История ESA, часть 2: Планетарные миссии и космические программы

В античной мифологии существует легенда, по которой Зевс (в римской традиции — Юпитер) превратился в белого быка, чтобы украсть дочь финикийского царя по имени Европа, соблазнившую его своей красотой.

По сюжету мифа, Европа была преисполнена ужаса и презрения к своему похитителю, однако в реальности ХХ века все произошло совсем иначе. Космическая программа Европы мечтала исследовать Юпитер.

Титаническая симфония Cassini–Huygens

Впрочем, полноформатные планетарные миссии для ESA начались не с Юпитера. 15 октября 1997 года на ракете Titan IVB/Centaur стартовала Cassini–Huygens — совместная миссия NASA и ESA. Она была направлена на исследование планетарной системы Сатурна и даже предусматривала посадку роботизированной посадочной платформы на его спутник — Титан. Американцы разработали концепцию орбитального космического корабля Cassini, а европейцы сконструировали посадочный модуль, который назвали Huygens в честь нидерландского астронома XVII века Христиана Гюйгенса, впервые открывшего спутник Сатурна в 1655 году.

Huygens состоял из двух частей: защитного теплового экрана диаметром 2,7 м, предназначавшегося для входа в атмосферу Титана, и основного посадочного модуля диаметром 1,3 м.

Изначально специалисты ЕЅА проектировали Huygens с учетом его непродолжительной жизни. Планировалось, что активная работа модуля, которая охватывала сбор и отправку научных данных на Землю (через системы обратной связи с Cassini), продлится всего 153 минуты. За это время зонд должен был применить весь свой научный арсенал, состоявший из шести инструментов:

• HASI (Huygens Atmospheric Structure Instrument) — прибор для сбора информации об атмосфере Титана во время приземления Huygens. Он состоял из акселерометра, датчика атмосферного давления и температуры и анализатора диэлектрической проницаемости, который позволил получить данные относительно импульса электронов и ионов в атмосфере спутника. HASI содержал даже микрофон, воспользовавшись которым, ESA сделало первую в истории запись звуков с другой планеты.
• DWE (Doppler Wind Experiment) — эксперимент с помощью эффекта Доплера помог определить скорость Huygens относительно Cassini, оставшегося на орбите. Работал на базе стабильного осциллятора, который обеспечивал ровную частоту сигнала в S-диапазоне.
• DISR (Descent Imager/Spectral Radiometer) — спусковая камера и спектральный радиометр. Эксперимент позволил задокументировать процесс приземления Huygens на Титан. Спектральный радиометр был нацелен на измерение радиационного баланса в атмосфере Титана. Во время спуска DI-камера сделала более 3500 снимков, которые затем вошли в пятиминутный фильм ESA.

• GC/MS (Gas Chromatograph Mass Spectrometer) — газохимический анализатор, помогший ученым определить содержание химических веществ в атмосфере спутника Сатурна.
• ACP (Aerosol Collector and Pyrolyser) — коллектор аэрозольных частиц, собиравший микрокапли жидкости во время посадки зонда и нагревавший их в специальной камере. Посредством процесса пиролиза удалось выпарить летучие вещества и определить содержание аэрозольных частиц.
• SSP (Surface Science Package) — прибор для измерения свойств поверхности Титана после приземления Huygens. Состоял из акустического эхолота, акселерометра для фиксации профиля замедления во время столкновения зонда с поверхностью спутника (таким образом удалось исследовать плотность его каменистой поверхности). Для этих же целей на SSP использовался вспомогательный инструмент — пенетрометр.

На Рождество, 25 декабря 2004 года, Huygens навсегда отстыковался от орбитального Cassini и направился на встречу с Титаном, поверхности которого достиг 14 января 2005 года. Посадка модуля состоялась в три этапа: вход в атмосферу Титана, маневр торможения со сбросом теплового щита и приземление с помощью парашютной системы, разработанной американской компанией Martin-Baker Aircraft Company Limited.

