PopularEditorialNewBest

В один конец: что из себя представляет миссия DART?

2В закладки

В чистой комнате номер 23 здания Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джона Хопкинса в разобранном виде расположился космический зонд под названием DART. Вместе с батареями и множеством сенсоров к корпусу аппарата прикреплён звёздный датчик. К будущим стенкам корпуса зонда, созданным посредством технологий точной обработки, присоединена и система авионики вместе с центральным компьютером.

От компьютера к радиосистеме, которую DART будет использовать для связи с Землёй, тянутся провода. Гироскопы и антенны выставлены напоказ. В соседнем помещении своего часа ожидает экспериментальный двигатель под названием NEXT-C. Огромные связки толстых проводов, обёрнутые серебряной изоляцией, свисают с космического аппарата и тянутся по полу в диспетчерскую, где соединяются с большим массивом испытательных стендов, которыми управляют четыре инженера.

Часы над одним из компьютеров показывают: “Дней до запуска DART: 350:08:33”.

Табло обратного отсчёта в Лаборатории прикладной физики им. Джона Хопкинса (APL). Credit: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman.

DART (the Double Asteroid Redirection Test) – это миссия, единственной целью которой является столкновение с астероидом: оно должно изменить скорость каменной глыбы примерно на один миллиметр в секунду. Хотя Диморф (так называется астероид) никоим образом не угрожает Земле, миссия DART призвана продемонстрировать способность корректировать траекторию любого приближающегося к Земле объекта, если такой когда-либо будет обнаружен. С тех пор, как 2 января 1959 года советский зонд “Луна-1” стал первым космическим аппаратом, который покинул орбиту Земли, человечество отправило в Солнечную систему около 250 зондов. Но DART – это нечто уникальное. Это первый аппарат, который намеревается не изучить нашу систему, а изменить её.


К 1980 году астрономы определили орбиты около 10 000 астероидов, включая 51  объект, сближающийся с Землёй (наряду с 44 похожими кометами). Сегодня их количество увеличилось: Центр малых планет отслеживает в общей сложности около 800 000 астероидов, из которых почти 24 000 имеют орбиты, проходящие вблизи нашей планеты. Подавляющее большинство из них начали обнаруживать с 1998 года, когда Конгресс дал NASA 10 лет на идентификацию каждого сближающегося с Землёй объекта диаметром более одного километра. На основании статистического анализа астрономы делают вывод, что на данный момент им удалось обнаружить около 95% крупных околоземных астероидов, которые гипотетически могли бы уничтожить нашу цивилизацию.

Земля перемещается на расстояние своего диаметра каждые семь минут. Если время прибытия приближающегося к ней объекта можно изменить более чем на примерно десять минут, то он перестанет нам угрожать. Хотя детали, конечно, зависят от конкретной траектории. Дополнительные три минуты, кстати, учитывают эффект гравитационного притяжения Земли.

Диаметр астероида Дидим составляет примерно 800 метров. Его “коллега” Диморф имеет всего 150 метров в поперечнике – с небольшой спортивный стадион. Никто пока не знает, как он выглядит, потому что он слишком мал и находится вне поля досягаемости земных телескопов. Эти два астероида расположены на расстоянии около полукилометра друг от друга. Диморф вращается вокруг более крупного собрата со скоростью меньшей, чем та, с которой обычно ходят люди. 

В 2005 году Конгресс выдал NASA новое распоряжение: каталогизировать все сближающиеся с Землёй объекты диаметром более 140 метров. Столкновение с одним из них, скорее, будет катастрофическим, нежели апокалиптическим. Эта работа продолжается до сих пор. В 2016 году NASA создало Координационный департамент планетарной защиты для согласования действий бесчисленных американских и международных агентств, которые будут мобилизованы, если на нашем пути будет обнаружен нежданный гость. DART – первая миссия этой группы.

Инженеры работают с системами будущего космического аппарата DART. Credit: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman.

По словам главы департамента Линдси Джонсон:

Нам не обязательно становиться жертвами космоса. Если нам предстоит оказаться в такой ситуации, было бы нежелательно, чтобы первое же реальное применение технологии отклонения траекторий движения астероидов было вопросом жизни и смерти.

