Шесть лет «Хаябусы-2»
Может быть, в фантастике вам попадался такой сюжет: на орбите планеты появляется враждебный космический флот, бомбит ее и обстреливает, высаживает десант, а потом улетает с награбленным. Поразительно, но в современной космонавтике есть почти полный аналог — японский аппарат «Хаябуса-2» вышел на орбиту астероида Рюгу, затем высадил на его поверхность три ровера, сбросил кумулятивную бомбу, сделал по астероиду два выстрела и улетел на Землю с образцами, доставив их 5 декабря 2020. И все это было сделано с мирными целями во имя науки.
«Хаябуса-2» в 21 метре над астероидом, фото JAXA
Зачем это все?
«Хаябуса-2» — уже второй японский аппарат, который привез образцы астероида. Первый «Хаябуса» стартовал 9 мая 2003 и после эпической истории превозмогания разнообразных неисправностей все-таки сумел привезти пылинки астероида Итокава, которые можно было рассмотреть только под микроскопом. А сейчас от астероида Бенну возвращается аппарат NASA OSIRIS-REx, его прибытие ожидается 24 сентября 2023. Для чего отправляются эти миссии?
Прежде всего, дело в том, что астероиды могут содержать информацию об истории молодой Солнечной системы. Вещество протопланетного диска, которое сформировалось в планеты, испытало множество столкновений, нагрев, геологические преобразования. А в космосе могут летать гораздо лучше сохранившиеся свидетели. Собственно говоря, они и летают: когда аппарат New Horizons пролетел мимо транснептунового объекта (486958) Аррокот оказалось, что он — самый примитивный (в смысле минимально изменившийся) объект из всех, которые посещали космические аппараты. Он оказался двумя слипшимися планетезималями — 21 и 15 км диаметром, причем сами планетезимали в свою очередь оказались состоящими из слипшихся более мелких объектов.
(486958) Аррокот, фото NASA
Увы, удаленность транснептуновых объектов делает их изучение сложным. Можно пролететь мимо, как это сделал New Horizons, но вот выйти на орбиту вокруг такого астероида, не говоря уж о возвращении образцов, на порядки сложнее.
Еще одна важная задача — изучение околоземных астероидов непосредственно. Если когда-нибудь таки появится серьезно угрожающий Земле объект, то для успешного изменения его орбиты крайне желательно знать состав и структуру астероидов, чтобы меры воздействия оказались эффективными.
Также миссия «Хаябусы-2» решала и инженерные задачи — нужно было отработать улучшения, сделанные по результатам полета первого аппарата. А еще хотелось проверить возможность создания компактных и легких импакторов. Дело в том, что на орбите, сравнимой с земной, небесное тело очень серьезно прожаривается Солнцем — на дневной стороне Луны температура выше 100°С. Летучие элементы испаряются. Но обычно нагревается только поверхность — уже на десятках сантиметров глубины температуры практические постоянные и отрицательные. Хорошо бы иметь легкое простое устройство, чтобы создать кратер и добраться до лучше сохраняющихся на глубине образцов.
Устройство
Иллюстрация planetary.org
«Хаябуса-2» (в переводе «Сапсан-2») представляет собой сравнительно легкую, простую и недорогую, но при этом имеющую большие возможности автоматическую межпланетную станцию. Его масса составляет 609 кг. На способном поворачиваться по двум осям подвесе установлены четыре ионных двигателя, из которых одновременно могут работать три (четвертый запасной). Они могу развивать тягу от 5 до 28 грамм. Небольшая тяга компенсируется высоким удельным импульсом — 3000 секунд, и маршевая двигательная установка имеет запас характеристической скорости 3,2 км/с. Электропитание обеспечивают раскладные солнечные панели без возможности поворота, обеспечивающие 2,6 кВт на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца. Также аппарат оснащен двухкомпонентными двигателями ориентации на высококипящих компонентах тягой 2 килограмма каждый и общим количеством 12 штук.
Научным оснащением станции являются три навигационные камеры, одна с телеобъективом (ONC-T) и две широкоугольные (ONC-W1 и ONC-W2), еще одна камера CAM-H для съемок пробоотборника, установленная на пожертвования, спектрометр NIRS3, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне, тепловизор TIR, лидар (лазерный дальномер), пробоотборник с тремя ячейками под образцы, отделяемая камера DCAM3, четыре ровера, экспериментальный импактор SCI и пять прицельных маркеров. Прицельные маркеры представляют собой ярко белые мягкие шарики и используются как реперные точки для навигации автоматики на небольшой высоте над серой поверхностью астероида.
