НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ №5 1-14 марта 1993 г.
Проект "Марс-94"
(Обзор ВИДЕОКОСМОСА. Окончание.)
(к началу)
7.СХЕМА ЭКСПЕДИЦИИ "МАРС-94"
Старт АМС по проекту "Марс-94" намечен на 21 октября 1994 года. Запуск будет осуществлен с космодрома Байконур. Трехступенчатая ракета-носитель "Протон" выведет станцию и разгонный блок "ДМ" на промежуточную орбиту. Затем с помощью разгонного блока и собственной автономной двигательной установки "Марс-94" перейдет на траекторию полета к Марсу. Перелет к "Красной планете" (рис. 8) займет 316 суток. 26-28 октября 1994 года планируется произвести первую коррекцию траектории, а около 3 августа 1995 года - вторую. Во время полета по трассе Земля-Марс будут проводиться исследования межпланетного пространства и астрофизические наблюдения. 28-30 августа 1995 года от станции отделятся МАСы и пенетраторы. После этого будет проведена третья коррекция траектории станции, которая обеспечит оптимальные условия для перехода АМС на орбиту вокруг Марса. Этот переход должен произойти 2 сентября 1995 года.
Малые станции и пенетраторы продолжат полет по прежней траектории прямого попадания и тоже 2 сентября войдут в атмосферу "красной планеты". При спуске в атмосфере и в первые часы работы на поверхности с автономных станций и пенетраторов будет передаваться большой объем информации. Ретранслировать ее на Землю должен орбитальный аппарат.
Однако, чтобы увеличить объем получаемой информации, в этих же целях планируется использовать американскую автоматическую межпланетную станцию "Марс Обсервер", которая была запущена 25 сентября 1992 года и выйдет на ареоцентриче-скую орбиту в августе 1993 года. (Договоренность об этом с американской стороной уже достигнута). Для обеспечения совместимости российских, и американских радиосистем на "Марс Обсервер" был установлен французский электронный блок. Будем надеяться, что американский аппарат успешно выйдет на орбиту вокруг Марса и останется работоспособным до сентября 1995 года. Кстати, как нам сообщили в Калининградском ЦУПе, в первый месяц после прилета к Красной планете орбитальный аппарат "Марса-94" не сможет обеспечивать длительные сеансы связи с аппаратами на поверхности. И в этот период многое будет зависеть от работы "Марса Обсервер".
Рис.8
Схема перелета АМС "Марс-94" к Марсу
В первый месяц на ИСМ российскому аппарату придется выполнить много маневров. Сначала он выйдет с помощью автономной двигательной установки (АДУ) на первую переходную орбиту с высотой перицентра 500 км, наклонением плоскости орбиты к марсианскому экватору 20 гр. и периодом обращения около 3 суток. Затем будет выполнен следующий маневр. В результате перицентр приблизится к Марсу на 200 км, орбита станет практически полярной (наклонение 86 гр.), а период обращения останется практически прежним. При следующем включении АДУ будет уменьшена высота апоцентра, что приведет к уменьшению периода обращения до 12 часов. На этой промежуточной орбите отделится АДУ и все последующие маневры будут осуществляться с помощью двигателей орбитального аппарата.
Наконец, между 1 и 7 октября 1995 года ОА (орбитальный аппарат) должен перейти с промежуточной на синхронную орбиту (высота перицентра - 300 км, наклонение - 86 гр.). Период обращения на ней составит 12 часов 19 минут, то есть ровно половину марсианских суток, которые составляют 24 часа 37 минут 22,58 секунд. Эта орбита наиболее оптимальна для ретрансляции информации с малых станций и пенетраторов на Землю.
После этапа активной работы со станциями и зондами на поверхности Марса, центр внимания переключится на орбитальный аппарат. Между 21 и 28 октября 1995 года он будет переведен на рабочую орбиту с высотой перицентра 300 км, высотой апоцентра 1820 км, наклонение орбиты 86 гр. и периодом обращения 12 часов. Такой период обращения обеспечит постепенный обзор всей поверхности планеты за 19-20 суток и одно и тоже время выхода на связь аппарата с наземными станциями. Но и на этой орбите ОА периодически будет связываться с МАСами и пенетраторами.
С 20 февраля 1996 года связь с аппаратом прекратится в связи с тем, что между Землей и Марсом будет находиться Солнце. Уверенный прием сигналов со станции возобновится через месяц (20 марта), когда "красная планета" отойдет от нашего светила на угол больше 2 гр. В дальнейшем исследования на поверхности Марса и на орбите ИСМ будут продолжаться до выработки у аппаратов ресурса.
"Per aspera ad astra," ("Через тернии - к звездам") - говорили древние. Наш путь к Марсу знал много терний. Хочется надеяться, что "Марс-94" достигнет намеченной цели и выполнит поставленные перед ним задачи.
ВК. В НК N3,4,5 мы рассказали о российской программе "Марс-94", целью которой является изучение этой планеты с орбиты ее искусственного спутника и на ее поверхности. Продолжением ее изучения должна стать программа "Марс-96" (о различных ее аспектах мы писали в НК № 3, 4, 6, 10.1991 и 3.1992). Она предусматривает наряду с изучением Марса прежними средствами, проведение исследований с помощью подвижных систем на поверхности и в атмосфере планеты.
