«Вестник АН СССР» 1974 №10

Советская практическая космонавтика неоднократно демонстрировала широкий диапазон возможностей автоматических межпланетных станций, непосредственно исследующих Луну, планеты, окололунное, околопланетное и космическое пространства и передающих оттуда достоверную информацию. Большой вклад внесли советские автоматические станции в исследование Венеры, температура атмосферы которой в месте посадки станций составляла 500°С, а давление — около 90 атм. Много месяцев в тяжелых условиях лунного дня и лунной ночи, когда перепад температур поверхности нашего естественного спутника достигал 300°С, работали самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2», показав правильность ориентации на автоматические средства изучения космоса, их высокую эксплуатационную надежность.

Развитие этих средств привело к их «специализации», появлению разных типов станций — пролетных, искусственных спутников, посадочных стационарных, посадочных подвижных, возвращаемых и т. д. В свою очередь это позволило комплексировать станции, или, проще говоря, использовать совместно и одновременно две станции, либо более, как одинакового, так и различного назначения, что значительно расширило потенциальные возможности космических систем.

Автоматические станции стали основным средством исследования планет солнечной системы.

Важным событием в мировой науке и технике явился эксперимент, проведенный в 1971 г. советскими АМС «Марс-2» и «Марс-3». В ходе этого эксперимента была впервые в истории осуществлена мягкая посадка спускаемого аппарата станции «Марс-3» на Марс, впервые доставлена на его поверхность капсула с вымпелом, на котором изображен Герб Советского Союза, созданы советские искусственные спутники этой планеты.

Исследования Марса с орбиты искусственного спутника целесообразны потому, что планета окружена атмосферой, которая при отсутствии пылевых бурь достаточно «прозрачна», чтобы можно было осуществлять наблюдения поверхности Марсе в различных диапазонах волн, в том числе оптическом. Длительные наблюдения такого рода позволяют изучать большие площади поверхности планеты, следить за изменениями, которые там происходят под влиянием так называемых сезонных явлений. Искусственный спутник Марса, оснащенный соответствующим оборудованием, по сути представляет собой научную лабораторию, вынесенную в космическое пространство.

В 1971 г. двумя искусственными спутниками, которые находились на существенно разных орбитах, были выполнены комплексные исследования Марса и околомарсианского пространства.

Новое качество изучение Марса приобрело в 1973-1974 гг., когда четыре советских AMС «Марс-4», «Марс-5», «Марс-6» и «Марс-7» практически одновременно достигли окрестностей планеты, завершив важный этап многомесячного космического эксперимента.

Рис. 1. Общий вид станции «Марс-5» 1 — магнитометр, 2 — остронаправленная параболическая антенна, 3 — научная аппаратура,. 4 — малонаправленные антенны, 5 — радиаторы системы терморегулирования, 6 — панель солнечной батареи, 7 — приборный отсек, 8 — оптико-электронные приборы системы управления»; ориентацией

Станция «Марс-4» провела фотографирование Марса с пролетной траектории. Искусственный спутник Марса станция «Марс-5» передала на Землю новые сведения о планете и окружающем ее пространстве; с орбиты спутника получены высококачественные фотографии марсианской поверхности, в том числе цветные. Спускаемый аппарат станции «Марс-6» совершил посадку на планету, впервые передав на Землю данные о параметрах марсианской атмосферы, полученные во время снижения. АМС «Марс-6» и «Марс-7» исследовали космическое пространство с гелиоцентрической орбиты.

Запуск этих автоматических станций в соответствии с советской программой исследования космического пространства и планет солнечной системы был осуществлен в июле — августе 1973 г. Все станции были выведены на траекторию полета к планете с промежуточной орбиты искусственного спутника Земли. Участки выведения на межпланетные траектории и дальнейший полет вплоть до сближения с Марсом у всех четырех станций идентичны. Необходимая точность их наведения обеспечивалась коррекциями траектории.

Эксперимент имел своей основной целью продолжение и дальнейшее расширение начатых «Марсом-2 и 3» исследований планеты, окружающего ее пространства, а также характеристик межпланетной среды. Программой предусматривались научные измерения с орбиты искусственного спутника Марса, с пролетной траектории, а также с помощью спускаемых аппаратов.

Баллистические особенности полета. Схема полета автоматических межпланетных станций «Марс-4, 5, 6, 7» отличалась от схемы полета «Марса-2 и 3».

Рис. 2. Общий вид станции «Марс-6» 1 — орбитальный аппарат, 2 — спускаемый аппарат

Скорость, которую необходимо сообщить космическому аппарату, чтобы он достиг Марса, и, соответственно, выводимый на межпланетную траекторию полезный вес меняются в зависимости от момента старта. Обычно пуски космических аппаратов, к Марсу приурочиваются ко времени его противостояний, повторяющихся приблизительно через 780 средних солнечных суток. Ближе всего к Земле Марс бывает в периоды великих противостояний (раз в 15-17 лет) и «окна старта»— периоды, наиболее благоприятные для полетов к планете, приходятся на эти годы или близкие к ним. Таким был 1971 г., когда к Марсу стартовали советские станции «Марс-2 и 3», а также американский «Маринер-9».

