Книга: Космос

Космические миссии — репетиции активной защиты от ОКО

Космические миссии — репетиции активной защиты от ОКО

Чтобы принять ту или иную стратегию создания системы защиты Земли от опасных космических объектов и приступить к ее реализации, необходимо продолжить и расширить проведение космических экспериментов. Прежде всего — дальнейшие исследования природы астероидов и комет с помощью космических зондов. Одновременно накапливается опыт, испытываются технические средства и отрабатываются технологии, которые будут необходимы в случае критических ситуаций.

Познакомимся с уже осуществленными проектами, которые стали весомым подтверждением возможностей современной науки и техники противодействовать ударам из космоса.

^{Модель станции «NEAR Shoemaker»}

Примером возможности перехвата объекта, опасно сближающегося с Землёй, стала экспедиция к астероиду Эрос американской станции NEAR Shoemaker. Астероид Эрос, открытый в самом конце XIX в., интересен тем, что стал первым в списке небесных тел, сближающихся с Землёй. Он же из всех астероидов и комет первым был выбран для подробного исследования.

У зонда NEAR была чрезвычайно сложная задача: вывести аппарат на орбиту искусственного спутника астероида, чтобы затем длительно его изучать с близкого расстояния. По плану эта динамическая операция должна была начаться 10 января 1999 г. К сожалению, в момент выдачи команды с Земли на включение маневрового двигателя связь с аппаратом прервалась на 27 часов. В результате станция миновала Эрос на ближайшем расстоянии 3827 км. И всё же цель была достигнута! Удалось рассчитать и выполнить новую схему сближения, в соответствии с которой после нескольких включений двигателей 14 и 15 февраля 2000 г. космический аппарат стал первым в истории космонавтики искусственным спутником астероида. Дата события была на этот раз выбрана в интересах публики. Астероид, носящий имя греческого бога любви, получил «подарок» с Земли в День святого Валентина, отмечаемый во многих странах как праздник всех влюблённых.

Ещё изучение колебаний блеска Эроса, выполненное с Земли, показало, что астероид имеет форму груши размером 38x1 6 км, а его период вращения 5 час 16 мин. При первом сближении были получены многочисленные снимки Эроса. Период вращения в точности подтвердился, а размеры уточнились лишь немного: 40x14 км. Это ли не свидетельство надежности наземных астрономических исследований!

Уточнение размеров и массы помогло прецизионно выполнить все операции вблизи астероида при втором подходе аппарата. Любопытны начальные параметры движения «NEAR Shoemaker» по орбите вокруг Эроса. Обычно, когда говорят о космических скоростях, подразумевают скорости огромные, многократно превышающие привычные земные. Так вот, космический аппарат относительно Эроса двигался со скоростью человека, вышедшего на неспешную прогулку — 3 км в час! Неудивительно, что полный оборот «NEAR Shoemaker» завершал почти за целый месяц. Примерно за то же время Луна, двигаясь со скоростью 3600 км/ч, обходит вокруг Земли. При том, что расстояние до Луны в 1000 раз больше, чем от NEAR до Эроса. Такая разница объясняется малостью массы Эроса и ничтожной силой его гравитации.

Программа миссии «NEAR Shoemaker» предусматривала исследование Эроса со всё меньшей высоты. В заключение имелось в виду в случае успешных маневров аппарата вблизи астероида попытаться царапнуть его поверхность краем солнечной батареи, а затем, подняв аппарат, изучить полученную астероидом царапину. Но аппарат оказался настолько послушным, а операторы научились им управлять с такой почти ювелирной точностью, что было решено рискнуть — попытаться впервые посадить зонд на поверхность астероида. Тем более что срок службы аппарата к тому времени уже истекал. Специалисты NASA оценивали шансы на успех как один на сотню (ведь аппарат не был предназначен для посадки). И этот единственный шанс они использовали блестяще! 13 февраля 2001 г. аппарат массой 495 кг мягко опустился на поверхность Эроса.

Таким образом, американским специалистам удалось выполнить заранее не запланированный уникальный космический эксперимент. Сложность задачи усугублялась очень малой гравитацией Эроса. Допустимой была принята скорость посадки до 11 км/ч. При избыточной скорости причаливания сила отдачи отбросила бы аппарат в космическое пространство. Вместе с тем слабая гравитация облегчала задачу сохранности аппаратуры зонда при его контакте с грунтом малой планеты.

