1.6.3. «Lunar Orbiter» для Венеры и Марса
В 1966 году фирма Boeing по контракту NASA изучала возможность использования АМС «Lunar Orbiter» для исследования Марса и Венеры. По заявлению представителя фирмы, запуск такой АМС к Венере мог бы быть осуществлен в 1970 году, а к Марсу - в 1971 г.
2.1.1.1. АМС «Mariner B» (проект 1961 года)АМС «Mariner B» предназначались для доставки посадочных контейнеров на Марс и на Венеру.
Предполагалось установить на основном блоке АМС «Mariner B» следующее оборудование:
- фототелевизионное устройство с разрешающей способностью до 1 км;
- приборы для обнаружения органических веществ;
- приборы для изучения верхних слоев атмосферы;
- приборы для изучения магнитных полей, космического излучения и микрометеоритов.
На основном блоке должна была устанавливаться КДУ тягой 22,6 кгс, обеспечивающая приращение характеристической скорости 60 м/с.
Посадочный контейнер, доставляемый на Марс, предполагалось оснастить следующими устройствами:
- телекамера с разрешающей способностью до 10 см;
- приборы для изучения химического состава и других параметров атмосферы;
- приборы для изучения состава и свойств марсианского грунта;
- приборы для обнаружения жизни в марсианском грунте и атмосфере.
Проектная масса АМС 770-820 кг, в т.ч. посадочный контейнер 136 кг, научная аппаратура на основном блоке 45-81 кг. Масса научных приборов в посадочном контейнере - 23 кг.
Схема доставки на Марс посадочного контейнера выглядела следующим образом. При подлете к Марсу на расстоянии 500 тыс. км от основного блока отделяется посадочный контейнер, который тормозится в атмосфере до звуковой скорости. Затем происходит раскрытие парашюта, и контейнер в течение 15-20 минут совершает плавный спуск и посадку на поверхность Марса. Основной блок после отделения посадочного контейнера с помощью КДУ переводится на траекторию пролета на минимальном расстоянии от Марса около 8 000 км.
Проектом 1960 года планировались следующие запуски АМС «Mariner B»:
- 1963 год - запуск 2 АМС к Луне для испытаний аппаратуры;
- 1964 год - запуск 2 АМС к Марсу;
- 1964 год - запуск 2 АМС к Венере;
- 1965 год - запуск 1-2 АМС к Венере.
Проектная масса АМС 770-820 кг, в т.ч. посадочный контейнер 136 кг, научная аппаратура на основном блоке 45-81 кг. Масса научных приборов в посадочном контейнере - 23 кг.
Запуск АМС должен был производиться ракетой-носителем Atlas-Centaur. Рассматривалась возможность использования РН Saturn 1-Agena или Titan 2-Agena.
2.1.1.2. АМС «Mariner B» (облегченный вариант)
В 1962 году проблемы в отработке водородно-кислородной ступени Centaur вынудили руководство NASA принять решение об уменьшении полезной нагрузки в первых запусках РН Atlas-Centaur. В связи с этим проект АМС «Mariner B» претерпел существенные изменения. Была разработана облегченная модификация АМС «Mariner B», при этом задача проекта осталась прежней - доставка посадочного контейнера. Контейнер должен был иметь форму конуса со скругленной вершиной. Был предусмотрен парашютный спуск контейнера, во время которого должны были проводиться измерения плотности и температуры атмосферы, определение ее химического состава. Были запланированы также биохимические исследования.
Проектная масса АМС была снижена до 450-590 кг, в т.ч. масса посадочного контейнера - до 56,7 кг.
Скорректированный план запусков АМС «Mariner B» стал выглядеть следующим образом:
Осуществление этого варианта АМС «Mariner B» было приостановлено в связи с получением в 1964 году новых данных об атмосфере Марса, что потребовало пересмотра проекта посадочного контейнера.
2.1.1.3. АМС «Mariner B» (пролетный вариант)
В 1963 году из проекта АМС «Mariner B» был удален посадочный контейнер, так как новые данные об атмосфере Марса привели к необходимости переработки посадочной системы доставляемого контейнера. Научные приборы, планировавшиеся к установке в посадочном контейнере, частично были перенесены на основной блок. Новой программой полета предусматривалось изучение Марса и Венеры только с пролетной траектории.
За счет отказа от доставки посадочного контейнера масса АМС «Mariner B» была снижена до 360-450 кг, что позволяло использовать для запуска РН Atlas-Agena.
В соответствии с уточненной программой предполагалось провести в 1965 году летные испытания, а затем осуществить запуск АМС к Венере. Запуск к Марсу планировался на 1966 год.
В конце 1963 было предложено в «окне» 1966 года года вместо АМС «Mariner B» использовать АМС «Mariner С», оснащенную атмосферным модулем, не рассчитанным на мягкую посадку на Марс. Этот проект получил название «Mariner D», или «Mariner 66».
В 1965 году работы по проекту «Mariner B» были прекращены.
2.1.2. Проект «Mariner M»
Проект АМС «Mariner M» появился в 1962 году как упрощенный вариант неоднократно пересматривавшегося и, в конце концов, так и не реализованного проекта АМС «Mariner B». Задержки в создании ракеты-носителя Atlas-Centaur вынудили NASA принять решение о разработке облегченной АМС, запускаемой одной из уже отработанных РН. Такой упрощенной АМС стала АМС «Mariner M» для исследования Марса с пролетной траектории. Состав научного оборудования был уменьшен до минимума: 1-2 телекамеры, радиометр и некоторые приборы из комплекта аппаратуры АМС «Mariner B». Посадочный модуль отсутствовал.
Масса АМС - 200-300 кг. РН- Atlas-Agena.
Планировалось запустить к Марсу одну АМС в 1964 году, так как в последующие годы должна была использоваться АМС «Mariner В». На этапе разработки конструкции проект «Mariner M» был переименован в «Mariner C».
2.1.3. АМС «Mariner C»
Задачей, возлагавшейся на АМС «Mariner C», было изучение Марса с пролетной траектории. На АМС устанавливалось следующее оборудование:
- телевизионная система;
- радиопередатчики мощностью 6,5 и 10,5 Вт;
- магнитометр;
- детектор космического излучения низкой энергии;
- спектрометр для исследования космического излучения;
- детектор ионизированных частиц;
- счетчик частиц низкой энергии;
- детектор микрометеоритов;
- инфракрасный спектрометр для обнаружения органических соединений (позднее был снят);
- аппаратура для исследования распространения радиоволн в межпланетном пространстве.
Телевизионная система, состоявшая из телекамеры и запоминающего устройства, была рассчитана на получение около 20 снимков размером 200 х 200 пикселов, что соответствовало разрешающей способности 2,5 км с расстояния 25 000 км. Телекамера снимала попарно по два частично перекрывающихся кадра со сменными светофильтрами - с зеленым и красным. Полученные изображения записывались на магнитную ленту и затем передавались через остронаправленную антенну на Землю.
Энергопитание аппаратуры обеспечивалось серебряно-цинковыми аккумуляторами и четырьмя солнечными батареями (СБ) общей площадью 6,3 м2. АМС была оснащена корректировочной ДУ тягой 22,7 кгс, рассчитанной на двукратный запуск. ДУ обеспечивала приращение характеристической скорости 84 м/с. Для стабилизации и ориентации АМС имела активную и пассивную системы. Активная система включала 12 сопел, работающих на сжатом азоте. Пассивная система стабилизации представляла собой четыре поворотных пластины площадью по 0,65 м2, расположенных на концах панелей СБ. Пластины играли роль «солнечных парусов», обеспечивая положение панелей СБ перпендикулярно потоку солнечного света.
Корпус АМС был выполнен в виде восьмигранной призмы высотой 45,7 см и размером по диагонали 1,27 м. Максимальный поперечный размер АМС по концам раскрытых панелей солнечных батарей составлял 6,88 м. Полная высота АМС - 2,89 м.
Масса АМС около 260 кг, в т.ч. 27,2 кг - научная аппаратура. Ракета-носитель - Atlas-Agena D.
  |
К астрономическому «окну» 1964 года было изготовлено три АМС «Mariner C». Две из них, получившие обозначения «Mariner 3» и «Mariner 4», были запущены к Марсу, а еще одна АМС была оставлена в качестве резервной. Позднее эта оставшаяся АМС была доработана по варианту «Mariner 67» и запущена к Венере.
