Игорь Лисов о миссии «Тяньвэнь-1»

«Чанчжэн-5» (CZ-5 №Y4)

23 июля 2020 г. в 04:41 UTC с космодрома Вэньчан на острове Хайнань стартовала китайская ракета «Чанчжэн-5» (CZ-5 №Y4) с первым китайским марсианским комплексом «Тяньвэнь-1», который включает в себя орбитальный аппарат и десантный модуль с посадочным аппаратом и марсоходом. Этот пятитонный зонд – самый сложный и тяжелый среди всех планировавшихся в астрономическое окно 2020 года. И оставшийся пока на Земле ExoMars 2020, и стартующий 30 июля американский аппарат проще и дешевле: в их составе нет орбитального аппарата, а лишь перелетный модуль для прямой доставки десантного модуля в атмосферу Марса. Больше того: до сих пор никто в мире не пытался отправить на Марс сразу все три компонента – орбитер, лэндер и ровер.

«Тяньвэнь-1»

Первым китайским КА для исследования Огненной планеты (так буквально переводится ее китайское название Хосин) должен был стать спутник «Инхо-1» / «Светлячок-1»  массой 110 кг, созданный специалистами Шанхайской исследовательской академии космической техники SAST под руководством главного конструктора Хоу Цзяньвэня. 8 ноября 2011 г. он был запущен в составе российского комплекса «Фобос-Грунт», однако последний вышел из строя еще на околоземной орбите и не смог отправиться к Марсу.

«Инхо-1» / «Светлячок-1» 

До этой аварии китайская перспективная программа изучения Марса строилась по тем же «лекалам», что и лунная: сначала орбитальный аппарат (его планировалось запустить в 2016 году), затем посадочный комплекс с марсоходом и в третью очередь – доставка грунта с планеты. После гибели «Инхо-1» она была пересмотрена, и в июне 2014 г. академик Оуян Цзыюань объявил, что уже в первом полете будут решаться задачи двух этапов – выход на орбиту вокруг Марса и доставка ровера на планету.

«Инхо-1» 

Уже в ноябре 2014 г. на Авиакосмическом салоне в Чжухае были продемонстрированы элементы перспективного марсианского проекта – макеты ровера, посадочного устройства и орбитального аппарата для старта «примерно в 2020 году». Тем не менее лишь 11 января 2016 г. Госсовет КНР утвердил к реализации первый чисто китайский проект изучения Красной планеты. Официально об этом объявил Сюй Дачжэ, директор Китайской национальной космической администрации, на пресс-конференции 22 апреля 2016 г. в преддверии Дня космонавтики КНР – годовщины запуска первого спутника «Дунфанхун-1» в апреле 1970 г.

Проектная конфигурация марсианского зонда была впервые представлена в августе 2016 г. Комплекс суммарной массой около 5000 кг включал орбитальный аппарат начальной массой 3175 кг и десантный модуль. Работу над орбитальным аппаратом в SAST начинали под руководством Хоу Цзяньвэня, а довела ее до старта Чжан Юйхуа. За десантный модуль и марсоход и за комплекс в целом отвечала Пекинская исследовательская академия космической техники CAST. Общее руководство проектом осуществляли главный конструктор миссии Чжан Жунцяо, административный руководитель Хэ Жунвэй и главный конструктор Сунь Цзэчжоу.

«Тяньвэнь-1»

Марсианский комплекс был изготовлен в срок, невзирая на различные обстоятельства, в том числе и отнюдь не технического свойства, и прошел полный объем наземной отработки. В частности, состоялись всесторонние испытания парашютной системы в серии высотных пусков в 2016-2018 гг. и два сброса посадочного аппарата на специальном стенде с имитацией марсианской гравитации, построенном всего за 15 месяцев в городе Чжанцзякоу уезда Хуайлай провинции Хэбэй – зачетный 29 октября и демонстрационный 14 ноября 2019 г. В последнем тесте в присутствии приглашенных членов дипломатического корпуса и журналистов макет посадочного аппарата был отделен на высоте 70 м, завис на отметке 67 м и выполнил в режиме уклонения от препятствий спуск на двигателе до 20-метровой высоты.

Испытания посадочного модуля

А вот старт в июле 2020 года долгое время находился под вопросом из-за неготовности ракеты. Как известно, первый пуск носителя CZ-5 в ноябре 2016 г. был успешным, а вот второй в июле 2017 г. окончился аварией. Поиск и устранение ее причин заняли два с половиной года, и третий пуск провели лишь 27 декабря 2019 г. Успех этого старта, а затем и штатный полет похожей ракеты CZ-5B в мае 2020 г. открыли путь к марсианской миссии.

