  |
Самое время напомнить про разные сферы, интересные с точки зрения приоритетов. В 260 тыс. км от Земли Солнце притягивает КА сильнее Земли. И это имеет чисто познавательский интерес, посколько в баллистике куда важнее вычислить ускорения (возмущения), которые оказывают на КА разные массы. Чисто для справки - сферу притяжения первой миновала "Первая Советская Космическая Ракета", которую позже назвали попроще - "Луна-1".
Возмущения от Земли и Солнца становятся равными примерно в 929 тыс. км в среднем (понятно, что граница меняется в зависимости от расстояния между Солнцем и Землёй). Это и есть сфера действия Земли. При этом весьма правильным действием баллистиков будет перенести начало координат на Солнце чисто для упрощения счёта.
Это я и считаю границей околоземного пространства.
Тут ещё надо понимать, что СД вовсе не круглая, как и все сферы, она очень-очень некруглая, но считать будем всё же круглой, дабы избежать соблазна впасть в математический маразм.
Если аппарат не на гелиоцентрической орбите, то баллистики координат не меняют и продолжают считать орбиту как бы геоцентрической. Ну, это лишь методика вычислений - начало координат можно поместить, где душе угодно, лучше один раз и вовсе не переносить во избежании путаницы. Однако методы баллистиков - их личное дело. Они имеют право принять за центр Вселенной хоть себя лично и считать, что всё вращается вокруг них. И это не будет ошибкой. Математика позволяет. Рассчёты только сложнее.
Но вот миновал КА Сферу действия Земли, притяжение Солнца уже раз в 10 больше, чем Земли (Луна притягивается в 2,5 раза сильнее Солнцем, чем Землёй), возмущения от Солнца тоже больше, однако это вовсе не значит, что КА улетит далеко и навсегда. Он пока в сфере Хилла. И будет считаться в сфере Действия Солнца, но являться ИСЗ. В 1,5 млн км - граница сферы Хилла, теперь КА можно с полным правом считать ИС Солнца. Но баллистики и тут не торопятся. Дальше идёт сфера влияния Земли. Влияние Земли на КА очень мало, но и его надо учитывать! И баллистики могут и дальше считать КА ИСЗ. Это их право - как им удобнее, так и считают. Но с точки зрения теории это уж непременно ИС Солнца. Границы сферы влияния чисто субъективны. И формула для вычисления есть, но и она субъективна. Если в сфере Хилла зависимость меж массами и расстоянием в степени 2/5, что математически подтверждается, то для сферы влияния предложили простой кубический корень, отчего эта сфера стала больше сферы Холла примерно вдвое.
Чтобы попасть в СД Солнца, не обязательно набирать 2-ю космическую скорость и удаляться на миллионы км. Достаточно ИСЗ с апогеем в 930 тыс. км. Однако таких КА очень мало. Не было столь жгучего интереса к окраинам сферы действия Земли. Были и иные причины: 1) энергетические затраты для посылки КА к Луне или в апогей на миллион км или на орбиту ИС Солнца отличаются ничтожно. И, конечно, приоритет был отдан планетарным разведчикам, а не разведчикам окраин земного тяготения.
Первым КА, попавшим в СД Солнца был советский аппарат "Луна-1". Это произошло 7-8 января 1959 г (пусть будет 8-е!).
Но!
Вообще-то "Луна-1" не должна была туда попасть. Она промахнулась по Луне. Это в принципе неудача, нештатная траектория, АКБ разрядились задолго до подлёта к границе СД. В такой ситуации жалко отдавать приоритет неудачливому аппарату. Советские КА даже не пытались запускать в СД Солнца до октября 1960 года, да и тогда оба марсианских аппарата даже не вылетели из атмосферы. А у США было иначе. Там тоже, естественно, уделили всё внимание Луне, получив серию неудач в попытках сделать ИСЗ Луны. Но "Пионер-3" имел массу всего 6 кг и никакой возможности затормозить не имел. В Луну не целились - и попасть сложно и смысла нет. Аппарат изначально планировался для пролёта Луны и выхода на орбиту ИС Солнца. "Пионер-3" даже до Луны не долетел. Но его дублёр, "Пионер-4" задание выполнил - пролетел мимо Луны и вышел в СД Солнца. И было это примерно 9.03.1959 года.
В истории космонавтики будет ещё немало таких - "он шёл на Одессу, а вышел к Херсону". Если брать за аналогию Колумба, плывшего в Индию, а попавшего в Америку, да так и не признавшего свою ошибку до самой смерти, то всё же надо отдать ему должное - он начал исследовать новую землю и добился больших успехов. Увы, редкий аппарат, потерявший цель, способен перестроиться на новые задачи. В связи с этим результат и "Луны-1" и "Рейнджера-3", попавшего не на ту сторону Луны (но первым) нельзя считать полноценным приоритетом. В данном случае я решил поделить оценку приоритета поровну.
Если США достигли СД Солнца со второй попытки, то СССР (если не считать "Луну-1") - с четвёртой. Это "Венера-1", 1961 год. Но вот у других стран получалось это с первой попыткой, но они и начали гораздо позднее.
Старты (в СД Солнца КА выходили примерно через неделю, точнее не знаю):
10.12.1974 - «Гелиос-1» - ФРГ (РН США)
7.01.1985 - «Сакигаке» - Япония
2.07.1985 - «Джотто» - ЕКА
1.10.2010 - Чанъэ-2 - Китай
5.11.2013 - «Мангальян» - Индия
6.02.2018 - Tesla Roadster - частники (SpaceX. Илон Маск)
26.07.2020 - "Аль-Амаль" - ОАЭ (РН Японии)
2 Попадание в СолнцеЭтот приоритет близок, но пока не достигнут. Уронить КА на Солнце энергетически очень сложно, гораздо сложнее, чем отправить к любой планете, включая планеты иных звёзд. К тому же этот подвиг баллистиков не сулит много научных данных - аппарат выйдет из строя задолго до достижения поверхности Солнца. Лишь фантасты, начиная с Сирано де Бержерака отправляли героев прямо на Солнце, а Альтов - вообще сквозь него. Была кстати, у атомщиков интересная идея - хоронить радиоактивные отходы на Солнце. Идея решения проблемы надежной изоляции высокотоксичных отходов путем транспортировки их на Солнце была высказана советским физиком Петром Капицей в 1959 году. Эта мысль не давала покоя и американским ученым, также с 60-х годов разрабатывающим способы отправки отходов к светилу.
Регулярно она всплывает:
В августе 2001 года отправлять РАО на кораблях в сторону Солнца предложил американский астронавт Дэвид Скотт, выступая на Сицилии перед учеными из 31 страны.
В апреле 2004 года в рамках международного симпозиума, посвященного 15-летию сотрудничества России и Европы в области пилотируемой космонавтики президент Ракетно-космической корпорации «Энергия» Юрий Семенов рассказал об аналогичном проекте в России. По словам Семенова, отходы на Солнце смогут доставлять ракеты типа «Энергия». Одна такая ракета может вывозить с Земли до 20 тонн отходов, то есть в год можно отправлять на уничтожение до 100 тонн радиоактивных материалов.
Проект отправки радиоактивных отходов на Солнце инженер Юрий Черкашин представил в петербургском Доме ученых в рамках дискуссии, организованной Институтом региональной прессы.
Техническое предложение Черкашина состоит в создании альтернативной использованию ракет газодинамической баллистической установки. Его не просто раскритиковали, а высмеяли. В частности, отходы надо одеть в свинец, которого надо в 10 раз больше
3 Вывод КА в точку L1Мудрый Лагранж довольно давно сообщил, что в системе двух масс, одно из которых центральное, есть 5 точек, где третье тело (КА) будет сохранять неизменное положение относительно обоих тел. Это очень важное свойство. Но одна из пяти точек в системе Солнце - Земля - Лагранж-1 - интереснее остальных (даже вместе взятых). Именно тут аппарат непрерывно следит за Солнцем, а его антенна направлена на Землю и такое положение может сохраняться достаточно долго без коррекции. Это теория, на самом деле не совсем так, даже совсем не так, но место в смысле стабильности много лучше околоземных орбит. При этом КА не только занят изучением Солнца, что очень важно, но сразу оказывается вовлечён в хозяйственную деятельность - он предсказывает солнечные бури заранее, за много часов до того, как они обрушатся на Землю.
L1 находится на границе сферы Хилла, далеко за СД Земли, т.е. являясь в бытовом понимании "спутником" Земли, всецело принадлежит СД Солнца. Это неустойчивая точка - вместо того, чтобы соблюдать неизменность положения между Солнцем и Землёй, КА двигается по незамкнутой орбите (спирали) вокруг точки, радиус её может достигать 100 тыс. км и более, спираль раскручивается, т.е., если не корректировать движение, КА уйдёт от Земли совсем.
Первым КА там стал ISEE-C, он же ISEE-3 (США). Запущен 12 августа 1978 года, а добрался до места назначения только 21 октября (20 ноября?) 1978 года и был сведён с этой орбиты 10 июня 1982 года (для исполнения новых задач).
Всего в точке L1 Земля-Солнце побывало 5 КА: 4 - США и 1 ЕКА
4 гелиоцентрическая полярная орбитаДля понятия строения Солнечной системы и процессов в ней, желательно выйти из плоскости эклиптики, а ещё лучше - выйти на полярную орбиту и посмотреть на Солнце со стороны его полюсов ("сверху" и "снизу"). Нигде не объясняется, что означает "выйти из плоскости эклиптики" в числовом выражении (все планеты выходят понемногу, а Плутон даже очень), а "полярная орбита" определена как "орбита с наклонением в 90°. Столь точных наклонений просто нет, да и не нужны они, что не мешает описывать в литературе "полярные ИСЗ" или описывать как "полярную гелиоцентрическую орбиту АМС "Улисс". Раз точных граничных значений нет, их надо вычислять самому. Попробуем.
1) Полярная орбита - такая орбита, с которой можно увидеть оба полюса. Так ведь?
2) Чтобы их хорошо рассмотреть, надо учесть не любой, а НАИМЕНЬШИЙ возможный радиус орбиты, т.е. видеть оба полюса с границы космоса.
3) Для Земли определим пограничное значение наклона полярной орбиты. Это 90°-x, где x - косинус угла между R (радиус Земли) и R+h (радиус Земли + высота до границы космоса) = 6371: (6371+122) = 6371:6493 = 0,98121. 11° 7' 28'' (11.12°). Граничное значение 78°52'32'' (78,88°)
4) Для Солнца сложнее - чёрт его знает, что там можно принять за границу космоса, ибо там аппарат не столько тормозится, сколько расплавляется, а это неприятно. Возьмём, пожалуй, средний радиус Солнца (696 тыс. км) и толщину хромосферы (10 тыс. км.). Вплоть до особого распоряжения будем её внешнюю границу считать границей космоса. Получим: 696: (696+10) + 696:706 = 9° 39' 18'' (9.6549°). Граничное значение 80,345°
Вероятно, считать возможным орбитальные полёты всего в 20 тыс. км слишком оптимистично, тут и миллион - сомнительная дистанция, так что наклон резво устремляется к нулю и вычисления теряют смысл. Для иных миров смысл вычисления полярных орбит есть и это вовсе не бессмысленная геометрия - важность сканирования ВСЕЙ поверхности не надо доказывать, но знаем мы о наименьших возможных орбитах для иных миров мало. Скажем, для Луны, не имеющей атмосферы совсем, орбиты ниже 14-15 км тоже заказаны - там горы, масконы...
Поэтому вплоть до особого распоряжения - СЧИТАТЬ земную полярную орбиту - (78,88°) приемлемой для всех миров, если она явно не противоречит возможностям. К тому же есть миры, которые не вращаются или вращаются вокруг нескольких осей сразу.
Первым аппаратом, вышедшим на полярную гелиоорбиту, был "Улисс". До сих пор нет возможности отправить КА на такую орбиту сразу. Даже гравитационный маневр у ближайших планет не окажет нужного эффекта, поэтому КА пришлось лететь к Юпитеру, где 8 февраля 1992 года он переломил свою траекторию и стал облетать Солнце с наклоном 80,2°. Кстати, апогей - 810 млн. км, перигей - 250 млн. И это до сих пор один такой аппарат.
5 Возвращение из СД Солнца в СД ЗемлиСразу скажу, что наипростейший вариант - геоц. орбиту с апогеем в миллион км я не приемлю - без баллистического маневра как-то некрасиво отдавать столь ценный приоритет. Даже попытка СССР (см.ниже) от 1963 г. не внушает - КА совершенно без усилий возвращается в СД Земли. Но, к счастью, первое возвращение произошло с такими выкрутасами, что баллистики по праву собрали чуть ли не все приоритеты в управлении КА на во всех сферах Земли, Луны и Солнца.
Первая попытка была предпринята СССР. Для отработки вхождения в атмосферу со 2-й космической скоростью и управления КА на межпланетных расстояниях 11.11.1963 был запущен аппарат 3МВ-1А (3МВ-1 №2). Он должен был уйти в межпланетные просторы по такой траектории, чтобы через полгода вернуться к Земле и произвести посадку. СССР замахнулся сразу на два главных приоритета - баллистический (возвращение КА из сферы действия Солнца в СД Земли) и инженерный (посадка на Землю АМС, побывавшей в дальнем космосе! Но - неудача, РБ потерял ориентацию (вероятно, взорвался турбонасос ДУ), КА остался на низкой геоорбите, получил имя «Космос-21» и сгорел через 4 дня в атмосфере Земли (если бы отделился от РБ, мог бы и уцелеть). Первая задача была решена лишь через 20 лет, вторая - через 43 года.
Впервые в СД Земли после долгого отсутствия КА вошёл в марте 1983 года. Это был уже знаменитый ISEE-3. КА успешно отработал в точке L1 4 года, а в 1982 году активность Солнца пошла на спад, да и информация потеряла новизну и аппарат решили использовать для задачи, к которой он был не предназначен - для исследования кометы. Тут ещё такое дело - к Солнцу возвращалась знаменитая Галлея, к её встрече готовилась целая эскадрилья - 5 аппаратов. А вообще-то их должно быть 6. Но американский CRAFT не вынес финансовых проблем НАСА и скончался до рождения. Поэтому решили использовать ISEE-3, который переименовали в International Cometary Explorer (ICE). Он вошёл в СД Земли и начал разгоняться, используя гравиманевры возле Луны. Совершив за несколько месяцев 5 пролётов, он добрал нужные 2,2 км/с и вылетел из СД Земли на новые подвиги (они ему удались тоже, но это другая история)
6 Научные данныеПолучение научных данных, даже прямая радиосвязь из СД Солнца - инженерный подвиг. Лишь полвека до этого радио появилось вообще, герои Циолковского даже в 1918 году летают по космосу без радио, до 30-х годов утверждали, что радиосвязь с Марсом и даже с ИСЗ невозможна из-за слоя Хевисайда, ещё в начале 50-х связь на расстоянии 20 тыс. км. поражала воображение, радиостанции были грандиозны, засунуть их в крохотный аппарат вместе с батареями было вообще невозможно, но космонавтика уже на второй год своего рождения потребовала устойчивой радиосвязи на расстоянии не менее миллиона километров!
И задача была решена. Передатчики на КА смогли установить очень слабые, питание от АКБ хватало ненадолго, а от СБ было мизерным, зато приёмниками стали гигантские радиотелескопы. Даже полное отсутствие приборов, с помощью лишь радиосвязи позволило уточнять параметры орбит планет, массы планет, а ценнейший эксперимент по радиопросвечиванию атмосфер планет вообще можно делать с помощью одного радиопередатчика.
Первый шаг был сделан 6 декабря 1958. Был запущен американский "Пионер-3". Он должен был передать радиосигналы из района Луны, лететь дальше, непрерывно сигналя. Размер его был ничтожен, а масса меньше 6 кг, из оборудования - счётчик радиации да передатчик мощностью 0,18 вт (меньше, чем у нашего мобильника), но надеялись держать связь и за пределами СД Земли.
Не вышло - не набрав скорости, КА одолел лишь треть расстояния до Луны и изволил вернуться.
2 января 1959 года очередная советская "Луна" прицеленная в Луну, промахнулась и полетела дальше, продолжая сигналить обеими радиопередатчиками. Но АКБ были рассчитаны на 40 часов работы, сигналы ловили 62 часа, но на расстоянии 597 тыс. км КА замолчала навсегда.
Вторая попытка была сделана американцами 3 марта 1959 года. "Пионер-4", почти близнец "Пионера-3", набрал необходимую скорость, но и его ртутных батарей не хватило до границ СД Земли. Через 82 часа на расстоянии 655 тыс. км. сигнал пропал окончательно.
11 марта 1960 в путь отправился американский "Пионер-5". Он вообще-то предназначался для Венеры, но опоздал к стартовому окну и его запустили просто на гелиоцентрическую орбиту в сторону Венеры. Он был уже неизмеримо совершеннее - 43 кг, 4 панели СБ, немало приборов. Вот он-то и прислал первые данные с межпланетной трассы (примерно 20 марта 1960). Он замолчал только 26 июня 1960 года, на расстоянии 36 млн 210 тыс км.
