Проект "Фобос-грунт", срок реализации 2009 год.
Миссия предполагает доставку вещества Фобоса на землю.
Научные эксперименты, по замыслу разработчиков, должны решить основные исследовательские задачи, поставленные в проекте, обеспечить максимальную научную отдачу миссии, а также достаточную надежность получения результатов. Исходя из этого выбор экспериментов для установки на космическом аппарате осуществляется в порядке научных приоритетов:
- исследования физико-химических свойств реголита, геологическая и геохимическая аттестация места бурения и отбора образцов грунта;
- изучение внутреннего строения Фобоса;
- определение параметров орбитального и собственного движения Фобоса;
- исследования параметров околомарсианского пространства (пылевая и плазменная компоненты, магнитное поле);
- мониторинг атмосферы и поверхности Марса.
Внешний вид аппарата
Детали под катом.
Аппарат
Работы по проекту «Фобос-Грунт» выполняются НПО им. С.А.Лавочкина (головная организация) с участием Института космических исследований РАН, Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, ИПМ РАН им. М.В.Келдыша, ЦНИИмаш, КБХМ им. А.М.Исаева и других предприятий и организаций.
Запуск межпланетной станции планируется осуществить на РН «Союз-2» в октябре 2009 г. Расчеты показали, что стоимость проекта экспедиции к Фобосу при модульном построении КА, максимальном использовании отработанных технических решений и ориентации на РН среднего класса составит порядка 1.5 млрд руб.
Главное отличие нового варианта миссии от предыдущего заключается в том, что при перелете к Марсу для разгона аппарата не будут использоваться электрореактивные двигатели (ЭРДУ). Разработчики пошли на замену ЭРДУ на химические ДУ для уменьшения срока реализации миссии. Длительность перелета к Марсу теперь составит 11 месяцев вместо 550 суток в случае использования ЭРДУ.
Основная цель проекта – доставка грунта с поверхности Фобоса, однако для исследований в процессе перелета и на поверхности Фобоса на перелетном модуле разместят еще 50 кг научной аппаратуры, с помощью которой планируется провести порядка 20 научных экспериментов. Это приборы по изучению «на месте» свойств грунта (спектрометрические исследования, определение оптических и механических свойств, глубинное просвечивание), а также оборудование по дистанционному изучению Марса. Научные исследования начнутся уже с момента подлета станции к планете.
На борту аппарата также предусматривается установка дополнительной полезной нагрузки массой до 120 кг. Ею могут стать четыре малые марсианские метеостанции массой 15–20 кг. В такую станцию можно поместить до 4 кг научной аппаратуры.
Центральным элементом, или каркасом, аппарата является восьмигранная призматическая конструкция перелетного модуля. На гранях призмы размещается бортовая служебная и научная аппаратура. Приборы автоматической межпланетной станции (АМС) будут работать в условиях открытого космоса. Электропитание комплекса осуществляется от двух прикрепленных к перелетной ступени панелей солнечных батарей.
Управление станцией на всех этапах полета (включая выведение АМС на отлетную траекторию к Марсу) будет осуществляться бортовым комплексом управления. Определение ориентации аппарата – с помощью солнечных и звездных датчиков, а также бесплатформенного инерциального блока.
Для передачи служебной информации и научных данных на посадочной ступени установят остронаправленную и малонаправленные антенны (МНА). Диаграммы направленности МНА «закроют» обе полусферы АМС («верхнюю» и «заднюю») для гарантированной возможности связи со станцией в случае нештатных ситуаций и потери аппаратом ориентации.
Управление аппаратом будет проходить из трех пунктов, расположенных в Евпатории, Уссурийске и Медвежьих озерах. Их оснастят одними и теми же средствами, чтобы на протяжении всего полета и особенно в моменты активных операций гарантированно обеспечить управление аппаратом. Центр управления АМС разместят на территории НПО им. С.А.Лавочкина.
На аппарате будут применены однокомпонентные гидразиновые двигатели. Разгон аппарата с орбиты Земли на отлетную траекторию произойдет с помощью маршевой двигательной установки (МДУ) РБ «Фрегат». МДУ отличается от самого РБ отсутствием системы управления, системы энергопитания и радиокомплекса. Управление двигателями МДУ будет вестись с «головы» – бортовым комплексом управления АМС.
После отделения МДУ окончательный доразгон станции на траекторию перелета к Марсу проведут с помощью двигательной установки, расположенной на АМС. Эта же ДУ будет использоваться при траекторных коррекциях на трассе Земля–Марс и для торможения при выходе на орбиту Марса.
