«Наука и жизнь» 1986 г. №6, с.28-32

В календарь важнейших дат космической эры, бесспорно, войдет и шестое марта нынешнего года. В этот день, после почти пятнадцатимесячного плавания в межпланетном океане, встретилась с кометой Галлея и таким образом выполнила главную задачу своего космического полета первая из посланных к комете автоматических лабораторий — советская станция «Вега-1». Через три дня, 9 марта, к комете Галлея прибыла еще одна такая же наша машина, станция «Вега-2», а в конце кометной недели, 14 марта, достиг цели и аппарат европейского космического агентства «Джотто».

За привычным и даже, честно говоря, уже рядовым, будничным словосочетанием «космический полет» всегда стоит грандиозное предприятие. Это, конечно, не только то, что предстает нам в лаконичных тассовских сообщениях. Это еще и гигантская невидимая миру часть айсберга подготовки — сложные взаимодействия больших коллективов и занимающая несколько лет реализация плановых мероприятий самого разного масштаба, от согласования технического задания на какой-нибудь научный прибор до вывоза на старт ракеты-носителя, от бессчетных наземных испытаний бортовой аппаратуры до тонких расчетов будущей траектории аппарата и возможностей ее корректировки в полете.

При подготовке перелета станций «Вега» к комете Галлея эта последняя, как ее называют, баллистическая, часть программы была связана с рядом особых сложностей.

Начнем с того, что речь шла о, так сказать, быстролетящей мишени, об объекте, который быстро перемещается в пространстве: в запланированном районе встречи комета Галлея двигалась со скоростью около 45 км/с. Более того, в выбранной по необходимости стратегии полета («Наука и жизнь» № 6, 1985) аппараты двигались навстречу комете со скоростью более 30 км/с и таким образом сближались с ней со скоростью почти 80 км/с. Нетрудно подсчитать, что если за четырнадцать месяцев полета аппарат набрал бы какой-нибудь час опоздания, то в расчетный момент он не дошел бы до запланированного места встречи 100 тыс. км.

В этом не было бы ничего трагичного, если бы комета и аппарат двигались навстречу друг другу по параллельным линиям — раньше или позже встретится аппарат с кометой на параллельном курсе, он пройдет на одном и том же расстоянии от нее. Но выйти на параллельный курс с кометой практически невозможно, и, в частности, потому, что плоскость ее орбиты примерно на 18 градусов наклонена относительно плоскости эклиптики (плоскость вращения Земли вокруг Солнца), в которой движется межпланетный аппарат. Для того, чтобы ввести аппарат в плоскость движения кометы, чтобы наклонить его орбиту относительно эклиптики, нужны были бы очень большие энергетические затраты, они значительно больше того, что расходуется для самого выхода на межпланетную трассу. Так что, как говорится, место встречи изменить нельзя — космический аппарат может встретиться с кометой только в районе линии узлов (рис. 1 на 1-й стр. цветной вкладки), там, где пересекаются плоскости их орбит. И, следовательно, опаздывать на свидание с кометой недопустимо.

Другая сложность — малые размеры объекта, в который нужно попасть, малые размеры кометного ядра. Здесь, правда, нужно сделать важное примечание — ни один из проектов не ставил своей задачей прямое попадание в ядро: было запланировано провести «Веги» на расстоянии 10 тыс. км от него, «Джотто» — на расстоянии 1000 км. Нам вскоре пояснят, откуда взялись эти цифры и почему они более чем устраивали исследователей кометы. И все же чрезвычайно малые размеры ядра (всего несколько километров!), относительно которого нужно было пройти с заданной точностью, вошли в комплект сложностей баллистической части проекта «Вега».

Чтобы почувствовать соотношение размеров и расстояний в операции «Вега», попробуем всю арену, на которой разворачивалась охота за кометой, уменьшить в 10 миллионов раз, изобразим ее в масштабе М 1:10 000 000 (рис. 4; на этом рисунке красными цифрами отмечены истинные размеры и расстояния, синими — в принятом масштабе). При этом Солнце будет представлять собой огненный шар диаметром 140 м, то есть будет иметь размеры большого дома в 50 этажей, а Земля и Венера будут представлены шарами диаметром чуть больше метра. Если поместить наше уменьшенное Солнце в центре Москвы, то границы Солнечной системы пройдут в районе Минска, Ленинграда, Сыктывкара, Казани, Киева, а орбита Земли окажется на расстоянии 15 км от Центра, где-то в районе кольцевой автодороги. Кометное ядро в этом масштабе будет иметь размеры порядка 0,5 мм, и именно в эту пылинку, пролетающую где-то на окраинах Москвы, нужно попасть аппаратом (в принятом масштабе-0,001 мм), запущенным так, чтобы он до встречи с пылинкой совершил чуть ли не полтора оборота вокруг города.