Все операции по спуску зонда продолжались четыре с половиной часа и были выполнены настолько точно, что аппарат продолжил передачу радиосигналов и после посадки. По-видимому, оказались в сохранности и панели солнечных батарей, обеспечивающие энергопитание. Заметим кстати, что никогда прежде полупроводниковые источники энергопитания не использовались на таком удалении от Солнца. Посадка стала возможной также благодаря знаниям об Эросе, полученным при подлете и во время годового изучения его с орбиты спутника.

^{Фотографии поверхности астероида Эрос}

Уже анализ первых снимков принёс много интересного. Всего же удалось получить более 160 тыс. снимков (в 10 раз больше запланированного). Оказалось, что астероид имеет слоистое строение, о чём свидетельствуют видимые на поверхности вытянутые параллельные желоба и гряды гор. По предположению учёных, это могут быть застывшие слои многократно изливавшейся вулканической лавы. Если эта гипотеза подтвердится дальнейшими исследованиями, придётся признать, что когда-то Эрос был частью другой, гораздо большей планеты. Есть и другая гипотеза: открытые протяжённые образования являются трещинами от столкновения с другим небесным телом. Изучение снимков приводит к выводу, что хотя бы часть борозд представляет собой следы больших камней, упавших на поверхность и довольно долго катившихся по ней. Камней большого размера на поверхности Эроса очень много. Иногда это настоящие поля валунов. Один из таких огромных валунов прекрасно виден в конце длинной борозды на дне небольшого кратера. Как бы то ни было, ясно, что Эрос является достаточно прочным небесным телом. Лишнее тому подтверждение — довольно высокая средняя плотность астероида. По последним радиоисследованиям, она составляет 2,4 г на кубический сантиметр, почти как и у земной коры.

Эрос цветом поверхности похож на Луну, но светлее её и отличается некоторой желтизной. Исследования, выполненные с помощью бортового спектрометра, выявили на поверхности астероида железосодержащие минералы: пироксен и оливин.

^{Изображение ядра Темпль-1 составлено из нескольких фотографий}

Самое поразительное, что такие минералы — продукт плавления горных пород, чего не должно быть на таком небольшом небесном теле. Это также свидетельствует в пользу гипотезы, что когда-то Эрос был частью достаточно крупного небесного тела. Однако разрушение «материнской» планеты должно было случиться в очень отдалённую эпоху. О древнем возрасте Эроса говорит то обстоятельство, что почти вся его поверхность (до 90%) покрыта сравнительно небольшими «оспинами» кратеров. Лишь в средней части этого «космического арахиса» с одной стороны обнаружен 5-км кратер, зато с противоположной, в седловине, кратеры почти отсутствуют. По характеру рельефа из всех исследованных вблизи малых планет Эрос сходен с Идой.

И руководители программы ученые-эксперты с полным основанием сочли полет «NEAR Shoemaker» абсолютно успешным. Впервые получена столь полная информация об астероиде, сближающемся с Землёй. Кроме того, приобретён уникальный опыт сближения, маневрирования и причаливания к астероиду, который может оказаться востребованным при операциях по космической защите Земли.

Не менее впечатляющий космический эксперимент осуществили ученые и специалисты США в 2005 г. 12 января с помощью ракеты «Дельта-2» была запущена станция с характерным названием «Дип Импакт» («Глубокий удар»). Цель космического зонда соответствует имени — глубокое проникновение в ядро кометы Темпль-1. Подобного в космонавтике до тех пор ещё не было. Выбор цели не случаен. Короткопериодическая комета, подвергшаяся бомбардировке, была открыта Эрнестом Темпелем в 1867 г. Она движется между орбитами Марса и Юпитера, обегая вокруг Солнца за пять с половиной лет. Столь частые сближения с нашей звездой позволяют учёным замечать и исследовать эволюцию кометы.

