Астронет > Астероид Эрос. Миссия космического аппарата NEAR-Shoemaker

Астронет: Е. М. Патрушев/УрГУ Астероид Эрос. Миссия космического аппарата NEAR-Shoemaker
http://variable-stars.ru/db/msg/1176983/node5.html

Астероид Эрос. Миссия космического аппарата NEAR

<< 2. Транснептуновые объекты | Оглавление | 4. Исследования и результаты >>

3. Космический эксперимент по исследованию Эроса

3.1. К тайнам комет и астероидов

В 1996 году в своем послании Комитету перспективного планирования NASA известный американский ученый и популяризатор астрономии Карл Саган определил главнейшие направления, на которых в первую очередь необходимо сосредоточить космические исследования в ближайшие 30 лет. Таких приоритетных направлений было выбрано два: Марс и малые тела Солнечной системы кометы и астероиды. Марс с давних пор будоражит умы землян своими удивительными тайнами. Но чем могут быть интересны небольшие каменные глыбы, в изобилии заполняющие межпланетное пространство?

Среди основных причин, делающих исследования комет и астероидов важным и даже необходимым направлением современной науки, является возможность существенного прогресса в понимании вопроса формирования Солнечной системы ведь в этих телах как бы законсервировано вещество, несущее на себе следы процессов, происходивших 4.5 миллиарда лет назад. Параллельно с этим необходимо решать вопросы будущего противодействия потенциальной опасности, которую несут в себе сближающиеся с нашей планетой астероиды и кометы.

Безусловно, сейчас наука способна получать о небесных объектах куда больше полезной информации, нежели это было совсем недавно. Однако никакое, даже самое тщательное и кропотливое дистанционное наблюдение невозможно сравнить с непосредственными исследованиями. А значит, надо лететь. Причем, как оказалось, по многим критериям экспедиции к некоторым кометам и астероидам проще и дешевле, чем полет к тому же Марсу. Немалую роль здесь играет и то обстоятельство, что у космонавтики уже имеется положительный опыт таких путешествий. Чего стоит одна эпопея 1986 года, когда сразу несколько автоматических станций разных стран исследовали комету Галлея! [1]

Но вопросы к кометам и астероидам остались, и для их решения в настоящее время к полету готовятся целых семь межпланетных аппаратов. Пять из них будут направлены к кометам, а два вплотную займутся изучением астероидов. Впрочем, это не означает, что последние менее интересны и останутся обделены вниманием. Но лучше обо всем по порядку.

Конечно же, поражающие воображение кометы с их роскошными хвостами хотелось бы исследовать в первую очередь. Однако первым в списке ученых значится астероид Эрос (433). Экспедиция к нему уже давно закончилась.

Речь идет об американском аппарате NEAR (его аббревиатура переводится как Встреча с околоземным астероидом ), который впервые в истории стал искусственным спутником астероида Эрос. Эта малая планета является весьма интересным объектом: время от времени она сближается с Землей, имеет вытянутую форму, периодически меняет свой блеск, а ось ее вращения лежит почти точно в плоскости орбиты, как у Урана [11].

Далее о проекте NEAR будет рассказано подробнее.

Рис. 3. Аппарат NEAR

Рис. 4. Аппарат "Deep Space 1"

Рис. 5. Аппарат Stardust.

В 1998 октябре на трассу полета вышел новый исследователь-автомат Дип Спейс-1 (Deep Space-1), название которого можно перевести как Глубокий космос . В ходе выполнения миссии ему предстоит провести испытание 12 перспективных технологий будущего, главная из которых, безусловно, - ионный двигатель.

До сих пор в космонавтике широко использовались лишь жидкостные или твердотопливные двигатели. Их можно запускать только на короткое время, ведь расход топлива здесь очень велик, а его запасы не бесконечны. Именно поэтому все космические аппараты до сих пор совершали полеты, в основном, по инерции, изредка корректируя свой путь короткими импульсами. С ионной же установкой все наоборот. Топливом в ней служит инертный газ ксенон, который ионизируется от тока бортовых солнечных батарей. Хотя скорость, с который ксенон, с которой ксенон истекает из сопла, в данном случае превышает 30 км/сек, тяга этого двигателя мизерная около 10 грамм. Однако, работая сутками, а здесь это вполне возможно, ионный двигатель способен сообщить аппарату весьма значительную скорость. Так что, если в считающемся испытательном полете Дип Спейса-1 все пройдет как надо, новый двигатель навсегда пропишется в космонавтике.

К сожалению, в жизни этого аппарата уже произошло весьма неприятное событие он опоздал на старт. Для того чтобы добраться до намеченных целей, а ими должны были стать сближающийся с Землей астероид МакОлифф (3352) и комета Веста-Когоутека-Икемуры, Дип Спейс-1 необходимо было запустить в начале июля. Однако, в первоначальный график уложиться не удалось, и стартовое окно безнадежно закрылось. Небесные тела ходят по своим орбитам точно по расписанию, как хорошие поезда или части отлаженного часового механизма. Не успеешь и они становятся недосягаемыми. В результате, для Дип Спейса-1 пришлось срочно искать новых кандидатов для встречи в космосе. Ими стали: околоземный астероид 1992 KD (это небесное тело еще не имеет утвержденного названия, но думается, что скоро оно у него появится) и две кометы: Вилсона-Харрингтона и Борелли.

