«Земля и Вселенная» 2002 №6, с. 25-36

Одним из притягательных объектов исследований для планетологов считается спутник Марса Фобос, содержащий, как предполагается, реликтовое вещество. Российские ученые разработали научную программу по доставке образцов грунта Фобоса на Землю, а конструкторы НПО им. С.А. Лавочкина — автоматическую межпланетную станцию по проекту "ФОБОС-грунт". В статье рассказывается об этой перспективной миссии.

ПОЧЕМУ ИМЕННО ФОБОС?


Снимок Фобоса, сделанный с борта АМС "Фобос-2" в феврале 1989 г. Фото ИКИ РАН.

Фобос, один из спутников Марса, открыт американцем А. Холлом еще в 1877 г. Первые фотографии Фобоса и Деймоса (второго спутника Марса) получены в ноябре-декабре 1971 г. американской АМС "Маринер-9". Что же известно о Фобосе? Фобос обращается вокруг Марса практически в плоскости его экватора на среднем расстоянии около 6000 км, делая оборот за 7 ч 39 мин (Земля и Вселенная, 2002, № 2). Форма его напоминает картофелину с размерами 27 х 22 х 19 км, а наибольшая ось всегда ориентирована вдоль линии, соединяющей его центр с центром Марса. С Марса всегда видна половина Фобоса, так же как с Земли видна только одна сторона Луны. Из-за малых размеров и массы у Фобоса очень слабая гравитация — сила тяжести на нем в 1600 раз меньше земной. Фобос постепенно снижается — высота орбиты уменьшается на 9 м за каждые 100 лет. Через 40 млн. лет его период обращения уменьшится с 7.65 до 1.7 ч, и спутник разрушится. Заметное торможение Фобоса в марсианской атмосфере было даже поводом для появления гипотезы об искусственном происхождении этого спутника...

Главная причина научного интереса к Фобосу заключается в том, что он относится к числу малых тел Солнечной системы, состоящих, возможно, из реликтового вещества — то есть того, из которого формировались планеты. По наиболее распространенной гипотезе о происхождении Фобоса и Деймоса, они могли быть астероидами, захваченными гравитационным полем Марса. На малых телах, таких как астероиды и кометы, нет вулканических и тектонических явлений, существенно изменяющих их первоначальный состав. Поэтому сравнение свойств первородного вещества с физико-химическими свойствами вещества планет, измененных, в основном, их внутренними вулканическими и тектоническими процессами, позволит уточнить космогонические теории происхождения и эволюции Солнечной системы. Наибольший научный результат могут дать исследования образцов реликтового вещества в земных лабораториях. Здесь используется весь арсенал научных методов и инструментов, что, конечно, недоступно в таком объеме и с такой точностью на автоматических космических аппаратах. Поэтому необходимо с помощью космической техники доставить на Землю образцы вещества Фобоса.

В конце 1970-х гг. разработка соответствующих космических средств была поручена НПО им. С.А. Лавочкина как головной организации по созданию АМС. К тому времени Объединение накопило большой опыт в изготовлении АМС для исследования Марса, Венеры и Луны. Здесь, например, построены первые в мире луноходы и первые в мире аппараты, автоматически доставившие на Землю образцы лунного грунта.

Этот опыт позволил комплексно решать задачу доставки на Землю образцов грунта Фобоса — вновь разрабатываемый космический аппарат должен стать базовым для исследований не только Фобоса, но и других тел Солнечной системы и Вселенной.

Таким предполагалось зависание АМС "Фобос-2" над поверхностью Фобоса. Рисунок НПО им. С А. Лавочкина.

Техническая сложность экспедиции по доставке образцов грунта Фобоса на Землю, а также недостаточное финансирование привели к решению о поэтапной ее реализации с сохранением максимальной преемственности. На первом этапе отрабатываются операции сближения с Фобосом, второй — включает операции взятия образцов грунта и доставки их на Землю.

Запуск космических аппаратов первого этапа, намеченный на 1984 г., был перенесен на 1986 г. Стартовали два аппарата только в июле 1988 г. Предстояла очень интересная и насыщенная научно-техническими исследованиями миссия (Земля и Вселенная, 1988, №№ 3, 5, 6; 1989, №№ 2, 5, 6). Отметим основные ее задачи и особенности.

Научная программа с привлечением международной кооперации помимо комплексных исследований Фобоса предусматривала исследования Марса, Солнца и космического пространства. Основной и уникальный ее этап — сближение с Фобосом до высоты 50 м, зависание и полет на этой высоте в течение 15 мин для проведения телевизионной съемки и научных экспериментов. При зависании КА на поверхность Фобоса должны были сбрасываться передвижной зонд и долгоживущая автономная станция.