Двигатели малой тяги перелетного модуля предназначены для ориентации и стабилизации станции, для посадки на Фобос и «прижима» посадочного модуля к его поверхности.
Полет
Перелет Земля–Марс начинается с момента выхода АМС на отлетную от Земли траекторию и завершается подлетом к Марсу на минимальное расстояние. При подлете к Марсу прицельные параметры выбираются исходя из того, что переход на круговую орбиту наблюдения Фобоса, лежащую в плоскости его орбиты и превышающую ее по высоте на ~500 км, осуществляется по трехимпульсной схеме:
- первым тормозным импульсом АМС выходит на эллиптическую орбиту ИСМ с высотой апогея ~80000 км;
- вторым импульсом совмещаются плоскости орбит АМС и Фобоса;
- третьим тормозным импульсом станция выводится на орбиту наблюдения, на которой проводятся бортовые навигационные наблюдения Фобоса, необходимые для дальнейшего сближения орбиты АМС с орбитой Фобоса и посадки на него.
В соответствии с этой схемой подлет к Марсу происходит по пролетной гиперболической траектории с высотой перицентра 700–1000 км и наклонением к плоскости марсианского экватора, близким к нулю. Высота перицентра выбрана предварительно из условия непопадания КА в верхние слои атмосферы Марса.
После выхода на орбиту наблюдения примерно в течение 10 суток станция проведет 2–3 коррекции. Будут скорректированы радиусы перицентра и апоцентра орбиты, а при необходимости и наклонение. Это необходимо, чтобы обеспечить благоприятные условия для автономных бортовых навигационных измерений Фобоса с помощью бортовой ТВ-камеры.
Навигационные измерения пройдут на тех участках орбиты наблюдения, где это позволят осуществить условия освещенности и где расстояние от КА до Фобоса не будет превышать 1500 км.
Для уточнения эфемерид Фобоса и его гравитационной постоянной будут проведены навигационные измерения не менее чем в трех сближениях со спутником.
После завершения наблюдений может потребоваться проведение еще двух-трех коррекций орбиты наблюдения перед переходом АМС на квазисинхронную орбиту (необходимо для обеспечения требуемой конфигурации орбиты относительно Солнца и выбранной точки посадки на Фобос). Проведение навигационных наблюдений с борта станции дополняется высокоточными траекторными измерениями орбиты АМС с Земли.
Следующим шагом в сближении орбит КА и Фобоса перед заходом на посадку будет являться переход на квазисинхронную орбиту, имеющую равный с орбитой Фобоса период обращения, но отличающуюся от нее по высоте на одной части витка до плюс 50 км, а на другой – до минус 50 км. Двигаясь по такой орбите, АМС будет постоянно находиться вблизи Фобоса на расстоянии от 50 до 130 км. При этом за каждый виток орбитального движения вокруг Марса (~7.66 час) аппарат будет совершать полный оборот и вокруг Фобоса.
Основная задача этапа сближения и посадки на Фобос заключается в перемещении КА с орбиты, близкой к орбите Фобоса, в заданный район на его поверхности с параметрами движения, необходимыми для обеспечения безопасной посадки на его поверхность.
На первом этапе пройдет уточнение взаимного положения орбит космического аппарата и Фобоса.
Так как с Земли практически невозможно контролировать положение Фобоса на его орбите, с борта аппарата группа управления будет получать изображения Фобоса, по ним уточнять эфемериды естественного спутника и осуществлять «привязку» орбиты Фобоса к орбите КА. После этого будут выполнены коррекции орбиты космического аппарата, обеспечивающие необходимые параметры траектории его движения относительно Фобоса.
Для уточнения характеристик рельефа поверхности Фобоса в предполагаемом районе посадки будет производиться многократная съемка этого района и обработка полученных изображений на Земле. По результатам этого анализа будет уточнена номинальная точка посадки и выработана соответствующая командно-программная информация, «закладываемая» на борт КА непосредственно перед этапом сближения.
Этап сближения и посадки начнется по команде с Земли; последующее движение аппарата будет происходить полностью в автоматическом режиме по командам бортовой вычислительной системы, использующей информацию от лазерного высотомера-вертиканта, допплеровского измерителя скорости и дальности и телевизионной системы посадки. Информация о работе бортовых систем будет передаваться на Землю через остронаправленную антенну.
Исполнительными органами бортовой вычислительной системы являются двигатели малой тяги, обеспечивающие в конечном итоге – на момент контакта аппарата с поверхностью – значение вертикальной скорости 1 м/с и горизонтальной – 0.7 м/с.
