В этот день… №2-21 (21-31 мая)



Александр Грищенко Сотрудники ГИРДа вспоминали, что любимой фразой Фридриха Артуровича Цандера была: «А всё-таки полетим на Марс». Через сорок лет после создания ГИРДа пришло время полётов к красной планете.
 
 
 
 
24 мая 1960 года – первый успешный запуск разведывательного ИСЗ МИДАС (MIDAS, США).

Кроме программы разведывательных спутников CORONA (обзор №2-12 21–29.02.2017), в США были и другие разведывательные проекты. Один из них предусматривал создание аппаратуры для обнаружения факелов ракетных двигателей и установку её на спутники, которые могли позволить определить момент и координаты пуска межконтинентальных баллистических ракет противника. Предотвратить катастрофу такие космические аппараты были не в состоянии, но давали время на взлёт бомбардировщиков стратегической авиации с атомным оружием на борту и эвакуацию военно-политического руководства страны.

Контракт на разработку и реализацию системы MIDAS (аббревиатура системы предупреждения пуска ракет – Missile Defense Alarm System) был подписан 16 марта 1955 года, т.е. задолго до появления средств для запуска аппаратуры в космос.

После 4 октября 1957 года американское руководство сделало вывод, что теперь советская ракета способна доставить атомный заряд в любую точку планеты. В феврале 1959 года агентство ARPA, в ведении которого находилась данная программа, представило ВВС отчёт, в котором излагалась концепция и подробный план использования ближнего космоса в интересах США. В рамках программы MIDAS предполагалось запустить несколько экспериментальных аппаратов, а затем – в случае успеха – в период с ноября 1959 года до мая 1961 года развернуть на орбите полномасштабную систему раннего предупреждения о ракетном нападении, включающую десять спутников.

Учитывая требование высокой оперативности передачи разведывательной информации о пуске ракет, MIDAS должен был просто отправить радиосообщение о том, что обнаружил признаки пуска ракеты, а также время и место старта.

Для круглосуточного охвата территории Советского Союза необходимо было держать на орбите множество спутников. Носителей, способных вывести аппарат на геостационар, ещё не было, поэтому пришлось довольствоваться тем, что есть: запуском спутников на орбиты малой и средней высоты с помощью первых, относительно слабых носителей (Atlas-Agena).

Инфракрасный датчик для обнаружения факела стартующей ракеты, оснащённый приводамиКосмические аппараты MIDAS массой от 1060 до 2025 кг в зависимости от модификации технически делились на две части: в передней устанавливался инфракрасный детектор, в задней – источники энергии и бортовое оборудование, в том числе мощный радиопередатчик. Разрабатываемая система могла предупреждать о нападении противника за 30 минут до того, как ракета выйдет к цели. Это в два раза быстрее по сравнению с возможностями огромных радиолокаторов системы дальнего обнаружения баллистических ракет, расположенных в Туле (Гренландия).

Экспериментальные инфракрасные детекторы, которые предполагалось испытать на спутниках MIDAS, были настолько чувствительны, что обнаруживали зажжённую сигарету с высоты около 13 км. Однажды во время испытаний ракет такой датчик зафиксировал тепло, излучаемое кофейником, оказавшимся на стартовой позиции.

Из-за проблем технического характера реализация программы затянулась. Первый запуск экспериментального спутника MIDAS-1, выполненный с мыса Канаверал 26 февраля 1960 года, закончился аварией на участке работы второй ступени РН.

Второй прототип – MIDAS-2 с инфракрасным сенсором W-17 – был успешно выведен на орбиту 24 мая 1960 года, однако уже на следующий день вышел из строя.

Подготовка к пуску ракеты «Атлас» со спутником MIDAS-9Третий MIDAS был запущен 12 июля 1961 года с авиабазы Ванденберг, но работоспособность системы подтвердил только MIDAS-4, выведенный на орбиту 24 октября 1961 года: он засёк факел двигателей баллистической ракеты Titan 1, стартовавшей с мыса Канаверал, однако сообщение о пуске пришло со спутника с большой задержкой. На тот момент система была работоспособной, но не эффективной. Позднее утверждалось, что первая по-настоящему удачная миссия была выполнена лишь в 1963 году: в мае и июне MIDAS-7 обнаружил запуски ракет во Флориде и Калифорнии.

