3 листопада 1973 року в космос вирушив космічний апарат Mariner 10. Його метою був Меркурій — найближча до Сонця планета. Політ туди виявився настільки складним, що наступного разу щось подібне вдалося повторити лише у XXI столітті.
Політ до Меркурія
Станом на кінець 1964 року автоматичні зонди, створені людьми, встигли пролетіти повз три небесних тіла: Місяць, Марс та Венеру. Виходячи з відстані до небесних тіл, логічно було б припустити, що наступним мав бути Меркурій, адже відстань до нього в середньому навіть менша, ніж до Марса.
Проте минали роки й апарати продовжили літати до Марса та Венери, але не до нових світів. Нарешті, у березні 1972 року старт відбувся, і це був Pioneer 10, який прямував до Юпітера. Це все здається дивним, якщо подивитися, наскільки далеко розташована найбільша планета Сонячної системи.
Проте польоти між планетами працюють не так лінійно. Кожна з них рухається власною орбітою з певною швидкістю, яка тим вища, чим далі світ від Сонця. А коли космічний апарат залишає земну орбіту, то вектор його швидкості сумується з вектором швидкості нашої планети.
На практиці це означає, що зонд, який запускають в тому ж напрямку, що й обертання планет, має трохи більшу швидкість ніж Земля, і трохи ширшу орбіту, якщо міряти по великій півосі. Це добре працює, коли треба наздоганяти зовнішні планети, а от з Венерою все значно складніше — її треба фактично пропускати вперед, щоб потім наздогнати поблизу перигелію орбіти апарата.
З Меркурієм, орбіта якого значно менша, а швидкість руху вища, ніж у Землі, такий фокус не працює. Щоб досягти цієї планети, спочатку треба розігнати апарат, аби він вийшов за межі зони впливу земної гравітації та перейшов на геліоцентричну орбіту. Потім його потрібно загальмувати так, щоб знизити перигелій орбіти до відстані, на якій перебуває Меркурій.
І все це потребує чималих витрат палива. Саме тому, коли в NASA вирішили, що десятий апарат серії Mariner полетить до Меркурія, то почали шукати розв’язання цієї проблеми. Знайшов її італійський фізик Джузеппе Коломбо. Він запропонував прокласти курс поблизу від Венери, щоб можна було використати її силу тяжіння для гальмування.
Це називається гравітаційним маневром, і Mariner 10 став першим апаратом, який використав його біля однієї планети для досягнення іншої. Зараз подібний прийом використовується регулярно.
Конструкція Mariner 10
Перші 9 апаратів серії Mariner добре себе показали, тож конструкцію інженери не змінювали. Це була та сама восьмикутна основа, ті самі сонячні панелі, що стирчать вусібіч, той самий набір вимірювальних приладів. Апарат важив 503 кг.
На борту встановили два 15-сантиметрові телескопи системи Кассегрена з камерами для отримання зображень у видимому діапазоні. Крім того, апарат мав інфрачервоний радіометр, який, по суті, також складався з двох телескопів, але працював на довших хвилях.
Для визначення хімічного складу поверхні планети апарат оснастили ультрафіолетовим спектрометром. Досліджувати заряджені частинки та їхню взаємодію з магнітним полем Меркурія мали магнітометр і детектори плазми та заряджених частинок. Крім того, на борту був експериментальний прилад для вивчення впливу близькості до Сонця на орбіту планети.
Найбільші зміни були пов’язані з необхідністю забезпечити стійкість апарата до високих температур, адже поблизу від орбіти Меркурія кожен квадратний сантиметр його поверхні мав отримувати від Сонця у 4,5 раза більше енергії, ніж поблизу Землі. Для цього його найважливіші частини довелося вкрити тканиною, яка зазвичай застосовується для створення скафандрів астронавтів, і тефлоновими щитками.
Однак із сонячними панелями так зробити було неможливо. Тому інженери розмістили їх в одному напрямку й передбачили можливість повертати на 76° навколо осі. Завдяки цьому панелі вдалося захистити від перегрівання.
Початок польоту
Mariner 10 запустили з мису Канаверал 3 листопада 1973 року. Проблеми почалися майже зразу після старту. Першими відмовили нагрівачі телекамер, і їх довелося тримати увімкненими, щоб оптика не замерзла. Згодом почав збоїти бортовий комп’ютер. Найбільше клопоту завдав датчик, що стежив за зорею Канопус і допомагав апарату тримати орієнтацію. Від корпусу відлітали дрібні частинки, які яскраво виблискували на сонці. Датчик плутав їх із зорею і губив її, а двигуни орієнтації щоразу витрачали азот, щоб повернути зонд на місце. Запас газу танув значно швидше, ніж планували.
