za_neptunie (za_neptunie) wrote,
za_neptunie
za_neptunie

Небольшие зонды для дальнего космоса

система Процион

Процион — ярчайшая звезда созвездия Малого Пса.

В этом году должна начаться уникальная межпланетная миссия с длительностью полета до 2 лет. В ходе нее будет совершён близкий пролет нескольких астероидов миниатюрным аппаратом весом всего в 59 кг. Для сравнения, средний вес межпланетной станции обычно составляет около тонны. Поэтому я решил рассказать в обзоре о всех небольших межпланетных станциях общей массой меньше 100 кг.

Первые такие межпланетные зонды появились уже в конце 50х годов 20 века, в рамках программы «Пионер». В то же время была очень напряженная космическая гонка между СССР и США. Американцы в ней проигрывали из-за невозможности создать мощные РН, которые к этому времени уже имелись у СССР. Если первая межпланетная станция «Луна-1» имела массу 361 кг, то американцы могли вывести на межпланетную траекторию массу почти на порядок меньше. Но американцы были настолько безрассудны в своём стремлении выиграть космическую гонку, что задумали не много ни мало, что их первые зонды должны были стать первыми искусственными спутниками Луны. С лунной орбиты они должны были фотографировать поверхность, в том числе, получить первые снимки обратной стороны Луны. Эти дерзкие планы потерпели полный крах, но о них стоит рассказать, как об удивительных изделиях начала космической эры.

Луна

   Первая тройка лунных «Пионеров» была создана ВВС США в 1958 году. Корпус аппаратов состоял из двух стеклопластиковых конусов диаметром до 72 см, и высотой в 45 см. Для выхода на лунную орбиту на аппарате были 8 твердотопливных двигателей, переделанных из двигателей ракеты воздух-воздух «Фалкон». Общая масса зонда составляла 38 кг, из них 15 кг весили научные приборы, и 11 кг - двигатели и топливо. На зонде имелась инфракрасная камера, магнитометр и детектор микрометеоритов. Солнечных батарей на зондах не было, питание осуществлялось от аккумуляторов.


внешний вид зондов Пионер-0, 1, 2

 Внешний вид зондов Пионер-0, 1, 2. Источник.

 Ни один из запусков не смог выполнить поставленную задачу. Во время первого запуска, 17 августа 1958 года, РН потерпела аварию на 77 секунде. При втором запуске, 11 октября 1958 года РН смогла вывести зонд на эллиптическую орбиту, но при этом произошёл недобор скорости. Аппарат в апогее орбиты достиг высоты в 113 854 км (1/3 от расстояния до Луны), и через 43 часа 17 минут при возвращении он сгорел в перигее. За это время удалось получить научную информацию о внешних поясах Ван Аллена, а также, оценку опасности микрометеоритов в космосе, как 0,0052 воздействия в секунду на квадратный метр поверхности.

  На аппарате Пионер-2 ИК-камеру заменили более легкой оптической камерой, имеющей лучшее разрешение. Кроме того, на зонд был добавлен счетчик космических лучей и заменены аккумуляторы. При его запуске 8 ноября РН снова недобрала скорости, и зонд поднявшись до высоты в 1550 км, при возвращении опять сгорел над северо-западной частью Африки.


запуск Пионера-0 17 августа 1958 года

  Запуск зонда Пионер-0 7 августа 1958 года. Источник.

  Параллельно другая военная организация - агентство баллистических ракет, изготовила в консультации с NASA ещё два зонда для Луны — Пионер-3 и -4. Корпус этих аппаратов представлял собой конус из стеклопластика, покрытый золотом. Габариты аппаратов были 25 см в диаметре и 58 см в высоту. Масса аппаратов была всего лишь 6 кг, поэтому он был предназначен для тестирования возможности фотографирования Луны с пролетной траектории. Кроме того, на аппарате был установлен счетчик Гейгера, для изучения внешних областей радиационных поясов Ван Алена. Электропитание осуществлялось с помощью аккумуляторов. Радиопередатчик массой в 0.5 кг, имел мощность 0.1 Ватт на частоте 960.05 мегагерц.