В общей сложности по программе MIDAS было выполнено 12 запусков, но лишь восемь из них были успешными (и то, часто не полностью). Как оказалось, инфракрасные датчики не обеспечивают раннего предупреждения из-за недоведённости системы в целом. Не сильно помогла даже замена раннего варианта детектора W-17 модернизированным W-37 (MIDAS-7). Потребности военных не удовлетворялись, и проект в скором времени закрыли.

Кроме того, проект MIDAS слишком быстро поглощал выделенные на него средства. В 1959 году предварительные затраты оценивались в пределах 200-600 млн. долларов (это 1,3-6,0 млрд. по курсу 2006 года). Реальная отдача оказалась очень небольшой.

Тем не менее спутники этой серии использовались для различных вспомогательных целей. Так, спутники MIDAS-4 и MIDAS-6 привлекались к эксперименту Westford Needles по созданию искусственной ионосферы за счёт выброса огромного количества медных иголок-диполей.

Проект MIDAS полностью рассекретили только в 1998 году.


 

28 мая 1971 года – старт автоматической межпланетной станции «Марс-3» (СССР).

28 мая 1971 года к Марсу отправился следующий аппарат серии «М-71» — «Марс-3». По результатам внешнетраекторных измерений 5 июня на «Марсе-2» и 8 июня на «Марсе-3» были проведены первые коррекции траектории их движения. Бортовая аппаратура станций работала без замечаний. Из-за особенности траектории полёта к Марсу, сеансы связи со станциями проводились ночью. В ноябре 1971 года успешно провели вторые коррекции траекторий движения. А дальше большая удача закончилась. На Марсе бушевала необычно сильная пылевая буря, охватившая всю поверхность планеты. Астрономы такой мощной бури на Марсе не фиксировали за всю историю его наблюдений. Погода была неблагоприятной как для наблюдений с орбитальных станций, так и для посадки спускаемого аппарата.

Спускаемый аппарат станций «М-71»21 ноября 1971 года с использованием СКАНа провели третью коррекцию траектории движения «Марса-2». Спускаемый аппарат (СА) «Марса-2» был отстыкован от орбитального отсека 27 ноября 1971 года, а сама станция выведена на орбиту ИСМ с периодом обращения 18 часов. Перед отделением спускаемого аппарата бортовой компьютер из-за программной ошибки сработал неправильно и в СА были введены ошибочные установки, предусматривающие нерасчётную ориентацию станции перед отделением. Через 15 минут после отделения, на СА включилась твердотопливная ДУ. Она обеспечила перевод СА на траекторию попадания на Марс. Однако угол входа в атмосферу оказался больше расчётного. СА «зарылся» в марсианскую атмосферу и не успел затормозить на этапе аэродинамического спуска. Парашютная система ничего не могла сделать в такой ситуации. СА разбился о поверхность Марса, впервые в истории достигнув поверхности красной планеты. На борту СА был закреплён вымпел СССР.

Кадры, переданные с борта СА АМС «Марс-3»Третью коррекцию «Марса-3» успешно провели 2 декабря 1971 года. СА отделился и перешёл на расчётную траекторию посадки. Через 4 часа 35 минут он вошёл в атмосферу со скоростью 5800 м/с, уменьшил скорость за счёт аэродинамического торможения, открыл парашют, и автоматическая марсианская станция совершила посадку на поверхность планеты. Орбитальный отсек «Марс-3» был выведен на орбиту ИСМ с периодом обращения 12 суток 19 часов.

Во время спуска СА в течение 15 секунд передавал слепые кадры, после чего связь с ним была утрачена. Поскольку он совершил посадку среди разрушительной пылевой бури, считается, что его парашют потащило ветром со скоростью 140 м/с, а его самого разбило вдребезги. Правда, была и другая версия прекращения передачи с поверхности Марса. Причиной мог быть коронный разряд в антеннах передатчика.

Организация передачи информации с  СА аппаратов «М-71» с Землёй через орбитальный отсек на орбите спутника МарсаВыйдя на орбиту, «Марсы» проводили съёмку поверхности, но пыль полностью скрывала рельеф. Не видно было даже горы Олимп, возвышающейся на 26 км! Программа исследований оказалась сорванной.

В одном из сеансов съёмки была получена фотография полного диска Марса с чётко выраженным тонким слоем марсианских облаков над пылью. Во время этих исследований в декабре 1971 года пылевая буря подняла столько пыли в атмосферу, что планета выглядела мутным красноватым диском. Но низкое качество изображений «Марсов» было не только из-за природных явлений, но и по причине выбора неправильной выдержки фототелевизионной установки (ФТУ). Фотографии в этом случае получались пересветлёнными.

