УДК 629.7
ДОСТАВКА НА ЗЕМЛЮ РЕЛИКТОВОГО ВЕЩЕСТВА С ФОБОСА - ПРОЕКТ ФОБОС-ГРУНТ: БАЛЛИСТИКА, НАВИГАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕТОМ
© 2010 г. Э. Л. Аким1, Г. С. Заславский1, И. М. Морской2, Е. Г. Рузский2,
В. А. Степаньянц1, А. Г. Тучин1
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва 2Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО им. С.А. Лавочкина",
г. Химки, Московская область Поступила в редакцию 14.05.2009 г.
В статье рассмотрены вопросы баллистики, навигации и управления движением КА в проекте Фобос-Грунт. Рассмотрены выведение на траекторию перелета от Земли к Марсу и перелет Земля-Марс, схема проведения коррекций и точность приведения КА к Марсу. На участке орбитального маневрирования в сфере действия Марса рассмотрена схема, обеспечивающая приведение КА с заданной погрешностью в точку, расположенную на высоте 40—80 км над поверхностью Фобоса в районе предполагаемой посадки. Приведена схема управляемой посадки, методы решения задач навигации и управления в автономной системе посадки. Рассмотрен старт с Фобоса, переход на орбиту ожидания и перелет Марс-Земля.
РАСЯ: 95.55.Pe; 45.40.Gj; 95.10.Ce
ВВЕДЕНИЕ
Проект Фобос-Грунт имеет фундаментальное научное значение, основной его целью является доставка на Землю образцов грунта малого небесного тела — естественного спутника Марса Фобоса.
По современным представлениям вещество Фобоса, как и других малых тел Солнечной системы, сохраняет исходный первичный материал прото-планетного облака (реликтовое вещество), из которого образовались планеты Солнечной системы. Доставка этого вещества на Землю с целью детальных исследований его состава в лабораторных условиях имеет принципиальное значение для решения одной из фундаментальных проблем естествознания — проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы.
Проект Фобос-Грунт был предложен Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (ИПМ), НПО им. С.А. Лавочкина и НИИП-МиЭ МАИ. Проект поддержан ИКИ РАН и ГЕО-ХИ им. В.И. Вернадского РАН (Аким и др., 2002; Акт и др., 2003; 2004а; 2004Ь; 2004с; 2а51агек1у и др., 2003).
Проект Фобос-Грунт имеет важное научно-техническое значение. Его осуществление позволит решить задачу создания и отработки в нашей стране межпланетного КА нового поколения для научных исследований в дальнем космосе. Этот аппарат разрабатывается на базе современных эффективных технологий с учетом большого опыта, накопленно-
го в стране при полетах к Луне и планетам. Во многих предыдущих отечественных полетах для выведения КА на траекторию полета к Луне и планетам использовались тяжелый носитель (Протон) и разгонный блок (Д), работающие на химическом топливе. В более ранних полетах успешно использовался носитель среднего класса Молния и разгонный блок Л. Для существенного снижения затрат на реализацию научных проектов (Фобос-Грунт и др.) на базе КА нового поколения найдено техническое решение, позволившее использовать ракету-носитель среднего класса. Космический аппарат, выведенный на орбиту ИСЗ, с помощью своей двигательной установки доразгоняется до необходимой гиперболической скорости отлета от Земли. Один из вариантов проекта предполагает оснащение КА электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), которая обеспечивает выведение на орбиту Марса максимальной полезной массы.
Проект имеет важное общественно-политическое значение. После 20-летнего перерыва в полетах наших КА к Луне и планетам успешное осуществление такого проекта позволит восстановить авторитет нашей страны в космических исследованиях планет.
Спутник Марса Фобос был открыт 18 августа 1877 г. американским астрономом Асафом Холлом (Маров, 1986; Сейделмен, 1981). Фобос (рис. 1) имеет следующие орбитальные и физические характеристики (табл. 1).
Рис. 1. Снимок Фобоса, сделанный космическим аппаратом Mars Express.
Поверхность Фобоса сильно изрыта кратерами, среди которых имеются три больших: Стикни (диаметр 10 км), Холл (6 км) и Рош (5 км).
Анализ наблюдений Фобоса на большом интервале времени с момента его открытия позволил выявить вековое ускорение по долготе. Наличие векового ускорения означает, что Фобос движется по спирали, приближаясь к Марсу (Маров, 1986; Сей-делмен, 1981; 8Иог, 1975). Причина ускорения обусловлена притяжением приливного выступа, порождаемого на Марсе тяготением Фобоса.
Изображения, полученные во время пролета V-к&§ ОгЪИег-1 на расстоянии 880 км от Фобоса в конце 1976 г., выявили, что поверхность Фобоса не
только покрыта кратерами, но и пересечена многочисленными бороздами. Борозды имеют ширину 100—200 м при глубине 10—20 м. На фотографиях Деймоса (второго спутника Марса) такие борозды обнаружены не были.
В проекте ИПМ решал следующие задачи баллистики, навигации и управления полетом КА на всех этапах полета (Аким и др., 2002; Акт и др., 2003; 2004а; 2004Ъ; 2004с; 2а5;1аУ8к1у и др., 2003):
— выбор схемы полета, состава и точности наземных и бортовых средств навигационных измерений, программы работы этих средств;
— определение траектории КА по данным траек-торных измерений, прогнозирование движения
КА, оценки точности определения траектории и прогноза, оценка ошибок приведения КА;
— оценки требуемой характеристической скорости для маневров и коррекций траектории КА, оценки влияния ошибок исполнения маневров и коррекций траектории на точность прогноза движения КА;
— проектирование предпосадочных квазисинхронных орбит КА вокруг Фобоса для точек посадки на любой долготе при заданных условиях освещенности и обеспечения радиосвязи со станциями слежения;
— математическое моделирование процессов сближения КА с Фобосом и посадки на его поверхность;
— построение необходимой для решения навигационной задачи полета КА к Фобосу высокоточной теории орбитального движения Фобоса.
В настоящее время завершается подготовка КА к летно-конструкторским испытаниям (ЛКИ). В соответствии с "Федеральной космической программой РФ" начало ЛКИ Фобос-Грунт запланировано на 2009 г. В первоначальном, универсальном варианте проекта, пригодном для любых окон старта при полетах к Марсу, для доразгона и коррекции траектории на участке перелета Земля—Марс использовалась ЭРДУ М-140 (НПО "Факел"). Для энергетически более благоприятного окна стартов 2009 г. выбран вариант полета КА с использованием ДУ на химическом топливе (без ЭРДУ).
В целях осуществления проекта Фобос-Грунт в ИПМ им. М.В. Келдыша построена новая высокоточная динамическая теория орбитального движения Фобоса. Проведено уточнение векового ускорения Фобоса и гравитационного параметра этого небесного тела. Теория базируется на всех имеющихся на данный момент наблюдениях Фобоса: оптических наблюдениях с Земли на мерном интервале в 128 лет, телевизионных и лазерных наблюдениях Фобоса с борта российских, американских и европейских околомарсианских космических аппаратов, наземных высокоточных радиотехнических траекторных измерениях КА, содержащих информацию о гравитационном влиянии Фобоса на движение КА (Шишов, 2008а; 2008б). Выполнена работа по сбору всей этой измерительной информации, ее анализу и отбору качественной части, приведению измерений к современным единым системам координат и шкалам времени. Выполнено математическое моделирование всех видов измерений. Расчет движения Фобоса и КА проводится численно в рамках единой высокоточной модели движения с учетом всех необходимых возмущений в правых частях дифференциальных уравнений, описывающих движение этих тел. Использованы последние наиболее точные астрономические постоянные и эфемериды небесных тел. Выполнены оценки точности теории и сравнение ее результатов с результатами
Таблица 1. Орбитальные и физические характеристики Фобоса
Полуось 9377.2 км
Эксцентриситет 0.0151
Орбитальный период 7 ч 39.2 мин
Наклонение плоскости орбиты к 1.093°
экваториальной плоскости Марса
Размеры (оси эллипсоида) 26.6 х 22.2 х 18.6 км
Масса 1.07 х 1016 кг
Плотность 1.92 г/см3
Гравитационный параметр 7.158 х 10-4 км3/с2
Альбедо 0.07
других авторов, показавшее хорошее согласование. Предельная ошибка прогнозирования положения Фобоса на момент сближения с КА составляет величину 15 км. Эфемерида Фобоса, полученная с помощью теории, обеспечивает необходимую точность навигации КА. Она использована в проектных расчетах и будет задействована в ходе осуществления проекта при управлении движением КА Фобос-Грунт вплоть до его выхода на орбиту наблюдения вокруг Марса. Далее теория будет уточняться в ходе полета по данным бортовых и наземных траектор-ных измерений.
Проектирование схемы сближения КА с Фобосом и посадки на его поверхность опирается на теорию квазисинхронных орбит (КСО), разработанную в ИПМ им. М.В. Келдыша (Тучин, 2007; 2008а; 2008б). Движение по КСО может быть описано как облет Фобоса по дрейфующему эллипсу. Большая полуось эллипса ориентирована вдоль орбитального движения Фобоса. КА обегает эллипс в направлении, обратном к орбитальному движению Фобоса, с периодом, близким к периоду обращения Фобоса вокруг Марса. Дрейф эллипса также проходит вдоль оси, ориентированной по орбитальному движению Фобоса. Для обеспечения успешной посадки нужна КСО, дрейф которой был бы минимален. При необходимости это позволит, если процесс посадки на планируемом прохождении не был начат, начать его в одном из следующих прохождений над районом посадки, провести телевизионную съемку района посадки, выполнить измерения высоты до поверхности Фобоса при его облете. При проектировании КСО для выполнения посадки в заданной точке поверхности Фобоса определяется время, в которое проектируемая КСО должна пройти над этой точкой. Время выбирается из условий освещенности и радиосвязи со станциями слежения. Построенные в теории таблицы с параметрами КСО позволяют построить КСО, проходящую над заданной точкой в заданное время и обладающую свойством минимального дрейфа.
Выведение на траектории перлета Земля—Марс
Перлет Земля—Марс
Преход на траектории Земля—Марс
Рис. 2. Схема экспедиции.
СХЕМА ЭКСПЕДИЦИИ
Схема экспедиции включает четыре последовательных этапа (рис. 2):
— старт космического комплекса и выведение КА на отлетную от Зе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.