«Наука в СССР» 1988 №1

Специалисты в который раз шаг за шагом прослеживают весь путь, предстоящий аппарату. Преодолено уже множество трудностей. Но впереди еще очень важный и ответственный этап — завершение испытаний электрического аналога аппарата и проверка на Земле реального КА, которому предстоит выйти в космос, всесторонняя подготовка к запуску. Каждый участок трассы, все режимы работы КА моделируются на Земле.

Очередной посланец человечества — космический аппарат "Фобос", с помощью которого будут проводиться исследования спутника Марса. Планируется с его помощью доставить на поверхность Фобоса посадочные аппараты двух типов: долгоживущую автономную станцию (справа) и аппарат, который сможет перемещаться по поверхности спутника (слева).

Подходя к нашему творению, мы каждый раз любуемся им. Нам, уже много лет занимающимся созданием космической техники, он определенно нравится. "Фобос" красив и в какой-то степени фантастичен. Он не похож ни на одного из своих собратьев. Причем это вызвано не прихотью конструктора, а жизненной необходимостью. При создании КА учтен богатейший опыт, накопленный в ходе работы над его предшественниками — автоматическими станциями для исследования Луны, Венеры, Марса. В нем воплощено все лучшее, что было в технике на момент проектирования. Многочисленные коллективы не просто смежников, а единомышленников проявили максимум технической эрудиции и изобретательности. Их усилия координирует Совет главных конструкторов, возглавляемый членом-корреспондентом АН СССР В.М. Ковтуненко, научным руководителем Научно-испытательного центра (НИЦ) им. Г.Н. Бабакина.

В чем же состояла для нас главная проблема? Поясним на примере. Если бы с космического аппарата серии "Венера" сняли все "лишнее" и установили на нем необходимое для сближения с Фобосом оборудование, то он просто-напросто не долетел бы до Марса: его вес превысил бы допустимый более чем на тонну. Нам удалось решить задачу "лишнего веса", и несколько позже мы расскажем, каким образом.

А пока напомним: научная программа экспедиции — комплексная и предусматривает исследование Марса, его спутника Фобоса, Солнца и межпланетного пространства*. Предстоит провести телевизионную съемку, радиопросвечивание Фобоса, лазерное и ионное зондирование поверхности дистанционными методами, изучение ее физико-химических свойств с помощью посадочных аппаратов. Не менее сложны "солнечная" и "марсианская" части программы. Решение научных задач подобного уровня невозможно без новых технических решений, прежде всего в конструкции самого космического аппарата.

*См.: В.М. Балебанов, А.В. Захаров, В.М. Линкин. Загадочные луны Марса. — Наука в СССР, 1986, № 4 (прим. ред.).

Начнем с того, что впервые для станций такого типа был применен принцип многоступенчатости, предложенный еще К.Э. Циолковским. В нашей конструкции роль первой ступени выполняет автономная двигательная установка (АДУ). С ее помощью осуществляются коррекции на трассе Земля—Марс, торможение при выходе на орбиту, маневры по переходу на орбиту наблюдений. Здесь АДУ отделится от "Фобоса". Для всех последующих динамических операций будет использоваться совершенно новая двигательная установка ориентации и стабилизации.

Принцип многоступенчатости потребовал новой компоновки КА. В отличие от "Венер" в конструкции "Фобоса" силовым элементом является приборный отсек, к которому снизу пристыковывается АДУ, а сверху — отсек научной аппаратуры. Такая компоновка узлов выбрана исходя из следующих соображений: после отделения АДУ "обнажается" нижняя часть аппарата, а с ней служебная и научная аппаратура, необходимая для сближения с Фобосом и проведения исследований. В верхней части размещены приборы, предназначенные для изучения Солнца. К приборному отсеку также крепятся двигательная установка ориентации и стабилизации, датчики системы ориентации.