И все же главные проблемы баллистической части программы «Вега» были связаны не с малыми размерами кометы и не с высокой скоростью ее движения. Самое неприятное то, что невозможно с необходимой точностью предсказать орбиту кометы, а значит, время и место ее появления на линии узлов, там, где должна произойти встреча со станциями «Вега». Известно, что сам Галлей за много лет до прихода кометы вычислил время ее прохождения через перигелий (кратчайшее расстояние до Солнца) в 1759 году с разбросом всего лишь в несколько месяцев. В то время это было гигантским достижением, но, конечно, подобная точность неприемлема даже для прикидки такого проекта, как «Вега». Орбита кометы Галлея, как и любой другой, несколько отличается при каждом ее приходе к Солнцу, уточнить орбиту можно лишь после того, как астрономы увидят комету, зафиксируют ее перемещение по звездному небу.

Обычно в сильные телескопы комету Галлея в прежние времена начинали наблюдать как чрезвычайно слабую звездочку за несколько месяцев, в лучшем случае за год до ее появления в окрестностях Солнца. В этот раз благодаря высокому уровню астрономии ее увидели более чем за три года до перигелия — в 1982 году. В это время разработка проекта «Вега» уже шла полным ходом и слово «прогноз» было, видимо, самым популярным в общении астрономов, баллистиков, конструкторов станции и разработчиков научной программы. Нужно было как можно раньше дать предварительный прогноз орбиты, по которой в этот раз движется комета, так как он должен был определить общую стратегию полета. Нужно было дать прогноз на прогноз — сказать, насколько последующие астрономические наблюдения позволят уточнить кометную орбиту к моменту запуска станций и коррекции их траекторий. Нужно было, наконец, оценить возможную погрешность такого прогноза и на основе этого задаться расстоянием пролета мимо ядра кометы, а значит, выбрать план научных исследований и необходимые параметры приборов.

Уточнение кометной орбиты продолжалось вплоть до пролета аппаратов вблизи ядра и даже после этого — наши «Веги» вошли в сложный международный измерительный комплекс, который по программе «Лоцман» позволил более точно подвести к ядру кометы европейскую машину «Джотто». И, естественно, что после старта станций «Вега-1» и «Вега-2» в декабре 1984 года к эфемеридному обеспечению программы (эфемериды — таблицы, отражающие изменение во времени координат небесного тела, в данном случае кометы Галлея) добавилось управление полетом — траекторные измерения, корректировка траектории и плановые маневры аппаратов.

Вот несколько коротких интервью, иллюстрирующих многообразие баллистических задач, которые решались при реализации проекта «Вега».

Роальд Саввович КРЕМНЕВ — заместитель технического руководителя проекта. К моменту, когда началась разработка проекта «Вега», советская космонавтика уже имела большой опыт межпланетных перелетов — только на Венеру было направлено 16 экспедиций с самыми разными научными целями. Но проект «Вега» занял в нашей космической программе особое место в силу ряда важных обстоятельств, как облегчающих, так и сильно осложняющих решение задачи. Начнем с того, что полет к комете Галлея решено было совместить с новым шагом в нашем плановом исследовании Венеры (отсюда и название «Вега» — «Венера-Галлей»), и сама природа благоприятствовала такому совмещению. Известно, что для запуска аппарата с Земли па Венеру существуют очень небольшие благоприятные периоды, эти «окна» появляются в среднем раз в несколько лет. Так вот, оказалось, что если использовать «окно», которое приходится на декабрь 1984 года, то межпланетная станция, обогнув Венеру, пересечет линию узлов кометы Галлея практически одновременно с самой кометой — «окно» для старта к Венере совпало с «окном» для старта к комете. Более того, необходимое изменение траектории аппарата после Венеры можно было осуществить, так сказать, почти бесплатно, почти без расхода горючего — все было рассчитано так, чтобы Венера, изогнув своим гравитационным полем траекторию аппарата, направила его на кометную тропу. Аппарат при этом, как принято говорить, выполняет пассивный гравитационный маневр в поле тяготения Венеры.

