Startovací okno je časový úsek vhodný pro start nosné rakety, který umožňuje kosmickému tělesu dosažení zvolené dráhy a let s minimální spotřebou paliva. U Marsu je daný jeho polohou vůči Zemi. Protože se obě planety pohybují po eliptických drahách kolem Slunce, každá v jiné vzdálenosti a jinou rychlostí, mění se jejich vzájemná vzdálenost.
Nejmenší je kolem 56 milionů kilometrů, největší kolem 400 milionů kilometrů. Čistě teoreticky, pokud bychom letěli druhou kosmickou rychlostí, dala by se nejkratší cesta zvládnout za 58 dní, zatímco v opačném případě by trvala 414 dnů. Jenže se nelétá po přímých trasách a navíc je nutné, podobně jako při střelbě na pohybující se cíl, o určitý časový úsek „předsadit“, abychom „trefili“ Mars v době, kdy je nám skutečně nejblíže.
 |
Nezbytnou podmínkou pro dosažení Marsu byly dostatečně výkonné nosné rakety, což zpočátku nebylo nic jiného, než přestavěné mezikontinentální balistické střely ICBM (Inter Continental Ballistic Missile). Zde měli Sověti výhodu. Protože neměli dostatečně výkonné strategické bombardéry, byly ICBM logickou volbou.
První ICBM na světě tak byla sovětská R-7 Semjorka (GRAU index 8K71). Navíc měli proti Američanům více než 3× těžší jaderné hlavice, takže nosič musel být výkonnější, což poskytovalo větší rezervu pro náklad nebo dosaženou rychlost. Od rakety R-7 byla odvozena nová čtyřstupňová nosná raketa Molnija (8K78).
Její třetí stupeň byl postaven na základě ICBM R-9A Desna (8K75), používal stejný letový motor 8D715K s tahem 30 kN po dobu 250 sekund. Upraven byl jen řídicí systém. Čtvrtý stupeň označený „Blok L“ vycházel z třetího stupně nosných raket Luna (8K72) označeného jako „Blok E“. Měl však novější motor 11D33 s tahem 66 kN, možností spuštění ve stavu beztíže a systém stabilizace.
Molnija byla delší a samozřejmě těžší než původní raketa R-7. Zatímco nosič prvního Sputniku měl délku 30 metrů a hmotnost 267 tun, další dva stupně zvedly hmotnost na 305 tun a celkovou délku na 43,4 metru.
Start nosné rakety Atlas LV-3 s přidaným stupněm Agena D
Američané používali nosiče odvozené od jeden a půl stupňové ICBM SM-65 Atlas. Zvýšení výkonu dosáhli podobně jako Sověti, přidáním dalšího stupně RM-81 Agena D, který vyvinula firma Lockheed pro vynášení vojenských průzkumných satelitů programu WS-117L. Výhodou bylo, že stupeň měl tříosou stabilizaci a motor Bell XLR81 s tahem 71 kN po dobu 265 sekund a umožňoval opakované zážehy ve stavu beztíže.
Také americký nosič proti původní ICBM přibral a povyrostl. Zatímco SM-65 Atlas byl dlouhý 23,1 metru a měl hmotnost 117 tun, Atlas LV-3 (Launch Vehicle) se stupněm Agena D měl celkovou délku 36 metrů a hmotnost poskočila na 155 tun.
První pokusy
První startovací okno se otevřelo v říjnu 1960. Sověti, v honbě za prvenstvími, zareagovali dvěma sondami, vypuštěnými v rozmezí čtyř dnů. Neúspěšně. Během prvního startu došlo po odhození prvního stupně k silným vibracím, které způsobily selhání gyroskopů a systému kontroly výšky. Důsledkem bylo selhání zážehu třetího stupně, takže těleso nedosáhlo oběžné dráhy, ale jen výšky 120 km. Následně vstoupilo do atmosféry a shořelo nad Sibiří. Ve druhém případě uniklo okysličovadlo z třetího stupně, což způsobilo zamrznutí palivového ventilu, takže nedošlo k jeho zážehu. Ani tato sonda nedosáhla orbitu.
Nákladem byla v obou případech sonda Mars 1M, odvozená od typu Veněra 1, určeného k průzkumu Venuše. Sonda měla zhruba 2 m vysoké válcové tělo s dvěma solárními panely a rozměrnou síťovou anténou. Jejím úkolem byl průzkum meziplanetárního prostoru a samotné planety pomocí UV spektrometru, magnetometru, radiometru, detektoru mikrometeoritů. Pro pořízení snímků nesly sondy televizní kameru. Sondy s hmotností kolem 650 kg měly kolem Marsu jen proletět.