Запуск АМС «Mariner 3» оказался неудачным - АМС вышла на нерасчетную гелиоцентрическую орбиту, и связь с ней была потеряна через 9 часов после старта. АМС «Mariner 4» успешно выполнила программу полета и впервые в мире передала телеизображения поверхности Марса, пролетев 15.07.65 г. на расстоянии 9 844 км от Марса.
Было передано на Землю 22 телеизображения. Снимки произвели переворот в представлениях о Марсе - вместо ожидаемых «каналов», «открытых» итальянским астрономом Скиапарелли, на полученных снимках была видна планета, покрытая кратерами. Была получена также ценнейшая информация о составе и плотности атмосферы Марса, которая оказалась намного менее плотной, чем это предполагалось ранее.
АМС после пролета Марса вышла на гелиоцентрическую орбиту с параметрами 165,9 млн. км х 235,3 млн. км и с небольшим наклонением к плоскости эклиптики. Период обращения - 567,11 суток.
После успеха АМС «Mariner 4» предлагалось дополнительно запустить 2 АМС «Mariner C» к Марсу в 1967 году.
2.1.4. АМС «Mariner D»
В конце 1963 года, когда стало очевидным, что по финансовым причинам запуски АМС «Маринер» к Марсу будут ограничены исключительно запусками в 1964 и 1966 годах (в 1969 году предполагалось запускать уже АМС «Voyager»), появился проект «Mariner D» называемый также «Mariner 66».
АМС «Mariner D» должна была представлять собой АМС «Mariner С» с установленным так называемым атмосферным модулем. Атмосферный модуль, доставляемый к Марсу основным блоком АМС и направляемый на траекторию входа в атмосферу, не рассчитывался на мягкую посадку. Его основной задачей был сбор информации об атмосфере Марса с момента входа до падения на поверхность Марса. Такая информация была крайне необходима для разработчиков посадочных модулей АМС «Voyager». Информация с атмосферного модуля должна была передаваться на основной блок, который должен был ретранслировать ее на Землю. Планировалось, что основной модуль АМС пролетит мимо планеты и выйдет на гелиоцентрическую орбиту.
Для запуска должна была использоваться РН Atlas-Centaur.
Проект «Mariner D» просуществовал менее года. В 1964 году вместо доставки атмосферного зонда было принято решение получить параметры марсианской атмосферы путем анализа затухания радиосигналов от АМС «Маринер С», запуск которых должен был состояться в ноябре 1964 года. Доставку посадочного модуля было решено выполнить в 1969 году с помощью АМС, получившей условное наименование «Advanced Mariner» (запуск АМС «Voyager» в это время уже передвинулся на 1971 год). Запуск АМС «Mariner» в 1966 году был отменен.
2.1.5. АМС «Mariner 69»
Работы по проектированию АМС класса «Mariner» для запуска к Марсу в «окне» 1969 года начались в 1964 году, когда было принято решение о переносе первого полета АМС «Voyager» на 1971 год. Для заполнения образовавшегося разрыва между полетами к Марсу NASA приняла решение осуществить в 1969 году запуск АМС, получившей условное название «Advanced Mariner», а затем просто «Mariner 69».
2.1.5.1. Проект АМС «Advanced Mariner»
Начальный проект АМС «Advanced Mariner», появившийся в 1964 году, предполагал выведение АМС на орбиту спутника Марса и доставку посадочного модуля на поверхность Марса.
Расчетная масса АМС - 635-860 кг, в том числе масса посадочного модуля - 225-450 кг.
Предлагалось запустить в 1969 году две АМС этого типа.
В конце 1964 года NASA приняла решение прекратить работы по проекту «Advanced Mariner» из опасения, что Конгресс США не утвердит финансирование на разработку двух параллельных проектов - «Advanced Mariner» и «Voyager», запуск которого планировался на 1971 год.
2.1.5.2. Проект АМС «Mariner 69»: легкий посадочный модуль
В 1965 году NASA приняла решение разрабатывать вместо «Advanced Mariner» более дешевый вариант АМС «Mariner 69» - на основе конструкции АМС «Mariner C». Основной задачей было определено проведение исследований Марса с пролетной траектории и доставка на Марс посадочного модуля меньшей массы, чем в предыдущем варианте АМС «Advanced Mariner».
Посадочный модуль массой 13,5 кг планировалось снабдить тормозным РДТТ. Масса РДТТ - 18,5 кг. После отделения от основного блока модуль должен был стабилизироваться вращением с помощью реактивных сопел, работающих на сжатом азоте.
После детальной проработки проекта от доставки посадочного модуля было решено отказаться, перенеся эту задачу на АМС «Mariner 71», которую было решено разработать в связи с задержками в программе «Voyager».
2.1.5.3. АМС «Mariner 69»
Окончательный вариант АМС «Mariner 69» сформировался в 1966 году.
Состав научной аппаратуры:
- телевизионная система;
- инфракрасный радиометр;
- ультрафиолетовый спектрометр;
- инфракрасный спектрометр.
Телевизионная система включала две телекамеры (камера А и камера В) и запоминающее устройство, в котором получаемые изображения записывались в цифровом виде на магнитную ленту для последующей передачи на Землю. Телекамеры имели сменные светофильтры. Размер кадра - 704 строки по 935 элементов в строке. Характеристики телевизионной системы:
Телекамера А:
угол зрения - 18° ;
разрешающая способность с дальности 3 200 км - 3 км;
запас кадров запоминающего устройства - 33.
Телекамера В:
угол зрения - 1,8° ;
разрешающая способность с дальности 3 200 км - 0,3 км;
запас кадров запоминающего устройства - 105.
Мощность радиопередатчиков АМС «Mariner 69» - 10 и 20 Вт. Система энергопитания АМС состояла из серебряно-цинковых аккумуляторов и четырех панелей солнечных батарей общей площадью 7,7 м2.
Корректировочная ДУ двукратного включения имела тягу 22,7 кгс и обеспечивала приращение характеристической скорости 76 м/с.
Корпус АМС был выполнен в виде восьмигранной призмы высотой 45,7 см и размером по диагонали 1,384 м. Максимальный поперечный размер АМС по концам раскрытых панелей солнечных батарей составлял 5,79 м. Полная высота АМС - 3,35 м.
Масса АМС «Mariner 69» - около 413 кг, в т.ч. 51 кг - научная аппаратура. Для запуска АМС использовалась РН Atlas-Centaur.
Было изготовлено и запущено к Марсу две АМС «Mariner 69» («Mariner-6» и «Mariner-7). В задачи АМС входило:
- фотосъемка с близкого расстояния 20% поверхности Марса;
- получение данных о составе атмосферы Марса;
- измерение температуры поверхности;
- регистрация и измерение инфракрасного и ультрафиолетового излучений.
Обе АМС успешно выполнили программу полета.
30.07.69 г. связь с АМС «Mariner 7» временно прервалась, как полагают, из-за потери ориентации АМС в результате столкновения с метеоритной частицей. После переключения связи с остронаправленной антенны на всенаправленную с Земли была передана команда на восстановление ориентации, и двусторонняя связь была восстановлена. В результате столкновения траектория АМС «Mariner 7» несколько изменилась, и при пролете АМС около Марса были засняты участки поверхности, расположенные на 200-240 км южнее расчетных.
2.1.6. АМС «Mariner 71»
Задержки в программе «Voyager» вынудили NASA продолжать работы по программе «Mariner». Для запуска к Марсу в «окне» 1971 года рассматривались два варианта АМС «Mariner» - для доставки на Марс посадочного контейнера и для исследования Марса с орбиты искусственного спутника. После оценки реальных возможностей при имеющемся финансировании было принято решение доставку посадочного аппарата перенести на 1973 год, разработав для этого АМС «Mars 73», запускаемую РН класса Titan III. Таким образом, к запуску в астрономическом окне 1971 года АМС «Mariner 71» готовилась только в варианте орбитального спутника.
2.1.6.1. Проект «Mariner 71»: доставка посадочного контейнера
Предварительный проект АМС «Mariner 71» для доставки посадочного контейнера на Марс разрабатывался на основе пролетной АМС «Mariner 69». АМС «Mariner 71» так же должна была выполнить пролет около Марса, отделив перед этим посадочный контейнер. Контейнер должен был совершить «жесткую» посадку на Марс. Позднее от «жесткой» посадки отказались, а контейнер решили снабдить тормозным РДТТ и парашютной системой.
Масса АМС должна была составить 544 кг, в том числе посадочный контейнер - 154 кг. АМС должна была нести 34 кг научной аппаратуры, из которых 13,6 кг приходилось на аппаратуру в посадочном контейнере.
