«Техника-молодежи» 1985 №4, с.30-35

НА РАБОТУ, К ЗВЕЗДАМ!

АЛЕКСАНДР ПЕРЕВОЗЧИКОВ

Продолжается полет автоматических межпланетных станций (АМС) «Вега-1» и «Вега-2», запущенных в декабре прошлого года по маршруту Земля — Венера — комета Галлея. В предыдущем номере журнала мы рассказали об экспериментах, которые земные посланцы выполнят в атмосфере и на поверхности Венеры. Сейчас же речь пойдет об уникальной приборной «начинке» межпланетных роботов, которые впервые в истории человечества сфотографируют кометное ядро, оценят его размеры, форму, свойства поверхности, определят состав пылевой атмосферы и газа вблизи ядра, изучат взаимодействие атмосферы и ионосферы кометы Галлея с солнечным ветром.

Конструктивной основой АМС служат баки двигательной установки. К ним примыкает приборный отсек, выполненный в виде тора. К верхнему и нижнему шпангоутам баков прикреплены ферменные конструкции солнечных батарей. Поверх баков смонтирована коническая подставка — сверху в ее расширяющуюся конусную часть укладывается спускаемый аппарат.

В центре АМС располагается остронаправленная параболическая антенна; она строго ориентируется в сторону Земли при пролете Венеры и кометы Галлея. На солнечной стороне приборного отсека смонтирован блок астронавигационных приборов с датчиками ориентации: на Солнце, звезду Канопус и Землю.

Характерная для АМС деталь: уже по одному тому, как расположены на борту АМС датчики и научные приборы, можно судить об их назначении, о характере экспериментов, которые им предстоит провести.

Вот магнитометр и анализаторы плазменных волн. Чтобы измерить невозмущенные магнитные и электрические поля, их датчики вынесены на специальных штангах на максимально возможное для такого аппарата расстояние от корпуса АМС. В то же время датчики у тех приборов, что предназначены для контактных измерений частиц и плазмы кометы, смонтированы с той стороны корпуса АМС, что будет обращена к набегающему потоку кометной пыли.

Как бы особняком расположены оптические средства наблюдения за ядром кометы — трехканальный и инфракрасный спектрометры, телевизионные камеры и аналоговый датчик наведения. Они установлены на автоматической стабилизированной платформе.

БРОНЯ ПРОТИВ... ПЫЛИ

Полет межпланетных роботов к комете Галлея — они будут нестись навстречу «косматой звезде» с суммарной скоростью 78 км/с и разминутся на расстоянии «всего» 10 тыс. км — относится к категории «особо опасных». По сравнению с ним обычный полет к Венере, как образно заметил один из конструкторов станции, выглядит заурядной загородной поездкой на автомобиле.

Источником повышенной опасности являются пылевые частицы кометной атмосферы массой в сотые и даже тысячные доли грамма. Без специальной защиты серийная «Венера» — используется именно эта, многократно испытанная, с отработанными системами АМС — при встрече с кометой Галлея превратилась бы в решето. Расчеты, выполненные на ЭВМ, предсказывают, что давление в зоне удара пылинки об обшивку аппарата может достигнуть немыслимых значений — до 50 млн. атм.

Чтобы обезопасить приборы от разрушения, оградить жизненно важные узлы станции, кабельные сети и прочее, АМС оборудована двух-, а местами даже трехслойными экранами.

Их рифленые слои из сверхпрочной металлической фольги будут гасить энергию микрочастиц следующим образом. При ударе наружный слой сыграет роль испарителя пылевой частицы. В результате микровзрыва образуется микрократер и осколки под большими углами к направлению первоначального ее движения разлетятся в стороны. Второй слой еще больше погасит энергию проникших к нему осколков, затем третий... Последней же, четвертой преградой на пути наиболее энергичных прорвавшихся частиц станет сама стенка прибора.

Как известно, любой отправляемый в космос агрегат или прибор проходит всесторонние наземные испытания — на термовыносливость, вакуумную прочность, радиационную устойчивость, причем так, что все особенности реальных космических условий удается, как правило, воспроизвести с достаточной полнотой в земных условиях.