Аппараты функционировали на орбите Марса более 8 месяцев и прекратили работу, израсходовав бортовой запас рабочего тела (азота) в системе ориентации 23 августа 1972 года.

Цветная фотография Марса, полученная КА «Марс-3»Кроме фотографий был получен большой объём научной информации. На расстоянии около 20 млн. км от Земли был обнаружен шлейф её магнитного поля. Определены свойства атмосферы и поверхности Марса по характеру излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра и в радиодиапазоне. Были получены сведения о характере поверхностных пород, о плотности грунта и его теплопроводности. Были также выявлены тепловые аномалии на поверхности планеты, зарегистрировано наличие магнитного поля Марса. По измерению прозрачности атмосферы получены данные о высоте пылевых облаков и размерах пылевых частиц. Были и другие научные достижения, что позволяет считать полёты двух советских КА «М-71» частично успешными. Полученный опыт позволял надеяться на успех в следующем благоприятном для полёта на Марс году – в 1973-м. Но действительность, увы, обманула все ожидания, правда это уже другая история.


 

30 мая 1971 года – старт автоматической станции «Маринер-9» (США).

Кроме советских КА «Марс-2» и «Марс-3» в марсианской гонке 1971 года принимал участие ещё один КА – американский «Маринер-9» (Mariner-9).

АМС «Маринер-9» (Mariner-9)Ещё в 1968 году NASA приняло решение запустить в 1971 году две идентичные автоматические межпланетные станции «Маринер» (буквально – «моряк») на орбиту вокруг Марса. Программа получила название «Маринер Марс 71». Станции должны были выполнить топографические и теплофизические исследования, а также изучить сезонные изменения атмосферы и поверхности Марса (поскольку срок активного существования на марсианской орбите предполагался не менее 90 дней).

Планировалось собрать данные о химическом составе, плотности, давлении и температуре атмосферы, а также информация о составе, температуре и рельефе примерно 70% поверхности планеты.

Научная аппаратура каждого КА включала в себя телевизионную систему (две ТВ камеры), инфракрасный радиометр, инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры.

Корпус КА имел форму восьмигранника и был изготовлен из лёгких материалов – алюминия, магния и стеклопластика. Четыре панели СБ обеспечивали электроэнергией бортовых потребителей (800 Вт на околоземной орбите и 500 Вт на марсианской). КА стабилизировался по трём осям с точностью до 0,25° при помощи 12-ти однокомпонентных двигателей ориентации, работающих на сжатом газе. Система ориентации трёхосная на базе солнечных датчиков и датчика звезды Канопуса.

Масса космического аппарата 998 кг, в том числе 450 кг – КТДУ тягой 1,3 кН, работавшая на четырёхокиси азота и монометилгидразине.

Двигательная установка проектировалась как единый блок, включающий в свой состав топливные баки и баллоны для сжатого газа, соответствующую арматуру и силовую конструкцию, служащую для крепления двигателя и топливных трубопроводов.

Ракетный двигатель охлаждался горючим. Он был разработан фирмой «Рокетдайн» всего за 20 месяцев и имел обозначение RS-2101. Двигатель продемонстрировал способность к многократным запускам в вакууме, мог непрерывно работать в течение 900 с, устойчиво работал на компонентах, насыщенных растворенным азотом и обеспечивал малый разброс импульса последействия при выключении.

Программа полёта КА «Маринер» предусматривала следующий порядок включения КТДУ:

Манёвр Время проведения манёвра Изменение скорости КА, м/с Продолжительность работы двигателя, с
Первая коррекция траектории перелёта Земля-Марс Через одну неделю после запуска 15 12
Вторая коррекция траектории перелёта Земля-Марс За две недели до перехода на орбиту ИСМ 5 4
Переход на орбиту ИСМ При подходе к планете 1575 860
Первая коррекция орбиты ИСМ Через 1-3 суток после перехода на орбиту спутника Марса 25 11
Вторая коррекция орбиты ИСМ Через 3-5 суток после перехода на орбиту спутника Марса 30 13
Итого: 1650 900

 
Для выполнения всех этих манёвров двигатель должен был иметь следующие характеристики: тяга в пустоте – 1335±89 Н; минимальный удельный импульс в пустоте – 2776 м/с; минимальное число включений – 5; минимальный импульс тяги в пустоте – 534 Н·с; максимальный разброс импульса последействия после выключения – ±22,3 Н·с; соотношение расходов компонентов – 1,57; давление компонентов топлива на входе в двигатель – 1,65 МПа; степень насыщения компонентов растворенным азотом – 0…100 %; угол качания двигателя в карданном подвесе – ±0,157°; полная продолжительность полёта – 300 суток.