Проект был закрыт после принятия решения о разработке специальной АМС «Mars 73» (позднее переименованной в «Viking») для осуществления мягкой посадки на Марс.
2.1.6.2. АМС «Mariner 71»: искусственный спутник Марса
АМС «Mariner 71», предназначенная для выхода на орбиту искусственного спутника Марса, также разрабатывалась на основе конструкции АМС «Mariner 69».
В отличие от «Mariner 69» на АМС «Mariner 71» устанавливалась более мощная корректировочно-тормозная двигательная установка (КТДУ), имевшая тягу 136 кгс и больший запас топлива (410 кг). Вместо серебряно-цинковых были установлены никель-кадмиевые аккумуляторы.
Состав научного оборудования АМС «Mariner 71»:
- инфракрасный радиометр;
- ультрафиолетовый спектрометр;
- инфракрасный интерферометр-спектрометр;
- радиоаппаратура для изучения атмосферы методом «просвечивания»;
- аппаратура для измерения гравитационного поля Марса;
- две телевизионных системы, с широкоугольным и узкоугольным объективами.
АМС должны были провести картографирование поверхности Марса, выполнить цикл исследований атмосферы и поверхностных слоев грунта. Одной из основных задач АМС «Mariner 71» был выбор мест для посадки посадочных модулей АМС «Viking». Расчетное время работы АМС «Mariner 71» на орбите спутника Марса - не менее 90 суток.
Корпус АМС был выполнен в виде восьмигранной призмы высотой 45,7 см и размером по диагонали 1,384 м. Максимальный поперечный размер АМС по концам раскрытых панелей солнечных батарей составлял 6,89 м. Полная высота АМС - 2,28 м. Площадь солнечных батарей - 7,7 м2.
Полная проектная масса АМС «Mariner 71» - около 1 000 кг. Масса АМС после выхода на орбиту ИСМ - около 408 кг, в т.ч. масса научной аппаратуры - 54 кг.
Было изготовлено и запущено две АМС «Mariner 71». Запуск производился ракетой-носителем Atlas-Centaur. Первый запуск оказался неудачным - из-за отказа системы управления ракетная ступень Centaur вместе с АМС «Mariner-8» сошла с заданной траектории и разрушилась в плотных слоях атмосферы. Вторая АМС, получившая наименование «Mariner-9», успешно вышла на орбиту искусственного спутника Марса и выполнила запланированный объем исследований.
Рассматривалась возможность изготовления еще одной АМС «Mariner 71», используя экземпляр, изготовленный ранее для наземных испытаний. АМС могла бы быть запущена к Марсу в 1973 году.
2.2.1. Первые проекты АМС «Voyager»
Активная работа по проекту «Voyager» началась в 1962 году. Ниже рассмотрены предварительные проекты двух фирм - AVCO и General Electric.
В соответствии с предложенными разработками, АМС «Voyager» должна была состоять из орбитального блока, двигательной установки с большим запасом топлива и одного-двух посадочных модулей.
Для энергопитания бортовых систем орбитального блока планировалось использовать солнечные батареи (15,8 м2) и химические аккумуляторы. В посадочных модулях должны были устанавливаться радиоизотопные источники тока. Основной блок АМС должен был проводить исследования с околопланетной орбиты.
На основном блоке АМС планировалось установить следующие научные приборы:
- детектор энергетических частиц;
- радиомаяк для исследования атмосферы по поглощению радиоизлучения;
- детектор метеорных частиц;
- ультрафиолетовый спектрометр;
- магнитометр;
- детектор плазмы;
- телевизионная установка;
- инфракрасный спектрометр;
- инфракрасный интерферометр;
- детектор радиоизлучения.
Состав аппаратуры посадочного блока диктовался основной научной задачей, для решения которой создавалась АМС «Voyager» - поиск жизни на планете.
Ниже приведены основные весовые характеристики АМС «Voyager», заявленные в этих проектах.
По другим проектам полная масса АМС могла составить 2,17-4,54 т. Масса конструкции орбитального блока вместе с научной аппаратурой и служебными системами по проекту составляла около 820 кг. Корректировочно-тормозная двигательная установка многократного включения должна была иметь тягу 272 кгс и массу 680-910 кг. Запас топлива, равный 1,0-2,0 т, рассчитывался на приращение характеристической скорости 2 170-3 230 м/с. АМС могла нести посадочный модуль массой 0,45-3,7 т или несколько посадочных капсул массой по 27-30 кг.Ресурс систем орбитального блока - не менее шести месяцев. Расчетный срок работы посадочных аппаратов от нескольких часов (на Венере) до 12 месяцев (на Марсе).
Всего различными фирмами, желавшими принять участие в проекте «Voyager», было предложено более 12 вариантов конструкции АМС и посадочного модуля.
По состоянию на май 1965 года проект «Voyager» выглядел следующим образом. В течение 1969-1977 годов производится пять парных запусков АМС к Марсу. Масса основного блока АМС без КТДУ и посадочного модуля около 900 кг. Масса посадочных модулей последовательно увеличивалась от 900 кг в запусках 1969 года до 2,27-3,7 т в 1977 году.
Запуск АМС производится РН Saturn 1B-Centaur. При задержке в отработке этой РН было предусмотрено использование РН Atlas-Centaur для запуска в 1969 году двух облегченных эксперимен-тальных АМС «Voyager».
2.2.2. Сверхтяжелая АМС «Voyager»
После получения в 1964 году от АМС «Mariner-4» новых данных о крайне низкой плотности атмосферы Марса, проект АМС «Voyager» был пересмотрен в очередной раз. В связи с необходимостью увеличения массы АМС мощности РН Saturn 1B-Centaur было уже недостаточно, поэтому было принято решение для запусков АМС «Voyager» использовать РН Saturn V.
Рассматривалась также возможность применения комбинации Titan IIIC-Centaur.
Масса АМС по новому проекту равнялась 10,0-13,3 т, при этом масса орбитального модуля - 8,0 т (в том числе 180 кг научной аппаратуры). Одна РН Saturn V должна была выводить на траекторию полета к Марсу сразу две АМС.
Выдвигалось также предложение увеличить массу АМС до 18-23 т, используя мощность РН Saturn V для запуска одной такой сверхтяжелой АМС, но это предложение детально не прорабатывалось.На орбитальном блоке предполагалось установить телекамеры с высокой разрешающей способностью, приборы для исследования космического излучения, инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры и другую аппаратуру. Энергопитание бортовых систем должны были обеспечивать солнечные батареи общей площадью 18 м2 и никель-кадмиевые аккумуляторы. В посадочных модулях планировалось устанавливать радиоизотопные источники энергии.
Корректировочно-тормозная двигательная установка должна была обеспечивать приращение характеристической скорости 2,3 км/с, ее масса с запасом топлива оценивалась величиной 4,5-6,8 т. АМС должна была выйти на орбиту ИСМ и доставить на Марс посадочный модуль массой 4,5 т. Для первого запуска предполагалась доставка экспериментального посадочного модуля массой 1,36 т (рис. 3.53).
Посадочный модуль должен был иметь трехопорное шасси и посадочные двигатели. Радиус опор раскрытого шасси - 3,1 м. Посадочный модуль, прошедший стерилизацию, предлагалось устанавливать внутри чечевицеобразной оболочки диаметром 4,6 м. Одна из половинок оболочки должна была выполнять функции теплозащитного экрана при торможении в атмосфере Марса. Торможение для схода с орбиты, снижение и мягкая посадка должна была обеспечиваться тормозной двигательной установкой, состоявшей из трех двигателей. Модуль должен был нести три телевизионных камеры, четыре пенетрометра для измерения твердости грунта и набор приборов для определения состава атмосферы.
Орбитальный блок рассчитывался на работу в течение шести месяцев после выхода на орбиту спутника Марса, а посадочные модули должны были работать на поверхности Марса от нескольких суто (экспериментальные модули) до шести месяцев.
В середине 1965 года график запусков тяжелых АМС «Voyager» выглядел следующим образом:
1969 год - летно-конструкторские испытания около Земли;
1971 год - запуск двух АМС к Марсу для доставки экспериментальных посадочных модулей;
1973 год - запуск двух АМС к Марсу для доставки штатных посадочных модулей.
   |
2.2.3. Посадочный модуль ABL
Один из вариантов посадочных модулей для АМС «Voyager» - модуль ABL (Automated Biological Laboratory), - был предложен фирмой Philco Aeronutronic. Для модуля планировалась «жесткая» посадка - баллистическое торможение в атмосфере и падение на поверхность Марса. Для подтверждения возможности такого способа доставки научных приборов на Марс и их работоспособности после «жесткой» посадки фирма Philco Aeronutronic изготовила экспериментальный образец ABL и провела экспериментальные сбрасывания с самолета.
