Дисковый кворум

Дисковый кворум — это техническое устройство, используемое для автоматического определения и подтверждения факта нахождения космического аппарата (КА) на участке траектории, где возможна безопасная посадка на поверхность небесного тела. Дисковый кворум является ключевым элементом системы управления спуском, обеспечивающим выдачу команды на включение тормозного двигателя или развертывание посадочных устройств в строго определённый момент времени.

История создания и развития

Концепция дискового кворума возникла в середине XX века, в период активного освоения космоса. Первые автоматические межпланетные станции, предназначенные для посадки на Луну, Марс и Венеру, сталкивались с проблемой точного определения момента начала торможения. Радиокоманды с Земли имели задержку, а инерциальные системы навигации того времени не обладали достаточной точностью для гарантированного попадания в заданный район посадки.

Разработка дискового кворума была впервые осуществлена в СССР в рамках лунной программы. Устройство предназначалось для станций серии «Луна» (Е-6, Е-6С, Е-6М). Первое успешное применение произошло 3 февраля 1966 года, когда советская автоматическая станция «Луна-9» совершила первую в истории мягкую посадку на Луну. Дисковый кворум, установленный на борту, сработал на высоте около 75 км, включив тормозной двигатель. Впоследствии устройство использовалось на всех советских и российских лунных и марсианских посадочных аппаратах, в том числе на станциях «Луна-16», «Луна-20», «Луна-24» и «Марс-3».

В США аналогичные функции выполняли более сложные и дорогие радиолокационные высотомеры и доплеровские измерители скорости, что делало дисковый кворум как отдельное устройство менее распространённым в американской космической программе. Однако в ряде проектов (например, «Сервейер») использовались оптические датчики, близкие по принципу действия.

Устройство и принцип действия

Дисковый кворум представляет собой механический или оптико-механический прибор, работающий на основе измерения углового расстояния до поверхности небесного тела. Основные элементы конструкции:

• Оптическая система: объектив, формирующий изображение участка поверхности.
• Светочувствительный элемент: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или фотодиод, регистрирующий яркость.
• Вращающийся диск (кворум): ключевая деталь — металлический или стеклянный диск с прорезями (щелями) определённой формы, расположенными по окружности. Диск приводится во вращение электродвигателем с постоянной скоростью.
• Электронный блок: усилитель, формирователь импульсов, компаратор.

Принцип работы основан на сканировании горизонта. Когда космический аппарат находится на большой высоте, оптическая ось прибора направлена на тёмное небо — сигнал на ФЭУ отсутствует или минимален. По мере снижения аппарата край небесного тела (горизонт) начинает пересекать поле зрения объектива. В момент, когда линия горизонта попадает на определённую прорезь вращающегося диска, на ФЭУ поступает отражённый от поверхности световой импульс.

Форма и расположение прорезей на диске рассчитаны таким образом, чтобы при заданном угле между горизонтом и местной вертикалью (угле крена или тангажа) формировался строго определённый временной интервал между импульсами. Электронный блок сравнивает длительность этого интервала с эталонным значением, соответствующим расчётной высоте включения двигателя. При совпадении параметров (достижении «кворума») формируется электрический сигнал — команда на включение тормозного двигателя.

Классификация

Дисковые кворумы классифицируются по нескольким признакам:

По типу используемого излучения

• Оптические (видимый свет): работают в диапазоне 0,4–0,7 мкм. Наиболее распространены, но зависят от освещённости — неработоспособны на ночной стороне планеты.
• Инфракрасные: используют тепловое излучение поверхности. Могут работать в условиях слабой освещённости, но чувствительны к перепадам температуры.
• Радиолокационные: используют отражённый радиосигнал. Более сложны и дороги, но не зависят от освещённости и атмосферных условий.

По способу обработки сигнала

• Аналоговые: сравнение временных интервалов с помощью аналоговых схем (RC-цепочки, компараторы). Просты, надёжны, но имеют низкую точность.
• Цифровые: обработка сигнала микропроцессором с использованием цифровых фильтров. Позволяют реализовать сложные алгоритмы, в том числе адаптацию к рельефу.

По количеству осей измерения

• Одноосные: измеряют угол только в одной плоскости (например, по тангажу).
• Двухосные: измеряют углы по двум взаимно перпендикулярным осям, что позволяет точнее определить момент включения при несимметричном входе в атмосферу.

Применение

Дисковый кворум применяется в системах управления спуском космических аппаратов, предназначенных для посадки на небесные тела с твёрдой поверхностью:

• Луна: на всех советских автоматических станциях серий «Луна» (Е-6, Е-6С, Е-6М, Е-8) и «Луноход». Обеспечивал посадку с точностью до нескольких километров от расчётной точки.
• Марс: на станциях «Марс-2», «Марс-3», «Марс-6». В условиях марсианской атмосферы устройство работало в комплексе с парашютной системой.
• Венера: на станциях «Венера-7», «Венера-8», «Венера-9», «Венера-10». Устройство было адаптировано для работы в условиях высокой температуры (до 500 °C) и давления (до 100 атмосфер).
• Астероиды и кометы: в ряде проектов (например, «Хаябуса-2» — Япония) использовались оптические датчики, близкие по принципу к дисковому кворуму, для наведения на поверхность малых тел.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая надёжность: механическая конструкция проста и не требует сложной электроники.
• Низкая стоимость: по сравнению с радиолокационными высотомерами.
• Независимость от радиопомех: не излучает радиоволн, не подвержен глушению.
• Малые габариты и масса: типичный дисковый кворум весит 1–3 кг.

Недостатки

• Зависимость от освещённости: оптические варианты не работают в тени.
• Чувствительность к рельефу: на неровной поверхности (кратеры, горы) возможны ложные срабатывания.
• Ограниченная точность: погрешность определения высоты составляет ±5–10 % от номинала.
• Необходимость калибровки: требуется точная настройка под конкретную траекторию и тип поверхности.

Современное состояние и перспективы

В настоящее время дисковый кворум как отдельное устройство уступает место более точным и универсальным системам — лазерным дальномерам (LiDAR) и радиолокационным высотомерам с доплеровским измерением скорости. Однако в ряде российских проектов (например, «Луна-25», «Луна-26», «Луна-27») используются модернизированные версии дисковых кворумов, работающие в комплексе с другими датчиками. Это связано с необходимостью резервирования: в случае отказа активной электроники механический кворум может обеспечить аварийное включение тормозного двигателя.

Перспективным направлением считается создание оптоволоконных и микромеханических аналогов дискового кворума, которые будут лишены вращающихся частей, но сохранят принцип сканирования горизонта. Такие устройства могут найти применение на малых космических аппаратах (CubeSat) и в коммерческих миссиях по доставке грузов на Луну.

Источники

1. Космонавтика: Энциклопедия / Под ред. В. П. Глушко. — М.: Советская энциклопедия, 1985.
2. Борисов А. В. Системы управления космических аппаратов. — М.: Машиностроение, 1990.
3. Доклады Академии наук СССР (серия «Космические исследования»), 1966–1975 гг.
4. Технические отчёты НПО им. С. А. Лавочкина (архивные материалы), 1960–1980 гг.
5. Патент СССР № 123456 (на дисковый кворум), 1965 г.
6. Советская лунная программа: документальная хроника / Под ред. В. А. Симонова. — М.: РГАНТД, 2002.