Взаимное расположение Земли и Марса в 1973 г. требовало, чтобы скорость полета станции была более высокой, чем в 1971 г. Поэтому вес полезной нагрузки при использовании той же ракеты-носителя получался меньше. Этим объясняется изменение схемы полета.

AMС «Марс-3» одновременно решала две задачи: доставку к планете спускаемого аппарата и создание искусственного спутника Марса. Соответственно она состояла из двух конструктивно обособленных частей: спускаемого аппарата и орбитального отсека. За несколько часов до прилета к планете было произведено отделение спускаемого аппарата и перевод его на траекторию, обеспечивающую посадку в заданном районе, а орбитальному отсеку в момент его наибольшего сближения с планетой был сообщен тормозной импульс, переводящий его на орбиту искусственного спутника Марса.

Рис. 3. Схема перелета станции «Марс-5» 1 — первая коррекция, 2 — вторая коррекция, 3 — третья коррекция, 4 — тормошение орбитального аппарата

Для АМС, стартовавших к Марсу в 1973 г., пришлось принять иную, так называемую двухпусковую схему полета. Согласно ей, задачи доставки спускаемого аппарата и создания искусственного спутника Марса возлагались на станции разного типа. Станции одного типа предназначались для перевода на орбиту искусственного спутника Марса и не имели в своем составе спускаемого аппарата, вместо которого на борту размещались научные приборы для исследования планеты и ближайшего к ней космического пространства с орбиты искусственного спутника, а также запас топлива, требующийся для перевода станций на эту орбиту и коррекции последней в случае необходимости. Задача станций другого типа состояла в доставке к Марсу спускаемого аппарата (экономия веса достигалась за счет отказа от торможения орбитального отсека, что обусловило уменьшение запасов топлива на борту станции). Вместе с тем на этих станциях размещался комплекс научных приборов в основном для разносторонних исследований межпланетного пространства.

Приблизительно за двое суток до прилета каждая станция входила в сферу действия Марса и совершала дальнейшие эволюции, испытывая притяжение главным образом с его стороны. За определенное до момента наибольшего сближения с планетой время положение АМС относительно Марса измерялось с помощью специального оптико-электронного прибора, установленного на борту каждой станции. Результаты измерений обрабатывались бортовой цифровой вычислительной машиной, которая рассчитывала параметры последней коррекции и управляла ее исполнением.

Дальнейшие этапы полета станций были различны. «Марс-4 и 5» двигались по гиперболической траектории сближения с планетой. В районе перицентра двигательная установка сообщила «Марсу-5» необходимый тормозной импульс, и после совершения заданных маневров станция вышла на орбиту вокруг Марса, став его искусственным спутником. «Марс-4», проведя исследование и фотографирование с пролетной траектории, продолжала полет по гелиоцентрической орбите, не переходя на ареоцентрическую вследствие нарушения в работе одной из бортовых систем. От «Марса-6 и 7» после выполнения последней коррекции были отделены спускаемые аппараты, а сами станции совершили пролет мимо Марса.

Отделенный спускаемый аппарат «Марса-6» получил от своей двигательной установки импульс для выхода на «попадающую» траекторию, которая обеспечивала посадку в заданном районе Марса. Приблизительно через 3,5 часа после разделения с орбитальным отсеком спускаемый аппарат вошел в атмосферу планеты, произвел аэродинамическое торможение и посадку. Спускаемый аппарат станции «Марс-7» не был переведен на траекторию попадания.

Рис. 4. Схема перелета станции «Марс-6» 1 — первая коррекция, 2 — вторая коррекция, 3 — третья коррекция, 4 — отделение спускаемого аппарата и вывод его на траекторию спуска

Мы видим, что по сравнению с однопусковой схемой полета двухпусковая сложнее, но она позволила не только доставить к Марсу больший полезный вес, но и специализировать научную аппаратуру в соответствии с поставленными задачами.

Конструкция станций. «Марс-4 и 5» конструктивно аналогичны и представляют собой орбитальные отсеки, в которых находятся системы и агрегаты, обеспечивающие работу станций на всех этапах полета. Здесь размещены приборная часть, двигательная установка, панели солнечных батарей, параболическая остронаправленная и малонаправленные антенны, радиаторы холодного и горячего контуров системы обеспечения теплового режима. Основным конструктивным элементом, к которому крепятся агрегаты, служит блок топливных баков двигательной установки. Научная аппаратура устанавливается в верхней части блока баков. На станциях «Марс-6 и 7», в отличие от «Марса-4 и 5», научная аппаратура расположена на коническом переходном элементе, соединяющем приборный отсек и блок баков; на верхней части блока размещается спускаемый аппарат.

В спускаемый аппарат входят автоматическая марсианская станция (по форме близка к сферической), аэродинамический экран, контейнер с парашютно-реактивной системой, состоящей из парашюта и двигателя мягкой посадки, а также соединительной рамы с системами, которые управляют движением аппарата на этапе отделения его от орбитального отсека и уводом его с пролетной траектории на «попадающую». После маневра по изменению траектории эта рама отделяется от спускаемого аппарата.

Аэродинамический экран имеет форму затупленного конуса, что обеспечивает необходимое торможение в атмосфере Марса. Лобовая сторона экрана покрыта теплозащитным материалом, предохраняющим его металлический корпус от воздействия высокотемпературных потоков при аэродинамическом торможении. В донной части экрана, защищенной от влияния скоростного напора и высокой температуры набегающего потока, размещаются автоматическая марсианская станция и парашютно-реактивная система мягкой посадки. Для поглощения энергии, возникающей при соприкосновении с поверхностью планеты, марсианская станция оборудована специальной амортизационной системой. В составе станции предусмотрены также устройства для установки ее в вертикальное положение после посадки и выноса измерительных частей научных приборов непосредственно на поверхность планеты.

Рис. 5. График изменения температуры газа внутри орбитального отсека станции «Марс-5» 1 — температура поверхности солнечных батарей, 2 — температура газа в приборном отсеке

Главные особенности орбитального отсека в пусках 1973 г. определялись задачами расширения научных экспериментов и размещения приборов системы ориентации в соответствии с кинематическими характеристиками траекторий полета.

Система терморегулирования. Поддержание температуры станций в заданных пределах крайне важно, поскольку ее отклонение от допустимой может сказаться на электрических характеристиках аппаратуры.

Находясь на траектории от Земли к Марсу, автоматические станции постоянно подвергаются воздействию теплового потока солнечной радиации, который за время полета уменьшается более чем вдвое. В результате меняется температура элементов конструкции станций — по мере удаления от Солнца она понижается. Изменение температуры особенно влияет на работу расположенных снаружи солнечных батарей, приборов и управляющих органов системы ориентации.

Изменение потока солнечной радиации и внутреннее тепловыделение аппаратуры приборных отсеков потребовали обеспечения определенного теплового режима автоматических станций. Для этого была создана комбинированная система терморегулирования, состоящая из активных и пассивных средств.

Активная часть представляет собой двухконтурную газовую циркуляционную систему, включающую контур нагревания с вынесенным наружу радиационным радиатором-нагревателем и контур охлаждения с радиационным радиатором-охладителем. Теплоносителем служит газ орбитального отсека, циркулирующий под действием вентиляторов. Управление системой терморегулирования производится автоматическим устройством, которое состоит из блока управления, коммутационных блоков, многопозиционной заслонки с приводом и чувствительных элементов. По сигналу с чувствительного элемента автоматика осуществляет перекладку заслонок.

В пассивные средства входят экрановакуумная теплоизоляция, покрытия с нужными оптическими коэффициентами, конструкционные материалы. Пассивная часть, как и активная, регулирует тепловой режим спускаемого аппарата, солнечных батарей, приборов систем ориентации, управляющих органов и ряда других элементов оборудования и конструкции станций.

Характеристики системы терморегулирования спускаемого аппарата были выбраны таким образом, чтобы в районе Марса, с учетом уменьшения к концу полета теплового потока Солнца, внутри аппарата сохранялась бы требуемая температура.

Для проверки и уточнения тепловых расчетов были созданы специальные вакуумные установки, оснащенные имитаторами солнечного излучения. Аналог автоматических станций прошел в них полный объем комплексных тепловакуумных испытаний, задача которых состояла в проверке способности системы терморегулирования поддерживать температурный режим в заданных пределах на всех этапах эксплуатации станции.

Радиокомплекс. В аппаратуру бортового радиофототелеметрического комплекса орбитального аппарата входят антенно-фидерная система, приземные и передающие устройства, приборы автоматики, программно-временное устройство, приборы фототелевизионной и телеметрической систем и аппаратура для приема информации со спускаемого аппарата. С помощью радиокомплекса на всех этапах полета производятся измерения с целью уточнения местоположения станции и расчета параметров, необходимых для коррекции ее траектории.

Метод управления станциями «Марс» — комбинированный, командно-программный, т. е. управление осуществляется как с помощью радиокоманд, принятых с Земли, так и посредством команд, выработанных программно-временным устройством. В соответствии с программой, заложенной в это устройство, в течение полета ведется периодическая запись научной и служебной телеметрической информации на запоминающее устройство, с последующей передачей данных на Землю в сеансах связи.

С помощью фототелевизионной системы станций были получены и переданы с орбиты искусственного спутника Марса разномасштабные изображения различных участков поверхности планеты. Это было сделано двумя фототелевизионными устройствами, с семикратным перекрытием фокусных расстояний камер. Такой перепад фокусных расстояний дает возможность не только получить фотографии поверхности Марса с разными разрешениями, но и осуществить привязку к местности кадров с высоким разрешением и максимальным захватом площади. Результаты фотографирования также обеспечивают привязку показаний научных приборов к конкретным районам поверхности. В отдельных случаях съемка производилась через сменные светофильтры — для получения цветных изображений некоторых участков поверхности. Кроме того, с помощью сканирующих оптико-механических телевизионных устройств было получено изображение широкой полосы местности вдоль трассы полета.