Создавая космическую лабораторию, проектировщики думали не только о решении задач, предусмотренных проектом "Фобос", но и о применении аппарата в будущем для исследования планет, комет и астероидов. Многобаковая конструкция АДУ дает возможность оптимизировать количество топлива (потребность в нем будет различной при полетах к Марсу, Венере, Луне...) за счет изменения числа баков. Новая компоновка аппарата позволяет наращивать в верхней полусфере служебные и научные комплексы или размещать целиком другие космические аппараты. Если придется осуществить посадку на какое-либо небесное тело без атмосферы, КА может быть дооснащен специальным посадочным устройством, а также системой стыковки с другим аппаратом при необходимости доставить какой-либо груз, предположим капсулу с грунтом. Насколько удачны предложенные решения, покажет предстоящая экспедиция.

Общая схема космического аппарата: 1 — остронаправленная антенна 2 — цилиндрический приборный отсек 3 — комплекс научной аппаратуры 4 — торовый приборный отсек 5 — автономная двигательная установка 6 — солнечные панели 7 — привод антенны.

Мы упомянули в начале статьи о проблеме "лишнего веса". Применение принципа многоступенчатости, когда удается освободиться от уже отработавших элементов конструкции, — один из факторов, позволивших нам справиться с решением этой задачи. Другой фактор — использование малогабаритных и менее энергоемких бортовых систем.

Управляющий комплекс, имеющий современную вычислительную машину, возьмет на себя функции трех систем: управления, ориентации и автоматики. Специалисты создали уникальный малогабаритный чувствительный и высокоточный прибор, способный ориентировать КА как по слабосветящейся звезде, так и по ярко освещенному Фобосу. За счет применения бортовых микропроцессоров управление аппаратом во время сеансов связи будет осуществляться не по "жестким", заранее заданным схемам, а по гибким программам с учетом реальной обстановки в полете. Немало еще предстоит сделать по доводке наземного комплекса управления полетом, который включает в себя сеть приемопередающих антенн и крупнейших радиотелескопов, линии связи и центры обработки телеметрической, навигационной и научной информации.

Аккумуляторные батареи и химические источники тока, установленные на борту КА, компактные, с высокими удельными характеристиками, — это завтрашний день энергетики.

Автономная двигательная установка: 1 - многоблочный топливный отсек 2 - жидкостный ракетный двигатель 3 - периферийные баки 4 - центральный блок баков.

На траектории перелета Земля—Марс продолжительностью 200 суток предусмотрены две коррекции — на 7—10-е сутки после старта и за 7—15 суток до подлета к Марсу. В результате КА будет выведен на так называемую первую переходную орбиту искусственного спутника Марса (ИСМ) с периодом обращения трое суток и минимальной высотой над поверхностью планеты 500 км. В дальнейшем двукратное включение автономной двигательной установки обеспечит переход аппарата на орбиту наблюдения — круговую экваториальную о биту ИСМ высотой 6330 км, которая на 350 км превышает высоту орбиты Фобоса. Казалось бы, какой смысл в переходе сначала на более низкую, а затем вновь на более высокую орбиту? Однако такие парадоксальные, на первый взгляд, перестроения происходят во время полетов практически ко всем телам Солнечной системы. Здесь вступают в силу особые законы, связанные с воздействием на тела гравитационных полей. По расчетам баллистиков, для данного случая оптимален именно такой путь. Маневр займет около 30 суток. За это время предстоит уточнить положение "Фобоса" в пространстве, а также провести комплексные научные исследования Марса.

После выведения аппарата на орбиту наблюдения начнется этап предварительного сближения с марсианским спутником. Траектория его движения в настоящее время известна недостаточно точно для того, чтобы без дополнительных измерений сблизиться с ним. Поэтому сначала нужно уточнить элементы орбиты Фобоca, которая, как мы уже сказали, окажется ниже орбиты наблюдения. Разность высот обусловливает разность скоростей движения КА и небесного тела, из-за чего каждые шестые сутки происходит их "встреча" — прохождение относительно друг друга на минимальном расстоянии.

Именно в эти периоды предусмотрены автономные навигационные измерения параметров относительного движения. Проведение их — достаточно тонкая операция. Она требует точного наведения оптико-электронных устройств в заданные моменты времени на Фобос, оперативной передачи снимков на Землю, их обработки для определения верного направления на центр масс спутника и параметров движения аппарата относительно него. По этим данным на борт КА посылается программа очередных сеансов съемки или принимается решение о коррекции орбиты для приближения к небесному телу.