Программа "Марс-96" на пути к своей реализации уже претерпела множество изменений. Проект появился в 1987 году. Предполагалось, что он станет следующим после экспедиции "Фобосов". Старт первой станции намечался на 1992 г. Однако скоро создатели станции столкнулись с техническими и финансовыми трудностями.
После неудачи с "Фобосами", развала нашей экономики и повсеместной критики космонавтики, работы по межпланетной тематике практически прекратились.
Только самые убежденные энтузиасты ратовали за продолжение исследований Марса. Благодаря их усилиям, финансирование было возобновлено. Государственная научно-техническая программа "Марс", принятая в СССР в 1987 году, стала Государственной программой России.
Существовали и технические проблемы. За короткий срок надо было создать три новых аппарата: аэростатный зонд, марсоход и большой посадочный модуль. Эти аппараты имели аналоги. Так в 1985 году в атмосфере Венеры провели исследования два аэростата, запущенные со спускаемых аппаратов станций "Вега". В 1970-71 гг. на Луне работал "Луноход-1, а в 1973 - "Луноход-2". Три раза спускаемые аппараты (СА) советских АМС входили в атмосферу Марса ("Марс-2, -3, -6), один из них ("Марс-3") даже смог сесть на поверхность и начать передавать сигналы. Однако из-за сильной пылевой бури сигнал прервался через несколько секунд и больше этот СА на связь не вышел.
Учитывая опыт, создатели новой АМС были уверены, что проблемы, связанные с созданием аппаратов по программе "Марс-96", - разрешимы. Но требовалось дополнительное время и запуск станции был перенесен сначала на 1994, а затем - на 1996 год (а в 1994 г. было решено запустить АМС с более простыми задачами).
В состав АМС по программе "Марс-96" должны войти орбитальный аппарат, большой десантный аппарат и, если позволят массово-энергетические характеристики станции, пенетраторы и малые автономные станции, разработанные для проекта "Марс-94". Предполагаемый вид АМС показан на рис. 1.
За основу орбитального аппарата был взят базовый аппарат, созданный для экспедиции "Фобос". В его состав входит тороидальный приборный отсек, на котором установлены две панели солнечных батарей, двигатели ориентации, антенно-фидерные устройства, элементы некоторых других систем и блоки научной аппаратуры. Состав приборов для дистанционного исследования Марса пока до конца не определен. Он будет сильно зависеть от результатов работы орбитального аппарата "Марса-94". Предполагается, что часть приборов будет расположена на поворотных платформах.
Большой десантный модуль будет иметь в своем составе аэростатный зонд с аппаратурой его ввода и посадочный аппарат (ПА), на котором должен быть установлен марсоход. Модуль должен обеспечить первоначальное торможение в атмосфере Марса, для чего на нем установлен аэродинамический теплозащитный экран в виде конуса.
Рис.1
АМС по проекту "Марс-96"
Аэростатный зонд (AЗ) разрабатывается совместно специалистами России, Франции и США. Было рассмотрено множество вариантов конструкций зондов. Последний состоит из баллона, наполняемого гелием, гондолы со служебным и научным оборудованием и распределенной нагрузки, которую за ее внешний вид назвали "змеей".
Баллон имеет форму цилиндра со сферическими днищами. Его объем при полном заполнении гелием - 5000 куб. м., высота - 50 метров, диаметр - более 11м. Баллон будет изготовлен из тонкой полимерной пленки.
Снизу к баллону на тросе подвешена гондола. В ней будет размещаться научная аппаратура и служебные системы зонда. Для проведения детальной съемки поверхности Марса, над которой будет пролетать AЗ, на нем установлена телевизионная система. В гондоле также размещены магнитометр для измерения параметров магнитного поля планеты, инфракрасный спектрометр, газоанализатор, который позволит достаточно точно определить входящие в атмосферу Марса газы, метеорологический комплекс, на который возложены задачи по отслеживанию погоды "красной планеты". Для точной привязки по высоте в гондоле AЗ установлен альтиметр. Масса научной аппаратуры в гондоле AЗ составит 8 кг. Также в гондоле будет размещены служебные системы, обеспечивающие работу научной аппаратуры, сбор информации от нее и передачу данных на орбитальный аппарат для ретрансляции на Землю.
Снизу под гондолой подвешена "змея" отсека распределенной нагрузки. В ней размещены гамма-спектрометр для определения элементного состава грунта в местах посадки аэростата, импульсный радар, дозиметр и акселерометр для определения параметров движения A3 в атмосфере Марса. Масса научной аппаратуры в "змее" - 3,4 кг.