Больше половины массы аппарата приходилось на 372-килограммовый медный «ударник» (импактор), который 4 июля того же 2005 г. со скоростью 37 тыс. км/ч врезался в выбранный район поверхности кометы. Энергия, выделившаяся при столкновении, эквивалентна взрыву 4,5 т взрывчатки. До этого лишь Луна подвергалась ракетной бомбардировке. Но Луна по своим размерам сопоставима с Землёй. А поперечник ядра кометы Темпль-1 всего несколько километров (приблизительно 5x7 км). В результате удара болванки в теле кометы образовался взрывной кратер глубиной несколько десятков метров и размером с футбольное поле.

Понятно, что образование такого кратера не цель, а неизбежное последствие запланированного эксперимента. Таким образом, учёные впервые смогли добраться до внутренних слоев кометного вещества, скрытых под поверхностной коркой. Сравнительно небольшие размеры кометных ядер гарантируют отсутствие внутренних геологических процессов, которые могли бы изменять состояние кометных недр. Исследование выброшенного ударом первичного вещества Солнечной системы позволило познакомиться с его составом. Изверженное вещество включает маленькие зерна силикатов, соединения железа, сложные углеводороды, глину и карбонаты. Специалисты считают, что для их образования была необходима жидкая вода. Исследователи образно назвали все это «космическим суфле» — ведь ядро кометы пористое и мягкое. Полученные данные помогут лучше понять историю Солнца и его семьи. Можно надеяться также, что исследование состава комет прольёт новый свет на загадку возникновения жизни на нашей планете. Многие специалисты убеждены: кометы, выпавшие на юную Землю, доставили сюда массу воды. Лишнее подтверждение такой возможности дал полёт станции «Дип Импакт». Оказалось, что исследуемая комета Темпль-1 почти непрерывно выбрасывает в окружающее пространство большие порции воды. При ударе из образовавшейся воронки было выброшено водяного пара около четверти миллиона тонн. Эти данные получены космическим телескопом NASA Swift, который наблюдает всплески гамма-излучений. В данном случае гамма-телескоп регистрировал в рентгеновских лучах выброс вещества с поверхности кометы до и после удара. Это дало возможность определить массу потерянного кометой водяного пара. Разнообразные исследования выброшенного при взрыве вещества вели сотрудники 60 астрономических обсерваторий, расположенных в разных частях нашей планеты.

Большой интерес представляют снимки поверхности кометного ядра, переданные оставшимся на орбите аппаратом, а также изображения, полученные камерами точного прицеливания импактора до его столкновения с космическим телом. На снимках отчетливо видно множество кратеров, в то время как на других кометах, которые исследовали космические зонды, следов столкновения с метеоритами не было.

Успешное проведение эксперимента имеет особое значение для решения проблем кометно-астероидной опасности. Теперь стала очевидной возможность заблаговременного удара в заданную точку поверхности опасного объекта для его отклонения от Земли. Отметим, что активное воздействие было осуществлено на расстоянии 133 млн. км от Земли.

Драматично сложилась судьба миссии японского космического зонда «Хаябуса».

Зонд японского агентства аэрокосмических исследований стартовал в мае 2003 г. к сближающемуся с Землёй астероиду 25 143 Итокава. Главная задача полёта — забор и доставка к нам образцов грунта с поверхности потенциально опасного астероида.

Для решения этой задачи был создан оригинальный космический аппарат, оснащённый электрореактивным ионным двигателем, мощным компьютером, автономной системой навигации и управления. В сентябре 2005 г. «Хаябуса» подлетел к астероиду и с высоты от 20 до 7 км стал его исследовать. Астероид Итакава имеет столь малую массу, что сила его притяжения в 10 раз слабее давления солнечных лучей на аппарат. Правда, мощность двигателя «Хаябуса» стократно превышает воздействие излучения Солнца и потому аппарат способен перемещаться с заданной скоростью в нужном направлении.