Пионер-3 готовится к запуску

    Пионер-3 готовится к запуску. Источник.

    6 декабря 1958 в космос был запущен Пионер-3. В ходе запуска ракета опять недобрала космическую скорость, и аппарат достигнув высоты в 102460 км, вернулся в земную атмосферу над Африкой, через 33 часа после запуска. В ходе недолгого полета наземные станции принимали сигналы зонда в течение 25 часов. Телеметрическая информация показала, что температура внутри зонда в ходе полета была около 43 градусов Цельсия. Данные счетчика Гейгера позволили открыть, что внешний пояс Ван Алена представляет собой два различных радиационных пояса.



Вернер фон Браун (слева) и Пионер-4

    Вернер фон Браун (слева) и Пионер-4. Снимок за три дня до запуска. Источник.

     Запуск второго зонда 3 марта 1959 года был более успешным. Пионер-4 стал первым американским зондом, покинувшим земное притяжение. Аппарат должен был пройти в 30 тысячах километрах от лунной поверхности, чтобы вызвать срабатывание фотодетектора, тестирующего фотографическую систему. Но Пионер-4 прошел в 60 тысячах километрах от Луны, поэтому срабатывание фотодетектора не произошло. С другой стороны, аппарат передал много данных об радиационной обстановке. Связь с зондом поддерживалась в течение 82 часов до расстояния в 1065 тысяч км. Вместе с зондом на гелиоцентрическую орбиту вышла четвертая ступень массой в 4.65 кг. Она представляла собой цилиндр длиной 173 см и диаметром в 15 см.



запуск Пионер-4 РН Юпитер-2

      Запуск Пионер-4 на РН Юпитер-2. Источник.

      После этого небольшого успеха в США возобновились попытки создания аппарата для лунной орбиты с целью фотографирования поверхности. Была создана новая серия из 4 аппаратов, уже имеющих солнечные батареи. Их масса составила около 170 кг, поэтому я не буду рассказывать о них подробнее (за верхнюю границу малых зондов я взял 100 кг). Скажу лишь, что ни один из этих зондов не вышел в космос по причине постоянных аварий новой РН Атлас-Эйбл в 1959-1960 годах. В то же время американцы создали небольшой межпланетный зонд на солнечных батареях, получивший название Пионер-5. Первоначально аппарат был задуман для близкого пролета Венера, но от него отказались из-за невозможности осуществления коррекции траектории полета. Масса аппарата составляла всего 43 кг, на нем было установлено 4 научных прибора общим весом в 18 кг: счетчик Гейгера, магнитометр, детектор метеоритов, детектор космических лучей. 4 солнечные батареи имели мощность 150 Ватт. Это была рекордно большая электрическая мощность для космического аппарата на тот момент.


Пионер-5 во время наземных испытаний

      Пионер-5 во время наземных испытаний. Источник.

      11 марта 1960 году станция была успешно выведена на гелиоцентрическую орбиту с апогеем 0.99 а.е. и перигеем 0.71 а.е.. Из-за небольшой электрической мощности связь с аппаратом поддерживали только 2 часа в сутки. В общей сложности за 138.9 часов радиоконтактов было получено 3 Мбит научных данных. До 30 апреля 1960 года, с Пионера-5 успешно принимались научные данные. Служебные сигналы с зонда принимались до 26 июня, когда станция удалилась на 36 миллионов км от Земли. На тот момент это был рекорд максимального расстояния до работающего зонда. Последний сигнал с зонда принял крупнейший на тот момент британский 76-метровый радиотелескоп «Лавелл» в английской обсерватории «Джодрелл Бэнк»


запуск зонда Пионер-5

      Запуск зонда Пионер-5. Источник.

