Сериозен размах: Джеф Безос ще изгражда интернет не къде да е, а на Марс

Американската космическа агенция НАСА направи важна крачка към промяна на цялата структура на изследванията на Марс. Компанията Blue Origin, собственост на предприемача Джеф Безос, спечели голям договор за разработване, изграждане и изстрелване на специализиран космически апарат, който ще поеме предаването на цялата информация между Марс и Земята. Стойността на програмата възлиза на до 700 милиона долара. Новият сателит трябва да бъде готов до края на 2028 г., а до 2030 г. той ще започне да функционира пълноценно в орбитата на съседната на Земята планета.

Това решение не се дължи просто на желанието да се обнови техниката. Марсианската изследователска програма достигна момент, в който старата система за връзка вече не справя със задачите си и рискува да излезе напълно от строя през следващите няколко години.

Как се осъществява днес предаването на данни от Марс

Марсоходите и стационарните спускаеми платформи, работещи на повърхността на Марс, са оборудвани с научни уреди: спектрометри, сондажни инсталации, метеорологични станции и камери с висока разделителна способност. По време на работата си те събират десетки GB информация. Апаратите обаче практически не могат да изпращат тези данни директно на учените на Земята.

Причината се крие във физическите ограничения на бордовото оборудване. Разстоянието между Земята и Марс постоянно се променя поради движението на планетите по орбитите им, от 55 до над 400 милиона km. Радиосигналът неизбежно губи мощност при преминаването на такива разстояния. За да се преодолее това разстояние и да се предаде сигналът към наземните приемни антени, е необходим много мощен радиопредавател и голяма антена, която трябва да се насочи към Земята с висока точност.

Марсоходите не разполагат с ресурси за такава работа Източниците на захранване на ровърите осигуряват строго ограничено количество ватове енергия. Основната част от тази мощност се изразходва за отопление на електрониката през студените марсиански нощи, за работата на двигателите на колелата и за функционирането на научните уреди. Пряката връзка със Земята изисква огромни разходи на електроенергия, но осигурява незначителна скорост на предаване, от няколкостотин бита до няколко kb/s. За да предаде директно една снимка с добро качество, марсоходът би трябвало да работи непрекъснато в продължение на няколко часа, като напълно спре останалите научни операции.

По тази причина инженерите преди много години въведоха двустепенна схема за предаване на данни. На марсоходите са монтирани малки радиопредаватели, работещи в ултракъсовълновия диапазон. Те консумират малко енергия и излъчват сигнал във всички посоки. Когато над района на работа на ровъра прелита един от изкуствените сателити на Марс, марсоходът за няколко минути прехвърля към него натрупаните файлове със сравнително висока скорост.

Орбиталният сателит съхранява тези данни в паметта си. Тъй като спътникът се намира в космоса, той може да носи големи слънчеви батерии, генериращи kW енергия, и тежка параболична антена с диаметър от няколко метра. Спътникът насочва тази антена към Земята и предава информацията към възлите на мрежата за далечни космически комуникации на NASA.

Остаряване на действащата орбитална група

Тази схема показва изключителна надеждност, но днес тя е на прага на изчерпване на експлоатационния си ресурс. Цялата действаща система за комуникация с Марс се поддържа от изследователски спътници, които бяха изпратени към планетата преди много години.

„Mars Odyssey“ се намира в орбита около Марс от есента на 2001 г. Апаратът работи вече четвърт век. Неговите бордови системи многократно са надхвърлили предвидения експлоатационен срок. През последните години инженерите са принудени постоянно да измислят софтуерни решения, за да компенсират отказите на спомагателните сензори и влошаването на състоянието на батериите. „Mars Reconnaissance Orbiter“ (MRO) беше изстрелян през 2005 г. Именно той и досега предава на Земята лъвския дял от всички данни от марсоходите „Curiosity“ и „Perseverance“. Механичните жироскопи обаче, отговарящи за ориентацията на апарата в пространството, са износени. На борда постепенно се изчерпва горивото, необходимо за поддържане на желаното положение в орбита. MAVEN пристигна до Марс през 2014 г. Този сонда е проектирана за изследване на горните слоеве на марсианската атмосфера, а не за постоянно препредаване на чужди данни. Той се използва като комуникационен възел по необходимост, за да се намали натоварването върху MRO.

Европейската космическа агенция също помага на колегите си от НАСА с помощта на своя апарат „Trace Gas Orbiter“, но и неговите възможности са ограничени.

Ако в следващите години сателитите „Odyssey“ и „MRO“ престанат да функционират поради повреда на оборудването или недостиг на гориво, връзката с апаратите на повърхността на планетата ще се сведе до критичен минимум. Марсоходите няма да могат да изпращат на Земята видеозаписи, сложни триизмерни панорами и подробни данни от георадарите. Цялата научна работа ще се забави десетки пъти.

Подробности за споразумението: какво точно предстои да направи Blue Origin

Осъзнавайки тази заплаха, НАСА обяви конкурс за създаване на специализирана система за комуникации – Mars Telecommunications Network. През месец май 2024 г. агенцията публикува техническите изисквания, а победител в конкурса стана компанията Blue Origin.

Договорът е сключен по схема с твърда фиксирана цена. Максималният размер на финансирането възлиза на около 700 милиона долара. Това е важна финансова подробност: при такава форма на договор възложителят плаща строго договорена сума за крайния резултат. Ако компанията срещне затруднения в процеса на разработка, преработка на системите или изпитвания, тя е длъжна да покрива непредвидените разходи от собствени средства, а не за сметка на държавния бюджет.