Основной задачей ABL являлось проведение серии исследований для обнаружения биологической жизни на Марсе либо для доказательства отсутствия таковой.
Модуль должен был нести следующую научную аппаратуру:
- телекамера;
- устройство для взятия проб грунта с поверхности;
- бур для взятия глубинных проб грунта;
- приборы для обнаружения органических веществ и микроорганизмов;
- анализаторы химического состава грунта и атмосферы;
- спектрометр;
- инфракрасный спектрометр;
- альфа-анализатор.
На модуле ABL должны были устанавливаться радиоизотопные источники электрического тока. Расчетный ресурс модуля - 1-2 года работы на поверхности Марса.
2.2.4. Посадочный модуль с панорамной камерой
Компания Philco Aeronutronic по контракту NASA разрабатывала в 1966 году также посадочный модуль для передачи панорамных телеизображений с поверхности Марса. Камера, использующая фототелеграфный метод передачи изображений, должна была устанавливаться в сферическом контейнере, который помещался в бальсовую оболочку. Контейнер не имел никаких средств торможения и должен был просто сбрасываться при сближении АМС с Марсом. При ударе о поверхность Марса оболочка сминается, обеспечивая сохранность контейнера. Камера, имеющая массу 4,5 кг, рассчитана на ударную перегрузку до 4 000g.
После сброса оболочки контейнер занимает рабочее положение с помощью откидных упоров и из него вертикально выдвигается телескопическая труба, в которой размещена оптическая система камеры. Труба вращается, обеспечивая поле обзора камеры в 360°. Оптическая система камеры обеспечивает угловую разрешающую способность 0,01°. Съемка должна была выполняться в видимом и инфракрасном диапазонах.
2.3. Программа «Viking»
Проект АМС «Viking» завершил длительную эволюцию АМС «Mariner» в варианте доставки на Марс посадочного модуля. Такая задача ставилась в каждом очередном проекте марсианской автоматической станции, начиная с проекта АМС «Mariner B» (1961 год) до АМС «Heavy Mariner» (1969 год), который затем стал проектом «Mariner 73», потом был переименован в «Mars 73», а на конечной стадии получил наименование «Viking-75» (или просто «Viking»)
   |
2.3.1. Проект «Heavy Mariner»
После закрытия в 1965 году проекта «Mariner B» был предложен новый проект АМС для доставки на Марс посадочного контейнера в «астрономическом окне» 1969 года. Основной блок АМС, условно называемой «Heavy Mariner» («Тяжелый Mariner»), должен был выйти на орбиту спутника Марса и проводить исследования с околомарсианской орбиты.
Проектная масса АМС составляла 3 200-4 100 кг, в т.ч. масса посадочного контейнера - 360 кг. Масса научных приборов, установленных в контейнере, должна была составить 17,3 кг.
Для запуска АМС предлагалось использовать ракету-носитель серии Titan-3, причем одной РН должно было выводиться на траекторию полета к Марсу сразу две АМС. Предлагалось осуществить один такой запуск в 1969 году.
Позже этот проект под названием «Mariner 73» был принят к рассмотрению для запуска в 1973 году.
2.3.2. Проект «Mariner 73» («Mars 73»)
Проект «Mariner 73» в начальном варианте предусматривал доставку на Марс посадочного модуля массой 360 кг. Масса научной аппаратуры, установленной на посадочном модуле - 17,3 кг. Полная проектная масса АМС - 1 360 кг.
Позже проект «Mariner 73» был переработан, переориентирован на использование более мощной РН (класса Titan III вместо Atlas-Centaur) и переименован - сначала в «Mars 73» («Titan Mars 73»), а затем, в 1968 году, в «Viking». Запуск АМС планировался первоначально на 1973 год.
Проект АМС «Viking» (называвшийся после переноса запуска на 1975 год также «Viking-75») завершил длительную эволюцию АМС «Mariner» в варианте доставки на Марс посадочного модуля. При создании АМС «Viking» был использован также многолетний опыт работы по проекту «Voyager».
АМС «Viking» состояла из двух модулей - орбитального («Viking Orbiter») и посадочного («Viking Lander»). Головной фирмой по разработке посадочных модулей была фирма Martin Marietta.
Орбитальный модуль представлял собой модификацию АМС «Mariner 71» («Mariner 9»). Корпус модуля имел форму восьмигранной призмы высотой 47,52 см и 2,51 м в поперечнике. Боковая поверхность призмы была образована чередующимися панелями длиной 1,397 м и 0,508 м. Полная высота орбитального модуля - 3,29 м. Поперечный размер АМС при раскрытых панелях солнечных батарей - 9,75 м.
АМС несла четыре панели солнечных батарей общей площадью 15,45 м2. Мощность, вырабатываемая солнечными батареями на орбите Марса - 620 Вт. В состав системы энергопитания входили также никель-кадмиевые аккумуляторы.
Двигательная установка орбитального модуля работала на самовоспламеняющихся компонентах топлива (монометилгидразин и тетраоксид азота) и создавала тягу 135 кгс. Запас топлива обеспечивал приращение характеристической скорости 1 480 м/с. Система ориентации имела 12 реактивных сопел, работающих на сжатом азоте.
Состав научной аппаратуры орбитального модуля:
- две телевизионных камеры;
- ИК-спектрометр для регистрации водяных паров в атмосфере Марса;
- ИК-радиометр для получения тепловой карты Марса.
Стартовая масса орбитального модуля - 2 328 кг, в т.ч. 1 426 кг - масса топлива, 20 кг - масса сжатого газа для системы ориентации, 73 кг - масса научной аппаратуры.
Посадочный модуль «Viking Lander» при перелете от Земли до Марса находился внутри кожуха диаметром 3,6 м, обеспечивавшего биологическую защиту модуля после стерилизации, которая проводилась перед стартом. Кожух сбрасывался перед разделением модулей на орбите ИСМ. Для схода с орбиты модуль был оснащен 8 ЖРД тягой по 4,6 кгс, работавшими на однокомпонентном топливе (моногидразин). Эти же двигатели обеспечивали ориентацию и стабилизацию модуля при входе в атмосферу до раскрытия парашюта. Запас топлива обеспечивал изменение характеристической скорости 180 м/с.
После баллистического торможения в атмосфере Марса лобовой экран отбрасывался, и на высоте 5,8 км при скорости 430 м/с раскрывался парашют диаметром 16,2 м, который к моменту достижения высоты 1,6 км снижал скорость до 90 м/с. На этой высоте включались три верньерных ЖРД, также работавшие на моногидразине и имевшие переменную тягу от 28 до 272 кгс, которые обеспечивали мягкую посадку модуля «Viking Lander» на трехопорное шасси.
Высота посадочного модуля в сложенном состоянии - 1,02 м, поперечный размер - 2,84 м. Расстояние между опорами в развернутом состоянии равнялось 2,21 м.
Состав научной аппаратуры посадочного модуля:
- 2 фототелевизионные камеры;
- хроматографический масс-спектрометр газов;
- акселерометры;
- сейсмометр;
- флюоресцентный рентгеновский детектор;
- биологическая лаборатория;
- оборудование для измерения температуры, давления, скорости ветра;
- штанга с грунтозаборником.
С помощью грунтозаборника производилось взятие образцов грунта для помещения в приемное устройство биологической лаборатории, в которой производился поиск органической жизни по таким признакам, как газообмен, фотосинтез и обмен веществ. Кроме того, к сбрасываемому лобовому щиту крепились масс-спектрометр и регистратор зарядов для проведения измерений в верхних слоях атмосферы.
«Viking Lander» был оборудован радиосистемами, обеспечивающими передачу информации как на орбитальный модуль, так и непосредственно на Землю (в более медленном режиме). Энергопитание аппаратуры модуля обеспечивалось двумя радиоизотопными источниками, работающими на плутонии-238. Мощность, вырабатывавшаяся источниками - 30 Вт.
Масса посадочного модуля с защитным кожухом составляла 1 185 кг, без кожуха - 663 кг, в т.ч. 73 кг топлива и 91 кг научной аппаратуры.
Полная масса АМС равнялась 3 527 кг. Запуск АМС производился РН Titan 3E-Centaur.