      В тоже время и советские инженеры осваивали технологии миниатюризации космических аппаратов. Хотя королевская «семерка» могла вывести к Луне до 1.5 тонн полезного груза, мягкую посадку там мог совершить аппарат весом чуть менее 100 кг. Проект первой советской посадки на Луну получил обозначение E-6. Диаметр спускаемого аппарата был 50 см. Он включал в себя надувные воздушные мешки, в связи с тем, что не было известно, что представляет собой лунная поверхность — толстый слой пыли или скальные породы. На аппарате был установлен телефотометр, для передачи панорамы окружающей местности. Питание аппарата осуществлялось от аккумуляторов. Из-за малого размера посадочных станций Е-6, они остаются до сих пор единственными посадочными аппаратами из совершивших успешную мягкую посадку на Луне, которые не удалось обнаружить на снимках лунного спутника LRO.

схема мягкой посадки на Луну станции Е-6


     Схема мягкой посадки станции Е-6 на Луну. Источник.

     Запуски по программе E-6 начались с 1963 года. 4 зонда были потеряны при авариях РН. Еще два зонда не смогли покинуть околоземную орбиту. Запущенный 2 апреля 1963 года, аппарат Луна-4 промахнулся мимо Луны на 8.5 тысяч километров. Луна-5, 12 мая 1965 года уже смогла достичь Луны, но мягкую посадку осуществить не удалось. Луна-6, 11 июня 1965 года пролетела от Луны в 120 тысячах километров. Луна-7, 7 октября 1965 года снова достигла Луны, но двигатели мягкой посадки не смогли погасить скорость, и станция разбилась об лунную поверхность. 6 декабря 1965 года, Луна-8 также попыталась совершить посадку на Луне. Вследствие производственного дефекта, на зонде был повреждён резиновый надувной амортизатор, который должен был смягчить удар об поверхность при прилунении, и выходящий из него газ «закрутил» станцию, препятствуя запуску тормозного двигателя. После этих неудач тематика станций для дальнего космоса была переведена из ОКБ-1 в КБ им. Лавочкина.

    Наконец, 2 февраля 1966 года, станция Луна-9 смогла совершить первую мягкую посадку на поверхность Луны. Впервые были переданы снимки окружающей местности. За трое суток со станцией было проведено 8 сеансов связи, общей продолжительностью более 8 часов.


снимок с Луны-9

    Снимок лунной поверхности с Луны-9. Источник.

    Для закрепления результата была создана вторая станция — Луна-13, совершившая новую мягкую посадку на Луну 24 декабря 1966 года. Она была дополнена грунтомером-пенетрометром, радиационным плотномером и динамографом для изучения свойств лунного грунта. В результате чего масса спускаемого аппарат подросла до 110 кг и станция получила обозначение Е-6М. Станция проработала 9 суток на поверхности Луны и смогла передать 3 панорамы при различной высоте Солнца в 6, 9 и 32 градуса.



снимок с Луны-13

      Снимок с Луны-13. Источник.



технологический дублер станции Луна-13 в музее НПО имени Лавочкина

      Технологический дублер станции Луна-13 в музеи НПО имени Лавочкина. Источник.

       В тоже время и в США снова начали запускать небольшие зонды к Луне. Во время программы Аполлон, на орбите Луны, от пилотируемого корабля отделялись небольшие спутники PFS-1 и PFS-2. Эти спутники представляли собой шестиугольный цилиндр, длиной в 78 см, и до 38 см в ширину. На каждом спутнике было закреплены 3 штыря длиной по 1.5 метра. Один из них нес магнитометр, два других служили для балансировки. Общая масса каждого спутника составляла 36.3 кг. Поверхность спутника покрывали солнечные батареи, имеющие максимальную мощность в 24 Вт, и 14 Вт в среднем за одну лунную орбиту. Также на спутнике было установлены 11 серебро-кадмиевых батарей. Передатчик S-диапазона передавал данные на Землю со скоростью в 128 бит в секунду. Запоминающее устройство на магнитных сердечниках обеспечивало объем хранимых данных в 49152 бита. На спутнике, кроме магнитометра, было установлено еще несколько детекторов космических лучей.