«Тяньвэнь-1»

К этому времени китайский марсианский аппарат обрел собственное имя «Тяньвэнь-1» вместо прежнего условного обозначения «Хосин-1» («Марс-1»). Оно было вторым по итогам всекитайского конкурса названий, итоги которого подвели еще в январе 2017 г., но присвоение имени состоялось лишь 24 апреля 2020 г. Слово «Тяньвэнь» (буквально «Вопросы к небу») является отсылкой к одноименной поэме Цюй Юаня, написанной в III веке до н.э. Оно стало одновременно и названием всей программы исследования планет китайскими аппаратами, и именем первого марсианского комплекса. Занятно, что теми же иероглифами, но в обратном порядке («Вэньтянь») назван один из исследовательских модулей будущей китайской пилотируемой станции.

Элементы комплекса доставили на космодром 10 апреля 2020 г. Ступени ракеты CZ-5 №Y4 были отправлены 16 мая из порта Тяньцзинь на специализированных судах «Юаньван-21» и «Юаньван-22». 21 мая они прибыли в порт Вэньчан, где контейнеры выгрузили и 24 мая доставили в монтажно-испытательный корпус космодрома Вэньчан. Полностью готовый носитель вывезли на старт 17 июля.

Вывоз CZ-5 №Y4

Итак, «Тяньвэнь-1» вышел на траекторию перелета к Марсу. На 5 октября запланирована единственная обязательная коррекция траектории, для которой будет использован маршевый двигатель орбитального аппарата тягой 3000 Н, заимствованный со взлетной ступени лунной станции «Чанъэ-5». 11 февраля китайский аппарат вновь включит его для торможения и выхода на начальную орбиту спутника Марса с перицентром на высоте 400 км и апоцентром 180000 км, которая затем будет скорректирована до 265x57800 км.

На 23 апреля 2021 г. планируется отделение десантного модуля массой 1745 кг, который спустя пять часов войдет в атмосферу Марса со скоростью 4800 м/с. Управляемый спуск займет 290 секунд, в течение которых модуль будет тормозиться лобовым экраном диаметром 3.4 м, а для управления будет использоваться небольшой аэродинамический щиток. Когда движение замедлится до 460 м/с, лобовой экран будет отстрелен и введется парашют диаметром 16 м, который за 90 секунд снизит скорость до 95 м/с. Третий этап спуска будет выполняться на регулируемой тяге посадочного двигателя YF-36 (от «Чанъэ-3», максимально 7500 Н), и закончится через 80 секунд зависанием на высоте около 100 м над поверхностью Марса. Бортовая система оценки рельефа и уклонения от препятствий выявит безопасное место, и посадочная платформа, используя двигатели бокового смещения тягой 250 и 25 Н, завершит спуск и выполнит посадку на четыре опоры с вертикальной скоростью не более 3.6 м/с.

С учетом сложности рельефа, освещенности, температуры и ряда оперативных факторов Китай первоначально выбрал для посадки на Марс полосу между 5° и 39°с.ш., а в ее пределах – две основные зоны: первую на равнине Хриза, в относительной близости от мест посадки американских КА Viking 1 и Mars Pathfinder, и вторую на равнине Утопия, от бассейна Изида до западных склонов горы Элизий, между районами работы ровера Curiosity и посадочного аппарата Viking 2. В сентябре 2019 г. китайские специалисты сообщили о предварительном выборе двух точек вблизи равнины Утопия с посадочными эллипсами размером 40x100 км. Окончательное решение, по-видимому, будет принято уже после прибытия к Марсу.

В тот же день, 23 апреля, с посадочного аппарата по двум направляющим сойдет на грунт безымянный пока китайский марсоход массой 240 кг и габаритными размерами 2.0x1.65x0.8 м. Он выполнен в виде шестиугольной платформы на типовом шестиколесном шасси и запитывается от четырех солнечных батарей, две из которых неподвижны, а две ориентируются на Солнце и могут за счет наклона сбрасывать накопившуюся пыль. Ровер способен проходить до 200 метров в час и преодолевать уклоны в 30°. Расчетный срок его работы – три месяца, но, разумеется, китайские специалисты надеются на большее.

Орбитальный аппарат, выполненный в виде шестиугольной призмы с двумя «крыльями» солнечных батарей и маршевым двигателем по продольной оси, будет после сброса обращаться по полярной орбите высотой 265x12000 км, осуществляя съемку и зондирование поверхности Марса, изучение околопланетной среды и ретрансляцию данных с марсохода.

Научная программа экспедиции «Тяньвэнь-1» была сформирована и подготовлена Китайской академией наук под руководством академика Вань Вэйсина. К сожалению, научный руководитель проекта не дожил до старта – он умер 20 мая 2020 г. после тяжелой болезни на 62-м году жизни.

Основные задачи проекта «Тяньвэнь-1» состоят в глобальном и подробном обследовании всей планеты с орбитального аппарата и в детальном изучении одной области научного интереса с высокой точностью и разрешением. Если говорить более конкретно, предстоит картировать морфологию и геологическую структуру планеты; изучить характеристики поверхностного слоя и распределение водяного льда в нем; проанализировать состав материала поверхности; измерить параметры ионосферы планеты и получить информацию о климате Марса и о состоянии среды на поверхности; получить данные о физических полях (электромагнитном, гравитационном) и о внутренней структуре Марса.

