10 февраля 2021 г. c 19:52 до 20:07 пекинского времени (11:52-12:07 UTC) китайский космический комплекс «Тяньвэнь-1» успешно выполнил торможение на подлете к Марсу и вышел на начальную сильно вытянутую орбиту искусственного спутника планеты.
«Тяньвэнь-1» был запущен 23 июля 2020 г. в 12:41 пекинского времени носителем CZ-5 с космодрома Вэньчан и успешно выведен на отлетную траекторию в направлении Марса ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/75042.html ).
Параметры гелиоцентрической орбиты аппарата по состоянию на 1 августа 2020 г. составили:
* наклонение – 1.06°;
* минимальное расстояние от Солнца – 1.016 а.е. (151.9 млн км);
* максимальное расстояние от Солнца – 1.611 а.е. (241.0 млн км);
* период обращения – 549.7 суток.
Следует отметить, что Китай в лице Центра лунных исследований и космических проектов или иной уполномоченной организации этих данных не публиковал. Однако в первые несколько суток полета в рамках проекта Project Pluto проводились оптические наблюдения аппарата на европейских, американских и даже одном китайском пункте, что позволило независимо построить его орбиту.
Одновременно Пол Марш и Даниэль Эстевес выяснили, что в составе принимаемой с «Тяньвэня-1» телеметрии почему-то передается с шагом 32 секунды текущий вектор состояния – три координаты и три компоненты скорости. Трудно сказать, зачем китайским операторам потребовалось закладывать их на борт и затем считывать – быть может, постоянное знание своего положения позволило бы аппарату самостоятельно сориентироваться и выйти на связь с Землей в случае сбоя – но они присутствовали и были доступны, так как телеметрия с «Тяньвэня» не шифровалась. (Другое дело, что нужно было понять, где в ней что; по каким адресам лежат компоненты вектора состояния и другие интересные параметры, сумел понять чешский радиолюбитель, известный как r00t.cz.)
Уже в день старта удалось определить, что вектора задаются в системе координат ICRF, центр которой совпадает с центром Солнца. Основные проблемы были с временной привязкой данных. Она задавалась 32-битным счетчиком с шагом по времени 100 мксек, но чему соответствовал «нуль» счетчика? Примерное время «нуля» удалось подобрать к 27 июля, при этом неожиданно оказалось, что прогнозируемая траектория объекта не попадает в Марс: двигаясь по ней, «Тяньвэнь-1» пройдет 10 февраля 2021 г. примерно в 3.2 млн км от планеты.
На следующий день выяснилось, что на самом деле под счетчик времени отведено не четыре байта, а шесть, то есть он 48-битный, и пересчитанное в связи с этим время «нуля» очень близко к моменту 1 января 2016 г в 00:00:00 пекинского времени. Эстевес предположил, что оно в точности равно этой круглой отметке, а он ранее ошибся при подборе на 4.616 секунды.
Имея вектора состояния, можно было вычислять целеуказания для наведения наземных антенн, и в частности – такого мощного средства, как 20-метровый радиотелескоп в Бохуме с шириной диаграммы направленности всего 0.1°. В результате германские радиолюбители постоянно мониторили сигналы с китайского комплекса на частоте 8431 МГц и получали данные о его орбите после каждой коррекции. Именно эти – по сути любительские! – данные сегодня являются основой для траекторных расчетов по «Тяньвэню» на сайте Horizons Лаборатории реактивного движения. И так продолжалось вплоть до 8 февраля 2021 г., когда аппарат начал передавать вектора состояния в планетоцентрической системе отсчета.
Ну а пока в Европе развертывалась эта детективная история, китайские операторы тестировали в полете свой первый марсианский комплекс. 27 июля 2020 г., когда он удалился на 1.2 млн км от Земли, с помощью оптического навигационного датчика были получены снимки системы Земля – Луна. На следующий день один из снимков был опубликован.
2 августа в 07:00 пекинского времени на расстоянии свыше 3 млн км от Земли была выполнена первая коррекция траектории с целью компенсации ошибки выведения. С учетом потребной величины импульса и необходимости проверки в полете использовался основной двигатель комплекса тягой 3000 Н, который был включен на 20 секунд. Так, во всяком случае, сообщило Синьхуа. Даниэль Эстевес и его команда по векторам состояния до и после коррекции определили суммарное приращение скорости в 14.85 м/с, причем сначала в течение 194 секунд работали, осаждая топливо, два двигателя малой тяги (по 25 Н), и сами набрали примерно 2.2 м/с, а ровно в 23:00 бортового времени на 25 сек включался маршевый двигатель YF-37 тягой 3000 Н и выдал остальную часть импульса. Этот маневр не устранил промах у Марса, сдвинув точку прибытия к планете всего на 126500 км.
