21.06.2022

«Тяньвэнь-3» доставит грунт Марса

20 июня 2022 г. на научной конференции по случаю 120-летия Нанкинского университета были оглашены подробности двух предстоящих межпланетных полетов Китая в рамках программы исследования Солнечной системы «Тяньвэнь».

Напомним, что в ходе реализации проекта «Тяньвэнь-1» (天问一号) 23 июля 2020 г. с космодрома Вэньчан носителем CZ-5 к Марсу был отправлен космический комплекс, включающий орбитальный аппарат и посадочный аппарат с марсоходом ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/75042.html ). 10 февраля 2021 г. он успешно вышел на орбиту спутника Марса ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/78782.html ), а 15 мая был осуществлен спуск и выполнена мягкая посадка на Марсе на равнине Утопия ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/80013.html ). 22 мая марсоход «Чжужун» сошел с посадочной ступени на поверхность Красной планеты и приступил к ее исследованиям ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/81967.html ). К 6 мая 2022 г. он прошел 1921 м в общем направлении на юг от точки посадки и с 20 мая находится в зимней «спячке», из которой должен выйти в декабре.

Три следующих китайских межпланетных проекта были анонсированы в апреле 2018 г. с общим сроком реализации до 2030 г.:

  • миссия к астероиду с целью его исследования и доставки на Землю образцов грунта;
  • большая экспедиция к Марсу с целью доставки на Землю образцов вещества Красной планеты;
  • изучение системы Юпитера, включая атмосферу, магнитное поле и плазменную оболочку планеты, а также исследование его наиболее крупных спутников.

"Тяньвэнь-2" сближается с астероидом

Второй проект первоначально имел собственное имя «Чжэн Хэ» (鄭和) в память о знаменитом китайском мореплавателе и дипломате начала XV века. В первоначально объявленном варианте он предусматривал доставку образцов с астероида 2016 HO3 и дальнейший полет к комете Эльста-Писарро (133P). В ходе дальнейшей проработки баллистическая схема полета была частично пересмотрена, а сам он получил регулярное имя «Тяньвэнь-2».

Чжан Жунцяо рассказывает о полете к астероиду

Как сообщил 13 мая 2022 г. главный конструктор программы исследования Марса Чжан Жунцяо (张荣桥), проект переведен на этап детального проектирования, изготовления и испытаний летного образца. Старт планируется в 2024 или 2025 г. с космодрома Сичан на носителе CZ-3B. Весь полет рассчитан примерно на 10 лет; максимальное удаление от Земли составит 500 млн км, а время распространения радиосигнала – 28 минут.

Схема полета КА "Тяньвэнь-2"

Главной целью экспедиции остался астероид с временным обозначением 2016 HO3, постоянным номером 469219 и именем Камооалева (Kamoʻoalewa). Это крохотное небесное тело диаметром от 40 до 100 метров обращается вокруг Солнца синхронно с Землей, так что расстояние от него до нашей планеты изменяется в пределах от 14.5 до 38 млн км. Помимо доставки и исследования вещества астероида в земных лабораториях, в ходе полета будут изучаться характеристики и механизмы эволюции подобных сверхмалых тел и их взаимодействие с солнечным ветром.

Проектный облик КА "Тяньвэнь-2"

Имея интеллектуальную систему управления и используя средства автономной навигации и электроракетные двигатели малой тяги, «Тяньвэнь-2» должен достичь окрестностей астероида и выполнить торможение в 30000 км от цели. Сблизившись до 2000 км, он окончательно уравняет скорости и начнет подход к цели на скорости 2 м/с. Посадка предусмотрена на опоры («ноги») с якорными устройствами для удержания на поверхности астероида. Чтобы свести к минимуму моменты инерции аппарата и риск неконтролируемого зацепления за поверхность, две большие, общей площадью 34 м2, солнечные батареи выполнены в виде круглых вееров диаметром 4.7 м, как это сделана на американском пилотируемом корабле Orion.

Схема посадки КА "Тяньвэнь-2"

С поверхности астероида будет взято от 200 до 1000 граммов вещества, которое будет погружено в контейнер возвращаемой капсулы. Отделившись от 2016 HO3, аппарат вернется к Земле примерно через 2.5 года после старта и сбросит на подлете капсулу диаметром 0.75 м, которая войдет в атмосферу со скоростью 12.1 км/с и доставит груз на территорию Китая. На последнем этапе предусмотрен ввод парашютной системы на сверхзвуковой скорости M=2.0–2.4 и вертолетный подхват.

Основной аппарат, пройдя над Землей с гравитационным маневром, будет направлен к еще одному необычному объекту Солнечной системы. Он был открыт в 2013 г. в обзоре автоматическим телескопом PANSTARRS как комета и получил «кометное» обозначение 311P, но по параметрам орбиты (наклонение 4.97°, перигелий 1.94 а.е., афелий 2.44 а.е.) может классифицироваться как астероид. Достигнув цели, «Тяньвэнь-2» выйдет на орбиту вокруг 311P и будет изучать свойства и поведение этого «активного астероида» в течение по крайней мере одного года.

Стоит отметить, что один из приборов китайского аппарата – детектор частиц и солнечного ветра – должен быть поставлен Институтом космических исследований РАН.

Полет к астероиду и комете, в общем-то, выглядит легкой разминкой перед третьей межпланетной миссией Китая, которая предусматривает доставку в близком будущем образцов грунта с Марса.

