Проект «Циолковский»: к Юпитеру и Солнцу на «летающей тарелке»
30 лет назад, случись истории двигаться по другой траектории, мог бы состояться первый старт советского межпланетного зонда для исследования Солнца и Юпитера, разработанного в рамках полузабытого ныне проекта «Циолковский». О планах нашей страны по исследованию внешних планет Солнечной системы и самого Солнца - в нашем материале.
Дальние зонды с радиоизотопными энергоустановками
Как известно, Советский Союз достиг наибольших успехов в исследованиях Луны и Венеры, а планы космических полетов долгое время не простирались далее орбиты Марса. Да и штурм Красной планеты не назовёшь особенно успешным. Тем любопытнее узнать — или вспомнить — что у советских учёных были амбициозные планы по исследованию внешних планет Солнечной системы. Во многом влияние на них оказали полеты американских аппаратов Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 и Voyager 2 в 1970-1980-х годах.
Отражением этих работ стал проект «Циолковский», предусматривающий выполнение исследований дальних планет Солнечной системы, межпланетного пространства и Солнца с помощью унифицированного автоматического космического аппарата. Работа, стартовавшая в начале Перестройки, имела не только научно-технической потенциал: считалось, что «Циолковский» позволит наладить взаимовыгодные связи с западными учёными.
Масштабные научно-исследовательские работы (НИР), проведенные в 1986-1987 годах в Научно-производственном объединении (НПО) имени С.А. Лавочкина при участии Института космических исследований (ИКИ) АН СССР, позволили сформировать программу, которая предполагала запуски межпланетных зондов нового поколения.
Их принципиальным отличием от отечественных автоматических станций предыдущих поколений было использование радиоизотопных термоэлектрогенераторов (РИТЭГ) вместо солнечных батарей и систем сверхдальней связи, обеспечивающих работу на удалениях до 6 млрд км и в течение десяти и более лет.
Новые технические решения позволяли резко повысить ресурс космических аппаратов и выполнять более длительные и сложные экспедиции в дальний космос. Кроме того, к концу 1980-х годов Советский Союз достиг больших успехов в развитии космической электроники. По компактности и надежности она по-прежнему уступала западной, но уже позволяла решать гораздо более сложные задачи, чем раньше. В результате, в НПО имени С.А. Лавочкина считали, что проект «Циолковский» может быть успешно реализован при достаточном финансировании.
Как "упасть" на Солнце
Советские учёные сосредоточили своё внимание на Солнце. Причины такого интереса были очевидны: Солнце — ближайшая к нам звезда, изучать ее было необходимо, ведь именно солнечная энергия является основным источником всех природных явлений на Земле. Внутренние слои Солнца представляют собой уникальную лабораторию для физиков, а также могут многое рассказать о химическом составе, происхождении и эволюции Вселенной. Именно такими соображениями руководствовались советские учёные, начиная новую тему.
Не последнее место занимало стремление не отстать. В то время во всём мире активно развивались исследования нашего дневного светила с помощью космических аппаратов нового поколения. Телескоп ATM, размещённый на американской орбитальной станции Skylab, позволил совершить прорыв в солнечной физике. Благодаря этому инструменту астронавты сделали впечатляющие фотографии короны, протуберанцев и вспышек на Солнце. Это помогло расширить знания о физике нашей и других звезд, а также обнаружить корональные дыры — области с более низкой плотностью и температурой вещества.
Основным проектом в рамках темы «Циолковский» стал зонд «ЮС» («Юпитер-Солнце»), предполагавший «за один заход» пролететь относительно недалеко и от газового гиганта, и от Солнца. Причём, получалось это, наверное, даже помимо воли разработчиков.
Дело в том, что в силу законов небесной механики попасть с Земли к Солнцу очень сложно: космический аппарат необходимо затормозить на 30 км/с — скорость движения нашей планеты по орбите — чтобы он начал «падать» на звезду.
Ракету с таким запасом энергетики построить затруднительно, но проблему выбора нужной траектории решить можно, воспользовавшись колоссальным тяготением Юпитера: гравитационная «праща» и перенаправит межпланетный зонд куда надо, и изменит его скорость так, чтобы он приблизился к Солнцу.
