«Аэрокосмическая техника» 1991 №2, сс.81-84

© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1990. Все права сохраняются.

¹⁾ Aerospace America, 1990, No. 10, pp. 30 — 33. Перевод Л.В. Самсоненко.

Американские и европейские ученые и инженеры скоро начнут подготовку приборов для полета, окончание которого придется на 2007 г. Они займутся оборудованием космического аппарата "Кассини" — первого из серии "Маринер Марк II", предназначенного для исследования внешних планет Солнечной системы, астероидов и комет.

После того как "Кассини" выйдет на курс к Титану, от него отделится европейский космический зонд "Гюйгенс" для выполнения основной задачи экспедиции — исследования сложной по составу атмосферы спутника.

В апреле 1996 г. ракетная система "Титан II — Центавр" выведет "Кассини" на орбиту 6-летнего полета к Сатурну. В задачу этого полета входит посадка зонда на поверхность Титана — самого большого спутника Сатурна — и изучение других спутников с орбиты вокруг опоясанной кольцами планеты-гиганта.

Полет "Кассини" во многом похож на полет "Галилео" к Юпитеру; в самом деле, в задачу обоих полетов входит длительное исследование систем планет-гигантов и их спутников, и оба аппарата несут спускаемые модули, предназначенные для входа в атмосферу. Но "Галилео" мог оказаться последним в серии, с длинной бородой соответственно возрасту своей конструкции, в то время как "Кассини" открывает новый этап исследований планет.

Как и многие другие аппараты для исследования планет, "Галилео" был сконструирован и укомплектован в основном из оставшихся запасных и резервных узлов других космических аппаратов, и предназначался для выполнения одной-единственной научной задачи. "Кассини" откроет серию полетов для исследования планет при помощи аппаратов "Маринер Марк II", причем каждый будет специально приспособлен для выполнения одной специфической задачи. Так, космический аппарат CRAF (Comet Rendezvous and Asteroid Flyby — аппарат для пролетных исследований комет и астероидов) разрабатывается и строится почти одновременно с его двойником Марк II. С принципиальной точки зрения разработка серийной конструкции однотипных космических аппаратов будет постепенно уменьшать расходы на исследовательские полеты к планетам Солнечной системы.

Полет "Кассини" имеет и ту особенность, что он является примером объединения усилий NASA и Европейского космического агентства (ЕСА); последнее объединенными усилиями готовит модуль для посадки на Титан. В одном отношении "Кассини" представляет собой известное возвращение к прежним методам NASA, поскольку этот аппарат будет запущен с помощью невозвращаемой ракеты, а не с корабля многоразового использования типа "Шаттл", инерциальная навигационная система которого недостаточно точна для обеспечения полетов к внешним планетам Солнечной системы.

Специалисты NASA и ЕСА в настоящее время разрабатывают детали программы "Кассини" еще до начала комплектования аппаратуры в 1991 г. Многое в этой работе связано с преодолением серьезных препятствий, связанных с полетом "Кассини". Этот космический аппарат должен располагать большим запасом топлива на борту. На пролетном аппарате "Вояджер" имелось только 210 кг топлива для осуществления маневров; "Галилео" несет почти целую тонну, а запас твплива на "Кассини" составит 3,4 тонны — гораздо больше, чем при любом прежнем полете к планетам.

Причина состоит в траектории, по которой "Кассини" будет совершать облет системы Сатурна. В полете в систему Юпитера "Галилео" достанется роль бильярдного шара, меняющего направление полета в результате сближения с каждым из галилеевых спутников Юпитера, так что этому аппарату не понадобится много топлива. Но в случае "Кассини" в системе Сатурна лишь тяготение одного спутника — Титана — окажется достаточно сильным, чтобы оказать ощутимую помощь при пролете через систему спутников Сатурна. Масса Титана составляет 2% массы Земли, а другие спутники Сатурна, к которым должен приблизиться "Кассини", представляют собой крохотные тела с массами в сотни и даже тысячи раз меньшими. Поскольку такие спутники не могут сколько-нибудь значительно повлиять на направление полета "Кассини", ему придется нести с собой запас топлива для маневрирования.

"Кассини" имеет достаточно большую массу и без топлива: его "сухая" масса составляет 1,9 тонн, куда входит 220-кг посадочный модуль для спуска на поверхность Титана. Общая масса "Кассини" заметно больше 1,4-тонного "Галилео". Поскольку с запасом топлива на борту "Кассини" будет почти вдвое тяжелее "Галилео", а Сатурн — гораздо более далекая цель, чем Юпитер, то запуск "Кассини" невозможен без использования более мощной ракетной системы "Титан — Центавр". Но даже с этой системой возможным оказался только кружной путь. После облета астероида (66) Майя или какого-либо другого астероида в 1997 г. "Кассини" вернется обратно к Земле за дополнительным гравитационным импульсом и пролетит в окрестности Юпитера (как это было сделано "Вояджером") в 2000 г., чтобы получить еще один гравитационный импульс для успешного прибытия в район Сатурна в конце 2002 г., через шесть лет после старта с Земли.

Поскольку космический корабль будет исследовать систему Сатурна по крайней мере в течение четырех лет, вся экспедиция будет продолжаться не меньше 10 лет после запуска и 15 лет после изготовления приборов на Земле. "Успех полета — серьезное повышение надежности электронной аппаратуры, — говорит Рон Дрейпер, директор проекта из Лаборатории реактивного движения. — Наши усилия направлены прежде всего на разработку электронной аппаратуры, которая была бы устойчива к жесткому излучению и к сбоям, даже единичным, а также имела большое время безотказной работы".

Долгий полет означает также "ротацию" специалистов, обеспечивающих навигацию корабля и ведущих обработку поступающих с него данных. "Мы обращаем особое внимание на то, чтобы корабль был простым по конструкции и в управлении, а данные — легкими для анализа, что позволит без затруднений включать в команду новых людей по мере необходимости", — объясняет Дрейпер.

Электронная аппаратура будет более надежной и обладать гораздо большими возможностями, чем в предыдущих полетах. "Кассини" будет располагать бортовым компьютером с большим быстродействием и объемом памяти, более точными приборами, а также гораздо большей скоростью передачи данных, чем "Вояджер" или "Галилео". Новый компьютер — основная тема исследовательской работы, выполняемой для серии "Маринер Марк II". Для "Кассини" готовятся новые и более чувствительные ПЗС-матрицы для получения изображений; космический аппарат будет также снабжен новым навигационным оборудованием, в основу которого положены гироскопы с волоконно-оптическими световодами. Эти гироскопы позволяют сравнивать доплеровские сдвиги частоты двух пучков света, циркулирующих в противоположных направлениях по катушке из оптических волокон. "Наши гироскопы окажутся в тысячу раз точнее, чем те, которые разрабатываются для самолетов", — отмечает Дрейпер.

Точнейшая электроника. "Кассини" может сыграть решающую роль в полете, очень сложном от старта до финиша. Поскольку "Кассини" необходима гравитационная "помощь" и от Земли, и от Юпитера, запуск аппарата оказывается возможным только в три месячных "окна" за 19-летний период — именно, в марте 1995 г., апреле 1996 г. и мае 1997 г. Но и в апреле 1996 г. для "Кассини" возможны лишь две даты для запуска. Первой "страницей" в полете будет астероид (66) Майя, обломок скальных пород 40 км в поперечнике, мимо которого "Кассини" пройдет на расстоянии всего 3400 км, что позволит сделать детальные снимки астероида и его поверхности. Будет также предпринята попытка определить массу астероида по его гравитационному воздействию на пролетающий космический корабль.

Чтобы уменьшить до минимума продолжительность полета к Сатурну, в ходе полета "Кассини" будет выполнено два орбитальных маневра, сопровождающихся дополнительными гравитационными импульсами от Земли и от Юпитера.		Траектория полета "Кассини" позволит по-новому взглянуть на планетарную систему и доставить дюжину приборов для исследования колец Сатурна.

После встречи в марте 1997 г. с астероидом Майя корабль вернется к Земле в 1998 г. и затем направится к Юпитеру, к которому он приблизится в 2000 г. В окрестностях Юпитера корабль пролетит через его магнитный хвост — "плазменную тень" магнитного поля планеты — на расстоянии примерно 80 млн.км от Юпитера. Это примерно в пять раз дальше, чем пролеты через хвост "Вояджера" и "Галилео", что позволит получить более надежную информацию о взаимодействии магнитного поля Юпитера с солнечным ветром.

Наконец в ноябре 2002 г. "Кассини" совершит облет самого далекого спутника Сатурна — Фебы, а в начале следующего месяца подойдет к опоясанной кольцами планете. Выведение корабля на орбиту вокруг Сатурна будет сложным маневром, поскольку "Кассини" должен пройти через кольца Сатурна дважды, пересекая их снизу вверх через щель между кольцами F и G, с включением двигателей для вывода на орбиту с периапсисом всего в 16 000 км выше облачного покрова Сатурна, и возвращаясь через ту же щель по другую сторону колец. Чтобы целиком использовать уникальную возможность наблюдать Сатурн и его кольца, запуск двигателей будет задержан примерно на час, чтобы приборы замерили магнитное поле, а также успели получить данные о кольцах и самой планете.

