Вам когда-нибудь было досадно от того, что вы пропустили нужную станцию метро или поворот на оживленной трассе? Скорее всего, да. Неприятное чувство, когда осознаешь, что отвлёкся и упустил нужный момент. А теперь попробуйте представить себе похожую ситуацию, но в космическом масштабе: космический аппарат, пропустивший маневр торможения у целевой планеты. В большинстве таких случаев это бы привело не просто к "расстройству" в центре управления полетами, но и к провалу миссии, поскольку орбитальная механика — наука строгая и не прощает ошибок. Однако случай, произошедший с японским венерианским зондом Akatsuki, стал исключением из этого правила.
Подумайте о том, как много ресурсов, времени и усилий уходит на планирование и реализацию космической миссии. Каждый шаг, каждый маневр рассчитывается с астрономической точностью. И вдруг... ошибка. Промах. Можно ставить крест на годах, а то и десятилетиях кропотливой работы. Но для команды специалистов японского космического агентства JAXA это стало лишь началом удивительного космического приключения, которое показало, что даже в космосе возможны чудеса. Но обо всем по порядку.
Начнём с истории. JAXA разработала серию космических аппаратов под общим названием Planet, предназначенных для изучения различных объектов (сюрприз, планет) нашей Солнечной системы.
Первым в этой серии стал Planet-A, также известный как Hiten («Летящий по небу»). Запущенный в 1990 году, этот аппарат был нацелен на изучение Луны. Hiten успешно осуществил несколько маневров и измерений на лунной орбите, продемонстрировав достижения японской науки и промышленности, а также отработал новые, для японских специалистов, методы навигации.
Следующим шагом был Planet-B или Nozomi («Надежда»). Запущенный в 1998 году, он был нацелен на достижение и изучение Марса. Однако из-за технических проблем, Nozomi, к сожалению, не смог выйти на стабильную орбиту вокруг красной планеты - в этом случае миссию как раз постиг провал.
И, наконец, Planet-C — Akatsuki («Рассвет»). Этот аппарат был направлен к Венере в 2010 году, и именно он является героем нашего сегодняшнего повествования.
Стоит подчеркнуть, что все эти проекты являются самостоятельными японскими разработками. Несмотря на то что NASA и ESA оказали техническую поддержку в некоторых аспектах миссий, основная часть работ — от проектирования до управления — была выполнена исключительно учеными и инженерами JAXA.
В начале 2010 года, зонд Akatsuki был готов к полёту. С технической точки зрения, аппарат представлял собой типичный космический спутник: кубической формы, покрытый блестящей "золотой фольгой" для изоляции от солнечного излучения, оснащённый солнечными панелями для питания и антеннами связи. Двигательная установка зонда включала в себя маршевый двигатель, работающий на топливной паре гидразин-тетраоксид азота. Кроме того, на борту "Planet-C" было несколько маломощных "рулевых" двигателей ориентации, использующих чистый гидразин без окислителя - они предназначены для точных маневров и поддержания правильной ориентации в пространстве.
На чистом гидразине работают ракетные двигатели, использующие принцип термического распада. В таких двигателях гидразин подается в камеру сгорания, где он контактирует с катализатором (например, это может быть сеточка из платины). Под воздействием катализатора гидразин быстро и экзотермически разлагается, выделяя тепло и образуя газы. Этот процесс приводит к резкому увеличению давления в камере сгорания, и газы выбрасываются через сопло, создавая реактивную тягу. Такие двигатели ориентации на чистом гидразине обладают рядом преимуществ: они просты в конструкции, надёжны в работе и способны обеспечивать многократные короткие импульсы тяги.
В целом, такая конфигурация двигательной установки, является стандартной для разнообразной космической техники. На борту зонда были также установлены различные научные инструменты, включая ультрафиолетовые и инфракрасные камеры для изучения атмосферы Венеры, а также радиоволновой высотометр для изучения венерианских облаков и топографии поверхности.
Запуск Akatsuki состоялся с космодрома Танегасима на ракете H-IIA, 20 мая 2010 года. Ракета-носитель успешно вывела зонд на планируемую орбиту. После этого, зонд начал свою работу и совершил маневр для перехода на трансвенерианскую траекторию. Все необходимые действия для выхода аппарата на данную траекторию прошли планомерно и без сбоев, но первые проблемы ожидали его впереди.
К концу 2010 года, зонд Akatsuki приблизился к Венере и готовился к ключевому маневру торможения для выхода на стабильную орбиту вокруг планеты. Необходимо понимать, что расстояние между Землёй и Венерой таково, что сигнал от аппарата до Земли идёт примерно 8 минут. Это делает невозможным управление аппаратом в режиме реального времени. Вместо этого все действия аппарата запрограммированы заранее, и он должен действовать автономно, реагируя на данные от своих датчиков.
Однако попытка автоматического включения маршевого двигателя не увенчалась успехом. Специалисты JAXA характеризовали эту ситуацию как "аномалию" в работе двигателя. Предполагается, что причиной стало неправильное распределение давления в топливных линиях, либо засорение топливных клапанов продуктами разложения химических компонентов. Как бы там ни было, это привело к перегреву и автоматическому отключению двигателя. В результате этой неудачи, Akatsuki не получил необходимый импульс и пролетел мимо своей цели, не сумев занять запланированную орбиту. В большинстве случаев такая ошибка была бы роковой для миссии из-за неумолимости орбитальной механики. Однако, на этот раз удача была на стороне JAXA.
В последующие дни после неудачного маневра торможения, инженеры и учёные в центре управления на Земле анализировали ситуацию. Их тщательные расчёты и моделирование, к удивлению, показали, что всё ещё есть шанс на успех. Особенности орбиты, на которую вышел венерианский зонд, оказались таковыми, что он мог повторно приблизиться ко второй от Солнца планете через четыре с небольшим года. Несмотря на выход из строя основного двигателя, маломощные двигатели ориентации оставались исправными. Именно они и стали разгадкой к решению проблемы.
На протяжении этих четырёх лет специалисты JAXA тщательно следили за движением аппарата и прогнозировали его траекторию. С помощью малых рулевых двигателей, они выполнили необходимые коррекции траектории для более точного "прицеливания".
- Отвлекаясь от основного рассказа, стоит пояснить: зачем, собственно, космическим аппаратам мощные маршевые двигатели, если есть рулевые? Дело в том, что двигатели ориентации, хоть и способны менять траекторию, обладают гораздо меньшим удельным импульсом и мощностью. Это означает, что они расходуют больше топлива по сравнению с маршевыми двигателями, для достижения той же орбиты. К тому же, они изначально спроектированы для решения других задач — обеспечение правильной ориентации аппарата в пространстве и небольшие корректировки движения.
Наш паблик VK:
Час X наступил 7 декабря 2015 года. Многострадальный зонд вновь приближался к Венере, но на этот раз инженеры на Земле были готовы к решающему моменту. Как и было запланировано, автоматике была отдана команда на осуществление тормозного маневра с помощью малых двигателей ориентации. И, ко всеобщему восторгу специалистов, операция прошла успешно. Спустя более 4 лет после первого неудачного рандеву, Akatsuki все-таки достиг своей цели.
Что еще удивительнее, научная аппаратура зонда осталась в рабочем состоянии, несмотря на продолжительное время ожидания в открытом космическом пространстве. Как ни крути, космическая техника не зря славится своей потрясающей надежностью. После успешного выхода на орбиту и проверки всех систем, Akatsuki начал свою основную миссию по исследованию Венеры.
Таким образом, несмотря на пятилетнюю задержку, Akatsuki не только успешно вышел на орбиту Венеры, но и предоставил ученым бесценные научные данные. Среди научных инструментов на борту аппарата были камеры в ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом диапазонах, спектрометры и другие приборы. Благодаря этому инструментарию, "Planet-C" смог изучить атмосферные явления Венеры, включая мощные воздушные потоки, динамику облачного покрова и роль вулканизма в формировании газовой оболочки планеты. Эти данные дали ученым важные подсказки о том, как формируется и развивается атмосфера близкой по параметрам к Земле планеты, а также предоставили возможность для сравнения атмосферных процессов на двух планетах.
Подводя итог этой удивительной истории, можно с уверенностью сказать, что, хотя космонавтика редко прощает ошибки, иногда она все же дает второй шанс. В такие моменты, инженеры на Земле должны проявить все свои навыки, опыт и изобретательность, чтобы максимально использовать выпавшую возможность и воспрепятствовать фатальному исходу. Случай с японским зондом Akatsuki - поистине является если не чудом, то поразительной удачей.
Еще одна удивительная история про изобретательность японских ракетостроителей:
