Назначение КА
Космический аппарат 'Гранат' - вторая, из созданных в СССР, астрофизических внеатмосферных непилотируемых обсерваторий. Он предназначен для проведения астрофизических исследований галактических и внегалактических источников космического излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного излучения. Его задачей является проведение детальных исследований компактных и протяженных космических источников рентгеновского и мягкого гамма-излучений.

Обсерватория задумана как работающий на орбите ИСЗ комплекс приборов, воспринимающий излучения в широчайшем диапазоне - от 2 кэВ до 100 МэВ. Ее появление открывало новые возможности для определения температуры тепловой плазмы в скоплениях галактик, рентгеновских пульсарах, аккреционных дисках вокруг черных дыр, для выявления космических объектов, где работают нетепловые механизмы излучения.

Научная программа КА 'Гранат', включает:

 построение изображения с высоким разрешением и высокой чувствительностью участков небесной сферы в гамма- и рентгеновском диапазонах, локализацию дискретных источников рентгеновского и гамма-излучений;
 исследование спектральных характеристик излучения космических источников в рентгеновском и гамма-диапазонах длин волн и поведения их во времени;
 измерение линейной поляризации излучения рентгеновских источников;
 исследование фонового рентгеновского излучения Вселенной, его мелкомасштабной изотропии;
 патрульное слежение за небесной сферой с целью обнаружения и изучения источников рентгеновского и гамма-излучений.

Программой полета предусмотрено проведение научных исследований в течение 8 месяцев.

Запуск КА 'Гранат' осуществлен 1 декабря 1989 года.

Ссредства выведения
Для выведения КА 'Гранат' использована четырехступенчатая ракета-носитель 'Протон-К' в той же комплектации, что и при запуске КА серий М-71, М-73, 4В и 'Астрон', - с разгонным блоком ДМ в качестве четвертой ступени.

Стартовая масса РН 'Протон-К' - 690 тонн.

Схема выведения
Схема выведения КА 'Гранат' на рабочую орбиту в целом идентична использованной при запуске КА 'Астрон'.
Основное отличие - в выборе времени сброса головного обтекателя: с целью минимизации воздействия скоростного напора воздуха на чувствительные элементы научных приборов, он перенесен с 195-й секунды, что характерно для циклограммы выведения всех аппаратов НПО им.С.А.Лавочкина научного назначения, на 350 секунду полета - на участок работы 2-й ступени ракеты-носителя 'Протон'.

Параметры промежуточной орбиты: высота апогея ~ 2000 км; наклонение - 51,6њ. Масса головного блока с КА 'Гранат' на промежуточной орбите ~ 20,64 тонны.

Второе включение двигателя блока ДМ переводит КА на целевую орбиту, после чего начинается его автономный полет. Управление работой четвертой ступени РН (блок ДМ) обеспечивается системой автономного управления космического аппарата.

Схема полета
Начальные параметры рабочей орбиты КА 'Гранат' выбраны с таким расчетом, чтобы удовлетворить все требования со стороны разработчиков научной аппаратуры, служебных систем и наземных средств управления.

Так, поскольку основа бортовой научной аппаратуры - комплекс рентгеновских приборов (телескопов), которые могут работать только вне радиационных поясов Земли (Н > 80 тыс. км), орбита 'Граната' должна обеспечивать его нахождение наибольшее количество времени вне влияния этих поясов, т.е. иметь максимально возможную по полетным условиям высоту апогея.

Выбрана высокоэллиптическая орбита с высотой в перигее 2000 км, высотой в апогее 200000 км, наклонением 51,5њ, аргументом перигея ? = 285њ, долготой восходящего узла ? = 25њ и периодом обращения 5880 минут (~ 4 суток).

Выбранная орбита позволяет космической обсерватории находиться вне пределов земной магнитосферы в течение трех (из четырех) суток и проводить круглосуточные наблюдения в условиях относительно постоянного фонового излучения. Кроме того, она обеспечивает большой срок баллистического существования (реально ~ 9,5 лет).

После завершения этапа выведения дальнейшая программа работы КА 'Гранат' условно может быть разделена на три этапа.

Первый этап - раскрытие элементов конструкции, проверка и настройка служебных систем аппарата. Этап начинается сразу после отделения аппарата от разгонного блока и продолжается в течение 10-15 суток, то есть занимает первые три витка орбиты. В это же время определяются фактические параметры рабочей орбиты.

Второй этап - тестирование, регулировка и калибровка научной аппаратуры - начинается после окончания проверки и настройки служебных систем и длится около месяца.

Третий этап начинается приблизительно через 1,5 месяца после старта, после завершения этапа научной подготовки аппаратуры к штатному функционированию, и продолжается до конца активного существования космического аппарата. На этом этапе реализуется программа научных наблюдений.