На поверхность Фобоса аппарат будет садиться на три опоры. В момент касания грунта первой опорой включатся двигатели прижима, предотвращающие отскок аппарата от поверхности. Возможно, будут применены и гарпунные устройства, обеспечивающие устойчивость аппарата при динамических операциях на поверхности.
Практически сразу после посадки вводится в действие грунтозаборное устройство и производится бурение. По рекомендации Академии наук разработчики рассматривают вариант установки на посадочном модуле небольшого манипулятора, с помощью которого можно будет отобрать отдельные наиболее интересные реликтовые образцы на поверхности спутника и поместить их в грунтозаборное устройство. Забор грунта массой 200–400 г осуществляется непосредственно в возвращаемую капсулу аппарата. После того, как грунт попадет внутрь капсулы, она герметично закрывается.
Старт взлетной ракеты произойдет через несколько дней после посадки. На поверхности останется посадочный модуль с комплексом научной аппаратуры по изучению Фобоса и Марса. Расчетное время активной работы модуля с комплектом научных приборов на поверхности спутника – 1 год.
При наступлении стартового окна взлетная ракета отделяется от посадочного аппарата и с помощью двигателей выходит на орбиту, именуемую базовой. На базовой орбите взлетная ракета может безопасно существовать несколько месяцев до начала маневров для отлета к Земле.
Взлетная ракета с возвращаемым модулем затем перейдет на эллиптическую орбиту и изменит ее наклонение, с тем чтобы ее плоскость совпадала с «плоскостью стрельбы». С этой орбиты и произойдет старт к Земле. На этапе перелета к Земле возвращаемый модуль отделится от взлетной ракеты и продолжит самостоятельный полет.
При перелете модуль будет сориентирован панелью солнечной батареи на Солнце и для стабилизации закручен вокруг этого направления. Модуль выполнит последние коррекции, обеспечивающие расчетный вход в земную атмосферу и посадку в заданном районе. Капсула массой 8–9 кг войдет в атмосферу со второй космической скоростью и осуществит беспарашютную посадку на территории российского полигона. На спускаемом аппарате будет работать радиомаяк, по которому поисковые службы и найдут капсулу.
Миссия предполагает доставку вещества Фобоса на землю.
Научные эксперименты, по замыслу разработчиков, должны решить основные исследовательские задачи, поставленные в проекте, обеспечить максимальную научную отдачу миссии, а также достаточную надежность получения результатов. Исходя из этого выбор экспериментов для установки на космическом аппарате осуществляется в порядке научных приоритетов:
- исследования физико-химических свойств реголита, геологическая и геохимическая аттестация места бурения и отбора образцов грунта;
- изучение внутреннего строения Фобоса;
- определение параметров орбитального и собственного движения Фобоса;
- исследования параметров околомарсианского пространства (пылевая и плазменная компоненты, магнитное поле);
- мониторинг атмосферы и поверхности Марса.
Внешний вид аппарата
Детали под катом.
Аппарат
Работы по проекту «Фобос-Грунт» выполняются НПО им. С.А.Лавочкина (головная организация) с участием Института космических исследований РАН, Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, ИПМ РАН им. М.В.Келдыша, ЦНИИмаш, КБХМ им. А.М.Исаева и других предприятий и организаций.
Запуск межпланетной станции планируется осуществить на РН «Союз-2» в октябре 2009 г. Расчеты показали, что стоимость проекта экспедиции к Фобосу при модульном построении КА, максимальном использовании отработанных технических решений и ориентации на РН среднего класса составит порядка 1.5 млрд руб.
Главное отличие нового варианта миссии от предыдущего заключается в том, что при перелете к Марсу для разгона аппарата не будут использоваться электрореактивные двигатели (ЭРДУ). Разработчики пошли на замену ЭРДУ на химические ДУ для уменьшения срока реализации миссии. Длительность перелета к Марсу теперь составит 11 месяцев вместо 550 суток в случае использования ЭРДУ.
Основная цель проекта – доставка грунта с поверхности Фобоса, однако для исследований в процессе перелета и на поверхности Фобоса на перелетном модуле разместят еще 50 кг научной аппаратуры, с помощью которой планируется провести порядка 20 научных экспериментов. Это приборы по изучению «на месте» свойств грунта (спектрометрические исследования, определение оптических и механических свойств, глубинное просвечивание), а также оборудование по дистанционному изучению Марса. Научные исследования начнутся уже с момента подлета станции к планете.