А вот как промоделировать бомбардировку микрочастицами комы пылезащитных экранов АМС? Ведь разогнать кремниевую или, скажем, железную пылинку до скорости 80 км/с невозможно ни в одном из существующих ускорителей (вещественных) частиц.

Ученым пришлось обратиться к теории, численному эксперименту. Была построена инженерная модель столкновения.

И что же? — подробнейшее ее рассмотрение дало неутешительный ответ: необходимой гарантии быть не может. В принципе.

Это обстоятельство заставило ученых отказаться от промежуточной записи поступающей на борт «Веги» научной информации на запоминающее устройство. Все сведения будут сразу же передаваться на Землю.

Что и говорить, это условие усложнило задачи, стоящие перед конструкторами. Ведь оно означает, что в течение всего пролета станции сквозь кому остронаправленную антенну АМС нужно постоянно ориентировать на Землю. Но как при этом быть с той частью научной аппаратуры, которая, изучая кометное ядро оптическими средствами, должна тоже постоянно нацеливаться на зону наибольшей яркости «косматой звезды»? Как «развязать» этот непростой узел проблем, осложняющийся еще и тем, что полет АМС в коме будет, по всей вероятности, «слепым»? Следовательно, ориентировать станцию с помощью оптических датчиков скорее всего не удастся и стабилизировать аппарат придется при помощи гироскопов.

ПЛАТФОРМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Вдумайтесь в эти взаимоисключающие условия задачи. С одной стороны, требуется точно держать пролетный аппарат на траектории, с другой — приборам и датчикам, находящимся на его борту, нужно прицельно, с точностью до угловой секунды, взять «на мушку» небесное тело, угловые размеры которого непрестанно меняются!

Задача подобного класса сложности никогда не решалась мировой наукой. Нужна была разработка принципиально новой исследовательской платформы.

— И такая в прямом и переносном смысле платформа, — говорит один из создателей необычной конструкции, Г. Сасин, — была создана в кратчайшие сроки специалистами Института космических исследований совместно с чехословацкими учеными и инженерами. С ее помощью удалось «развязать» приборный комплекс и станцию, сделать его независимым от ориентации АМС.

В свое время простейшие платформы конструировали для вертикальных ракет-зондов, используя их для наведения научных приборов на Солнце. Потом стали оснащать ими спутники связи. С их помощью направленные антенны могли не отрываясь следить за определенным наземным пунктом.

Но все эти элементарные «подставки под оборудование» не могли бы, разумеется, обеспечить высокой точности наведения исследовательских инструментов, эффективность работы которых сильно зависит от положения в пространстве, относительно объекта наблюдения.

Без преувеличения можно сказать, что автоматическая стабилизированная платформа открыла новое направление в развитии космического приборостроения. Она представляет собой сервомеханизм массой около 100 кг с двумя степенями свободы, который с минимальной погрешностью может перемещаться в двух взаимоперпендикулярных направлениях. Научная аппаратура, установленная на ее раме, в течение почти 15-месячного полета к комете Галлея пристегнута специальными креплениями к расширяющейся части пролетного аппарата. И лишь недели за две до встречи с «косматой звездой» три пиропатрона открепят АСП. Распрямляясь, мощные пружины торсионов переведут платформу в рабочее положение. Далее отщелкиваются крышки телевизионных объективов и датчиков наведения. Так платформа обретет «зрение» и, подчиняясь командам бортового микропроцессора, в автоматическом режиме поведет поиск кометы (см. «ТМ» № 3 за этот год).

На центральном развороте изображены основные этапы полета космических аппаратов «Венера — Галлей», направляющихся к комете Галлея (с гравитационным маневром около планеты Венера).

На участке Земля — Венера (I -II) солнечные датчики «Веги» следят за тем, чтобы панели солнечных батарей АМС были ориентированы на Солнце (положение двух других осей не контролируется). Дважды, в начале и в конце межпланетного маршрута, проводятся коррекции орбиты: включается звездный датчик, и аппараты на некоторое время переходят в режим трехосной ориентации.

