Автоматические межпланетные станции

Автоматические межпланетные станции

Прежде чем в космос отправился человек, условия на орбите были изучены искусственными спутниками.

Так же было и с посещением Луны – вначале ее исследовали автоматические станции. Так будет, вероятно, еще долго, потому что не во все области Солнечной системы может пока проникнуть человек, а вот межпланетные автоматические станции туда могут быть направлены.

Итак, автоматические межпланетные станции – это беспилотные космические летательные аппараты, предназначенные для полетов к другим небесным телам с целью изучения Солнечной системы. А что входит в понятие «Солнечная система», мы с вами уже знаем: межпланетное пространство, Луна, Солнце, планеты, кометы и др. Обычно на автоматических межпланетных станциях устанавливаются приборы для астрономических исследований, регистрирующие космические лучи галактического происхождения, электромагнитное излучение в различных диапазонах спектра от небесных объектов, находящихся за пределами Солнечной системы.

Околоземные спутники имеют уже многие страны, а вот технологии межпланетных станций доступны только СССР/России, США, Европе/ESA, Японии, Китаю, Индии.

Но более перспективными являются международные проекты, т.к. создание межпланетной автоматической станции – сложное и очень дорогостоящее мероприятие. Так, для изучения системы Юпитера создается зонд нового поколения при совместном участии NASA, ESA, Роскосмоса и JAXA (Япония).

Задачи автоматических межпланетных станций (АМС)

Обычно это целый комплекс задач: другие планеты, их естественные спутники, кометы и другие объекты Солнечной системы. При этом обычно производится фотографирование, сканирование рельефа; измеряются текущие параметры магнитного поля, радиации, температуры; химический состав атмосферы другой планеты, грунта и космического пространства вблизи планеты; проверяются сейсмические характеристики планеты.

Накопленные измерения периодически передаются на Землю с помощью радиосвязи. В данный момент в качестве канала для передачи данных используют частоты в радиодиапазоне. Исследуются перспективы применения лазеров для межпланетной связи. Большие расстояния создают существенные задержки при обмене данными, поэтому степень автоматизации АМС стремятся максимально увеличить.

Конструкция АМС

Конструкция АМС может быть разной, но существуют общие особенности. Источниками электроэнергии на борту АМС обычно являются солнечные батареи или радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Запас электроэнергии на случай возможных перебоев обеспечивает специальная аккумуляторная батарея. В приборном отсеке поддерживается определенная температура, необходимая для нормального функционирования всех находящихся там устройств. Бортовая астроинерциальная навигационная система совместно с наземными службами определяет угловую ориентацию в пространстве и координаты. Для управления ориентацией в пространстве АМС использует гиродины (вращающееся инерциальное устройство, применяемое для высокоточной ориентации и стабилизации космических аппаратов, обеспечивающее правильную ориентацию в полете и предотвращающее беспорядочное вращение), корректирующие ракетные двигатели. Для ускорения или торможения во время крейсерского полёта используются ракетные двигатели, а в последнее время — электрические ракетные двигатели. Для радиосвязи используются преимущественно параболические и фазированные антенны, работающие на гигагерцовых частотах. Крупные АМС часто имеют разделяющуюся конструкцию. Например, по прибытию к планете назначения АМС может сбрасывать на неё различные спускаемые аппараты, а оставшаяся на орбите часть может выполнять функции радио ретранслятора.

Автоматические межпланетные станции

Наиболее известные автоматически межпланетные станции (АМС)

Первой автоматической межпланетной станцией была «Луна-1», пролетевшая вблизи Луны. Наиболее известными АМС являются аппараты серии «Вояджер», «Венера», «Луна», «Маринер», «Пионер», «Викинг», «Галилео», «Вега», «Кассини», «Новые горизонты».

«Луна»

Серия советских автоматических межпланетных станций для изучения Луны и космического пространства. Запуск космических кораблей советской серии «Луна» проводился с 1958 по 1976 год, все запуски (16 удачных и 17 неудачных) осуществлялись с космодрома Байконур. В 1977 г. программа была свёрнута.

