Прикладная небесная механика

С первых шагов Института под руководством М.В.Келдыша были начаты работы по ракетодинамике и прикладной небесной механике. В период исследований, предшествовавший запуску первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) в 1957 г., основные усилия были направлены на создание межконтинентальной баллистической ракеты и крылатых ракет. Сотрудниками Института получен в этот период ряд принципиальных результатов, оказавших большое влияние на развитие ракетной и космической техники. Работы Института по составным ракетам [70,71], по их структуре, по многим параметрам и условиям, связанным с определением облика ракеты, по схемам ракет, по управлению движением ракеты, по учету подвижности жидкости в баках, существенно повлияли на выбор конструкции ракет. Эти работы помогли С.П.Королеву сделать окончательный выбор схемы составной ракеты Р-7 (рис. 4), серьезно улучшить летные характеристики этой ракеты и межконтинентальной крылатой ракеты (рис. 5).

В 1953 г. в Институте был впервые предложен баллистический спуск космического аппарата с орбиты на Землю и показана возможность его использования при пилотируемых полетах. В результате применения этого метода космический полет Ю.А.Гагарина был завершен удачным приземлением. В 1954 г. сотрудниками Института разработан первый конкретный вариант системы гравитационной (пассивной) стабилизации искусственного спутника и построена теория такой стабилизации [72]. Все упомянутые работы были выполнены впервые в мире.

Начиная с 1957 г., фронт работ в Институте сильно расширился. Отметим здесь лишь некоторые из проведенных исследований.

В 1957 г. была разработана методика и впервые в нашей стране осуществлено определение орбиты ИСЗ по данным оптических наблюдений с помощью ЭВМ. Позднее при Институте был создан Баллистический центр, ставший неотъемлемой частью контура управления полетом космических аппаратов. В Институте разработаны первые в нашей стране методы определения и прогнозирования параметров движения космических аппаратов (КА) по данным наземных радиотехнических траекторных измерений [73].

Были развернуты работы по комплексному баллистическому проектированию космических полетов к Луне, Марсу и Венере. Первоначально главные усилия были направлены на решение задачи достижения Луны и исследования окололунного пространства. Задача была решена в сжатые сроки под общим руководством М.В.Келдыша. Блестящим примером работы из "лунного" цикла явился выбор траекторий облета и фотографирования невидимой с Земли стороны Луны для КА "Луна-3". Здесь впервые в мировой практике был предложен и успешно реализован "гравитационный маневр" - целенаправленное изменение траектории КА в результате возмущения его движения небесным телом (Луной) [74]. В Институте выполнены и реализованы проектные исследования, связанные с навигационным обеспечением полетов к Луне всех отечественных лунных КА. Особо следует отметить первый искусственный спутник Луны "Луна-10" и станцию "Луна-16", впервые осуществившую забор и доставку на Землю образцов лунного грунта.

В Институте анализировалась возможность полета к Марсу и Венере. Найдены принципиальные технические решения. В частности, схема и метод разгона КА с промежуточным выведением на незамкнутую орбиту ИСЗ, ставшие впоследствии универсальным способом разгона КА [75]; схема операций управления межпланетным полетом КА. Эта схема, основанная на выявленных особенностях и закономерностях навигации, прогнозирования характеристик движения КА [76] и оптимальной коррекции орбит [77], обеспечивала достижение максимальной точности управления полетом КА и минимальных весовых затрат на это управление. Схема в основных своих чертах не изменилась за длительный период практики космических полетов.

Коллектив Института участвовал во всех проектно-баллистических работах и в работах по баллистико-навигационному обеспечению полетов КА, предназначенных для исследования межпланетного космического пространства, Луны, планет и малых тел Солнечной системы.

В последние годы в Институте совместно с НИИПМЭ МАИ проведены исследования по баллистике и навигации КА, использующих электроракетную двигательную установку в качестве маршевого двигателя. Рассмотрены задачи выведения КА к большим и малым телам Солнечной системы, на геостационарную орбиту ИСЗ. На основе этих исследований Институтом совместно с НПО им. С.А.Лавочкина, НИИПМЭ, ГЕОХИ и ИКИ РАН разработан эскизный проект [78] доставки на Землю реликтового вещества Солнечной системы - образцов грунта малого небесного тела, естественного спутника Марса Фобоса (проект "Фобос-грунт" Федеральной космической программы России, старт к Марсу в 2007 г.). Проект "Фобос-грунт" (рис. 6) имеет фундаментальное научное значение. Кроме того, он позволит решить важную для страны задачу создания экономного базового космического модуля нового поколения для исследований Солнечной системы и околоземного космического пространства. Сотрудниками Института в данном эскизном проекте решены вопросы баллистики, навигации и управления полетом КА на всех этапах этой космической миссии [79].

Точное прогнозирование движения КА, необходимое для маневрирования в космосе и посадки аппаратов в заданные, ограниченные по размерам районы Земли, Луны и планет, не могло быть выполнено без уточнения ряда астрономических постоянных. Для решения этой проблемы сотрудники Института предложили использовать высокоточные радиотехнические наблюдения за движением КА. Впервые в мировой практике определены количественные характеристики поля тяготения Луны ("Луна-10") [80]. В интересах проекта доставки на Землю образцов лунного грунта ("Луна-16") построена модель поля, обеспечившая успешные полеты к Луне отечественных КА. По данным траекторных измерений всех советских искусственных спутников Луны построена модель глобальной структуры гравитационного поля Луны [81]. Уточнены постоянные тяготения Земли и Луны по наблюдениям за движением межпланетных станций "Венера-4?7" [82].