На борту аппарата также предусматривается установка дополнительной полезной нагрузки массой до 120 кг. Ею могут стать четыре малые марсианские метеостанции массой 15–20 кг. В такую станцию можно поместить до 4 кг научной аппаратуры.
Центральным элементом, или каркасом, аппарата является восьмигранная призматическая конструкция перелетного модуля. На гранях призмы размещается бортовая служебная и научная аппаратура. Приборы автоматической межпланетной станции (АМС) будут работать в условиях открытого космоса. Электропитание комплекса осуществляется от двух прикрепленных к перелетной ступени панелей солнечных батарей.
Управление станцией на всех этапах полета (включая выведение АМС на отлетную траекторию к Марсу) будет осуществляться бортовым комплексом управления. Определение ориентации аппарата – с помощью солнечных и звездных датчиков, а также бесплатформенного инерциального блока.
Для передачи служебной информации и научных данных на посадочной ступени установят остронаправленную и малонаправленные антенны (МНА). Диаграммы направленности МНА «закроют» обе полусферы АМС («верхнюю» и «заднюю») для гарантированной возможности связи со станцией в случае нештатных ситуаций и потери аппаратом ориентации.
Управление аппаратом будет проходить из трех пунктов, расположенных в Евпатории, Уссурийске и Медвежьих озерах. Их оснастят одними и теми же средствами, чтобы на протяжении всего полета и особенно в моменты активных операций гарантированно обеспечить управление аппаратом. Центр управления АМС разместят на территории НПО им. С.А.Лавочкина.
На аппарате будут применены однокомпонентные гидразиновые двигатели. Разгон аппарата с орбиты Земли на отлетную траекторию произойдет с помощью маршевой двигательной установки (МДУ) РБ «Фрегат». МДУ отличается от самого РБ отсутствием системы управления, системы энергопитания и радиокомплекса. Управление двигателями МДУ будет вестись с «головы» – бортовым комплексом управления АМС.
После отделения МДУ окончательный доразгон станции на траекторию перелета к Марсу проведут с помощью двигательной установки, расположенной на АМС. Эта же ДУ будет использоваться при траекторных коррекциях на трассе Земля–Марс и для торможения при выходе на орбиту Марса.
Двигатели малой тяги перелетного модуля предназначены для ориентации и стабилизации станции, для посадки на Фобос и «прижима» посадочного модуля к его поверхности.
Полет
Перелет Земля–Марс начинается с момента выхода АМС на отлетную от Земли траекторию и завершается подлетом к Марсу на минимальное расстояние. При подлете к Марсу прицельные параметры выбираются исходя из того, что переход на круговую орбиту наблюдения Фобоса, лежащую в плоскости его орбиты и превышающую ее по высоте на ~500 км, осуществляется по трехимпульсной схеме:
- первым тормозным импульсом АМС выходит на эллиптическую орбиту ИСМ с высотой апогея ~80000 км;
- вторым импульсом совмещаются плоскости орбит АМС и Фобоса;
- третьим тормозным импульсом станция выводится на орбиту наблюдения, на которой проводятся бортовые навигационные наблюдения Фобоса, необходимые для дальнейшего сближения орбиты АМС с орбитой Фобоса и посадки на него.
В соответствии с этой схемой подлет к Марсу происходит по пролетной гиперболической траектории с высотой перицентра 700–1000 км и наклонением к плоскости марсианского экватора, близким к нулю. Высота перицентра выбрана предварительно из условия непопадания КА в верхние слои атмосферы Марса.
После выхода на орбиту наблюдения примерно в течение 10 суток станция проведет 2–3 коррекции. Будут скорректированы радиусы перицентра и апоцентра орбиты, а при необходимости и наклонение. Это необходимо, чтобы обеспечить благоприятные условия для автономных бортовых навигационных измерений Фобоса с помощью бортовой ТВ-камеры.
Навигационные измерения пройдут на тех участках орбиты наблюдения, где это позволят осуществить условия освещенности и где расстояние от КА до Фобоса не будет превышать 1500 км.
Для уточнения эфемерид Фобоса и его гравитационной постоянной будут проведены навигационные измерения не менее чем в трех сближениях со спутником.
После завершения наблюдений может потребоваться проведение еще двух-трех коррекций орбиты наблюдения перед переходом АМС на квазисинхронную орбиту (необходимо для обеспечения требуемой конфигурации орбиты относительно Солнца и выбранной точки посадки на Фобос). Проведение навигационных наблюдений с борта станции дополняется высокоточными траекторными измерениями орбиты АМС с Земли.