Миссия DART преследует две цели. Для начала – показать, что космический аппарат можно точно прицелить и столкнуть с астероидом. Другая цель – оценить последствия такого столкновения.

Более ранние концепции миссии предусматривали использование двух аппаратов: один для столкновения, а другой (отправленный заранее) для его наблюдения. Такой подход казался единственным выгодным вариантом, поскольку с помощью земных телескопов оценить изменения скорости астероида на миллиметры в секунду при условии, что сам астероид движется со скоростью 30 километров в секунду, попросту невозможно. Такой вариант был очень дорогим: его стоимость оценивалась в 1 миллиард долларов.

Но зимой 2011 года главного научного сотрудника Лаборатории реактивного движения по вопросам планетарной защиты Энди Ченга осенило. Вместо того, чтобы отправлять два космических аппарата к одному астероиду, он планировал отправить один в систему из двух астероидов, чтобы тот врезался в небольшое тело, вращающееся вокруг более крупного. В таком случае, чтобы измерить силу удара астрономы могли бы использовать хитрый трюк.

Такая миссия обошлась бы сравнительно недорого – в 250 миллионов долларов. Изменение концепции на более простую имело решающее значение для того, чтобы NASA одобрило проект. Тут пришло на помощь Итальянское космическое агентство, которое предложило использовать для наблюдений недорогой  аппарат размером с коробку из-под обуви под названием LICIACube.

Цель Ченга – Диморф – была обнаружена в 2003 году. Своё имя астероид получил через 17 лет (в отличие от более крупного Дидима, которому его имя присвоили практически сразу после открытия). С точки зрения наблюдателя на Земле эта система напоминает звезду с транзитной экзопланетой: меньшее тело периодически закрывает собой часть большего. Глядя на изменения в отражённом большим телом свете, наземным телескопам удалось довольно точно измерить орбиту Диморфа. Как говорит научный сотрудник миссии DART Том Стэтлер:

По орбитальному взаимодействию Дидима и Диморфа можно сверять часы. Одно тело каждые 12 часов затмевает другое. Миссия DART должна нарушить этот порядок. 

Всё, что нужно сделать астрономам – измерить орбитальный период Диморфа до и после столкновения. Учёные ожидают, что он изменится примерно на 10 минут (чуть более чем на 1%). Этой информации будет достаточно, чтобы оценить значение, которое волнует их больше всего. Речь идёт о том, что называется эффективностью передачи импульса. Обычно эта величина обозначается греческой буквой β и представляет собой меру того, какая часть импульса космического аппарата передастся астероиду. Более высокое значение β означает более эффективное изменение траектории Диморфа зондом DART.

Определение β важно, поскольку для защиты от астероидов мы должны уметь предсказывать то, насколько сильно каменная глыба сдвинется со своего пути при столкновении с космическим аппаратом. Как пишут Ченг и соавторы в статье 2020 года: “Определение значения β на основе измерений DART и моделирования является критически важной задачей науки о планетарной защите”.

Командой DART в расчёте β будет принят ряд допущений. Исследователи оценят размер Диморфа, проанализировав фотографии, которые сделают DART и LICIACube. Это значение, в сочетании с обоснованным предположением о плотности астероида, даст им оценку его массы. Что, вместе с наблюдениями изменения орбитального периода, позволит учёным оценить β.

DART станет первой космической миссией, предназначенной для проверки технологий планетарной защиты. Зонд изменит скорость Диморфа настолько, чтобы её можно было измерить с помощью наземных телескопов. Credit: NASA/Johns Hopkins APL.

Однако, эти данные не помогут учёным узнать, почему β в ходе столкновения приняла именно такое значение. Астероиды разнообразны по размеру и составу. Об их внутренней структуре известно немногое. Никто не знает наверняка, насколько большой кратер удастся сделать DART. Учёные полагают, что всё будет зависеть от топографии того места, куда попадёт аппарат.

Другими словами: ударится ли он о склон холма или о плоскую равнину? Будут ли там валуны? Твёрдые или мягкие там породы? Присутствует ли там гравий или грязь? И сколько породы будет выброшено в ходе столкновения? В каком направлении произойдёт выброс породы и с какой скоростью? Порода, выбрасываемая в одном направлении даст астероиду толчок в противоположном, что также влияет на значение β.

Команда планирует сравнить данные, собранные DART, с результатами компьютерного моделирования аналогичного воздействия. Это позволит учёным улучшить свои модели, и они с большей точностью смогут рассчитывать параметры снаряда, который потребуется, чтобы отклонить направляющийся к Земле опасный астероид.


Создание космического аппарата подразумевает его испытания. Космос – это дорого. Особенно если вы собираетесь в путь к далёкому астероиду. Всё должно работать идеально.

Одним августовским днём, когда я посещал APL, руководитель испытаний системы реактивного движения DART Розанна Смит сидела в диспетчерской и наблюдала за тестированием гидразиновых двигателей космического зонда. Каждый компонент уже был много раз протестирован индивидуально. Теперь они проходили испытания как часть одного целого. DART был подключён к тестовым компьютерам, которые передавали аппарату данные, заставляя эти компоненты вести себя так, будто они находятся в космосе. Двигатели не работали, но бортовое оборудование зонда отреагировало так, как если бы они были приведены в действие. Розанна объяснила, что если будет обнаружена какая-то аномалия, инженеры остановят испытания, чтобы провести оценку аппарата. Они переоденутся, войдут в чистую комнату, прикрепят к космическому кораблю осциллограф и посмотрят, что происходит.

Цель испытаний состояла в том, чтобы получить данные об базовой эффективности DART. В ближайшие недели инженеры планировали отправить космический аппарат на вибрационные испытания. Что означает, по сути, сильно встряхнуть его, физически приблизив нагрузки к тем, что зонд будет испытывать во время запуска и перелёта, чтобы посмотреть, что может сломаться. Также инженеры планировали поместить DART в термовакуумную камеру, которая моделирует условия окружающей среды в космосе, чтобы провести его через циклы нагрева и охлаждения. После каждого своего действия они повторяли тесты снова, сравнивая результаты с исходными, чтобы увидеть, что поменялось, а что нет.

Обычно в комнате находится около дюжины занятых проведением тестирования человек. Но, как и во многих других случаях, процедуры сборки DART изменились в ответ на пандемию. APL установила камеры по всему объекту. Те, кто работает из дома, могут позвонить, чтобы узнать, что происходит. Их голоса доносятся из динамиков наверху, а инженеры в комнате вскользь отвечают, будто бы разговаривают с призраками.

Центр управления испытаниями DART. Credit: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman.

Путешествие от Земли до Дидима займёт 14 месяцев. Космический аппарат DART будет запущен на ракете Falcon 9 с территории базы ВВС США “Ванденберг”, расположенной на калифорнийском побережье в 200 километрах к северо-западу от Лос-Анджелеса. Зонд отправится на юг и сделает один оборот вокруг Солнца, прежде чем встретится с астероидами. Это произойдёт через несколько недель после максимального сближения пары с Землёй, когда Дидим и Диморф будут на расстоянии около 11 миллионов километров от нас. Траектория полёта аппарата была рассчитана таким образом, чтобы максимально снизить затраты необходимой для запуска энергии. Всё также делалось с учётом того, чтобы во время столкновения земные телескопы могли провести собственные наблюдения. 

Но сначала аппарату придётся найти Дидим. Он будет приближаться к паре астероидов со скоростью в 6,7 км/с и за тридцать дней до столкновения начнёт собирать их оптические навигационные изображения. Астрономы не знают орбиты астероидов настолько хорошо, чтобы заранее запрограммировать аппарат на точное столкновение с целью. Чего ещё не знают астрономы, так это того, когда в дело вступит навигационная система DART SMART Nav. По плану, точность удара должна составить около 15 метров. Но к тому времени, как аппарат войдёт в систему, неопределённость орбиты Дидима будет в несколько раз выше, не говоря уже о Диморфе. 

По словам директора миссии DART Елены Адамс, система SMART Nav должна начать поиск астероидов за четыре часа до столкновения с Диморфом. На детектор будут влиять излучение и шум окружающей среды. Его алгоритмы будут сравнивать пиксели, которые попадают в поле зрения. Этим методом примерно за час до столкновения должно быть определено положение астероида-спутника. После того, как аппарат поймёт, что он обнаружил нужный пиксель в нужном месте, он сменит цель с Дидима на этот пиксель – Диморф. 

Даже если бы астрономы заранее знали его положение наверняка, DART нельзя было бы предварительно запрограммировать на выполнение необходимого манёвра с достаточной точностью, чтобы поразить астероид. Ни одно подруливающее устройство не идеально – ни в плане моделирования, ни в плане долговременной работы в одном направлении. Каждый манёвр космического аппарата будет сопровождаться корректирующими манёврами. SMART Nav будет делать это всё автономно. В последние часы перед столкновением все отклонения будут постоянно оцениваться и исправляться этой системой. Если бы подобные операции проводили люди, то это заняло бы у них очень много времени. Часы или, может быть, даже дни. 

При корректировке траектории SMART Nav будет удерживать солнечные батареи DART наведёнными на Солнце, а антенну с высоким коэффициентом усиления – на Землю. С её помощью аппарат будет примерно каждые две секунды передавать изображения астероидов. По мере его приближения к ним всё чаще будут работать гидразиновые двигатели: они помогут удерживать цель в узком поле зрения камеры. SMART Nav прекратит манёвры примерно за две минуты до столкновения. Как отмечает Елена Адамс:

Мы получим изображение места столкновения примерно за двадцать секунд до касания. Последнее изображение будет отправлено за 7 секунд. А потом – бум!


Кинетические импактные системы вроде DART – не единственный способ изменить траекторию движения астероида. NASA размышляло над вариантом, в котором отклонение тела производится посредством взрыва рядом с ним ядерной бомбы. В таком случае высвободится намного больше энергии, способной оттолкнуть астероид. Но также появится риск того, что объект развалится на части, которые начнут собственный путь по совершенно непредсказуемым траекториям, одна из которых может пересекаться с Землёй. Среди других вариантов: прикрепляющийся к астероиду буксир, которые толкает его благодаря медленной и устойчивой тяге, а также “гравитационный тягач” – обращающийся вокруг астероида в течение нескольких лет аппарат, оказывающий на глыбу влияние за счёт своей массы. 

С технической точки зрения, оба этих альтернативных варианта сложнее, чем система вроде DART. К тому же, на DART будут протестированы технологии, которые можно будет применить в других видах космической деятельности.

Как насчёт нового ионного двигателя NOVA-C? Казалось бы, в нём нет большой необходимости, поскольку DART, в основном, будет полагаться на мощь запускающей его ракеты с обычными двигателями. Но перед традиционными химическими агрегатами у ионных двигателей есть преимущество в виде большего значения импульса, что делает их намного более эффективными. Ту работу, которую гидразиновый двигатель сделает с тонной топлива, ионный совершит всего с парой-тройкой десятков килограмм. На данный момент только два космических аппарата использовали ионные двигатели в глубоком космосе (речь, по всей видимости, идёт только об аппаратах NASA – прим. переводчика) . Это зонды миссий Deep Space One и Dawn. Двигатель NEXT-C примерно в три раза мощнее тех, что были установлены на этих зондах. Выработка электроэнергии для его питания будет осуществляться при помощи разворачиваемой солнечной батареи, которая легче своих аналогов. В общем и целом, такие технологии позволят будущим “планетарным защитникам” иметь более широкий выбор траекторий полёта и более высокую скорость столкновения с астероидом.

Аппарат DART с работающим двигателем NEXT-C. Рендер. Credit: NASA/Johns Hopkins APL

Чем раньше будет обнаружено угрожающее Земле космическое тело, тем быстрее с ним можно будет что-то сделать. На данный момент в Солнечной системе обнаружены практически все астероиды, которые, так или иначе, могут представлять опасность для нашей планеты. Это огромные глыбы размером в несколько километров. И ни одна из них не потревожит нас в ближайшее время. Но относительно более мелких объектов такого утверждать нельзя. Взять хотя бы челябинский метеорит, который в 2013 году взорвался над одноимённым российским городом с силой ядерной бомбы. Повреждения инфраструктуры были зафиксированы на территории в десятки квадратных километров, пострадали более полутора тысяч человек. По словам Тома Стэтлера:

Сорок лет назад мы не знали, прилетит ли к нам в гости на следующий вторник гигантский астероид или нет. Сейчас этот пробел практически устранён. 

