МЕЖПЛАНЕТНЫЕ СТАНЦИИ

НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ №1 — 2005

SMART-1 на орбите вокруг Луны И.Лисов. «Новости космонавтики»

Необычайно долгое путешествие европейской космической станции SMART-1 по маршруту Земля — Луна завершилось 15 ноября: более чем через год после запуска с космодрома Куру во Французской Гвиане экспериментальный аппарат вышел на орбиту вокруг Луны. Впервые в истории космонавтики переход с вытянутой околоземной орбиты на окололунную был выполнен с использованием электрореактивного двигателя малой тяги. Он потребовал израсходования лишь 16% стартовой массы КА, но — так как бесплатных пирожных не бывает и в космонавтике — занял целых 13.5 месяцев, за которые аппарат сделал 332 витка вокруг Земли и прошел более 84 млн км.

В НК №9, 2004 были описаны первые 10 месяцев полета станции. За период с 30 сентября 2003 г., когда станция начала разгон с помощью электрореактивной ДУ, и до 12 июля 2004 г. аппарат поднял свою орбиту с 656x35880 до 22361x155133 км. Подъем проводился в два этапа — сначала «вытащили» из пределов радиационных поясов перигей орбиты, затем поднимали апогей. На это было израсходовано около 43 кг ксенона, а суммарное приращение скорости превысило 2000 м/с.

С Земли на Луну
С июля начался третий этап полета станции — подъем орбиты в режиме лунного резонанса и подготовка условий для выхода на орбиту вокруг Луны. Лунный резонанс — это по существу разновидность гравитационного маневра, то есть использования энергии орбитального движения небесного тела для изменения вектора скорости сближающегося с ним КА. Отличие лунных резонансов SMART-1 от, скажем, пролетов станции Cassini у Венеры и Земли состояло в относительно малой интенсивности взаимодействия с Луной и — соответственно — в небольшой величине приращения вектора скорости. Планом полета SMART-1 были предусмотрены три сближения с Луной — 19 августа, 13 сентября и 13 октября; впрочем, эти даты не были «строгими» и могли немного меняться с учетом фактических параметров орбиты.

Конец июля и всю первую половину августа станция продолжала разгон с целью выйти в точку первого гравитационного резонанса с Луной. Период обращения вокруг Земли достиг уже четырех суток, и поэтому участки разгона на малой тяге были достаточно длинными. Так, 9 августа начался активный участок продолжительностью 56.7 час, а 14 августа — 39 час.

В новых условиях работы — на орбите без входа в земную тень — операторам станции пришлось бороться с перегревом аккумуляторов и оптических головок звездных датчиков, а также с деградацией передатчика А. Кроме того, 30 июля были зафиксированы колебания подачи ксенона в двигатель — система управления самопроизвольно переключалась между двумя рабочими режимами. Чтобы избежать этого в дальнейшем, уровень напряжения на электрореактивной ДУ снизили с 1358.1 до 1285.3 Вт.

19 августа в 17:56 UTC в апогее своей орбиты SMART-1 находился в 230000 км от Земли и 197000 км от Луны — практически «на полдороге». Несложно подсчитать, что Луна притягивала станцию с силой в 59 раз меньшей, чем Земля. И тем не менее она довольно заметно «подстегнула» станцию, проходя высоко над ней в попутном направлении.

Эволюция орбиты КА SMART-1 вокруг Земли по 26.10.2004

Совместное действие лунного резонанса и работы двигателя через четыре витка вновь вывело станцию к Луне. Второй лунный резонанс имел место 15 сентября в апогее, которого станция достигла в 01:07 UTC на расстоянии 280000 км от Земли. На этот раз заметно изменились не только перигей и апогей орбиты, но и ее наклонение, которое увеличилось с 7° до 12.5°.

27 сентября исполнился год с момента запуска SMART-1. В этот день аппарат в течение 3.5 часов наблюдал магнитные полюса и районы полярных сияний над Землей с помощью рентгеновского спектрометра D-CIXS. Аналогичные измерения проводились и 17 августа; кроме того, D-CIXS калибровался по источнику Скорпион Х-1 и наблюдал переменность рентгеновских новых.

Опять-таки в юбилейный день 27 сентября был проведен эксперимент по лазерной связи между SMART-1 и оптической наземной станцией на о-ве Тенерифе. С борта КА за лазерным лучом наблюдала камера AMIE. Время от времени станция проводила с ее помощью съемки Земли и Луны.