Примерно за неделю до подлета к Утренней звезде «Веги» переходят в режим постоянной трехосной ориентации: их остронаправленные антенны наводятся на Землю, продольные оси аппаратов перпендикулярны плоскости Солнце — АМС — Земля. Это позволяет вывести АМС в заданную точку входа в венерианскую атмосферу. Аналогичный же режим сохраняется и на участках II — IV — вплоть до подлета к комете.

Вблизи планеты спускаемый аппарат (СА) и пролетный аппарат (ПА) разделяются, причем ПА, совершая маневр, уходит на пролетную траекторию для того, чтобы создать наилучшие условия ретрансляции сигналов, поступающих с борта СА. Одновременно ПА является своего рода точкой отсчета — репером для международной сети наземных радиотелескопов.

Отделившись от СА, A3 развертывает, надувает оболочку и начинает автономный полет в венерианской атмосфере на высоте 53 км. Производя метеорологические измерения, A3 периодически передает полученную информацию на Землю (на волне 18 см). Радиосигналы этого же диапазона используются для проведения интерферометрических измерений с целью определения текущих координат A3.

Через 2—4 недели после пролета Венеры траектория ПА корректируется и начинается полет по орбите, обеспечивающей встречу с кометой Галлея. После заключительной коррекции автоматическая стабилизированная платформа (АСП) разворачивается в рабочее положение, и производится проверка и калибровка телевизионной и других установленных на ней систем.

За двое суток до встречи с кометой (на расстоянии 14 млн. км) проводится трехчасовой сеанс научных измерений. Через сутки, когда расстояние сократится до 7 млн. км, измерения повторятся. Наконец, за два часа до встречи с кометой на расстоянии 550 тыс. км начнется основной сеанс длительностью 4 часа (см. рис. в правом нижнем углу).

В ходе полета около кометы АСП, используя телевизионную камеру и бортовую ЭВМ, осуществляет автоматическое слежение за кометой. Так достигается наведение всех установленных на АСП научных приборов на ядро кометы. Точность измерения с близкого расстояния координат кометы примерно на два порядка выше точности этих же параметров, полученных по результатам наземной обработки.

Выносная консоль АСП сконструирована таким образом, чтобы в поле зрения датчиков и приборов-«телевиков» не попадали панели солнечных батарей, штанги, антенны и другие навесные элементы АМС. Она позволяет платформе в случае необходимости совершить своеобразный нырок под днище пролетного аппарата, например, чтобы произвести телевизионную съемку ядра кометы, когда та будет удаляться от станции.

Для облегчения механизмы платформы выполнены негерметичными. Это кажется невероятным: прецезионные узлы, которым предстоит полтора года находиться в открытом космосе, и вдруг — без дополнительных мер предосторожности?

В условиях космического холода и вакуума редукторные шестерни будут работать без смазки. Обычные масла, как известно, к работе в космосе непригодны. Инженеры пробовали заменить жидкую смазку на графит — а вместо того чтобы уменьшать трение, он, став в условиях космоса хрупким и твердым, действовал на трущиеся части как абразивный порошок. Вышли из положения, напылив на трущиеся поверхности дисульфид молибдена. На Земле у этой смазки репутация была несколько «подмоченной»: порошок очень быстро набирал воду. А вакуум обезвоживает: земной минус смазки превратился в космический плюс. Внедрение такой смазки, с помощью которой удалось разгерметизировать и, следовательно, облегчить механизм, позволило в конечном итоге увеличить массу научной аппаратуры на борту АМС. Электронные блоки надежно работают от +70 до -50° С. Поэтому конструкторы платформы надежно «укутали» приборы экранно-вакуумной изоляцией и даже предусмотрели систему терморегулирования. Чтобы в то время, когда АМС будет удаляться от Земли и Солнца, при сильном понижении температуры не произошло переохлаждение приборов, автоматически включится подогрев, И наоборот, когда «Вега» начнет сближение с кометой и соответственно с нашим светилом, избыток тепла в приборном отсеке будет сбрасываться через радиаторы-охладители, выходящие на теневую сторону пролетного аппарата.

