НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ №4 15-28 февраля 1993 г.

15 февраля. АП. Следуя выдвинутому директором НАСА призыву делать космические экспедиции более дешевыми, ученые и инженеры Лаборатории реактивного движения предлагают послать два малых космических аппарата, чтобы исследовать последнюю неизученную планету Солнечной системы - Плутон.

Это предложение пока не получило финансирования от Конгресса и даже еще не принято ПАСА, как полномасштабный проект, но оно уже обнаружило противоречия между теми, кто придерживается традиционного для НАСА подхода - создания больших и дорогостояцих аппаратов - и теми, кто настаивает на упрощении и ускорении разработок для снижения их стоимости.

На своих последних межпланетных станциях НАСА уже применяло существующую технологию, взамен разработки уникальных образцов, с тем чтобы снизить риск неудачи. Однако, как замечает руководитель проекта Роберт Стахле, чтобы достичь Плутона, зонды должны быть легковесными и запускаться по "быстрым" траекториям. Это означает необходимость использования самой передовой технологии.

Плутон, открытый в 1930 г. американским астрономом Клайдом Томбо, является девятой и наименее изученной планетой Солнечной системы. Его диаметр составляет примерно две трети диаметра Луны. Обычно он является наиболее удаленной от Солнца планетой, но из-за вытянутости своей орбиты временами приближается к нему ближе, чем Нептун, что имеет место и сейчас, начиная с 1979 г. и будет продолжаться до 1999 г.

Известно, что в отличие от остальных внешних планет - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна - представляющих собой гигантские газовые шары, Плутон состоит из скал и льда. По мнению ряда ученых, Плутон и его спутник Харон могут быть крупными "ледяными карликами" - объектами, которые могли сохраниться на периферии Солнечной системы с времен образования в ней планет 4,6 млрд лет назад. Не исключено, что имеются еще сотни или даже тысячи таких невидимых "карликов", размерами меньше планет, но больше комет.

Идея экспедиции к Плутону возникла несколько месяцев назад, когда в январе 1992 г. Стахле было сказано, что он может приступить по крайней мере к планированию экспедиции.

Эксперт Федерации американских ученых Джон Пай к сообщил, что у НАСА отработан процесс отбора проектов на основании их научной выгоды и Плутон в этом перечне находится довольно далеко внизу. Дополнительное изучение планет, которые уже посещались ранее, сулит больший интерес и результат для многих исследователей.

Однако, налогоплательщиков больше интересуют полеты к неизвестным планетам, так что, по мнению Стахле, Конгресс может счесть проект привлекательным, если к нему обратятся с запросом на начало финансирования, например, уже в этом году.

НАСА указывало Стахле, что стоимость двух плутонианских аппаратов не должна превзойти 400 млн $. Учитывая, что одна только РН "Титан-Центавр" стоит также 400 млн $, стоимость всей экспедиции составила бы при этом 1,2 млрд.$, не учитывая стоимость самого запуска и управления в ходе экспедиции. По словам Стахле, НАСА рассчитывает добиться скидки в цене американских носителей и сбить общую стоимость ниже миллиарда долларов, или же закупить менее эффективные, но более дешевые российские РН "Протон". Это замедлило бы перелет и отсрочило прибытие к Плутону до 2007 - 2010 гг, но снизило бы общую стоимость проекта до 600 млн $.

Корпус малой автономной станции (MAC) представляет собой полусферу диаметром ~650 мм. На нем установлены четыре лепестка (рис. 6, 1), раскрывающиеся после посадки (2) (аналогичное конструктивное решение было применено на советских АМС "Марс-2, -3, -6, -7" и "Луна-9, —13"). Лепестки при раскрытии обеспечивают горизонтальную ориентацию MAC. На них закреплены выносные штанги датчиков некоторых приборов (3, 4, 5). После посадки станции над ней раскрывается еще одна штанга (6), на которой закреплены датчики метеокомплекса. Внутри корпуса MAC расположена научная аппаратура и служебные системы.