Структурно космический аппарат состоял из двух конструктивно независимых модулей — автономной маршевой двигательной установки и служебного модуля, содержащего необходимые служебные системы для обеспечения функционирования аппарата на всех этапах его работы. Конструктивно-силовой основой служебного модуля являлся торовый герметичный приборный контейнер. К нижней его части пристыковывалась автономная двигательная установка, а верхняя часть служила для размещения полезной нагрузки. В миссии "ФОБОС-88" — это отсек научной аппаратуры, а в эксперименте по доставке на Землю образцов грунта Фобоса там должна была устанавливаться взлетная ракета.

Итак, 7 и 12 июля 1988 г. успешно выведены на траектории полета к Марсу два аппарата проекта "ФОБОС-88". Создание и запуск двух станций повышала надежность экспедиции. Связь с АМС "Фобос-1" прервалась 2 сентября 1988 г. из-за ошибочной команды, посланной с Земли. С осторожностью и надеждой специалисты вели "Фобос-2" все ближе к Марсу и Фобосу. 29 января 1989 г. он — на орбите искусственного спутника Марса, 21 марта 1989 г. — уже на орбите, только на 200-400 км отличающейся от орбиты Фобоса. Все шло как будто неплохо, но... 29 марта 1989 г. во время проведения в автономном режиме операций по съемке Фобоса связь с аппаратом была потеряна и больше не восстановилась. Несмотря на неудачу, "Фобос-2" выполнил программу дистанционного исследования Фобоса и Марса.

Много времени ушло на поиски возможных причин произошедшего и на размышления о том, что делать дальше с марсианской программой. В конце концов, взвесив все возможности, включая финансовые, ученые и техники нашли оптимальный вариант экспедиции — искусственный спутник Марса с четырьмя зондами на его поверхности, причем два из них обеспечивали внедрение датчиков в поверхность Марса на несколько метров.

Модульное построение аппаратов проекта "ФОБОС-88" позволило использовать технологию их создания и оставшийся задел для АМС по проекту "МАРС-94/96", стартовавшей 16 ноября 1996 г.

Научная аппаратура посадочных зондов и искусственного спутника Марса создавалась российскими академическими институтами в широкой международной кооперации (Земля и Вселенная, 1994, № 4; 1996, № 4). Служебные системы были модернизированы в соответствии с рекомендациями, разработанными по результатам полета станций "Фобос-1 и -2". Но "Марс-96" подстерегла еще более горькая случайность — аппарат не покинул околоземную орбиту из-за сбоя в работе разгонного блока "Д" ракеты-носителя "Протон" и упал в мировой океан.

ИДЕЯ ПРОЕКТА "ФОБОС-ГРУНТ"

Эти неудачи и нараставшие трудности с финансированием заставили задуматься о необходимости создания аппаратов нового поколения, использующих для запуска ракеты-носители среднего класса "Союз", более дешевые, чем тяжелые "Протоны".

НПО им. С.А. Лавочкина совместно с Институтом космических исследований, Институтом геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН и Центральным научно-исследовательским институтом машиностроения Росавиакосмоса изучили и обосновали возможность создания многоцелевого служебного модуля нового поколения массой 400-500 кг вместо аналогичного модуля массой 2 т для проектов "ФОБОС-88" и "МАРС-96".

Одновременно искали вариант научно-значимой экспедиции, способной объединить усилия ученых и техников в условиях весьма ограниченного финансирования, с целью включения ее в Федеральную программу фундаментальных космических исследований России до 2005 г.

Такой экспедицией стал проект "ФОБОС-грунт" по доставке на Землю образцов грунта Фобоса. Основные научно-технические задачи этой экспедиции: посадка на Фобос, взятие образцов грунта и доставка на Землю спускаемого аппарата с образцами грунта; их комплексное изучение; определение физических и химических характеристик Фобоса, особенностей его внутреннего строения, орбитального и собственного движения; исследование физических условий околопланетной среды вблизи Фобоса; дистанционное исследование атмосферы и поверхности Марса.

Основные технические требования к космическому комплексу — запуск АМС с помощью РН "Союз" и проектирование его как базового многоцелевого с возможностью использования для перспективных космических полетов АМС и астрофизических обсерваторий. Эта задача решена в рамках технического предложения и эскизного проекта, разработанных в 2000-02 гг.

Что же позволило уложиться в массово-энергетические возможности РН "Союз", которые в три раза меньше, чем у "Протона"? Есть ли какая-либо преемственность между космическими аппаратами проекта "ФОБОС-88" и проектируемой АМС "ФОБОС-грунт"?