7 Фотографирование Солнца из СД СолнцаФотография - выдающиеся достижение человечества. Разумеется, источник жизни, самое яркое небесное тело начали фотографировать сразу, как только догадались, как не испортить фотоаппарат при таком фотографировании. (Например, встать пораньше и сфотографировать при восходе). Когда учёные узнали, что атмосфера не пропускает целый диапазон солнечных лучей, они подняли фотоаппараты на стратостатах, самолётах, ракетах. Наконец, появились ИСЗ - солнечные обсерватории (типа серии OSO). Солнце так огромно и до него так далеко, что оно резко "выпадает" за рамки фотографий абсолютно всех небесных тел (включая и Землю). Сам по себе приоритет фотографирования Солнца вне пределов СД Земли невелик. Ну, совершенно безразлично, сделано фото с расстояния 148 млн. км или 147 млн. Тем более, что используя масштабирование, вполне можно представить правдоподобную картинку, якобы сфотографированную хоть с 10 млн, хоть с миллиарда км. Тем не менее принижать приоритет фотографирования Солнца в связи с его такой уникальностью, не хочется. Есть точка, которая даёт прекрасный ракурс фотографии Солнца - Лагранж-1. Но и оттуда даже самая первая фотка великим достижением не кажется. Но солнечный фотограф SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) наснимал столько, что его невозможно не отметить по самому высокому классу. Это совместный проект ЕКА и НАСА. Был запущен 2 декабря 1995 года, выведен в точку Лагранжа L1 системы Земля-Солнце и приступил к работе в мае 1996 года. Фото справа - вероятно, одно из первых - 11 февраля 1996 г., 21:50.
КА работает до сих пор, сделал невообразимое количество снимков в разных диапазонах, собрал море информации о Солнце, совершенно попутно открыл более 2000 комет.
Для землян солнечное затмение - редкость. На SOHO оно постоянно. Коронограф надежно прикрывает диск Солнца, позволяя наблюдать его атмосферу. Учёным важнее иные фото, через различные фильтры, а то и за пределами возможности человеческого глаза, но я намерен и впредь отбирать лишь такие снимки, которые радуют глаз не слишком учёного человека, потому что социальный фактор - главный двигатель космонавтики, (не будет интереса - не будет финансирования), а именно зрением мы получаем 90% информации. А астрономы - народ уважаемый, но странноватый. Говорят, что Леверье, открывший Нептун "на кончике пера", не обнаружил никакого желания посмотреть на открытый им новый мир в телескоп.
8 возвращение на Землю из СД СолнцаСовершить посадку на Землю аппарату, прилетевшего с гелиоцентрической орбиты - важная инженерная задача, намного сложнее, чем возвращение с Луны. И скорость побольше (а тепловые нагрузки возрастают не в прямой, а в квадратичной пропорции), почти наверняка нужна коррекция с астроориентацией. Короче, задача посадки на Землю не менее сложна, чем на любую другую планету. А зачем, собственно? Данные хорошо пересылаются по радиосвязи, имитировать возвращение с планет для тестирования аппарата можно и не улетая далеко. Лишь одна задача актуальна - доставка образцов, добытых в иных мирах для пристального обследования в хороших лабораториях. Но уже невдалеке маячит более крупная задача - возвращение космонавтов на родную планету совсем издалека. А там и третья цель просматривается - лет через 100 начнут возить что-то интересное (например, левиум с Оберона).
Первая попытка посадить КА, летавший в межпланетных просторах - 1963 год, СССР, "Космос-21" (см. пункт 3). Неудача - КА остался на низкой геоорбите. Через полвека уже Россия пыталась вернуть грунт с Фобоса, результат тот же - КА остался на низкой геоорбите.
8 сентября 2004 американский КА "Генезис" (Genesis) с образцами солнечного ветра вернулся на Землю. Его орбита была совершенно уникальной, как и его конструкция. Но об этом в другой раз. Ячейки аэрогеля с драгоценными атомами солнечного ветра были такими нежными, что их могло повредить даже приземление с парашютом. Поэтому спускаемую камеру должен был подхватить в воздухе вертолёт. Два вертолёта на всякий случай. Капсулу они так и не увидели. Там ошибочно был выставлен датчик ускорений, парашют (двухкаскадный) не открылся вообще, поэтому нежная капсула влетела в почву штата Юта со скоростью 310 км/час, разлетевшись вдребезги. Хотя часть образцов удалось сохранить (об этом ниже), но считать это дело посадкой невозможно.
Реабилитация американской техники произошла 15 января 2006 года - в том же самом штате Юта приземлилась капсула с КА "Стардаст" с образцами космической пыли и частицами хвоста кометы
13 июня 2010 вернулась капсула с японского аппарата "Хаябуса" с крупинками астероида 1998 SF36 (Итокава)
В декабре 2020 года ждём возвращения японского "Хаябуса-2" с образцами астероида Рюгу.
И это пока всё.
| Парившему в невесомости у перископа Мертону казалось, что парус застилает все небо. Ничего удивительного: он раскинулся на 4,6 миллионов квадратных метров, соединяясь с капсулой тросами протяженностью около 160 километров. Огромное полотно, сшитое из всех парусов всех клипперов, перевозивших чай по китайским морям, скользя подобно облакам, не могло бы сравниться с единственным парусом, который подставила Солнцу «Диана». Однако прочностью он лишь немногим превосходил мыльный пузырь: эти пять квадратных километров алюминированного пластика имели в толщину всего лишь несколько миллионных сантиметра. — Осталось десять секунд. Включить все системы телезаписи. Вещь столь огромная и в то же время столь хрупкая не умещалась в мозгу. Еще труднее было представить, как это хрупкое зеркало лишь благодаря давлению падающего на него солнечного света способно отбуксировать их за пределы земного притяжения. Артур Кларк. "Солнечный ветер". 1963 г. |
Солнечный парус - совершенно особый движитель, весьма эффективный в неспешных движениях вблизи источников квантов (вблизи звёзд). Как и морскому паруснику, ему не требуется топливо, причём он избавлен от штилей и ураганов и направление "ветра" всегда постоянно и легко определяется. Я не случайно поставил слово "ветер" в кавычки. Дети, ламеры и даже великие фантасты безбожно путают (или считают, что это одно и то же) «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц, долетающий от Солнца до Земли за 2-3 суток) и «солнечный свет» (поток квантов, долетающий от Солнца до Земли в среднем за 8 минут 17 секунд). "Топливом" солнечного паруса является именно давление света, измеренное нашим великим физиком Лебедевым.
Но тяга, увы, мала. Но ничего, зато она постоянна, почти вечна, а вблизи некоторых звёзд весьма прилична.
Инженеры давно зарились на дармовщину, фантасты вовсю писали романы о солнечных парусниках. Вот даже эпиграф к своему сайту лет 20 назад я приделал (совершенно по иной причине) из рассказа, где звёздные пришельцы-торгаши прибыли на Землю на паруснике.
Были попытки "поднять паруса". Например, эксперимент "Знамя-2" на "Мире", но это всё на низкой геоорбите. Или - «Маринер 10». Для корректировки его курса инженеры предпочли использовать отражение солнечных лучей от блестящей поверхности солнечных батарей аппарата.
Был ещё один замечательный проект - «Гелиогиро». См. «Техника-молодежи» 1978 г №1, с.26-27, обл.4
Парус космолета похож и на крылья гигантской ветряной мельницы. Вокруг центральной части аппарата развернуты 12 лент из сверхтонкого алюминизированного материала длиной 6250 и шириной 8 м. Натяжение этих лент обеспечивается центробежной силой, возникающей в результате вращения аппарата. Движимый солнечным ветром, «Гелиогиро» несет 1350 кг полезного груза, не нуждается ни в двигателе, ни в горючем.
И собиралимсь его запустить к комете Галлея.
В 1980 году в космосе, на расстоянии 100 тыс. км от Земли развернутся 12 пластиковых лепестков общей площадью 600 тыс. м2. Солнечный ветер наполнит паруса, и «Гелиогиро», космический парусник, начнет свой путь навстречу комете Галлея. Не так давно, в 1969 году, на страницах журнала рассказывалось о проектах парусных космических кораблей, рассматривались технические задачи, требующие решения, намечались цели полетов («ТМ», № 8, 1969). Не прошло и десяти лет, и, как это уже не раз бывало, фантастика становится реальностью. Почти все технические вопросы, связанные с постройкой солнечного паруса, разрешены, и названа цель первого полета — комета Галлея.
А далее автор уважаемого журнала делает ламерскую ошибку, о которой я писал выше: По данным межпланетных станций, скорость солнечного ветра уже в районе Земли достигает 400 км/с, и в его потоках наблюдается турбулентность газа и деформация магнитного поля, которое он несет с собой
Эх, планы, не ставшие реальность! Из-за недостатка финансирования НАСА не запустила парусник к Галлее. И вообще ничего не запустила к ней.
В 1980 году предполагается вывести в космос с помощью корабля-носителя космический парусный зонд. «Подняв паруса», зонд полетит по направлению к Солнцу, а затем, изменив траекторию, направится на встречу с кометой Галлея в феврале — марте 1986 года. Авторы проекта считают также, что с помощью космического парусника на Землю можно будет доставить образцы грунта с Марса.
Как же устроен космический парусник?
В настоящее время разработаны конструкции двух видов: один корабль представляет собой натянутый на сверхлегкий каркас квадратный парус со сторонами в 800 м. Это сверхтонкий пластик, покрытый полированным алюминием. Конструкция максимально облегчена, несущие мачты изготовлены из легких сплавов, сам корабль, прикрепленный к парусу, весит всего 820 кг. В нем размещены приборы. Система контроля и стабилизации удерживает корабль на нужном курсе и обеспечивает маневрирование корабля изменением ориентации паруса. Другая, более оригинальная конструкция космического парусника называется «Гелиогиро» — от греческих слов «гелиос» — солнце и «гирос» — окружность. Этот аппарат похож на гигантский цветок подсолнуха, вращающийся вокруг своей продольной оси. Паруса «Гелиогиро» — двенадцать огромных лепестков из алюминизированного пластика толщиной 2,5 микрона — исходят из центральной части аппарата подобно лопастям вертолета. Лепестки крепятся на двух уровнях, по шести на каждом, и по форме напоминают гигантскую мачту. Длина каждого лепестка составляет 6250 м, ширина 8 м.
Огромное преимущество «Гелиогиро» перед космолетом с квадратным парусом состоит в том, что ему не нужна несущая конструкция для натяжения паруса: это происходит за счет центробежной силы, возникающей в результате вращения аппарата. Вращение парусника стабилизирует его положение в пространстве. Чем вращение быстрее, тем сильнее натянуты полотна паруса, и тем стабильнее направление космолета на звезду-ориентир. Каждый лепесток может вращаться вокруг своей продольной оси подобно лопасти винта с меняющимся углом атаки. Это позволяет земным наблюдателям контролировать положение корабля и поворачивать его относительно Солнца. Таким образом сила тяги, создаваемая солнечным ветром, может использоваться как для ускорения, так и для замедления движения «Гелиогиро».
Аппарат таких гигантских размеров, как «Гелиогиро», не может быть запущен с Земли.
Предполагается, что в 1980 году вспомогательный транспортный корабль выведет на околоземную орбиту отсек с «Гелиогиро» на борту. Лепестки паруса в сложенном виде займут сравнительно мало места. Отсек имеет собственный двигатель, который выведет его с околоземной орбиты на гелиоцентрическую. Здесь начинается раскручивание аппарата, необходимое для раскрытия парусов. Как только паруса достигнут длины в 154 м, отсек переводится на другую траекторию, и паруса продолжают вращаться уже под действием солнечного ветра. Процесс формирования паруса из свернутой ленты прост и надежен. За 15 суток лепестки паруса полностью раскроются, и период вращения достигнет 3 мин. 20 с. Теоретически «Гелиогиро», направленный навстречу комете Галлея, может нести полезный груз в 1350 кг.
Полет «Гелиогиро» — это эксперимент с прицелом в далекое будущее. В космос уйдет аппарат, движимый солнечным ветром, искусственный спутник гигантских размеров. И если этот эксперимент увенчается успехом, то в недалеком будущем, возможно, появятся межпланетные транспортные и другие корабли, тихоходные, как ладьи древних времен, но движимые неиссякаемой и даровой силой, силой самого Солнца.
Но настоящим парусником в СД Солнца, первым и единственным, пока является японский IKAROS ("Икарус"). Запущен 21 мая 2010 года в качестве попутной полезной нагрузки, вместе с аппаратом для исследования климата Венеры PLANET-C ("Акацуки"). Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 200 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Солнечный парус изготовлен из полиамидной плёнки толщиной 7,5 мкм в форме 4 лепестков трапециевидной формы. Внутри лепестков вшиты солнечные батареи и солнечные рули. Раскрытие СП происходит за счёт вращения КА вокруг оси со скоростью 20 оборотов в минуту. От инерции 4 грузика вытягивают лепестки паруса. В раскрытом виде получается квадрат стороной 14 метров.
Всякого рода двигателей для космоса изобретено довольно много. Почему я наделил именно солнечный парус наивысшим приоритетом? Именно потому, что он уникален в использовании внешнего ресурса. Топливо не надо иметь, его даже не надо извлекать из окружающей среды. Помимо прочего, он совсем неэффективен в СД планет, это настоящий межзвёздный двигатель.
10 Доставка образцов солнечного ветра на ЗемлюДоставка чего угодно из СД Солнца - задача сложная, куда сложнее, чем с Луны, но перспективы - сами понимаете какие. Велею судьбы и очень символично это оказались частички самого Солнца - солнечный ветер - поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство. Инженеры от него не в восторге - он портит ИСЗ, вызывает магнитные бури и даже на Земле порой выводит из строя дорогую аппаратуру. Но учёным интересен он тем, что, как считается, это вещество сохранилось со времён рождения Солнца и идентично тому материалу протозвёздного облака, из которого наша звезда родилась. Поэтому КА, который отправился ловить молекулы, ионы и атомы, летящие со стороны Солнца, назвали "Генезис" (Genesis) (происхождение, возникновение, рождение, зарождение, это название книги Бытия из Ветхого завета). Запущен 8 августа 2001 года. Аппарат 4 года крутил спираль вокруг точки L1, не включая двигателей коррекции, чтобы не испортить эксперимент. Солнечный ветер улавливался в ячейки с аэрогелем (это такой "твёрдый дым"). Потом был отправлен к Земле, пошёл на посадку и банально разбился в штате Юта из-за нераскрывшегося парашюта. Однако чуть-чуть везения у него было - почва оказалась достаточно мягкой и часть аэрогеля с драгоценными ионами уцелела. Учёные смогли удалить грязь, причём наибольшее неудобство доставил не песок пустыни, а смазка и материал самой спускаемой камеры. Учёные объявили о великом свершении - доставлены образцы самого Солнца! Произошло это 8 сентября 2004 года.
15 января 2006 "Стардаст" (США) доставил образцы космической пыли и частицы хвоста кометы, 13 июня 2010 японский "Хаябуса" с крупинками астероида, "Хаябуса-2" с образцами астероида в пути. В 2011 попытка запуска российского КА "Фобос-Грунт" за образцами Фобоса закончилась неудачей в самом начале.
Пока всё
11 Вывод на траекторию отлёта из СД СолнцаСамо по себе отправление "на выход" из Солнечной системы не внушает, если брать стандартную схему приоритетов иных миров. Статус аппаратов ещё тысячелетия меняться не будет - летит и летит в СД Солнца. Однако уже сам факт, что рукотворный аппарат у Солнца нет возможности вернуть, вызывает беспричинный восторг.
Есть несколько способов разгона КА до нужной скорости. Варианты рассмотрим на ступень ниже. А в данном случае отметим лишь общий случай. Сейчас к звёздам летит 5 КА и ещё всякий мусор. Все американские. Важно также знать, что 4 из пяти КА получили нужную скорость только благодаря гравиманёврам у газовых гигантов (не все даже у Юпитера) и лишь 1 разогнался уже у Земли (долетев до орбиты Луны за 9 часов). Впрочем, "Пионер-10" тоже взлетел с приличной скоростью, миновав орбиту Луны через 11 часов. Но этого было недостаточно. Забавно то, что решение о траектории, выводящей КА к звёздам, было принято только в феврале 1973 года, когда КА миновал пояс астероидов. И было это вовсе не самоцелью и никакой не сверхзадачей - просто КА поручено было рискнуть (вплоть до самоубийства) и пройти очень близко к Юпитеру вдоль экватора, чтобы проверить тамошнюю радиацию. Такая траектория автоматически отправляла его к звёздам. 4 декабря 1973 "Пионер-10" пролетел в 132 000 км от облаков Юпитера и получил статус "межзвёздного почтальона" (на нём было и письмо инопланетянам).
2 "Пионера", 2 "Вояджера" и "Новые горизонты" - 5 американских КА вышли на курс к звёздам. Будет ли цивилизация существовать, пока первый достигнет хотя бы границы Солнечной системы? Посмотрим...