Срок активного существования аэростатного зонда составит 10-15 суток. Днем зонд будет лететь на высоте 2-4 км над поверхностью Марса. При наступлении ночи и падения температуры атмосферы в районе дрейфа A3, объем гелия в баллоне уменьшится, что в свою очередь приведет к изменению подъемной силы и посадке отсека распределенной нагрузки и гондолы аэростата на поверхность. Баллон A3 останется над поверхностью, а "змея" распределенной нагрузки будет играть роль "якоря" зонда. Утром солнечные лучи прогреют гелий в баллоне и он отправится в дальнейший путь. За срок активной жизни аэростатный зонд преодолеет около 1000 км и проведет исследования в 11-16 точках поверхности.
Испытания различных вариантов аэростатного зонда начались в 1987 году в пустыне Мохаве (США). В 1990 году там же прошли первые испытания окончательной модели AЗ. За испытаниями наблюдали специалисты СССР, США и Франции. Их результаты обнадеживающие.
Особый интерес представляет собой марсоход, созданный для программы "Марс-96". Этот маленький разведчик станет первым движущимся устройством на Марсе. Первые проекты марсоходов начали разрабатываться в конце 60-х годов. Рассматривались колесные, гусенечные, шагающие аппараты. Так на посадочных аппаратах "Марса-2 и -3" были установлены крошечные шагающие машины, управляемые по проводу из ПА. С их помощью предполагалось определить механические характеристики марсианского грунта в районе посадки. К сожалению ни одного шага по Марсу эти "ходоки" не сделали.
Марсоход, созданный для программы "Марс-96", представляет собой шестиколесный аппарат массой 76,5 кг. Его длина — 2 м, максимальная высота ~ 1,5 м. Колеса марсохода сделаны из алюминиевого сплава и имеют конусообразную форму с глубоким протектором, что обеспечит его передвижение по достаточно крутым песчаным дюнам планеты, которыми изобилует предполагаемый район посадки. Независимая подвеска всех шести колес также повысит его проходимость. Планируется, что марсоход будет способен двигаться по поверхности Марса со скоростью ~0,5 км/час. Однако на ровных прямых участках его скорость может возрастать до 4 км/час.
Скорость и, особенно, дальность пробега марсохода определяется его энергоустановкой. Первоначально рассматривались три варианта источников электропитания: литиевые аккумуляторы, солнечные батареи и радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ)
От выбора того или иного варианта зависела вся научная программа марсохода. Так если литиевые батареи обеспечивали пробег аппарата в 30 км при 70 ходовых часах и 100 суток активной работы на поверхности Марса, то при использовании РИТЭГ эти значения будут составлять соответственно 180 км, 800 часов и 1 год или более. Во время последних испытаний на марсоходе устанавливался РИТЭГ. Наиболее вероятно, что он и будет установлен на штатном марсоходе.
Сложной проблемой было управление марсоходом. Так как сигнал от Земли до Марса и обратно даже в моменты наибольшего сближения планет идет более 8 минут, на марсоходе установлена автономная система управления, в состав которой входит бортовой вычислительный комплекс. При управлении марсоходом с Земли будет указываться только стратегия движения, то есть начальный и конечный пункты и примерный путь движения. Тактику прохождения же этого маршрута будет определять система управления марсохода. Шасси и система управления марсохода по программе "Марс-96" разработаны специалистами ВНИИ Транспортного машиностроения в Санкт-Петербурге.
Научные приборы на марсоходе будут исследовать химический состав грунта, в том числе и на глубине (для этого на нем планируется установить небольшую буровую установку) , магнитное поле Марса, сейсмоактивность его недр. Метеокомплекс марсохода периодически будут передавать данные о температуре, давлении, влажности, скорости ветра и прозрачности атмосферы. По параметрам движения можно будет судить о физико-механических свойствах грунта. Для передачи изображений поверхности на выносной штанге марсохода установлена стереоскопическая телевизионная камера. На этой же штанге стоит поворотная остронаправленная антенна, которая будет передавать данные от научных приборов и служебных систем на орбитальный аппарат для последующей ретрансляции на Землю.
Полную готовность марсоход подтвердил при его испытаниях. Они проводились с 20 августа по 20 сентября 1991 года на Толбачинском полигоне недалеко от поселка Козыревск на Камчатке, где в 1969 году испытывались "Луноходы" (см. НК № 3, 4, 6 и 10.1991). Затем летом 1992 (HK № 3.1992) и в феврале 1993 годов (НК № 3.1993) испытания проводились в долине Смерти в США. Все испытания прошли успешно. Американская сторона отметила, что их "российские коллеги создали машину поистине мирового класса". Сейчас рассматривается вопрос об установке на марсоходе американской системы управления, которая легче российской. Это позволит установить на марсоходе дополнительное научное оборудование.
На базе марсохода, создаваемого по проекту "Марс-96", планируется создать аппарат массой 400 кг. Его планируется доставить на "красную планету" в конце века. В задачи этого марсохода будет входить сбор образцов грунта во многих точках поверхности, а затем доставит их к взлетной ступени другой станции, которая доставит образцы на Землю через несколько лет.
Если позволят массовые характеристики на АМС "Марс-96" будут установлены пенетраторы и малые автономные станции (их конструкция аналогична соответствующим аппаратам АМС "Марс-94", см. №4.1993).