Глава V. Первый полет к Венере

12 февраля 1961 г. в Советском Союзе был начат полет автоматической межпланетной станции к планете Венера.

Вес автоматической межпланетной станции равен 643,5 кг. Выведение ее на межпланетную траекторию было осуществлено управляемой космической ракетой, которая стартовала с тяжелого искусственного спутника Земли.

Как показали проведенные после пуска измерения, траектория движения станции близка к расчетной. Двигаясь по этой траектории, автоматическая межпланетная станция достигла района Венеры во второй половине мая 1961 г. Минимальное расстояние станции от Венеры составило менее 100 тыс. км, при общем пройденном пути в 270 млн. км, что свидетельствует о высокой точности ее выведения на траекторию.

Пуском автоматической межпланетной станции к планете Венера проложена первая межпланетная трасса.

Устройство автоматической межпланетной станции

Автоматическая межпланетная станция (АМС) представляет собой космический аппарат, оснащенный комплексом радиотехнической и научной аппаратуры, системой ориентации и управления, программными устройствами, системой регулирования теплового режима, источниками питания (рис. 157).

Рис. 157. Автоматическая межпланетная станция на монтажной подставке - вид спереди

Рис. 157. Автоматическая межпланетная станция на монтажной подставке - вид сзади

Конструктивно АМС выполнена в виде герметического корпуса, состоящего из цилиндрической части с двумя днищами. Внутри корпуса на приборной раме установлена бортовая аппаратура и блоки химических батарей. Снаружи корпуса расположены часть датчиков научной аппаратуры, две панели солнечных батарей, жалюзи системы терморегулирования и элементы системы ориентации.

К одной из панелей солнечных батарей крепится блок тепловых датчиков для исследования изменения оптических коэффициентов различных покрытий в условиях длительного пребывания в межпланетном пространстве. Кроме того, снаружи корпуса станции установлены четыре антенны. Одна из них - остронаправленная - имеет форму параболоида диаметром около 2 м и предназначена для связи с межпланетной станцией на больших расстояниях от Земли и передачи большого объема информации в течение небольшого промежутка времени.

Две крестообразные антенны, установленные на панели солнечной батареи, имеют малонаправленную диаграмму и предназначены для связи на средних расстояниях от Земли.

Всенаправленная антенна - штырь длиной 2,4 м - предназначена для передачи информации и определения параметров траектории на приземном участке.

Наибольшие размеры станции (без учета антенн и солнечных батарей) по длине - 2035 млн. и по диаметру - 1050 млн..

Панели солнечных батарей и штыревая антенна до отделения станции от космической ракеты находятся в сложенном состоянии и раскрываются сразу же после отделения.

Конструкция станции обеспечивает поддержание внутри ее герметичного корпуса первоначального давления газа около 900 млн. рт. ст. на протяжении всего времени полета.

Жалюзи системы терморегулирования, установленные на цилиндрической части корпуса, вращаясь, открывают и закрывают радиационную поверхность, соответственно увеличивая или уменьшая отвод тепла, выделяющегося при работе бортовой аппаратуры. Управление работой жалюзи и вентиляторами, установленными внутри корпуса, осуществляется при помощи бортового автономного програмлн.ного устройства и системы температурных датчиков, установленных в местах, подверженных наибольшему перегреву или переохлаждению. Таким путем решается задача обеспечения нормального температурного режима бортовой аппаратуры на всей траектории полета от Земли к Венере, при приближении станции к Солнцу на расстояние до 110 млн. км, т. е. при увеличении мощности солнечного излучения более чем в 2 раза.

Две панели солнечных батарей, постоянно ориентируясь на Солнце, обеспечивают непрерывную подзарядку химических источников тока.

Радиотехнический комплекс АМС решает следующие задачи:

измерение параметров движения станции относительно Земли;

передачу на Землю результатов измерений, производимых на борту научной аппаратурой;

передачу на Землю информации о работе бортовых приборов, давлении и температуре внутри станции и на ее корпусе;

прием с Земли радиокоманд управления работой аппаратуры на борту станции.

Управление работой бортовой аппаратуры станции производится путем передачи команд по радиолинии с наземных пунктов, а также автономными програмлн.ными бортовыми устройствами.

Система ориентации АМС решает в течение полета по траектории следующие задачи:

устранение произвольного вращения станции, полученного при отделении от космической ракеты, стартовавшей с тяжелого искусственного спутника Земли;

обеспечение поиска Солнца из любого положения станции и осуществление ориентации солнечных батарей на Солнце в течение всего времени полета;

обеспечение любого необходимого пространственного разворота станции и осуществление стабилизации станции;

обеспечение вблизи Венеры ориентации остронаправленной (параболической) антенны в сторону Земли для получения более высокой скорости передачи научной информации и сведений о работе бортовой аппаратуры на Землю.

АМС оснащена комплексом научной аппаратуры для проведения физических измерений в космическом пространстве:

для изучения космических лучей;

для измерения магнитных полей в диапазоне от нескольких единиц гамлн. до нескольких десятков гамм;

для измерении заряженных частиц межпланетного за и корпускулярных потоков Солнца;

для регистрации микрометеоров.

На борту АМС находится вымпел с изображением Государственного герба Союза Советских Социалистических Республик. Вымпел представляет собой модель Земли и конструктивно выполнен в виде полой сферы диаметром 70 млн. из титанового сплава. На внешней поверхности сферы нанесено изображение контуров материков. Поверхность морей и океанов имеет голубой цвет, а материков - золотисто-желтый.

Внутри сферического вымпела помещена памятная медаль с изображением Государственного герба СССР. На обратной стороне медали в центре изображен план солнечной системы с орбитами Меркурия, Венеры, Земли и Марса, а по краю надпись - "Союз Советских Социалистических Республик - 1961".

Взаимное расположение планет соответствует моменту подлета АМС к планете Венера.

Сферический вымпел помещен в специальную защитную оболочку, внешняя поверхность которой образована пятиугольными элементами из нержавеющей стали с изображением Государственного герба СССР и надписью "Земля - Венера. 1961".

Полет межпланетной станции к Венере

Для осуществления полета к Венере надо было выбрать траекторию полета, удовлетворяющую ряду условий. Если намечены дата старта ракеты и дата сближения АМС с Венерой, то орбита АМС в солнечной системе, вне сферы действия Земли, определяется однозначно. При этом АМС, выходя из сферы действия Земли, должна иметь скорость, вполне определенную как по величине, так и по направлению. Даты старта и сближения выбираются так. чтобы необходимая скорость выхода АМС из сферы действия Земли была бы возможно меньше. При этом величина скорости, которую ракета-носитель должна сообщить АМС на участке разгона, также будет минимальной.

Существенное значение имеет метод разгона АМС ракетой-носителем. При непрерывной работе всех ступеней ракеты вес полезного груза зависит не только от величины скорости, которую надо сообщить АМС в конце участка разгона, но и от угла наклона скорости к горизонту. При больших углах наклона скорости сила тяготения Земли препятствует разгону, в связи с чем возможный вес полезного груза ракеты уменьшается. Чтобы АМС вышла на сферу действия Земли, имея скорость в нужном направлении, при непрерывном разгоне может потребоваться в конце участка разгона скорость, круто наклоненная к горизонту.

Этого можно избежать, если применить метод разгона с промежуточным выходом на орбиту спутника. Спутник, несущий на борту космическую ракету, выводится ракетой-носителем на круговую орбиту с минимальными потерями. Разгон космической ракеты, стартующей с борта спутника, производится почти в горизонтальном направлении. Выбрав надлежащим образом плоскость орбиты спутника, место и время старта ракеты со спутника, можно обеспечить выход АМС из сферы действия в нужном направлении.

Старт с борта спутника выгодно осуществлять при запусках космических аппаратов не только к Венере, но и по самым разнообразным космическим трассам.

Как уже говорилось, даты старта и сближения с Венерой выбираются так, чтобы величина скорости выхода АМС из сферы действия Земли была возможно меньше. Это определяет ряд диапазонов дат старта и сближения, выгодных с точки зрения энергетики ракеты. Приемлемые интервалы дат старта составляют 1-2 месяца и периодически повторяются примерно через 19 месяцев. Один из таких интервалов приходится на конец 1960 - начало 1961 года. Он и был использован при запуске 12 февраля.

Из сферы действия Земли АМС выходит на эллиптическую орбиту периодического движения вокруг Солнца. При этом для различных энергетически выгодных траекторий время полета до сближения с Венерой может сильно различаться. Существуют траектории при полете, по которым встреча АМС с Венерой происходит на первой половине оборота АМС вокруг Солнца, на второй половине оборота и т. д.

Для запуска 12 февраля выбрана Траектория, при Которой встреча происходит на первой половине оборота. При траекториях другого типа существенно увеличивается время полета и возрастают отклонения АМС у Венеры, зависящие от ошибок в конце участка разгона. Кроме того, расстояние от Земли до Венеры в момент сближения АМС с планетой для этих траекторий, как правило, значительно больше, чем для траектории со встречей на первой половине оборота.

