Вступление

Я люблю путешествовать по Японии на велосипеде. Каждый раз, отправляясь в такую поездку, я беру с собой всё своё снаряжение. Но поскольку у моего велосипеда нет багажника, приходится перевозить весь груз на своих плечах. Это заметно ограничивает вес, на который я могу рассчитывать при планировании своего маршрута.

В случае обычных неприятностей, вроде проколотых колёс, у меня в запасе всегда есть инструменты для ремонта и замены камер. Но существуют и другие потенциальные проблемы, которые могут возникнуть в дороге. И в этом случае ограничение веса сильно влияет на то, что я могу взять с собой. Местность, по которой проходит мой путь, также сказывается на выборе необходимого снаряжения.

Если вы путешествуете вдоль Охотского моря по Хоккайдо или через горы Сикоку, то в пределах 100 километров от вас нет ни супермаркетов, ни небольших магазинчиков. Общественные виды транспорта также отсутствуют. Поэтому с собой жизненно необходимо брать особые инструменты; к примеру выжимку – на случай обрыва велосипедной цепи.

Я – Такане Имада, ведущий инженер-проектировщик космических систем в проекте Martian Moons eXploration. Разработка систем, подобных тем, которыми занимаюсь я, очень походит на приготовления к моим путешествиям. При ограниченной массе самое главное – это подготовка наиболее эффективной комбинации оборудования, готового ко всему, что может произойти в будущей миссии. Если речь идёт про искусственные спутники Земли, то внезапно возникшие проблемы можно решить довольно быстро. Но проектирование космических аппаратов для миссий в дальний космос, таких как Hayabusa, Hayabusa2 и MMX, похоже на подготовку к поездке на велосипеде в районы, где на поддержку, к примеру, магазинов, рассчитывать не приходится.

Обзор миссии MMX

Основная цель миссии MMX – доставить на Землю образцы грунта с поверхности спутника Марса Фобоса. Ни один космический аппарат никогда ранее не возвращался из окрестностей Красной планеты, поэтому, если мы добьёмся успеха, то станем первыми в мире!

Запуском космического аппарата в рамках этой миссии займётся ракета H3 – самый мощный носитель, который в настоящее время разрабатывается Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA). Аппарату будет необходимо спуститься в марсианский гравитационный колодец, а затем вернуться оттуда. Это путешествие, требующее двух значительных импульсов для ускорения и торможения. Поэтому главной особенностью данного космического аппарата является довольно большой объём топлива, который придётся взять с собой для выполнения соответствующих манёвров.

После прибытия в гравитационную сферу Марса, приоритетом станет поиск безопасного места посадки на поверхности Фобоса, что ориентировочно может занять около полутора лет. В качестве места для посадки будет выбрана как можно более ровная и широкая область спутника.

Но даже после определения места, посадка не будет совершена немедленно. Сначала будут проведены наблюдения за соответствующей местностью. Кроме того, на поверхность спутника будет сброшен французско-немецкий планетоход для оценки свойств поверхности Фобоса, в особенности её твёрдости.

Сама посадка – это самый опасный этап миссии MMX, и координация с диспетчерами на Земле должна быть как можно более плотной. Поэтому спуск на поверхность спутника будет выполнен в середине периода нахождения космического аппарата в марсианской гравитационной сфере – в это время расстояние между Землёй и Марсом будет наименьшим из возможных, что уменьшит задержку связи. В общей сложности миссия рассчитана на две посадки. Образцы планируется взять в каждом из мест.

Оставшееся время до возвращения на Землю ММХ проведёт близ Фобоса для проведения более детальных наблюдений за этим спутником и самим Марсом. Когда он, наконец, покинет марсианскую гравитационную сферу, его орбита будет скорректирована таким образом, чтобы совершить облёт Деймоса для подробного его изучения. Затем,  спустя почти пять лет после запуска, космический аппарат вернётся на Землю с ценными образцами с Фобоса, а также большим количеством данных наблюдений.

Вокруг чего ведутся споры в ходе проектирования космического аппарата MMX?

При проектировании космического аппарата MMX необходимо было принять ряд важных решений, которые повлияли на облик всей миссии. Можно сказать, что это один из самых волнительных моментов в любом проекте такого уровня. Вот два примера.

Пример 1. Химическая или электрическая двигательная установка?