Особенно тщательно охлаждаются телевизионные, так называемые ПЗС-матрицы. Это новые приемники излучения, своего рода твердотельные аналоги передающих телевизионных трубок. Приборы с зарядовой связью представляют собой малых размеров микросхему, на которой методами современной фотолитографии нанесено около четверти миллиона (!) чувствительных элементов. Их положение жестко фиксировано в пространстве, благодаря чему в приборе вообще отсутствуют нелинейные искажения, столь свойственные телевизионным трубкам. Наряду с этим у них высокая надежность, характерная для микроэлектронных схем: 15 тыс. рабочих часов против нескольких тысяч часов у традиционных приборов! В приборах с зарядовой связью не нужны громоздкие отклоняющие системы, поскольку «считывание» информации с чувствительных элементов осуществляется так называемым тактовым импульсом. Правда, одним из немногих недостатков новых твердотельных телевизионных трубок является необходимость их тщательного охлаждения — от этого в значительной степени зависит качество транслируемого на Землю изображения. Поэтому для охлаждения телевизионной системы применяется теплопровод, с помощью которого тепло от ПЗС-матриц отводится к зеркальному экрану, выходящему в темную часть открытого космоса.

Электросвязь приборной платформы «Веги» со станцией осуществляется по ленточному кабелю, форма которого напоминает плетеный кожаный ремень. 4 кг чистого серебра, пошедшие на изготовление 400 его жил, обеспечивают высокие проводящие свойства этой «пуповины», а легкие, из фторопласта, не твердеющие на космическом холоде изоляционные обмотки допускают повороты в любой плоскости и на любой угол.

«БЕЛЫЕ ПЯТНА» КОМЕТЫ

В предыдущем очерке подробно рассказывалось об уникальных телевизионных системах наведения, наделенных элементами искусственного интеллекта, В частности, речь шла о том, каким образом будет осуществляться поиск и наведение АСП на комету Галлея, Рассматривались некоторые экстремальные варианты поведения «косматой звезды» и ответные «поведенческие» реакции АСП, управляемой телевизионной системой.

Теперь остановимся на том, на каких принципах основано действие других научных приборов станции, с помощью которых ученые, находясь на Земле, с расстояния в 170 млн км будут изучать космическую странницу.

Специалисты Института космических исследований, с которыми мне довелось беседовать о проекте «Вега», единодушно отмечали такую его отличительную черту; создана исследовательская аппаратура очень широкого диапазона, позволяющая рассмотреть малоисследованный объект во всех спектрах. Выполненные с ее помощью электрические, магнитные, ионосферные и прочие исследования комы близ ядра кометы при детальном поэлементном и химическом анализах пылевых частиц из кометной атмосферы позволят, несомненно, выяснить глубинные процессы, происходящие в кометах.

Среди приборов особо выделяется группа спектрометров разного назначения. Это прежде всего изготовленный специалистами НРБ, СССР и Франции уникальный трехканаль-ный спектрометр, предназначенный для изучения излучения кометы сразу в трех диапазонах: ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном. Впервые ученые получат информацию о химическом составе различных зон кометной атмосферы и хвоста. Наряду со спектральными и другими исследованиями кометной пыли предпринимается попытка обнаружить первичные — «родительские» — молекулы «косматой звезды»,

Есть немало доводов в пользу того, что в составе кометных ядер водяные, углекислотные, аммиачные и т. п. льды. Однако на спектральных пластинках до сих пор были обнаружены лишь опознавательные знаки окиси углерода. На этот раз местом опознания «родительских» молекул выбран спектр флуоресценции в так называемой ближней инфракрасной области. Здесь удастся, считают специалисты, скорее всего обнаружить колебательное возбуждение первичных молекул, Их «вклад» в излучение столь мал, что почти соответствует порогу чувствительности трехканального спектрометра. А если повторить опыт несколько раз? Не исключено, что удастся перешагнуть этот порог — и тогда в руках ученых окажутся до сих пор тщетно разыскиваемые «автографы».