12 Коррекция траекторииЗабавно, что одно и то же действие на геоцентрической орбите называют маневром на орбите, коррекцией орбиты, а на гелиоцентрической орбите - коррекцией траектории. Ну да ладно. Итак, коррекция траектории. Как правило, одной коррекции бывает недостаточно, а это весьма важно, потому что на на первых КА были мембранные устройства, рвалась мембрана, самовоспламеняющееся топливо самовозгоралось и это был одноразовый процесс. Это как бы тоже надо учесть. Отличие (в сторону сложности) от коррекции на геоорбите весьма существенно. Во-первых, расточительно делать коррекцию в первые дни после старта, когда связь хороша и движение отслеживается радарами с большой точностью. Скорость КА ещё большая, корректирующий импульс должен быть тоже большим. По той же причине не делают коррекцию на финише, когда КА устремляется к какой-нибудь планете, разгоняясь в её гравитационном поле. Коррекции делают обычно в СД Солнца или за орбитой Луны, где скорость убегания снижается раз в 10. Но это если цель - какой либо небесный объект. А тут свои сложности. Методы околоземной ориентации уже неприемлемы. Нет ионной ориентации, сложна солнечно-земная. Приходится использовать астроориентацию - ловить звёздным датчиком Сириус или Канопус. Немало коррекций сорвалось из-за этих сложностей. Впрочем, первая коррекция в СД Солнца была солнечно-земной. "Маринеру-2" не требовалась большая точность, он совершал пролёт Венеры на большом расстоянии, поэтому применили привычную солнечно-земную. Но и это с первого раза не удалось! КА вместо Земли захватил Луну и коррекция была отменена. Лишь 4 сентября 1962 года "Маринер-2" произвёл первую коррекцию (курса, траектории, орбиты). Это был также и первый маневр в СД Солнца. Хотя... Только если не считать вращения КА при ориентации и удерживания в режиме стабилизации. Даже вращение для поиска звезды, прекращение вращения (стабилизация) или закручивание вокруг нужной оси, чтобы СБ ловили солнечный свет или антенна "держала" Землю - тоже манёвры с включением мелких РД. Но их, как правило, считают лишь предварительным этапом настоящего маневра по смене курса.
Это был второй КА для межпланетных трасс, оснащённый КТДУ ("Маринер-1" не улетел далеко)
В СССР первая коррекция была выполнена 3 апреля 1964 года на КА "Зонд-1". Это была 14-я запущенная АМС с КТДУ (советские все были с КТДУ). 11 из них погибли из-за отказов РН, "Венера-1" и "Марс-1" вышли из строя быстро и до коррекции дело не дошло. "Зонд-1" также быстро вышел из строя. Причём так быстро, что его назвали "Зондом", а не "Венерой-2", хотя он направлялся на Венеру и имел СА, неотличимый от последующих у "Венер". С коррекцией тоже не столь определённо. Она была выполнена на удалении всего 564 тыс. км, ещё в СД Земли, да и успешность её под вопросом - траектория проводила АМС на большом расстоянии от Венеры (возможно, эффект оказался отрицательным). Так что лучше ориентироваться на 2-ю коррекцию, которая была совершена 14 мая 1964 года на расстоянии 13 млн. км от Земли. Совсем успешной её тоже назвать сложной - аппарат, собственно, уже умер. Произошла разгерметизация, начались замыкания в электросети, отказала связь и не сработали ионные двигатели. Однако, удерживая связь через передатчик СА, удалось коррекцию провести. И даже с положительным эффектом. Но отклонение было столь велико, что топлива не хватило направить КА к Венере и аппарат пролетел в 110 тыс. км от неё.
Позже коррекции орбиты стали довольно рутинным действием.
13 Сближение двух КА в СД Солнца.Пока не было. Но они обязательно будут.
Когда "Пионеры" улетали прочь от Солнца, как приоритет отмечали, когда КА пролетали "орбиту Урана", "орбиту Нептуна". Слов нет - такие незримые границы в Солнечной системе существуют. Вероятно, можно и посчитать их за приоритеты. Однако:
а) хотя сама планета и далеко, КА летит в СД Солнца, но он летит через область, где планета проходила. Там наверняка остались её следы - хвост магнитосферы, очищенный от мусора космос, газы, теряемые планетой и её лунами. Это как бы примерно то же, что хвост кометы. Он как бы и её, но растянулся на миллионы км в СД Солнца. Лучше бы отнести это непосредственно к тем мирам, орбиты которых КА минует
б) если наклон орбиты КА достаточно велик, то тут вообще не имеем ничего интересного, кроме некоего расстояния, равному средней дистанции от Солнца до планеты. На мой взгляд, это ничуть не лучше "круглых" чисел. Тоже приоритет, но какой-то убогий.
Я предлагаю иной подход. Вся Солнечная система (да и иные тоже) построена на резонансах. Правило Тициуса-Боде, щели Кирквуда, кратные орбиты планет... Это настоящие границы любой звезды, даже любой приличной массы в космосе. Но в каждом резонансе уже сформировался свой мир, 90+% КА летят именно к планетам и нелепо считать достижение, скажем, СД Марса одновременно и достижением орбиты Марса. Для Солнца должен быть иной критерий. И он есть.
Кроме свойства тяготения, формирующей планетную систему, звезда обладает и уникальным среди прочих миров особенностью - она производит свет - основу жизни. Возможно, это более важное качество. Вокруг каждой звезды учёные выделяют "пояс жизни". Это интересно. Но у нас несколько иные задачи - приоритеты баллистики и инженерии в космической технике. Но и тут Система легко разбивается на зоны, в зависимости от количества энергии, получаемой от звезды. Например, при уменьшении солнечного света в 10 раз СБ, а также ЭРД, питающиеся энергией от них, становятся неэффективными. Чем не граница? При увеличении освещённости в 10 раз КА разогревается до 500 градусов и не выдержит без мощнейшего теплозащитного экрана. А ещё ближе к Солнцу не поможет и экран. Чем не граница?
Путь от Земли к внешним границам не очень нуждается в преодолении "люксовых" границ. Уже в поясе астероидов освещение падает в 10 раз и надо "переобуваться" с потребления энергии Солнца на грубые неэкологические РИТЭГи. Но ещё миллиарды км Солнце светит достаточно ярко (ярче, чем полная Луна) - и в принципе никаких границ и приоритетов в этом отношении не замечено. И энергетика для полёта меняется незначительно - разница между полётом к Марсу или Плутону только во времени, необходимая скорость не слишком велика, да и гравитационная праща Юпитера всегда готова помочь.
Иное дело - полёт внутрь Солнечной системы. Орбиты Венеры и Меркурия - два резонанса, две границы, обе заняты мирами, которые КА посещают часто. Но за Меркурием ещё 46 млн.км - путь, который нельзя назвать иначе, чем схождением в ад. Каждый миллион км требует больших усилий ракетчиков и баллистиков, гасящих скорость КА, чтобы он приблизился к Солнцу и неимоверных ухищрений инженеров, создающих аппарат, работоспособный даже в раскалённом состоянии. И солнечный ветер навстречу и магнитные бури... Нет, тут не обойдёшься просто сухой констатацией фактов, что какой-то аппарат приблизился к Солнцу ближе, чем предыдущие (рекорды тоже будут рассмотрены). Подвиг должен быть прославлен. Если нет рубежей гравитационных - надо ввести иные.
Существует параметр K - солнечная постоянная, суммарная мощность солнечного излучения, проходящего через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м2, или 1,959 кал/см2·мин.
Эти цифры мало наглядны. Важно знать, что при К=1 достигается наивысший комфорт для земной жизни (и для человека тоже). И очень резко он меняется при любом отклонении в любую сторону. Аппараты намного живучее, но и они при изменении К на порядок в любую сторону испытывают жестокий дискомфорт. Поэтому я предлагаю последовательность К, отличающуюся значениями на порядок, считать рубежами комфортности или освещённости или как-то иначе. Не люблю круглых цифр, но в данном случае не нахожу ничего более приемлемого.
Что важно: параметр К, возведённый в ранг наиважнейшего, применим абсолютно к любой звезде. Сейчас идёт активно изучение экзопланет. Для многих определены как масса, так и расстояние до звезды. И оба эти параметра мало что говорят о их "землеподобности" и возможности жизни. Важнее величина g, которая зависит не только от массы, но и от диаметра планеты, а расстояние от звезды не говорит ничего без информации о самой звезде. А ведь параметр К вычислить нетрудно - это обычная квадратичная зависимость от расстояния до звезды. Светимость ближайших звёзд известна довольно неплохо...
Я составил табличку рубежей освещённости от Солнца и предлагаю достижение рубежей, ближних к Солнцу, считать приоритетами.Считать надо не от центра Солнца, а от его поверхности, которая, собственно и излучает. Что тоже крайне важно учитывать на близких расстояниях
К=1. 149 597 870,7 (от Центра) - 696 000 км = 148 901 871 (от поверхности Солнца). Земля. Самое комфортное место для человека и его созданий
К=10. 47 307 000 км (от Центра) - 696 000 км= 46 611 000 (от поверхности). Это довольно символично. Перигелий Меркурия - 46 001 009 км. И он лежит практически точно на этом рубеже, граница существования планет фактически совпадает с терморубежом. За означенным рубежом Меркурий пребывает лишь менее суток (земных) в свой год (88 земных суток). Из чего следует, что КА, долго остающийся у планеты, неизбежно этот рубеж превзойдёт, подвергаясь полной мощности облучения в К=10, а вот аппараты-"пролетарии" типа "Маринера-10", созданные в основном для фотосъёмки планеты, предпочитают пролетать над Меркурием в афелии, на расстоянии 69 млн км, далеко от теплового рубежа.
К=100. 14 978 707 км (от Центра) - 696 000 км =14 382 707 (от поверхности Солнца). Этот рубеж стал доступен только-только. И это надо отметить.
К=1000. 4 730 700 км (от Центра) - 696 000 км = 4 134 700 (от поверхности Солнца). Этот рубеж пока даже не планируют преодолеть. Но у меня есть некоторые надежды, что когда "Паркер" отработает программу (с приближением до 6,8 млн), смогут решиться отправить его и ближе
К=10 000. 1,497 871 (от Центра) - 696 000 км = 801 871 (от поверхности Солнца).
Следует отметить, что каждый рубеж достигается либо огромным расходом топлива для торможения, либо многими гравитационными маневрами у Венеры, либо одним, но у Юпитера.
Заодно посмотрим и в другую сторону
К=0,1. 473 млн км (3,16 а.е) от Солнца. Совпадает с поясом астероидов, причём близко к его внешнему краю.
К=0,01. 1,50 млрд. км. (10 а.е) Это орбита Сатурна, причём очень близко к афелию
К=0,001. 4,73 млрд. км. (31,6 а.е). Это орбита Плутона, близко к перигелию
К=0,0001. 15 млрд. км. (100 а.е). Пояс Койпера неизвестной размерности. Круглая цифра, ничего более. Не столь давно земные аппараты миновали этот рубеж. Вопрос: смогли бы они сфотографировать новый мир, если бы встретили? Смогли бы. Солнце светит в 10 000 раз слабее, чем на Земле. И тем не менее - в 44,7 раза сильнее, чем полная Луна! (Солнце нам светит в 400 000 - 447 000 ярче, чем полная Луна, при которой и газету можно читать)
Довольно интересно, что Земля находится примерно в центре между максимумом и минимумом К (максимум известен точно, минимум бесконечно стремится к нулю, но надо ограничится разумным числом).
Короче - внешние рубежи освещённости хорошо совпадают с орбитами небесных тел и в особом выделении не нуждаются. А вот рубежи за перигелием Меркурия следует рассмотреть с почтением. "Маринер-10", насколько я знаю, не был ни разу ближе к Солнцу, чем перигелий Меркурия. Эту границу пересёк впервые "Гелиос-1" 15 марта 1975 г, причём едва коснулся "замеркурианской" области (46,5 млн. км. от Солнца) при первом пролёте, якобы К достигло 10,4. При втором сближении 21 сентября 1975 г. КА оказался на еще меньшем расстоянии от Солнца (45,99 млн. км). Это был западногерманский КА (с изрядным участием в оборудовании американцев, Германия - 70 процентов акций и NASA - 30 процентов). Да и скорость ему сообщила американская РН. Даже управление на первых порах было американское. Тем не менее, в дальнейшем (и в перигелии) им управляли из ФРГ и сделан он был западногерманским концерном МВБ (Messerschmitt-Bölkow-Blohm). Пусть будет совместной миссией. Через пару лет "Гелиос-2" (те же партнёры) пролетел ещё на 3 млн км ближе - 43 млн. км. 18 марта 2011 года на орбиту вокруг Меркурия вышел американский "Мессенджер". Он сделал несколько гравиманевров и в 2009 году уже пролетал мимо Меркурия, поэтому точно дату сказать пока не могу. В октябре 2018 американский "Паркер" подошёл к Солнцу на 15 млн км и продолжал гасить скорость гравиманеврами, подбираясь ещё ближе. Туда же направился Solar Orbiter (совместный НАСА и ЕКА). Но пока рубеж миновали 4 аппарата.
15 КА в точке Лагранжа L2 в системе Земля - Солнце.Она находится по другую сторону Земли, прямая противоположность точке L1. Свойства у неё баллистические точно такие же (неустойчивая орбита, КА раскручивается по спирали и норовит убежать в просторы Солнечной системы), но физические - прямо противоположные. Земля, как экраном, заслоняет Солнце. Тень, холод, недостаток энергии, зато прекрасное место для телескопов. К сожалению, это теория. То ли Земля у нас маленькая, то ли Солнце большое, но для идеального положения Лагранжа-2 Солнечная система спроектирована скверно. Вспоминая теорию подобия треугольников даже в уме можно прикинуть, где кончается тень Земли. Земля меньше Солнца в 109 раз по размеру. (150+1,5) : 109 - 1 млн 390 тыс км. Т.е. тень кончается в 110 тыс. км от L2. Но - всё же, я так понимаю, Солнце не валезает из-за Земли целиком, высовываясь краешком (в идеале - огненным кольцом вокруг Земли, да сделайте же фото такой красоты, наконец!). Так что точка находится в полутени, а это уже неплохо. Но главное в другом - объект в точке L2 способен длительное время сохранять свою ориентацию относительно Солнца и Земли, производить его экранирование и калибровку становится гораздо проще.
Первым в эту точку вышел КА MAP переименованный позже в WMAP (переименован в честь одного из научных руководителей проекта, Дэвида Уилкинсона 5 сентября 2002 года), космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения. Запущен 30 июня 2001 года. Достиг точки Лагранжа 1 октября 2001 г. Первое полнообзорное сканирование небесной сферы завершил в апреле 2002 года.
В этой точке побывали аппараты европейского космических агентств - «Планк», «Гершель» и "Gaia" (работает), китайский - "Чанъэ-2", российский "Спектр-РГ" (работает), а в 2021 должен присоединиться «Джеймс Уэбб».
16 Пролёт пояса астероидов.Солнечная система большая. И весьма разная. Поэтому достижение разных её зон, имеющих разные характеристики и требующие разных аппаратов, несомненно, является достижением. Солнечную систему делят на две неравные по размерам и важности части - область землеподобных планет + пояс астероидов (внутренняя зона) и всё остальное (внешняя зона), которая так велика, что её тоже пришлось поделить на зоны.
Условия космонавтики "внутри" и "вне" очень различны. В первую очередь это касается дармовой солнечной энергии. За поясом астероидов применение СБ становится неэффективным делом. Кроме того, 4 газовых гиганта, как материки в океане с целыми архипелагами очень разнообразных миров сильно отличаются от каменистых внутренних планет, где, похоже всю воду - основу жизни, собрала одна Земля. А вот за Поясом недостатка в воде, а также удобных материалов для производства топлива, например, метана, нет. Ну и ещё сто тыщ отличий.
Границей вполне естественно назвать внешний врай пояса астероидов, отстоящий от Солнца на 3,3 а.е, округляяя - в 500 млн км.
Некогда астрономы представляли Пояс аналогом рифов, крайне опасными для космических кораблей, отделяющим нашу внутреннюю лагуну с четырьмя землеподобными планетами от безбрежного океана космоса с холодными газовыми гигантами. Фантасты с удовольствием населяли Пояс пиратскими базами, партизанскими отрядами и остатками инопланетных цивилизаций. Ранее очень в ходу был миф о планете Фаэтон, который разнесли вдребезги и пополам термоядерной войной неразумные фаэты.
Дискутировалась вообще возможность навигации в тех краях. Согласно статистике, при наличии тысяч огромных астероидов всякой мелочи там должно быть миллиарды и триллионы. Без противометеоритной пушки и танковой брони и соваться туда нельзя. Учёные скептически отнеслись к обоим мифам и аппараты полетели сквозь Пояс без всякой защиты. Учёные оказались правы - вся мелочь уже давно была сметена солнечным светом, солнечным ветром и эффектом Пойнтинга - Робертсона, весь сор был выброшен из избы и ни один аппарат не подвергся никаким неприятностям.
Первым неприятностям не подвергся американский "Пионер-10". 15 июля 1972 года он вошёл в Пояс, а 15 февраля 1973 года вышел из него, не отметив ничего интересного (я пока не знаю, что в 1973 году считали за внешнюю границу пояса. По современным данным главное ядро Пояса (свыше 93% объектов) находится меж двумя резонансами - от 2,06 а.е. до 3,27 а.э. В свою очередь Пояс рассечён щелями Кирквуда и тоже делится на внутренний и внешний, но тут это не столь важно.
