Один большой или много маленьких?

— ГОРИЗОНТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

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 аппаратомMars 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 посадочный аппарат для Юпитера, Марса или Титана. 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

lozga