Старт
«Хаябуса-2» с попутчиками, здесь и далее, если не указано иное, фото JAXA
«Хаябуса-2» отправился в полет на японской ракете-носителе H-IIA 3 декабря 2014. Вместе с ним летели три попутчика: студенческий радиолюбительский ретранслятор Shin’en 2, PROCYON, который должен был пролететь мимо другого астероида, но сломался, и космический арт-объект ARTSAT2-DESPATCH: немаленькая скульптура 50×50 см и массой 30 кг, которая первые десять часов передавала телеметрию, затем в течение ста часов генерировала на борту и передавала по радиолюбительскому каналу поэзию, а после 110 часа — только температуру на борту. «Хаябуса-2» отделился первым, спустя 1 час и 47 минут полета.
Перелет
Орбита «Хаябусы-2», анимация Phoenix7777/Wikimedia Commons
Сложность миссии с выходом на орбиту вокруг астероида заключается в том, что надо перейти на траекторию, близкую к орбите цели, и оказаться рядом с целью, причем погасив относительную скорость. Также современная космическая техника проектируется из принципа, что лучше лететь на несколько лет дольше, пользуясь гравитационными маневрами у планет, но сэкономить на массе аппарата или запасах топлива. Поэтому «Хаябуса-2» добирался до астероида три с половиной года.
За первый год полета зонд проверил ионные двигатели и изменил свою скорость всего-то на 60 м/с. Спустя ровно год он совершил гравитационный маневр у Земли, получив бесплатные 1,6 км/с скорости, и изменил наклонение орбиты. Затем уже пришел черед собственных двигателей. Во время первой фазы «Хаябуса-2» изменил скорость на 127 м/с за 798 часов, во время второй — на 435 за 2593 часа, и во время финальной третьей, тормозя относительно астероида, на 393 м/с за 2475 часов.
Прибытие
27 июня 2018 года «Хаябуса» прибыл на орбиту вокруг астероида. За время перелета астероид 1999 JU3 получил собственное имя Рюгу в честь подводного волшебного дворца Рюгу-дзё из японских сказок. Согласно этим сказкам, рыбак отправился в подводный дворец и вернулся с подарками от хозяина дворца, дракона Рюдзина. Аналогия с миссией «Хаябусы-2» вполне очевидна. Из-за названия, топонимы на астероиде теперь берутся из сказок народов мира — так на Рюгу появились районы Колобок и Страна чудес Алисы.
Астероид Рюгу был обнаружен в 1999 году и относится к подтипу Cb самого распространенного (75% всех известных) класса C — углеродистых астероидов. Он принадлежит к группе аполлонов и является потенциально опасным. Рюгу имеет шарообразную форму с выраженным экваториальным хребтом, что делает его похожим на волчок или соединенные донцами конусы. Диаметр астероида составляет примерно 900 метров, а массу оценивают в 450 миллионов тонн. Для сравнения, это миллион Международных космических станций или 1,1 массы живущих сейчас людей.
Сила тяжести на Рюгу составляет 1/80000 «же», а орбитальная скорость на рабочей высоте «Хаябусы-2», 20 км — примерно 40 миллиметров в секунду.
Еще по данным радарных наблюдений с Земли было установлено, что астероид вращается в ретроградном (противоположном обычному) направлении. Необычное направление вращения, экваториальный хребет, большое количество булыжников и малое количество пыли говорят о том, что Рюгу является результатом столкновения и когда-то вращался гораздо быстрее. Неожиданно большое количество крупных булыжников серьезно затруднило планирование работ на астероиде и повысило их рискованность.
Первая пара роверов
В первую волну «десанта» 21 сентября 2018 пошли два ровера, которые перевозили в одном контейнере. В момент старта аппарата они имели имена 1A и 1B, но к моменту сброса получили личные имена HIBOU («сова» по-французски) и OWL («сова» по-английски) соответственно. Это были небольшие и легкие (1,1 кг) аппараты, каждый с двумя камерами, датчиком температуры, фотодиодом, акселерометрами и гироскопами. Интересным был способ передвижения роверов по астероиду — на них стоял электромотор с эксцентриком, аналог которого вибрирует у вас в смартфонах. Колеса, гусеницы или другие способы передвижения банально не работали бы в условиях очень низкой тяжести. HIBOU проработал 36 земных суток и сделал 609 фото, OWL — 3 суток и сделал 39 фото.