17 Сближение с Солнцем за рубеж К=100рубеж - 14 382 707 км от поверхности Солнца. Ни один аппарат не пересёк ещё эту границу. Ну победа близка - американский КА "Паркер" вьёт свои витки с гравиманеврами, неуклонно приближаясь к Солнцу. При четвёртом сближении 29 января 2020 г он был от поверхности Солнца всего ок 18,6 млн км. Теплозащитный экран нагрелся до 612°С. 5 перигей - 7 июня 2020 года. 17,97 - млн км от поверхности. Но осенью, при шестом перигее, он должен покориться, если третий гравиманевр у Венеры - 11 июля 2020 года будет успешным.
18 Вход в пояс КойпераЕсли принять утверждение, что пояс Койпера начинается сразу за орбитой Нептуна, то вычислить внутреннюю границу Пояса-2 легко: орбита Нептуна в апоцентре + СД Нептуна в апоцентре + 4 545 + 88 = 4 млрд 633 млн км (30,97 а.е). Есть желание округлить до 5 млрд, но пока пусть будет так. Но вот внешняя граница пояса Койпера взята буквально "с потолка" и определена в 55 а.е. (8 млрд 250 млн км.). (Совсем недавно её полагали в 44 а.е.) "Пионер-10" миновал орбиту Нептуна, который был тогда дальше Плутона, 13 июня 1983 года на расстоянии 30,28 а.е (4 млрд 529 824 тыс. км). До 4 633 млн км он летел ещё 87 дней. Итого получилось. примерно 7 сентября 1983 года.
Всего вошли в Пояс Койпера 5 аппаратов. Все - американские
19 Достижение гелиопаузыЗа поясом Койпера, который характеризуется классическими орбитами очень ледяных объектов в плоскости эклиптики, есть ещё две характерные области: а) рассеянный диск - источник короткопериодичных комет, он частично "нависает" над поясом Койпера и, предположительно, раскинулся до 1000 а.е. Объекты в нём имеют большое наклонение и поднимаются над плоскостью эклиптики на миллиарды километров. б) облако Оорта, границы которого "назначили" от 2000 а.е. до самых границ СД Солнца. Это сфера, состоящая из триллионов ледышек, которые порой влетают в нашу внутреннюю область и превращаются в долгопериодичные кометы (с периодом в миллион лет и более).
Но границы этих областей так неопределённы, что и говорить о них не стоит. Есть только ещё одна граница - гелиопауза. Вообще-то это не баллистическая граница и не столь уж чёткая, но про неё столько разговоров, столько утверждений, что это и есть граница нашей Солнечной системы... Нехорошо отказываться от не менее чем половины светового года пространства и триллионов объектов - спутников Солнца. Пусть её считают границей астрофизики, если у них нет стыда.
Но всё же. Граница была предсказана давно, её вполне бы могли предсказать хоть в Древней Греции, если бы считали звёзды далёкими солнцами (а такие вольнодумцы были). Перенося аналогию на земное, меж двух костров всегда можно найти границу, где тепло и свет будут примерно равными. И если таких костров хоть триллионы, но далеко, это дело не меняет.
После того, как физики разобрались с солнечным ветром, они быстренько создали учение о гелиосфере и гелиопаузе, даже определив их границы, правда с огромным разбросом - от 20 до 200 а.е. Осталось только зафиксировать её приборами. Оба "Пионера" первыми улетевшие к звёздам, этого сделать не смогли - связь с ними прекратилась. Но, к счастью, уже в 1998 году "Вояджер-1" вышел в лидеры и был вполне работоспособен. Он то и отмечал неуклонное угасание скорости солнечного ветра и другие факторы, которые свидетельствовали о подлёте к неведомой границе. И вот 28 июля 2012 года на расстоянии около 121 а.е. от Солнца датчиками «Вояджера-1» было зафиксировано резкое снижение числа частиц и космических лучей, относящихся к гелиосфере, с одновременным повышением интенсивности галактических космических лучей. Вскоре показания вернулись к прежним значениям. Такие изменения происходили пять раз, и после 25 августа возврата к прежним значениям больше не произошло. Триумф ламеров был полный. Среди учёных же были сомнения. Ранее считалось, что выход за пределы гелиосферы должен сопровождаться изменением направленности магнитного поля, но было зафиксировано лишь изменение его интенсивности без существенного изменения направленности. Это вызвало сомнения относительно того, действительно ли «Вояджер-1» пересёк гелиопаузу и находится в межзвёздной среде. Вопрос оставался дискуссионным до 12 сентября 2013 года, когда группа учёных под руководством Дональда Гарнетта опубликовала результаты исследования колебаний окружающей аппарат плазмы, доказывающие, что её электронная плотность соответствует ожидаемой для межзвёздной среды. Хотя отсутствие изменений в направленности магнитного поля оставалось не объяснённым, было признано, что «Вояджер-1» преодолел границу гелиосферы около 25 августа 2012 года. А сама граница напоминает скорее линию прибоя с клочьями пены и брызг. При этом гелиосфера оказалась очень сложной, имеющий ещё границы физических процессов (не стоит тут об этом). 10 декабря 2018 года НАСА подтвердило, что и «Вояджер-2» преодолел гелиопаузу и вошёл в межзвёздное пространство (118 а.е.)
"Пионеры" ничего уже сообщить не могут. Но положение их известно. "Пионер-10", вероятно, миновал гелиопаузу, 3 января 2019 года он был на расстоянии 122 а.е. от Солнца, удаляясь со скоростью около 2,52 а.е. в год, а "Пионер-11" ещё не долетел до неё - 30 января 2019 года находился в 100 а.е. от Солнца. "Новые Горизонты" долетят ещё не скоро (если долетят, а не будут направлены баллистиками куда-то ещё). Итого: три аппарата, все американские.
20 "Космический биллиард".Под таким термином известны игры баллистиков, посылающих аппараты к планетам не для исследования, а для разгона к другим, менее досягаемым планетам. Глубокое непонимание маневра просто резвится на просторах научпопа. Обнадёженные сообщением, что аппарат набрал сколько-то км/с в результате гравиманевра у Юпитера, юные ламеры хотят раз за разом гонять корабли мимо Юпитера либо сразу разгоняться возле Солнца и со страшной прибавочной скоростью улетать к звёздам. Однако есть печальный факт - аппарат вообще не получает приращения скорости. С какой скоростью аппарат валится в гравитационную яму, разгоняясь под действием гравитации, с такой же скоростью он из неё и вылетит, ибо противная гравитация отберёт у него всю скорость взад.
Однако он неизбежно изменит траекторию! Скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но в гелиоцентрической системе отсчета скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Изменив направление полёта, выбрав более быструю траекторию, можно сократить время полёты на годы. Так, "Новые Горизонты", пролетев мимо Юпитера, сократил время перелёта до Плутона на 5-6 лет!
Ещё одна ошибка, часто встречаемая, есть убеждение, что аппарат непременно РАЗГОНЯЕТСЯ. Что при старте с Земли, что при гравиманеврах. На самом деле, если выбрать путь внутрь Системы, к Венере, Меркурию, Солнцу, надо тормозиться всеми доступными способоми. Вот сейчас солнечные зонды, раз за разом пролетая Венеру, упорно сбрасывают скорость (меняя направление).
Вообще-то разгоняться у Юпитера для полёта к звёздам очень хорошо, но вот для полёта к планетам (чтобы выйти на нужную траекторию, а не с максимальным приращением скорости), удаётся использовать процентов 10 от максимального. А если лететь просто от Солнца подальше, то можно прибавить аж 42 км/с. С Солнцем такой фокус не получится, хотя... есть ещё эффект Оберта. Но об этом ниже.
Впервые в "биллиард" сыграл "Меркурий-10". 5 февраля 1974 года он пролетел мимо Венеры и отправился к Меркурию. Такой полёт был возможен и даже планировался ещё в 1970 году, но был отложен - все деньги НАСА забрала лунная программа.
Впрочем, как утверждают, впервые гравиманевр совершила "Луна-3" ещё в 1959 году, но это всё же не СД Солнца, да и вообще... Но сомнения и комментарии будут в приоритетах Луны.
Мне пока лень отметить, какие КА делали такие маневры и сколько, я это сделаю потом.
Кстати, в случае гравитационного маневра (он же пертурбационный, но безобразно звучит) меняется не только траектория/скорость аппарата, но и планеты. На какие-то миллиметры, но всё же...
21. СтыковкаНи разу пока не возникала подобная задача в просторах СД Солнца. При том, что планов стыковок на орбите вокруг Марса и других НТ немало, а для Земли и Луны этот этап давно пройденный. Нет сомнения что это будет, но когда и зачем - неясно.
22. Доставлены образцы из хвоста кометы.Кометы - очень интересные объекты по многим причинам. Самое главное - они внушают восторг или ужас и простому народу и обласканы вниманием учёных самых разных наук. Там ищут кирпичики жизни и вообще кирпичики мироздания, рассматривая кометы как один из видов астрономических консервов. С точки зрения баллистики они вообще уникальны - ничтожные эти ледяные комья имеют и ничтожную СД, в которую порой не помещается и само ядро при приближении с Солнцу. Но хвост, прекрасно видимый, протягивается на миллионы километров, находится в СД Солнца и всецело принадлежит только ему. Попасть в такой хвост нетрудно. Иногда и Земля попадала, вспомним "Отравленный пояс" Конан-Дойля. Сложнее собрать его пылинки и доставить на Землю для исследования. Это инженерная задача примерно той же сложности, что и доставка частиц солнечного ветра, а в баллистике даже изрядно сложнее - надо улетать далеко и надолго, чтобы совершить пролёт через "хвост", где он погуще, но рейтинг задачи ниже - как ни крути, солнечный ветер - частицы САМОГО Солнца, а кометная пыль - самая настоящая пыль. Шерлок Холмс, помнится, пыль очень ценил: - Миссис Хадсон! Если б была моя воля, я бы вообще запретил уборку. Всем, всегда и везде! Ваша уборка, миссис Хадсон, равносильна скалыванию иероглифов с египетских камней. После вашей уборки все египтологи остались бы без работы.. Но миссис Хадсон, а вместе с ней и большинство народа, пыль не любят и пылинки, за которые пришлось заплатить не меньше сотни миллионов баксов, радуют немногих.
Впервые так обрадовал учёных «Стардаст», доставивший на Землю пылинки из хвоста кометы Вильда-II. Кстати, заодно с кометными пылинками попалось несколько и некометных. Вот это и были первые образцы вещества межпланетного пространства. КА запущен 7 февраля 1997 года. Пролетел мимо кометы Вильда-II в 2004 году. Была проведена детальная фотосъёмка поверхности кометы, собраны образцы вещества из хвоста кометы и проведены другие научные исследования. 15 января 2006 года капсула с образцами кометного вещества вернулась на Землю. На скорости 46 446 км/ч (12,9 км/с - рекордная скорость для возвращаемых аппаратов) она вошла в атмосферу Земли и успешно приземлилась в пустынной местности штата Юта.
23 Фотография Земли из СД Солнца.Меж передовой наукой и обществом имеет место быть глубокая пропасть. Если данные о каких-то магнитных полях и концентрациях ионов сильно волновали учёных, буквально приводя их в экстаз, то народ оставался довольно равнодушен даже к величайшему открытию XX века - радиационным поясам, собственно, объяснившими в общих чертах, почему мы вообще живы. Интерес общества скатился к вопросу - осуществимы или нет космические полёты.
А вот селфи любого масштаба - излюбленное действо народа. Рассматривание себя на фоне чего-то значительного, фото родного дома и осознание своей причастности к великим творениям природы и человечества - это наше всё. Некогда Нодар стал мгновенно знаменитым, всего лишь сфотографировав Париж с аэростата. С тем же любовным придыханием основная часть человечества рассматривала снимки страны, а потом и планеты. Снимки Земли из района Луны стали сенсацией в конце 60-х, их тиражировали всюду миллионами. А лет через 30 в шедевры была зачислено фото "Бледно-голубая точка" - вид Земли с расстояния в 4 млрд. км. Это несомненно очень увеличивало интерес к космонавтике, поэтому я уделяю этому большое внимание, а фотографирование Земли с разных ракурсов считаю большим приоритетом.
Учёные же интересовались всякими селфи не более прочих представителей рода человеческого, поэтому всякие фотографирования нашей планеты, вполне себе изученной ещё в эру авиации, с точки зрения науки были делом второстепенным. Я бы даже сказал, что фото Земли с расстояния в миллионы километров в научном плане равно нулю. Я даже допускаю кущунственную мысль, что никто не отличит снимок, сделанный с дистанции миллионов километров от сделанного в сотни тысяч, если фото просто масштабировать.
Однако фотографирование - это инженерная задача. Для космоинженеров желательно было сохранить фотоаппаратуру в течение месяцев, а то и лет до работы по основной цели - других миров, поэтому фотооборудование консервировалось, объектив закрывался одноразовой глухой крышкой от микрометеоритов и прочее. Поэтому при полной возможности сфотографировать Землю из СД Солнца в 60-х, это было сделано только в конце 1973 года. Да и то... Как говориться, не было бы счастья, да несчастье помогло.
Американский «Маринер 10» был запущен 3 ноября 1973 года с целью исследования Венеры и Меркурия. После того, как аппарат уверенно лёг на курс к Венере, обнаружилось, что не включились нагреватели камер (они самопроизвольно включились через 3 месяца). Вблизи Меркурия аппарат обязан был перегреться, поэтому обе камеры (видео и УФ) разместили на "тёмной стороне КА". Но там они должны были непременно замёрзнуть в пути. Поэтому должны были подогреваться. И что делать? Пришлось уже через 12 часов после запуска включить обе камеры и не выключать их вообще. В работающих камерах температура не опускалась ниже критической (-40°C) Кроме того пришлось камеры тестировать, чтобы убедиться в их исправности. Не такое простое дело, между прочим, камеры (76 вт) потребляли энергии больше, чем все остальные приборы, вместе взятые. Хорошо, что КА питался от СБ и летел к Солнцу... В течение следующих нескольких дней было получено несколько сотен снимков Земли и Луны (5 мозаик Земли и 6 - Луны). Причём на Луне были отсняты плохо картированные полярные районы. Аппарат был способен передавать цифровые цветные изображения с высоким разрешением. Земля и Луна были сфотографированы с расстояния 2,6 млн. Единственное "но" - на один снимок они не попадали. А это важно для наглядности.
24 Электрический парусЗабавно - то, что называют солнечным парусом и он как две капли воды похож на морской парус, использует в качестве движущей силы вовсе не солнечный ветер, а солнечный свет. Я бы даже сказал, что солнечный ветер ему противопоказан - он непременно вызовет деградацию поверхности, а ультратонкую плёнку частицы солнечного ветра пробьют, как пуля мишень (всё зависит от толщины, конечно).
Но Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Вот это настоящий солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Грех его не использовать. Он тоже вполне пригоден для путешествий. Проект электрического паруса был создан в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, и он внешне имеет мало общего с солнечным и на морской парус не похож совсем. Электрический парус состоит из ряда длинных и тонких тросов, которые имеют высокий положительный потенциал, и бортовой электронной пушки. Электронная пушка создает луч электронов, направленный против движения космического корабля, из-за чего тросы приобретают положительный заряд. Против - это плохо, но электроны имеют ничтожную массу по сравнению с прилетающими ионами. Положительно заряженные тросы отталкивают ионы солнечного ветра, что, в свою очередь, приводит к передаче импульса от ионов к парусу и, как следствие, разгону корабля. Такой парус сможет ускоряться от заряженных частиц не только Солнца, но и от любой другой звезды в случае достаточно приближения к ней.
Электрический парус проще сконструировать и эксплуатировать (особенно лёгок процесс развёртывания); он устойчив к деградации. Он позволяет двигаться не только от источника заряженных частиц, но и к нему, требуется намного меньше материала, чем для создания солнечного паруса аналогичного диаметра.
Есть и неприятная сторона дела - "тяга" в 200 раз меньше, чем от солнечного паруса той же площади.
Евросоюз проявляют повышенный интерес к данной разработке и профинансировал проект, целью которого является создание в лабораторных условиях прототипа электрического паруса. Размер финансирования составил 1,7 млн евро.
Первый КА уже срочно запустили. И первой тут стала Эстония, запустившая кубсат ESTCube-1. Тросы, выпускаемые спутником, сделаны из алюминия и имеют длину 15 метров. Стоимость спутника составляет 70 тысяч евро. Вывод спутника в космос был осуществлен 7 мая 2013 года при помощи ракеты-носителя «Вега» Европейского космического агентства с космодрома Куру во Французской Гвиане. Однако стать в ряд держав, имеющих приоритеты, Эстонии не удалось - парус так и не развернулся. Да если бы и удалось - это всё на низкой геоорбите, не в этой теме.
Инженер НАСА Брюс Уигманн руководит разработкой. В его руках алюминиевый трос толщиной 1 мм, из таких тросов будет состоять электрический парус
В Центре космических полётов Маршалла начались испытания в рамках проекта по разработке электрического паруса, способного доставить космический аппарат к границе Солнечной системы на максимальной скорости и вынести КА из гелиосферы. Испытания предоставят данные для моделирования самого устройства Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS).
Поскольку электрический парус использует давление солнечного ветра, в этом есть свои преимущества. Поток фотонов становится неэффективным уже в 5 а.е. от Солнца, где-то в районе пояса астероидов, а электрический парус будет разгоняться до 30 а.е. от Солнца и даже дальше (но тоже слабеет). Если верить расчётам, расстояние примерно до гелиопаузы он преодолеет менее чем за 9,9 года с гравиманевром у Юпитера или за 11 лет без разгона, втрое быстрее «Вояджера-1» и вдвое быстрее аппарата на солнечном парусе.