Druhé startovací okno se otevřelo na přelomu října a listopadu 1962. Tentokrát měli Sověti připraveny tři nosné rakety Molnija. Dvě měly nést sondy, které kolem Marsu jen proletí ve vzdálenosti kolem 11 000 km, ale třetí měla na rudé planetě přistát. První start provedený 24. října skončil po explozi třetího stupně rakety Molnija v důsledku úniku maziva z turbočerpadla. Sonda 2MV-4 (2MV = Mars Venuše 2 generace) s hmotností 6 500 kilogramů byla odvozená od sond Veněra 5 a 6.
První sovětské sondy Mars 1 cílové planety nikdy nedosáhly
Při druhém startu 1. listopadu fungovalo vše normálně. Sonda Mars 1 (prakticky identická s 2MV-4) dosáhla parkovací dráhy na orbitu, byla urychlena na druhou kosmickou rychlost a vydala se na cestu k Marsu. Cestou předávala naměřená data zpět na Zemi. Do 21. března 1963 proběhlo celkem 61 relací. Potom se sonda odmlčela. Mars minula ve vzdálenosti 193 000 km.
Cílem třetí mise bylo přistání na Marsu. Bohužel opět selhala nosná raketa Molnija, respektive její třetí stupeň. Ve 260 sekundě letu došlo ke kavitaci v potrubí okysličovadla a později i palivovém potrubí. Výsledkem byly silné vibrace. Náklad sice dosáhl oběžné dráhy, ale vibrace zřejmě přerušily spoje s Blokem L, jehož motory se nepodařilo zažehnout, takže neopustil oběžnou dráhu kolem Země.
První úspěchy
Další startovací okno se otevíralo v listopadu 1964. Tentokrát se k závodu o Mars přidali i Američané. 5. listopadu opustila mys Canaveral raketa Atlas LV-3 Agena D v jejímž nákladovém prostoru byla umístěna nová sonda Mariner 3, která měla proletě kolem Marsu, pořídit snímky jeho povrchu a pomocí sady přístrojů zkoumat meziplanetární prostor a podmínky v blízkosti cílové planety. Start proběhl zdánlivě bez problémů. Stupeň Agena urychlil sondu na dráhu k Marsu, ale telemetrická data ukazovala anomálii. Přístroje fungovaly, ale neotevřely se solární panely. Pokusy o jejich nouzové rozevření selhaly. Po osmi hodinách se vyčerpala kapacita palubních baterií a sonda se odmlčela.
I Američané si byli vědomi faktu, že v případě selhání budou mít další šanci až za více než 2 roky. Proto 28. listopadu opustila startovací rampu další raketa s prakticky identickou sondou Mariner 4. Sondu tvořil osmiboký hořčíkový rám s úhlopříčkou 127 cm a výškou 45 cm. Zásobování energií zajišťovaly 4 solární panely s rozpětím téměř 7 metrů a výkonem 310 W na úrovni Marsu. Přístrojové vybavení zahrnovalo magnetometr, inizační komoru a Geigerovým počítačem, detektor kosmického prachu, detektor slunečního plazmatu a kameru pro snímání povrhu Marsu.
Sonda zvládla start, opuštění orbitální dráhy i opravu dráhy po 7 a půl měsících letu. Ve dnech 14. a 15. července 1965 míjela Mars ve vzdálenosti 9 846 km, rychlostí 7 km/s. Sonda pořídila celkem 21 snímků, což pokrylo asi 1% povrchu. Snímky byly nahrané na magnetický pásek a odvysílané na zem. Přenos jednoho snímku trval zhruba 6 hodin. Všechny snímky se posílaly dvakrát, aby se vyloučily poruchy nebo ztráta dat.
Celkem se jednalo o, z dnešního pohledu směšných, 634 kB dat, včetně údajů z měřicích přístrojů. Pro vědce byly překvapením impaktní krátery podobné Měsíci, i když se později ukázalo, že Mariner 4 náhodou nasnímal oblast, kde jich bylo více, než je typické pro zbytek planety. Dalším překvapením byla řídká atmosféra, mnohem řidčí než se předpokládalo. Američané si připsali dvě prvenství, první blízký průlet kolem Marsu a první snímky povrchu jiné planety pořízené kosmickou sondou.