Выбранная схема полета позволила взять за основу для создания автоматической кометной лаборатории пролетный аппарат базовой станции «Венера». В предыдущих экспедициях он использовался как своего рода транспортное средство, доставляющее спускаемый аппарат в район Венеры, и как ретранслятор, который, получая информацию с поверхности планеты по радиоканалу, пересылает ее на Землю. Раньше пролетный аппарат, выполнив свою задачу в районе Венеры, по сути дела, оказывался ненужным, теперь же он становился чуть ли не главным действующим лицом всей экспедиции. Но это, конечно, должна была быть уже совсем другая машина, с большим комплексом совершенно новых научных приборов, принципиально новыми системами управления, связи, микрометеорной защиты, термостабилизации, энергетики.

По сути, в полете аппаратов «Вега» решались не две, а три разноплановые задачи — исследование кометы, спуск и работа на поверхности Венеры (в том числе забор и исследование грунта) и, наконец, исследование венерианской атмосферы с помощью аэростатного зонда. — Все эти задачи предъявляли свои непростые и часто противоречивые требования к баллистической части проекта. Ко всему этому незадолго до старта добавилась еще одна сверхплановая задача — разработка и реализация программы «Лоцман». Суть ее состояла в следующем: используя информацию, полученную при полете мимо ядра кометы наших станций «Вега», нужно было скорректировать траекторию аппарата «Джотто» так, чтобы он прошел на расстоянии от ядра порядка 500 км.

Сейчас, подводя итоги, можно сказать, что практически все в программе «Вега» сработало отлично. В частности, точные баллистические прогнозы и четкие операции управления полетом позволили в полном объеме исследовать Венеру, попасть в расчетную область встречи с кометой Галлея и выполнить свои обязательства по участию в других международных программах.

Кандидат технических наук Юрий Федорович КОЛЮКА. Для тех, кто занимался баллистическими аспектами программы, особенно ответственный период наступил после того, как астрономы начали наблюдать комету Галлея. С одной стороны, нужно было, образно говоря, держать ответ за прогнозы, которые были сделаны касательно возможной точности определения кометной орбиты. Ну и, конечно, нужно было реально обеспечить эту точность, на основе наблюдений нынешнего прилета вычислить эфемериды кометы.

На первый взгляд может показаться, что достаточно в самом начале появления кометы трижды пронаблюдать ее с некоторым интервалом, и полученные три точки орбиты позволят вычислить всю ее целиком по классическим уравнениям небесной механики. В действительности это не так и даже совсем не так. Во-первых, начальный период наблюдений мало что дает: комета находится далеко, она в основном движется на нас, изменение ее звездных координат очень незначительно. Во-вторых, движение кометы вообще не согласуется с классическими уравнениями из-за так называемых негравитационных эффектов. Из ядра все время испускается вещество, причем это не только равномерное испарение, но и резкие выбросы, как их называют, джеты (от английского «jet» — «струя» или в другом значении — «реактивный»; такие струи, выбрасываемые из ядра, хорошо видны на снимках, переданных со станций «Вега»), из-за которых ядро уподобляется аппарату с реактивными двигателями. Причем ядро вращается, выбросы из ядра направлены в разные стороны, они нерегулярны, их трудно учесть, а тем более точно предсказать влияние негравитационного фактора на орбиту.

Вот некоторые слагаемые большой работы, которая была проведена для того, чтобы повысить точность определения орбиты кометы Галлея в нынешнем ее появлении: был создан банк данных о наблюдениях кометы во время ее появления в 1759, 1835 и 1910 годах; из старых публикаций и архивных записей извлекли и изучили результаты более 6000 наблюдений; к ним прибавилось 8000 текущих наблюдений;

скрупулезно учли влияние планет на кометную орбиту, это делалось и раньше, но менее тщательно;

впервые при расчете кометной орбиты принимались во внимание релятивистские эффекты, поправки, которые вносит в небесную механику общая теория относительности, учитывая, в частности, что взаимодействие между двумя массами происходит не мгновенно, а с конечной скоростью; кстати, релятивистские поправки в свое время позволили советским специалистам повысить точность определения планетных координат (см. статью «Как нашли точное место планетам», «Наука и жизнь» № 10, 1982), в том числе для Венеры до 1-2 км;

была построена математическая модель предстоящих астрономических наблюдений и выяснено, какие из них дадут наиболее важные данные для уточнения орбиты; сами наблюдения были тщательно скоординированы в международном масштабе;

сопоставляя особенности орбит для нескольких последних приходов кометы, удалось вести в расчет нынешней орбиты поправки, учитывающие негравитационные эффекты — выбросы реактивных струй из ядра.

И вот итог — более чем за месяц до того, как аппараты «Вега» встретились с кометой, ее координаты в месте встречи были известны с точностью 1,5 тыс. км, то есть в два раза точнее, чем предсказывали прогнозы, принятые при разработке проекта.