Сделав еще три витка, SMART-1 сблизился с Луной в третий раз — это произошло 12 октября, и расчетное время прохождения апогея было 03:18 UTC. В период сближения с Луной, 10-14 октября, аппарат выдал почти 100-часовой импульс с помощью бортовой ЭРДУ, а 25 октября включил двигатель еще на четыре часа, чтобы скомпенсировать некоторый «перебор» тяги во время предыдущего включения. Этот 289-й импульс был последним перед захватом SMART-1 на орбиту вокруг Луны. Всего за период с 30 сентября 2003 г. по 26 октября 2004 г. бортовая ЭРДУ проработала 3648 часов (152 сут), израсходовала 58.8 кг ксенона (из заправленных 82 кг) и обеспечила приращение скорости 2737 м/с.

После 14 октября период обращения вокруг Земли станции SMART-1 был примерно вдвое меньше, чем у Луны. 2 ноября в 07:28 UTC (время расчетное) аппарат в последний раз прошел перигей околоземной орбиты и в 4-й раз направился к Луне. Путь станции лежал через ту область между Землей и Луной, где их влияние сравнивается: находящийся здесь аппарат не может считаться ни спутником Земли, ни спутником Луны, и просчитать его движение можно лишь при тщательном учете притяжения обоих тел. Баллистики называют это место областью динамической нестабильности — едва заметный разброс параметров, с которыми сюда приходит земной аппарат, полностью изменяет его судьбу: при одних он вернется к Земле, при других — пойдет к Луне, при третьих — вообще покинет систему Земля-Луна и уйдет на орбиту спутника Солнца. Пройдя этот район 11 ноября около 10:30 UTC, станция стала приближаться к естественному спутнику Земли.


Захват КА SMART-1 на орбиту вокруг Луны в ноябре 2004 г.

Вокруг Луны
15 ноября в 17:47:39 UTC аппарат SMART-1 в первый раз сблизился с Луной примерно до 6700 км — это был первый периселений станции. Еще на подходе к цели, в 05:23 UTC, он начал торможение с помощью ЭРДУ, продолжал его в течение всего первого витка и закончил уже в начале второго, 19 ноября в 17:48 UTC. Второй периселений был пройден 19 ноября в 10:58 UTC.

Формальные («оскулирующие»*) параметры орбиты захвата приведены ниже, а в скобках даны расчетные параметры окололунной орбиты, опубликованные ЕКА 10 ноября:

— наклонение — 81.077° (81.085°);

— минимальное расстояние от центра Луны — 6704 (6701) км;

— максимальное расстояния от центра Луны — 53208 (53215) км;

— период обращения — 129.2 (129.2) час.

Фантастическая точность исполнения сложнейшей баллистической схемы! Следует заметить, что фактическая продолжительность первого витка была всего 89 час 10 мин — настолько сильно идеальная, «невозмущенная» длительность отличалась от реальной.

* Оскулирующей называется та воображаемая орбита, по которой бы стал обращаться аппарат под действием земного притяжения, если бы в какой-то момент все возмущения прекратились. Для SMART-1 важнейшими из этих возмущений были притяжение Луны и Солнца и реактивная сила бортовой ЭРДУ.

Торможение КА SMART-1 на орбите вокруг Луны с 15.11.2004 по 04.12.2004
Параметры оскулирующей орбиты КА SMART-1 вокруг Земли
ДатаНакло-
нение
Мин.
радиус, км
Макс.
радиус, км
Период,
час
12.07.2004
09.08.2004
25.08.2004
01.10.2004
26.10.2004
6.865°
6.911°
6.940°
12.478°
20.592°
28740
32429
37791
69959
179718
161511
208705
240824
292632
305214
81,1
115,7
143.7
213.4
330.1

На следующих витках SMART-1 продолжал торможение с целью приблизить свою орбиту к поверхности Луны. Второй виток занял уже 75 часов, третий — 69, четвертый — 59 часов. 22 ноября аппарат в первый раз за много месяцев вошел в тень (на 110 минут).

5 декабря в 05:08 UTC станция закончила свой восьмой виток вокруг Луны. Параметры орбиты на этом витке составили:

— наклонение — 83.035°;

— минимальное расстояние от центра Луны — 5455 км;

— максимальное расстояния от центра Луны — 20713 км;

— период обращения — 37.3 час.

Периселений находится над умеренными широтами южного полушария Луны — около 70° ю.ш.

В течение ближайшего месяца орбита аппарата будет «сжата» до высоты 300x3000 км над поверхностью Луны, а в середине января 2005 г. ЕКА уже планирует начать приемку SMART-1 на окололунной орбите и научные наблюдения. Благодаря экономному расходованию ксенона рабочая орбита будет ниже расчетной, что благоприятно для определенных экспериментов.

Если ЕКА примет решение о продлении работы SMART-1 сверх запланированного срока, в июне 2005 г. на остатках рабочего тела аппарат предполагается перевести на более высокую и стабильную орбиту.

По сообщениям ЕКА