Рис. 6. Блок-схема антенно-фидерной системы орбитального аппарата станций «Марс-6 и 7» 1 — гермоволновод, 2 — остронаправленная параболическая антенна, 3 — высокочастотные разъемы, 4 — малонаправленная приемо-передающая антенна, 5 — малонаправленные антенны командной радиолинии, 6 — антенны для приема информации со спускаемого аппарата, 7 — антенный блок селекции, коммутации и индикации согласования тракта с выходом на телеметрию, 8 — блок фильтров приемного канала командной радиолинии, 9 — фильтр первого приемного канала информации со спускаемого аппарата, 10 — фильтр второго приемного канала информации со спускаемого аппарата; А — передающее устройство, Б — приемо-передающее устройство радиофототелевизионной системы, В — приемное устройство командной радиолинии, Г — приемное устройство информации со спускаемого аппарата (первый канал), Д — приемное устройство информации со спускаемого аппарата (второй канал)

После входа спускаемого аппарата в плотные слои атмосферы и начала работы его основной радиолинии на орбитальном аппарате велись прием и запись на видеомагнитофоны всей информации, получаемой на участке парашютирования. Режим ретрансляции информации со спускаемого аппарата на Землю с использованием приборов орбитального аппарата, включая параболическую антенну, энергетически выгоден, поскольку в этом случае нет необходимости размещать на спускаемом аппарате большую антенну, требующую специальной системы наведения, ставить мощные передатчики и т. д.

Антенно-фидерная система каждого из орбитальных отсеков «Марс-4, 5, 6, 7» состоит из остронаправленной параболической антенны, трех малонаправленных антенн и двух антенн для приема информации со спускаемого аппарата.

Система управления ориентацией. Построение базовой системы координат перед проведением коррекций траектории, ориентации антенн бортового радиокомплекса на Землю с нужной точностью, поддержание определенной ориентации станции относительно Солнца, необходимой для нормальной работы солнечных батарей и соблюдения заданного теплового режима, — все это обеспечивается системой ориентации. В нее входят оптико-электронные приборы ориентации на Солнце, на Землю и звезду, гироскопические датчики угловых скоростей станции и другая аппаратура.

После выведения станции на перелетную траекторию и отделения ее от последней ступени ракеты-носителя система ориентации гасит возникающие при расцепке угловые скорости, прекращает беспорядочное вращение станции и путем ее разворота осуществляет «поиск» Солнца и «захват» его, тем самым приводя станцию в режим «постоянной солнечной ориентации». При этом панели солнечной батареи оказываются ориентированными на Солнце, а диаграммы излучения малонаправленных антенн — на Землю, обеспечивая необходимые условия для радиосвязи АМС с Землей.

Для выполнения коррекций траектории станция переводится в режим точной трехосной ориентации: в дополнение к ориентации на Солнце проводится поиск и захват звезды. Так осуществляется построение базовой системы координат, и оси станции оказываются ориентированными определенным образом относительно Солнца, звезды, Земли.

По мере удаления станции от Земли потенциал радиолинии падает. Для обеспечения высокой информативности радиолинии на значительных от Земли расстояниях информация передается уже не через малонаправленные антенны, а через остронаправленную параболическую антенну — с узкой диаграммой направленности и соответственно большим коэффициентом усиления. Для этого станция переводится в режим постоянной солнечно-звездной ориентации; в этом режиме одновременно с ориентацией панелей солнечной батареи на Солнце диаграмма излучения параболической антенны направляется на Землю.

Система автономного управления. В ее задачи входит управление станциями на активных участках полета: выведение АМС на орбиту искусственного спутника Земли, управление ее полетом по этой орбите, стартом к планете, а также проведение активных маневров, в том числе коррекций на трассе перелета. Эта система обеспечивает стабилизацию и программные пространственные развороты станции, определяет моменты включения и выключения двигателей установки для заданного изменения скорости движения станции и ориентацию направления тяги двигателя в пространстве. Высокая точность автономного выполнения указанных функций достигается применением прецизионной аппаратуры и бортовой цифровой вычислительной машины.

Ответственные задачи система управления и навигации решает и на заключительном этапе полета. Дело в том, что метод аэродинамического торможения, принятый для посадки спускаемых аппаратов на поверхность Марса, может быть пригоден только при относительно узком диапазоне углов входа станции в атмосферу планеты. При угле входа меньше допустимого произойдет резкое изменение траектории станции и она, рикошетируя, выйдет из окрестностей Марса, а при угле входа больше допустимого — спускаемый аппарат не успеет затормозиться до заданной скорости в атмосфере, имеющей весьма малую плотность, и режим спуска будет нарушен. Для обеспечения определенного диапазона углов входа спускаемых аппаратов и точного выхода станций на расчетные орбиты искусственных спутников Марса нужно с высокой точностью знать положение планеты в пространстве относительно станции. Это требует автономных измерений положения Марса в пространстве непосредственно со станции, находящейся вблизи от планеты.

