Krasnaja planeta, czyli Sowieci nadają z Marsa

Wizja artystyczna lądownika Mars-3 na Marsie. Ułożenie skał i rzeźba terenu odwzorowane na podstawie faktycznych danych z instrumentów HiRISE (sonda MRO) i MOLA (sonda MGS). Rys. Nick Oberg (za zgodą autora). Wizja artystyczna lądownika Mars-3 na Marsie. Ułożenie skał i rzeźba terenu odwzorowane na podstawie faktycznych danych z instrumentów HiRISE (sonda MRO) i MOLA (sonda MGS). Rys. Nick Oberg (za zgodą autora).

Lądownik Perseverance przesłał na Ziemię pierwsze obrazy z powierzchni Marsa. Zapierają dech w piersiach. Doskonała jakość, piękne krajobrazy, nietypowe kadrowanie, a wszystko – wydawać by się mogło – realizowane z niebywałą łatwością. Jednak wirtuozeria tej miary nigdy nie jest dziełem przypadku. Przeciwnie, stanowi zwieńczenie dekad ciężkiej pracy, wielu bolesnych lekcji. Niestety, nie zawsze wysiłek inżynierów przekłada się na spektakularny sukces. Doskonale ilustruje to historia pierwszej transmisji z powierzchni Czerwonej Planety.

Cofamy się do początku lat 60. minionego wieku. USA i ZSRR rywalizują o palmę pierwszeństwa na kilku kosmicznych frontach. Głównym jest oczywiście Księżyc. W tle trwa wyścig na Wenus i Marsa. Typowymi etapami eksploracji każdej z tych planet byłyby: przelot w pobliżu (ang. fly-by), wprowadzenie sztucznego satelity (tzw. orbiter), miękkie lądowanie na powierzchni, pobranie i przesłanie na Ziemię próbek gruntu, lot załogowy. Dwa ostatnie etapy wciąż są przed nami. Trzy pierwsze – zrealizowano właśnie w latach 60. XX wieku. Skupmy się na Marsie.

Przez okno na Marsa

Sondę ku Czerwonej Planecie można wysłać w zasadzie w dowolnym momencie. Jednak najkorzystniejsze warunki by to uczynić (tzw. okno startowe) pojawiają się co 780 dni. Ostatnie z takich okien otwarte było latem 2020 roku i skorzystały z niego Stany Zjednoczone (misja Mars 2020), Chiny (misja Tianwen-1) i Zjednoczone Emiraty Arabskie (misja Al Amal). Natomiast dwa pierwsze, w czasie których ludzie w ogóle podjęli próbę wyruszenia ku Czerwonej Planecie, przypadły na lata 1960 i 1962. Z okazji tych skorzystali wówczas wyłącznie Sowieci.

Tak powierzchnię Marsa wyobrażano sobie na początku lat 60., w czasie gdy planeta nigdy wcześniej nie była oglądana z bliska. Czarne ramki wskazują obszary, które zostały sfotografowane przez Marinera-4. Rys. NASA.
Tak powierzchnię Marsa wyobrażano sobie na początku lat 60., w czasie gdy planeta nigdy wcześniej nie była oglądana z bliska. Czarne ramki wskazują obszary, które zostały sfotografowane przez Marinera-4. Rys. NASA.

Rezultat pierwszych radzieckich prób był opłakany. Na pięć startów tylko jeden był względnie udany i pozwolił wprowadzić sondę na trajektorie międzyplanetarną. Cóż z tego, skoro po pewnym czasie kontakt z sondą utracono. Cztery pozostałe próbniki nawet nie zdołały opuścić otoczenia Ziemi. Rozczarowanie radzieckich konstruktorów musiało być ogromne. Na domiar złego na kolejne okno startowe (1964) swoje dwie pierwsze marsjańskie sondy szykowały już Stany Zjednoczone. Trzeba było działać szybko i zdecydowanie, by nie dać się wyprzedzić „kapitalistom”.