Устройство состоит из ряда длинных и тонких тросов с высоким положительным зарядом и бортовой электронной пушки. Поток электронов из пушки заряжает тросы, так что положительно заряженный металл отталкивает протоны солнечного ветра и получает импульс. Солнце испускает протоны со скоростями от 400 до 750 км/с - так называемые быстрый и медленный солнечные ветра.
Электрический парус НАСА будет состоять из 10-20 алюминиевых тросов диаметром около 1 мм и длиной 20 км каждый. Таким образом, парус образует окружность с диаметром 40 километров. Заняв исходную позицию, аппарат начнёт медленно вращаться (примерно один оборот в час), и тросы сами вытянутся во всю длину за счёт центробежной силы. После этого он начнёт медленно двигаться. На расстоянии 1 а.е. от Солнца расчётная тяга составляет примерно 0,150 mN. Эффективная площадь электронного паруса HERTS составляет примерно 600 км2 на расстоянии 1 а.е. от Солнца и увеличивается до более чем 1200 км2 на 5 а.е.
Сейчас проходят испытания в симуляторе солнечного ветра High Intensity Solar Environment Test, где измеряется количество столкновений протонов и электронов от солнечного ветра с положительно заряженным тросом. Инженеры умышленно используют вместо алюминия стальной трос. Хотя сталь плотнее алюминия, но это нержавеющий материал, который моделирует нержавеющие свойства алюминия в космосе и позволит дольше проводить испытания.
Сенсоры замеряют отражения протонов от заряженного троса и количество притянутых к нему электронов. Эта информация нужна, чтобы разработать спецификации электронной пушки на аппарате.
В данный момент система HERTS находится на низкой стадии технологической готовности, признаёт НАСА. Даже если результаты испытаний в камере, моделирование и проверка систем развёртывания тросов окажутся успешными, а эти испытания займут два года, всё равно останется ещё много работы по проектированию и изготовлению электрического паруса. Первый космический корабль на таком двигателе мы можем увидеть только лет через 10.
 ЭРД Deep Space 1  NEXT в лаборатории НАСА |
Солнечная система по сравнению с её маленьким уголком - Землёй и её окрестностями так огромна, что даже чтобы осмотреть её, надо в первую очередь - ракетные двигатели, а также хорошую связь и опять же двигатели, двигатели и топливо. Как правило, аппараты на межпланетные траектории из гравитационной ямы поднимают химические ракеты в сотни тонн весом. Разгонные блоки разгоняют аппараты дальше, порой те дорабатывают импульс своими ДУ, но, как правило, в СД Земли. Поэтому химические ракеты (как с ЖРД, так и с ТТРД) оставим в приоритетах Земли. Для выбравшихся из гравитации Земли аппаратов вполне годятся и двигатели малой тяги. Солнечный парус, электрический парус, гравиманевры и совсем уж фантастические двигатели, работающие на магнитных полях или собирающие космическую пыль для топлива - вот и все внешние ресурсы, которые может предоставить Солнце. Пока это экзотика с ну очень маленькой тягой и большими сложностями. Поэтому топливо КА для дальних рейсов берут с собой. Но. Вплоть до пояса астероидов много совершенно дармовой энергии! И это сильно облегчает дело. Ракета с химическим РД разогревает топливо путём химической реакции и выбрасывает массу с предельно допустимой скоростью. Жаль, что не получается больше 3,5 км/с. Ну максимум 4, даже 4,5. А 5 - уже предел просто теоретический. Чтобы тормозить у различных миров, а лучше делать перелёты и разные коррекции, надо (по современным понятиям) хотя бы 3-4-5 км/с характеристической скорости. Т.е. КА должен наполовину состоять из топлива. А что такое +5 км/с для XXI века? Ничтожная прибавка. Поэтому уже столетие назад обратили внимание на электродвигатели. Если есть энергия, можно разгонять ионы до очень больших скоростей. Вот этим и занимались лет 80, начиная с самого первого ЭРД, созданного Глушко. С самого начала Космической эры проверяли технологии на ракетах, потом на ИСЗ. Первым КА с ЭРД, вышедшим на межпланетную трассу, был DS-1 (Deep Space 1, "Глубокий космос-1"). Был запущен 24 октября 1998 года. Он был насквозь экспериментальным (хотя и сумел исследовать астероид, а потом и комету). И главным эксперементом был ЭРД, иначе - ионный двигатель, диаметром 30 см. Назывался NSTAR. После множества проверок и сбоев ЭРД был включён 10 ноября в 19:30, но проработал всего 4,5 минуты, после чего отключился и на КА пошли такие сбои в разных системах, что стало не до двигателя. И всё же позже двигатель запустили (отключила его простая грязь, которую долго выжигали краткими включениями и всякими вибрациями). И двигатель работал несколько лет, обеспечив пролёт астероида, а потом и кометы. Но это другая история.
Топлива (ксенон) было всего 16,5% (74 кг), но только в главной фазе полёта он набрал нужные 3,5 км/с. Скорость истечения - 30,5 км/с, почти в 10 раз больше, чем у ЖРД. А всего он набрал 4,3 км/с.
ЭРД уверенно вытесняет ЖРД на межпланетных трассах. "Dawn" с 2007 года тоже путешествовал на ЭРД, прибавив уже внушительные 11,5 км/с, впрочем и ксенона он имел 425 кг (треть общей массы), а работал двигатель почти 6 лет (54% общего времени полёта). ЭРД проходят очень быструю эволюцию. Готов новый ЭРД, который у НАСА именуется просто NEXT. Его параметры намного внушительнее, аппарат миссии CAESAR для возвращения образцов грунта с кометы вышел на стадию реализации, но ему дорогу перебежала миссия с вертолётом на Титане. Зато другие страны догоняют США. 27 сентября 2003 г полетел SMART-1, европейский аппарат, но к Луне, 9 мая 2003 г к астероидам улетел японский "Хаябуса", а 3 декабря 2014 - "Хаябуса-2". Но самый мощный ЭРД имеет «БепиКоломбо», японско-европейский КА, запущенный 20 октября 2018 года. Это даже отдельный модуль MMT (делали его европейцы), который 7 лет будет тормозить КА (2 КА, соединённые до финиша). 9 гравиманевров. И топлива у него - половина массы всего аппарата. Опять половина массы! Пора уже делать что-то более современное.
Ещё одна историческая, уникальная, сентиментальная и культовая фотография Земли. На этот раз - с предельного расстояния, доступного нашим автоматическим фотографам.
| - Вы смотрите на свою Вселенную, галактический островок, куда входит и ваше Солнце, с расстояния в полмиллиона световых лет... Артур Кларк. "Конец детства" |
Научного значения у фото практически нет, зато есть глубокий философский смысл. Ну, просто балдеют фанаты космоса при виде таких перспектив и пространств. А антифанатов ужасает ничтожность нашего мира. Помимо фотохудожества было проявлено и инженерного мастерства немало. История фото такова:
Пролетев Юпитер и Сатурн, навечно прославившись, "Вояджер-1" остался не у дел. Положено было его просто убить - НАСА считало каждый доллар и отключала из-за недостатка финансирования даже уникальные аппараты, например, все комплекты приборов, установленных космонавтами на Луне. Вот тут-то и дождался своего часа великий просветитель и учёный Карл Саган, задумавший такое дело едва ли не до старта. Он предложил напоследок сделать селфи родной планеты "от Сатурна". (Слово "селфи" появится лишь через четверть века, но суть действия именно такова). И НАСА ему отказало! Я не знаю, что было главной причиной, но убивать героя космоса НАСА явно не хотело. Сначала объявляли, что ничего не получится, потому что Земля слишком близка к Солнцу, его не удаётся надёжно затенить, по другой версии такая фотосъёмка являлась бы финишной и вся команда этого "Вояджера" подлежала увольнению (а ведь был ещё и второй "Вояджер"). Но тут подоспела теория о гелиопаузе, её хотелось проверить и НАСА приняло решение не прекращать работу с ним до полной потери связи. Аппарат сохранили и спустя 10 лет (когда "Вояджер-2" победно миновал Нептун) приняли решение: отснять не только Землю, но все планеты! За это время условия съёмки улучшились, аппарат уходил с наклоном 32° к эклиптике и высоко поднялся над её плоскостью.
Работы по настройке и калиброванию начались ещё в 1989 году и заняли несколько месяцев. И 14 февраля 1990 года аппарат развернулся для уникальной съёмки. Был сделан первый в истории «портрет» нашей солнечной системы с расстояния около 6 млрд. км. «Вояджер», начав с Земли, затем сделал мозаику из 60 отдельных снимков различных областей Солнечной системы. Каждое изображение состояло из 640 тысяч пикселов. Там удалось разглядеть Венеру, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (Меркурий и Марс разглядеть не удалось). Коллаж называется Family Portrait («Семейный портрет») и он тоже стал культовым. Солнце и в этой дали светило так ярко, что его пришлось снимать через самый темный фильтр и с минимально возможной экспозицией (1/125 секунды), чтобы избежать насыщения видикона камеры рассеянным солнечным светом. Широкоугольные изображения, окружающие солнце, испещрены оптическими эффектами, связанных с рассеянным светом в оптике. Снимки были сделаны через прозрачный фильтр с выдержкой в 1 секунду. Планеты получились увеличенные значительно. Земля если (очень) приглядеться видна в виде полумесяца размером всего 0,12 пикселя. В Сети (когда Сеть появилась), немедленно вспомнили бородатый анекдот: "На Западе считали, что бит неделим, но советские учёные...". Но как иначе сказать, что сама Земля намного меньше этой точки, если учесть масштаб. Однако благодаря рассеиванию света её сияние занимает аж несколько пикселов и мы их видим.
А затем аппарат начал передавать фотографии на Землю. Мощность передатчика составляла лишь 32 вт. Передача шла до 6 июня.
Книгу «Pale blue dot. A Vision of the Human Future in Space» («Голубая точка: Взгляд на космическое будущее человечества» Саган написал в 1994 году. И она тоже стала культовой. Вообще, великим Человеком был Саган. Как сказал один его приятель: "Вряд ли нас чем-то удивят пришельцы - ведь у нас есть Карл Саган"
Совсем недавно, в честь 30-летия съёмки, НАСА обновило снимок (он и выложен)
Солнце при сильном увеличении было таким:
А это семейный портрет солнечной системы:
Возможно, именно в связи с этой съёмкой (с 4-х млрд миль) шутники предложили в честь Сагана, обожавшего в своих лекциях употреблять слово "миллиарды" (звёзд, миль, галактик, людей) ввести в обращение числительное "саган", обозначающего любое число свыше 4-х миллиардов.
  |
Атомная энергия, разбуженная людьми, принесла немало бед. Хиросима, Чернобыль, постоянная угроза атомной войны... Я как бы уверен, что свои проблемы мы бы решили и без атомных бомб и даже без атомных энергостанций. Но раз уж мы говорим о космонавтике, то нет сомнений и в том, что о внешних планетах Солнечной системы мы бы не знали почти ничего. Всего несколько лет я бы и "почти" не добавил. Вообще ничего за поясом астероидов не знали бы, не говоря уж о какой-то гелиопаузе. Солнечные батареи - неприменный атрибут всех аппаратов-долгожителей. Но у Юпитера мощность солнечного света всего 4% от земного, а у Плутона меньше уже в 900 раз. Кроме того, солнечные батареи не переносят ускорений, сильно портятся от радиации, не любят холода, быстро деградируют от пыли и солнечного ветра. Поэтому хорошей альтернативой стали атомные батарейки - РИТЭГи. РадиоИзотопный ТермоЭлектрический Генератор. Их применяли даже там, где вполне могли обойтись чем-то попроще. Более тысячи было установлено на Земле (сейчас ликвидируют и новых не выпускают), в космосе было не менее сотни. Они были на Луне. А в дальний космос отправились с первым же рейсом к Юпитеру. В "Пионере-10" установили аж 4 РИТЭГа SNAP-19. Они давали 155 Вт при старте, у Юпитера - только 140 вт. Но не 4% всё же! На фото они прекрасно видны - на самом конце двух трёхметровых штанг. Несмотря на защиту, только так могли спасти научную аппаратуру от их влияния. И это несмотря на то, что плутоний-238 упаковывали в многослойную графитовую изоляцию.
Если не учитывать процесс производства и изоляции, то РИТЭГ прост, как веник. Распад изотопов происходит самостоятельно, что означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться, а тепло в электричество переводить мы умеем. И будет производить электричество он годами, постепенно деградируя. Есть примерно 5 разных способов производства электричества из тепла. Простейший - соединение двух разных металлов (биметаллическая пара, термопара). Если один металл нагреть - появится ток. И РИТЭГ состоит из множества биметаллических пластин, окружающих изотоп. Вот тут и есть основная проблема. Во-первых, КПД РИТЭГа примерно 10%, во-вторых, плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года, так что и после 30 лет излучение, генерируемое РИТЭГами, составляло бы 80% его интенсивности при запуске. Но постоянный износ соединений термопары приводит к более быстрому снижению выработки электроэнергии, на "Пионерах" выходная мощность упала более чем вдвое. И некому термопары заменить!
 RHU в разборке |
Кстати. Кроме того, на "Пионере-10" было 12 родственников главных изотопных устройств - которые просто грели аппарат. У нас такие тоже были, они грели "Луноходы", в НАСА это RHU (радиоизотопный нагреватель). Устройство их ещё проще - таблетка изотопа и защита от радиации. Но, тем не менее - и тут атомная энергия. RHU выдаёт лишь 1 вт энергии, но постоянно. На EASEP, который устанавливал Олдрин на Луне, было всего 2 такие таблетки, на "Пионерах" - 12, на "Галилео" - 120, на "Кассини" - 117.
РИТЭГи совершенствуются. Уже на "Викингах" стояли те же SNAP-19, но модифицированные и выдавали уже не 40,3 вт, а 42,6. Сейчас НАСА считает даже новейшие GPHS-RTG (на "Новые Горизонты") допотопными и активно исследует следующее поколение на основе машины Стирлинга.
Стартовал "Пионер-10" 2 марта 1972 года. От SNAP-19 требовалось обеспечить энергопитание два года в космосе (по другим данным - 5). Но хватило на 30.
| Кстати, А-20 через неделю будет готова повторить старт. Мне думается, она будет последней химической ракетой: говорят, атомные двигатели уже почти сконструированы. Три месяца спустя Дэвид поднялся в А-20 - на шестьсот восемьдесят километров — рекорд, который никогда не будет побит машиной такого типа, потому что никто не станет больше выпускать химических ракет. Ничем не примечательная посадка Дэвида в долине Нила ознаменовала собой конец данной эпохи. Артур Кларк. "Наследство" |
Художник Эд Валигурски. Из книги «Life science library» А.Кларка, 1964 год.
Именно ракета с ЯРД - на Марс
Ядерные двигатели для ракет начали создавать одновременно в США и СССР практически одновременно и значительно раньше даже Первого спутника. Работы в СССР начались ещё в 1947 году, а в 1955 году академик М.В. Келдыш выступил с предложением перейти к практике и создать ЯРД. Уж больно хорошие данные обещала теория. Разработку вёл НИИ-1 министерства авиационной промышленности; руководителем работ был В.М. Иевлев. В теории вообще всё просто - небольшой ядерный реактор, где идёт управляемая ядерная реакцию, топливо (обычный водород) разогревается до тысяч градусов и выбрасывается, образуя тягу. В отличии от химических ракет температуру можно получать намного больше. В практике, где озаботились прежде всего радиационной защитой, оказалось много проблем, но через 20 лет ЯРД РД0410 был создан. Первый пуск - 27 марта 1978-го. 3 июля и 11 августа провели два огневых испытания с полноценной работой изделия в качестве ЯРД. Мощность реактора постепенно повышалась. В начале восьмидесятых годов состоялись испытания двух других опытных образцов. Активная зона реактора представляла собой цилиндр длиной около 1 м и диаметром 50 мм. Водород удалось нагреть до 2630°K. Удельный импульс тяги в пустоте: 8927 м/с (вдвое выше, чем на ЖРД). Однако масса была 2 тонны (практически всё - защита от радиации). Но до полномасштабных испытаний даже на стенде не дошло. Началась перестройка и в 1988 году все работы по теме ЯРД 11Б91/РД0410 были остановлены.
В США работы над ЯРД начались в 1952 году. Запустить ракету с ЯРД планировали в 1964 году. 1 июля 1959 г. на стенде в Неваде был испытан реактор, получивший наименование «Киви-А» (KIWI-А). В 1961 году началась работа сразу по двум программам: «Рифт» (RIFT - Reactor In Flight Test - реактор в испытательном полёте) и «Нерва» (NERVA - Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) - создание лётного варианта ЯРД. 1 сентября 1962 г. было проведено первое испытание нового реактора (всего испытывалось семь модификаций реактора «Киви»). В 1963 году испытания столкнулись с большими проблемами. В августе 1964 г. было проведено испытание, в ходе которого двигатель работал на мощности в 900 МВт более восьми минут, развив тягу 222,7 кН при скорости истечения 7500 м/с. В самом начале 1965 г. было проведено финишное испытание, в ходе которого реактор специально довели до взрыва в результате быстрого «разгона». Регулирующие стержни перевели на полную мощность, и примерно через 44 миллисекунды произошёл взрыв эквивалентный 50-60 кг ТТ.