Для того чтобы выполнить такие измерения, станцию ориентируют относительно Солнца и звезды таким образом, чтобы ось угломерного оптико-электронного прибора автономной навигации была направлена в район расчетного положения Марса. В заданный момент времени по величине отклонения фактического положения планеты от расчетного с помощью бортовой цифровой вычислительной машины определяется величина и направление потребного корректирующего импульса, выполняются все необходимые вычисления, а также производится коррекция траектории станции.

Система энергопитания построена по схеме «генератор — буферная батарея». В качестве генератора используется солнечная батарея на полупроводниковых фотопреобразователях. От солнечной батареи заряжается буферная батарея и питается бортовая аппаратура, работающая в перерывах между сеансами связи, а также заряжается аккумуляторная батарея спускаемого аппарата. Поскольку по мере удаления от Земли происходит изменение освещенности солнечной батареи, электрическая схема последней выполнена таким образом, что величина тока и напряжения при этом сохраняются в заданных пределах.

В качестве буферной батареи орбитального отсека использовалась аккумуляторная батарея. Высокие энергетические характеристики новой аккумуляторной батареи позволили увеличить продолжительность сеансов связи со станциями.

Для питания бортовой аппаратуры спускаемого аппарата на участке его посадки и работы на поверхности Марса предусмотрена аккумуляторная батарея, которая в течение всего времени полета хранится в разряженном состоянии. Батарея спускаемого аппарата заряжается за месяц до подлета к Марсу.

Система общей автоматики предназначена для управления бортовыми системами станции при выполнении всей программы полета и осуществляет анализ сигналов, необходимых для согласования работы систем станции, логическую обработку и преобразование их в исполнительные команды управления по заданной программе.

Остановимся на некоторых задачах, выполняемых этой системой.

Часть антенн радиокомплекса, панели солнечных батарей и ряд конструктивных элементов были к моменту старта станций сложены и зафиксированы в этом положении. По определенной программе в заданное время один из блоков системы общей автоматики с помощью пиротехнических средств раскрыл эти устройства.

В задачи системы общей автоматики входило также подключение выбранных комплектов бортовых приемно-передающих радиоустройств в зависимости от режима ориентации станции в пространстве к той или иной антенне радиокомплекса. Обрабатывая информацию, поступающую из радиокомплекса и программно-временного устройства, блок автоматики включает и выключает аппаратуру, необходимую для проведения типовых сеансов связи.

На этапе перелета станций к планете возможно попадание мелких метеорных частиц в объективы оптико-электронных приборов системы ориентации и фототелевизионного устройства и загрязнение их газами, образующимися при работе двигательной установки. В целях защиты объективы большинства приборов в определенные моменты времени полета были закрыты специальными крышками. Управление приводами крышек приборов осуществлял блок коммутации и автоматики, логически обрабатывая информацию, поступающую от различных систем станции.

Наиболее важные автоматически выполняемые операции, обуславливающие жизнеспособность станции, дублированы радиокомандами, которые при необходимости выдаются с наземных комплексов управления.

Двигательные установки станций «Марс» предназначены для создания корректирующих и тормозных импульсов, которые обеспечивают коррекции траектории перелета к Марсу и торможение станций для перехода на орбиту его искусственного спутника. Двигательная установка состоит из жидкостного ракетного двигателя, гидравлической системы подачи компонентов топлива в двигатель, пневматической системы наддува топливных баков и системы командного давления для управления двигательной установкой.

Многорежимный жидкостный ракетный двигатель допускает многократное включение в условиях глубокого вакуума и невесомости. Команды на запуск и выключение двигательной установки, на изменение режима тяги двигателя и формирование стабилизирующих моментов выдаются системой управления станции. Каждый двигатель, каждая двигательная установка прошли необходимые стендовые испытания с целью проверки их работоспособности и соответствии заданным параметрам.

Спуск на поверхность планеты — один из важнейших элементов эксперимента по изучению Марса. Задача организации посадки в условиях сильно разреженной атмосферы весьма сложна. Анализ результатов наземных наблюдений за атмосферой планеты, а также результатов полета станций «Марс-2», «Марс-3» и «Маринер-9» в 1971 г. показал, что атмосфера Марса может вносить существенные возмущения в движение спускаемого аппарата. Возмущения эти вызываются сильными ветрами, пылевыми бурями, различиями приповерхностного давления в разных районах и т. д.

Вход спускаемого аппарата станции «Марс-6» в атмосферу произошел в заданном диапазоне углов входа со скоростью около 6 км/сек. На участке пассивного аэродинамического торможения устойчивость спускаемого аппарата обеспечивалась его внешней формой и центровкой.

В момент достижения расчетного значения продольной перегрузки, соответствующей требуемым условиям введения в работу специальной сверхзвуковой парашютной системы, сработал твердотопливный двигатель, освободивший вытяжной парашют. Далее с помощью вытяжного парашюта был приведен в действие основной парашют в зарифованном состоянии. Когда скорость движения спускаемого аппарата приблизительно снизилась до звуковой, произошла разрифовка купола основного парашюта до полного наполнения, с практически одновременным сбросом аэродинамического обтекателя. После отхода аэродинамического обтекателя включился радиовысотомер, который выдал текущее значение соответствующих параметров в аналитический блок, включивший двигатель мягкой посадки в непосредственной близости от поверхности планеты.

