Японские недели в поясе астероидов
В ближайшие месяцы астероиды будут особенно актуальны. Нет, они не обрушатся на Землю. Земля обрушится на них. Точнее земные изделия будут рассматривать их с близкого расстояния, спускаться на поверхность, хватать, расстреливать и бомбить. Первыми реванш за Челябинск берут японцы.
Сразу три космических аппарата вышли на охоту за астероидами. Японская Hayabusa 2 уже во всю исследует астероид Рюгу. Следом ожидается экспедиция американского OSIRIS-REx у астероида Бенну. А к Новому году межзвездный зонд New Horizons покажет нам малое космическое тело Ultima Thule, которое будет изучено с близкого расстояния.
Hayabusa 2 является второй попыткой японского космического агентства JAXA покорить астероид. Первая Hayabusa тоже принесла определенные результаты с астероида Итокава, и даже щепотку астероидного грунта массой менее грамма. В 2005 году астероид рассмотрели с близкого расстояния, получив уникальные данные о его строении и образовании.
Для него даже выделили отдельный тип астероида — «куча щебня». Это очень рыхлое космическое тело, сформированное из мелких и крупных камней, связанных гравитацией и силами Ван-Дер-Ваальса (силы слабого электромагнитного взаимодействия на молекулярном уровне, благодаря им, например, гекконы могут ползать по стеклу).
Несмотря на успехи Hayabusa, в ее полете было много проблем и сбоев. Не подал признаков жизни спускаемый аппарат MINERVA, были проблемы с двигателями, бортовым компьютером и солнечными батареями, грунта смогли собрать ничтожно малое количество. Возвращение произошло на три года позже намеченного срока. Поэтому JAXA решило взять реванш. В следующий раз провели тщательную работу над ошибками и пока экспедиция развивается довольно успешно.
Hayabusa 2 стартовала в 2014 году, и отправилась межпланетное пространство, совершая полет вокруг Солнца для выхода на траекторию сближения с новой целью — астероидом Рюгу. Это типичный астероид самого распространенного спектрального класса C из семейства Аполлонов, размером чуть меньше километра, имеющий слегка вытянутую орбиту, которая в дальней части пересекает орбиту Марса, а в ближней — Земли. Ожидается, что материалы этого астероида относятся к газопылевому диску из которого формировались все тела Солнечной системы, т.е. это исследование — попытка заглянуть на 4,6 млрд лет в прошлое — еще до появления Земли. Правда к исходному «строительному материалу» Солнечной системы относится большинство метеоритов-хондритов, которые и так падают на Землю, а Рюгу ничем особенным не выделяется, кроме того, что имеет удобную орбиту, что упрощает его достижение.
Конструкция Hayabusa 2 во многом повторяет предшествующий одноименный аппарат. Служебная платформа с ионной маршевой двигательной установкой, солнечными батареями, системой навигации и ориентации, в основном, заимствована у Hayabusa.
Зонд оснащен тремя навигационными фотокамерами видимого диапазона света. Одна из них, «дальнобойная» с узким углом обзора, но хорошим увеличением, обладает семью световыми фильтрами, которые позволяют делать цветные кадры. Две камеры — черно-белые широкоугольные, для удобного обзора пространства и выбора цели для изучения. Есть еще лазерный «сканер» — лидар, анализирующий структуру поверхности астероида для упрощения посадки.
Удаленное геологическое исследование предполагается проводить при помощи инфракрасных камер. Одна из них — спектрограф среднего инфракрасного диапазона — позволит изучать геологический состав, а вторая — в дальнем инфракрасном — измеряет температуру поверхности.
Hayabusa 2 несет солидный запас средств для прямого изучения поверхности: танталовые пули чтобы выбить и собрать немного реголита, ударный импактор со взрывчаткой, три малых перемещаемых спускаемых зонда Rover от японских университетов, и один спускаемый германо-французский попутчик MASCOT. Главной задачей Hayabusa 2 является добыча трех порций астероидного грунта и возвращение на Землю к 20-му году.
Японский аппарат сблизился с Рюгу летом 2018 года.
Астероид тоже оказался «кучей камней» характерной формы бриллианта, которая появилась из-за рыхлой структуры и быстрого вращения.
Похожей формы был астероид Штейнс, осмотренный Rosetta.
К настоящему времени на Рюгу десантирована пара исследовательских аппаратов Rover-1A и Rover-1B, созданные JAXA и Университетом Айзу. Это небольшие цилиндрические аппараты диаметром 18 см и высотой 7 см, массой около 1 кг. Оснащены камерами, термометром и солнечными батареями, поэтому какое-то время с них можно ожидать новые снимки.
