Автоматические межпланетные станции "Вега-1" и "Вега-2"

На этапе исследования Венеры
продолжение изучения атмосферы, облачного слоя и поверхности Венеры с помощью спускаемых аппаратов (СА), в том числе:

• исследование характеристик атмосферы Венеры в процессе спуска;
• исследование грунта Венеры с помощью посадочных аппаратов (ПА) в местах их контакта с поверхностью (определение характера пород в месте посадки, элементного состава грунта, физико-механических свойств поверхностного слоя грунта);

проведение принципиально новых экспериментов по изучению циркуляции атмосферы Венеры и ее метеорологических параметров с помощью аэростатных зондов (АЗ). Основными задачами этого эксперимента являлись:

• внедрение в венерианскую атмосферу свободноплавающих аэростатов и последующее слежение за их движением с помощью сети наземных радиотелескопов, определяя тем самым направление и скорость ветра;
• непосредственное  измерение  параметров атмосферы  с  помощью датчиков, размещенных в гондоле АЗ.

На этапе исследования кометы Галлея
поисковое сближение пролетных аппаратов (ПрА) с кометой Галлея с задачей баллистического движения сквозь кому кометы на возможно наименьшем расстоянии от ее ядра; 
проведение комплексного исследования кометы Галлея с пролетной траектории, включая:  

• изучение структуры и динамики околоядерной области комы; 
• определение состава газа в околоядерной области; 
• определение состава пылевых частиц и их распределение по массе на различных расстояниях от ядра; 
• определение физических характеристик ядра кометы (размера, формы, свойств поверхности, температуры); 
• получение телевизионных изображений ее ядра с расстояния порядка 10 тыс.км.;
• изучение взаимодействия солнечного ветра с атмосферой и ионосферой кометы. 