Открытия

В результате полетов было сделано множество открытий: открыт солнечный ветер, внешний радиационный пояс Земли, установлено отсутствие у Луны регулярного магнитного поля, создана искусственная комета (натриевое облако) наблюдавшаяся с Земли, станция «Луна-2» впервые в мире достигла поверхности Луны (сентябрь 1959 г.), станция «Луна-3» впервые в мире передала на Землю снимки обратной стороны Луны (октябрь 1959 г.), 3 февраля 1966 г. станция «Луна-9» впервые в мире совершила мягкую посадку на поверхности Луны, проведены исследования Луны и окололунного пространства, съемки лунной поверхности, доставлены на землю образцы лунного грунта, 17 ноября 1970 г. на лунную поверхность доставлен самоходный аппарат «Луноход-1», а в январе 1973 г. – «Луноход-2» и др.

Места прилунения аппаратов по программам «Луна» (СССР), «Сервейер» (США) и «Аполлон» (США)

 «Венера»

Серия советских автоматических межпланетных космических аппаратов (АМС) для изучения планеты Венера и космического пространства. Жёсткие условия на Венере, а также первоначальный недостаток достоверной информации о температуре и давлении осложнял процесс исследования планеты. Спускаемые аппараты первых серий даже имели запас плавучести. Первые полёты их проходили неудачно — это были первые в истории человечества автоматические межпланетные перелёты. В дальнейшем СССР удалось достичь успехов в изучении Венеры АМС настолько, что её стали называть «русской планетой».

Первый пролет вблизи Венеры состоялся в январе 1961 г. «Венера-3» достигла её поверхности 1 марта 1966 г. и стала первым искусственным объектом на поверхности Венеры.

Спускаемый аппарат

Открытия

«Венера-4» в октябре 1967 г. доставила на Венеру сферический спускаемый аппарат. Была получена информация о том, что на высоте 25 км температура атмосферы Венеры составляет 271 °C, а давление 17-20 атмосфер. Было установлено, что атмосфера Венеры на 90 % состоит из углекислого газа. Была обнаружена водородная корона Венеры. До полета «Венеры-4» считалось, что давление на поверхности Венеры составляет 10 атмосфер, но обработка данных «Венеры-4» показала, что давление на ней — около 100 атмосфер. Были получены новые данные о структуре потоков плазмы (солнечного ветра) вблизи Венеры. В марте 1972 г. была осуществлена мягкая посадка на дневную сторону Венеры аппарата «Венера-8». Впервые была измерена освещенность на поверхности планеты (она оказалась такой же, как на Земле в пасмурный день), была измерена концентрация аммиака на высотах 33 и 46 км, с помощью гамма-спектрометра было впервые проведено исследование грунта другой планеты. Венера-9» и «Венера-10» в октябре 1975 г. совершили посадку на дневной стороне планеты на расстоянии около 2 тыс. км друг от друга. Спустя 2 минуты после посадки началась передача телевизионной панорамы. Это были первые в мире фотографии, переданные с поверхности другой планеты. Была измерена плотность грунта и содержание естественных радиоактивных элементов. Передача информации со спускаемого аппарата длилась 53 минуты. Станции продолжали полёт, выйдя на двухсуточные сильно вытянутые эллиптические орбиты Венеры и стали, таким образом, первыми в мире искусственными спутниками Венеры. В 1982 г. впервые были получены цветные изображения поверхности планеты.

Дальнейшим продолжением программы «Венера» в СССР стала программа «Вега» по исследованию Венеры (зондами в атмосфере), а также кометы Галлея.

«Вояджер»

Запуск «Вояджера-2» на ракете-носителе «Титан 3Е-Центавр»

Так были названы два американских космических аппарата, запущенных в 1977 г. Так же назван проект по исследованию дальних планет Солнечной системы с участием аппаратов данной серии.

Проект считается одним из самых успешных и результативных в истории межпланетных исследований. Оба «Вояджера» впервые передали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» впервые достиг Нептуна и Урана. «Вояджеры» стали третьим и четвёртым космическими аппаратами, покинувшими пределы Солнечной системы (первыми двумя были «Пионер-10» и «Пионер-11»).

