Пятьдесят лет назад, 15 июля 1965 г., американский космический аппарат Mariner 4 впервые в истории достиг в работоспособном состоянии Марса и сделал на пролете 22 черно-белых снимка поверхности Красной планеты. Это было великолепное техническое достижение - и одновременно конец эры гипотез о сходстве условий Марса и Земли и о возможности существования на нем высокоразвитой жизни.


    Особенностью начального этапа американской программы исследования планет автоматическими зондами было отсутствие носителей достаточной грузоподъемности, что вынуждало решать имеющимися средствами лишь ограниченный круг задач.
    Как известно, осенью 1960 г. Лаборатория реактивного движения подготовила предварительные проекты универсальных планетных аппаратов Mariner А и Mariner В. Первый, стартовой массой 1050 фунтов (476 кг), предназначался для изучения Венеры или Марса с пролета; второй, массой 1250 фунтов (567 кг), имел в своем составе спускаемый аппарат. Запуски планировались с использованием перспективного носителя Atlas Centaur со вновь разрабатываемой верхней ступенью на кислороде и водороде: в августе 1962 г. - первых аппаратов Mariner А к Венере; весной и осенью 1964 г. - изделий типа Mariner В к Венере и Марсу.

"МАРИНЕР"

    В августе 1961 г. стало абсолютно ясно, что отработанного нового носителя через год не будет. Штаб-квартира NASA распорядилась прекратить работу по теме Mariner А и утвердила новый проект Mariner R для первого исследования Венеры с запуском на имеющейся ракете Atlas Agena В. От параллельного создания марсианского аппарата пришлось отказаться из-за нехватки средств.
    Проект Mariner R был реализован ударными темпами с использованием задела от лунной станции Ranger и проекта Mariner А. Первый запуск 22 июля 1962 г. окончился аварией, во втором - 27 августа - ракета каким-то чудом вытянула. В результате 14 декабря 1962 г. Mariner 2 достиг окрестностей Венеры и впервые передал важную информацию о массе, магнитном поле и атмосфере этой планеты.
    В это время проект Mariner В оставался в силе в расчете на использование для исследований Венеры и Марса и в режиме межпланетных зондов в 1964-1967 гг. В период с октября 1961 по апрель 1962 г. выполнялись работы в объеме предварительного проекта, после чего был начат этап детального проектирования и изготовления прототипа. Предполагалось вскоре получить согласие штаб-квартиры агентства на последующие этапы - изготовление летных изделий, испытания и запуск. Одновременно уточнялись количество аппаратов и графики полетов. Так, к 1 мая 1962 г. было решено:

    - экспериментальный пуск аппарата Mariner В в октябре 1963 г. не проводить;
    - отменить отправку двух КА к Венере весной 1964 г.; вместо этого в случае необходимости повторить пуски КА типа Mariner R;
    - в мае 1964 г. провести экспериментальный пуск 'марсианского' варианта, после чего готовить два 'боевых' старта к Марсу.

    Mariner В массой около 1500 фунтов (678 кг) строился вокруг шестигранного корпуса с блоками служебной аппаратуры. Электропитание обеспечивали четыре откидные панели солнечных батарей суммарной площадью 8.73 м². Ориентация строилась по Солнцу и Канопусу. Для связи с Землей предназначалась ориентируемая антенна с отражателем диаметром 1.22 м. Двигательная установка с маршевым двигателем тягой 50 фунтов (23 кгс) обеспечивала коррекции траектории. Спускаемый аппарат собирались заказать компании General ELectric с учетом ее опыта в создании возвращаемых капсул разведывательных спутников CORONA/Discoverer.

Нереализованный проект межпланетного зонда Mariner В со спускаемым аппаратом

"МАРИНЕР"

    Аппарат предполагалось оснастить телевизионной подсистемой с двумя камерами на видиконах, одна из которых - с фокусным расстоянием 1000 мм - должна была обеспечить съемку поверхности Марса с разрешением 1 км. Кроме этого, в состав научной аппаратуры Mariner В входили УФ-спектрометр, ИК-спектрометр, ИК-радиометр, микроволновой радиометр, магнитометр, а также многочисленные приборы для регистрации космического излучения и микрометеоритного вещества. Для капсулы проектировались приборы в целях изучения состава атмосферы и поиска признаков жизни, вплоть до микроскопа, анализаторов органических веществ, белковых макромолекул и продуктов метаболизма.
    Однако все опять испортил Centaur. Возможно, история космонавтики сложилась бы иначе, если бы его первый пуск 8 мая 1962 г. закончился успехом. Однако итогом этой попытки стал завораживающе-страшный взрыв ракеты на 55-й секунде полета, и вера в готовность нового носителя хотя бы к осени 1964 г. вновь пошатнулась.
    Уже в первых числах июня 1962 г. в JPL и других полевых центрах NASA начались проработки альтернативных вариантов марсианской миссии 1964 г. в расчете на имеющуюся ракету Atlas Agena В, причем Центр космических полетов имени Годдарда вновь предложил дополнить ее твердотопливной ступенью Able М. Во второй половине июля началась формальная проработка предложения Mariner М в объеме предварительного проекта, продолжавшаяся до конца октября. Уже в конце августа новая разработка была представлена на рассмотрение головного офиса NASA, а подразделениям JPL были разосланы требования к проекту.
    Штаб-квартира NASA устно одобрила новые предложения в середине октября, а 5 ноября проект был утвержден официально под именем Mariner Mars 1964. Нетрудно догадаться, что весомым толчком в пользу этого решения стал запуск 1 ноября 1962 г. советского аппарата 'Марс-1', внешне вполне успешный. Никто, кроме разработчиков из ОКБ-1, не знал еще, что система ориентации 'Марса' неисправна, а научной аппаратуры он не несет вообще. Советскому аппарату не было суждено дойти до цели живым - связь с ним оборвалась 21 марта 1963 г. в 106 млн км от Земли.
    В самой Лаборатории реактивного движения новый проект фигурировал под именем Mariner С. Некоторое время он продолжал конкурировать с проектом повторного запуска аппаратов типа Mariner R к Венере, однако явный успех Mariner 2 поставил крест на последнем предложении. 31 декабря руководство NASA решило и 10 января 1963 г. было объявлено, что агентство не будет повторять полет к Венере весной 1964 г. и сосредоточится на полете к Марсу, чтобы возвратиться к изучению Венеры позднее с более совершенными аппаратами класса Mariner. (Стоит добавить, что реализация в 1964 г. обоих проектов не представлялась возможной: не хватало ни средств, ни людских ресурсов.)
    В рамках проекта Mariner С также предполагалось запустить один аппарат в режиме межпланетного зонда и еще два - осенью 1964 г. к Марсу. Однако уже к началу февраля 1963 г. планы изменили в пользу изготовления трех идентичных станций, а в конце мая ради экономии средств сократили заказ носителей и число планируемых пусков до двух.
    Интересно, что 'большой' проект Mariner В уцелел и на этот раз, лишь сроки первых запусков к Венере и Марсу сдвинулись на 1965 и 1966 г. соответственно. Однако разрешения на изготовление летной матчасти так и не последовало, и проект тихо сошел на нет летом 1964 г., когда было окончательно решено не запускать в 1966 г. к Марсу никаких аппаратов - ни легких, ни тяжелых.


    В январе 1963 г. менеджером марсианского проекта был назначен Джек Джеймс (Jack N. James), только что записавший на свой счет успешную венерианскую миссию, а разработка собственно аппарата в Лаборатории реактивного движения была поручена Дану Шнейдерману (Dan Schneiderman) и Джону Казани (John R. Casani). Проектирование и изготовление велось собственными силами, внешним подрядчикам были заказаны лишь отдельные подсистемы и компоненты на общую сумму 21.1 млн $.
    На момент утверждения новый проект в сущности представлял собой вариацию на тему Mariner R, еще без четко определенной полезной нагрузки. Ее состав NASA объявило лишь 11 апреля 1963 г.: девять инструментов, позаимствованных из приборного состава Mariner В, плюс эксперимент по радиопросвечиванию атмосферы Марса. Научным руководителем проекта стал Ричард Слоун (Richard К. Sloan).
    Тогда же, в апреле, согласовали предельные параметры КА. Необходимо было вывести полезный груз массой 570 фунтов (258 кг) на траекторию полета к Марсу с гиперболическим избытком скорости 10.2 км²/с². Ракета Atlas Agena В, использованная для запуска КА Mariner 2 к Венере, имела грузоподъемность на 100 фунтов меньше. Решение было найдено к августу и заключалось в переходе на новую верхнюю ступень Agena D, причем пришлось заложиться на еще только разрабатываемую версию S-01B * с более высокими характеристиками двигателя.

