Текст книги "Делай космос!"

6. Кометы и астероиды

6.1. Procyon: микроспутник для большого космоса

В конце 2014 года, японские университеты при поддержке Японского космического агентства JAXA отправили в межпланетное пространство микроспутник Procyon. Он стал первым аппаратом малого класса, который выбрался в межпланетное пространство и показал практическую возможность применения там некосмической электроники.

Procyon

Сегодня на околоземной орбите, на высотах до 1 тыс. км, работает большое количество микроспутников – аппаратов до 100 кг. В основном они создаются частными компаниями и университетами. Некоторые микроспутники уже приносят доход создателям, но большинство выполняет экспериментальные и образовательные задачи. Мировая космонавтика еще учится эффективно их применять и оценивает возможности.

Смелый эксперимент затеяли в Японии – создать небольшой недорогой космический аппарат для проведения исследований в дальнем космосе.

Главное отличие межпланетного пространства от околоземного – в магнитном поле. Земное магнитное поле не только экранирует слабо– и среднеэнергичные потоки солнечного ветра, но и облегчает управление спутниками. Около Земли можно использовать магнитное поле, чтобы «опереться» на него для разворота спутника по нужной оси. Для этого на спутниках устанавливается трехосевая система магнитной ориентации на МИО – магнитных исполнительных органах. Для более точной ориентации, например при наведении антенны или телескопа и слежения за целью, используется другая система – двигателей-маховиков.

Когда двигатель-маховик раскручивается на максимальную скорость, он становится бесполезен, и его надо «разгружать» – останавливать. Разгрузить маховик можно несколькими способами: малыми ракетными двигателями ориентации, разворотом спутника или теми самыми магнитными исполнительными органами. То есть магнитное поле Земли не только прикрывает спутники от потоков солнечных частиц, но и помогает экономить топливо на орбите и даже обходиться без него. Действие магнитного поля Земли распространяется примерно на 60 тысяч километров, а дальше уже – межпланетное пространство.

Procyon разрабатывался в Университете Токио при поддержке Японского космического агентства и Японского института аэронавтики и космонавтики, плюс еще пять университетов и институтов участвовало при разработке различных компонентов и подготовке полета.

Запускался аппарат с космодрома Танегасима. Он набрал вторую космическую скорость вместе с возвращаемой автоматической космической станцией JAXA Hayabusa-2, которую послали за образцами астероидного вещества к астероиду (162173) Рюгу. Procyon полетел к другому астероиду и не предполагал задерживаться у него или возвращаться.

Задача микроспутника состояла в съемке астероида с пролета. Дополнительная задача стояла в исследовании земной плазмосферы и геокороны ультрафиолетовым спектрометром LAICA.

Геокорона – это облако водорода, которое окутывает Землю. Наблюдать ее можно только со стороны и в ультрафиолетовом спектре. Ее снимали астронавты Apollo 16 и китайский модуль Chang’e 3.

Procyon вывели на гелиоцентрическую орбиту, то есть он набрал вторую космическую скорость и стал вращаться вокруг Солнца. По программе он должен был пролететь один оборот, догнать Землю и провести маневр коррекции орбиты, чтобы отправиться уже к астероиду.

Астероид в качестве цели выбрали не простой, а со спутником. Такие бинарные астероиды довольно редки, и космические аппараты вблизи наблюдали только один – астероид Ида с маленьким спутником, который назвали Дактилем. Целью для Procyon выбрали восьмисотметровый астероид 2000 DP107 и его пару. Этот астероид наблюдали только с Земли при помощи радаров.

Для достижения своей цели микроспутник оборудовали ионным двигателем, который питался от солнечных батарей и «выдувал» запасенный в углепластиковом баке газ – ксенон.

Для ориентации и разгрузки маховиков использовался тот же ксенон, который выдувался (уже без кавычек) через микродвигатели ориентации.

Связь с Землей предусматривалась в X-диапазоне с наземной станцией JAXA, оборудованной 64-метровой антенной, и со станциями Deep Space Network NASA.

