Проект "Фобос-Грунт": российскими специалистами создан уникальный набор научной аппаратуры

В прошлом номере журнала «Российский космос» мы рассказывали о научных задачах межпланетного проекта по изучению спутника Марса Фобоса. Хотя это небесное тело очень мало, его исследование обещает дать ключ ко многим тайнам Солнечной системы.

Но кроме своего научного значения проект исключительно важен для будущих российских планетных исследований. Аппарат «Фобос-Грунт», созданный в НПО им. С. А. Лавочкина, должен стать базовым для последующей серии межпланетных проектов. Сложность же научных задач экспедиции и ее комплексный характер потребовали разработать и изготовить уникальный набор научной аппаратуры, включающий 19 приборов. Более половины из них созданы впервые и по своим характеристикам не имеют аналогов в мире.

При этом разработчики научной аппаратуры учитывают возможности диверсификации технологий, заложенных в проект «Фобос-Грунт». Технические решения, воплощенные при создании и космической платформы, и научной аппаратуры, могут найти применение и в областях, не связанных с космосом. Ведь известно, что космические приборы, созданные для вполне определенных целей, а также многие инновационные решения могут оказаться полезными и в других отраслях.

Итак!

Из чего состоит Фобос ?

Одна из главных целей проекта «Фобос-Грунт» — доставка на Землю образцов грунта, которые будут собраны с поверхности спутника. Исследование вещества поверхности в месте посадки аппарата по этой причине становится одной из важнейших задач аппарата, которую предстоит выполнить, находясь на поверхности Фобоса. Для аттестации места посадки КА «Фобос-Грунт» в Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН совместно с организациями соисполнителями (Институт прикладной математики РАН, Институт физики Земли РАН) был разработан и изготовлен специальный комплекс научной аппаратуры. Он включает гамма-спектрометр ФОГС, масс-спектрометр МАЛ-1Ф, термодетектор ТЕРМОФОБ и сейсмометр СЕЙСМО-1. С их помощью планируется впервые изучить содержание основных породообразующих элементов (от водорода до железа) и естественных радиоактивных элементов (калия, тория, урана), исследовать состав газообразной компоненты породы Фобоса, определить теплофизические свойства грунта, а также изучить внутреннее строение спутника.

Гамма-спектрометр ФОГС предназначен для определения концентрации естественных радиоактивных и основных породообразующих элементов: водорода, углерода, кислорода, магния, алюминия, кремния, калия, кальция, титана, марганца, железа, тория и урана в слое породы толщиной до двух метров. Прибор состоит из двух блоков. Это блок детектирования, в состав которого входит сцинтилляционный детектор на основе кристалла CsI и полупроводниковый детектор для изучения потока тепловых нейтронов, а также многоканальный амплитудный анализатор импульсов.

Методика эксперимента основана на регистрации гамма-излучения естественных радионуклидов калия, тория, урана и гамма-излучения, обусловленного ядерными взаимодействиями космических лучей с элементами, входящими в состав пород Фобоса.

На поверхности Фобоса прибор будет включаться периодически на 150 мин в соответствии с циклограммой работы комплекса научной аппаратуры.

Масс-спектрометр МАЛ-1 предназначен для исследования состава газообразной компоненты породы и является частью хромато-масс-спектрометрического комплекса ХМС (ИКИ РАН и ГЕОХИ РАН). Прибор представляет собой монопольный масс-спектрометр пролетного типа, состоящий из ионного источника, электродной системы анализатора и блока электроники. Методика работы прибора МАЛ-1Ф основана на регистрации спектра масс летучих компонент породы, поступающих из хроматографа ИКИ РАН.

Термодетектор ТЕРМОФОБ предназначен для тепло-физических измерений в приповерхностном слое грунта Фобоса. Он состоит из трех термодатчиков, расположенных на разных опорах посадочного устройства аппарата, и блока электроники. Метод основан на активной термометрии с применением контактного нагрева грунта и регистрации обратных тепловых потоков.

Сейсмометр СЕЙСМО-1 предназначен для изучения внутренней структуры Фобоса. Он состоит из трех блоков — узкополосного сейсмометра, широкополосного сейсмометра и блока электроники. Метод измерений основан на регистрации сейсмоколебаний, возникающих под действием ударов метеоритов о поверхность Фобоса. Прибор включается на поверхности Фобоса и работает непрерывно в течение всей миссии.