На борту «Веги» установлен инфракрасный спектрометр французского производства, оборудованный тремя оптическими каналами. Два из них предназначены для работы в спектроскопическом режиме, третий — для съемки «теплового» портрета ядра кометы в инфракрасных лучах. Для изучения взаимодействия солнечного ветра с атмосферой и ионосферой кометы на борту АМС будет работать сконструированный специалистами ВНР, ФРГ и СССР детектор, с помощью которого будут изучаться ионы, ускоренные в районе кометы. Для измерения распространяющихся в коме электромагнитных волн, регистрируемых двумя антеннами, предназначен анализатор плазменных волн, разработанный чехословацкими, польскими, французскими и советскими специалистами.

Что касается магнитного поля, то его до миллионной доли гаусса будут измерять магнитометры, сделанные в Австрии. Основная задача этого эксперимента, проводимого совместно австрийскими и советскими учеными, — определение роли магнитного поля во взаимодействии солнечного ветра с кометой. До сих пор эта проблема исследовалась только на основе теоретических моделей, построенных с использованием данных оптических наблюдений.

Анализом элементного состава пылинок и их распределения по массам на разных расстояниях от ядра занимается разработанный советскими специалистами пылеударный плазменный счетчик. Одновременно подсчет пылинок будет вести и акустический прибор, мишени которого состоят из специальных металлических пластин. Ударяясь, микрочастицы вызовут в них упругие изгибные волны, которые регистрируют детекторы из пьезоэлементов. Зная время запаздывания сигналов от различных детекторов, а также их амплитуды колебаний, можно определить не только точку попадания пылинки, но и импульс, который, как известно, пропорционален ее массе. Поскольку известно, что частицы влетают в прибор со скоростью 78 км/с, по этому импульсу можно без труда вычислить их массу.

На первый взгляд может показаться, что ряд приборов просто-напросто дублируют друг друга; больше того, некоторые данные — о скорости образования кометных частиц, об их размерах и параметрах их движения — уже известны специалистам благодаря косвенным измерениям. На самом деле это не так. До сих пор большинство фактов получено в результате спектрометрических измерений, причем только в видимом и ИК-диапазоне. Задача нынешнего эксперимента — охватить всю «радугу» спектра и тем самым закрыть как можно больше «белых пятен». До сих пор не хватало прямых измерений вблизи ядра кометы. Вот когда удастся «разложить по полочкам», то есть по массам, размерам и концентрациям, пылинки из кометной атмосферы, тогда эта ключевая информация подробнее и с большей точностью объяснит важнейшие явления, происходящие в ядре, голове и хвосте «летающего айсберга».

Именно на получение данных подобного рода и нацелен находящийся на борту «Веги» пылеударный масс-анализатор ПУМА, разработанный специалистами ФРГ и СССР. Проносясь через кометное облако, уникальный прибор буквально на лету произведет химический анализ состава пылинок, вычислит их массу, количество в единице объема и даже укажет их расстояние от ядра кометы.

Чтобы получить такую исчерпывающую информацию о простой кометной пылинке, нужно суметь зарегистрировать удар по мишени каждой отдельной частицы. Причем исследователям не приходится ломать голову над тем, как перевести вещество пылинки в плазменное состояние (непременное условие всех спектроскопических методов исследования вещества) — столкновение на скорости 78 км/с приводит к мгновенному испарению объекта исследования. Разумеется, при столкновении испаряется не только частица пыли. Какая-то доля материала мишени тоже становится плазмой. Но поскольку известно, что мишень сделана из чистого серебра, то не представляет большого труда отделить, как говорится, «зерна от плевел».