На первом этапе полета аппарат показал себя очень хорошо. Электроника работала стабильно. Тесты научных приборов показали их работоспособность. Молодые ученые смогли даже получить ультрафиолетовые снимки кометы 67P/Чурюмова-Герасименко и плазмосферы Земли. На нашу планету посмотрели с расстояния 630 тысяч километров, и оказалось, что геокорона распространяется на расстояние почти 250 тысяч километров, то есть Земля летит в облаке водорода, который постоянно улетучивается с нее.

Важный этап на пути к Земле – испытания ионного двигателя – тоже прошел успешно. Двигатель развивал тягу даже больше, чем ожидалось – 330 mkN вместо 250 mkN. Однако когда дело дошло до коррекции орбиты, двигатель отказал. По результатам оценки неисправности, пришли к выводу, что всему виной металлическая соринка, затаившаяся между двумя контактами.

Итак, Procyon не смог улететь к астероиду, но сохранил работоспособность, поэтому принялся за наблюдения ближайшей доступной цели – Земли. Сближение с нашей планетой проходило в конце 2015 года, и студенты активно освещали процесс сближения на своей странице в Facebook. Хотя большого интереса у СМИ их достижения не вызвали. Им удалось наблюдать систему Земли и Луны при помощи своего телескопа с расстояния в несколько миллионов километров.

Максимальное сближение с Землей должно было состояться 3 декабря 2015 года, на расстоянии примерно в 2,7 миллиона километров, и именно в этот день с аппаратом пропала связь. Разработчики пообещали в течение двух месяцев продолжать попытки вернуться к работе, но безуспешно. Поэтому сегодня полет Procyon можно считать завершенным, и теперь он сам превратился лишь в небольшой околоземный астероид, который продолжит вращение вокруг Солнца, периодически сближаясь с Землей. Падение нам на голову не грозит, даже если он и встретится с нашей планетой, то сгорит в плотных слоях атмосферы.

Несмотря на невыполненные задачи, Procyon нельзя назвать полной неудачей. Главную цель – подтвердить возможность эксплуатации межпланетных микроспутников – он доказал. Один год работы для такого проекта и бюджета всего около 5-ти миллионов долларов – это очень неплохой результат. Плюс ко всему, богатый опыт разработки, управления и эксплуатации межпланетной космической техники получили студенты нескольких японских университетов, и у них теперь есть готовые наработки, на основе которых можно создавать новые межпланетные микростанции.

6.2. Rosetta: долгий путь на работу

Летом и осенью 2014 года в космосе состоялась кульминация одной из самых интересных исследовательских операций, сравнимых по значимости с посадкой марсохода Curiosity – реализация многолетней программы Rosetta. Этот космический аппарат стартовал в 2004 году и долгие десять лет летал во внутренней Солнечной системе, совершая корректировки и гравитационные маневры только для того, чтобы выйти на орбиту кометы (67P) Чурюмова-Герасименко. Rosetta должна была настигнуть комету, как следует изучить с расстояния и высадить спускаемый аппарат Philae. Тот провел свою часть исследований, чтобы совместно рассказать нам о кометах так много, как это только возможно в роботизированной миссии.

Rosetta

Комета Чурюмова-Герасименко не является каким-то уникальным космическим телом, требующим обязательного изучения. Наоборот, это обыкновенная короткопериодическая комета, возвращающаяся к Солнцу каждые 6,6 года. Она не улетает дальше орбиты Юпитера, зато ее траектория предсказуема и удачно подвернулась к стартовому окну космического аппарата. Ранее Rosetta планировалась для другой кометы, но неполадки с ракетой-носителем вынудили отложить запуск, поэтому цель изменилась.

Любопытный вопрос: почему к комете пришлось лететь целых десять лет, если она прилетает чаще? Причина этого – научная программа Rosetta. Все предыдущие миссии, начиная с американо-европейского ICE и советской «Веги» в 80-е, заканчивая аппаратом Stardust в 2011 году, предназначенного для исследования кометы 81P/Вильда, проходили на встречных или пролетных курсах с кометой. За тридцать лет ученые смогли сфотографировать вблизи кометное ядро; смогли скинуть на комету металлическую болванку, а через несколько лет взглянуть на результат падения; смогли даже привезти на Землю немного кометной пыли из хвоста кометы. Но чтобы провести рядом с ядром кометы достаточно длительное время и чтобы сесть на нее, простой встречи мало. Взаимная скорость кометы и зонда может достигать десятков и даже сотен километров в секунду, поэтому «в лоб» комету можно только бомбить, ну или высадить на ней Брюса Уиллиса, чтобы он повторил свой подвиг из фильма «Армагедон».