Схема организации внутреннего охлаждения от головки камеры сгорания

Схема организации внутреннего охлаждения от головки камеры сгорания:
1 – профиль температуры газа; 2 – распределение коэффициента избытка окислителя; 3 – ядро потока; 4 – пристеночный слой; 5 – пограничный слой; 6 — стенка

Камера сгорания двигателя выполнена из высокотеплопроводного бериллия и охлаждалась плёночной завесой от головки. Практически неограниченный ресурс двигателя достигался оптимальным профилированием камеры сгорания, эффективным использованием плёночной завесы и обеспечением равновесных температурных режимов камеры сгорания и сопла. Первым американским двигателем с такой системой охлаждения был ЖРД «Дюрадайн», разработанный фирмой «Рокетдайн» по контракту с Лабораторией ракетных двигателей ВВС США. Двигатель работал на четырёхокиси азота и монометилгидразине и развивал тягу 445 Н. Камера целиком была выполнена из бериллия. Суммарная наработка в результате испытаний двигателя составляла 30000 с. Максимальное время работы на стационарном режиме достигало 10000 с.

Прототипом двигателя RS-2101 был ЖРД тягой 1335 Н с монолитной бериллиевой камерой сгорания, разрабатывавшийся для другой программы. После некоторых усовершенствований он мог удовлетворить комплексу требований, изложенных выше. Основные доработки состояли в следующем: 1) замена теплоизолированного сопла неизолированным сопловым насадком; 2) уменьшение угла соударения струй внешнего ряда пар струйных форсунок распылительной головки камеры сгорания; 3) увеличение скорости движения плёночной завесы; 4) уменьшение угла впрыска охлаждающей плёнки относительно стенки для лучшего охлаждения её; 5) устранение из камеры сгорания трёх радиальных перегородок, служивших для стабилизации горения.

Старт АМС «Маринер-9»В конструкции двигателя использовались металлы, обладающие достаточной технологичностью. Алюминиевый сплав 2219-Т6, из которого изготовлена форсуночная головка, позволяет применять точную электроннолучевую сварку для приварки огневого и промежуточного днищ головки. Точность расположения и стабильность характеристик струйных форсунок достигались посредством электроискрового метода обработки. Теплофизические свойства бериллия позволили реализовать принцип комбинированного охлаждения. Сопловой насадок, охлаждаемый излучением, изготовлялся из кобальтового сплава L-605.

Камера сгорания сконструирована таким способом, чтобы при сборке с форсуночной головкой образовывались акустические полости. Размеры этих полостей были выбраны из условия подавления первого тона тангенциальных колебаний камеры сгорания. Узел крепления был изготовлен из титанового сплава 6А1-4V. Для вытеснения компонентов топлива из баков ДУ использовались тефлоновые разделительные мешки, наддуваемые газообразным азотом. Вследствие большой продолжительности полёта и газопроницаемости разделительных мешков компоненты топлива насыщаются азотом. Для оценки работоспособности на таком топливе опытные образцы двигателя подвергались длительным огневым испытаниям на компонентах, полностью насыщенных азотом при баковом давлении 1,7 МПа. Совместное влияние изменения плотности горючего и окислителя привело к уменьшению тяги двигателя примерно на 44 Н. Несмотря на эти отклонения в силе тяги и соотношения компонентов топлива, а также на подачу в камеру сгорания двухфазных компонентов, работа двигателя не нарушалась и была устойчивой.

Двигатель RS-2101 получился удачным, и его модификация использовалась и на последующих марсианских КА, разработанных в США.

Схема полёта РН «Atlas-Centaur»Что касается программы «Маринер Марс 71», то и у НАСА не всё получилось так как было запланировано.