Поскольку объем получаемых прибором сведений исключительно велик — вблизи кометы будет регистрироваться до 12 ударов в секунду, всего же намечено собрать информацию о 10 тысячах частиц, а передача этих сведений на Землю ограничена пропускной способностью телеметрических каналов связи, — то в составе прибора предусмотрен специализированный микропроцессор, который по нескольким программам произведет предварительную обработку информации и отбор наиболее «информативных» ударов.

Но ведь пыль пыли рознь: в космическом пространстве есть и частицы, не имеющие никакого отношения к комете. Как в течение долгого пути уберечь чувствительные элементы прибора от их воздействия?

— Мы поступили так же, как автомобилист на пыльном проселке, — рассказывает один из разработчиков прибора, В. Хромов, — когда, открыв жалюзи, он создает в салоне давление выше атмосферного. Так и мы, закрыли входной патрубок корпуса прибора специальной крышкой и подали внутрь газ. Снаружи космический вакуум, внутри почти атмосферные условия. Ни одна посторонняя частица в прибор не попадет: сгорит. А за 10 дней до сближения с кометным ядром по команде с Земли крышка откроется — и прибор приступит к работе.

Но вот на мишени «взорвался» мельчайший кусочек кометы — и в миллиардную долю секунды образовался плазменный сгусток. Что дальше? Возникает яркая вспышка. Она регистрируется фотоумножителем, «запускающим» отсчет времени.

Основной рабочий инструмент ПУМА — ускоряющее электромагнитное поле. Ионы разных элементов обладают разной массой. Одно и то же напряжение разгонит легкие ионы до значительно больших скоростей, чем тяжелые. А значит, на регистрирующий элемент прибора — коллектор — они придут в разное время. Зная их время в пути, можно сказать, о каком элементе идет речь.

Правда, тут есть одна тонкость. Ускоряющее поле сообщает всем ионам с одинаковой массой одинаковую энергию — это так. Но в начальный момент времени при ударе разных тяжелых и легких пылинок о мишень ионы с одинаковой массой приобретают все-таки чуть разную энергию. А это ведет к неодновременности их попадания на коллектор, чего быть не должно. Выравнивание скоростей ионов происходит в рефлекторе. Это своего рода электростатическое зеркало обладает свойством притормаживать слишком быстрые ионы.

Представьте себе шарик на резинке. Бросаете его в сторону — резинка шарик возвращает. Чем сильнее бросок, тем больше возвращающая сила. Замените шарик ионом, возвращающую силу резинки — напряженностью поля, и вы получите представление о том, как работает электростатическое зеркало. Далее, зная химический состав пылинок, их спектр, массу, частоту соударений, можно воссоздать картину их распределения в кометной атмосфере в зависимости от размеров, вычислить, на каком расстоянии от ядра находится частица той или иной массы.

Дублеры, как известно, остаются на Земле... Случилось так, что именно это бытующее с начала освоения космоса правило предоставило мне редкую возможность рассмотреть межпланетных роботов, в то время как станции номер 1 и 2 накрутили на свои космические спидометры десятки миллионов километров.

Я побывал в лабораторно-испытательном корпусе Института космических исследований, когда операторы вновь готовили платформу к работе. Задача, стоящая перед агрегатом-дублером: помочь до мельчайших подробностей воспроизвести все то, что произойдет с АСП там, при подлете к комете Галлея.

...Освобожденная от тепловых и вакуумных экранов, сплошь уставленная приборами платформа являла собой редкое по красоте зрелище. Любой из приборов, удостоившийся чести работать на ней, представлял, вне всякого сомнения, вершинное достижение научной мысли ученых.

— Отбор научной аппаратуры происходил так же строго, как формирование международных космических экипажей, — сказал в заключение заведующий сектором ИКИ Г. Сасин, — причем кандидатов на участие в «проекте века», помимо абсолютно наивысших, достигнутых при нынешнем уровне науки, техники, характеристик, должны отличать минимальный вес, прочность, надежность... Результаты этих уникальных экспериментов, помогут ученым построить совершенную модель кометы, а в конечном итоге — кто знает?.. — по следам расшифрованных звездных «секретов» кометной пылинки проникнуть и в тайны происхождения небесных тел.