Первые радиолокационные карты Венеры

Двадцать лет назад советские автоматические межпланетные станции (АМС) «Венера-15» и «Венера-16» провели картографирование поверхности Венеры, скрытой от визуального наблюдения сплошным облачным покровом.

    Ученые и ранее стремились получить какие-либо данные о поверхности нашей ближайшей соседки, но из-за облачного слоя, окружающего Венеру, увидеть поверхность планеты извне было невозможно. Уникальные панорамы с посадочных аппаратов АМС «Венера-9» и -10 имели большое значение, но они только приоткрыли завесу над тайнами планеты. Ученым нужны были снимки больших участков ее поверхности.

Художественное изображение АМС "Венера - 15,16"

АМС "ВЕНЕРА - 15, 16"

    При разработке станций «Венера-11» и -12 рассматривалась возможность съемки поверхности с высоты 35–40 км после прохождения спускаемым аппаратом облачного слоя. Но оказалось, что из-за большой плотности атмосферы фотографии поверхности могут быть получены только с высоты порядка 1 км, и то не очень хорошего качества. Однажды сотрудник Института радиоэлектроники (ИРЭ) АН СССР д.ф.-м.н. О.Н.Ржига показал мне фотографию диска «новой» (т.е. темной) Луны, полученную с помощью наземного радиолокатора бокового обзора, и заметил, что этот принцип может быть использован для получения изображений поверхности Венеры с орбиты ее искусственного спутника. В свою очередь, я показал снимок министру общего машиностроения С.А.Афанасьеву. Обычно оперативно принимающий решения, Сергей Александрович посмотрел на фото и, задумавшись на минуту, вернул его без комментариев. Он был знаком с процессом создания подобной аппаратуры для съемки Земли и, вероятно, не считал возможным решить в ближайшее время еще более сложные проблемы разработки подобного венерианского спутника.
    Тем не менее совместно с ИРЭ АН СССР мы в инициативном порядке начали проработку планетного радиолокатора бокового обзора (РЛБО) и модернизацию конструкции АМС с целью картографирования Венеры и передачи на Землю больших потоков информации. В середине 1976 г. были разработаны предварительные исходные данные по РЛБО для картографирования поверхности Венеры [1], а в начале 1977 г. Минобщемаш, АН и Минрадиопром утвердили решение о формировании межведомственной рабочей группы для разработки технических характеристик, структурной схемы РЛБО и наземной системы обработки данных [2]. Рабочая группа под руководством автора предложила создавать РЛБО на основе теоретических разработок ИРЭ АН СССР. Этот же институт взял на себя ответственность за разработку наземной системы обработки данных.

Автоматическая межпланетная станция «Венера-15»

АМС "ВЕНЕРА - 15, 16"

    Вопрос о разработчике РЛБО решить не удалось. Наш постоянный партнер по радиосистемам КА – главный конструктор НИИ приборостроения, член-корреспондент АН СССР М.С.Рязанский – за это не взялся. Мы выдали техническое задание главному конструктору НПО «Элас» Г.Я.Гуськову, создателю телеметрической системы для наших КА М-69.
    Эта система по своим характеристикам лет на десять опережала лучшие отечественные и зарубежные образцы. Соглашаясь разработать РЛБО, Г.Я.Гуськов называл такие сроки, которые не позволяли запустить КА в 1981 г.
    Наконец, два предприятия – НПО «Комета» (генеральный конструктор – академик А.И.Савин) и ОКБ МЭИ (главный конструктор – член-корреспондент АН СССР А.Ф.Богомолов) – предложили разработать РЛБО в приемлемые сроки. Обсудив предложения с С.С.Крюковым, главным конструктором НПО им. С.А.Лавочкина, мы решили отдать предпочтение ОКБ МЭИ. НПО «Комета» было несравненно мощнее и имело большой опыт создания сложных систем, но было «отягощено» важными правительственными заданиями, которые могли помешать выполнить наш заказ в срок. Между тем небольшой, но динамичный коллектив ОКБ МЭИ не раз демонстрировал свое искусство в разработке уникальных радиотехнических систем. А.Ф.Богомолов назначил ответственным за создание РЛБО главного инженера ОКБ МЭИ Н.В.Жерихина.
    Аппаратуру радиолокатора решили разместить в специальном торовом приборном отсеке с автономной системой терморегулирования, стоящем вместо спускаемого аппарата на торце топливного бака АМС. На отсеке установили раскрывающуюся в космосе антенну РЛБО размером 1.4х6.0 м, антенны радиометра и радиовысотомера. Последний измерял высоты от поверхности Венеры с точностью ±50 м. Получение карты поверхности Венеры требовало ежесуточной передачи на Землю большого объема информации. Для этого на АМС поставили более мощный (50 Вт) передатчик и увеличили диаметр параболической антенны с 1.6 до 2.6 м. Это позволило повысить скорость передачи информации с 6 тыс до 100 тыс бит/с на дальности до 250 млн км. Для питания вновь установленной аппаратуры ввели две дополнительные секции солнечных батарей общей площадью 3 м².
    В отличие от предыдущих станций, АМС должна была ежесуточно ориентироваться продольной осью на центр планеты и отслеживать это направление в течение сеанса картографирования, что требовало большого расхода рабочего тела системы ориентации: запас азота был увеличен с 36 кг до 114.2 кг.

Гипсометрическая карта Венеры, построенная на основе данных АМС Pioneer Venus-1

АМС "ВЕНЕРА - 15, 16"

    Для размещения дополнительного топлива, необходимого для выведения станции с возросшей массой на орбиту искусственного спутника Венеры, на 1 м увеличили длину топливных баков. В итоге стартовая масса станции выросла до 5300 кг: АМС была тяжелее предыдущих венерианских аппаратов почти на 1000 кг. Документация по изменениям конструкции станции была выпущена в НПО им. С.А.Лавочкина довольно быстро. Сложнее была обстановка в ОКБ МЭИ. А.Ф.Богомолов проводил регулярные «оперативки» по разработке РЛБО, но дело продвигалось медленно, чувствовалось – что-то тормозило развитие событий. Только непосредственное вмешательство в дело начальника 3-го Главного управления Минобщемаша Ю.Н.Коптева кардинально изменило положение.

Схема радиолокации Венеры станциями 4В-2

АМС "ВЕНЕРА - 15, 16"

    Позже все прояснилось. Оказалось, что ОКБ МЭИ не выполнило каких-то обязательств перед Минобщемашем, и С.А.Афанасьев запретил своим предприятиям сотрудничать с ним. Приезд начальника управления снял «табу» и развязал А.Ф.Богомолову руки.
    США также стремились создать карту Венеры. 4 декабря 1978 г. на орбиту вокруг планеты вышел КА Pioneer Venus-1; проведя несколько коррекций, за 16 суток он довел параметры орбиты до расчетных: периапсис – 379 км, период обращения – 24 часа 11 мин, наклонение – 105°. Американский аппарат был оснащен радиовысотомером, который позволял измерять высоты образований на поверхности планеты с точностью не хуже 150 м.
    Так как период обращения Венеры вокруг оси составляет 224.7 земных суток (у Земли – сутки), а плоскость орбиты спутника планеты сохраняет свое положение в пространстве, Pioneer Venus-1 «прочерчивал» каждые сутки на поверхности Венеры, обращенной к периапсису орбиты, линию измерения высот в диапазоне венерианских широт ±70° с шагом 1.48°/сутки. Через 243 сут измерения были закончены. На их основе была построена гипсометрическая карта поверхности Венеры с разрешением около 100 км.
    Из-за невысокого разрешения карта получилась маловыразительной. Для лучшего восприятия равнины на ней были окрашены в голубой цвет, низины – в синий, возвышенности – в зеленый. К 1983 г. американцы планировали запустить к Венере картографический КА VOIR с РЛБО (разрешение – 0.3–0.5 км). Мы тем временем продолжали разработку своей станции РЛБО. Важнейшим ее элементом являлось бортовое запоминающее устройство (ЗУ) большой емкости, которое должно было изготавливать львовское НПО им. В.И.Ленина. На очередном совещании сотрудники ОКБ МЭИ доложили, что это объединение отказывается производить и поставлять ЗУ, ссылаясь на невозможность освоения технологии изготовления. Для разрешения критической ситуации мы с А.Ф.Богомоловым поехали в Министерство радиопромышленности и, пройдя все ступени – от куратора львовского объединения до начальника главка, – везде получили отрицательный ответ. Наконец добрались до заместителя министра радиопромышленности, который сразу заявил, что ЗУ на НПО не получается. После возражения А.Ф.Богомолова («Это не соответствует действительности!») он снял трубку прямой связи с директором львовского объединения и сказал ему: «У меня здесь Богомолов. Он утверждает, что у тебя технология изготовления ЗУ освоена».

Стереографическая Карта "Венера - 15, 16" данные альтиметра.

АМС "ВЕНЕРА - 15, 16"

    Получив, вероятно, отрицательный ответ, он со словами: «На, послушай сам» – передал трубку А.Богомолову. Тот молча несколько минут слушал директора НПО, а затем спросил его: «Так ты согласен делать ЗУ?» И после небольшой паузы, передавая трубку замминистра, произнес: «Он согласен!» Удивление замминистра описать невозможно…
    На обратном пути я спросил Алексея Федоровича, как он так быстро получил согласие. «Директор объединения думал, что его слушает замминистра, и говорил про меня всякие гадости... У него не было другого выхода, когда он узнал, что слушал я», – был ответ.
    Весной 1981 г. наземная экспериментальная отработка аппаратов в НПО им. С.А.Лавочкина была завершена. Два летных КА, укомплектованных всей аппаратурой, кроме РЛБО, стояли в сборочном цехе: ОКБ МЭИ не успело закончить изготовление летных комплектов РЛБО и обещало поставить их только через четыре месяца. В этом случае мы еще успевали – при интенсивной работе – завершить сборку, провести испытания и осуществить запуск двух летных аппаратов в астрономическое «окно».
    Как тогда было принято, состоялось заседание парткома, где автором был сделан доклад «О состоянии работ по проекту и мероприятиях, обеспечивающих запуск объектов 4В-2 [заводской индекс АМС] в астрономические сроки».
    Опасаясь, что в оставшееся время ОКБ МЭИ не сможет изготовить два комплекта РЛБО и это приведет к срыву всей программы, я предложил запустить один КА в 1981 г., а второй – в 1983 г. Это позволяло, во-первых, снизить напряжение в работе ОКБ МЭИ и обеспечить изготовление и поставку одного летного комплекта в согласованные сроки; во-вторых, при успешном картографировании первой АМС северного полушария планеты второй КА, запускаемый в 1983 г., мог отснять южное полушарие.
    Предложение вызвало резкую критику: в случае отказа первого нашего КА и запуска в 1983 г. КА VOIR Советский Союз мог потерять приоритет в картографировании Венеры! Заседание парткома закончилось выговором автору и поручением обеспечить запуск аппаратов в заданные астрономические сроки. Через три месяца А.Ф.Богомолов сообщил о невозможности поставки РЛБО в согласованные сроки, и запуск АМС был перенесен на июнь 1983 г. Это был первый и единственный случай переноса стартов аппаратов, разработанных под руководством автора. Остальные 25 станций улетели в сроки, предусмотренные эскизными проектами.
    1983 г. был более благоприятным для полета к Венере с точки зрения энергетики, что позволило установить на станциях 4В-2 дополнительную научную аппаратуру: австрийский магнитометр и немецкий инфракрасный спектрометр.
    Наконец аппаратура РЛБО была изготовлена и прошла необходимые проверки. Осталось неясным: как убедиться, что работающий на орбите спутника Венеры радиолокатор получает изображения поверхности планеты? Для проверки ОКБ МЭИ предложило ввести на вход РЛБО «математическую точку», получение которой на выходе должно было свидетельствовать о нормальном функционировании тракта. Специалисты НПО им. С.А.Лавочкина отметили, что «точка» на выходе может появиться в результате помех, и предложили заменить ее прямой «математической линией». При проверке летных комплектов аппаратуры РЛБО в составе КА на выходе были получены прямые линии.
    АМС «Венера-15» и -16 стартовали соответственно 2 и 7 июня 1983 г., а 10 и 14 октября того же года вышли на орбиты искусственных спутников Венеры с наклонением 87°, периапсисом 1000 км и периодом обращения 24 часа. 16 октября «Венера-15» провела первый сеанс картографирования и передала информацию, которая была получена на пункте «Медвежьи озера» близ Москвы. К нашему удивлению, кроме цифровых данных, которые транслировались во Фрязинский пункт обработки ИРЭ АН СССР, мы увидели узкую полоску видеоизображения поверхности Венеры.

Кадры видеоизображения повехности Венеры, обработанные на борту АМС.

АМС "ВЕНЕРА - 15, 16"

    Оказалось, что специалисты ОКБ МЭИ – сверх требований нашего технического задания, в глубокой тайне – разработали аппаратуру бортовой обработки и формирования видеоизображения снимаемой поверхности! Конечно, качество «картинки» было ниже, чем после анализа информации в ИРЭ АН СССР, но это было первое изображение, обработанное непосредственно на АМС! Картографирование Венеры было закончено в ноябре 1984 г. На основании полученных и обработанных данных сотрудники Центрального научно-исследовательского института геодезии и картографии под руководством Ю.Тюфлина составили атлас Венеры, один из фрагментов которого представлен на рисунке.
    А планировавшийся на 1983 г. запуск американской станции VOIR не состоялся – на него не удалось «выбить» средства. Созданный значительно позже, но и более совершенный аппарат, названный Magellan, был выведен 10 августа 1990 г. на орбиту спутника Венеры с перицентром 297 км и наклонением орбиты 85.5°. Magellan провел картографирование 98% поверхности Венеры с разрешением 120–300 м; с него был получен огромный объем информации, на 35% превышающий суммарный объем данных, добытый всеми другими американскими АМС.
    Американские специалисты, работавшие с КА Magellan, подарили автору оригинальный снимок венерианского кратера: одна его половина выполнена по данным станции «Венера-15», а другая – по данным «Магеллана». Вторая часть снимка выглядела великолепно... Одним из факторов успеха было стремительное развитие техники за истекшее семилетие, которое разработчики сумели воплотить в «Магеллане». Но и к их достижениям Россия тоже имела некоторое отношение: сердце этого КА – мощный бортовой фурье-процессор – было разработано эмигрантом из Москвы.