На шляху да Меркурыя

Міжпланетная місія BepiColombo: беларускі след

Мільёны зямлян з захапленнем сачылі за тым, як у ноч з 19 на 20 кастрычніка з касмадрома ў Французскай Гвіяне стартавала місія BepiColombo — сумесны праект Еўрапейскага касмічнага агенцтва і Японскага агенцтва аэракасмічных даследаванняў па вывучэнні Меркурыя. Адметна, што ў доўгі шлях даўжынёй мільярды кіламетраў адправілася і беларуская распрацоўка. Вучоныя Навукова-практычнага цэнтра НАН Беларусі па матэрыялазнаўстве здолелі вырашыць важную праблему электрамагнітнай сумяшчальнасці прыбораў на борце касмічнага апарата. Яны прапанавалі сапраўды ўнікальнае рашэнне і на вытворчых плошчах НПЦ вырабілі шматслойныя электрамагнітныя экраны, якія забяспечаць надзейную работу даследчага абсталявання.

Фота да матэрыялу: На шляху да Меркурыя.

У жарало вогненнай печы

Менавіта так ахарактаразавалі місію BepiColombo яе ідэолагі і распрацоўшчыкі. Меркурый — найбліжэйшая да Сонца планета (адлегласць да зоркі — крыху менш за 58 млн км). Тэмпература на паверхні Меркурыя днём дасягае +430°C. Аднак разрэджаная экзасфера не дазваляе ўтрымліваць цяпло на працягу доўгай меркурыянскай ночы, таму на начным баку паверхня астывае да –180°C. І ў гэтых умовах апаратура павінна працаваць, рабіць неабходныя замеры, здымкі і перадаваць інфармацыю на Зямлю.

Палёт насустрач Сонцу таксама надзвычай складаны. Каб дабрацца да Меркурыя, касмічнаму караблю давядзецца выдаткаваць столькі ж энергіі, колькі пры палёце да Плутона (хоць адлегласць ад Зямлі да ледзянога карліка ў 50 тысяч разоў большая). Акрамя таго, што трэба пераадолець моцнае негатыўнае ўздзеянне сонечнага цяпла і радыяцыі, карабель павінен выйсці на стабільную меркурыянскую арбіту, а гэта складаная матэматычная і інжынерная задача па прычыне моцнага гравітацыйнага ўздзеяння Сонца і малой (трэць ад зямной) гравітацыі Меркурыя.

Нездарма місія BepiColombo некалькі разоў адкладвалася. Анансаваўшы яе ў 2000 годзе, Еўрапейскае касмічнае агенцтва разлічвала, што старт адбудзецца ў 2009-м. Пры падпісанні кантракта на будаўніцтва еўрапейскага навуковага модуля місіі ў 2008 годзе лічылася, што старт можа адбыцца ў 2013 годзе. Пазней казалі пра 2017 год. І вось, нарэшце, вялікі навуковы праект стартаваў.

Фота да матэрыялу: На шляху да Меркурыя.

Навошта гэта патрэбна зямлянам?

Сёння Меркурый — адна з найменш вывучаных планет Сонечнай сістэмы. Яго даследаванне прыцягвае вучоных тым, што ён, як Венера і Марс, уваходзіць у групу планет зямнога тыпу. І яго важна вывучаць, каб зразумець, як маглі б развівацца (ці будуць развівацца) розныя прыродныя працэсы на Зямлі.

Дзякуючы місіі BepiColombo, навукоўцы разлічваюць атрымаць унікальныя звесткі пра склад паверхні і ўнутраную будову Меркурыя, навакольную прастору, у тым ліку бок, не бачны з Зямлі, а таксама геалагічную гісторыю развіцця планеты, паходжанне магнітнага поля і яго ўзаемадзеянне з сонечным ветрам. Атрыманыя веды дапамогуць адказаць на пытанні, як утварыўся Меркурый і чаму ён так моцна адрозніваецца ад іншых планет зямной групы. Напрыклад, большую частку ўнутранага аб’ёму гэтай планеты (каля 55%) займае жалезна-нікелевае ядро (ядро Зямлі складае толькі 17% ад яе аб’ёму). Сабраныя звесткі таксама будуць выкарыстаны для праверкі агульнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна.