Космичческий аппарат
В состав КА 'Гранат' входят орбитальный модуль и комплекс научной аппаратуры.
При создании астрофизической обсерватории 'Гранат' за основу взят служебный модуль КА 'Астрон', конструкция которого была доработана.
В связи с появлением на борту нового и более тяжелого комплекса научной аппаратуры изготовлена новая коническая проставка, соединяющая торовый приборный отсек с опорным цилиндром.
Торовый приборный отсек - герметичный. В нем размещены жизненно важные системы аппарата, обеспечивающие его функционирование на орбите ИСЗ: радиокомплекс, телеметрическая система, система автономного управления ориентацией и стабилизацией, система электропитания, элементы системы терморегулирования, блоки электроавтоматики. Снаружи на торовом отсеке, на стороне аппарата, постоянно обращенной к Солнцу, расположен блок астродатчиков, состоящий из оптикоэлектронных приборов ориентации на Солнце и звезду.

Более массивный, чем его предшественник, телескоп 'Сигма' потребовал также усиления конструкции опорного цилиндра. Встроена внутренняя перегородка, перпендикулярная продольной оси опорного цилиндра и разделяющая его на две части. Верхняя часть представляет собой герметичный отсек, в котором расположены электронные блоки научной аппаратуры. В связи с этим удалены ранее размещенные там 19 шаробаллонов - резервуаров для запасов рабочего тела (азота в газообразном состоянии) системы исполнительных органов, а общее их количество уменьшилось с 35 до 16.

В качестве генератора электрической энергии на космическом аппарате применяются солнечные батареи с кремниевыми фотопреобразователями. Конструктивно они состоят из трех панелей. Две панели, каждая из которых имеет две складываюѓщиеся секции, расположены симметрично относиѓтельно продольной оси аппарата на фермах, креѓпящихся к опорному цилиндру. До выведения космического аппарата на рабочую орбиту ИСЗ они находятся в сложенном положении и раскрыѓваются после его отделения от разгонного блока. Третья панель солнечной батареи устаѓновлена неподвижно на опорном цилиндре. Общая площадь солнечных батарей 8,2 м2.
Устойчивая радиосвязь КА с Землей при любой ориентации обеспечивается установленными на орбитальном модуле малоѓнаправленными приемопередающими антеннами дециметрового и сантиметрового диапазонов.

Управление угловым положением аппарата при его ориентации и стабилизации в пространстве осуществляется газореактивными соплами, рабоѓтающими на сжатом азоте. Газореактивные сопла расположены на раскрывающихся панелях солнечных батарей и торовом приборном отсеке. Азот хранится при высоком давлении в шар-баллонах, которые размещены снаружи и в нижней части опорного цилиндра.
Для поддержания требуемой температуры газа в герметичных приборных отсеках на орбитальном модуле установлены радиаторы. Радиатор-нагреватель размещен на торовом приборном отсеке и своей рабочей поверхностью постоянно обращен к Солнцу, радиатор-охладитель установѓлен на опорном цилиндре с теневой стороны. Соединенные с герметичными приборными отсеками трубчатыми газоходами, они образуют замкнутую активную газоциркуляционную систему терморегулирования. Появление еще одного герметичного отсека потребовало изменения, по сравнению с КА 'Астрон', прокладки воздуховодов системы терморегулирования.

Снаружи космический аппарат закрыт многослойной экранно-вакуумной теплоизоляцией, за исключением окон оптических датчиков ориентации и рабочих поверхностей некоторых научных приборов, к которым предъявляются специальные требования. Размещение научной аппаратуры на орбитальном модуле учитывает то обстоятельство, что функционально основная часть приборов комплекса научной аппаратуры делится на две группы:

 телескопы с узким полем зрения ('Сигма', АРТ-П, АРТ-С) - для наблюдения стационарных источников космического излучения;
 обзорные детекторы ('Конус', 'Фебус', 'Вотч') - для регистрации и исследования переменных источников космического излучения, в частности всплесков.

К верхнему фланцу опорного цилиндра через коническую проставку крепится гамма-телескоп 'Сигма', причем ось его визирования совпадает с продольной осью аппарата. По обе стороны от телескопа 'Сигма' на двух неподвижных основаниях, закрепленных на опорном цилиндре, установлены соосно с ним телескопы АРТ-П и АРТ-С. Такое расположение телескопов позволяет одновременно исследовать источники космического излучения в чрезвычайно широком энергетическом диапазоне. На основании, рядом с телескопом АРТ-С, расположена двухстепенная подвижная платформа с научными приборами эксперимента 'Подсолнух'. Она имеет возможность в любой момент навести установленные на ней научные приборы в любую точку небесной полусферы.

Обзорные детекторы комплекса научной апѓпаратуры 'Конус', 'Фебус', 'Вотч' расположены на орбитальном модуле с учетом возможности полного сферического обзора небесной сферы и незатенения их полей зрения элементами конструкции космического аппарата. Часть обзорных детекторов размещена на неподвижных основаниях рядом с телескопами АРТ-ГТ и АРТ-С, часть детекторов расположена на торовом приборном отсеке. Кроме перечисленных научных приборов на торовом приборном отсеке установлен монитор заряженных частиц - прибор КС-18М.

Общая длина космического аппарата достигает 6,5 м, размах по панелям солнечных батарей 8,5 м, масса научной аппаратуры 2,3 т, масса космического аппарата ~4 т.

Результат ЛКИ
Программа полета была рассчитана на 8 месяцев - это во многом определялось тем, что для КА 'Гранат' в целях удешевления проекта и ускорения сроков его реализации при комплектации состава бортовой служебной аппаратуры использован ЗИП, сформированный для КА 'Вега'. Остаточный ресурс приборов, изготовленных в 1983-84 годах, определял технически гарантированную именно такую продолжительность полетного времени.

КА 'Гранат' многократно перевыполнил первоначально намеченную программу. Он проводил научные измерения в штатном режиме в течение 58 месяцев, а общее время его работы на орбите составило 108 месяцев. Количество проведенных сеансов связи составило более 1800. Было выдано более 160 000 команд при ресурсе бортового дешифратора в 25 000 команд

Большинство приборов и систем превысили свой ресурс в 5-6 и более раз. Контроль работы бортовой служебной аппаратуры при столь длительной эксплуатации в условиях Космоса дал следующие результаты. Деградация солнечной батареи составила за 9 лет полета 40?, а реальная емкость кадмий-никелевой аккумуляторной батареи уменьшилась со 120 до 20 Ампер-часов. Показательно падение мощности последнего из оставшихся передатчиков дециметрового диапазона. Вместо 50 ватт она уже составляла 42 ватта на начало сеанса и 32 ватта на конец. Прогнозировался отказ передатчика при падении мощности до 30 ватт.

При периоде обращения КА вокруг Земли равном ~98 часам время для научных наблюдений составляло 65-70 часов на витке. Остальное время распределялось следующим образом:
- ~ 15 часов КА находился в зоне радиационных поясов, где научная аппаратура должна быть отключена;

- 10-15 часов занимали 3 сеанса связи, в которых происходили передача записанной информации и подготовка научного комплекса к очередному интервалу наблюдений.

Из этого следует, что эффективность научного использования КА 'Гранат' превысила 70%. Проект 'Гранат' относится к наиболее успешным проектам, реализованным НПО им.С.А. Лавочкина

Научные результаты

Уже первые наблюдения, проведенные обсерваторией 'Гранат', дали сенсационные научные результаты.
Изображения центра Галактики, построенные по информации, полученной с телескопов АРТ-П и 'Сигма', позволили определить местонахождение и идентифицировать мощный источник излучения высоких энергий. То, что этот источник (1Е1740-29) не совпадает с динамическим центром Галактики, а расположен от него в 40 угловых минутах, представляло собой информацию первостепенной важности.

Это первое открытие 'Граната' было представлено участникам коллоквиума Международного астрономического союза уже в апреле 1990 года. В дальнейшем наблюдение области центра Галактики проводилось многократно и продолжительное время.

Научные результаты, полученные КА 'Гранат', вошли в историю мировой астрофизики. Среди них: открытие излучения в линии аннигиляции электронов-позитронов в спектрах двух рентгеновских источников - кандидатов в черные дыры; открытие квазипериодических осцилляции рентгеновского потока от кандидатов в черные дыры; открытие трех ярчайших рентгеновских Новых, общепризнанных ныне кандидатов в черные дыры; построение уникальных карт Центральной области нашей Галактики в рентгеновских и гамма-лучах; открытие первого источника в нашей Галактике, дающего направленные выбросы, видимая скорость движения которых превышает скорость света.

Были открыты более двух десятков неизвестных ранее рентгеновских источников. Собрана замечательная коллекция спектров излучения черных дыр и нейтронных звезд - рентгеновских пульсаров и барстеров. Зарегистрировано более 250 космических гамма-всплесков. КА 'Гранат' проводил патрульное слежение за активностью нашего Солнца, им был зафиксирован синтез дейтерия в ядерных реакциях на его поверхности во время ярчайших солнечных вспышек. Проводился обзор неба в жестких рентгеновских лучах.
Результаты исследований характеризуют источники рентгеновского и гамма излучений, расположенных в области составляющей ~80% небесной сферы. Они легли в основу более 200 опубликованных научных работ.

Реализация в конце 80-90-х гг. проектов 'Астрон' и 'Гранат' позволила России в области астрофизических исследований не только сравняться по уровню с западными странами, но и в этот период даже выйти в лидеры.