При запуске станция размещена в специальном контейнере, где кроме нее расположена тормозная парашютная установка. Спереди контейнера укреплен аэродинамический теплозащитный экран диаметром 1000 мм. Общая масса малой автономной станции - 33,5 кг, масса ее полезной нагрузки - 8 кг, из которых на научную аппаратуру приходится 4,6 кг.

Одна из главных задач, поставленных перед MAC, - изучение атмосферы и климата Марса. Для этого на ней установлены два метеокомплекса: DPI и MIS. Первый из них предназначен для получения данных об абсолютном давлении и температуре атмосферы Красной планеты во время спуска MAC на парашюте. Датчик давления комплекса DPI используется и после посадки станции. Для определения параметров движения станции при спуске и привязке к высоте над поверхностью в этот комплекс входит также акселерометр. Метеокомплекс MIS предназначен для длительных наблюдений на поверхности Марса за температурой, давлением, относительной влажностью атмосферы планеты, степенью ее оптической прозрачности (эти наблюдения особенно интересны во время пылевых бурь) и скоростью ветра. Датчики комплекса MIS расположены внутри и снаружи на корпусе и на верхней штанге (8 и 9).

Рис. 6. Малая автономная станция на поверхности Марса. 1 - положение лепестков до раскрытия; 2 -положение лепестков после раскрытия; 3 - положение выносных штанг при посадке станции на Марс; 4 - положение выносных штанг до их раскрытия; 5 - рабочее положение выносных штанг на поверхности Марса; 6 - рабочее положение верхней штанги на поверхности Марса; 7 - магнитометр; 8 - ионный анемометр; 9 - датчики температуры и влажности; 10 - альфа-протонный и рентгеновский спектрометр.

Для определения элементного состава пород марсианского грунта в районе посадки на станции установлены альфа-протонный и рентгеновский спектрометры. Блок детекторов этих приборов расположен на выносной штанге (10). Первый из спектрометров регистрирует вторичные нейтроны, рассеянные на ядрах элементов поверхности, а второй - оценивает флуоресценцию образца грунта, вызванную рентгеновским излучением небольшого бортового источника. Забор образца грунта в блок детекторов производится при развертывании штанги, на которой закреплен блок.

На другой штанге, установленной на противоположном лепестке, закреплен трех-компонентный магнитометр с инклинометром (прибор для определения пространственной ориентации магнитометра) (7), входящий в комплект приборов "Оптимизм". Он предназначен для измерения параметров магнитного поля Марса. Другая задача "Оптимизма" - изучение сейсмологической обстановки Красной планеты. На вопрос о существовании марсотрясений должен ответить сейсмометр, стоящий внутри MAC.

Большое значение придается получению телевизионных изображений поверхности Марса. В этих целях на каждой из малых станций установлены две телекамеры. Камера DesCam предназначена для получения изображений во время спуска MAC под парашютом. Планируется, что она обеспечит разрешение от 20 м в начале передачи и до 1 см непосредственно перед посадкой. Вторая камера - PanCam - позволит получить панорамы марсианского ландшафта вокруг места посадки станции. В ее поле зрения попадет поверхность Марса на расстояние от 1 м до горизонта. Планируется передавать панорамы один раз в десять дней, но при желании этот интервал может быть сокращен до 1 часа.

Как уже говорилось выше, на МАСах будет установлена американская аппаратура. Это прибор предназначен для измерения окислительной способности марсианского грунта. Этот эксперимент позволит уточнить химический состав поверхностного слоя Марса, а косвенно - еще раз попытаться отыскать на Красной планете хотя бы простейшие признаки жизни. Подобные исследования проводились на посадочных блоках американских станций "Викинг", однако результаты их измерений оказались противоречивыми.

Центральный электронный блок SDPU является главным "мозгом" станции MAC. Он обеспечивает управление всеми системами станции и осуществляет сбор данных от научных приборов. Для передачи информации и приема команд с Земли на станции имеется радиосистема.