Схема перелета к Марсу по проекту "ФОБОС-грунт". Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

Рассмотрим некоторые этапы планируемой миссии, а также особенности структурного и конструктивного построения космического аппарата.

СХЕМА ПОЛЕТА АМС

При обычной схеме три ступени ракеты-носителя и разгонный блок выводят космический аппарат на межпланетную траекторию. В данном проекте космический аппарат одновременно является и разгонным блоком; в его составе есть двигательная установка выведения (ДУВ), практически полностью аналогичная маршевой двигательной установке разгонного блока "Фрегат". По сравнению со стандартным "Фрегатом" выигрыш в массе составляет около 400 кг при запуске на межпланетную траекторию полета. В России впервые создается самовыводящийся КА, совмещающий функции космического аппарата и разгонного блока, что на 20-25% увеличивает массу полезной нагрузки и на 25-30% сокращает стоимость запуска. После выведения АМС на промежуточную высокоэллиптическую околоземную орбиту включается маршевый двигатель ДУВ, и станция переводится на отлетную траекторию полета. На межпланетной траектории ДУВ отделяется от космического аппарата. Сообщенного при таком старте импульса скорости АМС хватает для выхода за пределы сферы действия Земли, но не хватает для достижения орбиты Марса. Для этого применяется электроракетная двигательная установка (ЭРДУ), удельный импульс которой в 6 раз превышает удельный импульс ЖРД. До сих пор в России ЭРДУ не использовалась в качестве маршевой для межпланетных полетов.

Разгон АМС с помощью двигателей малой тяги на трассе Земля — Марс является одной из ключевых задач полета и должна быть надежно решена при минимальной массе посадочной станции со взлетной ступенью. Спускаемый аппарат очень упрощен, но без ущерба для выполнения посадки в заданный район Земли. Упрощение заключается в отсутствии в нем каких-либо элементов конструкции и систем, требующих управления их работой при полете к Земле. Его спуск в атмосфере Земли подобен метеорным телам — кинетическая энергия входа в атмосферу гасится только путем аэродинамического торможения без использования парашютов и им подобных аэротормозных устройств.

Аэродинамическая форма спускаемого аппарата обеспечивает его самоориентацию лобовым теплозащитным экраном против набегающего потока, а диаметр экрана выбран таким, чтобы скорость посадки была около 35 м/с. Энергия удара о поверхность Земли поглощается амортизирующим материалом, окружающим герметичный контейнер с грунтом, радиоаппаратуру поиска и обнаружения с химическим источником тока. При этом подключение источника тока к радиоаппаратуре производится извне, с борта возвращаемого аппарата, в составе которого спускаемый аппарат подлетает к Земле.

В результате масса спускаемого аппарата будет всего 10 кг при максимально возможной массе образцов грунта Фобоса 0.4— 0.5 кг, в зависимости от его плотности. Следует отметить, что увеличение массы спускаемого аппарата на 1 кг требует увеличения начальной массы космического аппарата на 15 кг.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ



АМС "Фобос-грунт" в сложенном положении под обтекателем РН "Союз" во время запуска. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

В составе комплекса нет разгонного блока. Структурно АМС состоит из автономных модулей, основной из них — многоцелевой служебный модуль, способный нести полезные нагрузки различного назначения. В экспедиции по доставке на Землю образцов грунта Фобоса — это взлетная ракета со спускаемым на Землю аппаратом. Она также построена по модульному принципу: взлетная ступень, возвращаемый и спускаемый аппараты. Мозговой центр многоцелевого служебного модуля и АМС в целом — перелетный модуль со всеми системами, обеспечивающими управление работой АМС. Двигательная установка выведения также строится по модульному принципу — маршевая двигательная установка с ЖРД и ЭРДУ. Жидкостный двигатель в сочетании с ЭРДУ целесообразно применять при полетах с большими импульсами тяги и длительным временем выведения, т.к. тяга электроракетного двигателя — около 0.3 Н.

Такая структура обеспечивает использование многоцелевого служебного модуля в полетах к планетам и малым телам Солнечной системы, к Солнцу, для выведения полезных нагрузок различного назначения на околоземные орбиты, в том числе геостационарную, а также в либрационные точки системы Земля — Луна — Солнце.

Конструктивная особенность АМС — минимальный объем, занимаемый многоцелевым служебным модулем под головным обтекателем ракеты-носителя. Вся служебная аппаратура разработана для работы в открытом космосе и вместо гермоотсека размещается на цилиндрической проставке, представляющей собой одновременно корпус перелетного модуля и переходный элемент между двигательной установкой с ЖРД и полезной нагрузкой. Внутренняя полость проставки может быть использована для размещения электроракетной двигательной установки или полезной нагрузки.

