3 х 1,5 метра. Приметными особенностями были вынесенные на мачту навигационные камеры, похожие на сложенные крылья, солнечные панели и робо-рука.

Именно на робо-руке размещена самая ценная научная нагрузка, частично позаимствованная у ровера отмененной миссии Mars Surveyor 2001.

Там четыре прибора: микроскоп с цифровой камерой для определения структуры минералов, мёссбауэровский гамма-спектрометр для детального анализа состава железосодержащих пород, рентгеновский спектрометр альфа-частиц для определения химического состава грунта и «инструмент истирания камней» — шлифовально-щеточная установка для очистки камней от наслоений пыли. Также на борту аппарата была размещена магнитная решетка для сбора магнитной пыли.

Аппараты MER значительно перевыполнили план работы: Spirit проработал 2695 дней, а Opportunity — 5498, он поддерживал связь до 2018 года. Первый замерз во время слишком холодной зимы, у второго же солнечные панели покрылись слишком толстым слоем пыли. За это время им не удалось сделать революционных открытий, подобных обнаружению органических молекул марсоходом Curiosity или детектированию марсотрясений аппаратом InSight, но ученые получили много ценной информации о прошлом Марса для составления полной картины его истории. Так, Opportunity обнаружил минерал гематит, который обычно образуется лишь в воде, а Spirit — породы, очень богатые карбонатами магния и железа, что также указывает на влажную, теплую и pH-нейтральную среду. Наконец, удалось обнаружить 90-процентный кремнезем, который на Земле обычно присутствует в горячих источниках, сыгравших решающую роль в зарождении жизни.

Ученых также постигло большое разочарование: в кратере Гусев не удалось обнаружить доказательств существования древнего озера, поскольку он покрыт толстым слоем обломочных пород. Обнаружить настоящий древний водоем, русла рек и следы селей удастся лишь марсоходу Curiosity (запущен в 2012 году) и, в куда большем масштабе, Perserverance (запущен в 2020-м). Последний в данный момент собирает образцы горных пород и складывает их в контейнер, который через нескольких лет заберет с Марса автоматическая ракета.