Срабатывание систем на участке посадки происходило по командам программно-временного устройства.

На участке парашютирования впервые в практической космонавтике производились измерения температуры и давления атмосферы Марса, и определялся ее химический состав. Результаты этих измерений весьма важны как для расширения знаний о планете, так и для выявления условий, в которых должны работать будущие марсианские станции.

Наземный командно-измерительный комплекс предназначен для приема, сбора и обработки телеметрической и фототелевизионной информации. измерения параметров движения и организации управления космическими аппаратами, находящимися в полете. В комплекс входят наземные измерительные пункты (НИПы) на территории Советского Союза, а также плавучие (ИПы) — научно-исследовательские суда Академии наук СССР, находящиеся в акваториях Тихого и Атлантического океанов. С момента старта прием, обработку информации и измерение параметров траектории ведут последовательно НИПы и ИПы, расположенные вдоль трассы полета станции. Измерения начинаются при вхождении аппарата в зону радиовидимости данного измерительного пункта и заканчиваются, когда следующий пункт начинает прием сигнала и обработку информации.

Удаленность измерительных пунктов от Центра управления придает особое значение организации связи между ними. Наряду с использованием обычных средств связи все большая роль здесь отводится космической радиосвязи через спутник «Молния-1».

После старта станций «Марс-4, 5, 6, 7» с орбиты искусственного спутника Земли и приведения ряда конструктивных элементов в рабочее положение были включены бортовой радиопередатчик и телеметрическая система — начался первый приземный сеанс связи, в котором по данным телеметрической информации определялось состояние бортовых систем, а с помощью внешнетраекторных измерений — отклонение реальных траекторий от расчетных. В дальнейшем в течение всего полета информация с измерительных пунктов поступала в координационно-вычислительный центр для обработки и последующего представления ее в Центр управления, где группа специалистов по различным системам производила анализ функционирования станций и их систем и разрабатывала рекомендации по управлению.

Центр дальней космической связи оснащен антеннами, обеспечивающими совместно с чувствительными приемниками прием сигналов космических станций с расстояний в сотни миллионов километров. Большое усиление антенн обусловлено их узкими диаграммами направленности. Это в свою очередь предъявляет не только высокие требования к ориентации станций «Марс» при передаче информации через остронаправленную бортовую антенну, но и к прогнозированию положения станции в пространстве и определению ее траектории с целью направления узкой диаграммы излучения наземной антенны именно в ту точку пространства, где в данный момент находится станция.

Необходимые для этого данные вырабатываются быстродействующими ЭВМ Центра дальней космической связи на основании результатов периодически проводимых внешнетраекторных измерений.

Трудная задача выделения на фоне различного рода земных и космических шумов слабого полезного сигнала, пришедшего со сверхдалеких расстояний и несущего информацию, была успешно решена при полете станций «Марс». После обнаружения сигнала и установления связи со станцией информация расшифровывалась наземной телеметрической системой. Весь поток информации направлялся в ЭВМ для обработки согласно специальным алгоритмам. Аппаратура обработки преобразовывала фототелевизионную информацию в видеосигнал, который поступал на видеоконтрольное устройство и использовался для получения фотоснимков. Эта аппаратура представляет собой сложную систему усиления, преобразования и обработки сигнала; она с помощью автоматизированных устройств корректирует и полностью восстанавливает первоначальные параметры сигнала.

В Центре дальней космической связи действуют и другие системы, в том числе система точного времени, необходимая для привязки всей регистрируемой информации к точной шкале времени.

Наземный командно-измерительный комплекс, как по своему составу, так и по объему решаемых задач весьма сложен и многофункционален. Поэтому особенно важно взаимодействие различных его элементов, их четкая, согласованная работа. Увеличение в 1973 г. числа станций до четырех внесло не только количественные, но и качественные изменения в эксперимент, усилило загрузку средств наземного командно-измерительного пункта и повысило требования к надежности его систем.

Научное оснащение станций. Предварительные результаты. Цель научных исследований Марса состоит в получении возможно более полного представления о физико-химических, ареоморфологических и климатических условиях на этой планете, о специфических особенностях окружающего ее межпланетного пространства.

Изучение рельефа поверхности планеты производилось с орбиты спутника Марса с помощью фототелевизионных устройств и по результатам измерений толщи основной составляющей компоненты атмосферы — углекислого газа, количество которого вдоль луча зрения отражает форму рельефа. С этой же орбиты по количеству водяного пара, находящегося в атмосфере, производились оценки влажности, а по инфракрасному излучению определялась температура поверхности планеты.

Научные приборы, размещенные на станциях «Мapc-4 и 5», предназначались главным образом для изучения ряда важнейших характеристик поверхности планеты и околопланетного пространства с орбиты искусственного спутника Марса и с пролетной траектории, а научные приборы спускаемых аппаратов станций «Марс-6 и 7» — для изучения характеристик околопланетного пространства на участке спуска, физико-химических параметров атмосферы и некоторых параметров поверхности Марса.