Состав полезной нагрузки для проведения этого комплекса исследований был объявлен в сентябре 2017 г. и включает 13 инструментов – семь на орбитальном аппарате и шесть на ровере. В отличие от лунного проекта КНР, посадочная ступень выполняет лишь функцию доставки марсохода и не имеет научной аппаратуры.

На орбитальном аппарате размещены:

• Мультиспектральная камера MRC (Mars High-resolution Camera), разработанная в Чанчуньском институте оптики, точной механики и физики. Имея пространственное разрешением до 0.5 м в панхроматическом и до 2.0 м в мультиспектральном диапазоне в полосе шириной 9 км при съемке с высоты 260 км, она сопоставима по характеристикам с американской HiRISE на спутнике MRO;

• Цветная камера умеренного разрешения MRC (Medium Resolution Camera) для обзорной съемки с пространственным разрешением порядка 100 м в кадре размером 4096x3072 элементов;

• Радиолокатор для зондирования подповерхностной структуры и поиска льда MOSER (Mars-Orbiting Subsurface Exploration Radar) с двумя рабочими диапазонами (10-20 и 30-50 МГц) и двумя поляризациями, используемый также как радиовысотомер;

• Минералогический спектрометр MMS (Mars Mineralogy Spectrometer) с рабочими диапазонами 0.45-1.05 и 1.00-3.40 мкм для определения элементного состава поверхности и изучения ресурсов Марса;

• Трехкомпонентный магнитометр MM (Mars Magnetometer) с диапазоном ±2000 нТ и высоким разрешением (0.01 нТ);

• Анализатор ионов и нейтральной плазмы MINPA (Mars Ion and Neutral Particle Analyzer) для регистрации потока ионов (состав, плотность, скорость, температура) и нейтральных частиц с выявлением среди них атомов H, He и O;

• Анализатор энергичных частиц MEPA (Mars Energetic Particle Analyzer) для регистрации потоков и получения энергетических спектров электронов, протонов, альфа-частиц и тяжелых ионов до Fe включительно.

Марсоход несет навигационную стереокамеру и шесть приборов:

• Топографическая камера TC (Terrain Camera) для построения трехмерных моделей поверхности;

• Мультиспектральная камера MSC (Multispectral Camera) видимого и ближнего ИК-диапазона с кадром 2048x2048 элементов и 9 цветными фильтрами для изучения морфологии и распределения различных материалов;

• Подповерхностный радар MRSER (Mars-Rover Subsurface Exploration Radar) с каналами 55 МГц и 1300 МГц и предельной рабочей глубиной 100 м для льда и 10 м для грунта;

• Лазерный спектрометр для дистанционного определения элементного состава и идентификации поверхностных пород MSCD (Mars Surface Composition Detector), аналогичный приборам ChemCam на марсоходе Curiosity и SuperCam на Perseverance;

• Трехкомпонентный магнитометр MMFD (Mars Magnetic Field Detector), аналогичный прибору на орбитальном аппарате;

• Метеокомплекс MMM (Mars Meteorology Monitor) для измерения температуры, давления, скорости и направления ветра и записи звуков.

Для управления полетом будут использованы китайские станции дальней космической связи, построенные вблизи городов Цзямусы и Каши и в Аргентине, в провинции Неукен. Первая имеет антенну диаметром 66 м, вторая и третья изначально были оснащены 35-метровыми антеннами, но сейчас в Каши имеется уже три такие антенны с объединенной апертурой. Совсем скоро в систему должна войти новая, 70-метровая антенна, которая строится в районе Уцин вблизи Тяньцзиня по проекту GRAS-4 Национальной астрономической обсерватории Китая. Она позволит принимать сигналы с марсохода напрямую, без ретрансляции через орбитальный аппарат.

Руководители китайского проекта не скрывают, что и он приурочен к юбилею – к 100-летию Коммунистической партии Китая, которое будет отмечаться 1 июля 2021 г. Безусловно, первая для Китая экспедиция к Марсу по столь сложной схеме представляет немалый технический риск, особенно если учесть короткий срок реализации. Однако Китай уже имеет собственные средства и опыт управления аппаратами «лунной» серии в дальнем космосе, он дважды осуществил мягкую посадку на Луну, а луноход «Юйту-2» работает на ее обратной стороне уже полтора года. Поэтому есть основания полагать, что китайский десант на Марс будет успешным.

В случае успеха проекта «Тяньвэнь-1» ожидается утверждение следующего этапа программы, предусматривающего доставку на Землю грунта с Марса со стартом в 2028 г. Таким образом, Китай игнорирует все промежуточные и боковые направления исследований Марса, рассчитывая «разобраться» с этой планетой всего за две экспедиции.

Автор: Liss | 23.07.2020 | © Форум «Новости космонавтики».

https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/75042.html