Но объекты размером менее 150 метров (вроде Диморфа) трудно обнаружить даже при помощи современной техники. На данный момент обнаружена примерно четверть из потенциального количества таких тел. Для остальных 75 процентов местоположение не вычислено, а значит мы не можем предсказать ни время столкновения, ни то, есть ли у нас возможность отклонить объект.

Миссия NEOSM, стоимость которой оценивается в полмиллиарда долларов, как раз предназначена для проведения наблюдений таких небольших объектов. NEOSM – это орбитальный инфракрасный телескоп. Его разработка финансируется Координационным департаментом планетарной защиты, а запуск должен состояться в конце этого десятилетия. Поскольку обсерватория будет вести наблюдения в инфракрасном диапазоне длин волн, то у неё будет преимущество перед оптическими телескопами в виде возможности обнаруживать объекты в окрестностях Солнца. К NEOSM присоединится наземная обсерватория им. Веры Рубин, которая на данный момент строится в Чили. Этот телескоп будет оснащён камерой с разрешением в 3200 мегапикселей и тоже будет искать подозрительные космические тела. По словам Стэтлера, астрономы надеются, что в следующие 20 лет они смогут зарегистрировать все потенциально опасные объекты.

Чем раньше будет замечен представляющий угрозу объект, тем меньше будут требования к аппарату, который должен его отклонить. Если опасная глыба будет замечена в последний момент, то потребуется гораздо больше энергии, чтобы в достаточной степени изменить её курс.


LICIACube отделится от верхнего отсека DART за 10 дней до столкновения и развернёт свои собственные маленькие солнечные батареи. Единственная цель этого небольшого аппарата – пронаблюдать момент, когда DART ударит Диморф.

Космический аппарат, вероятно, разлетится на мелкие кусочки, некоторые из которых вообще превратятся в пыль. Большая часть его останков в момент образования кратера будет выброшена в космос. Возможно, более крупные элементы конструкции останутся целы, но они погрузятся в грунт астероида на глубину около 3 метров. LICIACube будет наблюдать за шлейфом выброса, в то же самое время фотографируя дальнюю сторону Диморфа. Но у кубсата не будет средств, которые помогли бы ему выйти на орбиту. Поэтому он постепенно будет удаляться от Диморфа всё дальше и дальше в глубины космоса.

Европейское космическое агентство планирует к запуску миссию под названием Hera. Её старт намечен на 2024 год. Прибытие к Диморфу – на 2027-й. Цель инициативы состоит в проведении более точных измерений его массы, изучении состава и определении значения β с ещё более высокой точностью. Hera будет нести с собой два кубсата и будет путешествовать в системе Дидим-Диморф в течение запланированных трёх-шести месяцев, собирая большое количество интересных данных. 

Если все пойдёт хорошо, DART покинет Землю в конце июля 2021 года. 30 сентября 2022 года аппарат прекратит своё существование – годы усилий сотен людей дадут начало новой эре.

Источник

О вышеупомянутой миссии Hera на нашем сайте уже имеется серия из трёх материалов. Всем интересующимся предлагаю перейти по ссылкам:

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

32
Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Отличная Гвинн Шотвелл
Вечность назад

> На данный момент только два космических аппарата использовали ионные двигатели в глубоком космосе. Речь идёт о миссиях Deep Space One и Dawn Hayabusa и Hayabusa2: "Ну да, ну да, пошли мы нафиг". BepiColombo: "Ага, а внутрь Солнечной системы типа лететь проще". > Этот небольшой аппарат останется на орбите, чтобы пронаблюдать момент, когда DART ударит Диморф. > Но у кубсата не будет средств, которые помогли бы ему выйти на орбиту. Так останется на орбите или нет?..

Кричащий Юрий Г.
Вечность назад

Здається мені, в цій методі дуже вузький коридор можливостей. Трохи недо-вдариш, не матимеш потрібного ефекту. Трохи пере-вдариш, розсиплеться на багато скель, небезпека від яких буде хоч і меншою, та все ж загрозливою. Особливо, якщо нічого невідомо про геологію об'єкта — на скільки він рихлий, як залягають пласти і яких порід. Гадаю, цей варіант своєрідний Ultima Ratio Regnum. А по-здоровому, треба причалювати і потихеньку, тривалий час, відводити з траєкторії

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.