Одно из основных различий между космическим аппаратом MMX и его предшественниками Hayabusa и Hayabusa2 заключается в том, что как для полёта к своей цели, так и для возвращения на Землю, MMX будет использовать химическую, а не электрическую двигательную установку. Это связано с двумя основными требованиями: полное ускорение должно быть примерно вдвое больше, чем у миссий Hayabusa/Hayabusa2; кроме того, в ходе миссии планируется высадка на небесное тело с гравитацией большей, чем у типичного астероида, что означает необходимость поиска компромисса в конструкции двигательной установки.

Поскольку космическому аппарату, отправляющемуся в столь долгое путешествие, необходимо достаточное количество топлива для возвращения, на этом этапе проектирования нужно было запланировать место для размещения большой массы на его борту. Также нельзя забывать и про высокую тягу, требуемую для того, чтобы аппарат мог войти в марсианскую гравитационную сферу. Однако вблизи Марса интенсивность солнечного света падает до менее чем половины от её уровня на орбите Земли. Это не позволяет сделать выбор в пользу фотоэлементов для обеспечения энергией электрической двигательной установки. Поэтому для путешествия к цели было решено использовать именно химический двигатель, в результате чего нам оставалось сделать выбор в пользу одного из двух вариантов для обратного маршрута: химическая (A) или же электрическая (B) тяга. Также предстояло определиться относительно того, оставаться ли в марсианской гравитационной сфере один или же три года, что дало в общей сложности четыре возможных плана миссии. Они представлены в Таблице 1.

[Предложения]

A-1) Химическая тяга как для полёта на Марс, так и для возвращения обратно. 1 год пребывания около Марса.

A-2) Химическая тяга как для полёта на Марс, так и для возвращения обратно. 3 года пребывания около Марса.

B-1) Химическая тяга для полёта на Марс, электрическая тяга для возвращения обратно. 1 год пребывания около Марса

B-2) Химическая тяга для полёта на Марс, электрическая тяга для возвращения обратно. 3 года пребывания около Марса.

В итоге было решено, что, несмотря на дополнительный вес, необходимый для химической тяги, именно она будет использоваться как для полёта на Марс, так и для возвращения обратно. Этот выбор был в значительной степени продиктован необходимостью обеспечить как можно более безопасную посадку на Фобос, где крупные солнечные панели, необходимые для питания электрического ракетного двигателя, привели бы к большему риску опрокидывания самого аппарата. Кроме того, в сравнении с химической двигательной установкой, электрическая удлиняет обратный путь на дополнительные два года и два месяца . Этот вариант не был слишком популярен среди учёных-планетологов, которые хотели получить образцы как можно скорее.

Основываясь на прогнозе увеличения количества потенциальных запросов со стороны научных коллективов на проведение соответствующих наблюдений за Фобосом при помощи проектируемого аппарата, была выбрана трёхлетняя программа его пребывания в марсианской гравитационной сфере. Последующая доработка программы наблюдений за Фобосом показала, что достичь всех планируемых целей наблюдений за один год – вариант маловероятный. Я считаю, что выбор в пользу трёх лет работы близ Марса был полностью оправданным.

Пример 2: Три или четыре опоры?

Гравитация Фобоса довольно велика по сравнению с астероидами Итокава и Рюгу. Однако она намного меньше той гравитации, которую можно ощутить на Луне. Когда мы приступили к созданию симуляции посадки космического аппарата, стало ясно, что для высадки в условиях гравитации Фобоса потребуются полноценные опоры.

До сих пор совершавшие посадку на Луну космические аппараты имели либо три, либо четыре опоры. Среди американских лунных аппаратов есть множество экземпляров с тремя опорами, в том числе Surveyor 1, который совершил первую мягкую посадку на Луну, в то время как в программе Apollo использовались модули с четырьмя опорами. В Таблице 2 показаны компромиссы, на которые приходится идти при использовании обеих компоновок.

Хотя вариант с тремя опорами и обладает преимуществом в том, что все они всегда соприкасаются с поверхностью, у него существует бóльшая вероятность опрокидывания аппарата в сравнении с четырёхопорной конструкцией,. Я выбрал высокую устойчивость, достигаемую при использовании четырёх опор, поскольку сила тяжести на поверхности Фобоса не столь велика, чтобы вызвать отскок при посадке.

При детальном рассмотрении этого компромисса на ум приходят легковые автомобили. Почти все современные модели имеют четыре колеса, однако в своё время было несколько элегантных трёхколесных экземпляров. Вероятно, в конечном итоге, выбор был сделан в пользу меньшей вероятности опрокидывания.

Как конструкция аппарата менялась со временем?