Аппараты серии «Вояджер» — довольно крупные сооружения. Это высокоавтономные роботы, оснащённые собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи, управления и научными приборами для исследования внешних планет, общей массой около 721 кг.

К борту каждого «Вояджера» была прикреплена круглая алюминиевая коробка с позолоченным видеодиском. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, её материков, различные ландшафты, сцены из жизни животных и человека, их анатомическое строение и биохимическая структура, включая молекулу ДНК.

В двоичном коде сделаны необходимые разъяснения и указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. В качестве «мерной линейки» указана сверхтонкая структура молекулы водорода (1420 МГц).

Кроме изображений, на диске записаны и звуки: шёпот матери и плач ребёнка, голоса птиц и зверей, шум ветра и дождя, грохот вулканов и землетрясений, шуршание песка и океанский прибой.

Человеческая речь представлена на диске короткими приветствиями на 55 языках народов мира. По-русски сказано: «Здравствуйте, приветствую вас!». Особую главу послания составляют достижения мировой музыкальной культуры. На диске записаны произведения Баха, Моцарта, Бетховена, джазовые композиции Луи Армстронга, Чака Берри и народная музыка многих стран.

На диске записано также обращение Картера, который в 1977 г. был президентом США.

Большое Красное пятно Юпитера. Фото сделано

Аппараты навсегда покинули пределы Солнечной системы. Минимальная программа их работы – примерно до 2025 г. По информации, поступившей с «Влджера-2», Солнечная система асимметрична — её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная. «Вояджер-2» подтвердил, что гелиосфера — не идеальный шар, она сплющена: её южная граница находится ближе к Солнцу, чем северная. Кроме того, аппарат сделал ещё одно неожиданное наблюдение: торможение солнечного ветра за счёт противодействия межзвёздного газа должно было бы приводить к резкому повышению температуры и плотности плазмы ветра. Действительно, на границе ударной волны температура была выше, чем во внутренней гелиосфере, но всё равно в 10 раз меньше, чем ожидалось. Чем вызвано расхождение и куда уходит энергия, неизвестно.

«Марс»

Так называются советские автоматические межпланетные станции, запускаемые к планете Марс, начиная с 1960 года.

Спускаемый аппарат

Открытия

«Марс-4» провел фотографирование Марса с пролетной траектории. «Марс-5» передал на Землю новые сведения об этой планете и окружающем ее пространстве; получены качественные фотографии марсианской поверхности, в том числе цветные. Спускаемый аппарат «Марса-6» совершил посадку на планету, впервые передав на Землю данные о параметрах марсианской атмосферы, полученные во время снижения. «Марс-6» и «Марс-7» исследовали космическое пространство с гелиоцентрической орбиты. «Марс-7» в сентябре-ноябре 1973 года зафиксировал связь между возрастанием потока протонов и скорости солнечного ветра. На фотоснимках поверхности планеты можно различить детали размером до 100 м. Это ставит фотографирование в число основных средств изучения планеты. При его помощи с использованием цветных светофильтров путем синтезирования негативов получены цветные изображения ряда участков поверхности Марса. Получены фотометрические профили атмосферы у лимба планеты в недоступной для наземных наблюдений области спектра. Эти профили помогли впервые обнаружить следы озона в атмосфере Марса, а также заметное аэрозольное поглощение даже в отсутствии пылевых бурь. С помощью этих данных можно вычислить характеристики аэрозольного слоя. Измерения содержания атмосферного озона позволяют оценить концентрацию атомарного кислорода в нижней атмосфере и скорость его вертикального переноса из верхней атмосферы, что важно для выбора модели, объясняющей стабильность существующей на Марсе атмосферы из углекислого газа. Результаты измерений на освещенном диске планеты могут быть использованы для изучения ее рельефа. Исследования магнитного поля в околомарсианском пространстве подтвердили вывод о том, что вблизи планеты существует магнитное поле порядка 30 гамм.