Niestety także w 1964 roku Sowietom szczęście nie dopisało. Wystrzelili tylko jedną sondę, jednak i ona zamilkła w drodze do Marsa. Palma pierwszeństw a w kategorii ‘udany przelot koło Czerwonej Planety’ przypadła Amerykanom: Mariner-4 przemknął koło Marsa 15 lipca 1965 roku, w odległości zaledwie 9,846 km. Porażka pogłębiła frustrację Sowietów. W kolejnym oknie startowym (przełom lat 1966 i 1967) nie wystrzeli żadnego marsjańskiego próbnika, skupiając uwagę na badaniach Wenus i misjach księżycowych.

Wspierani Protonem

Do próby „zdobycia” Marsa radzieccy konstruktorzy powrócili podczas okna startowego 1969. Tym razem mieli nieco łatwiejsze zadanie. Do eksploatacji weszła bowiem nowa, potężniejsza rakieta nośna Proton-K. Możliwość wystrzeliwania cięższych sond pozwalała inżynierom unikać niektórych trudnych kompromisów. Dawała także szansę na zabranie większych zapasów paliwa. Próbnik mógł z nich skorzystać w okolicy Marsa i wyhamować do prędkości, przy której zostałby „przechwycony” przez planetę i… stał się jej sztucznym księżycem. Gdyby taki plan zadziałał, ZSRR odzyskałoby pozycje lidera w marsjańskiej rywalizacji. Gdyby…

Wiosną 1969 roku z Bajkonuru wystrzelono dwa Protony z marsjańskimi ładunkami. Pierwszy dotarł na orbitę Ziemi i tam utknął. Drugi – zakończył lot eksplozją w 40. sekundzie po starcie. Ambitne plany znów legły w gruzach. Tymczasem po drugiej stronie globu sytuacja była diametralnie inna. W roku 1969 USA również wystrzeliły dwa próbniki, ale ich misje zakończyły się stuprocentowym sukcesem. Mariner-6 i Mariner-7 przemknęły koło Marsa w odległości 3400 km, w odstępie 5 dni. A wszystko zaledwie tydzień po szczęśliwym finale księżycowej wyprawy Apollo-11.

Trzy udane amerykańskie misje dostarczyły czegoś więcej, niż tylko zdjęć. Zebrały szczegółowe informacje o położeniu Marsa na okołosłonecznej orbicie. Tego typu dane są kluczowe, gdy planuje się bezpieczne lądowanie na powierzchni globu. Fiasko radzieckich misji z 1969 roku oznaczało, że Sowici nie znali położenia Marsa, aż tak dobrze, jak ich rywale. To utrudniało planowanie kolejnych (ambitniejszych) misji. By mieć jakikolwiek cień szans na pokonanie USA w kategoriach ‘pierwszy satelita’ i ‘pierwsze lądowanie’ Sowieci musieli zaryzykować i zagrać va banque.

Wszystko na jedną kartę

Nadszedł rok 1971, poniekąd przełomowy dla radzieckiej eksploracji Marsa. Efektem narad, dyskusji i odgórnych, partyjnych nacisków był następujący plan. ZSRR wyśle aż trzy próbniki. Pierwszy będzie pełnił funkcję zwiadowcy. Wystrzelony niemal w tym samym czasie, co amerykański Mariner-8, poleci nieco szybszą trajektorią i dotrze do Marsa wcześniej, stając się pierwszym sztucznym księżycem Czerwonej Planety (Marinerowi-8 postawiono taki sam cel). Jednocześnie wypełni zadanie nieudanych misji z 1969 roku: prześle precyzyjne dane o położeniu Marsa.

Sonda Mars-3. Na górze: orbiter wraz z lądownikiem (ukrytym w stożkowej osłonie w górnej części sondy). Na dole: orbiter w konfiguracji, w jakiej miał pracować na powierzchni planety. Systemy do obrazowania zainstalowane były w górnej części lądownika. Rys. Wikipedia.
Sonda Mars-3. Na górze: orbiter wraz z lądownikiem (ukrytym w stożkowej osłonie w górnej części sondy). Na dole: orbiter w konfiguracji, w jakiej miał pracować na powierzchni planety. Systemy do obrazowania zainstalowane były w górnej części lądownika. Rys. Wikipedia.

Z wyników prac zwiadowcy od razu skorzystają dwie lecące za nim sondy: Mars-2 i Mars-3. Też miały zostać satelitami Czerwonej Planety, jednak zanim weszłyby na jej orbitę, odrzuciłyby w kierunku globu ładunek specjalny: lądowniki. Jakby tego było mało, każdy z lądowników niósł na pokładzie mały łazik. Połączony na stałe z lądownikiem, łazik mógł pokonać dystans do 15 m, zbierając bezcenne dane o marsjańskim gruncie. Plan zapowiadał się bardzo ambitnie i kompleksowo. Gorzej z jego realizacją.

Misja zwiadowcy (znanego pod oznaczeniem Kosmos-419) rozpoczęła się 10 maja 1971, a zakończyła dwa dni później. Niedoszły pierwszy marsjański orbiter nie zdołał nawet opuścić orbity okołoziemskiej. Co ciekawe, pecha mieli również Amerykanie. Awaria rakiety nośnej spowodowała, że Mariner-8 zakończył swój lot w Atlantyku.

Tymczasem Mars-2 i Mars-3 nie tylko z powodzeniem wystartowały z Ziemi, ale również bez większych problemów pokonały trasę Ziemia-Mars! Dotarły do upragnionego celu na przełomie listopada i grudnia 1972 roku. Sukces był słodko-gorzki. Wokół Marsa od kilku dni krążył już amerykański Mariner-9 (wystrzelony dzień po Marsie-3 dotarł do planety po korzystniejszej – szybszej – trajektorii). Swego sukcesu Sowieci mogli już teraz upatrywać wyłącznie w pierwszym udanym miękkim lądowaniu.

Spotkanie z marsjańskim pyłem

Nad przedsięwzięciem zbierały się jednak chmury. Chmury marsjańskiego pyłu. Z nadesłanych przez Marinera-9 zdjęć wynikało, że Mars pogrążył się największej burzy pyłowej, jaką astronomowie dotychczas widzieli. Podczas gdy orbitery mogły spokojnie przeczekać nieprzyjazną aurę, lądowniki realizowały z góry zaprogramowany scenariusz i nie było mowy o zmianie planów. Musiały stawić czoła złowieszczej pogodzie.

Na pierwszy ogień poszedł lądownik Marsa-2. Odłączył się od macierzystej sondy 4,5 godziny przed jej (udanym) wejściem na orbitę planety. Najprawdopodobniej z powodu błędnej nawigacji, wywołanej nieprawidłowym działaniem komputera, lądownik wszedł w atmosferę pod zbyt dużym kątem. Dotarł do powierzchni planety, jednak lądowanie nie niosło żadnych znamion „miękkiego” (po prostu rozbił się). Propaganda ZSRR sprytnie sprzedała ten fakt jako „pierwsze udane trafienie w Marsa obiektem wykonanym przez człowieka”. Opis zgodny z rzeczywistością, przy czym „trafienie” samo w sobie nie miało żadnej wartości naukowej.

Seria symulowanych obrazów Słońca, widzianego z powierzchni Marsa, przy różnym stopniu zapylenia atmosfery. Burza pyłowa to sytuacja najbardziej po prawej stronie – na Marsie robi się bardzo ciemno. Pomiary z lądownika Marsa-3 wskazały, że natężenie światła na powierzchni planety wynosiło około 50 luksów (bardzo pochmurny dzień na Ziemi to około 100 luksów, pogodny dzień to 10-25 tysięcy luksów). Rys. NASA
Seria symulowanych obrazów Słońca, widzianego z powierzchni Marsa, przy różnym stopniu zapylenia atmosfery. Burza pyłowa to sytuacja najbardziej po prawej stronie – na Marsie robi się bardzo ciemno. Pomiary z lądownika Marsa-3 wskazały, że natężenie światła na powierzchni planety wynosiło około 50 luksów (bardzo pochmurny dzień na Ziemi to około 100 luksów, pogodny dzień to 10-25 tysięcy luksów). Rys. NASA

Lądownik Marsa-3 miał więcej szczęścia. Sekwencję hamowania w atmosferze przebiegła pomyślnie i 2 grudnia 1971 roku o godzinie 13:50:35 czasu uniwersalnego lądownik łagodnie osiadł na marsjańskim piachu, w północnej części Krateru Ptolemeusza. Próbnik niezwłocznie otworzył osłony, rozłożył anteny i pod 90 sekundach od szczęśliwego lądowania rozpoczął transmisję najsłynniejszego radzieckiego zdjęcia z powierzchni Czerwonej Planety.

