Ма́ринер-4 (, букв. — моряк), — автоматическая межпланетная станция программы НАСА Маринер Марс 1964. Космический аппарат предназначался для проведения научных исследований Марса с пролётной траектории, передачи информации о межпланетном пространстве и о пространстве около Марса. Предусматривалось получение снимков поверхности и проведение эксперимента по радиозатмению планетой сигнала со станции для получения информации об атмосфере и ионосфере.
Маринер-4 четвёртый космический аппарат НАСА из серии «Маринер». Головная организация по проектированию, изготовлению и испытаниям Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory или JPL). Разработка отдельных систем выполнялась различными промышленными организациями. Разработка научных приборов выполнялась с участием высших учебных заведений.
Маринер-4 совершил 14-15 июля 1965 года первый успешный пролёт около Марса и стал первым космическим аппаратом, который сделал снимки другой планеты с близкого расстояния и передал их на Землю.
Конструкция
Корпус космического аппарата имеет форму восьмигранника 127 см в ширину по диагонали и 45,7 см в высоту. Корпус негерметичный, из магниевого сплава, разделен на восемь отсеков в которых размещены электронная аппаратура, кабели, коррекционная двигательная установка, ёмкости с газом для системы ориентации и регулирующие устройства. Четыре солнечные батареи с размахом 6,88 м (включая установленные на внешнем крае батарей солнечные паруса) прикреплены к верхней части аппарата. Параболическая антенна диаметром 116,8 см с высоким коэффициентом усиления установлена на верхней поверхности аппарата, а всенаправленная антенна с низким коэффициентом усиления закреплена на мачте высотой в 223,5 см установленной рядом с параболической антенной. В центре нижней поверхности корпуса установлена одноосная сканирующая платформа, которая направляет установленную на ней телекамеру на Марс. Общая высота аппарата 2,89 метра, а масса 261 кг.
Питание для всех систем Маринера-4 обеспечивали 28224 фотоэлементов, собранных в панели размером 176×90 см, которые могли выработать до 310 Вт около Марса, энергия накапливалась в серебряно-цинковом аккумуляторе 1200 Вт·ч.
Для коррекции траектории использовался двигатель, развивающий 222 Н тяги, который работал на однокомпонентном топливе — гидразине.
Полная, трёхосная ориентация аппарата осуществлялась 12 микродвигателями работающими на сжатом азоте, которые были установлены на концах панелей солнечных батарей. В системе ориентации имелись три гироскопа. Сведения об ориентации давали четыре солнечных датчика и либо датчик Земли либо датчик звезды Канопус либо датчик Марса (в зависимости от того где находился космический аппарат). Маринер-4 стал первым космическим аппаратом, который использовал звезду в качестве опорного ориентира для системы ориентации. В космических аппаратах, которые были спутниками Земли или летели к Луне либо Венере, для ориентации использовались: Земля, Луна и Венера, но только освещённая Солнцем их часть. Во время полёта к Марсу и Земля и Марс были слишком тусклыми для захвата датчиками системы ориентации. Потребовался другой яркий объект расположенный под большим углом к Солнцу и Канопус вторая по яркости после Сириуса звезда на небе соответствовала этим требованиям. Впоследствии Канопус использовался в качестве опорного ориентира в других космических программах. Солнечные паруса, каждый площадью 0,65 м², были прикреплены к внешним краям солнечных панелей. Солнечные паруса являлись элементами вспомогательной пассивной системы ориентации.
Аппаратура связи на Маринере-4 состояла из дублированного радиопередатчика S-диапазона и одного радиоприёмника. Аппаратура могла отправлять и получать данные через всенаправленную антенну с низким коэффициентом усиления и антенну с высоким коэффициентом усиления, со скоростью 8⅓ и 33⅓ бит/с соответственно. Данные могли также сохраняться для последующей передачи на бортовом катушечном магнитофоне ёмкостью 5240 тысяч бит.
Работа всей электроники находились под контролем командной подсистемы которая могла обрабатывать любую из полученных с Земли команд (29 команд в виде слов или 3 команды имеющие числовое значение необходимые для выполнения коррекции траектории). Центральный вычислитель и программно-временное устройство отрабатывали хранящиеся в памяти служебные команды, выполняемые последовательно через определенные промежутки времени. В качестве эталона времени применялась синхронизирующая частота 38,4 кГц.
Температурный режим поддерживался за счёт использования установленных над 6 отсеками с электроникой панелей c жалюзи, а также многослойной термоизоляции, защитных экранов из полированного алюминия и специальной обработки внешних поверхностей.
Электронная аппаратура Маринера-4 изготовлена на дискретных элементах. Интегральные микросхемы не использовались. Суммарное количество электронных компонент (конденсаторов, резисторов, диодов, транзисторов и др. 39220). Электронная аппаратура работала в вакууме, только бортовой магнитофон имел герметичный корпус.
Научные приборы На Маринер-4 установлены следующие научные приборы: магнитометр для измерения напряжённости магнитного поля; регистраторы заряженных частиц; детектор солнечной плазмы; ионизационная камера и счётчик Гейгера-Мюллера для исследования космических лучей; детектор метеорных частиц; телевизионная камера для получения снимков поверхности Марса.