Кроме этого, для изучения метеорных частиц на трассе полета и в окрестностях Марса и Фобоса был изготовлен детектор космической пыли МЕТЕОР-Ф, предназначенный для определения плотности потока метеорных частиц вблизи Марса и изучения физико-динамических параметров частиц, принадлежащих пылевой оболочке Марса, а также для оценки метеорной опасности полетов космических аппаратов. Конструктивно прибор выполнен в виде моноблока, включающего в себя полусферическую мишень, открытую в космическое пространство, коллектор ионов и узел электроники. Принцип его работы основан на испарении и ионизации метеорных частиц при высокоскоростном ударе о мишень. Прибор работает непрерывно до момента посадки КА на поверхность Фобоса.

Реализация этих экспериментов позволит впервые определить элементный состав пород Фобоса, наличие и состав летучих субстанций, получить данные о теплопроводности породы, о внутреннем строении Фобоса, прояснить вопрос о существовании пылевых колец в окрестностях Марса.

Портреты марсианского спутника

Телевизионная система навигации и наблюдения, или сокращенно ТСНН, будет использоваться для решения как научных, так и навигационных задач.

Научные исследования Фобоса и околомарсианского пространства, которые могут быть проведены с помощью ТСНН, включают уточнение модели фигуры, карт рельефа и геологических карт Фобоса, исследование детальной структуры основных форм рельефа спутника — кратеров и борозд. Кроме этого, планируется исследовать пространственные вариации отражательных характеристик поверхности Фобоса и оценку по ним характеристик его грунта, а также уточнить его массу и положение центра масс в модели фигуры Фобоса, что позволит сделать заключение о внутренней однородности спутника. Наконец, не менее важна задача исследования пылевых колец Марса.

Информация ТСНН также может использоваться для решения навигационных задач: уточнения орбит космического аппарата и Фобоса, выбора района посадки c квазиспутниковой орбиты (КСО), а также для навигационной поддержки посадки, который включает автономный выбор места посадки и измерения высоты и скорости КА в процессе снижения.

Телевизионные съемки Фобоса проводились в последние десятилетия с КА «Маринер-9», «Викинг-1,2», «Фобос-2» и «Марс-Экспресс». По полученным данным поверхность марсианского спутника была картирована с разрешением от нескольких метров до нескольких десятков метров в зависимости от района. ТСНН позволит получить изображения с разрешением до 0,5 м с орбиты ИСМ и до 1 см при посадке, что может дать качественно новую информацию о структуре поверхности и природе Фобоса.

В состав ТСНН входят две узкоугольные телевизионные камеры (УТК) высокого разрешения c фокусным расстоянием F = 500 мм и две обзорные широкоугольные телевизионные камеры (ШТК) с фокусным расстоянием F = 18 мм. Размещение двух комплектов УТК и ШТК по диаметру платформы посадочного модуля с базисом около двух метров обеспечивает возможность проведения стереоизмерений при посадке на поверхность Фобоса. Все камеры имеют свои процессоры. Связь между камерами осуществляется через бортовой вычислительный комплекс (БВК).

Для решения стоящих перед ТСНН задач предусмотрены три режима наблюдений: «Последовательная съемка», «Съемка звезд» и «Посадка».

В режиме «Последовательная съемка» (ПС) камеры ТСНН работают независимо. Полученные изображения запоминаются целиком. В результате во флэш-памяти каждой камеры может быть записано до 12 полных изображений. Режим ПС предназначается для крупномасштабных съемок Фобоса в навигационных и научных целях с орбиты наблюдения и КСО.

Важнейшая задача ТСНН при наблюдениях с КСО — выбор района посадки на Фобос, который будет проводиться по изображениям УТК с разрешением до 0,5 метра. Для этого программа наблюдений ТСНН с КСО предусматривает конвергентную съемку потенциальных районов посадки под различными углами для обеспечения оптимальной стереореконструкции поверхности Фобоса, а также сочетание съемок УТК, обеспечивающих высокое пространственное разрешение, и ШТК, позволяющих привязать узкоугольные снимки УТК к модели фигуры Фобоса.