Warto chwilę uwagi poświęcić kwestii technicznej – sposobowi w jaki lądownik Marsa-3 obrazował powierzchnię planety. Tym bardziej że metoda ta była odmienna od sposobu, w jaki pracują kamery współczesnych marsjańskich łazików.

Skanowanie marsjańskiego pejzażu

Gdy używamy kamery cyfrowej (np. zamontowanej w telefonie), w ciągu ułamka sekundy oświetlane są jednocześnie miliony pikseli (detektorów), ułożonych regularnie na dwuwymiarowej matrycy. W systemie obrazowania Marsa-3 detektor był tylko jeden. Otrzymanie dwuwymiarowego zdjęcia wymagało poruszania detektorem w pionie i poziomie tak, by punkt po punkcie, linia po linii zeskanować cały marsjański pejzaż.

Precyzyjnie rzecz biorąc, sam detektor był nieruchomy. Umieszczono go w dolnej części metalowego walca. W części górnej (głowicy) znajdowało się niewielkie lusterko oraz okienko. Światło wpadało do wnętrza głowicy przez przeszklony otwór, odbijało się od lusterka i trafiało do detektora. Zwierciadło nieustannie oscylowało góra-dół, zapewniając pionową składową obrazu (wysokość). Wymiar poziomy (szerokość) uzyskiwano poprzez stopniowy obrót głowicy w poziomie (w prawo lub lewo).

Głowica obracała się o pełne 360 stopni, więc instrument w stosunkowo prosty sposób mógł tworzyć obrazy panoramiczne. Lusterko natomiast wychylało się w pionie jedynie w zakresie 29 stopni. To relatywnie niewiele. Istniała obawa, że w kadrze złapie się wyłącznie dalszy krajobraz, a pominięte zostaną grunt i skały tuż koło lądownika. Z tego względu przechylono cały instrument o 16 stopni – najbliższy grunt, jaki był teraz w stanie zobrazować instrument, znajdował się jedynie 150 cm od lądownika.

Sam proces skanowania krajobrazu był dość powolny. Uzyskanie panoramy 360×29 stopni zajmowało około 100 minut. Czas nie do przyjęcia dla zabieganego turysty ze smartfonem, jednak dla sondy marsjańskiej – wręcz idealny. Wolne obrazowanie doskonale korespondowało z niską prędkością transmisji danych. Szybkie przesłanie wielkiego obrazu było w owych czasach po prostu technicznie niewykonalne. A jak duży był ten obraz? Wyrażony współczesną miarą cyfrową miałby 3 megapiksele (6000 kolumn x 500 rzędów).

Historyczna transmisja

Na pokładzie lądownika znalazły się dwa niemal identyczne instrumenty do obrazowania. Pozostaje tajemnicą, czy zaczęły działać jednocześnie, czy – zgodnie z założeniami – jeden uruchomił się od razu po lądowaniu, a drugi czekał na swoją kolej następnego dnia. Pewne jest to, że sygnał z lądownika urwał się niespodziewanie po krótkim czasie. Tu znów nie ma zgodności, czy było to 14 sekund, czy 40 sekund. Zachowane źródła mówią, że na Ziemię dotarły wtedy strzępy danych telemetrycznych i 79 linii obrazu (zaledwie 0,3% całego zdjęcia).

Osobną kwestią jest treść otrzymanego obrazu. Jakkolwiek by na niego nie patrzeć, potrzeba nie lada wyobraźni, by dopatrzyć się zarysu kamienia, linii horyzontu, czegokolwiek. Radzieccy naukowcy uznali, że zdjęcie przestawia wyłącznie szum. W ich ocenie było bezwartościowe i nie czuli potrzeby, by w ogóle szerzej o nim informować. Przez lata pozostawało nieznane opinii publicznej. Tym samym w zapomnienie poszedł swego rodzaju sukces: jakby nie patrzeć, doszło do technicznego aktu transmisji danych z powierzchni Czerwonej Planety.