Обеспечение всей аппаратуры станции электроэнергией осуществляется двумя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ). Для выработки энергии в них используется радиоактивный распад изотопа плутония. Каждый РИТЭГ при этом выделяет тепло мощностью 8 Вт, а уж оно преобразуется с помощью полупроводниковых термоэлектрогенераторов в электрический ток мощностью всего 0,1 Вт. Подобные источники использовались для электростимуляции сердца в медицине. Поток радиации от них крайне мал и не скажется на работе научной аппаратуры станции. Однако этот поток был достаточно большим для гамма-спектрометров, которые при наличии радиоактивных источников нельзя было разместить на малых автономных станциях. В связи с тем, что в РИТЭГ используется изотоп плутония с большим периодом полураспада, время их активной работы составляет 10 лет. Однако ресурс буферных аккумуляторов, входящих в систему электропитания станции, значительно меньше. Поэтому время активной работы MAC на поверхности Марса оценивается в 700 земных суток.

Схема посадки MAC аналогична схемам посадки спускаемых аппаратов АМС "Марс-2, -3, -6". За 3-5 суток до подлета к Марсу орбитальный аппарат выполнит роль, аналогичную роли блока разделения головных частей боевых баллистических ракет. Только вместо боеголовок от АМС будут отделяться МАСы и пенетраторы. Отстрелив один аппарат, станция произведет перенацелевание на другой район Марса и, после выполнения программных маневров, будет произведено отделение следующего аппарата. Отстрел всех четырех зондов должен произойти за один сеанс связи со станцией.

После автономного полета МАСы войдут в атмосферу Марса со скоростью 5,6 км/сек. На первом этапе торможение будет осуществляться с помощью защитного аэродинамического экрана. При снижении скорости до полутора скоростей звука произойдет отстрел экрана и ввод парашютной системы. Из-за возможного разброса углов входа MAC в атмосферу высота ввода парашютов может варьироваться от 10 км до 500 м над поверхностью планеты. Одновременно с вводом парашюта произойдет надув двух амортизирующих мешков, между которыми и расположится станция. При касании поверхности по команде акселерометра из комплекса DPI происходит отделение парашюта. Длина строп парашюта составляет 100-150 м. Такая большая величина выбрана для того, чтобы после отделения парашюта у его купола был достаточный запас высоты, позволяющий избежать накрытие станции.

После того, как "мячик" станции при посадке совершит несколько подскоков по поверхности и успокоится, будет произведено разрезание шнура, скрепляющего амортизирующие мешки и они отскочат от MAC. Сама станция после того как окажется на поверхности, произведет раскрытие лепестков, что обеспечит ее расчетную ориентацию на поверхности. Затем будут приведены в рабочее положение штанги МАСов и начнутся исследования на поверхности.

Особо стоит сказать о районах посадки МАСов. Для выработки рекомендаций при их выборе была создана даже российско-американская группа. Ею был учтен опыт посадок "Викингов". Существует и ряд ограничений при посадке. Прежде всего это параметры подлетной траектории АМС. Исходя из них и характеристик марсианской атмосферы были определены достижимые области.

Второе ограничение касалось опять-таки атмосферы Красной планеты. Из-за того, что ее плотность невелика (давление у поверхности в зависимости от высоты рельефа составляет 1/100-1/516 от нормального давления на Земле, было необходимо подобрать такой район посадки, где бы успела выполнить свои функции тормозная парашютная установка станции. Из-за этого максимальная высота места посадки для MAC не должна была превышать 2 км над условным нулевым уровнем Марса. После установки на МАСах американского прибора увеличилась масса станции и эта высота еще более снизилась.

В результате диапазон допустимых высот места посадки оказался ниже среднего уровня. Так как уровень поверхности почти во всем Южном полушарии Марса выше, чем в северном на 3-4 км, то для посадки станций автоматически рассматривались только районы к северу от экватора. Верхней границей этой области стали 55 гр. северной широты. Более северные районы Марса были не достижимы, так как точность наведения МАСов не позволяла гарантировать их захват атмосферой планеты.