художественное изображение субспутника

      Художественное изображение запуска спутника с борта Аполлона. Источник.


механизм запуска субспутника

       Механизм запуска субспутника.

       Первый спутник был запущен 26 июля 1971 года с борта Аполлона-15 с помощью пружинного толкателя. Спутник вышел на орбиту с перигеем в 102 км, апогеем 139 км, наклонением 28.5 градусов и периодом обращения в 120 минут. Через 6 месяцев работы на спутнике перегорели несколько электронных плат, в результате чего было потеряны большинство каналов передачи научной информации. Наземный прием данных продолжался до конца января 1973 года. На момент прекращения работы спутник был все ещё работоспособным. Предполагают, что в конце концов аппарат разбился об поверхность Луны.

      Второй спутник был запущен 24 апреля 1972 года с борта Аполлона-16 также с помощью пружинного толкателя. Спутник вышел на орбиту с перигеем в 90 км, апогеем 130 км, наклонением 10 градусов, и периодом обращения в 120 минут. Орбита выведения была менее оптимальной, поэтому уже через 34 дня спутник разбился об лунную поверхность.



снимок спутника с Апполона-15

       Снимок спутника с Аполлона-15. Источник.

       Одновременно астронавты оставляли на поверхности Луны комплекты автоматических лунных станций (ALSEP), каждый весом около 113 кг. Станции питалась от РИТЭГов, и включали в себя сейсмометр и детектор пыли. РИТЭГ имел массу 17 кг (4 кг плутония-238) и генерировал электрическую мощность около 70 Вт.


схема разрверутной станции Аполлона-17


      Схема развернутой станции Аполлона-17. Источник.

      Во время первой посадки на Луну астронавты Аполлона-11 развернули упрощенную версию лунной станции EASEP (Early Apollo Surface Experiments Package) в 17 метрах от места посадки. Это связано с тем, что развертывание полной версии станции занимало около 2 часов, в то время как EASEP - только 10 минут. На EASEP для электропитания были установлены солнечные батареи, а общая масса EASEP составляла 48 кг. Станция пережила первую лунную ночь, в полдень второго лунного дня EASEP перестала отвечать на запросы, и работу с ней прекратили. Остальные станции ALSEP, развернутые в 1970-1972 годах, успешно проработали до 30 сентября 1977 года. В этот день, NASA решило выключить станции по причине бюджетных ограничений. Кроме того, другой причиной такого решения называют то, что комната управления проекта ALSEP понадобилась для попыток спасения станции Скайлеб.



станция ALSER с Аполлона-12

  Станция ALSER с Аполлона-12. Источник.

  После 70х годов 20 века полеты к Луне надолго прекратились. Только в 1990 году, после долгого перерыва, состоялся первый пуск к Луне. В этом году Япония отправила туда свой небольшой зонд Hiten, общей массой 197 кг. Только на 10й месяц полета эта станция вышла лунную орбиту с помощью сложной системы гравитационных маневров и аэродинамического торможения в земной атмосфере. Японская станция была экспериментальная, из научных приборов на ней был только микрометеоритный детектор. Кроме того, станция несла 12 кг-вый микроспутник Hagoromo, представляющий собой структуру из 26 граней. 16 граней были покрыты 1000 ячеек индий-фосфорных солнечных батарей, общей мощностью 10 Ватт. Отделение микроспутника было произведено 18 марта 1990 года, во время пролета Луны в 16 тысяч км, с целью вывода его на лунную орбиту. Для этого на борту спутника находилось 5 кг топлива. Первые наблюдения в оптический телескоп показали предварительную лунную орбиту Hagoromo в 7400 на 20000 км с периодом 2 дня. В тоже время передатчик на микроспутнике сломался ещё 21 февраля 1990 года, поэтому достоверно неизвестно, удалось ли ему действительно выйти на лунную орбиту.