Планировали также установить на Маринере-4 ультрафиолетовый фотометр для поиска атомарных водорода и кислорода в верхних слоях атмосферы. Однако при окончательной проверке собранного космического аппарата ультрафиолетовый фотометр после 30 часов пребывания в глубоком вакууме начал сбоить с нестабильностями которые представляли опасность для электроники космического аппарата. Времени для переконструирования и повторного тестирования, если Маринер-4 должен быть готов к запланированному запуску, не было и поэтому научный прибор пришлось удалить из космического аппарата. Его заменили неработающим макетом вместо блока электроники фотометра и макетом датчика на сканирующей платформе чтобы не нарушить её механический и тепловой баланс. Для эксперимента по радиозатмению научные приборы не требовались
Ход полёта
Запуск Запуск 5 ноября 1964 года Маринера-3, предыдущего космического аппарата серии Маринер, завершился аварийно вследствие того, что защитный обтекатель не отделился. После анализа причин неудачного запуска фирма Локхид сконструировала, изготовила и испытала новый обтекатель из магниевого сплава, который заменил использовавшийся при аварийном запуске обтекатель из пластика. Кроме того командная система ликвидации разгонного блока Аджена D была заменена автоматической системой, что частично компенсировало увеличение веса, вызванное применением нового обтекателя.
Запуск состоялся с космодрома на мысе Канаверал в 14:22:01 UTC 28 ноября 1964 года ракетой-носителем Атлас D c разгонным блоком Аджена D. Обтекатель, защитивший космический аппарат от нагрева первые минуты полета в атмосфере, был сброшен в заданное время после старта. Связка разгонный блок Аджена D/Маринер-4 отделилась от ракеты-носителя Атлас D в 14:27:23 UTC. Разгонный блок Аджена D проработал с 14:28:14 до 14:30:38 UTC и вывел связку на опорную орбиту вокруг Земли. Второй пуск разгонного блока, с 15:02:53 до 15:04:28 UTC, вывел связку на траекторию полета к Марсу. Маринер-4 отделился от разгонного блока в 15:07:09 UTC. Солнечные панели развернулись в 15:15:00 UTC и через 16 минут, путём соответствующей ориентации всего космического аппарата, были направлены на Солнце. Затем Маринер-4 начал работать в режиме межпланетного полета.
Наведение на звезду Канопус После наведения на Солнце следовал поиск второго опорного ориентира, которым являлась звезда Канопус. Звёздный датчик был настроен так, чтобы реагировать на любой объект ярче, чем одна восьмая яркости Канопуса и темнее, чем его восьмикратная яркость. Кроме Канопуса существовало 6 таких объектов, видимых для звездного датчика, если Маринер-4 сориентирован на Солнце. Более суток заняли «перескоки» для нахождения Канопуса, поскольку датчик захватывал другой объект: свет от близкой Земли, звёзд Альдерамин, Регул, Наос, Гамма в созвездии Паруса.
В начале полёта часто возникал сигнал ошибки ориентации по крену, который вызывал потерю наведения звездного датчика на Канопус. Наведение терялось шесть раз менее чем за три недели, каждый раз требовалась последовательная серия команд по радио для её восстановления. После изучения неполадки специалисты пришли к выводу, что такое поведение Маринера-4 было вследствие небольших частиц, которые по неизвестным причинам отделялись от космического аппарата и дрейфовали в поле зрения звездного датчика. Солнечный свет, отраженный от частиц, проявлял себя как свечение, эквивалентное свечению яркой звезды, поэтому прохождение частицы в поле зрения датчика вызывало сигнал ошибки ориентации по крену. Когда яркость частицы превосходила верхний предел восьмикратной яркости Канопуса, космический аппарат автоматически прекращал ориентацию на него и начинал поворот по крену для поиска новой звезды. Радиокоманда на удаление верхнего предела были отправлена 17 декабря 1964 года. Предел первоначально был введён для предотвращения ориентации звездного датчика на Землю, но после отлёта от неё не требовался. В дальнейшем потери наведения на Канопус не происходили, хотя сигнал ошибки ориентации по крену появлялся до встречи с Марсом ещё 38 раз.
Коррекция траектории полета Полёт к Марсу продолжался 7½ месяцев. На среднем участке была проведена коррекция траектории. Первоначально планировалось провести её 4 декабря 1964 года, но в связи с потерей наведения звездного датчика на Канопус коррекцию отложили. Коррекция была проведена 5 декабря. Манёвр коррекции состоял из изменения ориентации космического аппарата на строго определенные углы (поворота по тангажу на −39,16 градусов и поворота по крену на 156,08 градусов), работы двигателя в течение 20,07 секунд и восстановления исходной ориентации путём поворотов по крену и тангажу. Изменение скорости полета было выполнено с ошибкой менее 2,5%, повороты по тангажу и крену с ошибкой менее 1%. После успешного манёвра коррекции Маринер-4 пролетал около Марса на расстоянии, близком к первоначально запланированному.
Пролёт около Марса