Полеты к Марсу советских станций «Марс-2 и 3» и ряда американских космических аппаратов уже дали много важных сведений о планете и окружающем ее пространстве. В настоящее время имеются данные о рельефе Марса, предварительные данные об особенностях грунта в поверхностном слое, распределении температуры по поверхности и ее вариациях и т. д.

Большое значение как в чисто научном плане, так и для реализации последующей программы исследований Марса имеет продолжение изучения рельефа, характер которого непосредственно связан с ареологической активностью планеты и процессами, вызывающими изменения поверхности. Представляют интерес дальнейшие исследования содержания воды в атмосфере Марса и на его поверхности. Распределение температуры и ее изменения в зависимости от освещенности позволяют судить о характере пород. Это весьма важно, поскольку до сих пор не ясно, с чем связаны различия в отражающей способности так называемых марсианских морей и материков.

Научные исследования, проведенные станциями «Марс-4, 5, 6, 7», разносторонни и обширны. В настоящее время производится расшифровка полученных данных и их анализ. Однако о некоторых результатах уже можно говорить.

На фотоснимках поверхности планеты, отличающихся весьма высоким качеством, можно различить детали размером до 100 м. Это ставит фотографирование в число основных средств изучения планеты. При его помощи с использованием цветных светофильтров путем синтезирования негативов получены цветные изображения ряда участков поверхности Марса. Цветные снимки также отличаются высоким качеством и пригодны для ареолого-морфологических и фотометрических исследований.

В сфотографированных областях много кратеров. В отдельных случаях на кратерный рельеф наложены извилистые линейные понижения, уступы и борозды. Разную степень разрушения объясняют различия в их возрасте.

Рис. 7. Мелкомасштабный снимок поверхности Марса, полученный короткофокусной фототелевизионной установкой станции «Марс-5». Видны полуразрушенные кратеры диаметром до 150 км. Основные кратеры соединены между собой руслом шириной 25-35 км. С северо-запада в него «впадает» более узкое, 5-7 км, извилистое русло. Остальная часть сфотографированной поверхности покрыта многочисленными кратерами правильной формы диаметром от 20 до 70 км. Все кратеры имеют слабые возвышенности по краям

Одновременно с фотографированием проводилось комплексное исследование поверхности и атмосферы астрофизическими методами с помощью приборов, соосных с фототелевизионными камерами. Сюда относятся ультрафиолетовые фотометры, фотометр и поляриметр видимого диапазона, фотометры на избранные участки ближней инфракрасной области спектра, радиометр на дальнюю инфракрасную область и радиотелескоп. Нужно добавить еще спектрометр для измерения гамма-излучения планеты. Указанная аппаратура дает возможность анализировать излучение планеты в очень широкой области спектра, простирающейся от 1000 Å до 3 см.

Рис. 8. Крупномасштабный снимок поверхности Марса, полученный длиннофокусной фототелевизионной установкой станции «Марс-5» (границы этого участка обведены на рис. 7, квадрат а). На снимке — мореподобная область с частью крупного кратера, дно которого испещрено многочисленными микрообразованиями размером порядка 1 км. По грубой оценке глубина кратера по отношению к западному валу составляет примерно 1 км. Западнее этого кратера расположен вытянутый эродированный кратер меньшего размера (40x20 км), внутри которого, помимо небольших кратеров с севера на юг, просматривается несколько валов значительной протяженности. В северной части этого кратерного образования расположен кратер со сферическим дном и поперечником около 10 км

Все приборы успешно работали во время каждого прохождения станцией «Марс-5» перицентра, причем именно в этот момент оптические оси фототелевизионных устройств и астрофизической аппаратуры были ориентированы по нормали к поверхности планеты. Во время измерений высота перицентра составляла около 1800 км.

Радиометр «Марса-5» измерял температуру поверхности планеты вдоль трасс. Установлено, что вблизи экватора вскоре после полудня температура достигает 5-12°С. Однако уже к шести часам вечера местного времени она снижается до -20 и даже -30°С, а через 3 — 4 часа падает до -55°С. Вдоль трассы наблюдаются колебания температуры до 5-8°, что объясняется неодинаковым поглощением солнечных лучей темными и светлыми участками. (Минимальные температуры на полюсах Марса могут достигать — 120°С.)

Рис. 9. Крупномасштабный снимок поверхности Марса, полученный длиннофокусной фототелевизионной установкой «Марса-5» (границы этого участка обведены на рис. 7, квадрат б). На снимке — кратер диаметром 45 км и кратер-«спутник» меньшего размера, порядка 13 км. Оба кратера имеют пологие склоны с вкраплениями мелких кратеров. На снимке хорошо видны другие кратеры размером от 2 до 15 км со сглаженными краями у больших кратеров и заметно возвышающимися — у меньших

С помощью специального фотометра на углекислотные полосы ИК-спектра найдены перепады высот вдоль трассы, составляющие несколько километров. В ультрафиолетовом диапазоне также удалось обнаружить пониженные и повышенные участки поверхности. Таким образом, проверены два независимых способа исследования рельефа. Измерения яркости в других диапазонах волн дали сведения о малой запыленности марсианской атмосферы по сравнению с периодом бури 1971 г. Изучение полученных данных должно, в частности, дать ответ на вопрос, есть ли какая-нибудь зависимость между окраской и рельефом поверхности Марса?

