Обсуждение космических программ

В. Агапов. НК.

Начало этой истории было положено, как ни странно это звучит, неудачным запуском КА Asiasat 3 на РН «Протон-К» с разгонным блоком (РБ) ДМЗ 25 декабря прошлого года. В тот день ДУ РБ при втором включении проработала около 1 секунды вместо положенных 130, и аппарат оказался на орбите, весьма далекой от расчетной — 203x36008 км, 51.37°, 636 мин (подробный отчет о запуске см. в НК №26, 1997, стр. 45-48). В случае успеха номинальная орбита должна была иметь высоту 9650x36000 км, наклонение 13.15° и период обращения 13 ч 47 мин 45 сек. Последнее обстоятельство следует подчеркнуть, так как в связи с дальнейшим развитием событий все стали утверждать, что РБ не вывел КА на геостационарную орбиту. Но он этого и не мог сделать!!! Стартовая масса Asiasat 3 составляла 3465 кг, что примерно на 1000 кг больше максимального веса, который с помощью такого РБ и РН «Протон-К» можно доставить на ГСО. На ГСО аппарат должен был перейти с помощью собственной ДУ, но с более высокой орбиты, имеющей относительно небольшое наклонение.
После запуска казалось очевидным, что «вытягивание» КА Asiasat 3 с нерасчетной орбиты на геостационарную является делом совершенно безнадежным. Страховые компании также согласились с этим мнением, объявив КА полностью непригодным для использования в первоначальных целях, и выплатили компании Asia Satellite Telecommunications Co. Ltd. причитающуюся страховую сумму. Перигей орбиты КА был поднят до 350 км путем включения бортовой ДУ во избежание неконтролируемого схода с орбиты и падения в населенных районах. Сам аппарат перестал быть собственностью компании Asiasat. Специалисты компании Hughes, а точнее, подразделения Hughes Global Services Inc., не смирились с возможной потерей столь современного и мощного спутника связи и, видимо, стали искать выход, предварительно договорившись со страховыми компаниями.
Подмога пришла, конечно же, со стороны баллистиков. Единственно возможным вариантом, который мог бы позволить осуществить перевод КА на ГСО и который серьезно рассматривался, стал вариант подъема апогея орбиты КА, облет Луны, разворот плоскости орбиты с помощью гравитационного поля Луны, возвращение к Земле и перевод на околостационарную орбиту. Известно, что при любых начальных условиях движения космический аппарат, совершающий перелет от Земли к Луне, всегда входит в сферу гравитационного действия Луны с гиперболической по отношению к Луне скоростью. Это означает, что без дополнительных мер, а именно, тормозных импульсов, такой аппарат не сможет стать спутником Луны. Это обстоятельство играет на руку в решении поставленной задачи. Кроме того, изменяя параметры облетной траектории, можно перевести космический аппарат на совершенно различные траектории возвращения к Земле. Для получения максимального эффекта необходимо правильно выбрать момент начала перелета, или, в других терминах, плоскость перелета. Следует сразу сказать, что решение этой задачи в условиях жестких ограничений на бортовой запас топлива весьма нетривиально. Теория подобных перелетов с целью использования гравитационного поля Луны для выведения КА на ГСО разработана давно, но на практике ни разу не применялась. И дело тут не в баллистике. Существует ряд проблем чисто технического характера, которые затрудняют проведение подобных маневров. И в первую очередь, это относится к существенно разным температурным режимам, в которых находится космический аппарат на ГСО и на траектории облета Луны. Последние более суровы и предъявляют дополнительные требования к системам терморегулирования и электропитания КА. Но, так или иначе, специалисты HGS решили испытать судьбу.
В решении сложной баллистической задачи облета Луны с разворотом плоскости орбиты на 51° и последующим выходом на ГСО специалистам компании Hughes Space and Communications Co., разработавшим аппарат и спроектировавшим «миссию спасения», неоценимую помощь оказал программный пакет Satellite ToolKit (STK)/Navigator, разработанный компанией Analytical Graphics Inc. Этот пакет представляет собой мощный инструмент для проведения моделирования, всевозможных расчетов и визуализации их результатов на различных этапах проектирования, создания и эксплуатации космических аппаратов. Среди решаемых задач — моделирование пространственных маневров космических аппаратов с целью перевода на требуемую орбиту. С помощью этого пакета и была рассчитана серия маневров, позволяющая аппарату, временно названному HGS-1, облететь Луну и, вернувшись к Земле, перейти на околостационарную орбиту. Очевидно, что проводимая впервые подобная операция (не планировавшаяся изначально!), сопряжена с определенным риском и владельцу спутника -компании HGS — пришлось особо оговорить этот вопрос со страховыми компаниями.