Долгий путь позволил Rosetta занять орбиту, на которой комета догоняла космический аппарат, и ему оставалось только сравнять скорости в нужный момент, а дальше следовать тем же курсом.

На борту трехтонного космического аппарата размещались 12 научных приборов для изучения температуры, состава, поверхности ядра и интенсивности испарения кометного хвоста. Радарный эксперимент предполагал сделать радарное «УЗИ» кометному ядру, чтобы определить ее внутреннюю структуру. Но наиболее интересные с точки зрения эффектности «картинки» ожидались результаты от оптической камеры OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System). Это сдвоенное фотоустройство, оборудованное двумя камерами с объективами 700 мм и 140 мм и CCD-матрицами 2048х2048 пикселей.

За то время, что Rosetta провела в пути, она не бездельничала, а реализовала исследовательскую программу, достойную нескольких самостоятельных миссий. Вообще она демонстрирует пример того, как полезно иметь космический аппарат, мечущийся туда-сюда по Солнечной системе с дальнобойным фотоаппаратом.

Через полтора года после старта Rosetta издалека посмотрела на реализацию миссии NASA Deep Impact, созданной для изучения кометы Tempel 1. Удар импактора (ударного зонда) по комете Tempel 1 вызвал увеличение ее яркости, которое засекли датчики Rosetta.

Через два года Rosetta пролетела на близком расстоянии от Марса и провела наблюдения планеты в нескольких спектральных диапазонах. Даже бортовая камера спускаемого аппарата Philae сделала тестовый кадр.

После Марса Rosetta «уснула» чтобы проснуться через полтора года в 2008-м для съемки пролетающего на расстоянии 800 километров шестикилометрового астероида Штейнс. Правда, системный сбой помешал провести съемку астероида дальнобойной камерой, но широкоугольная позволила сделать снимки детализацией до 80 метров на пиксель и получить ценные данные об объекте.

Еще с Земли было определено, что астероид относится к спектральному классу Е. Осмотр с близкого расстояния это подтвердил. Оказалось, Штейнс состоит из силикатов, бедных на железо, но богатых магнием, при этом некоторые минералы перенесли нагрев более 1000 градусов Цельсия. Наблюдения поверхности и особенностей вращения астероида смогли подтвердить на практике YORP-эффект. Этот эффект возникает (точнее проявляется заметнее) у небольших астероидов неправильной формы. Неравномерный нагрев поверхности приводит к тому, что инфракрасное излучение нагретой части создает реактивную тягу, которая повышает скорость вращения астероида.

Любопытно, что исходя из теории YORP-эффекта, Штейнс должен был иметь форму двойного конуса, но большой ударный кратер на южном полюсе «сплюснул» астероид и придал ему форму «бриллианта». Этот же удар, похоже, расколол пополам космическое тело, при этом оно продолжает держаться за счет сил гравитации, хотя ученые рассмотрели признаки гигантской трещины, рассекающей Штейнс.

Весной 2010 года Rosetta позволила лучше идентифицировать кометоподобное тело P/2010 A2, обнаруженное в поясе астероидов. Эта «комета» наделала шуму в стане астрономов в 2010 году, когда оказалось, что она совсем не комета. Космическое тело рассмотрели одновременно с двух направлений космический телескоп Hubble и камеры Rosetta. Наблюдения, проведенные под разными углами, позволили определить, что перед нами не комета, а результат космического ДТП, когда в 150-метровый астероид врезался маленький обломок размером около метра.

Более интересной работа Rosetta в 2010 году стала при сближении с астероидом (21) Лютеция. Это стокилометровый астероид, который осмотрела Rosetta с расстояния 3170 километров. На этот раз 700 мм камера сработала отлично, поэтому даже с такого расстояния получилось снять детали поверхности до 60 м на пиксель.