Программа полета АМС «Viking» выглядела следующим образом. За 5 суток до сближения с Марсом начинается фотосъемка. После выхода на орбиту спутника Марса в течение двух суток уточняются параметры орбиты, после чего АМС переводится на синхронную орбиту с перицентром около 1 500 км над предварительно выбранным районом посадки модуля «Viking Lander». В течение месяца производится фотографирование поверхности Марса для окончательного выбора места посадки, после чего с Земли на борт АМС передаются необходимые данные, производится отделение посадочного модуля и перевод его на траекторию посадки. До завершения работы посадочного модуля «Viking Orbiter» остается на расчетной орбите и ретранслирует на Землю данные, передаваемые посадочным модулем. После окончания этого этапа начинается автономная работа орбитального модуля. «Viking Orbiter» переводится на орбиту, удобную для фотосъемки одного из спутников Марса - Фобоса или Деймоса, а также продолжается фотосъемка поверхности Марса и проведение научных измерений. После выработки сжатого газа в системе ориентации орбитальный модуль переводится на орбиту с более высоким апоцентром для обеспечения возможно большего срока существования АМС на орбите Марса.
Первоначально запуск двух АМС «Viking» планировалось произвести в «окне» 1973 года. В связи с финансовыми ограничениями запуск был перенесен на 1975 год.
Было изготовлено три АМС «Viking», серийные №№ A, B и C. Две АМС были запущены в соответствии с программой, третья АМС сначала была в резерве, а после успешного запуска первых двух и во время их полета выполняла роль контрольного стенда. Первой была запущена АМС «Viking B», т.к. в системе электроснабжения АМС «Viking A» были обнаружены неполадки. АМС «Viking A» была запущена после устранения неполадок. АМС в соответствии с порядком старта получили названия «Viking-1» и «Viking-2».
Обе АМС выполнили задачи полета полностью. Посадочные модули АМС совершили мягкую посадку на Марс и впервые в мире передали телевизионные изображения с поверхности Марса. Были произведены прямые измерения параметров и состава атмосферы на поверхности планеты. В месте посадки АМС «Viking Lander» были зафиксированы колебания температуры от -86° С ночью до -33° С днем. Посадочные модули проработали на поверхности Марса несколько лет.
Основные результаты полета АМС «Viking»:
- произведена фотосъемка 97% поверхности Марса, при этом получено 51 539 снимков Марса с разрешением до 300 м;
- произведена фотосъемка 2% поверхности Марса с разрешением 25 м или лучше;
- от посадочных модулей получено около 4 500 высококачественных снимков поверхности Марса;
- составлены тепловая карта Марса и карта распределения водяных паров;
- установлено, что полярные шапки состоят из водяного льда, на который в зимний период конденсируется углекислый газ;
- полученные данные позволили предположить о существовании слоя вечной мерзлоты;
- признаков жизни или органических веществ не обнаружено;
- выявлены некоторые неожиданные химические свойства марсианского грунта.
2.5. Изучение Марса с орбиты
Если первые успешные марсиансие АМС - «Mariner-4», «Mariner-6 и -7» смогли провести фотосъемку Марса и некоторые научные наблюдения только с пролетной траектории, то остальные АМС, как правило, выходили на орбиту спутника Марса и выполняли продолжительные исследования. Первым искусственным спутником Марса стала АМС «Mariner-9».
Программой «Voyager» также предусматривалось, что АМС, доставив к Марсу посадочные модули, будут выводиться на ареоцентрическую орбиту для проведения дистанционных исследований поверхности Марса, а также выполнять роль ретрансляторов для АМС, работающих на поверхности. Такая схема была реализована в программе «Viking»: посадочные модули «Viking Lander» работали на поверхности Марса, а модули «Viking Orbiter» находились на околомарсианских орбитах.
Разрабатывались также и АМС, предназначенные для исследований исключительно с орбиты спутника Марса.
2.5.1. Проект АМС «Mars Orbiter» (1967 Г.)
В 1966 году фирма Boeing по контракту NASA изучала возможность использования АМС «Lunar Orbiter» для исследования Марса и Венеры. По заявлению представителя фирмы, запуск такой АМС к Венере мог бы быть осуществлен в 1970 году, а к Марсу - в 1971 г.
В 1967 году, когда успешным полетом АЛС «Lunar Orbiter-3» было завершено фотографирование участков лунной поверхности, выбранных в качестве мест для предстоящих посадок по программе «Apollo», ставился вопрос об использовании оставшихся двух аппаратов «Lunar Orbiter» для фотосъемки поверхности Марса. В связи с тем, что характеристики АЛС были совершенно неподходящими для этой цели, предложение было отклонено.
Взамен фирма Boeing предложила проект АМС «Mars Orbiter» для фотосъемки поверхности Марса либо Венеры с орбиты ИСМ.
АМС должна была создаваться на базе АЛС «Lunar Orbiter». Основные отличия:
- вместо ФТУ устанавливаются телекамеры;
- устанавливаются топливные баки КТДУ увеличенной емкости;
- устанавливаются солнечные батареи большего размера.
Расчетный ресурс АМС - свыше 1 года. Масса АМС около 910 кг. РН - Atlas-Centaur.
Фирма Boeing предлагала изготовить четыре АМС «Mars Orbiter» - две для запуска к Марсу в 1969 году и две резервных.
NASA не приняла предложение фирмы Boeing в связи с наличием утвержденных программ создания специализированных АМС (программы «Mariner», «Voyager»).
3.1.3. Венерианская АМС «Extended Pioneer»
В 1966 году обсуждалось предложение по запуску неиспользованной АМС «Extended Pioneer» («Pioneer-E») для исследований Венеры с пролетной траектории. Предложение не было принято.
3.1.4. АМС «Lunar Orbiter» для исследования Венеры
В 1966 году фирма Boeing по контракту NASA изучала возможность использования АМС «Lunar Orbiter» для исследования Марса и Венеры. По заявлению представителя фирмы, запуск такой АМС к Венере мог бы быть осуществлен в 1970 году, а к Марсу - в 1971 г.
3.2.2. АМС «Mariner R»Легкая АМС «Mariner R» (Mariner-Ranger) была разработана на основе АМС «Ranger», как альтернатива более тяжелой АМС «Mariner A». Такое решение было принято в августе 1961 года для обеспечения запуска АМС к Венере в окне 1962 года. Поскольку РН Atlas-Centaur, которая требовалась для запуска АМС «Mariner A», не могла быть готовой к требуемому сроку, NASA была вынуждена переориентироваться на запуск упрощенной АМС ракетой-носителем Atlas-Agena B.
Основные отличия АМС «Mariner R» от «Mariner A»:
- установлена корректирующая ДУ меньшей мощности, заимствованная с АЛС «Ranger» тип 2;
- отсутствует запоминающее устройство;
- отсутствует радиопередатчик мощностью 24 Вт;
- уменьшена площадь солнечных батарей;
- установлено меньшее количество научных приборов.
Состав научной аппаратуры:
- микроволновый и инфракрасный радиометры;
- магнитометр;
- ионизационная камера;
- 3 счетчика Гейгера;
- счетчик частиц низкой энергии;
- детектор микрометеоритов.
С помощью этих приборов планировалось выполнить следующие научные эксперименты и измерения:
- определение скорости вращения Венеры;
- определение наклона оси Венеры;
- измерение температуры атмосферы и поверхности Венеры;
- измерение магнитных полей и поясов радиации вокруг Венеры;
- изучение параметров межпланетного пространства.
Получаемая информация передавалась на Землю без записи в запоминающее устройство. Энергопитание аппаратуры обеспечивалось двумя солнечными батареями общей площадью 2,3 м2 и серебряно-цинковой аккумуляторной батареей. Трехосная ориентация АМС осуществлялась с помощью 10 сопел, работавших на сжатом азоте. Тяга КДУ равнялась 22,7 кгс, запас топлива обеспечивал изменение характеристической скорости до 61 м/с.
Энергопитание аппаратуры АМС обеспечивалось двумя основными солнечными батареями, размером 1,52 х 0,76 м каждая. Одна из панелей имела дополнительную секцию размером 0,3 х 0,76 м. Кроме этого, АМС была оснащена серебряно-цинковыми аккумуляторами.
Размеры АМС «Mariner R» в сложенном состоянии: высота - 3,02 м, поперечный размер - 1,52 м; в развернутом состоянии: высота - 3,63 м, поперечный размер - 5,03 м.