В этой выделенной области наиболее благоприятные районы посадок расположены между 30 и 45 градусами северной широты. Здесь находятся Ацидалийская равнина, равнины Аркадия и Утопия (на последней в 1976 году совершил посадку посадочный блок АМС "Викинг-2"). Это ровные низменные области, вполне отвечающие всем требованиям.

Посадка МАСов во время экспедиции "Марс-94" послужит репетицией программы "Марс-96". В ее ходе планируется ввести в атмосферу Марса аэростатный зонд. Тогда ограничения по высоте и плотности атмосферы будут еще жестче. (О программе "Марс-96" мы расскажем в последующих номерах).

На АМС "Марс-94" установлено два пенетратора. Это новый тип исследовательских зондов, рассчитанных как на изучение поверхности Марса, так и его недр, для чего часть зонда углубляется в грунт за счет кинетической энергии движения.

Пенетратор (рис. 7) представляет собой заостренный цилиндр диаметром ~500 мм и длиной ~1200 мм. В его хвостовой части расположен жесткий конус с максимальным диаметром ~800 мм (25), обеспечивающий аэродинамическое торможение на начальном этапе спуска и правильную ориентацию при ударе с поверхностью. Внутри конуса расположены надувная тормозная оболочка, обеспечивающая торможение аппарата на конечном этапе спуска, баллоны со сжатым газом для ее наполнения (6), радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) (5), обеспечивающая электроэнергией аппаратуру зонда, и некоторое другое служебное и научное оборудование. Цилиндрическая часть пенетратора состоит из разделяемых - хвостовой (11) и носовой (20) частей. При посадке зонда хвостовая часть остается на поверхности планеты, а носовая - проникает в грунт. Разделение носовой и хвостовой частей происходит при касании поверхности контактным устройством (18), расположенным впереди носовой части и выдвигаемом во время спуска. Внутри хвостовой части зонда расположена выдвижная штанга (26), на которой установлена антенна передачи и приема команд и информации (1), телекамера (4), датчики метеокомплекса и магнитометра. После посадки зонда штанга выдвигается в рабочее положение под действием пружины. Как в носовой, так и в хвостовой частях пенетратора расположена научная аппаратура и служебные системы. Для передачи информации и обеспечения питания после разделения обе части соединены между собой проводом (12). Масса одного пенетратора составляет 45 кг, а его научной аппаратуры -4,5кг.

Рис. 7. Пенетратор на поверхности Марса. 1 -антенна передачи и приема команд и информации; 2 - датчик скорости ветра метеокомплекса; 3 - блок датчиков магнитометра ИМАП-6; 4 - телекамера; 5 - радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ); 6 - баллоны со сжатым газом для наполнения надувной тормозной оболочки; 7 - элемент системы амортизации; 8 - блок электроники магнитометра ИМАП-6; 9 - амплитудный анализатор; 10 - детектор гамма-спектрометра "Пегас"; 11 - хвостовая часть; 12 - провод для соединения нижней и верхней частей пенетратора между собой (длина более 6 м); 13 - ячейка рентгеновского спектрометра "Ангстрем"; 14 - электроника рентгеновского спектрометра "Ангстрем"; 15 -электроника сейсмоприемников сейсмометра "Камертон"; 16 - акселерометр "Грунт"; 17 -второй сейсмоприемник сейсмометра "Камертон"; 18 - контактное устройство; 19 - первый сейсмоприемник сейсмометра "Камертон"; 20 - носовая часть пенетратора; 21 - электроника альфа-р-спектрометр "Альфа"; 22 - спектрометр "Нейтрон-Р"; 23 - термометры теплофизического детектора "Термозонд"; 24 - электоника метеокомплекса; 25 - жесткий конус; 26 - выдвижная штанга; 27 - блок метеодатчиков.