Лютеция – это весьма интересный и загадочный объект, исследование которого вызвало много вопросов. Ранее астрономы с Земли определили его спектральный класс как М – астероиды с большим количеством металлов, тогда как спектральные исследования Rosetta указывали скорее на класс С – темных углеродистых астероидов. Снимки поверхности позволили сделать вывод, что Лютеция на 3 километра покрыта толстым ковром раздробленного реголита, скрывающим коренные породы. Анализ массы позволил определить ее плотность: выше чем у каменных, но ниже чем у металлических астероидов, что тоже вводило в недоумение. В результате ученые решили, что перед нами одна из немногих оставшихся с момента зарождения Солнечной системы планетезималей – «зародышей планет».

Когда-то Лютеция начала процесс дифференциации вещества, переместив тяжелые металлические породы в центр и выведя легкие каменные – к поверхности. Однако она оказалась слишком далеко от орбит формирования каменных планет Солнечной системы и слишком близко к Юпитеру, чьи гравитационные возмущения не позволили набрать нужную массу. Более того, считается, что раньше форма Лютеции приближалась к сфере, но многократные столкновения в поясе астероидов за 3,5 миллиардов лет обезобразили ее облик.

После осмотра Лютеции Rosetta снова уснула, чтобы проснуться только 20 января 2014 года, когда началась проверка оборудования. Никаких неполадок не было выявлено, что кажется фантастическим результатом для космического аппарата, проведшего десять лет в открытом космосе и дважды пролетавшего через пояс астероидов.

6.3. Rosetta 2014: первый взгляд на комету в сравнении с предшественниками

«Комета всего в 100 километрах».

Эти слова могли быть началом фильма-катастрофы, но нет – это репортаж со сближения зонда Rosetta с кометой 67P/Чурюмова-Герасименко. Европейское космическое агентство публиковало снимки, которые показывали комету в беспрецедентно высоком качестве. Дело не в том, что у Rosetta какая-то особенная камера, а в том, что она приблизилась к ядру кометы так близко, как никто другой.

Единственное исключение – ударный зонд Smart Impactor в составе аппарата Deep Impact, который врезался в комету Tempel 1. Но у всех предыдущих космических аппаратов, пролетавших рядом с кометами, не было возможности осмотреть ядро со всех сторон, так как встречи происходили на встречных траекториях. Зонды проносились мимо ядра на скорости в десятки километров в секунды и успевали сделать всего несколько кадров.

Rosetta же фактически находилась на орбите кометы (точнее поддерживала вращение вокруг ядра при помощи своих двигателей из-за слабой гравитации кометного ядра) и постепенно сокращала расстояние. То есть новые снимки покажут поверхность ядра в еще более высоком качестве, но их надо ждать.

А чтобы понять, насколько съемка Rosetta превосходит предшественников, стоит сравнить с тем, что было ранее.

Первая встреча беспилотных космических аппаратов с кометой произошла в 1986 году, когда на встречу кометы Галлея отправилась целая группировка космических аппаратов: советские «Вега-1» и «Вега-2», японские Suisei и Sakigake, и европейский Giotto. Последний смог подобраться на максимально близкое расстояние в 596 километров и впервые снять ядро кометы, частично окутанное комой (комой называют атмосферу кометы).

Советская «Вега» тоже провела съемку, только в инфракрасном диапазоне, и расстояние было около 9 тысяч километров.

Далее эстафета в кометных исследованиях перешла к NASA. Следующим кометным исследователем стал малый экспериментальный зонд DeepSpace 1, встретивший в 2001 году комету Borrelly.

Дальнейшие миссии были с усложнением задачи. Операция Stardust в 2004 году реализовала задачу захвата кометной пыли и доставки ее на Землю. На это раз исследованию подвергли комету Wild 2.

Stardust

Следом полетел Deep Impact, который успешно провел бомбардировку кометы ударным зондом, проделав в ядре небольшой, но заметный кратер, который позже снял Stardust.

На падающем на комету ударном зонде была установлена камера, которая вела съемку по мере сближения, так достигли наивысшего разрешения кадров на тот момент. Это были самые качественные снимки поверхности ядра кометы до прибытия Rosetta.