Інженери Лабораторії реактивного руху NASA знайшли вихід у самому світлі. Тиск фотонів крихітний, зате діє безперервно. Змінюючи кут нахилу сонячних батарей і антени, команда утримувала й підправляла положення апарата без жодного грама палива. Mariner 10 став першим космічним кораблем, який маневрував під сонячним вітрилом. Ним служили звичайні панелі сонячних батарей.
5 лютого 1974 року Mariner 10 промчав за 5,8 тис. км від Венери. Камери з ультрафіолетовими фільтрами вперше показали зблизька, як закручуються її хмари: верхній шар атмосфери облітає планету приблизно за чотири дні, хоча сама вона обертається за 243.
Три прольоти повз Меркурій
29 березня 1974 року Mariner 10 пройшов за 703 км від поверхні Меркурія. На Землю полетіли знімки світу, якого не бачив жоден телескоп. Перші кадри вразили схожістю з Місяцем. Поверхню вкривали кратери всіх розмірів — від ледь помітних ямок до кілець у сотні кілометрів. Відмінності проявилися в деталях.
На межі дня і ночі камери зняли половину велетенської ударної западини. Її назвали басейном Калорис (від латинського слова «жар»). Коли Меркурій проходить найближчу до Сонця точку орбіти, ця область стоїть під прямим промінням. За сучасними оцінками, басейн має 1550 км у діаметрі. Удар, що його створив, був настільки потужним, що сейсмічні хвилі, ймовірно, зійшлися на протилежному боці планети й зім’яли там поверхню в хаотичні пагорби.
Після прольоту повз планету зонд вийшов на геліоцентричну орбіту з періодом 176 днів, рівно вдвічі довшим за меркуріанський рік. Це означало, що апарат може повертатися до Меркурія знову і знову. Коломбо раніше пояснив і дивний ритм самої планети: за два оберти навколо Сонця вона тричі повертається навколо осі.
Друга зустріч відбулася 21 вересня 1974 року. Під час неї апарат перебував на відстані 48 тис. км від планети. Траєкторію підібрали так, щоб зазирнути на південну півкулю. Третя, 16 березня 1975 року, стала найближчою, всього 327 км над поверхнею. Цього разу науковці зосередилися на дослідженні магнітного поля.
Той самий резонанс, що подарував три прольоти, обмежив огляд. Під час кожної зустрічі Сонце освітлювало ту саму половину планети. Камери змогли зняти лише 40–45 % поверхні, решта ще понад три десятиліття залишалася невідомою.
Головні наукові результати місії
За час своєї місії Mariner 10 зробив низку наукових відкриттів. Під час прольоту повз Венеру він виявив ознаки завихрень у хмарах і дуже слабке магнітне поле. Використовуючи фільтр ближнього ультрафіолетового діапазону, він сфотографував хмари Венери, що мали V-подібну форму, а також провів інші дослідження атмосфери.
Під час трьох прольотів поряд із Меркурієм було зроблено понад 2800 знімків. Вони показали, що поверхня планети значною мірою нагадує місячну. Місія зробила величезний внесок у розуміння Меркурія, деталі поверхні якого не вдавалося розгледіти за допомогою телескопів.
До картографованих ділянок увійшли більша частина або вся територія квадрантів Шекспіра, Бетховена, Койпера, Мікеланджело, Толстого та Дискавері, половина квадрантів Баха й Вікторії, а також невеликі частини квадрантів Солітудо, Персефони (пізніше — Неруди), Лігурії (пізніше — Радітладі) та Бореаліса.
Mariner 10 також виявив, що Меркурій має розріджену атмосферу, яка складається переважно з гелію, власне магнітне поле та надзвичайно велике, багате на залізо ядро. За даними радіометра, нічна температура на планеті становить −183 °C, а максимальна денна сягає 187 °C.
24 березня 1975 року, через вісім днів після третього прольоту, азот для двигунів орієнтації скінчився. Центр управління надіслав команду вимкнути передавач, і Mariner 10 замовк назавжди. Сам же апарат, найімовірніше, досі обертається навколо Сонця.
Траєкторія польоту Mariner 10 виявилася настільки енергетично невигідною, що наступні 30 років апарати до найближчої до Сонця планети взагалі не запускали. Лише у 2004 році туди вирушив американський зонд MESSENGER, причому летів він значно економічнішою траєкторією з кількома гравітаційними маневрами біля Землі та Венери, тож дістався Меркурія тільки у 2008 році, через чотири роки після запуску.
Третьою стала європейсько-японська місія, що стартувала у жовтні 2018 року. За вісім років вона пролетіла повз Землю, двічі повз Венеру і шість разів повз Меркурій. Вихід на орбіту навколо планети запланований на 21 листопада 2026 року, менш ніж за три тижні після 53-ї річниці старту Mariner 10. Місію назвали BepiColombo, на честь падуанського математика, який першим зрозумів, що один зонд може тричі побачити Меркурій.
