Один большой или много маленьких?

Переживали ли вы когда-нибудь за судьбу межпланетного зонда? Большой аппарат, в который вложили годы труда, начинённый передовыми научными инструментами, входит в атмосферу далёкой планеты, и не факт, что отзовётся с поверхности. Прецедентов хватает — зонды разбивались, разрушались в атмосфере или замолкали по неизвестной причине. И вся миссия пропадала зря. Даже если посадка проходила успешно, всего один аппарат не мог быть в нескольких местах одновременно, и приходилось выбирать между множеством потенциально интересных мест. Также место должно было быть безопасным — риск потери зонда перевешивал научный интерес. Но сейчас на орбите Земли летают десятки микро- и наноспутников, что если применить эту идею для межпланетных станций?

Первый успех

Первой миссией, где вместе с большим зондом летело несколько маленьких, стал «Пионер-Венера-2», запущенный в 1978 году. Большой аппарат садился в районе экватора, а три малых расходились в стороны. Один садился на ~60° северной широты, второй — далеко на ночной стороне, а третий — на дневной. Конструкция аппаратов была простой:

1- антенна, 2 — термометр, 3 — теплозащита, 4 — герметичный контейнер с батареями и электроникой, 5 — нефелометр, 6 — радиометр.

Малые аппараты не имели даже парашюта. «Дневной» аппарат превзошёл ожидания конструкторов, выдержал удар о поверхность и ещё час передавал данные.

Полоса неудач

Следующей станцией, которая несла на себе «обойму» аппаратов, стал сверхамбициозный «Марс-96». Самая тяжелая марсианская станция, кроме орбитального модуля, несла две посадочные станции и два пенетратора:



Посадочные станции в надувной амортизационной оболочке должны были садиться на парашютах, а пенетраторы — стабилизироваться надувным коническим тормозным устройством и втыкаться в Марс на скорости ~80 м/с. После удара передняя часть должна была погрузиться на 5-6 метров, разматывая за собой провода, и передавать данные на хвостовую часть, оставшуюся на поверхности.

Каждый пенетратор нёс 10 научных приборов и обещал собрать уникальные данные о Марсе. До сих пор ни один аппарат не погружался в Марс так глубоко. Очень жаль, что станция не ушла к Марсу с земной орбиты и сгорела в атмосфере спустя несколько часов.

В 90-х годах NASA запустило программу «Новое тысячелетие», в рамках которой вместе с аппаратом Mars Polar Lander к Марсу отправились два малых зонда Deep Space 2. Они размещались в теплозащитной аэрооболочке:



Отделившись незадолго до посадки, они должны были упасть без парашюта, разбить оболочку при ударе и погрузить переднюю часть на полметра в Марс:



Третьего декабря 1999 года аппараты погрузились в атмосферу Марса, но ни большой Mars Polar Lander, ни малые пенетраторы на связь так и не вышли. Причина аварии всех аппаратов так и осталась неизвестной.

Ответвление

В нулевых годах про идею малых аппаратов писали статьи, но реальные межпланетные станции максимум несли один аппарат для спуска на Юпитер, Марс или Титан. Зато концепция простого аппарата, который способен выдержать вход в атмосферу, получила любопытное ответвление. Информацию о прохождении аппаратом плотных слоёв атмосферы предложили записывать в «чёрный ящик», который бы выжил при разрушении основного аппарата и был бы способен передать данные для дальнейшего расследования. Так родился проект Reentry Breakup Recorder (REBR), который уже три раза фиксировал разрушение в плотных слоях атмосферы грузовых кораблей снабжения МКС и успешно передавал данные.



Схема аппарата. Ничего сложного — батареи, устройство фиксации данных и передатчик

На базе технологий REBR предложен проект Pico Re-Entry Probe, очень дешёвого универсального аппарата, способного выдержать торможение в плотных слоях атмосферы и передать данные. Например, предлагается ставить попутной нагрузкой к спутникам:



Орбита спутника-носителя постепенно деградирует, он сгорает в атмосфере, а PREP передает данные сразу на спутник связи, без необходимости поиска и подбора

С помощью PREP предлагается получать данные о поведении подсистем и материалов космических аппаратов, или, например, проводить дешёвые исследования атмосферы.

Новая надежда

В последние годы количество идей применения микро-, нано- и пикозондов резко увеличилось. Летом прошлого года писали про зонды-микросхемы «чипсаты», которые предлагается сбрасывать на спутник Юпитера Европу.
Весной этого года в университете Торонто предложили сбросить рой аппаратов в атмосферу Юпитера (проект SMARA):



А в марте некоммерческая организация Planetary Science Institute предложила проект MARSDROP:



В освоенной аэрооболочке предлагается разместить посадочный зонд с управляемым парашютом-крылом. Такое сочетание, как ожидается, сможет обеспечить точную посадку в интересный с точки зрения науки участок поверхности Марса — свежий кратер, каньон, район вулканической активности, ледник. Разработчики предполагают, что такой зонд будет способен пролететь в атмосфере Марса до 10 км, скомпенсировав неизбежную неточность торможения в атмосфере, и доставить аппарат массой 1 кг точно к цели. Ожидается, что два аппарата MARSDROP, взятые попутным грузом к основной миссии, увеличат её стоимость не более, чем на 5%.

Анализ

Идея использования роя зондов для исследования планет имеет следующие достоинства и недостатки:

Достоинства:

• Новый уровень сбора научных данных. Сетка аппаратов способна дать пространственное представление климата, погоды или геологических данных. Один аппарат принципиально не может этого сделать.
• Большая интегральная надежность миссий — отказ одного аппарата не фатален.
• Возможность пойти на больший риск — можно сбросить несколько аппаратов в долину Маринера, на Олимп или на равнину Эллада.
• Больше научных данных. Случайный промах при посадке китайского лунохода открыл новую информацию о геологии Луны. А если бы высадилась сотня аппаратов?

Недостатки:

• Ограничение массы одного аппарата означает, что на него нельзя поставить сложные и большие научные приборы. Также, аппараты вряд ли смогут передвигаться или существовать годами.
• Малые размеры диктуют небольшую энергетику — орбитальный ретранслятор становится обязателен. Также, к ретранслятору повышаются требования по передаче данных.

На мой взгляд достоинства очевидно перевешивают, надеюсь, в недалеком будущем, рои зондов дополнят привычные нам большие сложные аппараты.

Список использованных источников

Кроме источников, указанных в тексте, использовались:

• Austin R. Howard, MINIATURIZATION OF ATMOSPHERIC ENTRY PROBES: OPTIONS FOR FUTURE PLANETARY EXPLORATION MISSIONS
• William H. Ailor, Vinod B. Kapoor, Gary A. Allen, Jr., Ethiraj Venkatapathy, James O. Arnold and Daniel J. Rasky Pico Reentry Probes: Affordable Options for Reentry Measurements and Testing

Источник: geektimes.ru/post/249222/