Автоматические межпланетные станции

Спускаемый аппарат «Марса-6» проводил измерения химического состава марсианской атмосферы при помощи масс-спектрометра радиочастотного типа. Предварительный анализ позволяет сделать вывод, что содержание аргона в атмосфере планеты может составлять около одной трети. Этот результат имеет принципиальное значение для понимания эволюции атмосферы Марса. На спускаемом аппарате осуществлялись также измерения давления и окружающей температуры; результаты этих измерений весьма важны как для расширения знаний о планете, так и для выявления условий, в которых должны работать будущие марсианские станции. Совместно с французскими учеными выполнен также радиоастрономический эксперимент – измерения радиоизлучения Солнца в метровом диапазоне и др. открытия.

«Маринер»

Автоматические межпланетные станции серии «Маринер» запускались НАСА с 1962 по 1973 гг. с целью изучения Венеры, Марса и Меркурия. «Маринеры» обнаружили, что Венера обладает горячей атмосферой, а Меркурий похож на безжизненную Луну. Всего было запущено 10 космических аппаратов, но два из них погибли во время старта, и один вскоре после старта. Аппараты «Маринер», в отличие от «Пионеров» и «Вояджеров», работали в космосе относительно недолго — от нескольких месяцев до 3-х лет. Однако все «Маринеры» выполнили свои задачи. «Маринеры» были снабжены солнечными батареями, несли набор научных приборов, в том числе для измерения магнитных полей и регистрации заряженных частиц, а также телекамеры. Большинство аппаратов запускалось парами для снижения риска неудачи.

Автоматические межпланетные станции

Открытия

Обнаружено обратное вращение планеты, измерены параметры атмосферы и магнитного поля. Проводилось фотографирование Марса, его спутников Фобоса и Деймоса. Осуществлено фотографирование меркурия с близкого расстояния.

Блоки космических аппаратов серии «Викинг»: «Викинг-1» и «Викинг-2», которые стали искусственными спутниками Марса, созданы на базе «Маринер-9».

«Пионер»

Автоматические межпланетные станции

Американская программа исследования межпланетного пространства и нескольких небесных тел. В рамках программы было запущено несколько АМС, из которых наиболее примечательными были «Пионер-10» и «Пионер-11», впервые достигшие двух из внешних планет Солнечной системы (Юпитер и Сатурн) и покинувшие её. Запуск космических кораблей серии «Пионер» начался в 1958 году.

Космические аппараты серии «Пионер» были различны по устройству, так как предназначались для разных миссий.

Целью запуска первых трёх кораблей серии было изучении Луны и фотографировании её обратной стороны. Политической же целью было вернуть США статус самой развитой технической державы, который она потеряла после запуска Советским Союзом первого спутника. Запуски первых аппаратов серии «Пионер» к Луне оказались не слишком удачными, и дальнейшее изучение Луны продолжили аппараты серий «Сервейер» и «Лунар орбитер».

Следующие «Пионеры» обладали удивительным долголетием. Например, аппарат «Пионер-6», запущенный 16 декабря 1965 г., до сих пор числится среди работоспособных. Аппараты «Пионер-5»-«Пионер-9» изучали природу возникновения солнечного ветра, космические лучи, магнитное поле Земли.

Открытия

Проведены измерения космических лучей в условиях, полностью свободных от влияния атмосферы Земли. «Пионер-7» максимально приблизился к комете Галлея. «Пионер-10» и «Пионер-11» первыми достигли третьей космической скорости и первыми исследовали дальний космос, а также получили фотографии Юпитера. В 1979 г. «Пионер-11» достиг Сатурна.

«Новые горизонты»

Запуск ракеты Atlas V 551 с аппаратом «Новые горизонты»

Это автоматическая межпланетная станция НАСА, предназначенная для изучения Плутона и его естественного спутника Харона. Запуск осуществлён 19 января 2006 г., с пролётом у Юпитера в 2007 г. и прибытием к Плутону в 2015 г. Пролетев мимо Плутона, аппарат, возможно, изучит один из объектов пояса Койпера. Полная миссия рассчитана на 15-17 лет.