Фото с ровера 1A (HIBOU)
А вот так выглядит день на астероиде, анимация по фото ровера 1B (OWL)
MASCOT
MASCOT, фото DLR
Вторым, 3 октября 2018, был сброшен ровер MASCOT, разработанный Германским аэрокосмическим центром (DLR). MASCOT расшифровывается как «Мобильный разведчик поверхности астероида». Это более тяжелый аппарат, весящий 10 кг, и имеющий более серьезное научное оснащение — спектроскопический микроскоп, терморадиометр, магнитометр и более качественную камеру. Аппарат приастероидился вверх тормашками, перевернулся при помощи аналогичного первой группе двигателя с эксцентриком и потом на нем же перемещался по астероиду. Но у ровера не было солнечных панелей, так что спустя 17 часов его батареи банально сели.
Поверхность астероида, фото MASCOT/DLR
Обстрел
Теперь настала очередь забора образцов. Но сначала стоит разобраться, каким образом этот забор происходит.
У края трубки пробоотборника установлены три «орудия», которые по конструкции напоминают некоторые бесшумные пистолеты (например, российский ПСС). В трубке, которая одновременно является патроном, располагаются метательное вещество, обтюратор (одновременно пыж и поршень) и танталовая пуля весом 5 грамм. Тантал был выбран, чтобы легко отделить следы пули от образцов. Электрозапал поджигает метательный заряд, он расширяется и выталкивает пулю со скоростью 300 м/с. При этом обтюратор останавливается, упираясь в выступ около дульного среза, запирая продукты сгорания в стволе-патроне и не загрязняя ими образцы. Пуля ударяет в поверхность астероида, выбрасывая вверх ее частички, которые упаковываются в герметичную камеру в спускаемом аппарате. У «Хаябусы-2» было три выстрела и три камеры для образцов.
Как вы помните, поверхность астероида была очень неудобной. «Хаябусе-2» нужен был ровный участок без больших булыжников и уклона, в районе экватора (чтобы не поворачивать солнечные панели в сторону от Солнца) и температурой не выше 97°С, чтобы не перегреть сам аппарат.
Первый прицельный маркер сбросили 25 октября 2018. Затем проводили репетиции, на КДПВ как раз фото с тренировочного снижения до 21 метра. И только 22 февраля 2019 произошли касание, выстрел и успешный забор образцов.
Бомбардировка
После обстрела настала очередь бомбить астероид. Дело в том, что небольшой носимый импактор, а именно так переводится его название SCI, представляет собой кумулятивный заряд. Общей массой 9,5 кг, из которых 2,5 составляет медная пластина, а 4,7 — взрывчатка.
2,5 килограмма меди после подрыва превращаются в ударное ядро, движущееся на скорости 2 км/с. Если искать военные аналогии, то SCI похож на противотанковые самоприцеливающиеся боеприпасы СПБЭ-К к разовой бомбовой кассете РБК-500 РФ или BLU-108/B в кассете SUU-66/B стран NATO. Только в SCI подрыв происходит по таймеру, а не по обнаружению теплового излучения вражеского танка.
Всем хорош SCI — маленький да легкий, но есть у него серьезный недостаток — после подрыва в случайном направлении разлетаются осколки, которыми было бы очень обидно повредить аппарат-носитель. Поэтому использовался следующий алгоритм: «Хаябуса-2» сбрасывал импактор, затем специальную камеру DCAM3 и прятался за астероидом.
DCAM3 — цилиндрик с батарейками, двумя камерами, аналоговой и цифровой, и антеннами для передачи отснятого. У него нет вообще никаких двигателей или системы ориентации. На фото он в крепежном гнезде, из которого выбрасывается с закручиванием. Вращение стабилизирует направление съемки.
5 апреля 2019 были сброшены SCI и DCAM3. На фото ниже результат.
В итоге получился кратер диаметром 14,5 м по уровню поверхности, 17,6 м по верху. В центре образовалась яма глубиной 3 метра. Два больших булыжника были сдвинуты в сторону. Анимация позволяет наглядно посмотреть изменения было/стало.