А NERVA развивалась довольно успешно, хотя и гораздо медленнее, чем ожидалось. Как и всё прочее в НАСА и её партнёрах, программа сильно зависела от финансирования, а финансирование - от команды нового президента. Ричард Никсон, дорвавшийся до власти, закрыл производство ракет "Сатурн", а именно на этой РН собирались отправить NERVA в космос. Программа однако, не умерла, большие ракеты NERVA I постепенно сменились в планах на меньшие NERVA II. Фон Браун, пока был жив, активно поддерживал экспедицию к Марсу, пилотируемый корабль должен был разгоняться "Сатурном" с верхней ступенью, оснащённой ЯРД. Испытания и разговоры шли год за годом, ни одна администрация не решалась взять на себя очень дорогую программу, двигатель NERVA прошёл много успешных испытаний и имел поддержку Конгресса, но никогда не покидал Землю.
Весьма мощный удар был нанесён и от конкурента ЯРД - уже летавшего ЭРД. Воспарила идея питать ЭРД не от солнечный батарей, а от ядерного реактора. Но эта система, называемая ЯЭДУ (проект "Прометей" в США и "ТЭМ" в России) была лишь разновидностью ионного двигателя и обе программы закрыты (или заморожены)
И всё же о ЯРД не забыли. Более того - буквально пару лет назад и в России и в США интерес к ЯРД буквально расцвёл на фоне риторики некоторых политиков. А в 2017 году и Китай объявил о планах создать технику с ЯРД. Так что в ближайшее десятилетие - ждём.
Важно ещё и то, что атомная промышленность на Земле очень развита и ядерными материалами вполне может обеспечить, а топлива - обычного водорода - на внешних планетах очень много. Да и вообще его везде очень много и в принципе можно греть и выбрасывать из сопла вообще что угодно.
29 Лазерный разгон.Лазер может быть использован как средство доставки энергии (с возможностью создать ракетное движения), так и как источник света, двигающего парусники.
О беспроводной связи, включая передачу энергии лазером, я читал с детства. На ближних орбитах казалась она мне возможной, но довольно жалкой. А вот гонять солнечный парусник лучём лазера я считал чистой фантастикой. Вот Ларри Нивен в рассказе "Четвёртая профессия" (откуда я взял эпиграф к своему сайту) описал звёздных торгашей, которые посещают цивилизации, вычисляя их, вероятно, по радиоизлучению, торгуют в аборигенами в своё удовольствие, продавая самый ценный товар во Вселенной (знания), а потом просят местных включить свой лазер и отправляются в его луче в нужном направлении. Если же нужной мощности лазера аборигены не имеют, то, ничего не поделаешь, (не сидеть же в такой глухомани вечно), надо превратить местную звезду в Сверхновую и на её сверхсвете лететь далее. Земляне не имели ни лазера, ни нужных товаров, кроме выпивки (да и то оценённых лишь одним пьяницей-дизертиром), так что печальна была судьба землян-аборигенов. Похоже, что тот же рассказ читал московский еврей Юрий Мильнер, сбежавший в разгар перестройки в США и быстро ставший там рядовым миллиардером. Позже он стал миллиардером не рядовым, а одним из самых влиятельных мировых инвесторов в технологическом секторе. И он, возможно, в ожидании подобных пришельцев, выдвинул идею супергиперсверхмощного лазера примерно на 100 мегаватт, но лучше, конечно, в 100 Гигаватт (по разному пишут). В ожидании пришельцев (маскируясь) он предложил пускать лазером парусники к Альфа Центавра с получением оттуда качественных фотоснимков всего лет через 30 после запуска. К слову сказать, у НАСА немало проектов, которые рассчитаны тоже на 30 лет и все умещаются не далее орбиты Юпитера. Так что срок приемлем. Но насколько это отличается от фантастики Л.Нивена? Мильнер считает проект безупречно выполнимым и приводит три решающих довода возможности: микроэлектроника уже превратилась в наноэлектронику и позволяет уменьшить массу космического аппарата (с передатчиком, фотокамерой и системой управления) до 1 грамма; 2) материаловедение создало столь тончайшие плёнки, что второй грамм массы аппарата можно раскатать в 16 м2; 3) (цитата): ... появилась технология фазовой синхронизации лазеров, с помощью которой можно, условно говоря, из большого количества одинаковых лазеров создать один большой лазерный луч. Фактически задача построения такого мощного лазера свелась к решению проблемы масштабирования.
И парусников таких надо запускать тысячи.
Остаётся пожелать удачи. Сам я не очень верю в ТАКИЕ межзвёздные полёты, но в пределах Солнечной системы почему бы и не попробовать? Да и вообше - такой лазер хороший аргумент в галактическом бизнесе.
30 Разгонный блок дальнего космоса.До этого вот уже 60 лет все аппараты-"дальнобойщики" разгонялись ракетными блоками у Земли (причём, желательно, в перигее) и далее только корректировали свою траекторию. Аппараты с большим запасом топлива, начиная с ISEE-3 (их лишь несколько) умели немало покуралесить по космосу, но с помощью своей ДУ. Не впервые был применён и мультизапуск - при запусках "Пионеров" на гелиоц. орбиты попутной нагрузкой был ИСЗ, "Акацуки" в полёте отделил ICAROS, собственно, много аппаратов разделялись на посадочный и орбитальный аппараты. Но всё это происходило сразу после старта, в СД Земли либо в СД планеты-цели. Иногда разделяемые аппараты принадлежали разным агентствам/государствам - и это тоже уже было ("Кассини" - "Гюйгенс").
Но аппарат BepiColombo собрал всё это вместе. Собственно, он состоит из двух аппаратов, выводимых на разные орбиты вокруг Меркурия, причём принадлежат они разным государствам, а третий аппарат, который и отделит спящие сейчас аппараты близ Меркурия, является классическим разгонным блоком. Зовётся он Mercury Transfer Module (MTM). Аппарат имеет ДУ с четырьмя ионными двигателями QinetiQ T6, которые дают рекордные 290 мН тяги. Модуль развернул 2 14-метровые СБ (на фото пришлось обрезать), которые выдают от 7 до 14 квт энергии в зависимости от расстояния от КА до Солнца. Ему предстоит большая работа - очень много включений двгателей, поодиночке и попарно (каждый требует от 2,5 до 4,5 квт энергии, так что на полную мощность все 4 и не включить). При всех его рекордных показателях к Меркурию он будет подбираться в основном на гравиманеврах - 1 - у Земли (выполнен), 2 - у Венеры, 6 - у Меркурия. Был запущен 20 октября 2018 года, прибытие к Меркурию - 2025 год
31 Точка L4 Юпитер - СолнцеВ 2021 году должен отправиться в путь аппарат проекта Lucy (Люси), в точку L4 системы Юпитер - Солнце, где собрались "троянцы" - целая армия астероидов, там она осмотрит 4 из них, затем вернётся к Земле и отправится в точку L5 системы Юпитер - Солнце (но это будет уже другой приоритет)
32 КА развил избыточную гиперболическую скорость без гравиманёвровТо есть у нас есть аппарат, который уже у Земли развил третью космическую скорость и без всякой гравитационной пращи отправился к звёздам. Пока один такой герой - New Horizons ("Новые горизонты"). А это означает, что он в своём бесконечном путешествии не одинок, а объектов, которые Человечество забросило к звёздам, не 5, а 8. Вместе с первооткрывателем Плутона к звёздам улетел разгонный блок, а также два груза, участвующие в ориентации КА. Старт - 19 января 2006 года. Аппарат тоже делал гравиманевр у Юпитера, но это была уже второстепенная задача. Старт откладывался несколько раз и если бы не удалось уложиться до 2 февраля, то до Плутона аппарат долетел бы всё равно. Но - на несколько лет позже и/или? пришлось бы слить 20 кг топлива (из 77 кг), которые могли бы пригодиться для дополнительных задач (и они пригодились!). Чтобы придать рекордную скорость, пришлось использовать самую мощную РН - "Атлас-5" в конфигурации Atlas V 551 - впервые с пятью ускорителями и впервые с третьей ступенью. В качестве 3-й ступени стоял Star-48B. Вот его-то и надо считать героем приоритета. Ведь именно он разогнал аппарат и он тоже летит к звёздам! А ещё к звёздам летят два грузика с обрывками тросов. Если попадут к инопланетянам, те ни за что не поймут что это. Собственно, и земляне в своём большинстве не знают, что за технология такая - "йо-йо". А она очень стара - ИСЗ с такими же грузиками и тросиками запускались и 60 лет назад. Перед включением РБ нацеливается в нужную точку и закручивает сам себя и аппарат, чтобы сохранить направление с помощью гироскопического эффекта. Потом включает ДУ (на 1 минуту 28 секунд). Скорость достигнута, но как остановить вращение? Тут и выбрасываются 2 грузика на тросиках и это быстро замедляет вращение. При достижении нужных оборотов (не до нуля!) тросики обрываются пиропатронами и улетают к звёздам (в данном случае). Попалась хорошая анимашка на запуск КА "Феникс". Там точно так же (не знаю, все ли браузеры поддерживают формат)
работа "йо-йо"
«Новые горизонты» покинул окрестности Земли с самой большой из всех космических аппаратов скоростью. В момент выключения двигателей она составила относительно Земли 16,26 км/с. Гелиоцентрическая скорость составила 45 км/с.
| Но уверяю, мои вычисления совершенно точны… Правда, Десятую нельзя наблюдать с Земли. Я объясню почему. Представьте себе, Михаил Сергеевич, что по одной и той же орбите вокруг Солнца обращаются две в основном примерно одинаковые планеты: Земля и ее дублет - Десятая. В каждый момент передвижения они находятся на противоположных точках орбиты. Так как поперечник каждой из этих планет в сто девять раз меньше поперечника Солнца, то самый простой геометрический чертеж скажет вам, что они друг для друга невидимы… Сергей Беляев. "Десятая планета". 1945 год |
Это весьма любопытная и весьма нужная точка космоса. История о планете, находящейся за Солнцем и потому невидимой, существует со времён древних греков, даже не знавших, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Гипотеза эта потускнела, но не умерла окончательно и имя Антиземли - Глория, Кларион и т.п. ещё не забыто. Жаль мечты, но реальность такова, что там пусто. Даже если бы там было нечто, хоть в тысячу раз меньше Земли, по изменениям орбиты, скажем, Венеры, мы узнали бы. Кроме того, орбита Земли не очень круговая и изредка мы эту L3 вполне наблюдаем. Но была ещё надежда, что там болтается какой-нибудь "Чёрный обелиск", артефакт, дожидающийся успехов землян в космонавтике. Увы, Артур Кларк правильно "зарыл" его на Луне, ибо точка L3 неустойчивая и ничего там не держится силой гравитации. А недавно там пролетели аппараты STERIO и не отметили ничего интересного. Но "пролететь" - это пролететь. Там нужен постоянный аппарат и разговоры о таком идут минимум с 2010 года. Важно знать заранее, что происходит на другой стороне Солнца. Может быть, там вспышка в полном разгаре и надо быть готовым к неприятностям. Кроме того, аппарату не обязательно находиться в точке, он может находиться на галоорбите большого радиуса и пребывать в постоянной видимости с Земли, обеспечивая связь с аппаратами, которые ушли за Солнце. Аппарат туда запустят непременно.
34 Аппарат на солнечной орбите.Каюсь, название "солнечная орбита" (solar orbit) не слишком верно отражает суть и вообще употребляется редко. Это такая гелиоцентрическая орбита, которая примерно совпадает с орбитой Земли, но движется аппарат за пределами СД Земли ("впереди" или "сзади", что в движении по орбите почти то же самое).
И тут пора бы уже чётко разделить (классифицировать) задачи всех КА, отправленных в СД Солнца. Их всего три (с точки зрения землецентризма): 1) КА для изучения межпланетного пространства и всех небесных тел, там имеющихся (99% всех КА), 2) КА, отправленные подальше от Земли, потому что она мешает им изучать Дальний космос (или что-то ещё) - (1% всех КА), 3 - прикладные КА, для земных нужд (0%). Границы, как и положено, размыты. Скажем, аппараты в точке С-З L1 не только изучают, но и предупреждают о приближающихся солнечных бурях, но всё же это научные КА. Можно предположить об КА-дозорных, которые будут отслеживать угрожающие Земле астероиды. КА, которым Земля мешает, прячутся за Луной ("Эксплорер-49") или надо уйти подальше. И вот первый КА, которому Земля мешает (но связь с ней должна быть хорошей) был SIRTF, запущенный 25 августа 2003 года и переименованный, (как только доказал свою успешность) 18 декабря 2003 в "Спитцер" (ССТ - "Космический телескоп Спитцер"). Это был последний из четырёх Великих телескопов НАСА. Вообще-то его собирались запустить почти одновременно с "Хабблом" и даже не запустить, а выдвинуть из грузового отсека шаттла, но вакуум вокруг шаттла оказался таким грязным, что от такой идеи отказались вообще. Телескоп был готов уже в 1983 году, но планы менялись быстро, его переделывали под планы и не раз. После гибели "Челленджера" отказались от шаттла, потом отказались от РБ "Центавр", потом учёные сообщили, что возле Земли телескопу не место. Даже в точке L2. Это был инфракрасный телескоп и тепло Земли даже на расстоянии 1,5 млн км ему мешало. Солнце, конечно, в миллионы раз жарче, но от него можно поставить теплозащитный экран, а защищаться сразу от двух источников тепла, которые меняют позиции, сложно. Поэтому телескоп отправили в "свободный полёт", но недалеко от Земли.
Приступил он к работе на расстоянии в 6 млн км. При этом он постепенно отдалялся, примерно на 15 млн км в год. Что означает, что лет через 10 он оказался в точке L5, при этом антенна разворачивалась к Земле всё более, что вызвало дополнительный нагрев, возрос расход жидкого гелия, которым охлаждался телескоп. Но срок службы у него планировался всего в 2,5 года, так что он сильно перевыполнил план и сделал много замечательных открытий. Отключили его совсем недавно, в этом году.
"Спитцер" на этой орбите не одинок. Но про миссию "STERIO" лучше рассказать отдельно
4 134 700 от поверхности Солнца. Если "Паркер", собравшийся подобраться на 6,8 млн км, рассчитан на температуру в 1 400°C, то ещё ближе будет теплее. Однако и этот рубеж преодолим. Возможно, не так уж и долго ждать. Всё зависит от того, как будут работать и что найдут солнечные зонды, раскручивающие витки (только недавно Solar Probe пролетел у Земли)
Solar Probe
  Траектория аппаратов относительно Солнца и Земли |
В Сети есть сайт, который отслеживает положение аппаратов, например, сегодня 30.05.2020:
801 871 км от поверхности Солнца. Мыслим ли пролёт КА на таком расстоянии? Надежду дают кометы. Максимальный протуберанец зафиксирован величиной 1,7 млн км, в сотни тысяч - не редкость. Температура там не менее миллиона градусов. Но на расстоянии 1-2 млн. км от поверхности Солнца довольно часто пролетают кометы. Как правило, они гибнут, испаряясь и разламываясь на куски приливными силами гравитации. Но есть и исключения. 16 декабря 2011 года комета Лавджоя пролетела на высоте всего лишь в 120 000 км над поверхностью Солнца. Астрономы внимательно следили за её гибелью... и не дождались. Комета уцелела. Поражённые астрономы тут же повысили её размер со стандартных (в её семействе) 100-200 м до 500, но ничего иного придумать не могли - ледяное ядро больше часа грелось чудовищным тепловым потоком в несколько миллионов градусов и спаслось. Но пока нет планов запустить зонд в это пекло.
Встреча кометы Ловджоя с Солнцем (вход в фотосферу и вылет)
 Стилизация "дешёвых дорог" в Солнечной системе. Зеленая полоса - один из множества возможных путей, расположенных на поверхности светло-зеленой трубы. Места, где зеленая полоса резко меняет траекторию - точки Лагранжа |
"Дороги, которые мы выбираем...". В сфере действия Солнца много энергии, но мало материи, хотя бы теоретически готовой превратиться в топливо. И заправки далеко. Но баллистики в очередной раз нашли выход - есть особые траектории, где гравитация позволяет делать перелёты с очень малым расходом топлива и даже без расхода вообще. Однако и время перелёта по сравнению с гомановскими перелётами увеличивается на порядок. А то и на два порядка. Но для беспилотных КА это не столь важно. Ещё в конце XIX века математики обратили на интересное свойство точек Лагранжа - во-первых, объект вблизи них начинает двигаться по орбите (названной галоорбитой), словно в точке находится массивное тело, во-вторых, перелет меж точками Лагранжа требует незначительную коррекцию. Скажем, 14 м/с - примерно 0,4% массы КА, даже неэкономичного химического топлива. Более того - даже без коррекции КА улетит не просто хаотично, а по некоему сложному пути меж гравитационных полей (...бежит дорога меж полей, сияет солнышко над ней...). Всю эту конструкцию обозвали Межпланетная транспортная сеть (Interplanetary transport network, ITN, Межпланетный Суперхайвей). Насчёт суперхайвэя - это, наверно, насмешка - скорости тут не очень.