внешний вид аппаратов Hiten и Hagoromo

    Внешний вид аппаратов Hiten и Hagoromo. Источник.

    В следующей японской миссии Кагуя (или SELENE) было уже два субспутника. Основная станция вышла на лунную орбиту 4 октября 2007 года. 9 октября 2007 на полярной орбите с перигеем в 100 км и апогеем в 2400 км было произведено отделение первого микроспутника «Rstar» («Окина»).


расположение обоих субспутников на Кагуе

  Расположение обоих субспутников на станции Кагуя. Источник.


до и после отделения второго субспутника на Кагуе

  До и после отделения первого субспутника на станции Кагуя. Снимки получены бортовой камерой. Источник.

  12 октября на полярной орбите высотой от 100 до 800 км отделился второй аппарат «Lstar» («Оюна»).


до и после отделения второго субспутника на Кагуе

   До и после отделения второго субспутника на станции Кагуя. Снимки получены бортовой камерой. Источник.

  Оба аппарата имели массу 53 кг и размеры в 1 x 1 x 0.65 метра. Солнечные батареи на поверхности давали электрическую мощность 70 Вт. Первый спутник использовался как ретранслятор между Землёй и станцией Кагуя, когда она находилась на обратной стороне Луны. Второй спутник использовался для уточнения гравитационного поля Луны с помощью наблюдения его положения сетью радиотелескопов со сверхдлинной базой. Работа со спутником «Lstar» продолжалась до самого его падения на поверхность Луны 12 февраля 2009 года. 11 июня на Луну упал основной аппарат «Кагуя», и работа со со вторым спутником «Rstar» была прекращена 29 июня 2009 года.



микроспутник RStar на наземных испытаниях

  Микроспутник RStar на наземных испытаниях. Источник.


основной принцип работы микроспутников

  Основной принцип работы микроспутников. Источник.

  Следом к Луне запустила свой микрозонд и Индия. Аппарат представлял собой ударный зонд, который отделялся от лунного спутника Чандраян-1, и падал на поверхность Луны. Его назвали MIP (Moon Impact Probe).


расположение MIP на аппарате Чандраян-1

     Расположение MIP на аппарате Чандраян-1. Источник.

     Зонд имел массу всего 29 кг, и габариты в 375 x 375 x 470 миллиметра. На аппарате был установлен радарный альтиметр, камера, спектрометр, а также собственная двигательная установка для падения на Луну. Электропитание осуществлялось от аккумуляторной батареи.

прибор MIP

   Приборы MIP. Источник.



наземная подготовка зонда MIP


наземная подготовка зонда MIP 2

    Прикрепление MIP к станции Чандраян-1. Источник.

    Отделение MIP произошло 14 ноября 2014 года. Через 25 минут после отделения этот аппарат упал на поверхность Луны, сделав и передав 3100 снимков. Кроме того, спектрометр обнаружил признаки воды.



схема падения MIP

     Схема падения MIP. Источник.


мозаика из снимков MIP наложенная на снимки Клементины


     Мозаика из снимков MIP, наложенная на снимки станция Клементина. Источник.

     В последние годы активно разрабатываются новые проекты минизондов для полета к Луне. Тут можно вспомнить пенетраторы с сейсмографами из российского проекта Луна-Глоб и конкурс Google Lunar X PRIZE. К примеру, российская команда в рамках конкурса предлагает отправить на Луну луноход массой всего 5-15 кг.



российский луноход Селеноход

      Российский проект «Селеноход». Источник.



      Продолжение следует.

Tags: межпланетные станции легче 100 кг
Subscribe
promo za_neptunie july 10, 2014 20:36 8
Buy for 30 tokens
Число постов в блоге перевалило за сотню, поэтому я решил систематизировать их по различным тематиками. Это поможет мне и моим читателям быстрее находить в блоге интересную информацию. Последнее обновление от 4 августа 2014 года Венера Новая книга о Венере Венера-Экспресс готовится к…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 18 comments