Но и после перехода на синхронную с Фобосом орбиту, когда наш посланец окажется в нескольких сотнях километров от марсианского спутника, автономные навигационные измерения не прекратятся. Ведь необходимы еще коррекции, обеспечивающие в конечном счете выведение КА на расстояние 35 км от поверхности Фобоса. (Суммарное время пребывания на орбите наблюдения и на синхронной орбите может достичь 90 суток.) С момента выхода аппарата на эту высоту начнется заключительный этап снижения.

Давайте проследим, как это произойдет. Определив с достаточной точностью положение относительно Фобоса, аппарат развернется так, чтобы небесное тело попало в узконаправленную область, контролируемую антенной радиовысотомера. В результате можно получить сведения о том, на каком расстоянии КА находится от Фобоса и насколько точно его продольная ось направлена по вертикали к поверхности спутника Марса. Эти данные помогут произвести сближение, периодически корректируя движение станции. На высоте 2 км включится измеритель вектора скорости КА. Информация с него понадобится на последующих участках сближения, зависания и дрейфа, чтобы придать аппарату нужную скорость как по величине, так и по направлению. Между тем он продолжит снижение, пока не зависнет над поверхностью Фобоса на высоте 50 м. Постоянную высоту КА и его ориентацию по вертикали обеспечит бортовой управляющий комплекс по сигналам специального высотомера малых высот.

Переход на синхронную орбиту: 1 — синхронная орбита 2 — орбита Фобоса.

Схема сближения КА с Фобосом и наведения на него: 1—2 — участок, где будут проводиться программные развороты с ориентацией 2 — поиск объекта, захват и сопровождение 3 — изменение скорости аппарата для отхода с орбиты 4 — снижение и наведение в заданный район посадки.

С этого момента программа исследования Фобоса наиболее насыщена. В течение 15 мин аппарат совершит ряд маневров, перемещений в заданном направлении, поскольку необходимо создать наиболее благоприятные условия для функционирования научной аппаратуры. Во время спуска и работы у поверхности бортовая остронаправленная антенна будет наведена на Землю для непосредственной передачи телеметрической информации о работе систем. Когда программа исследований на высоте 50 м завершится, специальный манипулятор выведет за борт КА долгоживущую автоматическую станцию. Она отделится от аппарата и совершит мягкую посадку на Фобос. Раскроются 20-метровые "усы" антенн радиолокационного комплекса, предназначенного для исследования подповерхностных слоев грунта. Космический же аппарат "отъедет" от поверхности на высоту 2 км, а затем перейдет на заданную орбиту искусственного спутника Марса, где изучение Фобоса, Марса и Солнца продолжится.

Схема сближения и зависания космического аппарата над поверхностью Фобоса: 1—2 — участок прецизионного торможения 2—3 — участок зависания 3—4 — участок дрейфа 5 — отделение посадочного аппарата и панорамная съемка поверхности Фобоса 6—7 — участок увода аппарата от поверхности.

Таковы основные этапы предстоящей экспедиции. А пока идут работы на Земле. Проводятся электрические испытания систем КА, проверяется их стыкуемость и совместимость с другими системами. Специалисты по баллистике и динамике уточняют расчеты, исходя из реальных характеристик аппарата, "весовщики" центруют его, "тепловики", "прочнисты", "антенщики", "двигателисты" еще и еще раз анализируют результаты уже проведенных испытаний. Ведь каждый из них должен со 100-процентной гарантией подготовить приборы, системы, агрегаты. Такие гарантии позволят успешно провести экспедицию, подобной которой еще не знала история изучения межпланетного пространства.

Р. С. КРЕМНЕВ,
директор НИЦ им. Г. Н. Бабакина,
лауреат Ленинской
и Государственной премий СССР


Г.Н. РОГОВСКИЙ,
первый заместитель директора
НИЦ, ответственный за
проектирование космического
аппарата, лауреат Ленинской
премии


К.Г. СУХАНОВ,
заместитель директора НИЦ,
ответственный за баллистико-
навигационное обеспечение,
лауреат Государственной премии
СССР и премии Ленинского
комсомола


Художник А. Коломацкий