Все служебные системы АМС построены на современной элементной базе и схемно-структурной основе — едином комплексе с центральной бортовой ЭВМ. Это позволило существенно уменьшить массу служебных систем (в том числе терморегулирования), кабельной сети и элементов крепления аппаратуры, а также снизить электропотребление. В результате удалось создать перелетный модуль нового поколения массой около 0.5 т с широкими возможностями выполнения различных космических программ. В настоящее время стала реальной миссия по доставке на Землю образцов грунта Фобоса при запуске на РН "Союз" вместо "Протона".


Вид станции на траектории полета к Марсу. Панели солнечных батарей площадью 60 м² развернуты. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

Новая межпланетная миссия включает следующие этапы: выведение на отлетную от Земли траекторию; перелет Земля — Марс; полет в сфере действия Марса, сближение с Фобосом и посадка на него; взятие образцов грунта Фобоса, старт с Фобоса и полет по орбите ожидания; старт с орбиты ожидания, перелет Марс -Земля, вход в атмосферу Земли и посадка; поиск и эвакуация спускаемого аппарата с образцами грунта Фобоса. Вероятная дата запуска АМС по проекту "ФОБОС-грунт" — 2005-07 гг.

На траекторию полета к Марсу космический аппарат выводят три ступени РН "Союз" и двигательная установка станции. Чтобы уменьшить гравитационные потери и повысить точность траекторных параметров, используются промежуточные переходные орбиты ИСЗ. Эти операции могут занять несколько суток, после их выполнения двигательная установка выведения отделяется от АМС, на ней раскрываются панели солнечных батарей, измеряются траекторные параметры движения и осуществляется подготовка к работе электроракетной двигательной установки. Выбирается оптимальное распределение импульсов тяги между двигательной установкой выведения и ЭРДУ с целью увеличения массы космического аппарата при подлете к Марсу.

Маневры перелетного модуля при сближении с Фобосом и при посадке на его поверхность. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

Через 20 суток после старта, когда закончатся подготовительные операции, будет включена ЭРДУ. Ее задача — доставка АМС в сферу действия Марса и выравнивание скорости движения станции с орбитальной скоростью Марса. Так как тяга электроракетного двигателя всего 0.3 Н и зависит от электрической мощности солнечных батарей, которая по мере приближения к Марсу уменьшается, то создаваемое им ускорение изменяется от 0.15 мм/с до 0.1 мм/с, что в 20-30 тыс. раз меньше ускорения ЖРД. Поэтому чтобы набрать необходимый импульс тяги, электроракетный двигатель должен работать примерно 450-500 сут. Мощность электроракетной двигательной установки — около 6.5 кВт, поэтому площадь солнечных батарей с учетом потребностей других систем аппарата — 60 м². В стартовом положении они компактно сложены на перелетном модуле. Выполнив задачу, ЭРДУ и солнечные батареи отделяются от АМС.

Вид посадочной станции: вверху — взлетная ракета (ступень) с шаровыми топливными баками, возвращаемым и спускаемым (капсула с грунтом) аппаратами; внизу — опоры, панели солнечных батарей и микродвигатели, прижимающие аппарат к поверхности Фобоса. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

Активные маневры на орбите Марса проводятся с использованием двигательной установки взлетной ракеты. Их цель — выведение космического аппарата на орбиту наблюдения, которая выше орбиты Фобоса примерно на 500 км. Это обеспечивает возможность прохождения аппарата вблизи Фобоса с периодичностью в несколько суток. В процессе сближения с борта АМС проводятся телевизионные навигационные наблюдения Фобоса, в результате которых его координаты уточняются до 5 км. Это позволяет аппарату перейти на квазисинхронную с Фобосом орбиту, лежащую в плоскости его обращения, но смещенную в перицентре в сторону Марса на 60-70 км, а в апоцентре — на такую же величину от Марса. Квазисинхронной эта орбита называется потому, что аппарат обращается вокруг Марса почти синхронно с Фобосом, удаляясь от него не более чем на 200-300 км и периодически сближаясь до расстояния 30-60 км.

Одна из самых сложных операций — посадка на поверхность Фобоса. Сложность заключается в том, что она, в отличие от предыдущих маневров аппарата, носит необратимый характер и выполняется автономно, на основе командно-программной информации, задаваемой специалистами перед этапом сближения и посадки. АМС использует собственные измерения положения относительно поверхности Фобоса, проводимые с помощью телевизионных, лазерных и радиолокационных средств навигации. Для проведения активных маневров, ориентации и стабилизации на аппарате есть двигатели малой тяги и микродвигатели.