Чтобы обеспечить прохождение АМС в непосредственной близости от планеты, необходимо осуществить ее выведение на траекторию с большой точностью. Ошибки в величине скорости на 1-3 м/сек и ошибки в направлении скорости на 0,1 ÷ 0,3° приводят к изменению минимального расстояния АМС от Венеры на 100 тыс. км. Такую же величину отклонения дает и ошибка во времени старта ракеты на 1 минуту.

Отклонения траектории АМС от Венеры могут также произойти вследствие того, что положение Венеры известно лишь с определенной точностью. Основным источником этих погрешностей является недостаточная для данной цели точность измерения астрономической единицы (среднего расстояния от Земли до Солнца), определяющей масштаб солнечной системы.

При достаточно точных измерениях траектории АМС на большом участке полета можно провести уточнение астрономической единицы.

Для запуска автоматической межпланетной станции к Венере мощной многоступенчатой ракетой был выведен на орбиту тяжелый искусственный спутник Земли. Спутник двигался по орбите, близкой к круговой,- с минимальным расстоянием от центра Земли 6601 км, максимальным расстоянием от центра Земли 6658 км и наклонением орбиты к экватору 65°.

Космическая ракета стартовала с борта спутника в заранее рассчитанной точке орбиты. Когда скорость полета этой ракеты относительно Земли стала больше второй космической на 661 м/сек и ракета вышла в заранее рассчитанную точку пространства, двигатель ракеты выключился, и от нее отделилась автоматическая межпланетная станция. Начался ее свободный полет по траектории к планете Венера.

Таким образом впервые был осуществлен запуск управляемого аппарата с борта искусственного спутника Земли на межпланетную трассу.

Дальнейшее движение АМС происходит под действием сил притяжения Земли, Солнца и планет.

Внутри сферы действия Земли АМС двигалась по кривой, близкой к гиперболе, расположенной в плоскости, проходящей через центр Земли и неизменно ориентированной относительно звезд. Эта плоскость близка к плоскости, в которой двигался спутник.

По мере удаления АМС скорость ее относительно Земли постепенно падала. АМС достигла границы сферы действия Земли 14 февраля в 23 часа московского времени и имела при этом скорость около 4 км/сек относительно Земли.

Скорость АМС относительно Солнца, которая получается сложением вектора скорости Земли относительно Солнца и вектора скорости АМС относительно Земли, в момент выхода из сферы действия Земли была равна 27,7 км/сек.

После этого движение АМС происходило по эллиптической орбите с фокусом в центре Солнца. Эта орбита имеет:

максимальное расстояние от Солнца (расстояние в афелии) - 151 млн. км.

минимальное расстояние от Солнца (расстояние в перигелии) - 106 млн. км.

наклонение к плоскости эклиптики (т. е. к плоскости орбиты Земли) - 0,5°.

Плоскости движения Земли, Венеры и АМС мало наклонены друг к другу.

На рис. 158 изображено движение АМС, Земли и Венеры в проекции на плоскость орбиты Земли. Одновременные положения Земли, Венеры и АМС соединены прямыми. В начале движения вокруг Солнца ракета отставала от Земли. Незадолго до дня весеннего равноденствия Солнце, АМС и Земля находились примерно на одной прямой. Затем ракета обогнала Землю в угловом движении вокруг Солнца. Расстояние от Земли до АМС в течение всего полета к Венере непрерывно возрастало и к моменту сближения достигло 70 млн. км.

Рис. 158. Движение автоматической межпланетной станции относительно Солнца (в проекции на плоскость орбиты Земли)

Угол между направлениями из центра Солнца на Землю в момент старта и на Венеру в момент сближения с нею равен 120°. Время движения АМС до сближения с Венерой составило немного более трех месяцев. Сближение с Венерой произошло 19-20 мая 1961 г.

Венера так же, как и Земля, имеет сферу действия (радиусом 600 тыс. км). Внутри этой сферы влияние Венеры на движение АМС является преобладающим над влиянием Солнца.

Движение относительно Венеры внутри ее сферы действия происходило по траектории, близкой к гиперболе, с фокусом в центре Венеры.

Расчет по полученным данным измерений орбиты показал, что минимальное расстояние АМС от Венеры составило менее 100 тыс. км.

Если бы межпланетная станция была яркой точкой, то с Земли можно было наблюдать перемещение станции на фоне неподвижных звезд. Ее путь на небесной сфере представлен на звездной карте (рис. 159).

