Песчинки с неба
В ночь на 9 сентября, в 2:05 МСК, к астероиду (101955) Бенну стартовал космический аппарат OSIRIS-REx. Его ждет долгая дорога — прибытие к астероиду ожидается в 2018, а возвращение образцов на Землю — в 2023. Миссии с возвратом образцов встречаются не очень часто, самое время вспомнить, какие аппараты привозили нам песчинки других миров.
Парадоксальная халява
Забавно, но, чтобы добыть кусочек Луны, Марса или астероида, необязательно отправляться в космос. В Солнечной системе происходили достаточно серьезные столкновения, чтобы кусок, например, Марса, оказался выброшен в космос. Каким-то таким кускам повезло (или нет), и они, после долгого полета, упали на Землю, став метеоритами. Если такому метеориту особенно повезло, то он упал в местности, где можно спокойно лежать тысячелетиями — в Антарктиду, Северную Африку или другие пустыни. Затем по особенностям состава найденные метеориты уже возможно отнести к тому или иному небесному телу. Но здесь есть парадокс — для того, чтобы уверенно сказать, что метеорит прилетел к нам именно с Марса, нужно знать состав самого Марса. Поэтому некоторая ирония состоит в том, что уверенная атрибуция метеоритов с Луны стала возможной только после миссий «Аполлонов», которые привезли реголит для сравнения. На сегодняшний день известно больше сотни лунных метеоритов, за тридцать марсианских и целая группа HED-метеоритов, которую относят к астероиду Веста.
Самый большой лунный метеорит NWA-5000
Марсианский метеорит NWA-7034 «Черная красотка»
Ховардит QUE94200 с Весты
Не хочешь, не верь мне
Говоря о возврате образцов с других небесных тел, нельзя не отметить старания американских астронавтов, которые за шесть миссий привезли почти четыре центнера лунного грунта. Причем в лучших традициях соревнования каждый последующий «Аполлон» привозил больше грунта — если «Аполлон-11» привез 22 кг, то «Аполлон-17» — уже 111 кг. Из спускаемого аппарата лунный грунт извлекали буквально ящиками.
А один раз астронавтам и ученым почти повезло — найденный кусок анортозита, если бы оказался частью лунной коры, мог пролить свет на вопросы происхождения Луны. Но, увы, камень Бытия оказался сильно моложе, чем нужно.
На орбитальных станциях регулярно проводятся эксперименты по экспозиции материалов в условиях космоса. Но кроме изучения того, как ведут себя земные материалы в космосе, можно еще ловить частицы того, что в этом космосе летает. В 1996–1997 годах на станции «Мир» экспонировался эксперимент MEEP, в котором ловили микрочастицы, чтобы установить их происхождение.
Воля и разум
Проигрыш СССР в пилотируемой лунной гонке не помешал сделать асимметричный ответ автоматическими аппаратами серии Е-8, которые привезли меньше грунта, но не рисковали жизнями людей. При этом аппараты реализовывали очень красивые технические решения. Прежде всего, вся серия Е-8, в которую входили орбитальные аппараты («Луна-19» и «Луна-22»), транспортеры «Луноходов» («Луна-17» и «Луна-21») и «луночерпалки» («Луны» -15,16,18,20,23,24) базировались на одной перелетно-посадочной ступени. Вот она в грунтозаборном варианте:
Станция полностью:
Орбитальные аппараты также использовали корпус «Лунохода» в качестве контейнера научной аппаратуры. Но самым сложным и интересным был вариант с доставкой грунта на Землю. Дело в том, что масса прилунившегося аппарата не могла превышать 520 кг из-за ограничений грузоподъемности ракеты-носителя «Протон». И втиснуть в эту массу сложную возвращаемую ступень с системой управления и запасом топлива на коррекции курса «Земля-Луна» никак не получалось. Но хитрые баллистики нашли решение. Если посадка производилась в восточную часть приэкваториального района Луны, то стартовавшая вертикально ракета попадала на Землю без коррекции. В итоге миссия состояла из следующих этапов.
Аппарат выходил на орбиту вокруг Земли и разгонялся к Луне. В процессе перелета выполнялась коррекция траектории. Затем станция выходила на окололунную орбиту и некоторое время находилась на ней. Тормозя с орбитальной скорости и высоты 13 км зонд выходил в район посадки на высоте 2 км.
Затем основной двигатель выключался, и в течение 43 секунд станция находилась в свободном падении. Снизившись до 600 метров, аппарат снова включал основной двигатель и гасил боковую и вертикальную скорости по данным допплеровского измерителя скорости и высотомера. На высоте 20 метров вертикальная скорость не должна была превышать 2 м/с, а горизонтальная должна была быть полностью погашена. Основной двигатель выключался, и зонд снижался на двигателях малой тяги. На высоте 2 метров выключались и они, и станция мягко падала на Луну.
Затем зонд выпускал специальный манипулятор, брал пробу грунта, загружал ее в спускаемый аппарат, который в строго определенный момент стартовал на взлетной ступени.
Спускаемый аппарат тормозил в атмосфере и садился на парашюте в Казахстане.
«Луна-15». Стартовала 13 июля 1969 года и могла обогнать «Аполлон-11» по доставке грунта, но при посадке пропала связь. Скорее всего, станция разбилась о лунную гору.
«Луна-16». Стартовала 12 сентября 1970 и, впервые для беспилотных аппаратов, привезла на Землю 101 грамм лунного грунта 24 сентября.
«Луна-18». Запущена 2 сентября 1970, разбилась при посадке в сложном горном рельефе.
«Луна-20». Запущена 14 февраля 1972, успешно доставила на Землю 55 грамм грунта 25 февраля.
«Луна-23». Опрокинулась при посадке 6 ноября 1974 года.
«Луна-24». В 1976 году сумела доделать то, что не получилось у «Луны-23». Произвела глубинное бурение, вернула на землю 170 граммов грунта в виде колонки высотой 160 см. В колонке грунта была впервые обнаружена вода, всего 0,1%. Наличие воды на Луне было позже подтверждено исследованиями с орбиты.
В результате получилась интересная с геологической точки зрения серия проб:
- Море Изобилия («Луна-16»).
- его древнее материковое обрамление («Луна-20»).
- геологический разрез Моря Кризисов («Луна-24»).
То, что станции были беспилотными, позволяло направлять их в сложные горные районы и рисковать ими больше, чем это допустимо для пилотируемых аппаратов.
Ангельская пыль
7 февраля 1999 года к комете 81P/Вильда отправился зонд NASA Stardust. 2 января 2004 года аппарат оказался в районе цели, двигаясь со скоростью 6,1 км/с относительно кометы. Изначально планировалось сблизиться до расстояния 150 км, но из соображений безопасности дистанцию увеличили до 237 км. Stardust сделал несколько фотографий кометы:
И развернул мишень из брусков аэрогеля. Аэрогель — материал с очень низкой плотностью, химически инертный и с низкой теплопроводностью, поэтому хорошо подходит для того, чтобы «ловить» небольшие частицы, движущиеся с большой скоростью.
15 января 2006 года спускаемый аппарат с мишенью отделился от зонда и вошел в атмосферу Земли с рекордной скоростью 12,9 км/с. Максимум перегрузки составил 34 g, но капсула успешно приземлилась в штате Невада.
Контейнер с частицами кометной комы вскрыли в чистой комнате. Было обнаружено порядка миллиона микроскопических ударов, и для анализа данных подключили добровольцев в распределенном проекте Stardust@Home.
В 2011 году ученые Аризонского университета обнаружили среди пойманных частиц железо и сульфид меди. Это означает, что на комете 81P/Вильда присутствовала жидкая вода, что противоречит устоявшимся представлениям о том, что кометы никогда не нагреваются до температуры плавления ледяного ядра.
Небо само тебя найдет
8 августа 2001 года в космос был запущен зонд NASA Genesis. Его задачей был сбор частиц солнечного ветра. Аппарат вышел в окрестности точки Лагранжа L1 и развернул кремниевые мишени.
Проработав 850 дней, Genesis через маневр вокруг L2, чтобы приземлиться днем, направился к Земле.
Аппарат успешно затормозил в плотных слоях атмосферы 8 сентября 2004 года.
Но парашюты не раскрылись — все четыре акселерометра в спускаемом аппарате были установлены вверх ногами и просто не дали команды на раскрытие парашютов. Зонд ударился о землю на скорости примерно 300 км/ч.
Впрочем, несмотря на загрязнение песком штата Юта, а также деталями и жидкостями самого аппарата, из мишеней удалось извлечь пойманные частицы солнечного ветра. Данные по изотопам аргона и неона позволили отбросить несколько теорий происхождения Солнца, а обнаруженная повышенная концентрация изотопа кислорода-16 еще ждет своего объяснения.