Начальная ориентация «Тяньвэня» была продольной осью +X к Солнцу, осью –Z с антенной высокого усиления HGA к Земле, и осью Y перпендикулярно к плоскости орбиты, так чтобы установленные вдоль этой оси солнечные батареи были сориентированы на Солнце. Как удалось выяснить Эстевесу по данным телеметрии, утром 30 июля аппарат выполнил разворот на -15° вокруг оси Y, а 4 августа увеличил этот угол до -20°. Так продолжалось до 22 октября, когда аппарат вернулся в первоначальную ориентацию.
20 августа Синьхуа сообщило, что накануне вечером «Тяньвэнь-1» находился в 8.23 млн км от Земли. К этому моменту на орбитальном аппарате уже закончились проверки магнитометра MM, минералогического спектрометра MMS и обеих камер, мультиспектральной камеры высокого разрешения HRC и камеры среднего разрешения MRC, на предмет исправности и готовности работе. Все они были найдены в рабочем состоянии.
28 августа в 10:08 марсианский комплекс преодолел первые 100 млн км пути вокруг Солнца, но за это время успел удалиться от Земли лишь на 10.75 млн км. К 11 сентября расстояние увеличилось до 15.30 млн км, а 18 сентября превысило 18 млн км.
20 сентября в 23:00 была проведена вторая коррекция траектории, на этот раз с включением на 20 секунд четырех двигателей малой тяги, по 120 Н каждый. С учетом массы комплекса, близкой к пяти тоннам, это должно было дать приращение скорости около 1.9 м/с, но команда Эстевеса определила величину импульса в 4.3 м/с. По-видимому, остальное было получено при осаждении топлива.
1 октября по случаю Дня образования КНР от комплекса «Тяньвэнь-1» была отделена «летающая камера» — небольшой автономный спутник массой 0.68 кг, который в процессе отхода снимал аппарат со стороны своими двумя камерами и передавал их по wifi-линии до удаления примерно на 400 метров. Субспутник, правда, кувыркался, поэтому лишь два кадра оказались более или менее приличными, но основная цель – демонстрация китайского красного флага с пятью желтыми звездами в межпланетном полете в 24.1 млн км от Земли – была достигнута.
9 октября в 23:00 на расстоянии 29.4 млн км от Земли «Тяньвэнь-1» выполнил так называемый «маневр в дальнем космосе» DSM. Обычно необходимость в этом возникает на сложных межпланетных траекториях с гравитационными маневрами, а сам термин обозначает большую коррекцию в точке сопряжения двух траекторий, соответствующих последовательным пролетам у разных планет. При перелете по трассе Земля – Марс такой маневр вроде бы не нужен, но в баллистической схеме полета «Тяньвэня» его предусмотрели. Китайские разработчики не объяснили причину такого решения, и можно лишь гадать – то ли они решили «потренироваться» с более сложными траекториями, то ли расход топлива на маневр в середине пути компенсировался меньшей скоростью подлета к Марсу, нежели по прямой схеме.
Так или иначе, маневр был призван убрать отклонение траектории на 3.2 млн км от точки встречи с Марсом. Основной импульс выдал маршевый двигатель тягой 3000 Н, который проработал более 480 сек и сжег примерно 460 кг топлива.
По расчетам Эстевеса, суммарное приращение скорости составило 312 м/с. В результате наклонение гелиоцентрической орбиты увеличилось с 1.07 до 1.33°, а афелий – с 1.605 до 1.633 млн км. Промах был устранен практически полностью, расчетная высота в перицентре над Марсом составила 18000 км.
23 октября была впервые опробована новая 70-метровая антенна, построенная в Тяньцзине, в районе Уцин. Ли Чуньлай, заместитель главного конструктора китайского марсианского проекта, заявил, что именно она будет использоваться для приема научной информации от марсохода, входящего в комплекс «Тяньвэнь-1».