Папярэднія місіі

BepiColombo — ужо трэцяя місія да Меркурыя ў гісторыі чалавецтва. Дагэтуль туды адпраўляліся дзве станцыі NASA: Mariner-10 у 1974 годзе (тры пралёты каля планеты) і Messenger, які ў сакавіку 2011 года выйшаў на арбіту Меркурыя і стаў яго першым штучным спадарожнікам.

Mariner-10 проста тройчы праляцеў побач, бо на той час было вельмі складана выйсці на меркурыянскую арбіту, зачапіцца за яе. Максімальнае збліжэнне склала 320 км. У выніку былі атрыманы каштоўныя звесткі пра дзённую і начную тэмпературу, экзасферу, паверхню планеты і наяўнасць моцнага магнітнага поля. Mariner-10 перадаў на Зямлю некалькі тысяч здымкаў, якія пакрываюць прыкладна 45% паверхні Меркурыя.

Другой стала місія NASA пад назвай Messenger, яна стартавала ў жніўні 2004 года. Вясной 2011 года, здзейсніўшы шэраг гравітацыйных манеўраў паблізу Зямлі і Венеры, апарат выйшаў на арбіту Меркурыя. Вынікам работы сталі 270 тысяч фотаздымкаў планеты і 10 тэрабайтаў іншай навуковай інфармацыі. Адно з самых выдатных адкрыццяў, якія перадаў Messenger, — наяўнасць вадзянога лёду ўнутры схаваных ад сонечнага святла кратараў. І гэта на планеце, дзе ад высокай тэмпературы плавіцца свінец!

У 2015 годзе Messenger упаў на паверхню Меркурыя, утварыўшы, як мяркуецца, 15-метровы кратар.

Дзякуючы звесткам, сабраным за час дзвюх першых місій, навукоўцам удалося высветліць, што Меркурый — адзіная планета з зямной групы (за выключэннем самой Зямлі), якая валодае магнітным полем. Аднак вызначыць паходжанне вадзянога лёду і магнітнага поля пакуль не ўдалося.

У гонар італьянскага астрафізіка

Праект атрымаў назву ў гонар італьянскага матэматыка і інжынера, прафесара Падуанскага ўніверсітэта Джузэпэ Каломба (1920—1984), які ўпершыню распрацаваў тэорыю гравітацыйнага манеўру касмічных апаратаў.

Джузэпэ (ці як яго звалі — Бэпі) Каломба разлічыў аптымальную траекторыю руху да Меркурыя, што ўлічвае гравітацыйныя эфекты ад планет, якія давядзецца абмінуць караблю (Зямля, Венера і, нарэшце, Меркурый). Вучоны вызначыў таксама аптымальнае размяшчэнне планет адносна адна адной, пры якім патрабуецца найменшая колькасць паліва для місіі. Зразумела, чым менш трэба паліва, тым больш карыснага грузу можна змясціць на карабель.

У доўгі шлях!

Адметна, што аптымальны шлях, прапанаваны Джузэпэ Каломба, у дзясяткі разоў большы, чым прамая адлегласць ад Зямлі да Меркурыя. Так, па прамой паміж планетамі (у залежнасці ад іх размяшчэння) “усяго” ад 82 да 217 млн кіламетраў, а караблю давядзецца пераадолець каля 9 млрд кіламетраў.

Нягледзячы на ўяўную блізкасць, дабрацца да Меркурыя няпроста. Моцная сонечная гравітацыя прыцягвае касмічны апарат, істотна павялічваючы яго хуткасць. І каб выйсці на меркурыянскую арбіту, гэтую хуткасць трэба нейкім чынам патушыць.

Сучасныя магчымасці ракетнай тэхнікі не дазваляюць забяспечыць апарат дастатковай колькасцю паліва для належнага тармажэння. Акрамя таго, сіла прыцягнення Меркурыя занадта малая, што выключае магчымасць аэратармажэння, каб скінуць хуткасць. Таму вучоныя разлічылі траекторыю карабля так, каб ён выкарыстоўваў для тармажэння гравітацыю іншых планет.

У выніку, каб выйсці на арбіту Меркурыя, BepiColombo давядзецца здзейсніць 9 гравітацыйных манеўраў: адзін ля Зямлі, два — ля Венеры і 6 — ля Меркурыя. Гэта істотна зацягвае час палёту, аднак робіць місію больш бяспечнай, а мэту — дасягальнай.

Дарэчы, падчас гравітацыйных манеўраў ля Венеры частка прыбораў BepiColombo будзе ўключана, каб даследаваць і гэтую планету.