Рис. 159. Видимое движение автоматической межпланетной станции (сплошная линия) и Венеры (пунктирная линия) на небесной сфере. Цифрами отмечены положения АМС и Венеры через каждые 10 суток полета. По вертикальной оси указаны склонения (в градусах), по горизонтальной - прямое восхождение (в часах)

В начале движения перемещение станции относительно звезд было быстрым. При выходе из сферы действия Земли станция находилась в области небосвода, расположенной на границе созвездий Кита и Рыб, в центре треугольника, составленного звездами бета Овна, альфа Пегаса и бета Кита. К этому времени угловые перемещения АМС по небосводу были уже очень медленными. На этом участке АМС двигалась относительно Земли примерно вдоль радиуса.

В дальнейшем движение АМС на небесной сфере, как видно из карты, похоже на движение планет. До начала апреля АМС находилась в созвездии Рыб, перемещаясь так называемым попятным движением. В начале апреля АМС начала перемещаться на небесной сфере прямым движением. Точка, когда попятное движение переходит в прямое, носит название точки стояния. Прямое движение среди звезд продолжалось вплоть до сближения станции с Венерой, которое произошло недалеко от звезды эпсилон Рыб.

Венера в момент старта АМС находилась в созвездии Рыб, перемещаясь среди созвездий прямым движением. Прямое движение постепенно замедлялось, и в конце марта наступило стояние Венеры.

После стояния началось понятное движение Венеры, которое продолжалось до начала мая 1961 г., а затем сменилось прямым движением. На этом участке прямого движения Венеры и произошло сближение с ней АМС.

В табл. 35 приведены округленные значения расстояний АМС от Земли, Венеры и Солнца и значения углов прямого восхождения через каждые десять суток после старта.

Таблица 35. Расстояния АМС от Земли, Венеры и Солнца

Измерительно-управляющий комплекс АМС

Для управления АМС, определения ее орбиты и двухсторонней связи с АМС был создан автоматизированный измерительный радиотехнический комплекс.

Всю траекторию полета можно условно разбить на три участка: участок полета тяжелого искусственного спутника Земли; участок старта космической ракеты с тяжелого спутника и участок движения АМС под действием сил тяготения по направлению к Венере.

Измерение элементов траектории тяжелого спутника осуществлялось специальными средствами, расположенными на территории Советского Союза. Сведения о работе узлов и агрегатов спутника принимались радиотелеметрическими станциями, установленными на территории нашей страны, а также на специальных судах в океанах.

Запуск космической ракеты с тяжелого спутника контролировался телеметрическими системами.

После отделения АМС работал измерительный комплекс приземного участка, предназначенный для проведения орбитальных и телеметрических измерений. На каждом измерительном пункте приземного участка установлены специальные радиотехнические передающие и приемно-регистрирующие устройства, параболические антенны с приборами программного наведения.

Определение фактической траектории при удалении АМС от Земли на расстояние свыше 100 тыс. км осуществлялось радиотехническими средствами Центра дальней космической радиосвязи. Этим же Центром производился прием телеметрической информации и управление аппаратурой станции. По командной радиолинии включались и выключались соответствующие приборы АМС.

Работа всех средств АМС производилась по специальной программе, которая определяет длительность сеансов связи, их периодичность и режимы работы аппаратуры.

Для приема радиосигналов на больших расстояниях использовались узкополосные малошумящие приемные устройства. Это влечет за собой необходимость достаточно точного расчета значений принимаемой и излучаемой частот с учетом эффекта Допплера. Для поддержания постоянной частоты на входе узкополосных фильтров приемников, находящихся на межпланетной станции и на измерительном пункте, в излучаемую и принимаемую частоты вводилась прогнозируемая допплеровская поправка.

В пунктах Центра дальней космической радиосвязи созданы большие антенные сооружения, позволяющие принимать радиосигналы от источников, удаленных на громадные расстояния от Земли.

Антенна может быть наведена в любую точку небесной сферы с точностью до нескольких угловых минут. Программы наведения автоматически вводятся в электронно-счетную машину, управляющую антенной.

Все данные измерений передаются по автоматической линии в координационно-вычислительный центр, где проводится обработка траекторных измерений с помощью быстродействующих электронных вычислительных машин, осуществляется прогнозирование движения АМС и рассчитываются программы наведения антенн. Координационно-вычислительный центр осуществляет руководство всеми наземными измерительными службами по намеченной программе.