Радиотелескоп относится к Национальной астрономической обсерватории Китая и имеет техническое обозначение GRAS-4. Строительство его началось в октябре 2018 г., а установка антенны на поворотную опору состоялась 25 апреля 2020 г. Приемка новой станции в Уцине состоялась 3 февраля 2021 г. Сообщается, что она будет использована в марсианской программе вместе с тремя большими радиотелескопами, построенными ранее: 50-метровым GRAS-1 в районе Миюнь вблизи Пекина и 40-метровыми GRAS-2 в Куньмине и GRAS-3 в Миюне.
Перечисленные средства не являются частью китайской Сети дальней связи, в которой работают 66-метровая антенна Цзямусы, группа 35-метровых антенн станции Каши и еще одна 35-метровка в Неукене (Аргентина). Кстати, связка из четырех 35-метровых антенн, которые в действительности находятся не в Кашгаре (Каши), а в районе Яркенда, прошла испытания и была введена в эксплуатацию в середине ноября. По возможностям она соответствует одной 66-метровой антенне в районе Цзямусы.
Тем временем 28 октября в 22:00 на расстоянии 44 млн км от Земли «Тяньвэнь-1» провел третью коррекцию траектории с включением восьми двигателей тягой по 25 Н на 42.8 сек. Приращение скорости составило 2.13 м/с. Как следствие, высота в перицентре над Марсом приблизилась к желаемой – около 400 км.
В начале ноября с успехом прошла проверка систем посадочного комплекса, лэндера и ровера. Перелетный модуль продолжал обеспечивать стабильную ориентацию и положительный баланс по электропитанию.
17 ноября «Тяньвэнь-1» удалился на 63.8 млн км от Земли, а пройденное расстояние превысило 300 млн км. 9 декабря комплекс достиг отметки 92.5 млн км, и всего 14 млн км отделяло его от Марса. 3 января 2021 г. расстояния составили 130 млн и 8.3 млн км соответственно, а пройденный путь превысил 400 млн км.
Первый качественный снимок Марса «Тяньвэнь-1» сделал с дистанции 2.2 млн км, и он был опубликован 5 февраля.
В тот же день в 20:00 на расстоянии 184 млн км от Земли и в 1.1 млн км от Марса состоялась четвертая, подлетная коррекция. Как и в третьей, использовались восемь ЖРД тягой по 25 Н, которые проработали 12 сек и дали 0.64 м/с приращения скорости.
Подлетная траектория КА в системе отсчета, связанной с Марсом, представляла собой гиперболу с наклонением 10.9°, высотой в перицентре 408 км и скоростью 5.36 км/с. Расчетный момент перицентра соответствовал 10 февраля в 20:01 пекинского времени (12:01 UTC).
Включение маршевого ЖРД на торможение было намечено на 19:52:30 пекинского времени на борту КА после предварительного включения малых ЖРД для осадки топлива. Так как время прохождения сигнала от Марса до Земли составляло 10 мин 41 сек, подтверждения следовало ожидать вскоре после 20:03. И действительно, в 20:03:34 на спектрограмме Бохумского радиотелескопа пошел отчетливый допплеровский сдвиг частоты. В 20:13:50 сигнал пропал – и опять же вовремя, так как в 20:02:42 «Тяньвэнь-1» должен был зайти за Марс с работающим двигателем.
Сигнал появился вновь в 20:48, в расчетное время. Это означало, что маневр выхода на орбиту выполнен штатно. В 21:02 агентство Синьхуа подтвердило успех и сообщило, что двигатель проработал 15 минут, комплекс вышел на орбиту с наклонением 10°, перицентром 400 км и периодом обращения около 11 суток. Расход топлива был близок к 900 кг, приращение скорости – к 680 м/с.
В ближайшие дни «Тяньвэнь-1» двумя последовательными маневрами изменит наклонение орбиты на околополярное и снизит апоцентр до 57800 км. Начальный период съемки и зондирования планеты с орбиты ожидания продлится примерно три месяца. Если все будет нормально, в мае или июне посадочный комплекс массой 1745 кг будет отделен с целью посадки на равнине Утопия, а орбитальный аппарат к августу сформирует рабочую орбиту наклонением 86.9° и высотой 265×11943 км для долговременного изучения Марса.
Работа китайского марсохода на поверхности Красной планеты запланирована на 30 дней, как у американских роверов проекта MER, доставленных на Марс в январе 2004 г. Они многократно перевыполнили задание: один проработал на Марсе свыше шести лет, а второй – более 14 лет.