* Первая Agena D типа S-01B была запущена 19 июня 1964 г.; до использования в программе Mariner состоялись еще три полета. Во многих документах встречается обозначение SS-01B, однако в нем первая S означает Standard, и вряд ли ступень успела заслужить такую характеристику уже к пятому пуску.

    На практике и этого оказалось мало, и потребовались многочисленные уточнения приборного состава и даже некоторые доработки обеих ступеней носителя. Так, снижение тяги верньерных двигателей 'Атласа' с 1000 до 670 фунтов дало прибавку в 20 фунтов (9 кг) полезной нагрузки, оптимизация программы разворота по тангажу принесла еще 25 фунтов, а применение нового алгоритма в системе управления носителя - 12 фунтов. На 'Аджене' больше всего помогли топливные ловушки у выходных магистралей баков - они позволили упростить процедуру повторного запуска и сократить гарантийный запас топлива, что увеличило полезный груз сразу на 47.2 фунта (21.4 кг).
    В то же время условия старта к Марсу требовали использования баллистической схемы с двумя включениями двигателя верхней ступени, чего до этого на изделиях типа S-01B не практиковалось. Чтобы снизить риск отказа при втором включении, пришлось 'отдать' 5 фунтов для создания постоянной малой тяги во время баллистической паузы.
    Марсианский аппарат с почти втрое большими по площади, чем у венерианского, солнечными батареями не умещался под головным обтекателем, сделанным в свое время еще для лунного Ranger'a. Было решено использовать новый универсальный фибергласовый сотовый обтекатель типа UNIPAC.
    Так как астрономическое окно для начала полета к Марсу составляло всего 28 суток, пришлось задействовать два стартовых комплекса: LC-13, принадлежавший ВВС, и LC-12, ранее переданный в пользование и управление NASA, причем второй предстояло временно дооборудовать для использования со ступенью Agena D.
    Если говорить о требованиях к самому аппарату, то полет к Марсу должен был занять от 230 до 260 суток вместо 120 дней до Венеры, и изделие пришлось проектировать с удвоенным ресурсом - 6000 часов. Для пролета на заданном расстоянии от планеты требовались две коррекции, а значит - двигательная установка с двукратным включением. В силу баллистических условий в 2.5 раза увеличивалась предельная дальность связи; это заставило спроектировать новый радиокомплекс S-диапазона, а с учетом большого объема видовой информации - ввести записывающее устройство на магнитной ленте.
    В целом аппарат получался значительно более сложным, чем Mariner 2, и насчитывал 138000 компонентов против 54000. Но и запас времени до запуска был достаточным, чтобы вести разработку в полном соответствии с правилами, с испытаниями на соответствие типа для подсистем и с необходимой отработкой на наземных аналогах. В некоторых критических областях были даже предприняты разработки альтернативных технических решений.
    Проектирование и изготовление матчасти заняло весь 1963 год. В период с 1 ноября по 18 декабря собрали изделие РТМ, предназначенное исключительно для наземных испытаний, и 19-24 декабря на его системы впервые подали питание. С 30 декабря по 10 января 1964 г. провели интерфейсные испытания систем, а 16 января аппарат РТМ отработал системный тест всего полета. 7 марта на нем начались термоваккумные испытания, а 28 марта - виброиспытания. С 27 по 30 апреля изделие проверили на совместимость со ступенью Agena D, и вплоть до начала июля продолжали интенсивно испытывать.