Такім чынам, карабель будзе ляцець да Меркурыя доўгіх 7 гадоў. Выхад на арбіту павінен адбыцца 5 снежня 2025 года. Доўга, але гэта дае вучоным выйгрыш у колькасці затрачанай энергіі і аб’ёме атрыманых ведаў.

Два даследчыя модулі карабля

BepiColombo складаецца з пералётнага модуля і двух апаратаў. Агульная вага комплекса складае 4,1 тоны, з якіх прыкладна палова — паліва. Пры падлёце да Меркурыя апараты разыдуцца і будуць праводзіць самастойныя даследаванні. Навукоўцы разлічваюць, што яны змогуць працаваць на арбіце Меркурыя як мінімум год.

Апарат Еўрапейскага касмічнага агенцтва — Mercury Planet Orbiter — будзе вывучаць паверхню і ўнутраную будову планеты са слаба выцягнутай палярнай арбіты (400 км на 1 500 км). На яго борце ўстаноўлены 11 вымяральных прыбораў, якія дазволяць стварыць карты мясцовасці, фіксуючы яе рэльеф, даследаваць пароды і сабраць звесткі пра структуру паверхні і тонкую “атмасферу” планеты.

Mercury Magnetospheric Orbiter, распрацаваны Японскім агенцтвам аэракасмічных даследаванняў, прызначаны для вывучэння магнітнага поля і магнітасферы з высокаэліптычнай палярнай арбіты (400 км на 12 000 км). Ён абсталяваны пяццю прыборамі, і менавіта тут выкарыстана ўнікальная беларуская распрацоўка.

Наш след у космасе

Трэба сказаць, што беларускія вучоныя даўно і плённа супрацоўнічаюць з расійскімі спецыялістамі ў галіне касмічных праграм, і нашы распрацоўкі ёсць на розных касмічных апаратах. Але так далёка — ажно на Меркурый — прадукт беларускіх вучоных накіраваўся ўпершыню.

Гэта стала магчымым дзякуючы ўдзелу ў місіі BepiColombo калег з Інстытута касмічных даследаванняў Расійскай акадэміі навук. Менавіта яны, сутыкнуўшыся з невырашальнай праблемай электрамагнітнай сумяшчальнасці прыбораў унутры навуковага комплексу на японскім касмічным апараце, прапанавалі звярнуцца да беларускіх вучоных.

— Аказваецца, на Меркурыі ёсць натрыевыя аблокі, і каб зразумець прыроду гэтай з’явы, была створана натрыевая камера — спектрометр MSASI, — тлумачыць адзін з распрацоўшчыкаў унікальнай беларускай сістэмы Сяргей Грабчыкаў. — Акрамя таго, на японскі апарат устаноўлены высокадакладны магнітометр для вымярэння магнітнага поля планеты Меркурый. І вось калі пачаліся наземныя выпрабаванні, выявілася, што лінейны крокавы рухавік, устаноўлены на спектрометры MSASI, наводзіць перашкоды, і магнітометр не можа нармальна працаваць. Два гэтыя прыборы размешчаны на адлегласці каля 70 см адзін ад аднаго, і яны аказаліся несумяшчальнымі.

Калі расійскія калегі звярнуліся па дапамогу, беларускія вучоныя з Навукова-практычнага цэнтра НАН Беларусі па матэрыялазнаўстве адразу ўключыліся ў работу. У выніку было знойдзена ўнікальнае рашэнне — эфектыўную абарону ўдалося забяспечыць, дзякуючы тэхналогіі гальванічнага нанясення на алюмініевы корпус рухавіка экрана, які складаецца з многіх слаёў магнітнага і немагнітнага матэрыялу. Нашы спецыялісты не толькі знайшлі навуковае рашэнне праблемы і стварылі тэхналогію, але і на сваіх вытворчых плошчах вырабілі патрэбны прадукт.

— Беларуская сістэма прайшла сур’ёзныя тэставыя выпрабаванні ў Японіі, былі выкананы ўсе неабходныя вымярэнні ў магнітна чыстых умовах — і распрацоўка паказала высокую эфектыўнасць. Цяпер яна забяспечвае нармальную работу двух вельмі важных навуковых прыбораў на японскім апараце BepiColombo, — адзначыў Сяргей Грабчыкаў.

Падрыхтавала Галіна СІДАРОВІЧ.
Фота Алега ІГНАТОВІЧА і з адкрытых крыніц.