Перемещаемый модуль MASCOT разработан в Германском аэрокосмическом центре в сотрудничестве с Французским космическим агентством. Это 10-килограммовый модуль размером и формой с обувную коробку. У него также есть камеры и научные приборы: инфракрасный спектрометр для определения геологического состава поверхности, радиометр для высокоточных измерений температуры грунта, и магнитометр для определения магнитного поля астероида. MASCOT сбросили на Рюгу 3 октября, он совершил три прыжка, и проработал три астероидных дня или 17 земных часов. Солнечных батарей для подзарядки ему не поставили, поэтому его миссия уже завершена, но часть научных данных еще остается на Hayabusa 2, поэтому можно ожидать новых снимков и информации от MASCOT.
Пока на борту Hayabusa 2 остается Rover-2. Это восьмиугольный однокилограммовый аппарат размером 15×16 см, с двумя камерами, термометром и акселерометром. Он создан объединением японских университетов под руководством университета Тохоку.
Для составления трехмерной модели астероида и безопасного тесного сближения с ним, на борту японского зонда установлен лазерный «сканер» — лидар. Прибор «обстреливает» лазерными лучами космическое тело, определяя расстояние до поверхности. Для упрощения работы лидара, японский аппарат запасся пятью шарами-метками со светоотражающей поверхностью. На одну из светоотражающих оберток нанесли имена 180 тыс людей, принявших участие в акции Messages from Earth, организованной Планетным сообществом США.
Hayabusa 2 должна собрать грунт с трех точек астероида. Причем два образца будут приняты с поверхности, а третий постараются взять со дна рукотворного кратера, который выбьют с помощью заряда взрывчатки. Ударный зонд (импактор) представляет собой кумулятивный заряд по принципу «ударное ядро». Взрывчатка нужна т.к. скорость зонда относительно астероида небольшая и простое столкновение кратер не создаст.
Небанально решена задача наблюдения момента удара импактора в астероид. Поскольку подрыв заряда и выброс реголита представляет опасность для Hayabusa 2, в момент взрыва она будет находиться с обратной стороны Рюгу, и не сможет наблюдать удар. Вместе с отделением импактора Hayabusa 2 отделит летающую фотокамеру DCAM3, которая должна запечатлеть момент взрыва и выброса породы. Отделяемая камера представляет собой практически самостоятельный космический аппарат с оптикой, радиосистемой передачи данных, аккумуляторной батареей и пассивной системой обеспечения теплового режима. DCAM3 имеет цилиндрическую форму, и стабилизацию закруткой. В момент отделения, на расстоянии 1 км от места удара импактора, камера будет направлена на место столкновения, и закручена как волчок по оптической оси, что позволит ей смотреть всегда в одну сторону. После съемки, у камеры будет один час чтобы передать на Hayabusa 2 все снимки.
Сам инструмент для взятия образцов грунта астероида повторяет тот, что был на первой Hayabusa, и лишь немного модернизирован. Из-за низкой гравитации астероида, посадка на него напоминает скорее стыковку космических кораблей, а не привычную для нас операцию посадки на Земле, Марсе или Луне. Поэтому сама Hayabusa 2 садиться на астероид не будет, она выпустит телескопический раструб, который сблизит с поверхностью. В это время изнутри раструба в астероид выстрелят пули, и в грунтосборник попадут выбитые ими фрагменты. Такая операция повторится трижды, причем в третий раз придется точно «состыковаться» с кратером, оставленным взрывчаткой.
Процесс добычи породы проконтролирует отдельная камера, на установку которой студенты собирали средства краудфандингом. Космический аппарат уже провел несколько репетиций сближения с астероидом, но провести первый захват грунта ученые пока не торопятся.
После сближения и предварительного осмотра астероида, ученые забили тревогу. Оказалось, что на поверхности практически нет ровных участков с рыхлым реголитом, куда можно было бы спуститься и забрать образцы. Везде лежат крупные и мелкие камни, для которых грунтозаборное устройство Hayabusa 2 просто не приспособлено. Пока выбрано несколько целевых участков на астероиде, с мелкими камнями, откуда предполагается схватит реголит.
Возвращение спускаемого аппарата Hayabusa 2 ожидается в 2020 году, если вся программа пройдет успешно. Причем сама Hayabusa 2 сохранит запас топлива чтобы отправиться на исследование другого околоземного астероида.
В целом, миссия Hayabusa 2 демонстрирует возможности, которые открывает современная микроэлектронная революция. Даже относительно небольшой межпланетный космический аппарат может не только самостоятельно изучать космос, но и становится носителем множества малых самостоятельных аппаратов, которые значительно расширяют возможности ученых и позволяют заниматься космонавтикой студентам и широкой общественности.