На основе принятых решений, описанных в предыдущем разделе, мы приступили к проектированию космического аппарата MMX. По мере продвижения нашей работы его внешняя форма претерпела значительные изменения по сравнению с первым вариантом его конструкции. На Рисунке 1 показаны основные этапы эволюции его дизайна.

Первое поколение (2015-2016)

В это время мы были сосредоточены на самой возможности путешествия к Марсу и обратно. Было два варианта конструкции аппарата, потому что мы всё ещё не решили, будем ли мы использовать химические или же электрические двигательные установки.

Поскольку эффективность фотоэлементов снижается вблизи Марса, но при этом требуется сравнительно большая тяга, чтобы покинуть марсианскую гравитационную сферу, то чтобы допустить возможность использования электрической тяги требовались большие солнечные батареи. Это было до того, как мы стали обсуждать посадку на Фобос. Когда я думаю обо всей этой ситуации сейчас, и о том, какую проблему представляет большой массив солнечных батарей во время посадки на небесное тело с гравитацией, как у Фобоса, я понимаю, что решение отказаться от электрической тяги было абсолютно правильным.

Второе поколение (2016-2017)

Такую форму приобрёл космический аппарат после принятия решения использовать химическую двигательную установку как для полёта на Марс, так и обратно. Этот выбор означал, что требуемая масса топлива будет весьма значительной, поэтому в этот период основное внимание уделялось снижению веса всей конструкции аппарата. Это привело к модульной компоновке с последующим выбором трёхмодульной формы, использование которой могло бы помочь минимизировать стартовую массу.

Кроме того, держатель солнечных батарей был перепроектирован для недавно разработанных гибких тонкоплёночных солнечных панелей. Опоры были размещены параллельно им, чтобы по возможности исключить соприкосновение батарей с поверхностью, если космический аппарат наклонится во время посадки. Строение самих опор в то время не являлось приоритетом, поэтому их конструкция оказалась не в полной мере реализуемой на практике.

Третье поколение (2018)

Тут мы полностью погрузились в изучение возможности посадки на Фобос, и эта модель была использована в качестве основы для анализа её динамики. Продолжалось проектирование амортизаторов и их поршней, началась работа над соединительными частями для основного корпуса.  С точки зрения конструкции – это амортизаторы телескопического типа, которые аналогичны используемым на переднем колесе мотоциклов. Или на лунном модуле в миссиях Apollo.

Конструкция солнечных панелей осталась такой же, как и у второго поколения, но с более длинными опорами для предотвращения нежелательного контакта с поверхностью. Высота аппарата была выбрана таким образом, чтобы проект соответствовал требованиям для забора проб на Фобосе.

В течение этого периода мы также изучали возможность упрощения всей системы, и в этой версии использовалась двухмодульная конфигурация, состоящая из исследовательского и возвращаемого модуля, что немного отличается от нынешней конструкции аппарата.

Четвёртое поколение (2019 ~)

По мере того, как общая масса MMX всё возрастала в ходе его разработки, мы вернулись к сложной, но всё же чуть более лёгкой конструкции из трёх модулей. Посадочная система теперь состоит из основных и вспомогательных опор, соединённых между собой шарниром. Несмотря на минимизацию размеров основной конструкции, опоры были расставлены максимально широко, чтобы предотвратить любую возможность опрокидывания аппарата. Поиск нужного строения опор всё ещё продолжался, однако именно в этот период мы определились с их конструкцией, способной выдержать посадку на Фобос.

Изучая конструкцию солнечных панелей, мы обнаружили, что облегчённые экземпляры третьего и более ранних поколений легко сгибались во время выполнения посадки и могли соприкасаться с поверхностью. Поэтому, в конечном итоге, мы пришли к форме, более близкой к квадрату, в которой используется двухступенчатый механизм развёртывания, хотя он и немного тяжелее.

Основываясь на выбранной конструкции, в настоящее время мы пытаемся внести дополнительные улучшения в проект, которые потенциально могут привести к снижению веса.

Послесловие

Моя роль в создании MMX описывается как «ведущий инженер» на английском языке и переводится как «главный конструктор» на японский язык. Вы когда-нибудь смотрели аниме студии «Гибли» под названием «Ветер крепчает»? У героя этой истории та же работа, что и у меня! В любом проекте основная роль принадлежит менеджеру данного проекта, но я чувствую, что главный герой в нашей большой истории по созданию аппарата ММХ – это ведущий инженер!

Источник