Комплекс «Тяньвэнь-3» строится по образу и подобию «Чанъэ-5», который успешно доставил лунный грунт в декабре 2020 г. ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/77676.html ). Он также будет состоять из двух основных сборок – посадочной и орбитально-возвратной, причем их не удалось вписать в лимит полезной нагрузки наиболее мощного доступного носителя CZ-5, так что два компонента будут запущены раздельно. Более тяжелая орбитально-возвратная сборка рассчитана на CZ-5 и включает орбитальный аппарат и возвращаемую капсулу. Более легкая посадочная сборка включает собственную перелетную ступень, посадочный аппарат и взлетную ракету. Для ее запуска достаточно носителя CZ-3B; использование разных носителей на двух космодромах облегчает подготовку старта, если придется пускать обе сборки с малым временным интервалом.

Основные компоненты комплекса "Тяньвэнь-3"

Эта оговорка не случайна, так как пока рассматривается два возможных баллистических сценария миссии. Заключительный этап в обоих случаях выглядит одинаково, так как задается жестким астрономическим окном: орбитальный аппарат стартует к Земле с орбиты спутника Марса в октябре 2030 г. и обеспечивает возвращение капсулы с образцами в июле 2031 г.

Началом экспедиции по первому варианту являются два старта «дуплетом» в ноябре и декабре 2028 г. – сначала орбитально-возвратная сборка, затем посадочная. Первая прибывает к Марсу в августе 2029 г. и выходит на высокоэллиптическую орбиту спутника, которая к марту 2030 г. превращается в круговую за счет последовательного аэродинамического торможения в верхней атмосфере Марса на периарийных участках орбиты. В свою очередь, посадочная сборка достигает планеты в сентябре 2029 г. и прямо с подлета идет на посадку, что непросто в реализации, но экономно с точки зрения общей массы – не нужно топлива на предварительный выход на орбиту.

Аппарат для входа в атмосферу строится по стандартной конструктивной схеме, с лобовым экраном и хвостовым обтекателем, и работает также традиционно: гашение подлетной скорости, дальнейшее ее снижение на этапе парашютного спуска и мягкая посадка на двигателях. На посадочной платформе на Марс доставляется небольшой ровер и двухступенчатая взлетная ракета – пока не решено, на твердом топливе или на жидких компонентах – с запасом характеристической скорости 4.5 км/с. В течение полугода производится изучение района посадки и сбор образцов путем копки и бурения. Они загружаются во взлетную ракету, которая в марте 2030 г. доставляет их на орбиту. Орбитальный аппарат уже успеет к этому времени сформировать низкую приемную орбиту, параметры которой будут определены по измерениям с Земли и сконвертированы в соответствующее полетное задание для взлетной ракеты. Орбитальный аппарат осуществляет захват цели, автономное сближение, встречу и стыковку, после чего груз перемещается из взлетной ракеты в посадочную капсулу.

Кажется, что здесь остается семимесячный резерв времени на непредвиденные обстоятельства, связанные с работой на поверхности, но в действительности значительную его часть «съедает» соединение с Солнцем в мае–июне 2030 г. Есть и еще один минус: посадка происходит в период осеннего равноденствия, когда на Марсе часты пылевые бури.

Два варианта плана полета комплекса "Тяньвэнь-3"

Во втором варианте орбитально-возвратная сборка также стартует в ноябре 2028 г. и выходит на орбиту на месяц позже, в сентябре 2029 г. Полет посадочной сборки запланирован по нестандартной долгой траектории с заблаговременным стартом в мае 2028 г. и посадкой в июле 2030 г., ближе к весеннему равноденствию, в благоприятных марсианских условиях. Работа на Марсе ужимается до двух месяцев, так что уже в сентябре взлетная ракета выходит на орбиту, а в октябре орбитальный аппарат с «добычей» стартует к Земле.

Следует заметить, что примерно в эти же сроки запланирована американо-европейская программа доставки марсианского грунта, причем еще более сложная и дорогостоящая. После пересмотра ее схемы в марте 2022 г. программа включает четыре (!) старта с тремя посадками на Марс. Первый, впрочем, уже реализован – американский марсоход Perseverance с февраля 2021 г. работает в кратере Езеро и в сентябре 2021 г. приступил к сбору образцов для доставки на Землю.

Еще два американских посадочных аппарата будут отправлены к Марсу в 2028 г. – один будет нести малый ровер для подбора образцов, оставленных большим марсоходом Perseverance, а второй – взлетную ракету и манипулятор для перегрузки. Чтобы запустить их вместе, потребовалось бы создать аппарат для входа в атмосферу диаметром 5.4 м, что сочли неприемлемым риском. Наконец, европейский орбитально-возвратный аппарат стартует первым, в 2027 г. и работает дольше всех: по пересмотренному плану он должен доставить капсулу с образцами к Земле в 2033 г.

Таким образом, уже сейчас, до выдачи всех контрактов по американо-европейской программе она проигрывает китайской по срокам. И хотя опыта в работе на Красной планете у Китая намного меньше, чем у конкурентов, последовательная безупречная реализация семи лунных проектов и первого марсианского позволяет верить и в техническую реализуемость миссии «Тяньвэнь-3», и в заявленные жесткие сроки.

Автор: Liss

Поделиться в соц. сетях
388