Месяц спустя второе включение двигателей увеличит высоту периапсиса и направит корабль к Титану. Спускаемый модуль отделится от "Кассини" и войдет в атмосферу Титана, в то время как орбитальный модуль будет транслировать данные о посадке с высоты 67 000 км над Титаном. Именно теперь настанет самый ответственный момент экспедиции. Титан единственный спутник в Солнечной системе, имеющий достаточно плотную атмосферу (среди всех остальных лишь у Титана, спутника Нептуна, по-видимому, существуют следы атмосферы), и второй (после Ганимеда в системе Юпитера) по массе. Атмосфера Титана очень напоминает, как считают ученые, атмосферу Земли в ту эпоху, когда зарождалась жизнь (т.е. состоит из смеси метана и азота). В ходе лабораторных экспериментов из такой смеси были получены сложные органические соединения, в том числе аминокислоты, и основная цель полета "Кассини" — дать ответ, какие же сложные органические соединения присутствуют в атмосфере Титана.

Спускаемый модуль "Кассини" начнет отбирать пробы органической "дымки" на высоте примерно 170 км после того, как тепловая защита аппарата будет сброшена и раскрыт парашют. В течение трех часов аппарат будет спускаться, пройдя сквозь толстый слой облаков из углеводородов на высоте около 60 км, а затем, возможно, еще один слой из метановых облаков на высоте около 30 км. Газовый хроматограф будет анализировать составляющие атмосферы, в то время как коллектор аэрозолей и пиролизер будут загружены анализаторами твердой и жидкой органики в атмосфере Титана. Специальная камера проведет съемки вершин облаков со спутника Солнечной системы, впервые давая возможность ученым бросить взгляд на структуру облаков и циркуляцию в атмосфере.

Наконец аппарат коснется поверхности Титана. Природа поверхности спутника неизвестна, но предполагается, что она может быть частично покрыта озерами или морями жидкого метана. В течение нескольких минут спускаемый аппарат согреет окружающую среду и передаст данные масс-спектрометрического анализа поверхности спутника, прежде чем орбитальный модуль выйдет из зоны связи с посадочным модулем. Возможно, для обследования поверхности будут применяться рентгеновский флуоресцентный спектрометр для определения состава твердой поверхности и рефрактометр с целью исследования жидких сред на поверхности.

"Вояджер 2" уже показал ученым с расстояния 4,5 млн.км плотную "дымку" из органических соединений в атмосфере Титана. Полет "Кассини" позволит взять пробы с высоты 170 км.

В течение четырехлетнего обзора системы Сатурна орбитальный модуль будет возвращаться к Титану при каждом выходе на новую орбиту, поскольку тяготение этого достаточно крупного спутника будет использоваться для вывода корабля на траектории полетов к другим спутникам. При этих пролетах (при некоторых из них удаление от цели не превысит 800 км) орбитальный модуль "Кассини" будет снимать карту Титана с помощью бортового радиолокатора, а также брать пробы его внешней атмосферы с применением масс-спектрометра. Наблюдение влияния атмосферы Титана на траекторию орбитального модуля дадут нам сведения о внутреннем строении спутника и динамики его недр.

Орбитальный модуль пройдет вблизи нескольких малых спутников Сатурна, в том числе Япета, Дионы и Энцелада. Поверхность Энцелада имеет рекордно высокий коэффициент отражения из всех тел Солнечной системы, в то время как ведущее полушарие Япета покрыто каким-то почти черным веществом, возможно богатым углеродом. Любой анализ этого загадочного вещества — одна из самых важных задач экспедиции, поскольку это поможет найти ключ к пониманию связи между углистыми хондритами (метеоритами особого типа), кометами и ледяными спутниками планет.

Сорок оборотов орбитального модуля "Кассини" будут заняты долговременными наблюдениями Сатурна, а также пролетами на больших расстояниях мимо нескольких дополнительных спутников.

Космический корабль, выполняющий такой полет, должен быть компактным и иметь модульную структуру, в духе общего принципа конструкции серии "Маринер Марк II". Основа конструкции — цилиндрический корпус с главными двигателями и топливными баками на одном конце, электронными блоками в середине и антеннами с высоким и низким усилением на другом конце. К корпусу крепятся посадочный модуль для Титана и три выносных штанги. На самой длинной штанге установлены магнитометры и радиоизотопные термогенераторы, удаленные от корабля. Вторая штанга представляет собой высокоточную подвижную платформу, несущую все дистанционно воспринимающие приборы, для которых требуется точное наведение. Третья штанга выдвигается вперед по движению космического корабля для забора проб из атмосферы Титана во время близких пролетов.

Спускаемый модуль, напоминающий по форме "Летающую тарелку", прикрыт тепловым экраном диаметром 3 м, защищающим блок основных приборов до тех пор, пока не произойдет разделения модулей. Во время спуска антенная платформа остается наверху системы, а плоское основание спускаемого аппарата дает уверенность, что антенна останется направленной вверх и после того, как модуль опустится на поверхность Титана.

Комплектование оборудования космического корабля начнется уже с начала 1991 г., и в течение следующих пяти лет ученые по обе стороны Атлантического океана будут торопиться пересечь финишную ленточку 1996 г., с тем чтобы вовремя отправить главную планетарную экспедицию первого десятилетия XXI века.