Известно, что любая наука движется вперед поставленными, но пока не решенными задачами. Какие научные задачи ставят перед собой космические баллистики?
Так хотелось бы, чтобы все баллистические задачи решались автоматически на борту космического аппарата… А если серьезно, то вскоре — через год — предстоит решить невероятно красивую задачу — добыть образцы грунта с Фобоса (спутник Марса) и доставить их на Землю в ходе выполнения программы «Фобос-грунт» Российской Академии наук и Федерального космического агентства. Запуск планируется с космодрома Байконур в октябре 2009 года. Попробуем кратко рассказать об этом проекте, рассматривая в основном задачи, которые встанут перед космическими баллистиками ИПМ им. М. В. Келдыша (головная организация по разработке баллистической схемы и сопровождению этого эксперимента (www.kiam1.rssi.ru/PHOBOS).
Итак, первый этап — запуск космического аппарата, вывод его на околоземную промежуточную орбиту с последующей перестройкой этой орбиты для выведения аппарата на траекторию к Марсу. Перелет Земля-Марс займет примерно одиннадцать месяцев.
Следующий этап — формирование орбиты космического аппарата для сближения с Фобосом. Этот этап планируется выполнить с помощью так называемой трехимпульсной схемы торможения: первый импульс торможения при подлете по параболической траектории к Марсу выводит космический аппарат на промежуточную эллиптическую орбиту вокруг Марса с периодом обращения около трех суток. Второй импульс увеличит перицентр орбиты до высоты орбиты Фобоса. Третий импульс в перицентре сформирует круговую орбиту с радиусом приблизительно на 500 км выше орбиты Фобоса и лежащую в ее плоскости. Работа на этой «орбите наблюдения» необходима для проведения точных измерений взаимного движения исследовательского аппарата и Фобоса. Затем следует этап перехода на еще более близкую к Фобосу «квазисинхронную» орбиту. Двигаясь по такой орбите, космический аппарат будет постоянно находиться вблизи Фобоса на расстоянии около 50 км. Затем — автоматическая посадка… Ближайшее после прилета к Марсу стартовое «окно» для возврата на Землю приходится на август 2011 года. И снова — трехимпульсная схема, но теперь уже — схема разгона для выведения аппарата на траекторию, ведущую домой.
Один из принципов, на которых базировалось конструирование Е-6 (аппарат для осуществления мягкой посадки на Луну), состоял в обеспечении «вертикального» прилунения аппарата. В этом случае траектория полета к Луне в идеале должна была совпадать с вертикалью к местному горизонту в точке посадки аппарата на поверхность Луны. Тогда при торможении аппарата перед посадкой полностью бы отсутствовала боковая составляющая скорости и обеспечивалась надежная посадка.
Однако в действительности реализованная орбита будет представлять собой лишь одну из «пучка» возможных, обусловленного наличием ряда объективно существующих погрешностей, возникающих при старте с промежуточной орбиты и при реализации коррекции движения в полете. Так вот, анализ, проведенный в процессе проектирования, показал, что в «пучке» возможных траекторий очень велика вероятность реализации такой траектории, у которой боковая составляющая скорости торможения будет гораздо больше допустимой и надежности посадки автоматической лунной станции говорить не придется. Выход из создавшегося положения искали как конструкторы (за счет создания новых устройств для погашения боковой скорости), так и баллистики (изыскание путей уменьшения размеров «пучка» орбит). При этом требовалось найти решения при очень и очень ограниченных возможностях увеличения веса аппарата. У баллистиков был ясный и реалистичный путь решения проблемы: «уменьшить» размеры «пучка» за счет перенесения коррекции движения КА на более позднее время. Тогда, вследствие уменьшения влияния ошибок исполнения «корректирующего импульса» на рассеивание точек прилунения, проблема была бы решена. Однако расчеты показали, что потребное увеличение импульса коррекции, а следовательно, и запаса топлива приведет к недопустимому увеличению веса аппарата.
И здесь космические баллистики блеснули смекалкой. Методом «мозгового штурма» им удалось установить, что на номинальной траектории движения к Луне в пределах «пучка» траекторий, обусловленных наличием погрешностей, существует точка, в которой направление на центр Луны (вертикальное направление) совпадает с направлением скорости на участке торможения у Луны. Следовательно, если найти положение этой точки и «запомнить» относительно абсолютного пространства направление из этой точки на центр Луны, то независимо от того, как будет дальше двигаться объект, включение тормозного двигателя, выставленного по «запомненному» направлению, обеспечит вертикальную посадку. Но самое главное, что за счет использования приборов, которые имелись на борту аппарата, баллистики нашли способ отыскания такой точки без увеличения веса объекта. Весь этот процесс подготовки торможения у Луны получил название «момент фиксации лунной вертикали».