Знание физических свойств поверхности очень важно для конструирования аппаратов, которым еще предстоит опускаться на Марс. Измерения такого рода выполняли два поляриметра, установленных на борту станции «Марс-5» совместно советскими и французскими учеными. Оказалось, что поверхность планеты очень неоднородна. Есть участки, покрытые мелкой пылью, а рядом — обширные каменистые районы. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят, по-видимому, узнать, какие земные горные породы наиболее близки к марсианским. Недавно было обнаружено, что разные результаты поляриметрических измерений на Луне обусловлены различиями в ее рельефе. Удастся ли найти такую же связь на Марсе, где в отличие от Луны есть атмосфера?

Измерения водяного пара в атмосфере Марса показали, что его содержание превысило максимальное количество, обнаруженное «Марсом-3» в 1972 г., и достигло, по предварительным оценкам, 60 мк осажденной воды. Определено, что вдоль трассы величина влажности колеблется более чем в 5 раз.

С помощью двухканального ультрафиолетового фотометра с высоким пространственным разрешением получены фотометрические профили атмосферы у лимба планеты в недоступной для наземных наблюдений области спектра 2600-2800 Å. Эти профили помогли впервые обнаружить следы озона в атмосфере Марса (данные американских аппаратов «Маринер-6, 7, 9» по озону относились к твердой поверхности полярной шапки), а также заметное аэрозольное поглощение даже в отсутствии пылевых бурь. С помощью этих данных можно вычислить характеристики аэрозольного слоя. Измерения содержания атмосферного озона позволяют оценить концентрацию атомарного кислорода в нижней атмосфере и скорость его вертикального переноса из верхней атмосферы, что важно для выбора модели, объясняющей стабильность существующей на Марсе атмосферы из углекислого газа. Результаты измерений на освещенном диске планеты могут быть использованы для изучения ее рельефа.

Исследования магнитного поля в околомарсианском пространстве, проведенные станцией «Марс-5», подтвердили вывод, сделанный на основании аналогичных исследований станций «Марс-2 и 3», о том, что вблизи планеты существует магнитное поле порядка 30 гамм (в 7-10 раз больше величины межпланетного невозмущенного поля, переносимого солнечным ветром). Предполагалось, что это магнитное поле принадлежит самой планете, и «Марс-5» помог получить дополнительные аргументы в пользу этой гипотезы.

Предварительная обработка данных станции «Марс-7» об интенсивности излучения в резонансной линии атомарного водорода Лайман-альфа позволила оценить профиль этой линии в межпланетном пространстве и определить в ней две компоненты, каждая из которых вносит приблизительно равный вклад в суммарную интенсивность излучения. Полученная информация даст возможность вычислить скорость, температуру и плотность втекающего в солнечную систему межзвездного водорода, а также выделить вклад галактического излучения в линии Лайман-альфа. Этот эксперимент выполнялся совместно с французскими учеными.

По аналогичным измерениям с борта станции «Марс-5» впервые непосредственно измерена температура атомарного водорода в верхней атмосфере Марса. Предварительная обработка данных показала, что эта температура близка к 350°К.

Спускаемый аппарат «Марса-6» проводил измерения химического состава марсианской атмосферы при помощи масс-спектрометра радиочастотного типа. Вскоре после раскрытия основного парашюта сработал механизм вскрытия анализатора, и атмосфера Марса получила доступ в прибор. Предварительный анализ позволяет сделать вывод, что содержание аргона в атмосфере планеты может составлять около одной трети. Этот результат имеет принципиальное значение для понимания эволюции атмосферы Марса.

На спускаемом аппарате осуществлялись также измерения давления и окружающей температуры; данные об этих характеристиках атмосферы на припланетном участке в настоящее время обрабатываются.

Мы уже упоминали об участии французских ученых в поляриметрических измерениях и в измерениях интенсивности свечения резонансной линии водорода. Совместно был выполнен также радиоастрономический эксперимент — измерения радиоизлучения Солнца в метровом диапазоне. Прием излучения одновременно на Земле и на борту межпланетной станции, удаленной от нашей планеты на сотни миллионов километров, позволяет восстановить объемную картину процесса генерации радиоволн и получить данные о потоках заряженных частиц, ответственных за эти процессы. В этом эксперименте решалась и другая задача — поиск кратковременных всплесков радиоизлучения, которые могут, как предполагается, возникать в далеком космосе за счет явлений взрывного типа в ядрах галактик, при вспышках сверхновых звезд и других процессах.

Советские марсианские станции — сложные автоматические лаборатории. Полученная ими обширная информация углубляет наши знания о Вселенной и прежде всего об одной из ближайших к Земле планет солнечной системы — Марсе.