Станция «Новые горизонты» покинула окрестности Земли с самой большой из всех космических аппаратов скоростью. В момент выключения двигателей она составила 16,21 км/сек. Масса аппарата — 478 кг, включая около 80 кг топлива. Размеры — 2,2×2,7×3,2 метра. Для запуска использовалась ракета-носитель «Атлас V». На аппарате установлены приборы:

  • ультрафиолетовый спектрометр Alice, который будет изучать состав атмосферы и структуру поверхности Плутона;
  • обзорная фотокамера Ralph, работающая в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн;
  • камера LORRI с разрешением в 5 микро-радиан для детальной съёмки и съёмки с большого расстояния;
  • измеритель параметров частиц солнечного ветра SWAP. С его помощью планируется определить, есть ли у Плутона магнитосфера, а также установить скорость утечки его атмосферы;
  • спектрометр энергетических частиц EPSSI для поиска нейтральных атомов, покидающих атмосферу Плутона и превращающихся в заряженные частицы при взаимодействии с солнечным ветром;
  • детектор пыли SDC для измерения концентрации пылевых частиц в поясе Койпера. Прибор представляет собой веерообразное устройство радиусом 42 см и толщиной 3 мм из алюминиевого сотового материала, покрытого тонкой плёнкой, соединённое кабелем с блоком электроники;
  • радиоспектрометр REX, интегрированный с основной антенной зонда (с его помощью планируется исследовать структуру атмосферы Плутона, тепловые свойства его поверхности и измерять массу Плутона, Харона и ещё не выбранных объектов пояса Койпера.

В аппарате имеется система связи с Землёй, состоящая из передающих антенн и множества усилителей сигнала. В случае выхода из строя продублированных устройств, их работу примут на себя запасные. Система позволит передавать данные на Землю со скоростью 38 кбит/сек. в районе Юпитера. По достижении Плутона аппарат сможет передавать данные со скоростью 768 бит/сек.

Результаты

19 января 2006 г. космический аппарат «Новые горизонты» успешно запущен с мыса Канаверал. 7 апреля 2006 г. аппарат пересёк орбиту Марса на расстоянии 243 млн. км от Солнца. 28 февраля 2007 г. аппарат приблизился к планете на расстояние 2,305 млн. км. Получены фотографии планеты и её спутников, сделанные с высоким разрешением. 8 июня 2008 г. аппарат пересёк орбиту Сатурна. 30 июля 2010 г. «Новые горизонты» успешно опробовал на Нептуне и его спутнике Тритоне камеру LORRI с расстояния примерно 23,2 а. е. от Нептуна. 18 марта 2011 г. аппарат пересёк орбиту Урана.

Что впереди?

Траектория полета аппарата «Новые горизонты» после пролёта Плутона относительно известных объектов в поясе Койпера

25 августа 2014 г. аппарат пересечёт орбиту Нептуна. В феврале 2015 г. начнет наблюдения за Плутоном. 14 июля 2015 г. пролетит мимо системы Плутон-Харон. В 2016-2020 гг. аппарат, возможно, исследует некоторые объекты пояса Койпера и в 2026 г. закончит миссию. При условии непрерывной передачи информации после пролёта Плутона все научные данные будут переданы за 1,5 года.

Новым этапом в развитии АМС является применение ионных и плазменных электроракетных двигателей. Пример тому - миссия Dawn, исследующая пояс астероидов.

"Доун"

Автоматические межпланетные станции

"Доун" (рассвет) — автоматическая межпланетная станция (АМС), запущенная НАСА 27 сентября 2007 г. для исследования астероида Весты и карликовой планеты Цереры. Аппарат достиг Весты в 2011 г., а в начале сентября 2012 г. закончил работу на орбите вокруг этого небесного тела. Программа предусматривает изучение карликовой планеты Цереры, АМС приблизится к ней в 2015 г. В отличие от предыдущих АМС, исследовавших более одного небесного тела, АМС «Dawn» не просто пролетела мимо Весты — промежуточной точки назначения — но вышла на орбиту вокруг Весты, и после года на её орбите продолжила дальнейший полёт к Церере.

Рассказать обо всех планах исследования космоса с помощью автоматических межпланетных станций в одной статье просто не представляется возможным. Но планы эти ГРАНДИОЗНЫ.