Кандидат физико-математических наук Александр Александрович СУХАНОВ. Прогнозы возможной точности определения кометной орбиты строились с использованием математических моделей полета кометы, у разных групп баллистиков были разные модели и прогнозы тоже самые разные — кто-то предполагал, что возможна ошибка порядка миллиона километров, а кто-то считал, что положение кометы мы будем знать с точностью до 100-200 км. Советские баллистики посчитали, что ошибка не превысит 3 тыс. км, и этот прогноз (он, как потом выяснилось, оказался вполне реалистичным) учитывался, когда в проекте «Вега» было намечено пролететь на расстоянии 10 тыс. км от ядра. Пролет на таком расстоянии, кстати, давал возможность непосредственно изучить важную область окрестностей ядра.

У японских баллистиков не было, видимо, особых проблем с точностью определения кометной орбиты — их сравнительно скромные исследовательские аппараты с самого начала были рассчитаны на изучение далеких кометных окрестностей. Как и планировалось, аппарат «Суисей» («Комета»; первоначальное название «Планета-А») прошел на расстоянии 150 тыс. км и «Сакигаке» («Пионер») 7 млн. км от ядра. А вот европейские специалисты, проектировавшие аппарат «Джотто», столкнулись с серьезными трудностями, так как взяли за основу самый оптимистичный прогноз и запланировали пролет на расстоянии 500 км от ядра. Когда разработка их программы и самого аппарата уже заметно продвинулись вперед, стало ясно, что из астрономических наблюдений кометы нельзя будет узнать ее орбиту с необходимой для такого пролета точностью — эти наблюдения в итоге дали точность до 1,5 тыс. км. И тогда, чтобы спасти положение, была предложена программа «Лоцман» — она намечала с помощью наших аппаратов «Вега-1» и «Вега-2» определить орбиту кометы с точностью, необходимой для летящего следом «Джотто».

В принципе уточнение орбиты должно было происходить так. Телевизионные камеры на аппаратах «Вега» при пролете мимо кометы автоматически держат ее в поле зрения, поворачиваясь на определенный угол. Об изменении этого угла по каналам телеметрии сообщается на Землю, что позволяет точно вычислить положение аппарата относительно кометы. Местонахождение самого аппарата определяется обычными методами траекторных измерений совместно с радиоинтерферометрическими наблюдениями на большой базе (использовались радиотелескопы в США, Испании и Австралии) с привязкой к заранее выбранному квазару: на борту станций «Вега» имеется передатчик, работающий на волне 18 см, такое же излучение есть в спектре квазаров; сопоставляя излучение квазара и бортового передатчика, можно с высокой точностью определить координаты станции.

Благодаря активному сотрудничеству и взаимопомощи советских, американских и европейских специалистов программа «Лоцман» была успешно выполнена, и кометную орбиту удалось в итоге определить с поразительной точностью — до 50 км. С учетом этого на «Джотто» перед самой кометой была проведена последняя коррекция орбиты, и аппарат прошел на расстоянии 600 км от ядра, собрав информацию о еще одной области его окрестностей.

Кандидат физико-математических наук Виктор Аркадьевич СТЕПАНЬЯНЦ. Любая задача космической баллистики требует самого активного участия математиков, в частности создания совершенных математических моделей, постановки численных экспериментов, нестандартного программного обеспечения и, наконец, просто большого объема вычислительных работ. Хорошей иллюстрацией здесь может служить программа «Лоцман», которая разрабатывалась несколько лет и должна была быть реализована за несколько дней, разделявших пролет аппаратов «Вега-1, -2» и «Джотто». Достаточно сказать, что для того, чтобы с необходимой точностью определить кометную орбиту, приходилось в реальном масштабе времени, то есть одновременно с пролетом мимо ядра, на мощных вычислительных машинах решать сложную и тщательно отработанную систему из нескольких десятков дифференциальных уравнений. В них входило 38 параметров, уточняемых в результате текущих измерений: 3 координаты кометы, 3 составляющих ее скорости, 12 аналогичных параметров для аппаратов «Вега-1, -2» (по 6 параметров для каждого), 2 эмпирических параметра, отражающих ускорение ядра за счет выброса реактивных струй, и, наконец, 18 параметров положения платформы с телевизионными камерами — для каждого из двух аппаратов 3 начальных угла положения платформы, 3 составляющих скорости ее перемещения, 3 поправки на переход к стабилизации аппаратов от гироскопов. Благодаря тщательной математической подготовке и согласованным действиям большого международного коллектива удалось немногим более чем за сутки выдать все данные для последней коррекции аппарата «Джотто» и помочь ему в выполнении научной программы.