Sověti dva dny po Marineru 4 vypustili sondu Zond 2 ze série 3MV. Jednalo se o start prakticky na konci startovacího okna. Sonda opustila orbitální dráhu, ale telemetrické údaje ukazovaly poloviční výkon solárních panelů, což mohlo znamenat, že se otevřel jen jeden, nebo že se otevřely oba jen částečně. Druhou verzí bylo zastínění panelů výměníky systému tepelné regulace, které byly na jejich koncích. Každopádně se nepodařilo provést plánované korekce dráhy a mise byla neúspěšná.
Nová prvenství
Další kolo závodu o Mars pokračovalo v prvním čtvrtletí roku 1969. Američané vypustili dvě úspěšné sondy Mariner 6 a Mariner 7, které dosáhly cílové planety, pořídily nové snímky a odeslaly řadu údajů důležitých pro plánování dalších misí. Dvě sovětské sondy Mars 2M nedosáhly oběžné dráhy kvůli závadám na nosiči Proton.
V tomto startovacím okně se obě velmoci vytasily s novými nosnými raketami. Sověti s úplně novou třístupňovou raketou Proton K (8K82). Nosič s celkovou hmotností 667 tun a délkou přes 50 metrů dokázal vynést na nízkou oběžnou dráhu kolem Země 20 tun nákladu. Američané zvýšili výkon nosné rakety Atlas záměnou stupně Agena stupněm Centaur. Motor Centauru, spalující kapalný kyslík a vodík, nabízel 99 kN tahu po dobu 894 sekund.
Montáž neúspěšné sondy Mariner 8, která skončila v hlubinách Atlantiku
Uběhly dva roky a dva měsíce a na vypouštěcích rampách obou velmocí stály připravené další nosné rakety a pod aerodynamickými kryty na jejich přídích nové družice. „Palbu“ na Mars zahájili Američané. Mariner 8 vypuštěný 9. května 1971 se zřítil do Atlantiku po tom, co musel být v 365 sekundě letu odstaven motor stupně Centaur, v důsledku vibrací. Sovětský pokus se sondou Kosmos 419 o den později také selhal. Dosáhl sice oběžné dráhy, ale kvůli špatně nastavenému časovači se nepodařilo zažehnout motory urychlovacího stupně, který měl sondu poslat k Marsu.
První měkké přistání
Nicméně po předcházejícím americkém úspěchu byli Sověti odhodláni to Američanům „natřít“, na Marsu nejen přistát, ale vysadit tam i první „marsochod“. K tomuto účelu měli připravené další dvě nosné rakety Proton K, v jejichž nákladových prostorech byly uložené identické sondy Mars 2 a Mars 3, které se skládaly ze dvou částí, orbitální a přistávací. Celá sonda měla hmotnost 4 625 kilogramů z toho přistávací modul 1 000 kilogramů.
19. května 1971 opustila rampu kosmodromu Bajkonur raketa Proton K se sondou Mars 2. Orbitální část patřící k nové generaci 4MV dosáhla 27. listopadu 1971 Marsu. Brzdicí motory zafungovaly bezchybně a modul zaujal oběžnou dráhu kolem Rudé planety. Stal se její druhou umělou družicí. Celkem provedl 362 oběhů, po dráze 1 380 – 25 000 kilometrů s periodou 18 hodin. Na Zemi odeslal 60 snímků a řadu dat o složení atmosféry, magnetickém poli, teplotě atd.
Horší to bylo s další částí programu. Přistávací modul se úspěšně oddělil od orbitální části a vstoupil do atmosféry Marsu rychlostí zhruba 6 km/s. Sestupová sekvence však neprobíhala podle plánu. Nedošlo k otevření brzdícího padáku a modul dopadl na povrch planety. Důvodem byla pravděpodobně příliš strmá sestupová trajektorie. Spojení s modulem se nepodařilo navázat. Mars 2 byl první, člověkem vyrobený objekt, který zasáhl jinou planetu naší sluneční soustavy.
Druhou sovětskou sondu Mars 3, vynesla raketa Proton K 28. května 1971. Orbitální modul „zaparkoval“ 2. prosince 1971 na oběžné dráze Marsu a stal se jeho třetí umělou družicí. Pohyboval se po silně excentrické dráze ve výšce 1 500 – 190 000 kilometrů s periodou 19 dní. Provedl 20 oběhů, během nichž odeslal na Zemi soubory dat doplňující údaje sondy Mars 2.