Начав этап сближения с Фобосом на расстоянии в десятки километров, аппарат достигнет примерно через час высоты около 2 км, с которой начинается участок прецизионного снижения, и к 100-500 м вертикальная скорость снижения составляет 0.2-0.5 м/с. Двигаясь далее с этой постоянной скоростью, аппарат на высоте 50-200 м выключает двигатели, работающие в сторону Фобоса, чтобы предотвратить взаимодействие их струй с поверхностью спутника.

Энергия соприкосновения с поверхностью поглощается работой амортизационных стоек посадочного шасси, и на короткое время включаются прижимные двигатели, успокаивая возмущения от взаимодействия с грунтом. Сближение и посадка длятся 1.5-2 ч, а с момента входа аппарата в сферу действия Марса до посадки на Фобос может пройти 1-2 мес.

НАУЧНАЯ ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ

Итак, АМС находится в течение нескольких часов на поверхности Фобоса, который притягивает ее с силой около 5 Н. По телеметрической информации и телевизионным снимкам поверхности, передаваемым на Землю, анализируется состояние бортовых систем и выбирается место взятия образцов грунта. Предполагается, что в основном поверхность Фобоса состоит из реголита со средней плотностью 1.95 г/см³, аналогично лунному. Грунтозаборное устройство может взять около 200 см³ реголита, масса которого может составить 400-500 г. Грунт находится в виде колонки в гибком трубчатом грунтоносе, что обеспечивает сохранение его стратификации. Гибкий грунтонос компактно укладывается в торовый контейнер спускаемого аппарата. Крышка контейнера герметично закрывается, грунтозаборное устройство отводится от спускаемого аппарата, чтобы не мешать старту взлетной ракеты.

Спускаемый аппарат, в котором доставляются на Землю образцы грунта Фобоса. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

После проверки всех систем взлетная ракета стартует и выводится на орбиту искусственного спутника Марса, исключающую сближение с Фобосом. На этой орбите ракета ждет момента старта к Земле. Перелетный модуль, оставшийся на поверхности Фобоса, продолжит научные исследования. Получение телепанорамы места посадки и зоны взятия образцов грунта позволит определить тип рельефа и структуру поверхностного слоя, т.е. дать геологическую аттестацию места посадки. Возможности исследований поверхности существенно расширяют использование манипулятора с установленными на нем микроТВ-камерой и детекторами, альфа-протон-рентгеновского спектрометра, мессбауэровского спектрометра и других приборов.

Высокий приоритет имеют исследования элементного, изотопного и минерального состава поверхностного слоя, анализ его летучих компонент при помощи масс-спектрометра, альфа-протон-рентгеновского спектрометра, прибора термического дифференциального анализа, нейтронного детектора, гамма-спектрометра. Подлежат изучению механические и тепловые свойства поверхностного слоя в месте посадки, структурные характеристики грунта. Сейсмометрические эксперименты позволят определить частоту падения метеоритов на Фобос.

Фобос и Марс будут исследоваться также с помощью трех оптических приборов — телевизионной камеры, акустическо-оптического картирующего спектрометра и картирующего спектрометра в инфракрасной спектральной области теплового излучения. Предполагается изучить движение Фобоса — переменность скорости вращения и тонких изменений орбитального полета, характеристики солнечного ветра, межпланетной пыли и ряд других.

ДОСТАВКА ГРУНТА НА ЗЕМЛЮ

Проведя несколько активных маневров, взлетная ракета стартует с орбиты ожидания к Земле, после чего ее взлетная ступень отделяется, и полет длительностью около 9.5 мес. совершает возвращаемый аппарат. Масса возвращаемого аппарата вместе со спускаемым аппаратом — около 80 кг. Из общей массы АМС (7.9 т) на топливо приходится 6.4 т — такова цена активных маневров, которые нужны для полета к Фобосу и обратно.

На трассе перелета проводятся необходимые коррекции траектории, чтобы обеспечить посадку спускаемого аппарата в заданном районе Земли. Коррекции и траекторные измерения позволяют определить с точностью до нескольких километров координаты точки входа спускаемого аппарата в атмосферу Земли, что важно для его обнаружения средствами Федерального управления космического поиска и спасения.

Разделение спускаемого и возвращаемого аппаратов происходит за несколько минут до входа в атмосферу, и примерно через 15 мин спускаемый аппарат достигает поверхности Земли. После обнаружения его эвакуируют в научные лаборатории РАН для исследования доставленных образцов грунта Фобоса. Произойдет это спустя три года после старта АМС с Земли.