Съгласно условията на споразумението Blue Origin поема целия комплекс от работи „под ключ“:

Проектиране на платформата на космическия апарат; Разработване и интегриране на радиоелектронното оборудване с висока мощност; Провеждане на наземни тестове и подготовка за изстрелване; Изстрелване на апарата към Марс; Поставяне на сателита в зададената марсианска орбита; Ежедневно управление на полета и поддържане на връзка през цялата мисия.

Крайният срок за доставка на готовия апарат на агенцията е 31-ви декември 2028 г. След полета до Марс и излизането в стабилна работна орбита станцията трябва да започне предаването на информация през 2030 г. Ръководството на проекта от страна на държавата е възложено на подразделението на НАСА за космически комуникации и навигация (SCaN).

Защо специализираният комуникационен сателит е по-ефективен от научните апарати

Досега всеки сателит, летял към Марс, е бил създаден преди всичко за научна работа. На тях са се монтирали фотоапарати, спектрометри, радари за сондиране на подпочвения лед и сензори за магнитни полета. Предавател за връзка с марсоходите се добавяше на борда като спомагателно устройство.

Това пораждаше постоянен технически конфликт между задачите:

За да направи снимка на каньона, сондата трябва да обърне целия си корпус така, че обективът да сочи точно надолу, към повърхността на планетата. За да се заредят акумулаторите, слънчевите панели трябва да се обърнат към Слънцето. За да се предаде сигнал към марсохода, антената за близка връзка трябва да се насочи към нужния район на марсианската повърхност. За да се предава едновременно с това информация към Земята, основната антена за далечно действие трябва да се поддържа насочена към нашата планета с точност до части от градуса.

Извършването на всички тези действия едновременно е механично невъзможно. Затова инженерите трябваше да изготвят сложни графици: няколко часа спътникът снима повърхността, след това се обръща за зареждане, след това прекъсва наблюденията, за да приеме сигнал от марсохода, и едва в строго определени часове предава данните към Земята.

Апаратът на Blue Origin ще бъде първият специализиран апарат край Марс, на който няма да има научни инструменти. Цялата маса на спътника, цялото полезно пространство на неговия корпус и цялата произвеждана електроенергия ще бъдат отделени за телекомуникационни системи.

Това дава на апарата няколко конструктивни предимства наведнъж:

Постоянна ориентация. Антените на сателита ще могат непрекъснато да проследяват Земята и марсианските спускаеми платформи, без да се налага да се отклоняват за научни наблюдения. Висока мощност на сигнала. Тъй като няма нужда да захранват научни уреди, инженерите могат да монтират на апарата предаватели с повишена мощност. Това многократно ще увеличи скоростта на предаване на данни към Земята. Голям обем буферна памет. Спътникът ще може да приема от изследователските роботи огромни масиви от необработена информация, освобождавайки паметта на марсоходите за следващите работни дни. Навигация и подкрепа при сложни кацания

Функциите на новия апарат няма да се ограничават само до просто препращане на файлове. Blue Origin трябва да реализира в спътника навигационни възможности.

Понастоящем определянето на точните координати на апаратите на Марс изисква сложни измервания от Земята чрез радиоинтерферометрия. Новият спътник ще може да изпраща стандартизирани навигационни радиосигнали директно към повърхността на планетата. Това ще позволи на бъдещите колесни роботи и автоматични модули за кацане да определят своето местоположение в пространството по-бързо и по-точно.

Освен това спътникът ще играе ключова роля по време на кацането на нови мисии на планетата. Влизането в атмосферата на Марс, аеродинамичното забавяне, отварянето на парашута и включването на кацателните двигатели продължават около седем минути. През този период апаратът с огромна скорост пробива плътните слоеве на газовата обвивка. Всяка грешка в работата на системите може да доведе до катастрофа.

Новият орбитален ретранслатор ще осигури непрекъснат прием на телеметрични данни по време на кацането в режим на реално време. Дори ако кацащият апарат се отклони от курса или се сблъска с извънредна ситуация, инженерите на Земята ще получат подробен запис на работата на всички възли на всяка минута, без „слепи зони“ и закъснения.

Преход към комерсиален модел в далечния космос

Договорът за комуникации с Марс отразява фундаментална промяна в стратегията на NASA, която продължава вече второ десетилетие.

Исторически агенцията е строила космически кораби по държавен модел: инженерите на NASA изготвяха подробни чертежи на всеки възел, наемаха отбранителни подизпълнители за сглобяването, а след това приемаха апарата в държавна собственост и го управляваха от ведомствени бази.

В началото на 2010-те години NASA изпробва друга схема в околоземна орбита. Агенцията предложи на частни компании самостоятелно да създадат товарни, а след това и пилотирани кораби за доставка на астронавти до Международната космическа станция. Така се появиха товарните кораби Dragon на компанията SpaceX и Cygnus на компанията Northrop Grumman, а след това и пилотираният кораб Crew Dragon. Държавата престана да притежава космически кораби, тя започна да закупува услугата за доставка на тон товар или един астронавт.

След това същият модел беше приложен към Луната в рамките на програмата CLPS: частни компании строят леки кацателни апарати, а NASA просто резервира място на тях за своите уреди.

Сега тази практика се разширява и към междупланетарната инфраструктура. NASA вече не планира да изразходва инженерните си ресурси за изграждането на спътници-ретранслатори за другите планети. Агенцията закупува капацитет на комуникационния канал като услуга от частна компания. Това позволява да се облекчи натоварването върху научните институти и да се съсредоточат държавните средства върху създаването на сложни изследователски комплекси, сондажни станции и подготовката на пилотирани експедиции.

За Blue Origin тази сделка означава преминаване на ново ниво. Компанията, която дълго време се възприемаше само като разработчик на суборбитални туристически ракети и тежкия носител New Glenn, поема отговорността за критично важен елемент от цялата американска марсианска програма.