Научная аппаратура пенетратора предназначена для изучения атмосферы, поверхности и грунта Марса. Исследования начнутся при касании зондом поверхности планеты. В этот момент включится акселерометр "Грунт" (16). Его измерения продлятся около одной минуты. По полученной от него информации можно будет судить о траектории движения носовой части пенетратора в грунте, глубине ее проникновения, характере торможения. Это позволит определить механические характеристики приповерхностных пород в месте посадки.

Для получения изображений поверхности на зонде установлена телевизионная камера (4). По переданным ею панорамам можно будет судить о воздействии на окружающий ландшафт марсианских ветров, об образовании и таянии (в зависимости от времени года) водяного и углекислотного инея, а, возможно, и о прошлых процессах вулканической деятельности на Марсе и воздействии водных потоков. Установка телекамеры на выдвижной штанге позволила приподнять ее на 1 м над поверхностью. Это увеличило обзор.

Метеокомплекс пенетратора (2,24,27) позволит измерять температуру, давление, скорость ветра и влажность атмосферы Красной планеты. В первые сутки нахождения на Марсе эти параметры будут фиксироваться непрерывно, а затем - периодически.

Для определения элементного состава пород Марса, на пенетраторе установлены: гамма-спектрометр "Пегас" (10), рентгеновский спектрометр "Ангстрем" (13,14) и альфа-р-спектрометр "Альфа" (21). Забор проб грунта для приборов систем "Пегас" и "Альфа" будет производиться во время внедрения носовой части зонда в грунт планеты. Длительность измерений этих приборов составит от 30 минут ("Ангстрем") до 10 часов ("Пегас" и "Альфа"). Нейтронный спектрометр "Нейтрон-Р" (22) позволит определить содержание и изменения влажности и плотности породы с изменением глубины.

Для изучения суточного и сезонного колебания температуры в грунте Марса, определения глубины, на которой эти процессы прекращаются, а также для измерения потока тепла, идущего из недр Красной планеты служит теплофизический детектор "Термозонд" (23). В первые сутки после посадки он также будет работать непрерывно, затем - перейдет к периодическим измерениям. На основе данных от этого прибора можно будет судить о теплоемкости, теплопроводности грунта.

Во время активного существования пенетратора на поверхности Марса, непрерывно будут вестись наблюдения за колебаниями его недр. Для этого предназначен сейсмометр "Камертон" (15,17,19). Данные его измерений позволят больше узнать о внутреннем строении планеты и процессах, происходящих в глубинах, а также о падении на Марс крупных метеоритов.

И, наконец, как и на МАСах, на пенетраторе имеется аппаратура для изучения магнитного поля Красной планеты - магнитометр ИМАП-6 (3,8). Его измерения в первые сутки будут вестись непрерывно, а затем - периодически.

Схема посадки пенетратора значительно отличается от схемы посадки МАСов. За 3-5 суток до подлета АМС к Марсу, пенетраторы вместе с МАСами будут отстрелены от нее и начнут автономный полет; Вход пенетраторов в атмосферу Красной планеты будет осуществлен со скоростью 5,6 км/сек и с углом входа 10-20 гр. На начальном этапе торможение будет осуществляться с помощью жесткого конуса. После достаточного снижения скорости начнется наполнение надувной тормозной оболочки, которое должно завершиться на высоте 2,5 км. Затем будет выдвинуто контактное устройство. Скорость удара пенетратора с поверхностью Марса составит 80±20 м/сек, при этом на зонд будет действовать перегрузка ~500g. Этот удар должна компенсировать система амортизации аппарата. При касании грунта контактным устройством произойдет разделение носовой и хвостовой части пенетратора. Хвостовая часть углубится в поверхность планеты до жесткого конуса. Носовая часть зонда проникнет в грунт Марса на глубину 5-6 м (эта величина зависит от характеристики приповерхностного слоя в районе посадки пенетратора). В процессе внедрения носовой части будут производиться измерения физико-механических свойств грунта. После остановки всех частей зонда будут выдвинуты штанги из хвостовой части и начнутся исследования на поверхности. За счет своих "долгживущих" изотопных источников энергии пенетраторы смогут активно существовать на Красной планете в течение года. (окончание следует)