Но не только в этой уникальной операции на математику возлагалась большая ответственность, ей традиционно отводилась важнейшая роль в решении многочисленных рядовых задач, из которых складывается успех любого космического проекта. Сюда прежде всего относится обработка результатов траекторных измерений и определение параметров каждого маневра аппаратов на орбите.

Константин Георгиевич СУХАНОВ, заместитель технического руководителя полета. Из всего комплекса задач, которые решались при управлении полетом аппаратов «Вега», в печати чаще всего упоминались траекторные измерения и коррекция траектории. Полезно, видимо, хотя бы в самом упрощенном виде пояснить, что представляют собой эти важнейшие слагаемые баллистической программы.

Траекторные измерения — регулярно проводимая операция. В основном измеряются два параметра орбиты станции — расстояние до нее и составляющая скорости, которая совпадает с направлением «станция — Земля». Расстояние определяют с помощью активной радиолокации: с Земли на космический аппарат посылают радиоимпульс — он включает бортовой радиоответчик, сигнал которого принимает наземная станция; по времени путешествия сигналов «туда — обратно» определяется расстояние до аппарата. Скорость измеряют обычными допплеровскими методами — частота бортового радиопередатчика известна, и если на Земле принимается сигнал с более низкой частотой, то, значит, аппарат удаляется от нас, если с более высокой — приближается. Выполняя такие измерения регулярно и достаточно долго, скажем, несколько недель, получают параметры движения аппарата на большом участке пути, по ним вычисляют всю орбиту и, сопоставив ее с расчетной, находят параметры необходимых коррекций.

Коррекцию орбиты производят с помощью достаточно мощного бортового реактивного двигателя, работающего на жидком топливе. Перед коррекцией, в соответствии с предварительным расчетом, двигатель ориентируют в пространстве, разворачивая для этого саму станцию с помощью реактивных микродвигателей, питаемых сжатым газом. Затем включают двигатель коррекции и получают необходимое приращение вектора скорости аппарата. Сама технология коррекции достаточно сложна, но проводит ее в основном бортовая автоматика, которой управляет собственный компьютер. Вот некоторые из огромной последовательности операций, выполняемых при коррекции, Один из оптических датчиков аппарата «держит» Солнце, второй — яркую звезду южного неба Конопус; привязанная к этим двум светилам, станция строго сориентирована в пространстве; перед началом коррекции хранителями пространственной ориентации становятся гироскопы, так как автоматы надевают крышки на оптические датчики, чтобы они не закоптились при работе двигателя коррекции (датчики будут вновь открыты через сутки после его выключения); станция разворачивается в заданное положение; двигатель включается, бортовые акселерометры определяют приращение скорости; когда оно достигнет расчетной величины, двигатель выключается.

Не стоит переоценивать возможности коррекции орбиты в такой программе, как «Вега». Во всяком случае, коррекциями нельзя было бы по ходу дела подправить существенные неопределенности или серьезные просчеты в реализации программы — количество топлива на борту ограничено, а станциям, кроме возможных коррекций, нужно выполнить непростые плановые маневры. Нужно, в частности, осуществить увод пролетного аппарата, отклонить его от траектории попадания в Венеру, на которую оба аппарата — пролетный и спускаемый — были нацелены до момента их разделения. Нужно также заметно скорректировать влияние гравитационного поля Венеры в момент ухода от нее. Все это предъявляло особо жесткие требования к точности всех операций по управлению полетом и к прогнозам движения кометы. В частности, если бы в дальнейшем не были уточнены первоначальные довольно расплывчатые кометные прогнозы, то для гарантированного попадания в комету двигателям коррекции могло понадобиться так много топлива, что научную аппаратуру взять на борт уже было бы невозможно.

Если не бояться шуток, то можно сказать, что полет аппаратов «Вега-1» и «Вега-2» прошел с большой экономией топлива — последняя из двух запланированных после Венеры коррекций для «Веги-1» была очень небольшой, а для «Веги-2» не нужна была совсем. По сути, сразу же после Венеры аппараты были точно нацелены на комету.

Уже один этот факт подтверждает: баллистическая подготовка программы «Вега» строилась на хорошем научном фундаменте, и реализация программы — запуск аппаратов, их выведение па межпланетную трассу, ориентация аппаратов во время коррекции, траекторные и иные измерения, обработка баллистической информации — проводилась с высокой точностью.