„Obraz” powierzchni Czerwonej Planety przesłany przez lądownik Marsa-3 (po prawej na dole). Dla porównania, po lewej fragment panoramy Księżyca, uzyskany za pomocą niemal takiego samego sprzętu obrazującego z misji Łuna-9 (na górze cała panoram). Rys. Wikipedia.
„Obraz” powierzchni Czerwonej Planety przesłany przez lądownik Marsa-3 (po prawej na dole). Dla porównania, po lewej fragment panoramy Księżyca, uzyskany za pomocą niemal takiego samego sprzętu obrazującego z misji Łuna-9 (na górze cała panoram). Rys. Wikipedia.

Co gorsza, wszystko wskazuje na to, że w radzieckich (rosyjskich) archiwach nie zachowała się oryginalna transmisja – zapis sygnału z Marsa utrwalony na jakimkolwiek nośniku magnetycznym. To, czym dzisiaj dysponujemy, to jedynie wydruki tamtej transmisji (wykonane w technologii dostępnej w latach 60/70), oraz fotografie tych wydruków. Wydruków było prawdopodobnie kilka, nie wszystkie są identyczne, choć łączy je jedno – na każdym widać wyłącznie szum.

Co poszło nie tak? Hipotez jest wiele, żadnej nie sposób zweryfikować. Większość ocen wskazuje na trudne warunki pogodowe: marsjańską burzę pyłową, która mogła przyczynić się albo do nieprawidłowego ułożenia sondy na gruncie (przez to jej uszkodzenia, dehermetyzacji), albo do wywołania zakłóceń elektrycznych, które uszkodziły pokładowe systemy zasilania. Co by było, gdyby jednak się udało? Naukowcy na Ziemi oczekiwali obrazów podobnych do tych, które z powierzchni Księżyca przesłały lądowniki Łuna-9 i Łuna-13 (choć brak oficjalnej dokumentacji, wiele wskazuje na to, że „oczy” Marsa-3 i wspomnianych sond księżycowych wywodziły się z tej samej rodziny).

Niespełniona nadzieja

Bilans radzieckich misji z 1971 roku był niejednoznaczny. Lądowniki zawiodły, jednak orbitery Mars-2 i Mars-3 działy, choć – niestety – poniżej oczekiwań. Obydwie misje oficjalnie zakończono 22 sierpnia 1972 roku. Na tle całej dekady, program radzieckiej eksploracji Marsa z roku 1971 był bez wątpienia najbardziej udany. Lub trafniej: najmniej nieudany. Dawał cień nadziei, że po latach porażek uda się w końcu zrealizować radziecką misję do Marsa i zakończyć ją sukcesem na miarę misji do Wenus (tu ZSRR nie miał sobie równych).

W 1974 roku Związek Radziecki podjął, jak się miało okazać, ostatnią próbę dotarcia do powierzchni Marsa. Wysłane zostały aż cztery misje: dwa próbniki, które miały wejść na orbitę planety (Mars-4, Mars-5), oraz dwa próbniki, które miały przelecieć koło planety, zrzucając w jej atmosferę lądowniki (Mars-6, Mars-7). Efekty? Mars-4 nigdy nie opuścił orbity Ziemi, Mars-5 dotarł do Marsa i wszedł na jego orbitę, ale zamilkł po 9 dniach. Lądownik Marsa-7 w ogóle nie trafił w planetę, a lądownik Marsa-6 zamilkł w czasie zanurzania się w atmosferze Czerwonej Planety. Przełamanie złej passy nie nastąpiło.

Lata 80. to kolejne porażki, tym razem misji Fobos-1 i -2 (ich celem był już nie tyle same Mars, ile jeden z jego księżyców), oraz rozpad Związku Radzieckiego. Wraz z imperium upadał radziecki program badań planetarnych. Zapaść trwa po dzień dzisiejszy i nic nie wskazuje na to, by sytuacja miała się radykalnie poprawić. Bezużyteczne 79 linii radiowego szumu z lądownika Marsa-3 pozostaje największym osiągnięciem ZSRR/ Rosji w zakresie bezpośrednich badań powierzchni Czerwonej Planety. Jest też przykrym świadectwem tego, że nie zawsze poświecenie i wysiłek inżynierów i naukowców przekładają się na sukces.

Pierwsze czytelne i pełne treści zdjęcie z powierzchni Marsa dotarło na Ziemię 20 lipca 1976 roku. Wykonał je lądownik sondy Viking-1, ale to już inna historia…