Режим «Съемка звезд» (СЗ) отличается от предыдущего тем, что при этом запоминаются не изображения целиком, а лишь их фрагменты, содержащие объекты, яркость которых значимо превышает уровень фона. В случае, когда размер снимаемых объектов на изображении мал, этим обеспечивается эффективное сжатие информации, позволяя сохранить значительно больше (до 1000) изображений при том же объеме памяти. Режим СЗ будет использоваться для геометрической калибровки камер ТСНН по звездам, навигационных съемок Марса и Фобоса на дальних рас-стояниях на фоне звезд и детектирования пылевых колец Марса.

В режиме «Посадка», который будет использоваться при спуске КА на поверхность Фобоса, предусматривается синхронная съемка Фобоса всеми четырьмя камерами ТСНН.

Полные изображения будут записываться во флэш-память камер для передачи на Землю после посадки. Кроме этого, будут формироваться сжатые кадры репортажной съемки, которые будут передаваться на Землю в реальном времени в процессе посадки. Также с помощью ТСНН будет построена карта пригодности поверхности для посадки, ее назначение — автоматический выбор места посадки и измерение высоты и скорости КА. Последние измерения могут использоваться для резервирования аналогичных измерений, выполняемых штатными средствами — лазерным высотомером и доплеровским измерителем скорости и дальности.

Цикл съемки, обработки и передачи информации в режиме «Посадка» составляет 6 секунд.

Камеры ТСНН прошли стандартный комплекс ресурсных, термовакуумных, механических и электрических испытаний. Проведенная калибровка распределения коэффициента чувствительности и темнового тока по полю кадра позволяет восстанавливать по полученным изображениям поле яркости снимаемых объектов. Геометрическая калибровка камер и привязка систем координат камер ТСНН к системам координат звездных датчиков, которая будет проверяться и уточняться в полете по синхронным снимкам звездного неба, позволит с высокой точностью определять направление на снимаемые объекты в инерциальной системе координат.

Полученный при разработке ТСНН задел целесообразно использовать при разработке съемочных систем для планетных исследований, а также систем технического зрения, предназначенных для информационного обеспечения процесса посадки на Луну, планеты и малые тела Солнечной системы. Кроме того, представляется обоснованным трансферт технологий, накопленных в космической отрасли, в авиационную отрасль по направлению разработки беспилотных летательных аппаратов. В частности, опыт, полученный при создании ТСНН, может быть использован при разработке систем технического зрения, предназначенных для решения задач управления полетом и посадкой беспилотных летательных аппаратов в автоматическом режиме.

Система информационого обеспечения проекта «Фобос-Грунт»

Что и говорить, эта система играет одну из ключевых ролей в успешной реализации миссии. Рабочая цепочка получения научных результатов в космическом проекте состоит из следующих базовых элементов: бортовой прибор, бортовой компьютер, бортовой радиотехнический комплекс, наземный радиотехнический комплекс, наземная сеть передачи данных, система обработки (рис. 1).

Анализируя описанную упрощенную схему, можно придти к парадоксально звучащему выводу: космические измерения получаются на Земле.

Таким образом добиться повышения эффективности исследований можно, создав удобную в использовании информационную среду, обеспечивающую по возможности прозрачный механизм доступа пользователей системы к ее информационным ресурсам.

При этом не следует забывать, что для функционирования рассмотренной цепочки необходимо обеспечить целый ряд процедур. Необходимо организовать мультисервисный информационный обмен между различными узлами наземного сегмента, обеспечить баллистическую поддержку миссии, реализовать систему планирования и управления бортовыми приборами и системами, создать комплекс средств обработки, визуализации, архивации и предоставления результатов телеметрических измерений и т.д.

Исследователям, участвующим в космическом проекте, не представляется возможным детально изучить принципы функционирования каждой из подсистем, задействованных в наземном сегменте. Поэтому в основу разработки системы информационного обеспечения для проекта «Фобос-Грунт» была положена концепция, предусматривающая унифицированный пользовательский интерфейс.

Также следует отметить, что при разработке рассматриваемого наземного научного сегмента использовались такие современные технологии, как SOA, ESB, Web 2.0 и целый ряд других, получивших широкое распространение в информационных системах для различных областей человеческой деятельности.

Такой подход, при котором различные информационные технологии интегрированы в единую информационную инфраструктуру, в отличие от традиционных систем, представляющих собой набор разнородных комплексов, отражает современные тенденции развития информационных систем и является пионерским для космических проектов не только у нас в стране, но и за рубежом.