"МАРИНЕР"

    В ходе тестов было выявлено несколько особенно неприятных моментов. Так, на наземной машине РТМ не прошел виброиспытания и потребовал срочной доработки датчик Канопуса. Вскоре 'всплыла' аналогичная проблема с видиконовой трубкой системы телевизионной съемки Марса, для которой в итоге сделали новую 'мягкую' монтировку. Потребовалась серьезная доработка блока сбора научной информации DAS, где пришлось заменить 2400 'таблеточных' резисторов, которые не выдерживали высокой температуры. Наконец, серьезной проблемой стала постепенная деградация характеристик усилителя S-диапазона.
    В январе 1964 г. проект Mariner-C был 'заморожен': теперь изменения можно было внести лишь после сложной процедуры согласования. В апреле пришла очередь трех летных аппаратов; МС-2 был собран в период с 9 апреля по 19 мая, а МС-3 -с 24 апреля по 9 июня. Электрические испытания летных машин стартовали в конце апреля, а термовакуумные и вибрационные проходили в июле и августе. 23 августа и 7 сентября два КА были отправлены из Пасадены во Флориду для подготовки к старту. Запасное изделие МС-4 собрали в июле-августе и отправили на полигон после испытаний ограниченного объема.


    Итак, аппарат типа Mariner С имел стартовую массу 575 фунтов (261 кг) при высоте 2.90 м и диаметре описанной окружности (в полете) 6.90 м. Основой конструкции аппарата был корпус из магниевого сплава в форме восьмиугольной призмы высотой 0.46 м и описанным диаметром 1.38 м. В четырех радиальных направлениях от верхней ('солнечной') грани призмы раскрывались панели солнечных батарей, на концах которых были смонтированы пятиугольные солнечные 'паруса' как дополнительное средство поддержания ориентации в ходе межпланетного перелета.

"МАРИНЕР"

    На верхней грани была жестко установлена 'тарелка' остронаправленной антенны, над которой возвышалась штанга научной аппаратуры, алюминиевая трубка круглого сечения диаметром 98.5 мм и длиной 2.24 м. На нижнем днище восьмигранного корпуса монтировались датчик Канопуса и поворотная платформа с приборами для исследования Марса.
    Семь из восьми боковых секций корпуса отводились для размещения приборов и подсистем, включая электронные компоненты научных приборов. В секции ?2 был установлен двигатель коррекции траектории, сопло которого 'смотрело' в радиальном направлении, перпендикулярно к продольной оси Z. Осевую часть корпуса занимали топливный бак, а также баллоны и регулирующая аппаратура газовой системы ориентации. На внешней поверхности шести боковых граней располагались жалюзи системы терморегулирования на биметаллических приводах, а верхняя и нижняя панели корпуса были защищены экранно-вакуумной теплоизоляцией. Температура внутри поддерживалась в пределах от +13 до +29њС.
    Система электропитания получала мощность с четырех панелей солнечных батарей размером 0.90x1.81 м и массой 8.5 кг каждая. 28224 кремниевых фотоэлемента размером 10x20 мм позволяли снимать до 640 Вт у Земли и до 310 Вт у Марса. Два регулятора питания и серебряно-цинковая аккумуляторная батарея емкостью 1200 Вт-ч находились в секции ?8. Для нормальной работы КА требовалось от 140 до 255 Вт, в зависимости от выполняемых операций; аккумулятор планировалось задействовать лишь во время выведения и в ходе коррекций траектории. Питание систем и приборов КА, за двумя исключениями, обеспечивалось переменным током с частотой 2400 Гц.
    За управление системами КА отвечало центральное программно-вычислительное устройство (Central Computer and Sequencer, CC&S). Его программа состояла из трех основных этапов: на период запуска и выхода на орбиту (до 16 час 40 мин от старта), на коррекцию траектории и на 14-часовой цикл пролета и съемки Марса.
    В систему ориентации входили основные и резервные солнечные датчики (в общей сложности восемь штук на верхней и нижней гранях корпуса), датчик Канопуса, датчик Земли и три гироскопа, а также два дублированных набора по шесть газовых сопел, расположенных на концах солнечных батарей и обеспечивающих развороты КА по трем осям. Рабочее тело (азот) хранилось в двух титановых баллонах диаметром 229 мм, по 2.6 фунта (1.2 кг) в каждом, при начальном давлении 174 кгс/см².
    По проекту солнечные датчики обеспечивали построение ориентации осью Z на Солнце, а разворот вокруг этой оси с использованием датчика Канопуса - наведение остронаправленной антенны на Землю с погрешностью не более 0.5њ. Четыре ориентируемых солнечных паруса - листы алюмини-зированной майларовой пленки площадью по 0.65 м² - предназначались для тонкого регулирования ориентации по каналам тангажа и рысканья в пределах 'мертвой зоны' системы газовых сопел *.

* Ничто не ново подЛуной: режим безрасходной ориентации и коррекции с использованием давления солнечного света на панели солнечных батарей был заново изобретен и использован на американском КА Messenger во время полета к Меркурию в 2008 г.

    Бортовая двигательная установка PIPS (Post-Injection Propulsion System) имела в своем составе двигатель коррекции тягой 50.7 фунта (23.0 кгс) с одноразовыми пироклапанами на два включения. Однокомпонентное топливо (9.75 кг гидразина) хранилось в баке с вытеснительной системой подачи (сжатый азот). Каждый запуск двигателя обеспечивала начальная порция окислителя - 15 мл четырехокиси азота. Углы разворота КА, момент включения и продолжительность работы 'отмерялись' CC&S в соответствии с заложенными уставками. Удельный импульс ЖРД составлял 236 сек, минимальная продолжительность работы была 50 мс; возможное приращение скорости в одном включении - от 0.2 до 84 м/с. Ориентация в процессе работы ЖРД поддерживалась автоматически по данным от гироскопов за счет введенных в струю газовых рулей.

Изделие STM для статических испытаний

"МАРИНЕР"

    Связная система включала один приемник и два передатчика S-диапазона разного типа - с лампой бегущей волны и с объемным резонатором. В нее также входили командная и телеметрическая подсистемы, описываемый ниже блок записи видеоинформации и две антенны - высокого и низкого усиления. Основная параболическая антенна высокого усиления имела отражатель в форме эллипса размером 1.17x0.53 м и массой всего 2.0 кг, фиксированный к корпусу в трех точках восемью опорами и отклоненный на 38њ от продольной оси по углу места и на 259њ от оси датчика Канопуса по азимуту. В таком положении антенна автоматически 'смотрела' на Землю не только в момент прибытия КА к Марсу, но и на протяжении 110 суток перед этим! Интересно, что для задания необходимого теплового режима она была... окрашена в ярко-зеленый цвет. Ненаправленная антенна низкого усиления размещалась на верхушке штанги научной аппаратуры.
    Радиообмен с КА шел в цифровом виде. Командная информация, поступающая в диапазоне 2113 МГц со скоростью 1 бит/с, переводилась в командной подсистеме в аналоговую форму для исполнительных устройств. Аппарат был способен выполнить 29 видов команд, поступивших с Земли, и принять одну специальную команду коррекции траектории - блок данных из трех чисел, хранившихся затем в памяти CC&S.
    Технические данные с бортовых систем и результаты научных измерений кодировались в цифровую форму перед передачей на 100-канальной телеметрической подсистеме и передавались со скоростью 33.3 бит/с вблизи от Земли или 8.33 бит/с вдали от планеты, обычно поочередно: 20 слов (140 бит) технических данных, затем 40 слов (280 бит) научной информации. Оба канала передатчика работали в диапазоне 2295 МГц при выходной мощности 10 Вт.
    Измерение дальности до КА проводилось с помощью дальномерного кода, встроенного в передаваемый сигнал и в переизлучаемый бортовой. Полученное значение имело смысл в пределах диапазона около 1 млн км; с учетом данных баллистического прогноза этого было достаточно. Кроме того, по допплеровскому сдвигу сигнала 'Земля' могла определять радиальную скорость КА с точностью до 1 мм/с.
    Аппарат имел в своем составе научную аппаратуру суммарной массой 60 фунтов (27 кг), включая блок сбора и форматирования научных данных DAS (Data Automation System). В своем окончательном виде она включала семь научных приборов:

    - Телевизионная камера (Television) с двумя датчиками Марса размещалась на платформе под углом 120њ к оси Z и могла наводиться по азимуту в пределах угла 180њ. Объективом прибора служил телескоп-рефлектор кассегр