Следующим шагом в сближении орбит КА и Фобоса перед заходом на посадку будет являться переход на квазисинхронную орбиту, имеющую равный с орбитой Фобоса период обращения, но отличающуюся от нее по высоте на одной части витка до плюс 50 км, а на другой – до минус 50 км. Двигаясь по такой орбите, АМС будет постоянно находиться вблизи Фобоса на расстоянии от 50 до 130 км. При этом за каждый виток орбитального движения вокруг Марса (~7.66 час) аппарат будет совершать полный оборот и вокруг Фобоса.
Основная задача этапа сближения и посадки на Фобос заключается в перемещении КА с орбиты, близкой к орбите Фобоса, в заданный район на его поверхности с параметрами движения, необходимыми для обеспечения безопасной посадки на его поверхность.
На первом этапе пройдет уточнение взаимного положения орбит космического аппарата и Фобоса.
Так как с Земли практически невозможно контролировать положение Фобоса на его орбите, с борта аппарата группа управления будет получать изображения Фобоса, по ним уточнять эфемериды естественного спутника и осуществлять «привязку» орбиты Фобоса к орбите КА. После этого будут выполнены коррекции орбиты космического аппарата, обеспечивающие необходимые параметры траектории его движения относительно Фобоса.
Для уточнения характеристик рельефа поверхности Фобоса в предполагаемом районе посадки будет производиться многократная съемка этого района и обработка полученных изображений на Земле. По результатам этого анализа будет уточнена номинальная точка посадки и выработана соответствующая командно-программная информация, «закладываемая» на борт КА непосредственно перед этапом сближения.
Этап сближения и посадки начнется по команде с Земли; последующее движение аппарата будет происходить полностью в автоматическом режиме по командам бортовой вычислительной системы, использующей информацию от лазерного высотомера-вертиканта, допплеровского измерителя скорости и дальности и телевизионной системы посадки. Информация о работе бортовых систем будет передаваться на Землю через остронаправленную антенну.
Исполнительными органами бортовой вычислительной системы являются двигатели малой тяги, обеспечивающие в конечном итоге – на момент контакта аппарата с поверхностью – значение вертикальной скорости 1 м/с и горизонтальной – 0.7 м/с.
На поверхность Фобоса аппарат будет садиться на три опоры. В момент касания грунта первой опорой включатся двигатели прижима, предотвращающие отскок аппарата от поверхности. Возможно, будут применены и гарпунные устройства, обеспечивающие устойчивость аппарата при динамических операциях на поверхности.
Практически сразу после посадки вводится в действие грунтозаборное устройство и производится бурение. По рекомендации Академии наук разработчики рассматривают вариант установки на посадочном модуле небольшого манипулятора, с помощью которого можно будет отобрать отдельные наиболее интересные реликтовые образцы на поверхности спутника и поместить их в грунтозаборное устройство. Забор грунта массой 200–400 г осуществляется непосредственно в возвращаемую капсулу аппарата. После того, как грунт попадет внутрь капсулы, она герметично закрывается.
Старт взлетной ракеты произойдет через несколько дней после посадки. На поверхности останется посадочный модуль с комплексом научной аппаратуры по изучению Фобоса и Марса. Расчетное время активной работы модуля с комплектом научных приборов на поверхности спутника – 1 год.
При наступлении стартового окна взлетная ракета отделяется от посадочного аппарата и с помощью двигателей выходит на орбиту, именуемую базовой. На базовой орбите взлетная ракета может безопасно существовать несколько месяцев до начала маневров для отлета к Земле.
Взлетная ракета с возвращаемым модулем затем перейдет на эллиптическую орбиту и изменит ее наклонение, с тем чтобы ее плоскость совпадала с «плоскостью стрельбы». С этой орбиты и произойдет старт к Земле. На этапе перелета к Земле возвращаемый модуль отделится от взлетной ракеты и продолжит самостоятельный полет.
При перелете модуль будет сориентирован панелью солнечной батареи на Солнце и для стабилизации закручен вокруг этого направления. Модуль выполнит последние коррекции, обеспечивающие расчетный вход в земную атмосферу и посадку в заданном районе. Капсула массой 8–9 кг войдет в атмосферу со второй космической скоростью и осуществит беспарашютную посадку на территории российского полигона. На спускаемом аппарате будет работать радиомаяк, по которому поисковые службы и найдут капсулу.
Leave a comment