И вот все формальности решены, план полета составлен, наземные службы готовы. Осталась самая малость — осуществить все задуманное. Неудивительно, что в течение первых двух недель никакой информации о том, что происходит с бывшим спутником Asiasat, не было — все очень переживали и было не до прессы. Однако сам факт того, что «что-то происходит», стал известен уже в середине апреля благодаря регулярно обновляемым двухстрочным элементам орбиты КА, формируемым Космическим командованием США и распространяемым Группой орбитальной информации Центра им.Годдарда NASA. Анализ этих элементов показывает, что до 12 апреля аппарат благополучно находился на орбите высотой 392x35980 км (здесь и далее — над сферой радиусом 6378.13 км), наклонением 51.25° и периодом обращения 638.6 мин. 12.04 около 04:16 UTC было проведено первое включение ДУ КА, после которого апогей орбиты был поднят до ~63460 км. 14.04 второе включение ДУ около 18:15 UTC обеспечило подъем апогея до ~74120 км. Период обращения при этом увеличился до 1512 мин. 16.04 около 20:40 UTC третьим включением ДУ аппарат был переведен на орбиту с периодом обращения 1882 мин и апогеем ~87800 км (все это время перигей оставался практически постоянным — около 400 км). 18 апреля очередное включение около 03:50 UTC увеличило период до ~2490 мин и высоту апогея до ~108500 км. Далее, судя по двухстрочным элементам, было проведено еще три включения ДУ — 23, 26 и 30 апреля (все — в первой половине суток по Гринвичу). Последнее обеспечило переход КА на орбиту с периодом ~7.8 суток и высотой в апогее ~320000 км. Однако никаких привязок этих маневров по времени по двухстрочным элементам сделать нельзя, по крайней мере, работая с ними в стандартной модели движения SDP4 (те, кто реально работал с двухстрочными элементами, знакомы с ней). Эта модель просто не применима для орбит с эксцентриситетом больше 0.9. В принципе, элементы можно использовать, но для этого нужно знать, в какой модели движения они получены. Поскольку аргумент перигея остался практически неизменным с начала апреля, а высоты постоянной, единственное, что можно утверждать, так это то, что все включения ДУ (в том числе и три последних) были проведены вблизи перигея орбиты. Включение ДУ в других точках орбиты неизменно привело бы к развороту орбиты в плоскости и увеличению высоты перигея.
Итак, HGS-1 близок к решающему рывку. 7 мая, после возвращения аппарата к Земле, должен быть проведен последний маневр, который обеспечит выход КА на траекторию облета Луны. И если все пройдет нормально, то 16 мая HGS-1 вернется к Земле и с помощью еще одного маневра будет переведен на околостационарную орбиту. Конкретная точка стояния КА еще не определена. Это обусловлено, в первую очередь, неопределенностью величины остатков топлива на борту после проведения всех маневров. «Поскольку мы прежде ничего подобного не делали, то мы не знаем точно, сколько топлива мы истратим. Конечно, мы исходим из наилучших оценок, базирующихся на 35-летнем опыте производства и эксплуатации КА, а также на компьютерном моделировании, однако нет никаких гарантий», — сказал президент HGS Роберт Свенсон (Robert V. Swanson). Кстати, для того чтобы обеспечить надежную ориентацию и устойчивость КА при проведении маневров, были развернуты две основные параболические антенны и произведена закрутка аппарата вокруг продольной оси.
Hughes полностью самостоятельно профинансировал проведение всей операции. Если КА удастся ввести в эксплуатацию, то он может быть использован для обеспечения связи определенного круга пользователей, в частности, правительственных. Кроме того, была достигнута договоренность со страховщиками о том, что в случае ввода КА в эксплуатацию и получения прибыли, последняя будет разделена со страховыми компаниями.
Справедливости ради следует отметить, что в нашей стране также существовали проекты выведения КА на ГСО с промежуточным облетом Луны. Последний из них — выведение КА «Ямал» разработки НПО «Энергия» на РН «Молния-М». Такая схема выведения позволяет доставить на ГСО КА массой 1050-1150 кг в зависимости от места старта, а после доработки разгонного блока Л и добавления нового апогейного блока масса может быть увеличена до 1200-1300 кг. Однако это пока только проект на бумаге — первые два КА «Ямал» будут запущены все той же неутомимой лошадкой «Протон-К» во второй половине этого года безо всякой лунной пом