Přistávací kapsle sondy Mars 3 s černou "krabičkou" marsochodu PrOP-M na boku
Tentýž den se od orbiteru oddělil přistávací modul, jehož kapsle úspěšně dosedla na povrch Marsu. Sověti měli další vytoužené prvenství, nicméně vědecká hodnota této části mise nebyla velká. 90 sekund po přistání zahájila kapsle vysílání prvních snímků povrchu planety. Sekvence však byla přerušena po pouhých 14,5 sekundách a odvysílání 79 řádků obrazu. Pravděpodobnou příčinou byla silná prachová bouře, která zuřila na povrchu planety (viz dále). Vzhledem k tomu, že se PrOP-M nepodařilo vysadit, o jeho existenci nikdo dalších 20 let nevěděl.
Přistávací modul sondy Mars 3Přistávací modul byl umístěn na horní části orbitální části sondy Mars 3. Jeho nejtypičtější část tvořil kuželový tepelný štít, s průměrem 2,9 metru, který zajistil třením o atmosféru snížení rychlosti ze zhruba 6 km/s tak, aby bylo možné otevřít brzdicí padák. Ten zajistil další snížení rychlosti na 60 m/s. Sonda odhodila tepelný štít a podle signálu radiovýškoměru došlo ve výšce kolem 30 metrů k zážehu brzdicích raketových motorů na tuhé pohonné hmoty a odhození padáku. Na povrch Marsu dopadla přistávací kapsle, s hmotností 355 kilogramů rychlostí kolem 20 m/s. Při dopadu ji chránilo pouzdro vyplněné pěnou. To se po dosednutí rozdělilo na dvě části. Kapsle měla tvar koule s průměrem 1,2 metru, se čtyřmi rozevíracími opěrami, které ji po dosednutí "postavily" do svislé polohy. Na palubě měla dvě kamery se zorným polem 360o, snímače teploty, tlaku a rychlosti větru a další měřicí přístroje. Na kapsli byla i sovětská vlaječka. Kapsle nesla na vyklápěcím rameni průzkumné vozítko, určené ke zjišťování průchodivosti, označené PrOP-M (Pribor Ocenky Prochodimosti). Vozítko s hmotností 4,5 kilogramu se mohlo pohybovat pomocí kráčivých ližin až do vzdálenosti 15 metrů od kapsle, což bylo dané délkou napájecího kabelu. PrOP-M nesl na palubě dynamický penetrometr a radiační densitometr. Měření měl provádět po každém 1,5 metru. Vozítko bylo vybaveno jednoduchým systémem vyhýbání se překážkám. Pokud na nějakou narazilo, udělalo "krok" vzad a záběrem jedné ližiny udělalo "zatáčku" a tak pokračovalo, dokud se překážce nevyhnulo. |
Vraťme se k tomu, proč nebyly orbitální moduly Mars 2 a 3 první a druhou umělou družicí Marsu? Američané vypustili 30. května 1971 z rampy LC-36B nosnou raketu Atlas SLV-3C Centaur-D se sondou Mariner 9. Bezmála tunu vážící sonda se od svých předchůdkyň lišila především modernější kamerou s rozlišovací schopností 98 metrů na pixel, proti dřívějším zhruba 790 metrům na pixel. Cílem mise bylo zmapovat 70 % povrchu planety.
První umělá družice Marsu, sonda Mariner 9
Mariner 9 byl mimořádně úspěšný. Jednak dosáhl oběžné dráhy kolem Marsu již 14. listopadu 1971, čímž Američané vyfoukli Sovětům vítězství v závodě o první umělou družici Marsu. V době, kdy Mariner 9 dorazil k Marsu, zuřila na jeho povrchu prachová bouře, zakrývající většinu povrchu. Operátorům ze Země se podařilo přeprogramovat počítač sondy a odložit zahájení snímkování až na polovinu ledna následujícího roku, kdy se bouře uklidnila.
Mariner 9 strávil na orbitální dráze 349 dnů a na mateřskou planetu odeslal 7 329 snímků pokrývajících 85 % povrchu planety. Vědci dostali do rukou detailní záběry „koryt řek“, impaktních kráterů, sopek, včetně nejvyššího vulkánu sluneční soustav Olympus Mons s výškou téměř 27 km. Mariner nasnímal také oba satelity Marsu Phobos a Deimos. Předpokládá se, že Mariner 9 zanikne v atmosféře Marsu někdy v roce 2022.