Удачная посадка на Титан сделала ESA первым в мире агентством, которому удалось посадить беспилотный космический аппарат в пределах Внешней Солнечной системы, да еще и впервые — на спутник другой планеты. Даже несмотря на некоторые трудности — прежде всего частичную потерю полученных данных вследствие ошибки в одном из двух каналов связи Huygens–Cassini — космическая миссия имела колоссальный успех. Именно она открыла окно возможностей для воплощения еще двух амбициозных проектов по исследованию Венеры и Марса.

Венера/Марс — экспресс заказывали?

После покорения планетарной системы Сатурна ESA направило свои усилия на другие планеты Солнечной системы. В первые годы нового тысячелетия были реализованы сразу две амбициозные программы: одна по исследованию Марса, получившая название Mars Express, а другая — по изучению Венеры, Venus Express.

Сперва очередь дошла до Марса. По плану космической миссии, на Марс намеревались отправить орбитальный аппарат, получивший название Mars Express Orbiter. Зонд был оснащен посадочным модулем европейского производства Beagle-2, с помощью которого ESA надеялось осуществить ряд экзобиологических, минералогических и геохимических исследований Красной планеты. Что касается орбитального модуля — главным образом он предназначался для получения изображений Марса в высоком разрешении, картографирования насыщенности марсианского грунта минералами, изучения атмосферы и радиолокационного картирования поверхности Марса.

Специалистам, работавшим над Mars Express, изрядно повезло — запуск миссии был назначен на время, когда орбиты Земли и Марса приблизились на самое короткое за 60 000 лет расстояние друг к другу.

Mars Express стартовал 2 июня 2003 года на борту российской ракеты «Союз-ФГ» с космодрома Байконур. Кстати, сотрудничество между космическими агентствами Европы и России является показательным примером недальновидности как представителей NASA, так и ESA. Взаимодействие между двумя западными агентствами ослабло в конце 1990-х годов, когда США на законодательном уровне жестко ограничили NASA в обмене научными данными, поскольку, по мнению американских сенаторов, это угрожало национальной безопасности страны. Непродуманное решение в течение нескольких десятилетий опасно сблизило ESA и роскосмос, что привело к планированию ряда совместных проектов с россиянами, конец которым положило лишь полномасштабное вторжение москвитов в Украину. Сюда попал и совместный проект ExoMars, целью которого была доставка и развертывание на поверхности Марса роботизированного ровера Rosalind Franklin.

Впрочем, вернемся к Mars Express. После запуска его путешествие длилось пять месяцев, в конце которых на Рождество, 25 декабря (22:00, 24 декабря EST) 2003 года, зонд достиг атмосферы Красной планеты и начал свою исследовательскую миссию, длящуюся до сих пор. За неделю до этого события, 19 декабря 2003 года, в направлении Марса был выпущен посадочный модуль Beagle-2, исчезнувший, к сожалению, при попытке спуститься на поверхность планеты. Судьба посадочного модуля оставалась неизвестной почти 12 лет, пока космический аппарат NASA Mars Reconnaissance Orbiter не зафиксировал его присутствие на поверхности Марса с помощью системы HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment). Выяснилось, что зонд удачно совершил посадку, однако из-за аномалии не смог развернуть свои солнечные панели, что помешало ему установить надежную связь с Землей.

Итак, после потери Beagle-2 свои задачи на орбите Марса успешно продолжает выполнять Mars Express Orbiter. За это время зонд зафиксировал ледяные шапки на южном полюсе планеты, обнаружил содержание метана в марсианской атмосфере, сумел установить наличие гидратированных сульфатов, силикатов и различных породообразующих минералов в марсианском грунте. Учитывая большой вклад, который вносит Mars Express Orbiter в науку, в марте 2023 года ESA пролонгировало миссию космического аппарата до конца 2026 года.

Венерианская миссия Venus Express (сокращенно VEX) стартовала 9 ноября 2005 года. Тоже на борту ракеты «Союз ФГ». Это была первая космическая миссия ESA, направленная на исследование Венеры.