Второе касание
Естественно, кратер стал основным кандидатом для следующего касания с забором образцов. 30 мая 2019 был сброшен второй прицельный маркер, и 11 июля «Хаябуса-2» коснулся астероида с ошибкой всего 60 см относительно точки прицеливания.
Бомбы исследуют гравитацию
Третьего касания решили не проводить — это был бы излишний риск. Так что «Хаябуса-2» стал закругляться. Два прицельных маркера были сброшены 17 сентября на перпендикулярные орбиты, полярную и экваториальную, для измерения гравитационных характеристик астероида по их полету. 2 октября также в качестве пассивного тела был сброшен ровер MINERVA-II-2, который, увы, сломался еще до прибытия к астероиду.
MINERVA-II-2 в свободном падении
Общая карта работ на астероиде с указанием местных названий: 
Возвращение и посадка
13 ноября 2019 «Хаябуса-2» направился к Земле. Здесь задача уже была проще — для доставки образцов достаточно было перейти на курс, пересекающийся с Землей, не учитывая относительные скорости. На всякий случай зонд держали на траектории, которая проходила совсем рядом с планетой, затем 26 ноября аппарат изменил свою скорость всего на 1,2 метра в секунду и перешел на траекторию, которая оканчивалась на полигоне Вумера в Австралии. За 12 часов до входа в атмосферу «Хаябуса-2» сбросил спускаемый аппарат и ушел в сторону. Капсула с образцами благополучно воткнулась в атмосферу, затормозила, раскрыла парашют и приземлилась на полигоне 5 декабря 2020.
В итоге оказалось, что ожидания ученых были перевыполнены с лихвой. Научное оборудование было сконструировано так, чтобы для анализа хватило 0,1 грамма астероида. Однако «Хаябуса-2» привез в 50 раз больше — целых 5,4 грамма!
Обратите внимание, что образцы от первого и второго касания сильно отличаются по размеру. И во втором контейнере невольно оказался кусок пробоотборника. Все остальные части орбитального аппарата никак не смогут вернуться на Землю.
Результаты
Изучение полученных образцов активно ведется сейчас и будет вестись еще долго. А про научные статьи можно сказать, что они только начали появляться. Что мы успели узнать?
Рюгу является результатом столкновения, после которого образовалась куча обломков, слипшаяся под воздействием притяжения друг к другу. Астероид представляет собой«кучу щебня» (термин, пока не переведенный официально на русский язык) и имеет пористость больше 50%, то есть внутри пустой больше чем наполовину. Вообще, стоит отметить, что сейчас считается, что значительная доля астероидов, если даже не большинство, состоит из таких же куч щебня, а не является чем-то монолитным.
Поверхность астероида очень молодая, 8.9 ± 2.5 млн. лет, и усеяна большими, >3 м в диаметре, камнями, тоже пористыми. Но можно найти редкие светлые камни, скорее всего, от ударившего тела. Кроме цвета они отличаются еще профилем нагрева и охлаждения, то есть, имеют другой химический состав.
Еще один важный вопрос — история воды в молодой Солнечной системе. И здесь не факт, что конкретно Рюгу даст нам какие-то сенсации. Дело в том, что родительское тело, из которого он сформировался, похоже, подверглось нагреву в прошлом, и в результате астероид оказался гораздо суше, чем ожидалось.
Эпилог
Как вы могли заметить, орбитальный аппарат «Хаябусы-2» не сгорел в атмосфере и продолжает полет по плану расширенной миссии. Спустя четыре с половиной года, в июле 2026, он пролетит мимо астероида 1001 CC21, который относится к редкому типу L. Это будет скоростной пролет, не выход на орбиту. Заодно команда миссии получит опыт работы в условиях, когда объект изучения пролетает мимо аппарата за считанные часы. В 2027 и 2028 ожидаются еще два гравитационных маневра у Земли. А летом 2031 «Хаябуса-2» должен выйти на орбиту астероида 1998 KY26, необычность которого заключается в том, что он быстро вращается. Конечно, исследования будут вестись только оставшимися научными инструментами. У зонда остался один сбрасываемый маркер, и, формально, один выстрел, но уже нет контейнера для образцов и спускаемого аппарата, в котором они могли бы вернуться на Землю. Но, не сомневаюсь, что продленная миссия также окажется очень интересной.
Для тех, кому удобнее, видео лекции:
