О возможности посадки космического аппарата в любой точке Венеры рассказал молодой ученый ИКИ РАН

В столице объявили лауреатов премии Правительства Москвы молодым ученым 2023 года. В числе победителей — сотрудники Института космических исследований РАН. Они удостоены наград за расчет траекторий полета к Венере и разработку перспективного гамма-спектрометра для исследований Луны и планет. О значимости своего вклада в реализацию полетов к Венере нам рассказал молодой ученый Владислав Зубко.

В номинации «Математика, механика и информатика» («Исследования») обладателем премии Правительства Москвы стал Владислав Зубко, младший научный сотрудник отдела космической динамики и математической обработки информации. Его работа «Новый метод построения низкоэнергетических траекторий перелета к Венере с посадкой в любой заданной точке ее поверхности в рамках российской научной программы исследования планеты» решила задачу достижения места посадки космического аппарата в заданной точке на Венере. Предложенный подход позволяет не только обеспечить достижение заданного места посадки, но и расширить возможности выбора орбит для орбитального модуля, обеспечив в том числе длительность существования аппарата свыше 8 – 10 лет. Результаты труда молодого ученого используются в программе исследования Венеры, которую планируют реализовывать в 2029 – 2034 годах.

По словам Владислава Александровича, премия для него очень важна, она является знаком признания его научной работы и мотивирует к продолжению исследования. В своем интервью ученый рассказал нам о значимости изучения Венеры, роли предложенного им метода, о том, что привело его в науку и своих научных планах.

– Расскажите, пожалуйста, о практической значимости научного изучения Венеры. Какие перспективы развития появятся с новыми знаниями об этой планете?

– Исследование Венеры имеет огромную практическую значимость для Земли. Об этом свидетельствуют, в частности, научные задачи проекта Венеры-Д. Эта автоматическая межпланетная станция должна будет провести комплексное изучение атмосферы Венеры, ее поверхности, внутреннего строения и окружающей плазмы. Россию полеты к Венере интересовали давно, ее даже иногда называют русской планетой, ведь полеты к Венере были более успешными, чем полеты к Марсу. Когда ими занялось Научно-производственное объединение им. С. А. Лавочкина, инженерам удалось создать аппарат, который смог выдержать невероятно трудные условия на Венере. Это довольно горячая планета, температура поверхности которой достигает 475 градусов, а давление – 92 атмосферы. К тому же, состав ее атмосферы почти полностью состоит из углекислого газа (углекислый газ – 96,5 % и азот – 3,5 %), на планете выпадают кислотные дожди, облака Венеры состоят из сернистого газа и капель серной кислоты.

Венера заинтересовала ученых прошлого века, поскольку предполагалось, что на ней возможна жизнь, там теплый океан, приятная атмосфера – просто за плотными облаками этого не видно. Считалось, что благодаря парниковому эффекту там должно быть тепло. Эти предположения основывались на измерениях, которые показали, что по многим параметрам Венера напоминает Землю и даже носит название «адского близнеца» Земли. Детальное изучение поверхности Венеры, климата и погоды необходимо, в частности, для понимания климата нашей планеты. Исследования Венеры также полезны для исследований экзопланет – за пределами Солнечной системы, среди них немало размерами подобных Земле (большая их часть сходна с Венерой).

Кроме того, высказывались идеи возможности возврата с Венеры на Землю. Интересны геология Венеры, исследования ее поверхности, она отличается сильной вулканической активностью, есть даже вулкан Идунн, аналогичный земному вулкану Этна. Как в любой фундаментальной науке, интерес к объекту важен с точки зрения понимания нашей эволюции, формирования возможных прогнозов и осознания, в каком наполненном пространстве космоса мы находимся.

– Какое значение имеет траектория перелета к Венере, как возникла задача поиска метода для построения низкоэнергетических траекторий перелета к этой планете?

– Первые советские аппараты к Венере летали по простым схемам, тогда надо было отрабатывать технику. В большей степени эти полеты были не научной, а технологической задачей – отработки запуска, управления, навигации. Запуск советских аппаратов Вега-1 и Вега-2 в начале 80-х ставил задачи исследования атмосферы зондом-аэростатом и пролета к комете Галлея. Аппараты отбрасывали посадочный орбитальный модуль у Венеры, продолжая полет дальше. Благодаря данным, полученным Вега-1 и Вега-2, удалось уточнить траекторию кометы Галлея и обеспечить пролет миссии Джотто на близком расстоянии. Автоматическая межпланетная станция Джотто Европейского космического агентства ставила целью пролететь мимо ядра кометы Галлея для его изучения. Полученные в итоге сведения позволили уточнить его строение и химический состав.

Чтобы исследовать Венеру с научной точки зрения, необходимо отправить аппарат не в любое место на планете, а в определенную ее область. Аппарат в условиях Венеры может существовать недолго – порядка 2 часов. Поэтому необходимо ставить приоритетную задачу в рамках конкретного исследования. После американской миссии Магеллан и картографирования возник вопрос, какая территория планеты важнее для исследования, оптимальна с точки зрения безопасности посадки, научной значимости. Например, это может быть место, где потенциально можно найти новые химические соединения. Отправить аппарат в конкретную область планеты не так просто, поскольку Венера вращается довольно медленно и в обратную сторону, в отличие от других планет. Полный оборот вокруг своей оси она делает за 243 земных дня, а вокруг Солнца – 224,7 земных дня. Так что с Земли аппарат невозможно запустить в любое время, чтобы попасть в определенную точку Венеры. Существуют определенные интервалы времени, когда открывается окно для такого старта, когда запуск корабля требует меньших затрат характеристической скорости – массы, которую мы можем отправить к Венере, и того количества топлива, которое необходимо для разгона аппарата и его перевода на траекторию полета к этой планете. Такое окно старта открывается один раз в 19 месяцев. В итоге нам доступна небольшая часть Венеры в конкретный период: в конкретное окно старта мы имеем возможность для исследования лишь небольшой части Венеры – примерно 4% от всей ее поверхности. Это довольно мало, учитывая внушительную стоимость аппарата, который проживет в точке назначения лишь 2-4 часа.

– Чем вас привлек поиск метода построения низкоэнергетических траекторий перелета к Венере, и в чем суть предложенного вами?

– В решение этой задачи меня вовлек мой научный руководитель Натан Эйсмонт, ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН. Данной работой я занимаюсь с 2019 года. Суть метода заключается в выдвинутой идее Натана Андреевича: не сразу садиться на Венеру, а после того, как будет сделан гравитационный маневр и аппарат переведен на резонансную орбиту – ту, которая имеет такой же период вращения, как период Венеры. Таких орбит довольно много. Переходя между ними, мы можем подлетать к Венере с желаемой стороны. Таким образом 4% доступной для нас поверхности планеты значительно увеличатся. Мы сможем выбирать место посадки. Низкоэнергетичность в названии относится к тому, что траектории перелета космического аппарата определяются таким образом, чтобы достигался минимум затрат топлива на перелет к Венере. Собственно, это означает, что построенные траектории перелета в рамках предложенного метода могут быть реализованы ровно в те же даты старта, что и прямой перелет.

Если приоритетную научную задачу можно решить лишь в той точке Венеры, которая будет недоступна в ближайшее окно старта, сколько времени придется ждать, чтобы запустить аппарат?

– В случае, если мы говорим об использовании ставшего традиционным подхода, имея в виду прямой перелет от Земли к Венере, то нужная точка планеты может стать доступной для космического корабля если не сразу, то потом только через 8 лет. Но поскольку Венера поворачивается не точно той же стороной, как в предыдущий раз, то точка может быть доступной только еще через 8 лет. Таким образом, если сразу нужная область поверхности Венеры для нас недоступна, то затем к ней запустить аппарат можно будет минимум через 8, а максимум – через 16 лет. Используя предложенный подход данное ограничение снимается полностью и в пределах окна старта практически любое место доступно для посадки.

– Кто именно ставит приоритетные задачи для той или иной миссии?

– Задачи ставят ученые, которые занимаются исследованием планет и обработкой научных данных. У нас есть Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, где работают специалисты в области изучения Венеры, Марса, геологии. Эксперты в области атмосферы трудятся также в Институте космических исследований РАН. Моя специализация – траектория и динамика полета. Ученые ставят задачу, мы делаем расчеты, когда можно будет запустить аппарат для ее выполнения. При этом учитываются существующие ограничения. Например, Венера-Д («Венера Долгоживущая»), будущая российская автоматическая межпланетная станция, включает не только посадочный аппарат, но и орбитальный модуль, который сможет находиться на орбите не менее 8 лет, чтобы исследовать динамику атмосферы, космическую погоду, проводить съемку. Требования к орбите для модуля влияют на выбор места посадки аппарата на планету. И это не единственное ограничение, которое сказывается на месте посадки. В итоге, при условии прямого полета из 4% доступной поверхности Венеры остается лишь часть посадочных площадок, чтобы удовлетворить требования к орбите. Орбиту довольно сильно меняют волнения, исходящие от Солнца, она может эволюционировать, и ближайшая точка к Венере может падать. Чтобы этого не происходило, нужно рассчитать параметры орбиты и задать определенные параметры орбитального модуля. Это позволяет сделать предложенный метод. При этом уменьшения области посадки, конечно, не избежать, но это уменьшение будет не критичным, допустимым для решения поставленной учеными задачи.

– Каковы дальнейшие планы ваших исследований?

– Что касается венерианского исследования, то по траектории полета к Венере я в этом году планирую защищать кандидатскую диссертацию. Затем я ставлю перед собой ряд исследовательских задач, число которых постоянно увеличивается, поскольку появляется все больше спутников и технологии не стоят на месте. Этой научной областью я увлекся еще в период обучения в МГТУ имени Баумана. Моя дипломная работа была посвящена дальним перелетам к транснептуновым телам – объектам, которые находятся от Солнца дальше, чем Нептун, и целой группе объектов, среди которых меня привлекает Седна. Седна находится от Солнца в тысячу раз дальше Земли. Оказывается, существует немало траекторий полета, которые обеспечивают минимум затрат топлива на достижение такого дальнего объекта. После успехов исследования Плутона встает задача достичь возможности совершать дальний межзвездный полет. Пока за пределы сферы действия Солнца, а она простирается на 100 тысяч астрономических единиц, полет невозможен.

– Существует ли конкуренция среди ученых разных стран в вашей области научных исследований? Или правильнее говорить о международном сотрудничестве?

Научная среда всегда была вне конкурентных отношений, подобных существующим в бизнесе. Ученые работают с новыми знаниями. Поэтому важна не конкуренция, а верификация. Национальные команды и международные ассоциации стремятся понять, что открыты действительно новые методы, новые направления. Это, скорее поддержка, близкая к сотрудничеству, нежели конкуренция.

– Чем вас заинтересовала наука, когда и как вы определились со своей будущей профессией?

– Направление, связанное с динамикой полета, меня заинтересовало при выборе университета. Я поступал в МГТУ имени Баумана на кафедру динамики управления полетом космических аппаратов (бывшая кафедра баллистики и аэродинамики). Уже со второго курса нас начали погружать в отрасль, проводили практики, экскурсии по музеям, по предприятиям, по институтам отрасли, знакомили с достижениями. В Институте космических исследований в музее тоже можно увидеть много приборов, образцов космических спутников, здесь проходят экскурсии, где знакомят с макетами планет и описанием космических экспериментов. Такой подход очень сильно меняет картину мира, активизирует стремление к изучению космоса, позволяет понимать, что чувствовали люди, которые находились у истоков космонавтики. При поступлении в вуз меня привлекло описание кафедры, формулировка «навигационно-баллистическое обеспечение космических полетов», дружеская атмосфера в приемной комиссии. На втором курсе, когда начались специальные предметы, мы стали изучать устройство спутников. Все это вовлекло меня в науку.