Масса АМС 203,5 кг, в т.ч. масса научной аппаратуры - 18,4 кг. Запуск АМС производился РН Atlas-Agena B.
Было изготовлено 3 АМС «Mariner R», две из которых были использованы для запусков к Венере в окне 1962 года, а третья АМС оставлена в качестве запасной. Из двух АМС только одну - «Mariner 2» удалось запустить к Венере. 14.12.62 г. АМС прошла на расстоянии 34 762 км от Венеры, произвела цикл измерений и передала полученную информацию на Землю. По данным АМС «Mariner 2» было установлено, что Венера вращается очень замедленно и в обратном направлении. Дистанционно проведенные измерения показали, что температура в нижних слоях атмосферы Венеры составляет около 415° С.
АМС «Mariner 2» после пролета Венеры вышла на гелиоцентрическую орбиту с высотой афелия 183,4 млн. км и периодом обращения 345,9 суток.
Предлагалось в 1964 году повторить запуск 2 АМС «Mariner R» к Венере, но после успешного полета АМС «Mariner 2» простое повторение запуска было признано нецелесообразным.
3.2.3.2. АМС «Mariner B» (облегченный вариант)
В 1962 году проблемы в отработке водородно-кислородной ступени Centaur вынудили руководство NASA принять решение об уменьшении полезной нагрузки в первых запусках РН Atlas-Centaur. В связи с этим проект АМС «Mariner B» претерпел существенные изменения. Была разработана облегченная модификация АМС «Mariner B», при этом задача проекта осталась прежней - доставка посадочного контейнера. Контейнер должен был иметь форму конуса со скругленной вершиной. Был предусмотрен парашютный спуск контейнера, во время которого должны были проводиться измерения плотности и температуры атмосферы, определение ее химического состава. Были запланированы также биохимические исследования.
Проектная масса АМС была снижена до 450-590 кг, в т.ч. масса посадочного контейнера - до 56,7 кг.
Скорректированный план запусков АМС «Mariner B» стал выглядеть следующим образом:
Осуществление этого варианта АМС «Mariner B» было приостановлено в связи с получением новых данных об атмосфере Марса, что потребовало пересмотра проекта марсианского посадочного контейнера, а поскольку запуски к Марсу стояли впереди венерианских, то задержка коснулась и запусков к Венере.
3.2.3.3. АМС «Mariner B» (пролетный вариант)
В 1963 году из проекта АМС «Mariner B» был удален посадочный контейнер, так как новые данные об атмосфере Марса привели к необходимости переработки посадочной системы доставляемого контейнера. Научные приборы, планировавшиеся к установке в посадочном контейнере, частично были перенесены на основной блок. Новой программой предусматривалось изучение Марса и Венеры только с пролетной траектории.
За счет отказа от доставки посадочного контейнера масса АМС «Mariner B» была снижена до 360-450 кг, что позволяло использовать для запуска РН Atlas-Agena.
В соответствии с уточненной программой предполагалось провести в 1965 году летные испытания, а затем осуществить запуск АМС к Венере.
3.2.4. АМС «Mariner 67»В 1964 году был выполнен запуск к Марсу двух АМС типа «Mariner C». В декабре 1965 года было принято решение об использовании резервного экземпляра АМС «Mariner C» для исследования Венеры с пролетной траектории в 1967 году.
АМС, получившая рабочее наименование «Mariner 67», была доработана следующим образом:
- сняты телекамеры;
- установлен ультрафиолетовый фотометр;
- уменьшена площадь солнечных батарей.
Максимальный поперечный размер АМС по концам раскрытых панелей солнечных батарей составлял 5,48 м. Полная высота АМС - 2,89 м. Масса АМС равнялась 245 кг.
14.06.67 г. АМС, получившая название «Mariner 5», была запущена ракетой-носителем Atlas-Agena B на траекторию полета к Венере.
19.10.67 г. АМС «Mariner 5» пролетела на расстоянии 3 970 км от поверхности Венеры и передала данные о структуре атмосферы и о магнитных и радиационных полях в окрестностях планеты.
3.2.5. Аэростатный зонд для Венеры
Фирма Martin Marietta в конце 1960-х годов разработала проект аэростатного зонда для исследования облачного слоя Венеры. Доставка зонда должна была осуществляться в модуле, отделяемом от пролетной АМС «Mariner». Аэростат должен был дрейфовать в атмосфере Венеры на высоте, соответствующей давлению 0,05 Мпа. Масса гондолы зонда - 4,5 кг.
Предлагавшийся срок доставки зонда на Венеру - 1975 год.
3.2.6. Проект «Mariner 72»
По этому проекту предполагалось модифицировать марсианскую АМС «Mariner 69» для доставки посадочного контейнера на Венеру с пролетной траектории в «окне» 1972 года.
Масса контейнера - 45-68 кг. Разработчик посадочного контейнера - фирма Avco. Контейнер должен был совершить «жесткую» посадку, проведя цикл исследований в атмосфере Венеры во время спуска.
АМС должна была запускаться ракетой-носителем Atlas-Centaur. Предлагалось запустить две АМС «Mariner 72».
Проект не реализовывался.
3.2.7. АМС «Mariner Venus Mercury 73»
В конце 1967 года рассматривалась возможность модификации АМС «Mariner 69» для запуска к Венере и Меркурию по пролетной траектории в 1970 году. Предложение было реализовано в 1973 году, когда на базе конструкции АМС «Mariner 69» была разработана АМС «Mariner Venus Mercury 73» («MVM 73»).
Состав научной аппаратуры:
- телевизионная система;
- инфракрасный радиометр;
- ультрафиолетовые спектрометры;
- магнитометры;
- анализатор плазмы;
- детектор заряженных частиц
АМС имела специальный солнцезащитный экран для предохранения бортовой аппаратуры от перегрева при полете по столь близкой к Солнцу траектории.
Энергопитание бортовой аппаратуры АМС обеспечивали две солнечных батареи общей площадью 5,2 м2 и никель-кадмиевые аккумуляторы.
Корпус АМС был выполнен в виде восьмигранной призмы высотой 45,7 см и размером по диагонали 1,384 м. Максимальный поперечный размер АМС по концам раскрытых панелей солнечных батарей составлял 8,0 м, высота от теплозащитного экрана до излучателя всенаправленной антенны - 3,7 м.
Корректировочная двигательная установка, работавшая на однокомпонентном топливе - гидразине, имела тягу 22,6 кгс. Управляющие сопла системы ориентации работали на сжатом газе.
Масса АМС - 502,9 кг, в т.ч. 29 кг топлива и сжатого газа. Масса научной аппаратуры 79,4 кг. Ракета-носитель - Atlas-Centaur.
Было изготовлено две АМС этого типа. Первая АМС, имевшая обозначение «Mariner 73/1», использовалась для наземных испытаний и являлась резервной. Вторая АМС, «Mariner 73/2», была запущена к Венере 03.11.73 года и после выхода на расчетную траекторию получила название «Mariner 10».
05.02.74 г. АМС выполнила пролет около Венеры на расстоянии 5 768 км от поверхности. Было получено 4 165 снимков облачного покрова Венеры.
Гравитационный маневр при пролете Венеры позволил АМС перейти на траекторию полета к Меркурию. АМС, совершая полет по гелиоцентрической орбите, трижды выполнила пролет около Меркурия.
Информация по полету АМС «Mariner-10» приведена в табл. 3.18.
5.1. Проект «Navigator»
В 1962 году, когда проект «Voyager» был утвержден и принят к разработке, из него выделился проект АМС «Navigator». Эта АМС должна была использоваться для полетов к Меркурию, Юпитеру, кометам, к Солнцу, то есть, для решения таких задач, для которых требовалась еще более мощная РН, чем это предусматривалось проектом «Voyager». Далее предварительных изучений дело не продвинулось из-за отсутствия финансирования.
5.2. «Advanced Pioneer»
С 1964 года компанией TRW Systems Group по контракту NASA велась разработка проекта «Advanced Pioneer», в соответствии с которым на базе АМС «Extended Pioneer» должны были создаваться улучшенные АМС для исследований Солнечной системы в широких пределах. Для изучения были намечены следующие районы:
- вне плоскости эклиптики (запуск АМС с наклоном плоскости орбиты к плоскости эклиптики до 33 град.);
- внутри орбиты Земли (от 1,0 а.е. до 0,1 а.е. от Солнца);
- вне орбиты Земли (до 10 а.е. от Солнца);
- окрестности Юпитера (с пролетной траектории);
- стационарная точка на орбите Земли, диаметрально удаленная от Земли (позади Солнца).