Король дороги
Очень драматичная миссия по возврату образцов астероида (25143) Итокава получилась у японского космического агентства. Стартовавший в 2003 году зонд Хаябуса («Сокол») приблизился к цели в сентябре 2005 года. 12 ноября «Сокол» сблизился до высоты в 55 м над астероидом и сбросил мини-ландер MINERVA, с которым не удалось установить связь — скорее всего он улетел в космос. 19 ноября зонд пошел на посадку. Однако связь пропала в самый ответственный момент. Изначально сообщили, что попытка не удалась, и «Хаябуса» завис на высоте 10 метров. Однако, после анализа данных, оказалось, что зонд все-таки сел на астероид, но из-за того, что сенсор зафиксировал препятствие, посадка прошла в аварийном режиме, в котором не включилось устройство забора грунта. 25 ноября была предпринята вторая попытка посадки, в которой грунтозаборное устройство снова не сработало. У зонда была зафиксирована утечка топлива, из-за которой он перешел в безопасный режим. 27 ноября произошла потеря электропитания (скорее всего из-за утечки топлива). 2 декабря при попытке вернуться к астероиду двигатели не выдали достаточной тяги. 3 декабря зонд стал терять рабочую ориентацию, и в качестве аварийной меры пришлось сбросить часть топлива для ионных двигателей. К 6 декабря «Сокол» удалился от астероида уже на 550 км. 8 декабря зонд испытал резкое изменение ориентации (скорее всего из-за испарения части топлива), и связь с ним пропала. Прецессия «Хаябусы» со временем могла сойти на нет, и миссия еще не была окончательно потеряна. 23 января 2006 года был зафиксирован сигнал маяка зонда, и с ним последовательными операциями восстановили связь. Как ни удивительно, но у аппарата еще оставалась возможность вернуться на Землю. 25 апреля 2007 года зонд начал маневр по переходу на траекторию к Земле, который закончил 29 октября (из-за использования ионных двигателей все маневры были очень длительными). 4 февраля 2009 года начался второй маневр. Но у зонда стали выходить из строя двигатели, и к осени не осталось ни одного работающего.19 ноября 2009 японское космическое агентство сообщило, что им удалось совместить ионный генератор одного сломавшегося двигателя с нейтрализатором другого, и на этой комбинации у «Сокола» появилась, пусть и не оптимальная, но тяга. На ней, вопреки всему, зонд выполнил маневр, изменив свою скорость на 200 м/с, и, подлетая к Земле, выполнил еще пять маневров, прицеливаясь последовательно в район Земли, точно в Землю, в район полигона Вумера в Австралии, и, наконец, в плановый район посадки на полигоне.
13 июня 2010 года спускаемый аппарат успешно приземлился. Несмотря на то, что грунтозаборное устройство ни разу не сработало, в приемном контейнере в итоге сумели обнаружить 1500 частичек астероида размером 10 микрометров — оливин, пироксен, плагиоклаз и сульфид железа. Исследования установили, что астероид (25143) Итокава когда-то был частью более массивного тела и представляет из себя каменный астероид типа S с составом, аналогичным метеоритам хондритам класса LL.
Пытка тишиной
9 ноября 2011 года стартовал российский зонд «Фобос-Грунт», задачей которого была доставка образца со спутника Марса — Фобоса. Но на третьем часу полета не состоялось включение маршевого двигателя, который должен был перевести станцию на отлетную траекторию к Марсу. Попытки установить связь с аппаратом не увенчались успехом, и 15 января 2012 года «Фобос-Грунт» сгорел в атмосфере Земли.
Официальной причиной аварии названо воздействие тяжелой заряженной частицы, вызвавшей перезапуск обоих комплектов бортового вычислительного комплекса. Также существует неофициальная версия ошибки в программе.
Летят сейчас
Сейчас в полете находятся два зонда.
«Хаябуса-2», стартовавший 3 декабря 2014, летит к астероиду (162173) Рюгу и должен достигнуть его в июне 2018.
Свежезапущенный OSIRIS-REx летит к астероиду (101955) Бенну с планируемой датой прибытия в 2018 году и посадкой в 2020.
Будущее
Главное достоинство миссий по возврату образцов — возможность годами и десятилетиями изучать привезенные из космоса пылинки. Но современные научные приборы позволяют проводить эффективный анализ на месте. Но они, в свою очередь, стоят немалых денег. Возможно, космические аппараты будущего разделятся на два класса — мощные и дорогие, способные, как «Кьюриосити», проводить множество анализов на месте, и сравнительно дешевые, которые будут годами лететь к цели, и годами же везти образцы на Землю.