Хитрость гравитационного манёвра заключается в том, что его выполнение позволяет сэкономить огромное количество топлива, а значит — использовать для запуска космического аппарата гораздо меньший по размерам носитель или разгонный блок, и удешевить весь проект. Однако за экономию приходится платить — путешествие до Юпитера может занять несколько лет, в зависимости от времени старта. Иногда ожидание не такое уж и долгое — всего пару лет.
При этом, благодаря гравитационному маневру можно за один полет изучить сразу два небесных тела — Юпитер и Солнце. Кстати, подобную схему использовал европейский зонд Ulysses, запущенный в октябре 1990 года для исследования полюсов Солнца.
Уникальность «Циолковского» заключалась в том, что он должен был провести исследования Солнца на гораздо более близком расстоянии от светила.
В рамках проекта «ЮС» рассматривались несколько баллистических схем. Для удешевления проекта на первом этапе предусматривался запуск с помощью тяжелой ракеты-носителя «Протон-К», выводившей на опорную околоземную орбиту полезную нагрузку около 20 тонн, включающую двухступенчатый разгонный блок. Первая ступень (кислородно-керосиновый «Блок ДМ») выполняла разгон с опорной орбиты, а вторая ступень — на базе автономной двигательной установки автоматической станции «Фобос» — довыведение. В зависимости от параметров разгонной траектории и даты старта к Юпитеру можно было послать аппарат массой от 900 до 2100 кг (зонды Pioneer-10/11 имели массу по 280 кг, Voyager-1/2 — по 720 кг). Развитием проекта мог бы стать гораздо более сложный аппарат, запускаемый с помощью сверхтяжелой ракетно-космической системы «Энергия-Буран», летные испытания которой тогда начинались.
"Летающая тарелка" для исследования звезды
В соответствии с проектом, космический аппарат «ЮС» включал в себя три компонента: автономную двигательную установку (вторая ступень разгонного блока), траекторный (или приборно-агрегатный) модуль и целевой модуль (солнечный зонд). Согласно первоначальному замыслу, планировалось создать два идентичных аппарата, следуя советской традиции запуска автоматических межпланетных станций в паре для обеспечения надёжности проекта.
Автономная двигательная установка представляла собой комбинацию сферических баков (четыре диаметром по 1,02 метра и четыре — по 0,8 метра) для долгохранимых компонентов топлива (азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин) и центрального двигателя тягой около 2 тс. Она заимствовалась с автоматической станции типа «Фобос», которая тогда разрабатывалась в НПО имени С.А. Лавочкина.
Траекторный модуль компоновался вокруг уникальной жесткой двухзеркальной остронаправленной параболической антенны диаметром 3,2 м с высоким коэффициентом усиления. Она служила основным силовым элементом станции. На её поверхности крепились блоки бортовых систем, научной и служебной аппаратуры, топливные баки системы ориентации и упомянутые выше РИТЭГи (от двух до шести, работают на изотопе плутония Pu238) минимальной выходной мощностью 125 Вт каждый. Траекторный модуль обеспечивал функционирование всей межпланетной станции в течение длительного времени.
Целевой полезной нагрузкой «ЮС» являлся солнечный зонд — автономный космический аппарат в форме «летающей тарелки» массой примерно 460 кг.
В нём содержалась основная научная аппаратура, прикрытая теневыми тепловыми экранами и дополнительной экранно-вакуумной теплоизоляцией, двухзеркальная параболическая антенна меньшего диаметра и химические источники электропитания.
Условия полета зонда предъявляли определённые требования к его конструкции и траектории движения. Например, при приближении аппарата к Солнцу необходимо было решить ряд задач, связанных с обеспечением работоспособности системы энергоснабжения в условиях интенсивного солнечного излучения. Для решения этой проблемы предполагалось использовать химические источники тока. При этом зонд, находящийся на определённом расстоянии от траекторного блока, мог функционировать независимо.
К Солнцу через Юпитер
В целом конструкция космических зондов программы «Циолковский» была оптимальной: модульность позволяла менять целевые блоки в зависимости от задач полёта, не изменяя при этом общую схему и габариты аппарата.
Благодаря такому подходу на межпланетной станции формировалась «универсальная стыковочная платформа» для установки различных приборов и зондов — солнечного, атмосферного, астрофизического и других. Также на платформу можно было монтировать научные приборы: телескопы, плазменные и магнитные измерители, датчики и прочее. Общая масса научного оборудования могла превышать 1300 кг. Благодаря конструктивной универсальности зондов программы «Циолковский» предполагалось снизить общие затраты на создание аппаратов для исследования Солнечной системы.