АМС должны были иметь систему трехосной стабилизации, 27 кг научной аппаратуры. Энергопитание должны были обеспечивать солнечные батареи (при полетах внутри орбиты Земли) или радиоизотопный источник.
Расчетная длительность работы АМС от пяти месяцев (при запуске в стационарную точку позади Солнца) до 17 месяцев (при полете к Юпитеру).
Масса АМС должна была составить 180 кг - в варианте с солнечными батареями, или 340 кг - с радиоизотопным источником.
В качестве РН рассматривались Atlas-Agena, Atlas-Centaur, Titan-3C, Saturn-1B. Все РН должны были дополняться 3-й твердотопливной ступенью.
Предполагалось, что первая АМС может быть запущена в 1972 году, еще 2 - в 1973 году, и далее по одной АМС ежегодно в течение 1974-1980 годов.
Из начального списка целей было реализовано только создание и запуск к Юпитеру двух АМС, разработанных по проекту «Galactic Jupiter Probe», выделившемуся из проекта «Advanced Pioneer». АМС получили наименования «Pioneer-10» и «Pioneer-11».
   |
В 1966 году был опубликован предварительный проект АМС «Advanced Pioneer» для исследования Юпитера с пролетной траектории. В проект были заложены технические решения, которые в дальнейшем с успехом использовались в конструкциях дальних АМС: радиоизотопные генераторы, остронаправленная антенна диаметром 4,9 м, ось которой совпадает с осью АМС, и другие. Проект «Advanced Pioneer» лег в основу проекта АМС «Galactic Jupiter Probe».
5.2.2. АМС «Galactic Jupiter Probe»
«Galactic Jupiter Probe» - АМС для исследования Юпитера с пролетной траектории, разработанная на базе проекта АМС «Advanced Pioneer». По первоначальному проекту масса АМС 180-220 кг, в т.ч. 18 кг - масса научных приборов. В процессе работ масса АМС возросла до 260 кг, в т.ч. масса научных приборов до 27-32 кг. Запуск АМС производился РН Atlas-Centaur с разгонным блоком Burner-2 (ТЕ364-4).
По проекту «Galactic Jupiter Probe» было построено три АМС. Две АМС, получившие очередные номера в серии АМС «Pioneer» - «Pioneer-10» и «Pioneer-11», - были запущены по траектории полета к Юпитеру, а третья АМС являлась резервной. АМС изготовлены фирмой TRW Systems Group.
Корпус АМС выполнен в виде шестигранной призмы, высотой 36 см и диаметром 1,42 м, длина боковой стороны - 71 см. АМС имеет параболическую остронаправленную антенну диаметром 2,74 м. Электропитание аппаратуры обеспечивают четыре радиоизотопных генератора SNAP-19, которые закреплены на двух ферменных балках длиной по 3 м. АМС стабилизируется вращением со скоростью 4,8 об/мин. Двигательная установка АМС включает шесть двигателей, расположенных попарно, которые обеспечивают закрутку АМС и коррекцию траектории.
Состав научной аппаратуры АМС:
- Asteroid/Meteroid Detector - астероидно-метеоритный детектор;
- Meteroid Detector - детектор метеоритных частиц;
- HVM (Helium Vector Magnetometer) - направленный магнитометр;
- Infrared Radiometer - инфракрасный магнитометр;
- IPP (Imaging Photopolarimeter) - телекамера-фотополяриметр;
- TRD (Trapped Radiation Detector) - детектор космического излучения;
- PA (Plasma Analyzer) - анализатор плазменных частиц;
- CPI (Charged Particle Instrument) - анализатор заряженных частиц;
- CRT (Cosmic Ray Telescope) анализатор космического излучения;
- GTT (Geiger Tube Telescope) - направленный регистратор Гейгера;
- UV (Ultraviolet Photometer) - ультрафиолетовый фотометр;
- Low-Sensitivity Fluxgate Magnetometer - потоковый магнитометр (только на АМС «Pioneer-11»).
На корпусе АМС была закреплена позолоченная пластина размером 152 х 228 мм с изображениями мужчины и женщины рядом с изображением АМС в масштабе, со схемой Солнечной системы, а также с закодированной информацией о положении Солнца в Галактике, Земли в Солнечной системе, и некоторые сведения о земной цивилизации. Информация была подготовлена с расчетом возможности однозначного раскодирования нашедшей АМС внеземной цивилизацией.
АМС «Pioneer-10» и «Pioneer-11» должны были проводить исследования межпланетного пространства до момента, когда мощности, вырабатываемой радиоизотопными генераторами, будет недостаточно для функционирования бортовой аппаратуры, либо когда АМС удалится на такое расстояние, что передаваемые сигналы станет невозможно принимать наземными радиокомплексами. Также принималось во внимание возможность исчерпания ресурса оборудования АМС. Минимальное расчетное время работы АМС - 21 месяц.
АМС с интервалов в один год были выведены на траекторию полета к Юпитеру. АМС «Pioneer-10» после сближения с Юпитером продолжала исследования межпланетного пространства и 13.06.1983 г. пересекла орбиту Нептуна, который в это время являлся самой удаленной планетой Солнечной системы. Последние сигналы от АМС были получены 27.04.02 г. 25.02.04 г. NASA объявила о прекращении попыток установить связь с АМС «Pioneer-10».
АМС «Pioneer-11» после пертурбационного маневра у Юпитера перешла на траекторию полета к Сатурну, причем сначала эта траектория проходила внутри орбиты Юпитера. АМС приблизилась к поясу астероидов, затем снова пересекла орбиту Юпитера и 01.09.1979 г. прошла около Сатурна на расстоянии 20 200 км, а затем около Титана на расстоянии 356 000 км. Работа с АМС «Pioneer-11» прекращена 30.09.95 г. в связи с выработкой ресурса энергоустановки.
Схема полета АМС показана на рис. 3.186. В табл. 3.24 приведены основные данные о полете АМС «Pioneer-10» и «Pioneer-11».
5.3. Платформа «Mariner Mark II»
В конце 1967 года JPL внесла на рассмотрение NASA проект плана планетарных исследований на 1970-1975 годы. План предусматривал разработку АМС класса «Mariner» для исследования внешних планет. Основными отличиями новой АМС «Mariner Mark II» от базовой конструкции АМС «Mariner» должны были стать:
- новая система энергопитания, базирующаяся на радиоизотопных генераторах, а не на солнечных батареях;
- новая система теплорегулирования, т.к. радиоизотопные генераторы выделяют значительное количество теплоты;
- новая система навигации;
- увеличенный ресурс бортовой аппаратуры, обеспечивающей работу после нескольких лет полета АМС.
Для запуска предлагалось использовать РН Titan III-Centaur.
План планетарных исследований JPL от 1967 года предусматривал запуск АМС «Mariner Mark II» к Юпитеру в 1974 году. АМС получила условное наименование «Mariner 74». Позднее проект получил наименование «Mariner Jupiter-Saturn 77», а затем был реализован под названием «Voyager» («Voyager-77»).
6.1. Проект фирмы PhilcoВ 1965 году компания Philco предложила проект АМС для исследования комет.
По компоновке и конструкции панелей солнечных батарей АМС напоминает АМС «Mariner C».
6.2. Модификация АМС «Mariner-С»
В 1967 году, после успешных полетов АМС «Mariner 4» и «Mariner 5», было предложено использовать АМС типа «Mariner С» для исследования комет с пролетной траектории. Специфика полета к кометам требовала внесения в конструкцию АМС следующих изменений:
- установка телекамеры на поворотной платформе со специальным следящим оборудованием;
- установка КДУ многократного включения;
- увеличения запаса топлива для обеспечения приращения характеристической скорости до 80-150 м/с (при большей массе АМС);
- изменение площади СБ (в зависимости от задачи - до 6,1-8,4 м2);
- установка радиопередатчика мощностью 25 Вт;
- установка радиоизотопного источника (как вариант).
Масса АМС должна была составить 334 кг (или 366 кг - с радиоизотопным источником). Для запуска должна была использоваться РН Atlas-Centaur или Atlas-Agena.
Предлагалось осуществить следующие запуски АМС «Mariner С» к кометам:
1967 год - к комете Брукса -II;
1969-70 годы - к комете Понса-Виннеке.
8.1.2. АМС «Pixi / Extended Pioneer»
Проект, разрабатывавшийся фирмой TRW Systems с 1963 года, первоначально носил название «Pixi1», но затем решением NASA был принят к осуществлению под рабочим названием «Extended Pioneer». Программа «Extended Pioneer» является вторым этапом программы «Pioneer». АМС этой серии продолжили нумерацию АМС «Pioneer» первого этапа.1 Пикси - доброе маленькое существо в фольклоре юго-западной Англии.
АМС «Extended Pioneer» предназначались для изучения межпланетного пространства в зоне орбиты Земли с гелиоцентрических орбит.
Руководство разработкой АМС было возложено на Исследовательский центр им. Эймса (NASA).
Состав аппаратуры:
- магнитометр;
- детекторы плазмы и космической радиации;
- детектор микрометеоритных частиц;
- прибор для определения концентрации электронов;
- детекторы-регистраторы атомов различных элементов (только на АМС «Pioneer-E»).
Источниками электроэнергии являлись серебряно-цинковые аккумуляторы и солнечные батареи, размещенные на цилиндрической поверхности корпуса АМС.
Стабилизация АМС «Extended Pioneer» осуществлялась закруткой АМС вокруг продольной оси со скоростью 60 об/мин. Для ориентации оси вращения использовалось реактивное сопло, работающее на сжатом газе. Расчетная длительность работы АМС - 6 месяцев, фактически же АМС проработали во много раз дольше. Так, например, последний сеанс связи с АМС «Pioneer-6», запущенной в декабре 1965 г., состоялся в декабре 2004 года, то есть, через 39 лет после запуска.
Масса АМС - около 63 кг, в том числе научная аппаратура - 15,9 кг.
Было изготовлено 5 АМС «Extended Pioneer», получивших заводские названия от «Pioneer-A» до «Pioneer-E». После запуска первых четырех АМС им были присвоены порядковые обозначения от «Pioneer-6» до «Pioneer-9». Эти четыре АМС были основными, а пятая, «Pioneer-E», являлась резервной.
Рассматривался вопрос о возможности модификации «Pioneer-E» для запуска к Венере. В соответствии с предложением, АМС должна быть модифицирована путем установки двигательной установки для проведения коррекций траектории, при этом масса АМС должна была составить около 65 кг (или несколько больше). Запуск должен был произведен РН Thorad-Delta.
Позже было решено запустить АМС «Pioneer-E» по той же программе, что и четыре основные АМС, но запуск оказался неудачным.
АМС «Extended Pioneer» запускались с помощью РН Thor-Delta DSV-3E. РН выводила АМС на гелиоцентрическую орбиту, расположенную близко к орбите Земли.
  |
С 1964 года велась разработка проекта «Advanced Pioneer», в соответствии с которым на базе АМС «Extended Pioneer» должны были быть созданы улучшенные АМС для исследований Солнечной системы в широких пределах.
Для изучения были намечены следующие районы:
- вне плоскости эклиптики (запуск АМС с наклоном плоскости орбиты к плоскости эклиптики до 33 град.);
- внутри орбиты Земли ( от 1,0 а.е. до 0,1 а.е. от Солнца);
- вне орбиты Земли (до 10 а.е. от Солнца);
- окрестности Юпитера (с пролетной траектории);
- стационарная точка на орбите Земли, диаметрально удаленная от Земли (позади Солнца).
АМС должна была иметь трехосную ориентацию, солнечные батареи и остронаправленную антенну. Предлагалось осуществить первый запуск АМС «Advanced Pioneer» в 1972 году, и далее до 1980 года производить по одному запуску в год. На базе проекта «Advanced Pioneer» был разработан проект АМС «Galactic Jupiter Probe» (п .5.2.2) для исследования Юпитера и Сатурна с пролетной траектории.
8.2. Проект АМС для изучения метеорных потоков
В 1965 году фирма Martin разработала по контракту с NASA проект АМС для изучения метеорных потоков в межпланетном пространстве. АМС планировалось выводить на гелиоцентрические орбиты, где они должны были проводить измерения частоты столкновений с метеорными частицами, скорости и массы этих частиц.
АМС имеет четыре «крыла» Z-образного сечения. С обеих сторон панелей, образующих «крылья», монтируются детекторы метеорных частиц. Расчетное время работы АМС 1 год.
8.3. Проект «Sunblazer»
«Sunblazer» - проект АМС для исследований солнечной короны с гелиоцентрической орбиты, разрабатывавшийся NASA в 1967 году. Масса АМС от 6,8 до 27 кг. Расчетное время работы АМС более 1,5 лет. Запуски АМС «Sunblazer» должны были производиться РН Scout с дополнительной 5-й ступенью.
Предполагалось осуществить запуск пяти АМС, первый запуск планировался на 1968 год.
8.6. Проект «Solar Probe»
Вопросы исследования Солнца, изучения механизмов происхождения солнечного ветра и ускорения частиц, энергетического баланса в солнечной короне, плазмы и пыли в околосолнечном пространстве являлись одной из целей космических исследований NASA. Для проведения измерений в непосредственной близости от Солнца последовательно рассматривалось несколько проектов АМС.
8.6.1. Проект 1963 г.
В 1963 году возможность создания АМС для исследования Солнца изучали ряд американских фирм - Philco, General Electric, Martin, Avco и др.
Фирма Minneapolis-Honeywell разработала проект АМС, предназначенный для исследования Солнца с расстояния до 0,3 а.е. Корпус АМС имеет форму шестигранной призмы. Днище корпуса, обращенное к Солнцу, защищено теплозащитным экраном. Внутри корпуса может быть размещено до 20 научных приборов. К корпусу крепятся штанги с магнитометром и ионизационной камерой, параболическая и всенаправленная антенны.
Масса АМС около 180 кг.
10.1. Точки либрацииТочками либрации системы двух массивных объектов, один из которых вращается по орбите вокруг другого, называются такие точки, в которых поля тяготения этих объектов суммируются таким образом, что тело небольшой массы, находящееся в такой точке, может оставаться неподвижным относительно этих двух объектов. Эти точки называются также точками Лагранжа по имени французского математика, который первым привел решение математической задачи, доказывающее существование таких точек.
Существуют точки либрации системы Солнце-Земля и системы Земля-Луна. Точка L1 системы Солнце-Земля находится на расстоянии 1,5 млн. км от Земли в сторону Солнца. Точка L2 системы Солнце-Земля находится на расстоянии также 1,5 млн. км от Земли в сторону от Солнца. Точка L1 системы Земля-Луна находится на расстоянии 58 тыс. км от Луны в сторону Земли. Точка L2 системы Земля-Луна находится над невидимой стороной Луны на расстоянии 65 тыс. км от Луны.
Расположение КА в таких точках, особенно в точках L1 и L2, является очень привлекательным, т.к. обеспечивает неподвижность КА относительно Земли (или Луны). В реальности же различные факторы, воздействующие на КА в точке либрации, вызывают «дрейф» аппарата из этой точки, поэтому КА выводятся не непосредственно в точку либрации, а на так называемую «гало-орбиту» около точки либрации.
Задачи, для выполнения которых КА помещается в точку либрации, могут быть самыми различными. Так, для космических телескопов, выводимых в точку либрации L2 (см. п. 9.4 - п. 9.6), важным обстоятельством является постоянное нахождение в тени Земли, что позволяет избежать «засветки» со стороны Солнца. КА, доставляемые в точки либрации с другими задачами, рассмотрены далее в этой главе.
10.2. АМС в точке L4
В 1962 году американские ученые Лео Стег (Leo Steg) и Юджин Шумейкер (Eugene Shoemaker), проведя расчеты по возможности устойчивого положения объекта в окрестностях точек либрации, предложили направить АМС в точку либрации L4 для постоянного наблюдения за Солнцем. По их предложению, запуск АМС должен был состояться 24.10.63 г. Ракета-носитель Atlas-Agena B должна была вывести АМС на траекторию полета к точке L4. Перелет должен был продлиться 78 часов.
Расчетная масса АМС составляла 408 кг. В эту величину входили:
- 190 кг - конструкция АМС, включая основной ЖРД и двигатели ориентации;
- 163 кг - топливо для коррекции траектории, выхода на эллиптическую орбиту вокруг точки либрации и поддержания АМС на этой орбите;
- 23 кг - радиосвязное оборудование;
- 32 кг - научная аппаратура, в том числе:
- 14 кг - анализатор микрометеоритов и пыли;
- 18 кг - прибор для наблюдения за солнечными вспышками.
Авторы предложения отмечали также, что АМС в точке L4 или L5 может служить ретранслятором для будущих лунных миссий.