В 1985-1986 гг. представилась уникальная возможность снарядить экспедицию, совмещающую полет к комете Галлея с облетом планеты Венера, и вывести космические аппараты на траекторию полета к комете Галлея в результате гравитационного маневра в поле тяготения Венеры.
В то же время, решение каждой из намеченных исследовательских задач, будь то комплекс вопросов, связанных с десантированием СА на поверхность Венеры, внедрением АЗ в её атмосферу или пролетное сближение ПрА с ядром кометы Галлея, требовало выполнения определенных условий и ограничений по баллистике, зачастую противоречащих друг другу при их совокупном рассмотрении.
Так, существовал ряд ограничений по скорости и углу входа СА (вместе с доставляемыми им аэростатным зондом A3) в атмосферу Венеры. Кроме того, предъявлялись определенные требования к району посадки.
Необходимость слежения наземными радиоинтерферометрическими станциями за трассой АЗ в атмосфере планеты и приема передаваемой с него на Землю научной информации потребовала, чтобы аэростатный зонд вместе с СА входил в атмосферу на видимой части диска Венеры, и A3 оставался на ней в течение всего времени дрейфа. Необходимость обеспечения одно-, двухсуточного плавания A3 потребовала, чтобы точка входа была как можно дальше от подсолнечного меридиана, где из-за неблагоприятных условий A3 может прекратить свое существование.
В связи с тем, что спускаемый аппарат может передавать значительный объем информации на Землю только через  ретранслятор и эта роль возложена на пролетный аппарат, к его траектории предъявляются самые  противоречивые требования: с одной стороны, он должен направить СА (не имеющий возможности самоуправляться во время автономного полета в космосе) в атмосферу Венеры с заданными условиями входа, с другой - сам он не должен входить в атмосферу, так как ему предстоит выполнить другие исследовательские задачи, связанные с полетом к комете Галлея. Более того, в процессе спуска СА и его работы на венерианской поверхности ПрА необходимо совершенно определенным образом  двигаться в зоне связи со спускаемым аппаратом. Но при этом условии ПрА не выходит на траекторию, обеспечивающую встречу с кометой, и поэтому возникает необходимость проведения дополнительного активного маневра после пролета Венеры.
Дополнительные ограничения связаны с необходимостью одновременного управления полетом двух КА.
Выбор траекторий осуществлен по комплексному критерию, позволяющему найти компромиссное решение
Большой объем задач, возложенных на экспедицию, потребовал дополнительных резервов массы для научной аппаратуры. Это, в свою очередь, переросло в требование минимальных энергетических затрат на выведение и все последующие маневры: коррекции при полете от Земли до Венеры, маневрирование ПрА в околопланетной области, коррекции на участке полета от Венеры до встречи с кометой Галлея.
Последние коррекции имеют особое значение. Это вызвано тем, что полет осуществляется к небесному телу, параметры движения которого в момент старта КА еще не известны с требуемой точностью, хотя проделана огромная подготовительная работа. Так, в США проведена обработка более 800 измерений, сделанных в 1910, 1835, 1759 гг., и создана теория движения кометы Галлея. Аналогичная работа, проведена и в СССР. Наблюдения кометы Галлея в 1982 г. показали достаточно хорошее согласование разработанных теорий с данными ее движения, но уточнения координат кометы по наземным наблюдениям продолжатся yжe в ходе полета космических аппаратов. В основе - обработка наблюдений кометы в 1984/1986 гг. в сравнении с наблюдениями 1910, 1835, 1759 и 1682 гг. Предварительно намечены три коррекции, и по результатам анализа полученных уточнений принимается решение о проведении каждой из них.
С учетом всех этих требований разработана следующая схема полета КА «Вега».
Последовательность и характер операций, выполняемых на этапе выведения КА на трассу перелета Земля – Венера, идентичен примененным ранее при запусках межпланетных аппаратов. Подробное описание этого этапа в разделе Космические аппараты серии 4В.
Параметры опорной круговой орбиты ИСЗ: наклонение – 51,5°, период обращения – 87,6 мин. Старт с этой орбиты в направлении Венеры – спустя 1,3 часа пассивного полета по ней.
Этап перелета к Венере длится почти полгода.
На большей части участка межпланетной траектории Земля - Венера аппарат осуществляет полет, ориентируясь с помощью солнечного датчика панелями солнечных батарей на Солнце. Положение двух других осей не контролируется. В запланированные моменты времени перед проведением коррекций или для некоторых научных исследований включается звездный датчик, и аппарат на время до нескольких часов переходит в режим 3-х осной ориентации. На рассматриваемом участке проводятся траекторные измерения  дальности и доплеровской скорости и на основе их анализа проводятся две коррекции с включением двигательной установки: через 7÷10 суток после старта и за 10÷15 суток до подлёта к планете. Цель этих коррекций – наведение КА таким образом, чтобы обеспечить вход СА в атмосферу Венеры с требуемыми параметрами.
За 7 ÷ 10 суток до подлета к Венере КА переходит в режим постоянной 3-х осной ориентации, при которой остронаправленная антенна, наводится на Землю, а продольная ось аппарата (ось X) перпендикулярна плоскости Солнце - КА - Земля. Этот режим сохраняется и дальше, вплоть до подлета к комете.
Вблизи планеты, после того как завершено наведение, за двое суток до входа, СА и ПрА разделяются, и ПрА осуществляет маневр увода на пролетную траекторию для со-здания наилучших условий ретрансляции сигналов с СА.
Одновременно ПрА излучает сигналы на волне 18 см, выполняя функции репера, относительно которого по интерферометрическим измерениям определяются координаты A3.
Схема спуска СА «Вега» аналогична реализованным в экспедициях КА «Венера-11÷-14». В атмосфере проводятся следующие исследования: измерение температуры, давления, скорости ветра и содержания Н20, исследование поглощения и рассеяния света, регистрация и анализ количественного содержания элементарных газов, газовых соединений и некоторых изотопов. На поверхности проводятся исследования химического состава грунта, изучения содержания радиоактивных элементов.
Основное отличие – осуществляемые в процессе спуска отделение и ввод в действие аэростатного зонда.
Операции ввода АЗ начинаются с момента отделения верхней полусферы теплозащитной оболочки СА, в которую помещен зонд, на парашюте увода. Следующая операция - сброс зонда - осуществляется через 32 секунды, после увода верхней полусферы. Производится отделение крышки парашютного контейнера A3, и на 40-й секунде вводится в действие первый каскад аэростатной парашютной системы - стабилизирующий парашют площадью 1,5м2. На нем зонд совершает автономный спуск до момента срабатывания порогового устройства датчиков или программно-временного устройства. Через 180 секунд стабилизирующий парашют, отделяясь, вводит в действие основной парашют ввода аэростата (ПВА) площадью 35 м2.
Парашют ввода аэростата обеспечивает торможение A3 до условий, допустимых для ввода оболочки аэростата. Через 3 минуты производится резка аэростатного контейнера. Контейнер, имеющий форму тора, разрезается по наружному и внутреннему диаметрам. Нижний полутор, играющий роль балласта, падая вниз, вытягивает гондолу, подвеску и оболочку аэростата.
После успокоения системы по команде временного устройства (через 200 секунд после ввода основного парашюта) открывается пироклапан наполнения оболочки аэростата подъемным газом (гелием). По окончании процесса наполнения (через 430 секунд) осуществляется резка и герметизация трубопровода наполнения вблизи верхнего полюса оболочки, и ПВА с системой наполнения отделяется от A3.
По команде порогового устройства датчиков давления (Р=0,9 атм) или температуры (Т=60°С) сбрасывается балласт. Аэростатный зонд тормозится силой лобового сопротивления и аэростатической силой. Скорость спуска становится равной нулю в точке максимального погружения, затем начинается подъем аэростата на высоту равновесия (~53 ÷55 км). Аэростат находится в тепловом равновесии с окружающей средой и под воздействием ветра осуществляет дрейф к терминатору и переход на дневную сторону планеты.
Совершая полностью автономный полет и производя метеорологические измерения с помощью приборов метеокомплекса, размещенных в гондоле, A3 периодически передает полученную информацию на Землю на волне 18 см (система VLBI).
Радиосигналы этого же диапазона используются для проведения дифференциальных интерферометрических измерений, имеющих целью определение текущих координат A3. В этих измерениях задействуются как советские, так и зарубежные станции слежения.
Расчётное время существования АЗ ~ 2 суток.
Исследовательский зонд другого вида – посадочный аппарат (ПА) – выполняет в то же время научную программу, являющуюся продолжением аналогичных программ предшествующих экспедиций и связанную как с изучением венерианской атмосферы (в процессе спуска), так и изучением состава и свойств поверхностного грунта (в месте посадки). Информация с него ретранслируется на Землю через пролётный аппарат.
Отличие этой части экспедиционной схемы от ей предшествующих - посадка ПА на ночную сторону Венеры и, соответственно, пролёт ретранслятора (ПрА) также над ночной стороной планеты.
После завершения операций у Венеры и формирования достаточно протяженной мерной базы для послепролетного уточнения траекторных параметров ПрА, используемых для определения координат A3, через 2÷4 недели после пролета Венеры траектория ПрА корректируется и начинается полет по орбите, обеспечивающей в номинальном случае встречу с кометой Галлея.
Кроме этой коррекции, как уже отмечалось выше, запланировано проведение еще двух коррекций: в середине перелета и за 2÷4 недели до подлета к комете, обеспечивая пролёт КА на расстоянии ~ 10 тыс. км от ядра кометы.
Выбор номинальных значений корректируемых параметров для последней коррекции ограничивается требованиями обеспечения "живучести" КА, наведения комплекса научных приборов, установленного на специально разработанной автоматической стабилизированной платформе (АСП-Г) выносного типа, на комету и проведения телевизионной съемки при пролете вблизи ее ядра. Важнейшие из этих требований связаны с конструктивными особенностями самого КА и АСП-Г, которая совместно с телевизионной системой (ТВС) выполняет автономное слежение за кометой. Слежение осуществляется разворотами по двум углам - разворотом в плоскости орбиты ПрА (β) и разворотом в плоскости, перпендикулярной плоскости орбиты (α). Таким образом, для всей трубки возможных траекторий с заданной вероятностью должны выполняться следующие условия:
КА "Вега-1" и "Вега-2" пролетают на расстоянии порядка 6 тыс. км (аппараты пролетают на расстоянии 8890 и 8030 км от ядра кометы соответственно) от ядра кометы со стороны, освещенной Солнцем;
изменение углов α и β находится в допустимом диапазоне, определяемом с учетом погрешности установки концевых выключателей, зоны их срабатывания и бликов элементов конструкции КА;
максимальная угловая скорость слежения АСП-Г по каждому каналу не должна превышать 45 угл. мин/с, а максимальное угловое ускорение - 0,025 град/с2.
После проведения последней коррекции АСП-Г разворачивается в рабочее положение, и производятся проверки и калибровка установленной на ней аппаратуры и, в первую очередь, телевизионной системы (ТВС). Отдельные проверки возможны также и при нахождении АСП-Г в транспортном положении.
За двое (14 млн. км), одни (7 млн. км) сутки и в момент встречи с кометой проводятся соответственно I-й, 2-й и 3-й сеансы научных исследований кометы.
В ходе полета около кометы АСП-Г, используя телевизионную камеру в качестве датчика кометы и бортовой процессор с алгоритмом уточнения движения центра масс кометы Галлея и отдельных параметров движения ПрА вокруг центра масс, осуществляет автоматическое слежение за кометой и обеспечивает этим точное наведение всех установленных на АСП-Г научных приборов на ее ядро.
Точность измеренных с близкого расстояния координат кометы примерно на два порядка выше точности этих координат, полученных по обработке наземных наблюдений.
При штатной работе бортовых систем на отлёте намечено проведение еще двух сеансов научных исследований кометы: через одни (7 млн. км) и двое (14 млн. км) суток после максимального сближения с ее ядром.

Успех проекта "Вега" заключался не только в получении новой информации о Венере и комете Галлея. Он имел огромное значение для дальнейшего развития как отечественной, так и международной беспилотной космонавтики. Проделанная работа еще раз продемонстрировала, что совместные усилия международного сообщества исследователей космоса значительно расширяют возможности для решения сложных космических проектов в интересах всего человечества.

По итогам принесшей уникальные научные результаты экспедиции большая группа сотрудников НПО им. С. А. Лавочкина в числе других участников проекта была удостоена правительственных наград, отмечена государственными премиями, а В. М. Ковтуненко был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР.

18 марта 1986 года в честь успешного завершения научной программы экспедиции состоялась встреча в Кремле М.С.Горбачева с советскими учеными – руководителями работ по проекту «Вега».

Научная аппаратура пролетного аппарата, функционально представляющая три основные группы экспериментов, соответственно различается по своим конструктивным и компоновочным решениям:

• датчики группы электромагнитных экспериментов (анализаторы  плазменных волн высокой и низкой частот, а также магнитометры) вынесены на штангах как можно дальше от корпуса КА;
• датчики приборов, предназначенных для контактных измерений частиц и плазмы кометы, в основном расположены на корпусе станции на стороне, обращенной к набегающему потоку пылевых частиц кометы;
• оптические средства наблюдения за ядром кометы (трехканальный, инфракрасный спектрометры и телевизионная камера) установлены на автоматической стабилизированной платформе.

В создании комплекса научной аппаратуры участвовали специалисты СССР, ФРГ, Франции, Австрии, ГДР, Венгрии, Польши, Чехословакии, Болгарии и США. Для координации работ научно-промышленной кооперации, задействованной в проекте «Венера–Галлей», создан Международный научно-технический комитет во главе с директором ИКИ АН СССР академиком Р.З. Сагдеевым. Объединенные усилия во многом предопределили успех экспедиции, достижение при ее выполнении уникальных научных результатов.
Группу приборов для проведения электромагнитных экспериментов составляют:

• магнитометр МИША для измерения магнитного поля по трассе перелета и в окрестно-стях кометы (Австрия, СССР);
• спектрометр кометной плазмы ПЛАЗМАГ (СССР, Венгрия);
• спектрометр энергичных частиц «Тюнде-М» (Венгрия, СССР);
• измеритель нейтрального газа ИНГ (СССР, ФРГ);
• анализатор плазменных волн высокочастотных АПВ-В (Франция, ЕКА, СССР);
• анализатор плазменных волн низкочастотных АПВ-Н (Польша, СССР).

Группу приборов, предназначенных для контактных измерений частиц и плазмы кометы, составляют:

• пылеударный масс-анализатор ПУМА для изучения химического состава пылевых ча-стиц (СССР, ФРГ, Франция); 
• СП-1 и СП-2 счётчики пылевых частиц с массой > 10-16 г (СССР);
• ДУСМА – счётчик пылевых частиц с массой > 1,5·10-13 г (США, СССР);
• регистратор пылевых частиц «Фотон» (СССР).

Группу оптических средств наблюдения составляют:

• телевизионная система (ТВС) для получения изображений ядра и комы (СССР, Вен-грия, Франция);
• инфракрасный спектрометр ИКС (2,5 – 12 мкм) для измерения содержания родительских молекул в коме и температуры ядра (Франция, СССР);
• трехканальный спектрометр ТКС (0,3 – 1,7 мкм) для измерения содержания родительских и вторичных молекул, характеристик пыли (Болгария, СССР, Франция).

На посадочном аппарате установлены следующие научные приборы:

• метеокомплекс для измерения давления и температуры венерианской атмосферы (СССР, Франция);
• прибор ВМ-4 для измерения содержания влаги в атмосфере (СССР);
• аппаратура «Сигма-3» для определения химического состава атмосферы во время спуска методом газовой хроматографии (СССР);
• индикатор фазовых переходов ИФП для изучения элементного состава аэрозоля облаков Венеры (СССР);
• оптический анализатор аэрозольной среды ИСАВ-А для исследования спектра поглощения газов в атмосфере Венеры (СССР);
• ультрафиолетовый спектрометр ИСАВ-С для определения содержания SO2 и S8 в атмосфере Венеры (Франция, СССР);
• лазерный счетчик аэрозолей ЛСА для измерения концентрации и спектра размеров частиц (СССР);
• масс-спектрометр «Малахит» (МС 1С1) для определения химической и изотопной составляющей газовой и конденсированной фазы облачного слоя (СССР, Франция);
• рентгено-флуоресцентный спектрометр БДРП-АМ25 для определения содержания породообразующих элементов, слагающих поверхность планеты, и элементного состава грунта (СССР);
• гамма-спектрометр ГС-15СЦВ для определения содержания естественных радиоактивных элементов (СССР).

Общая масса комплекса научной аппаратуры посадочного аппарата составила 117 кг, а масса посадочного аппарата на поверхности Венеры – 740 кг.