Первый старт должен был состояться 30 лет назад, в 1995 году с космодрома Байконур с помощью ракеты-носители «Протон-К» и разгонного «Блока ДМ».
Второй - на следующий год. После двухлетнего перелета зонды "ЮС" прибывают в систему Юпитера, отрабатывают планетарную программу, в том числе сбрасывая в атмосферу газового гиганта спускаемую капсулу, подобно тому, как в будущем это сделает американская станция Galileo. Опережая траекторный блок, капсула приближается к Юпитеру и врезается в его атмосферу с ужасающей перегрузкой в 1500 g. Тем не менее, разработчики очень надеялись, используя опыт спускаемых аппаратов станций «Венера», добиться того, чтобы приборы пережили этот кошмар и в течение какого-то времени передавали на Землю (возможно, при посредничестве траекторного блока) ценнейшую информацию о составе и свойствах оболочки газового гиганта.
Решив научные задачи, траекторной блок «ЮС» пролетает вблизи Юпитера, и, воспользовавшись гравитационным маневром в поле тяготения гигантской планеты, направляется к Солнцу. Энергии «гравитационной пращи» должно было хватить для полёта к светилу даже вне плоскости эклиптики, благодаря чему станции могли бы пройти над его полюсами.
В первых полётах минимальное расстояние от зондов до Солнца составило бы около 4 млн км. По расчетам, время перелета от Юпитера к Солнцу составило бы примерно 1 год 8 месяцев, при этом общая длительность экспедиции не превышала четырёх лет, а максимальная скорость, с которой зонд пронесся бы над Солнцем, составила бы 300 км/с!
Полет «ЮС» должен был стать первым в программе «Циолковский», но позже планировалось осуществить на той же универсальной платформе экспедиции к Сатурну и остальным внешним планетам Солнечной системы. При помощи аппаратов данного типа СССР мог бы сократить технологическое отставание от США и открыть новую эру исследований космического пространства.
В конце 1988 года в НПО имени С.А. Лавочкина вышел научно-технический отчёт по НИР 361-8604 «Корона» под названием «Выбор направлений исследования Солнца и околосолнечного пространства в 1990-х годах и определение проектного облика космического аппарата». Документ подписали Вячеслав Ковтуненко, генеральный конструктор предприятия, Роальд Кремнев, заместитель генерального конструктора, руководитель комплекса, разрабатывавшего все космические аппараты научного назначения, и другие ведущие специалисты предприятия.
Несостоявшийся прорыв и его эхо
Увы, проект «Циолковский» не был реализован, его дальнейшее финансирование не производилось, а в 1991 году планы расширения исследований Солнечной системы рухнули вместе с распадом Советского Союза. Тем не менее, теоретическая фаза проекта продолжалась ещё в течение некоторого времени, и дала начало другим космическим программам новой России.
Россия и США в период с 1993 по 1994 год пытались сблизить свои космические программы. Одним из результатов такого сближения должен был стать проект «Огонь и лёд» (Fire and Ice), представляющий собой синтез ключевых элементов программы «Циолковский» и нескольких американских предложений по космическим зондам с использованием российской аппаратуры и ракет-носителей «Протон-К».
Первая часть — миссия Fire — напоминала первоначальный план «ЮС», но теперь космический аппарат должен был состоять из американского и российского зондов, причем российская часть была менее масштабной и амбициозной, чем у предшественника.
Оба космических аппарата должны были вместе совершить гравитационный маневр у Юпитера, а затем пролететь мимо Солнца на разном расстоянии. Американский зонд проходил над полюсами на высоте 5,6 млн км, а затем приближался к солнечному экватору на расстоянии 2,8 млн км. Российский зонд не должен был подниматься выше 7 млн км над солнечным экватором и пролететь над полюсами на высоте 14 млн км.
Этот проект также не был реализован, в основном из-за российского экономического кризиса. Американский вклад в «Огонь» позже превратился в известный солнечный зонд Solar Probe. Долгое эхо «Циолковского» до сих пор слышно в некоторых проектах. Концепция серии зондов «Циолковский» не устарела и поныне, благодаря удачной модульной схеме, а нынешний уровень электроники и имеющиеся у России средства выведения — «Союз-2» и «Ангара» — вполне позволяют выполнять такие полеты.
Самое популярное