От слов к практике перешли в конце XX века, когда Эдвард Белбрано рассчитал серию маневров для японского аппарата "Хитен", который никак не мог добраться до Луны. И тот добрался. После чего в неспешных перелётах к Луне низкоэнергетические траектории использовались ещё несколько раз, но лунные приоритеты - в другом разделе. Приоритет в перелёте между точками L1 и L2 в системе Земля-Солнце забрал КА "Генезис". Запущен 8 августа 2001, вернулся (частично) на Землю 8 сентября 2004. Разработкой его траектории занимались лучшие баллистики JPL аж 3 года! Баллистик Мартин Ло прославился окончательно. С помощью трёх коррекций аппарат был выведен на галоорбиту вокруг точки L1 Земля-Солнце радиусом 800 000 км, где начал сбор солнечного ветра, что и делал 850 дней, совершив 5 витков спирали, затем ушёл по низкоэнергетическому маршруту к точке L2, используя гравитацию Земли (до неё 392 300 км) и Луны (до неё 250 000 км). По прямой до неё рукой падать - 3 млн км, но летел он более 5 месяцев. Прибыл он туда в июле 2004 года. Совершив 1 виток вокруг точки L2, он устремился к Земле, где сбросил спускаемую капсулу (она разбилась из-за отказа парашюта), а сам сначала вышел на опорную орбиту (из предосторожности, что сброс не удался), затем вновь (через 80 дней) вернулся к точке L1 Земля-Солнце и оттуда уже навсегда ушёл на гелиоцентрическую орбиту. Связь с ним была потеряна 24 декабря 2004 года, учёные потеряли к нему интерес (мавр сделал своё дело, мавр может уйти)
плоская схема перелётов (на самом деле она очень трёхмерная)
Lucy, который собираются запустить в 2021-м, тоже будет использовать низкоэнергетические перелёты между "треугольными" точками Лагранжа в системе Юпитер-Солнце
Суть дела такова: ракетное топливо надо сжигать при большой скорости самой ракеты. И чем больше скорость ракеты, тем эффективнее сжигание топлива. Поэтому все разгонные маневры делают в перицентре (перигее, перигелии и т.п.). Порой эффект получается такой, что иначе, чем парадоксом назвать нельзя. Например, разогнавшись до 50 км/с в перигее Юпитера, можно дать импульс 5 км/с и получим прибавку скорости в 22,5 км (бОльшую часть 50 км/с Юпитер жестоко отберёт при удалении от него). Но то джуповские дела, можно ли проделать тот же фокус с Солнцем? Да. Вся проблема в том, что надо а) приблизиться к нему на большой скорости, б) пролететь как можно ближе и не сгореть и в) на всю тягу включить свои двигатели в самом пекле.Расчёты показывают, что если улететь к Сатурну (лучше к Нептуну) и оттуда нацелиться на Солнце с помощью гравиманевра и пролететь примерно в 6 млн км от него, испытывая температуру до 2000° при скорости 200 км/с, и сжечь половину массы ракеты, получив приращение скорости в 4 км/с, то на выходе получим 40 км/с добавочной скорости. Примерно столько же, сколько сможем добыть у Юпитера без таких хлопот. Так что единственно преимущество Солнца в данном случае: оно не бегает по Системе как Юпитер и направление мы можем избирать любое.
Символические артефакты и символические действия, оказавшие неизгладимое впечатление на Человечество, тоже являются приоритетами. Сейчас они собраны под термином "флаговтык", который приобрёл даже некий негативный оттенок. Да, тратить огромные деньги, чтоб просто наследить первым на "пыльных тропинках далёких планет" не очень-то красиво. Но ничего не поделать - флаговтык существовал очень давно, ещё Колумб выходил на землю достигнутой им заокеанской земли не просто так, а с флагом Обеих Испаний и торжественной речью. Знал адмирал, как наследить в истории максимально. Вот и советские аппараты к Луне, Венере и Марсу непременно несли на борту разнообразные вымпелы и этот факт широко освещался, пожалуй, более широко, чем какие-то там научные данные. Ну, конечно, американские космонавты на Луне первым делом развернули флаг США и отсняли "звёзды и полосы" раньше, чем лунные пейзажи. В ответ советские космонавты развернули красный флаг на "Мире", который ненадолго пережил СССР. Но оставим пикировку сверхдержав в околоземном космосе, потому что тема - сфера действия Солнца. Кроме двух "Вег", которые тоже были наполовину венерианскими, СССР запускал аппараты только к планетам, поэтому если наши потомки выловят из космоса блуждающие аппараты типа "Венеры-1" или "Луны-1", то их бортовые вымпелы подтвердят, что аппараты по цели просто промахнулись. Кто же делал первые флаговтыки на гелиоцентрических орбитах? Я помню, что в "Маринер-10", изначально обречённый скитаться меж Мернурием и Венерой, уложили маленький свёрнутый американский флаг. Но буквально сегодня (2.06.2020) я узнал ещё один фактик: самый-самый первый аппаратик, нацеленный для выхода на гелиоцентрическую орбиту, тоже не остался без символической мемориальной таблички. Аппарат весил всего 5 кг 890 г и каждый грамм был гораздо дороже золота, и каждый грамм мог привести к срыву задачи полёта крайне слабосильной РН, но табличку туда засунули. Очень маленькую, но всё же. И сделано было это не по приказу президента или администратора НАСА (она ещё была не у дел), а министра Армии Уилбура М. Брукера. «Изучение вселенной для дальнейшего развития человечества. WMB. Декабрь '58'» (Exploring the universe to further the wilfare of all mankind. WMB. December '58') сообщала табличка, улетевшая в «Пионере-3». Но этот и подобные символизмы на общественность влияния не оказали, поэтому переходим сразу к широко известной и действительно ставшей приоритетной табличке на "Пионере-10", именуемой историками "Первым межзвёздным письмом" и, действительно, поволновавшую многих - как учёных, так и обывателей. История её такова:Эрик Берджесс, англичанин, научный журналист, член BIS, приехал в JPL во время работы у Марса "Маринера-9", где и услышал о готовящейся миссии "Пионеров". Мысль сделать аппараты заодно и почтальонами его посетила и он поделился ей с Карлом Саганом. На этом вклад Эрика заканчивается, потому что Карл Саган пришёл в восторг, привлёк к делу не менее известного Фрэнка Дрэйка и вместе они уломали НАСА раскошелиться на 120 г массы на каждом аппарате. Послание должно было конкретно рассекретить и прославить создателей аппарата.
Теперь надо бы рассказать об отношении землян к контактам с инопланетянами. Я не имею ввиду жалкие пролёты каких-то тарелок, а только глобальную встречу цивилизаций. Уэллсу не удалось запугать землян кровожадными марсианами. Чувство гуманизма и толерантности на планете крепло, несмотря даже на мировые войны. 60-е и 70-е были пиком желания землян "встретиться и поговорить". Или хотя бы поговорить. Подразумевалось, что все способные с нами поговорить высокогуманны, мудры и альтруистичны. Пошли всякие проекты типа OZMA и SETI, в 1974 году Фрэнк Дрэйк дорвался до Аресибо и отправил кодированные послания инопланетянам, раскрывающие наше местожительство и внешний вид. Правда, не на ближние звёзды, а на M13, в 25 000 св.лет (этот спутник Галактики просто оказался в зените во время церемония открытия Аресибо после реконструкции). Все эти потуги сообщить о своём существовании напоминают мне писк младенца, не более. И без радиограмм из родильного дома все соседи в радиусе примерно 100 св. лет знают о продвинутости землян в радиотехнике. Земля легко обогнала Солнце по интенсивности излучения в радиодиапазоне и столь аномальный рост радиоизлучения звезды легко наблюдаем. А на соседних звёздах даже с техникой конца XX века можно смотреть наши телепередачи. Но инопланетяне зловеще молчали.
 Многие представляют, что табличка прикручена рисунком наружу, как на домах (чтоб все видели). Даже в фильмах так. На самом деле она повёрнута к звёздам задом, иначе эрозия просто сотрёт рисунок. А в таком положении может уцелеть около 1 млн.лет. |
На ней выгравировали: а) схему атома водорода, с расстоянием между атомами 21 см (на волне 21 см излучает водород, на этой волне и ждём ответа. Это мерка. Всё остальное дано в масштабе в двоичном коде. б) Солнечная система, где показан путь аппарата от 3-й планеты мимо 5-й (на "Пионере-11" была точно такая же табличка, хотя он пролетел 5-ю и 6-ю); в) 15 линий - направление на центр Галактики и на 14 ближайших пульсаров, штришками обозначены частота их пульсаций (они меняются со временем, значит, можно определить и время старта (один указан неточно); г) главное - на фоне схемы аппарата (для масштаба) фигуры мужчины и женщины, совершенно голых. Их рисовала Линда, вторая жена Карла Сагана (он с ней развёлся в 1981 году). Логично было бы предположить, что она изобразила себя с мужем, чтобы уж прославиться окончательно, но нет - говорят, она срисовывала с античных статуй. Подробности оригинала не сохранились, потому что моралисты из НАСА откорректировали рисунок, стерев особо неприличные детали, например, половую щель у женщины. Это, впрочем, не помогло, рисунок испытал ураган критики - и от ханжей и от нудистов, там усмотрели сексизм, расизм (чего это они белые европейцы?), оскорбились сексуальные меньшинства, религиозные общества и продавцы одежды. Словом, рисунок удался. Табличка известна больше, чем прочие символы в космических аппаратах, больше, чем граммпластинки на "Вояджерах", диски и флешки на других аппаратах и даже чем прах самого Томбо, миновавший открытый им Плутон.
Вначале рисунок был другой - двое держались за руки. Но Саган, посмотрев глазами инопланетянина, определил, что это одно существо. И пару разделили. Взамен мужчина дружелюбно поднял руку (возможно, у инопланетян это жест угрозы), заодно демонстрируя наш знаменитый большой палец, развёрнутый на 90°, который и обеспечил нам ловкость рук, недоступную прочим приматам.
Будем надеяться, что инопланетяне окажутся умнее людей, потому что ни один учёный Земли, которым предложили рисунок, не смог расшифровать послание землян.
Забавно то, что "межзвёздное письмо" при старте и в течении около года было, так сказать, "местным", потому что траектория не была определена и вначале аппарат был на гелиоцентрической орбите с большим афелием и пролёт вдали от Юпитера оставлял его на этой траектории. Но после выхода из Пояса астероидов в прекрасном состоянии решили рискнуть и направить аппарат сквозь радиационные пояса Юпитера, что автоматически переводило его на траекторию "на вылет". Вот это обстоятельство, а также то, что почтальон доберётся до околицы родной деревни через тысячи лет, позволяет мне отнести "межзвёздное письмо" к внутрисистемным приоритетам. Но долетит ли? Уже сейчас организован сбор денег на аппарат, который догонит "Пионер-10" и отбуксирует его в музей.
 Фотонная ракета «Хиус»... Так говорит теория. Но Быков знал также, что до последнего времени все попытки использовать идею фотонно-ракетного привода на практике оканчивались провалом. Одна из фундаментальных проблем этой идеи - отражение излучения - не поддавалась практической разработке. Для создания фотонной тяги требуются интенсивности излучения порядка миллионов килокалорий на квадратный сантиметр поверхности отражателя в секунду, и никакие материалы не выдерживали даже кратковременного воздействия температур в сотни тысяч градусов, возникающих при этом. Беспилотные модели сгорали дотла, не успев израсходовать и сотой доли горючего. И тем не менее фотонная ракета «Хиус» построена! «Создано идеальное зеркало, - сказал Дауге, - «абсолютный отражатель». Субстанция, отражающая все виды лучистой энергии любой интенсивности и все виды элементарных частиц с энергиями до ста - ста пятидесяти миллионов электронвольт.... Стругацкие. "Страна богровых туч". 1959 год |
Чего мелочиться - антивещество предельный, оно же идеальный источник энергии - всё топливо на 100% переходит в энергию и делай с ней что хочешь. Желательно образованные кванты превратить в реактивную струю с предельно возможной скоростью - скоростью света. То-есть нужно ещё зеркало, чтобы отразить. Зенгер - пионер космонавтики, создатель потрясающих идей (например, антиподный бомбардировщик), он и тут не дрогнул. Выдержать поток энергии для нужной тяги ни один материал не сможет, если не сможет отразить 100% всех фотонов. Однако феномен идеального отражения волн или «связанного состояния в континууме» ("embedded eigenvalue") теоретически предсказал в 1929 году математик Джон фон Нейман, так что это не пустопорожная мечта. А недавно физикам из Массачусетского технологического института впервые удалось создать «идеальное зеркало» - материал, который без искажений отражает световые волны. Правда, кристалл с наноструктурированным покрытием из нитрида кремния отразил 100% фотонов ТОЛЬКО c определенной длиной волны и ТОЛЬКО под углом 35°. Все остальные фотоны под другими углами были частично поглощены материалом, но этот конкретный вид фотонов отразился идеально под углом 35°, без поглощений или искажений. Лиха беда начало. Будем считать, что "мезоатомные покрытия" "мастера безгравитационного литья" (как у Стругацких) научатся делать. В книге 1959 это китайцы, а в книге 1968 в связи с политической обстановкой уже англичане. А как дела с антивеществом?
Хорошо фантастам:
- Ведь у нас имеется еще один контейнер для хранения антивещества?
- Да, имеется, - ответил Георгий. - Но я не понимаю... Ах, вот оно что! Я понял тебя. Ты хочешь...
- Да, командир. Надо закрепить контейнер снаружи, ввести звездолет в пояс антиастероидов, если они здесь есть, и...
- ...поймать большую глыбу, - подхватил обрадованно Джон-Эй.
Олесь Бердник. "Пути титанов" 1959 год.
Пока именно тут камень предкновения. Природа решительно нарушила законы симметрии, который предсказывали учёные когда-то - антивещество во Вселенной есть, но его столь ничтожно мало, что надеяться на халяву не стоит. Но можно создать самим! Однако его производство и хранение обойдётся в триллионы раз дороже, чем, например плутония. Если всё население Земли займётся изготовлением антивещества, бросив на это все силы и деньги, то несколько граммов получить всё же можно. Ах, да, ещё и энергии надо затратить больше, чем создало человечество за всю историю. Стоит ли оно того? Превратив 1 кг массы в энергию, получим 9х1016 Дж энергии, что эквивалентно 21 мегатонн ТНТ. Ещё при Хрущёве взрывали бомбы и поболее, а АЭС стабильно перегоняет массу в энергию без всякого антивещества.
Но я всё же не стал бы писать, если бы всё ограничивалось теорией, да и то сулило бы неутешительные результаты. Работы по созданию РД на антивеществе, пусть на микроуровне в лабораториях - идут. Позитроны создавать проще, чем ядра антивещества. Хранить в микроскопическом количестве тоже можно. НАСА проектирует позитронную ракету и даже знает цену топлива: 10 миллиграммов позитронов стоят около 250 миллионов долларов с использованием современной технологии, но цена может быть снижена.
Однако - антивещество испытывается не только как топливо для фотонной тяги, но и как просто источник энергии для элементарного выброса разогретой массы, а это несколько иное дело.
Схема позитронного РД
позитронные корабли НАСА для полёта на Марс (так их представляет художник)
 Про короновирус SARS-CoV-2 в 1959 ещё ничего не знали, но с "Пионером-3" работали не менее осторожно |
Вопрос: если бы Гагарин не облетел Землю, а упал где-то в сибирской тайге, как собачки за три месяца до него, а то и вообще возле старта, вошёл бы он в историю? Конечно! Мы не забываем первых, даже если их дерзания кончаются неудачей. Как не забыли Седова, не дошедшего до Северного полюса, Роберта Скотта, вышедшего к Южному полюсу первым, достигшим его вторым и погибшим на обратном пути, Ирвинга и Мэллори, не вернувшихся с Эвереста. Не должны мы забыть и первый аппарат, отправленный в просторы Солнечной системы. Это "Пионер-3", запущенный Армией США 6 декабря 1958 года. Он считается "лунным" аппаратом, участвующем в гонке на Луну. До него к Луне были отправлены 3 американских КА с задачей выйти на орбиту вокруг Луны и 3 советских с задачей достичь Луны и разбиться об неё, разбросав советские вымпелы. Ни один не выполнил своей задачи. Но маленький (менее 6 кг) аппаратик не имел возможности ни того, ни другого. Он должен бы выполнить измерения вблизи Луны и лететь дальше, в просторы Солнечной системы. Как и от Гагарина, от "Пионера-3" ничего не зависело. Всё решали РН, весьма ненадёжные в те времена. Гагарину повезло, "Пионеру-3" - нет. Он даже немного не дотянул до рекорда высоты, установленного двумя месяцами ранее, даже трети пути до Луны не пролетел, его передатчик замолчал бы сразу за Луной, даже если бы полёт был полностью успешным, но тем не менее - это была ПЕРВАЯ попытка штурма сферы действия Солнца.
43 Термоядерный двигатель КАЕщё и ста лет не прошло с тех пор, когда Эддингтон говорил знакомой девушке: "Наверное, я единственный человек на Земле, который знает, почему горят звёзды". В 1926 мир уже читал его книжку «Внутреннее строение звезд» и обсуждал термоядерные реакции. Ещё четверть века прошло - и почти одновременно в СССР и США громыхнули первые термоядерные бомбы. И следом возникла идея создания ТЯРД (термоядерного РД). Одна из первых публикаций на эту тему - изданная в 1958 году статья Дж. Росса. Вот примерно с этой даты следует отсчитывать знаменитую шутку лауреата Нобелевской премии Джона Кокрофта, руководителя английской термоядерной программы. Его спросили, когда термоядерный реактор даст промышленный ток. Кокрофт ответил: «Через 20 лет». Через 7 лет задали прежний вопрос и получили прежний ответ: «Через 20 лет». Ему припомнили слова семилетней давности, на что англичанин ответил: «Вы видите, я не меняю своей точки зрения». И вот уже лет 70 ответ "через 20" неизменен. Приз очень велик и очень нагляден - Солнце выдаёт невероятное количество энергии. Но и трудности велики. Термоядерный РД будет создан - нет сомнений. Но типов и схем великое множество и я не буду их обсуждать.
В НАСА создаётся Fusion Driven Rocket (FDR) - двигатель для полёта на Марс. Скорость истечения определена в 30 км/с. Самое интересное, что для создания температуры в миллионы градусов предлагается солнечная батарея с мощностью в 200 квт. Корабль обещали создать уже в 2020-м, но что-то не видно...
Fusion Driven Rocket (FDR) в лаборатории
Пишут, что идею гравиманевра у Венеры с целью сближения с Меркурием придумал итальянец Джузеппе «Бепи» Коломбо (в честь которого назван аппарат, направляющийся к Меркурию сейчас). Гравиманевр известен давно и просто не было возможности (и сейчас нет) отправить приличный аппарат к Меркурию сразу напрямую. Все аппараты, летящие к Меркурию и Солнцу, посещают Венеру, чтобы свернуть к Меркурию. Но "Маринер-10" вполне мог бы не тратить на Венеру свои ресурсы - там побывало уже несколько аппаратов и планировалось ещё немало. Но он не упустил свой шанс, став первым фотографом Венеры и отослав данные со всех своих приборов при её пролёте. Затем пришла очередь Меркурия - здесь аппарат был первым, показав этот мир людям. Но и на этом миссия не закончилась. Вот тут несомненная заслуга Коломбо. Он приехал в НАСА на семинар в 1970 году ("Маринер-10" хотели запустить в 1972 году). И там он показал траекторию, при которой аппарат пролетает Меркурий трижды, фотографируя разные места при каждом пролёте. И всё удалось. Но, если быть точным, то "Маринер-10" исследовал ещё и Луну, сфотографировав неизвестные ещё полярные районы. И даже Землю - впервые с расстояния в миллионы километров.
Многие помнят притчу о возвращении "блудного сына". АМС тоже иногда возвращаются на Землю или сближаются с Землёй. Про те, что падают в атмосферу Земли - в другом месте. У них должна быть мощная система посадки. И про те, которые могут выйти на орбиту не будем - они должны непременно тормозиться (да и не было ещё таких). А зачем вообще КА дальнего космоса сближаться с Землёй и уходить снова в дальний космос? Вариантов немного - КА может сбросить СА с образцами (как "Генезис") или просто подлететь поближе, чтобы передать информацию. Я специально припарковал ещё нереализованный проект с неприменным возвращением к Земле по причине отсутствия параболической антенны и прочих атрибутов "настоящих АМС" (см. ниже). Так уже делала "Луна-3", передавшая на Землю фото Фарсайда. Но это баллистика внутри СД Земли. И третья причина - совершить гравиманевр, чтобы развернуться на курс к новой цели. Вот это и выполнил впервые героический "Джотто". Не забудем, что впервые из СД Солнца в СД Земли с той же целью вошёл ISEE-3 (он же ICE). Но вернулся он не издалека (из Лагрнжа-1) и гравиманевры делал с помощью Луны. А еще нельзя не упомянуть, что к 1990 году гравиманевры стали банальностью. Аппараты побывали у всех планет (кроме Плутона, который тогда ещё числился планетой) и везде делали гравиманевры (с Марсом и Нептуном просто сближались). Так что великим событием такая баллистика не стала.Но
"Джотто" собрал сразу несколько мелких приоритетов, что позволяет его считать аппаратом уникальным и оценивать именно уникальность. Судите сами:
Первыми пролетели и сфотографировали знаменитую комету Галлея советские аппараты "Вега-1" и "Вега-2" 6 и 9 марта 1986 года при максимальном сближении на 8 889 км. Но "Джотто" был направлен прямо в кому кометы. Несмотря на то, что его прикрывала разнесённая (на 25 см) броня (1 мм аллюминия и слой кевлара), которые защищали от пылинок массой до 0,1 г., пролёт на дистанции 500 км (получилось 596) считался для аппарата самоубийством. "Джотто" успел сделать снимки своей цветной камерой, но за 14 секунд до максимального сближения его ударило так, что он пришёл в себя только через 32 минуты. Камера ослепла, несколько приборов вышли из строя, информация с лакунами передавалась почти постоянно и данные были очень ценные. Произошло это 13 марта 1986 года. А уже 15 марта после приёма всех данных КА направили к Земле и отключили. Пострадавший аппарат признали работоспособным и годным для исследования ещё одной кометы. В апреле 1990 года аппарат "разбудили". И это было впервые. 2 июля 1990 года он сблизился с Землёй (впервые для АМС), успешно выполнил гравиманевр (впервые для АМС у Земли) и вновь был отключён. За сутки до сближения с кометой Григга-Скьеллерупа, 9 июля 1992 года он был включён снова и 10 июля 1992 года прошёл в 200 км от ядра кометы. Хотя эта комета и была слабее, но ряд ударов он всё же получил. 23 июля 1992 г. аппарат был выключен окончательно. Джотто вторично сблизился с Землей 1 июля 1999 года до расстояния 219 000 км. Но его не стали даже будить - топлива осталось 4 ± 3 килограмма.
Неугомонный Пекка Янхуненен на Европейском конгрессе планетарных наук (EPSC) 19 сентября 2017 года в Риге сообщил новую концепцию по исследованию астероидов, в которой две революционных технологии и одна, казалась бы, допотопная и забытая (а значит, тоже революционная).1. На гелиоцентрическую орбиту должны быть запущены сразу 50 кубсатов (наносатов), каждый весом по 5 кг. Двойные запуски освоены давно, SpaceX запускает по 60 ИСЗ, но в дальний космос кубсаты ещё не отправлялись без поддержки и в таком количестве. На каждую цель будут нацелены по 2 кубсата.
2. Оснащены они электрическими парусами и инструментами для съемки изображений и сбора спектроскопических данных о составе астероидов. В сценарии миссии кубсаты пролетают астероиды на расстоянии около 1000 километров. Каждый кубсат имеет 4-сантиметровый телескоп, способный отображать поверхность астероидов с разрешением 100 метров или лучше. Инфракрасный спектрометр анализирует спектральные признаки в свете, отраженном астероидом, чтобы определить его минералогию. Инструменты могут быть направлены на цель, используя простейшую систему реактивной ориентации. Движение - с помощью электрического паруса. Тяга создается медленным вращением троса, прикрепленного на одном конце к главному космическому аппарату с электронным эмиттером и источником высокого напряжения, а на другом - к небольшому удаленному блоку. Вращающийся трос совершает оборот примерно за 50 минут, образуя широкий конус вокруг центра масс, близкого к главному космическому аппарату. Изменяя свою ориентацию относительно солнечного ветра, кубсат может изменять тягу и направление. Длину тросика я не сообщаю, ибо считаю слишком уж фантастической. Каждый кубсат должен посетить шесть или семь астероидов, итого - 300
3. Параболической антенны там нет, система связи предельно слабая, поэтому для передачи данных кубсаты должны вернуться к Земле (там их услышат)
Концепция называется Asteroid Touring Nanosat Fleet и превлекает своей дешевизной, которая тоже фантастическая. Доктор Пекка считает, что первые реальные опыты будут лет через 5-7 (если дадут деньги), флотилия отправится ещё через 5 лет, а первые результаты кубсаты доставят через 3,2 года.
  |
Я прочитал про проект ещё школьником. В классе примерно восьмом. И показался он мне чистой фантастикой. "Миссия невыполнима!" - мог бы сказать я, если бы знаменитый фильм существовал в те годы. Или хотя бы если бы слово "миссия" не означало тогда исключительно деятельность миссионеров, пособников колонизаторов. Времена и понятия меняются и сейчас слово "миссия" я считаю более правильным, чем "космический полёт". Пардон, отвлёкся.
Летом 1965 года в Вудс-Хоул, штат Массачусетс для определения будущих миссий Совет по космическим наукам провел летний семинар ученых. Идеи, что пора бы НАСА заняться внешними планетами, уже высказывались (напомню, что первые фото Марса получены 15 июля того года). Но насчёт внешних планет было 2 мнения: послать к каждой планете по зонду либо заниматься только Юпитером, оставив всё прочее потомкам. Вот тогда и забрезжил проект «Гранд-тур» - исключительно как мера экономии денег. Можно было осмотреть сразу 5 планет (двумя аппаратами). Но важнее то, что путь до Нептуна сокращался с 30 до 13 лет. Окна запуска наступали относительно скоро, между 1976 и 1980 годами. И в эти годы можно было уложиться!
JPL начала разработку проекта уже в декабре 1966 года, на свой страх и риск, в 1967 году именно перспективами этого проекта туда заманивали сотрудников. JPL была передана в НАСА ещё в 1958 году, но всё не так просто. Там гордились своей историей и независимостью. JPL никогда не зависела даже от NACA - предшественницы НАСА, его здания принадлежали правительству, но сотрудников поставлял Калтех (Калифорнийский технологический институт). НАСА даже не разобралось ещё с субординацией - JPL - это инсайдер (полевой центр НАСА) или аутсайдер (подрядчик)?
В 1968 году миссией занялся также Иллинойский институт, но главным конкурентом JPL был центр Эймса, тоже Калифорния, но главный центр NACA с 1939 года.
В 1969 году НАСА создала рабочую группу по исследованию внешних планет (Outer Planets Working Group, руководитель Джеймс А. Ван Аллен), которая не осмелилась на пролёт четырёх планет, но предложила программу с двумя миссиями, каждая из которых предполагала посещение трёх планет. И название «Гранд-тур» стало появляться в СМИ всё чаще. Общее время миссии при такой схеме сокращалось с 13 до 7,5 лет.
В июне 1969 года НАСА поставило вопрос об исследовании внешних планет двадцати трем ученым Совета космических наук. Ученые рекомендовали конкретный график пяти миссий на внешние планеты: одну на Юпитер, одну на Юпитер и Солнце, одна на Юпитер и Уран, а также две миссии «Гранд-тур», намеченные Рабочей группой внешних планет (Юпитер-Сатурн-Плутон в 1977 году и Юпитер-Уран-Нептун в 1979 году). НАСА теперь намеревалось запросить финансирование «Гранд-тур» на 1971 финансовый год. И - не получилось. К власти пришла администрация Никсона. Ещё и на Луну Армстронг не ступил, а производство "Сатурн-5" было ограничено, бюджет НАСА начали безжалостно резать. Причём главными конкурентами «Гранд-тур» был уже не "Аполлон", а космический телескоп и особенно "Викинг", которому отдавали приоритет, но он дорожал так быстро, что его решили даже отменить, но всё же оставили. В декабре 1970 года исполняющий обязанности Администратора НАСА Джордж М. Лоу предложил заменить «Гранд-тур» миссией на Юпитер-Уран-Нептун в 1979 году и возможной дополнительной миссией на Юпитер-Сатурн-Плутон в 1977 или 1978 году, если дадут дополнительные деньги (не дали).
1971 год. «Гранд-тур» мыслился из четырех запусков: два «Юпитер-Сатурн-Плутон» в 1976 и 1977 годах и два «Юпитер-Уран-Нептун» в 1979 году. НАСА оценило стоимость четырех миссий в диапазоне от 750 до 900 миллионов долларов + 106 миллионов долларов на РН. Одним из главных пожирателей средств был STAR - компьютер с гарантией работы в 10 лет в дальнем космосе с возможностью перепрограммирования. Кроме этого JPL проталкивало свой аппарат TOPS с термоэлектрическим двигателем. Он мог работать лучше и дольше, но требовал увеличения массы и стоимости. «Гранд-тур» вчистую проиграл в сенате космическому телескопу, а проект ядерного РД NERVA победил TOPS. Фон Браун высказался в том смысле, что «Гранд-тур» на грани вымирания. НАСА билось изо всех сил, чтобы получить финансирование на 1972 год, а ему рекомендовали ещё упростить миссию и спихивали проект на 1973 финансовый год. НАСА вновь обратилось к научному сообществу на летнем семинаре Совета по космической науке, которое состоялось в Вудс-Хоуле, 8-14 августа 1971 года. Теперь там говорили исключительно об исследованиях внешних планет.
Ученые поддержали «Гранд-тур» голосованием со счётом 12: 1. Надо, дескать запускать четыре зонда TOPS, но если денег дадут мало, следует отказаться в пользу полета аппарата типа "Маринер" на Юпитер и Сатурн. Всё вернулось к 1965 году. Даже хуже. Никсон выбрал шаттл и ходили слухи, что он вообще зарубил «Гранд-тур» навсегда. Джеймс Флетчер, администратор НАСА с 27 апреля 1971 года, получил самые нехорошие известия для «Гранд-тур» 11 декабря 1971 года и уже 16 декабря согласился исключить версию «Гранд-тур» TOPS из бюджетного запроса на 1973 год и заменить её парой менее дорогих космических аппаратов "Маринер", которые будут называться "Маринер-Юпитер-Сатурн" и будут запущены в 1977 году.
Никсон в своем сообщении по бюджету от 5 января 1972 года объявил о разработке космического корабля "Шаттл", а также о прекращении TOPS «Гранд-тур» и замене на более скромную миссию "Маринер Юпитер-Сатурн". 22 января 1972 года администратор НАСА Флетчер прочитал реквием по «Гранд-тур». А между тем работа в JPL шла. Сотрудники быстро приспосабливались к новым реалиям, TOPS был заморожен, но работа по аппарату для внешних планет шла быстро. В 1972-1973 годах были запущены простые аппараты "Пионер-10" и "Пионер-11", разведчики, которые обнаружили, что радиация у Юпитера в 1000 раз больше, чем ожидалось. И это, как ни странно, сэкономило время и деньги - от разработки некоторых приборов для «Гранд-тур» просто отказались.
"Пионеры" были так успешны, что программа «Гранд-тур» воскресла. Путь был разведан, технологии освоены, научные данные радовали учёных, картинки дальних миров приводили в восторг всех прочих, НАСА уже ничто не могло установить. Даже Никсон, который в полдень 9 августа 1974 года перед лицом неминуемого импичмента после Уотергейта, ушёл, наконец, в отставку.
В 1975 году Совет по космической науке рекомендовал запустить миссию «Маринер-Юпитер-Уран» в ноябре 1979 года, с пролётом Юпитера в апреле 1981 года и Урана в середине 1985 года. Юпитер уже терял свою актуальность - началась разработка будущего "Галилея" с амосферным зондом.
Аппараты получили название "Вояджер" буквально за пару месяцев до старта, после конкурса, объявленного НАСА. Просто решили, что они переросли программы "Пионер" и "Маринер". Но в СМИ их ещё долго называли то "Пионерами", то "Маринерами-11, -12". В этой грандиозной миссии было много забавного. Лишь один аппарат решили пускать с возможностью выполнить «Гранд-тур». "Вояджер-2" вылетел первым, 20 августа 1977, а его партнёр-разведчик "Вояджер-1" лишь 5 сентября 1977 года, но прибывал на Юпитер на 4 месяца раньше. Если бы старт (полёт) "Вояджера-2" был бы неудачным, его можно было бы отправить Юпитер-Сатурн-Плутон. У Сатурна его повернули на наиболее ценный объект - Титан. После чего он потерял возможность пролетать планеты. Точно так же и "Вояджер-2", при неудаче разведчика пролететь Титан, пришлось бы отказаться от «Гранд-тур» и исследовать Титан - настолько он был важен.
Оба "путешественника" не имели за душой ни гроша - НАСА с великим трудом выбивало из Конгресса деньги на финансирование миссий. Причём расходы были очень немалые. Аппараты полетели, когда Земля не могла их услышать, когда они минуют Сатурн. Но пока они летели, были построены новейшие радиотелескопы. Потом у обоих аппаратов начала застревать поворотная платформа сканирующей камеры, из-за чего были потеряны 2 фото Энцелада и 6 - Тефии, причём наивысшего разрешения. И JPL построила 63 модели устройства, пока не разобралась с причиной. Естественно, глючил компьютер. Естественно, в нем при вылете не было никаких данных о каком-то Нептуне. Их не было и на Земле тоже. Пришлось одолеть массу проблем, не раз "переучивать" компьютер, разрабатывать "в темпе вальса" всё новые математические конструкции. Но оно того стоило! Иначе до сих пор Уран и Нептун были бы лишь пятнышками в небе
9 июля 1979 года - "Вояджер-2" пролетел Юпитер
25 августа 1981 года - пролетел Сатурн
24 января 1986 года - Уран
24 августа 1989 года - Нептун