После успешного столкновения зонд Deep Impact, запустивший ударник, был переименован в EPOXI, и под этим именем смог рассмотреть комету Hartley 2.

Любопытным фактом оказалось, что более половины комет демонстрируют двойную структуру ядра. Такую же структуру демонстрирует и комета 67P/Чурюмова-Герасименко. Rosetta была призвана узнать причины такой формы кометных ядер, для чего ее оснастили радаром, который позволил бы сделать комете «УЗИ»: увидеть ее изнутри.

В дни сближения Rosetta с кометой 67P/Чурюмова-Герасименко мне удалось встретиться с одним из первооткрывателей кометы – Климом Ивановичем Чурюмовым и поздравить его с успешным началом исследований.

Он всю свою жизнь посвятил исследованию комет, а с 2004 года работал директором Киевского планетария и занимался популяризацией астрономии. Ещё в 1969 году вместе со своей аспиранткой Светланой Герасименко он открыл комету, к которой в 2014 году прибыл исследовательский зонд Rosetta. К.И. Чурюмов скончался в 2016 году, через две недели после жесткой посадки Rosetta на ядро кометы и прекращения программы исследований.

6.4. Rosetta: комета в восьми километрах

В октябре 2014 нам представилась уникальная возможность увидеть поверхность ядра кометы с расстояния 7,7 километра. В это время аппарат Rosetta, уже готовился к сбросу десантного модуля Philae.

За месяц до этого Rosetta вышла на квазиорбиту вокруг ядра кометы 67P/Чурюмова-Герасименко. Орбита квази потому, что зонд вращается вокруг кометы, но гравитации не хватает для его захвата, поэтому Rosetta может спокойно маневрировать при помощи двигателей.

Во время полета Европейское космическое агентство (ESA) публиковало только снимки с черно-белых навигационных камер. Кадры более «дальнобойной» камеры OSIRIS ученые держали при себе из опасения, что кто-то сможет сделать открытия быстрее них. Полные материалы с Rosetta начали выкладывать только через год после начала научной работы.

Но даже навигационные камеры открывали шикарные пейзажи пятикилометрового куска льда и камня.

С навигационными камерами можно изучать комету очень подробно. Например, некоторые обратили внимание на песчаные дюны, видимые на близких снимках. Сначала эти образования вызвали замешательство, ведь кома – большая, но разреженная, то есть фактически никакого ветра быть на поверхности не может. Но потом присмотрелись внимательнее и примерно в той же области обнаружили газовые джеты, которые бьют из тела кометы.

Судя по всему, эти потоки газа, который выделяется при нагревании ядра солнечными лучами, вырываются наружу с большой скоростью и увлекают пылинки и песчинки. Пыль улетает в космос, а мелкие песчинки уже слишком массивные, чтобы покинуть комету вместе с газом, и они выпадают, формируя дюны.

Еще ученые ESA решили наблюдать за крупным валуном, который рассмотрели на относительно ровной поверхности.

Его назвали Хеопс и опубликовали несколько фото под разными углами и с разного расстояния. Кажется, ученых привлекла его неоднородная структура. Похоже, что он включает в себя темные и светлые фрагменты.

Кстати, о свете и тьме. На снимках Rosetta поверхность кометы представляется нам чем-то вроде поверхности Луны по отражающим свойствам – светло-серой или серебристой. На самом деле это не так, съемка ведется с высокой светочувствительностью, и для нашего глаза комета была бы больше похожа на гигантский кусок угля, чем на серебристую громаду.

Специалисты ESA сделали поясняющую схему, которая позволяет сравнить степень отражающей способности различных тел Солнечной системы.

Самый блестящий объект в системе – ледяной спутник Сатурна Энцелад отражает 90 % света, Земля – 30 % света, Луна – 12 %, а ядро кометы 67P/Чурюмова-Герасименко – всего 6 %.

12 ноября началась самая захватывающая космическая операция 2014 года – посадка на комету. Комета и Rosetta неслись со скоростью 55 тысяч км/ч (15,2 км/с) в 250 миллионах километрах от Земли. И десантному модулю Philae предстояло сделать то, чего не совершалось еще в истории космонавтики.