Первым к Марсу стартовал «Маринер-8» (9.05.1971). Для запуска марсианских «Моряков» использовалась РН «Атлас-Центавр» SLV-3C (обзор №2-16 1–10.04.2017). Запуск «Маринер-8» завершился аварийно. Первая ступень отработала штатно, а вот при запуске ДУ разгонного блока «Центавр» на 265-й секунде полёта начались колебания ступени по тангажу и через 100 секунд после запуска двигатель выключился вследствие недостатка топлива, вызванного кувырканием. Разгонный блок с КА начал падать, вновь вошёл в атмосферу Земли и на расстоянии около 1500 км от старта упал в Атлантический океан.

Повторялась ситуация с советской АМС «М-71С» («Космос-419»). Но в отличие от СССР у США в резерве был только один КА – «Маринер-9». Его очередь пришла 30 мая 1971 года. Старт прошёл успешно, разгонный блок в этот раз не подвёл, и АМС отправилась к Марсу.

5 июня 1971, в тот же день, что и у «Марса-2», была проведена первая коррекция траектории полёта. 14 ноября 1971 года ДУ была включена для торможения и после 915,6 секунд работы «Маринер-9» вышел на орбиту ИСМ с параметрами: высота перицентра – 1397 км, высота апоцентра – 17960 км. Так американская станция стала первым в истории искусственным спутником Марса. 16 ноября 1971 года была проведена первая коррекция орбиты, а 30 декабря 1972 года – вторая коррекция. Это было сделано для того, чтобы обеспечить наиболее благоприятные условия для слежения за станцией с Земли.

Фотография поверхности Марса, сделанная АМС «Маринер-9»За несколько месяцев до этого, в феврале 1971 года, астроном Чарльз Ф. Кейпен из обсерватории имени Ловелла сделал предсказание погоды на Марсе на период полёта АМС к Марсу. Исходя из того, что это было время противостояния в перигелии, он указал на вероятность пылевой бури в конце лета. Ещё 10 ноября, когда «Маринер-9» не долетел до Марса 800000 км, была впервые включена телевизионная камера, показавшая затемнённую глобальной пылевой бурей планету. Поэтому «Маринер-9» выключил ТВ камеру и стал ждать. В отличие от советских АМС «Марс-2» и «Марс-3», действовавших по жёсткой программе, компьютер американского КА поддавался перепрограммированию после запуска, и таким образом его задание можно было изменить в ходе полёта. Подобная гибкость привела к тому, что эта автоматическая межпланетная станция единственная из всех, запущенных в мае 1971 года, сумела успешно выполнить своё задание.

В декабре 1971 года, когда буря улеглась, системы «Маринера-9» вновь привели в рабочее состояние и он начал съёмку южного полушария Марса между 25° и 65° южной широты, постепенно расширив её вплоть до 25° северной широты.

К моменту, когда 27 октября 1972 года у него закончились запасы рабочего тела для двигателей ориентации, «Маринер-9» сделал 7239 снимков с разрешением, позволяющим запечатлеть объекты поверхности размером с футбольное поле. Кроме поверхности Марса были сфотографированы его спутники Деймос и Фобос. На базе снимков была составлена карта планеты и выбраны районы посадки КА «Викинг». На Марсе были идентифицированы различные типы поверхности, в частности ландшафты со следами водной эрозии и ветровой активности. Уточнены данные об атмосфере планеты и её масса.


 

При подготовке материалов были использованы следующие источники:

  1. И. Б. Афанасьев, Д. А. Воронцов. Золотой век космонавтики: мечты и реальность. – М.: Фонд «Русские витязи», 2015.
  2. А. М. Первушин. Битва за звезды: Космическое противостояние. – М.: ООО «Издательство АСТ», 2003.
  3. Космонавтика. Энциклопедия. – М.: «Советская Энциклопедия», 1985.
  4. С. П. Уманский. Ракеты-носители. Космодромы. – М.: «Рестарт+», 2001.
  5. Майэширо, Пастер, Френч, Воут, Мэтсон. Разработка двигательной установки для КА «Маринер-71». – М.: Журнал «Воспросы ракетной техники», №9, 1971.
  6. Т. М. Мелькумов, Н. И. Мелик-Пашаев, П. Г. Чистяков, А. Г. Шиуков. Ракетные двигатели. – М.: «Машиностроение», 1976.
  7. https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=MARINH.

 


« »



Оставьте свой комментарий

Вы должны быть авторизованы чтобы оставлять комментарии.

Рейтинг@Mail.ru