Трансвенерианская инъекция длилась 153 дня. 11 апреля 2006 года космический аппарат VEX достиг полярной орбиты Венеры и начал свою исследовательскую миссию. В течение почти девяти лет Venus Express прежде всего сосредоточил свои усилия на тщательном изучении атмосферы Венеры, чтобы отследить динамику ее изменений. Другой задачей VEX было попытаться обнаружить жизнь на экзопланетах, похожих на Землю. В процессе наблюдения за нашей планетой с орбиты Венеры разработано много методик, направленных на определение с большого расстояния потенциальных кандидатов в обитаемые миры.

Что же касается изучения самой Венеры, зонд смог найти доказательства существования на планете больших океанов в прошлом. VEX также зафиксировал наличие двойных атмосферных вихрей и молний на Венере (на раскаленной планете они наблюдались даже чаще, чем на Земле). Зонд выявил и молекулы гидроксила (образованные атомами кислорода и водорода — OH) в венерианской атмосфере, что было первым подтверждением их наличия на других планетах Солнечной системы, кроме Земли. Обнаружение этих молекул крайне важно, поскольку они чрезвычайно подвержены химическим реакциям. Присутствие гидроксила в земной атмосфере тесно связано с большим количеством озона, и согласно исследованиям, которые сумел совершить VEX, это же касалось и Венеры. Атмосфера планеты содержала остатки озона. Большой объем данных, полученных с помощью VEX, представлен в цикле научных статей журнала Nature, публиковавшихся в течение 2007 года.

Во многом орбитальный зонд VEX конструктивно походил на Mars Express Orbiter. Немногочисленные изменения касались лишь систем связи, энергетики и теплового контроля, поскольку зонд должен был находиться значительно ближе к Солнцу. Венерианская миссия окончательно завершилась 28 ноября 2014 года, когда ESA потеряло связь с VEX, вероятно, ввиду нехватки топлива. Venus Express все еще идентифицировался на орбите планеты, однако не имел никакой возможности осуществлять обратную связь с Землей. Последний раз ESA получило сигнал от VEX 18 января 2015 года.

Воплощенные и будущие космические программы

Начиная с 1985 года, ESA воплотило в жизнь две последовательные космические программы, охватывающие десяти и двадцатилетний периоды — Horizon 2000 и Horizon 2000+ соответственно.

Horizon 2000 (1985-1995) — первая глобальная космическая программа Европы, базировавшаяся на четырех краеугольных камнях, космических миссиях, которые были визитной карточкой десятилетней кампании ESA. Прежде всего Horizon 2000 сталкивался со значительной нехваткой финансирования. Так, вместо предложенного ESA ежегодного увеличения бюджетов программы на 7% включительно до 1991 года, агентство смогло получить всего 5% увеличения, да и то лишь включительно с 1989-м. Нехватка средств привела к тому, что почти 50% предложенных космических миссий оказались под угрозой отмены. Только повторное бюджетное рассмотрение в 1990 году и принятие окончательного решения об увеличении финансирования на 5% до 1994 года дали необходимый финансовый импульс, чтобы все космические миссии программы смогли воплотиться в жизнь.

Итак, за время программы Horizon 2000 ESA осуществило пять крупных космических миссий, а также три миссии среднего класса:

1. SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) — совместная с американским NASA космическая миссия по развертыванию солнечной и гелиосферной обсерватории в точке Лагранжа (L₁). Была запущена 2 декабря 1995 года на борту ракеты-носителя Lockheed Martin Atlas IIAS. До сих пор в активном статусе и предоставляет актуальные данные о космической погоде и общем состоянии Солнца (является частью Краеугольного камня 1).
2. Cluster 1 и Cluster 2 — космическая миссия ESA (также при поддержке NASA) по исследованию магнитосферы Земли в течение двух солнечных циклов с помощью созвездия из четырех космических кораблей. Cluster 1 постигла печальная участь — космические аппараты были потеряны из-за критической ошибки, возникшей во время старта ракеты Ariane 5 в 1996 году. Однако уже в период с февраля по август 2000 года были выведены на орбиту четыре новых аппарата резервной миссии Cluster 2, которые до сих пор выполняют задачи по наблюдению за магнитосферой (также является частью Краеугольного камня 1).
3. XMM-Newton (X-ray Multi Mirror) — запуск современной рентгеновской обсерватории по выявлению и исследованию источников точечного гамма-излучения во Вселенной. Миссия была запущена в декабре 1999 года и до сих пор пребывает в активном статусе (является частью Краеугольного камня 2).
4. Rosetta — удивительная миссия, воплощенная усилиями ESA по исследованию кометы Чурюмова–Герасименко/67Р. Запуск состоялся 2 марта 2004 года. Беспилотный космический аппарат Rosetta был оснащен посадочным модулем Philae, который 12 ноября 2014 года с третьей попытки таки совершил первую в истории человечества мягкую посадку на ядро кометы (является частью Краеугольного камня 3).
5. HSO (Herschel Space Observatory) — космическая миссия ESA, по результатам которой в мае 2009 года в точке Лагранжа (L₂) был развернут инфракрасный телескоп, проработавший с 2009 до 2013 года. До введения в эксплуатацию инфракрасного James Webb именно HSO был крупнейшим ИК-телескопом космического базирования (является частью Краеугольного камня 4).

Что касается трех вспомогательных миссий, воплощенных в рамках программы Horizon 2000, то это были: успешная посадка аппарата Huygens на Титан, развертывание в 2002 году рентгеновской обсерватории INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, остается в активном статусе) и развертывание обсерватории Planck, основной целью которой было составление карты космического микроволнового фона (обсерватория была активна в 2009-2013 годы).

Как видим, все предложенные миссии в рамках программы Horizon 2000 закончились успехом для Европы (к активу можно отнести даже своевременную замену Cluster 1 на Cluster 2, которая состоялась в течение четырех лет). Но пока космические миссии еще оставались на стадии планирования, ESA решило расширить Horizon 2000 — именно так появился концепт Horizon 2000+, охватывающий уже двадцатилетний период: 1995-2015 годы.

Программа сосредоточилась на выполнении всего трех, но очень амбициозных космических миссий:

1. Космическая обсерватория Gaia — запущенная в 2013 году «Гея» (именно так следует произносить это название, поскольку оно посвящено древнегреческой богине Гее) будет работать вплоть до второго квартала 2025 года. Ведущей задачей обсерватории стала астрометрия — измерение расстояний до более чем миллиарда объектов в галактике Млечный путь с помощью различных сравнительных методик, прежде всего базирующихся на уровне светимости и цвета исследуемых объектов. Обсерватория также способна идентифицировать более полумиллиона квазаров, расположенных за пределами Солнечной системы.
2. LISA Pathfinder (Laser Interferometer Space Antenna) — астрономическая обсерватория, ориентированная на поиск гравитационных волн. Обсерватория была запущена ESA 3 декабря 2015 года и работала на гало-орбите в точке Лагранжа (L₁). Миссия космического аппарата началась 8 марта 2016 года (ей предшествовал трехмесячный этап путешествия, развертывание научных приборов и их тестирование). LISA Pathfinder была активна в течение 576 дней и окончательно деактивирована в конце июня 2017 года. По результатам эксперимента LISA Pathfinder сотрудники ESA получили ценный опыт в организации процесса нахождения гравитационных волн, который планируется задействовать в будущих версиях LISA.
3. BepiColombo — космическая миссия двух агентств, европейского ESA и японского JAXA, по исследованию планетарной системы Меркурия. Состоит из двух спутников, MPO (Mercury Planetary Orbiter) и Mio (Mercury Magnetospheric Orbiter), запущенных 20 октября 2018 года на европейской ракете Ariane 5. Находится в активном статусе, постоянно обновляя данные о состоянии магнитосферы, а также внутренней и поверхностной структуры Меркурия.