^{Астероид Итакава} 

За первые полтора месяца исследований было получено около 1500 снимков поверхности, лазерный высотомер определил расстояние до Итокавы в 1,4 млн. точках. 7 5 000 измерений выполнил инфракрасный спектрометр, а рентгеновский спектрометр собирал данные в продолжение 700 часов. Анализ полученной информации поразил специалистов из Института космических исследований и космонавтики Японии — настолько необычным оказался астероид. Если раньше малые планеты считали геологически однородными телами, то Итокава оказался весьма сложным объектом. Поверхность астероида укрыта минералами различной природы. Здесь и кусочки металлического железа, и легкие силикаты. Большая часть астероида покрыта крупными камнями размером до 50 м (!), причем они обладают различными отражательными свойствами. Один из камней, длиною в два десятка метров, выступает настолько, что, кажется, вот-вот оторвется. В некоторых районах камни не были замечены. Но при косом солнечном освещении резкие тени делали заметными даже малые неровности рельефа, и районы, считавшиеся совершенно гладкими, зачастую оказывались покрыты крупными камнями. Немногочисленные кратеры на поверхности Итокавы укрыты слоем реголита и потому плохо заметны.

Итокава имеет характерную картофелеобразную форму с двумя утолщениями. Наибольший размер астероида равен 535 м, наименьший — 209 м. Плотность Итокавы 1,9x0,13 г/см³ — заметно ниже, чем у каменных пород и у астероидов, изученных ранее. Низкая плотность говорит о том, что около 40% объёма необычного астероида составляют пустоты и он представляет собой весьма «рыхлое» образование.

^{Сравнительные размеры астероидов и комет:}

^{1. Ида; 2. Дактиль; 3. Брайль; 4. Аннафранк; 5. Стеинс; 6. Эрос; 7. Итакава; 8. Матильда; 9. Гаспра; 10. Лютеция; 11. Борели; 12. Темпль; 13. Галлея; 14. Вильд}

Информация о природе астероида Итокава представляет большую научную ценность и очень важна для решения проблем кометно-астероидной угрозы. Ещё раз подтвердилась важность своевременного выяснения структуры и состава потенциально опасных объектов. Только на основе достаточной информации можно планировать и осуществлять адекватные меры космической защиты Земли. Но как мы помним, предстояло решить главную задачу — получить и доставить на Землю образцы вещества необычного астероида.

До конца октября было проведено подробное изучение предполагаемых мест посадки; 1 ноября были объявлены два выбранных места: точка А и точка В — обе вблизи экватора.

В дальнейшем планировалось провести несколько подготовительных маневров аппарата и три основных операции:

4 ноября — пробное снижение к поверхности немного восточнее точки А до высоты 30 м;

12 ноября — первое снижение с забором образцов в точке А;

25 ноября — второе снижение с забором образцов в точке В.

Во время первого снижения предстояло с высоты 30 м сбросить посадочную мишень и попытаться увидеть ее со станции при работе специальных ламп-вспышек — при реальной посадке она будет служить своеобразным маяком.

Во время полёта аппарат снял с близкого расстояния район, намеченный для посадки, вблизи точки А. Он оказался для этого непригодным из-за множества огромных (до 10 м) камней. Была сфотографирована область и вблизи точки В, где камней оказалось гораздо меньше. Несмотря на определенный риск, это было единственное место, пригодное для посадки на Итокаве. Именно здесь решили сделать обе попытки взятия грунта.

Решающим днём для программы «Хаябусы» стал 20 ноября, когда станция получила команду на вертикальный спуск с высоты 450 м. Притяжение Итокавы становилось всё сильнее, и двигатели включались раз в 100 секунд, чтобы замедлить разгон. В заданный момент был перерезан трос крепления посадочной мишени. Через 140 секунд на высоте 40 м аппарат снизил свою скорость и почти завис; мишень же отделилась и пошла вниз. Еще минут через шесть она достигла поверхности астероида. А «Хаябуса» с высоты 1 7 м пошел вниз, ориентируясь по мишени и учитывая рельеф района посадки. В это время связь Земли с космическим аппаратом ухудшилась, а временами прерывалась.

Что происходило с «Хаябусой» в дальнейшем, удалось узнать, когда связь была восстановлена.

Японский аппарат коснулся поверхности астероида со скоростью около 10 см/с. По сигналу датчика касания на «трубе» грунтозаборного устройства аппарат должен был «выстрелить» в грунт «пулей» диаметром 10 мм и массой 5 г. В этом случае от удара со скоростью 300 м/с поднялось бы облако частиц грунта, порцию которых «Хаябуса» должен был уловить и начать подъём. К сожалению, датчик касания не включился, поэтому грунтозаборное устройство не сработало и управляемый подъём не состоялся. Сила отдачи подбросила «Хаябусу» на небольшую высоту, и он вновь опустился на астероид. После второго подскока «Хаябуса» окончательно осел на поверхность и находился на ней около 40 мин. Аппарат стоял под углом 16°, касаясь грунта нижним концом приемного устройства и краями солнечных батарей. Вскорости аппарат получил с Земли и исполнил команду на взлёт — кстати, первый взлёт земного аппарата с небесного тела, за исключением Земли и Луны. Проведенное тестирование показало, что «Хаябуса» не получил серьёзных повреждений, и операторы начали готовить вторую попытку взять грунт.

25 ноября аппарат начал спуск на астероид в пятый раз. 26 ноября он получил команду на вертикальный спуск и разрешение на посадку в автономном режиме. На высоте 14 м аппарат завис и развернулся перпендикулярно к поверхности. Теперь оставалось ждать, когда спуск сменится подъёмом и пойдёт телеметрия. Наконец «Хаябуса» зарегистрировал касание. Сразу две пули с интервалом в 0,2 с были всажены в грунт, чтобы увеличить объём выбрасываемого вещества.

Через секунду спуск сменился быстрым подъёмом и на безопасной высоте аппарат начал передачу сигналов. Надпись, высветившаяся на дисплее группы управления, означала, что впервые в мире успешно проведена операция забора грунта с астероида!

Это был момент всеобщего торжества, к которому примешивалась легкая тревога. А вдруг записи бортовых данных покажут, что какие-то действия аппарат не выполнил? Руководители полёта подозревали, что один или два «нижних» двигателя коснулись грунта при нештатной посадке 20 ноября и могли быть повреждены. Всё остальное на борту работало: солнечные батареи давали ток, связь была нормальной, ориентация тоже.

Прием данных с борта продолжался более двух часов. Удалось убедиться, что посадочная программа в бортовом компьютере отработала нормально, все команды были выданы, сбоев не было и что ориентация в момент касания была правильной.

Первоначально возвращение зонда «Хаябуса» с веществом необычного астероида планировалось на 2007 г. Но поскольку эксперимент закончился серьёзной аварией, обстоятельства и размеры которой не до конца были известны, не было уверенности, что раненый аппарат сможет вернуться к Земле и сбросить капсулу с уникальными образцами внеземного вещества. Тем не менее 13 июня 2010 г. «Хаябуса» вернулся к Земле и успешно сбросил на парашюте посадочную капсулу с уникальными образцами внеземного вещества. Капсула приземлилась на юге Австралии и была доставлена в Японию. Японский беспилотный космический аппарат «Хаябуса» («Сокол») занесён в Книгу рекордов Гиннесса за то, что он первым в истории сумел доставить на Землю материал, собранный на поверхности астероида.

Учёные выяснили, что Итокаву можно отнести к классу наиболее распространённых хондритов. Однако своим минералогическим составом он заметно отличается от большинства каменных метеоритов этого типа. Вещество астероида Итокава имеет лишь весьма незначительный процент железа. Такие хондриты менее всего распространены на Земле. Ученые установили, что минералы, находящиеся в пыли Итокавы, подверглись метаморфизму. Это означает, что длительное время они были разогреты примерно до 800 °С. Чтобы температура достигла 800 °С, астероид должен был иметь более 20 км в поперечнике. Это говорит о том, что нынешний Итокава является фрагментом большего тела.

Низкая плотность указывает на то, что около 40% объёма необычного астероида составляют пустоты, и он представляет собой весьма «рыхлое» образование.

Информация о природе астероида Итокава имеет большую научную ценность и очень важна для решения проблем кометно-астероидной угрозы. Ещё раз подтвердилась важность своевременного выяснения структуры и состава потенциально опасных объектов. Только на основе достаточной информации можно планировать и осуществлять адекватные меры космической защиты Земли.

^{Так представил художник десантирование посадочного модуля «Розетты» на ядро кометы Чурюмова-Герасименко}

^{Автоматическая межпланетная европейская станция «Розетта» приближается к комете Чурюмова-Терасименко} 

^{Фотографии поверхности кометы Чурюмова-Герасименко, переданные станцией «Розетта»}