Текущая большая космическая программа ESA, получившая название Cosmic Vision: Space Science for Europe, охватывает период 2015-2025 годов. На сегодня Cosmic Vision запустила только четыре из 12 запланированных миссий. Сейчас две из них уже имеют активный статус, а еще две (Solar Orbiter и JUICE) на пути к зоне своей активности. Для удобства ESA разбило космические миссии программы Cosmic Vision на четыре основных класса: S (миссии малого класса), M (среднего класса), L (большого) и F (быстрого).

Запуск космического телескопа CHEOPS 18 декабря 2019 года стал первым успехом европейской Cosmic Vision. Телескоп массой 273 кг был отнесен к S-классу, а его основной целью стало выявление и классификация размера и состава транзитных экзопланет за пределами Солнечной системы. Космическая обсерватория CHEOPS проводит свои исследования на солнечно-синхронной орбите, высота которой составляет 700 км.

Очередной триумф состоялся в июле 2023 года, когда была запущена вторая миссия М-класса — Euclid (первой стала миссия зонда Solar Orbiter, отправившегося в путешествие в феврале 2020 года).

Euclid, оснащенный мощным телескопом с камерой с разрешением в 600 мегапикселей, занял свою рабочую орбиту в зоне второй точки Лагранжа (L₂) и начал выполнять задачи, направленные на разгадку тайны образования темной материи и темной энергии. Речь идет о невидимых формах материи и энергии, которые не взаимодействуют со светом и электромагнитным полем, однако, по мнению ученых, обе составляют до 95% от общего содержания материи в нашей Вселенной (по предварительным расчетам, 68,2% должно приходиться на темную энергию и 26,8% — на темную материю). Для фиксации хоть какого-то присутствия этих структур во Вселенной Euclid имеет спектрометр ближнего инфракрасного диапазона и фотометр для определения красного смещения, поступающего от обнаруженных галактик. Космическая обсерватория работает в связке с обсерваторией Gaia и недавно запущенным телескопом James Webb.

Первой же из запущенных миссий L-класса стала космическая лаборатория по исследованию планетарной системы Юпитера — JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer). Старт огромного зонда весом почти 6 тонн состоялся 14 апреля 2023 года и стал предпоследним запуском для ракеты Ariane 5. Долгих восемь лет продлится транзит JUICE к системе Юпитера, по завершении которых он начнет свою научную миссию по исследованию трех главных юпитерианских спутников: Ганимеда, Каллисто и Европы. Да, вы не ошиблись, Европа достигнет Юпитера, чтобы исследовать Европу — такой вот каламбур космических масштабов от Европейского космического агентства.

Еще восемь космических миссий программы Cosmic Vision распланированы вплоть до 2037 года. Среди них запуск преемника XMM-Newton — рентгеновской космической обсерватории Athena (вероятный старт в 2035-м), запуск следующего эксперимента LISA (2037 год), развертывание преемника космической обсерватории Planck по изучению атмосфер обнаруженных экзопланет — ARIEL (намечено на 2029-й), миссия по картографированию Венеры (EnVision, запуск в 2031-м).

Еще одна большая космическая программа ESA под названием Living Planet Programme (LPP) сосредоточит свое внимание исключительно на исследовании и мониторинге Земли. Она состоит из девяти Earth Explorer (пять основных и четыре дополнительные миссии возможностей), которые планируется запустить до 2027 года. Программа нацелена на получение информации о динамике изменения климата, уровне вод мирового океана, прогнозирование погодных явлений и разработку методик разумного использования планетарных ресурсов с учетом текущего анализа.

Сегодняшние амбиции ESA направлены на покорение космоса и действительно не имеют границ. Однако многие из этих проектов никогда бы не воплотились в жизнь без ракетной техники и космических кораблей европейского производства. Именно они открыли окно возможностей и в определенной степени гарантировали Европе независимость в вопросе автономной доставки своих научных полезных грузов и спутников на орбиту как для научных, так и для коммерческих целей. Читайте о развитии собственной ракетной программы Европейского космического агентства в заключительном материале цикла, посвященного истории образования ESA.