Новая дата старта была назначена на 15 октября 1998 года. Для запуска приготовили самую легкую ракету серии Дельта (вес аппарата небольшой чуть более 400 кг). Вначале Дип Спейс-1 отправится к астероиду. В июле 1999 года пронесется над 1992 KD практически на самолетной высоте порядка 10 км, сделав серию фотографий для определения формы, размеров и химического состава астероида. После этого курс будет взят на точку встречи с кометой Вилсона-Харрингтона. Эта встреча произошла в январе 2001 года. А в сентябре этого же года аппарат пролетел рядом с кометой Борелли. Во время сближений упор был сделан на изучение ядер, вырывающихся из них газовых струй, а также на их взаимодействие с солнечным ветром.

Вообще надо отметить, миссия Дип Спейс-1 является спринтерской - она продлится не более двух лет. Это необходимое условие скорейшего внедрения в практику новых технологий.

Еще одна, на этот раз исключительно астероидная экспедиция разрабатывается сейчас японскими специалистами. Их аппарат, предварительно названый Мюзес-Ц (Muses-C), отправится в путь в феврале 2002 года. В случае удачи этот полет во всех отношениях обещает стать сенсационным. Еще бы, ведь ученые из Страны Восходящего Солнца вознамерились, ни много, ни мало, доставить на Землю грунт одного из околоземных астероидов! Проба будет взята с небольшого полуторакилометрового астероида Нерей (4660), названного так в честь морского божества древнегреческих мифов.

В сентябре 2003 года Мюзес-Ц должен совершить посадку на Нерей и проработать на его поверхности в течение двух месяцев. Специальное грунтозаборное устройство проведет бурение и доставит образцы местных пород на борт аппарата. А потом будет старт и дорога к дому, где драгоценную посылку с нетерпением будут ждать ученые. Возвращение аппарата запланировано на январь 2006 года.

Кстати, помимо бура на астероид будет доставлен маленький американский пассажир первый в мире астероидоход. Так как притяжение на Нерее совсем небольшое, то передвигаться по его поверхности аппарат будет различными способами: он сможет ездить, ползать и даже прыгать. При этом астероидоход будет самой настоящей малюткой согласно требованиям, его вес не может превосходить одного килограмма.

Ну, а что же кометы? Какие экспедиции и с какими целями планируется к хвостатым звездам ? Сегодня мы имеем целые россыпи идей и проектов, один грандиознее другого. Ближе всех американский космический аппарат Стардаст (Stardust), запуск которого произошел в феврале 1999 года. В переводе на русский язык название этого проекта звучит очень романтично Звездная пыль . И это вовсе не просто красивое название, это цель полета. Стардаст действительно должен впервые в истории науки собрать и доставить на Землю образцы частиц межзвездной пыли. Есть и вторая цель сбор и доставка в лаборатории ученых образцов пыли короткопериодической кометы Вильда 2.

Для решения этих задач аппарат будет снабжен специальной аэрогелевой ловушкой. Аэрогель это уникальное, очень пористое вещество с чрезвычайно низкой плотностью. Ловушка будет открываться несколько раз и в частности в момент подлета к ядру кометы. При этом частицы кометной пыли застрянут в порах аэрогеля и в таком виде предстанут перед исследователями.

Дорога аппарату предстоит долгая. Он должен совершить целых три оборота вокруг Солнца. Кстати, в январе 2001 года Стардаст вновь посетил окрестности Земли, чтобы совершить гравитационный маневр. Встреча с кометой произойдет на втором витке в январе 2004 года. Впрочем, рандеву будет весьма коротким. Аппарат промчится в 150 км от поверхности ледяного ядра со скоростью 6 км/с. Но этого будет вполне достаточно и для сбора частиц, и для получения портретов кометы с разрешением в 10 раз большим, чем то, что было достигнуто в 1986 году при съемках ядра кометы Галлея. Пролет во избежание разрушения аппарата потоком кометных частиц, буде проходить со стороны Солнца. Эта мера предосторожности особенно актуальна, потому что перехват кометы планируется осуществить вблизи момента прохождения перигелия, то есть когда она наиболее активна.

Интерес астрономов именно к комете Вильда 2 вызван прежде всего тем, что еще сравнительно недавно ее орбита была совсем иной. Однако в 1974 году ледяная странница прошла вблизи Юпитера, чуть не столкнувшись с Каллисто, и гравитационное поле планеты-гиганта направило ее к Солнцу, сильно уменьшив размеры ее орбиты. До этого период обращения кометы вокруг Солнца составлял 40 лет, а перигелий лежал почти в 5 астрономических единицах от светила! Следовательно, в условиях вечного холода вещество кометы должно было сохраниться в том самом изначальном состоянии, за тайнами которого так охотятся ученые.

После встречи с кометой Стардаст ожидает возвращение на Землю. Интересно, что капсула с драгоценной звездной и кометной пылью должна опуститься на парашютах на дно соленого озера в американском штате Юта в январе 2006 года, то есть с капсулой японского аппарата, несущей уникальную возможность одновременно изучать вещество и кометы, и астероида [1].

Параллельно с выполнением миссии Стардаст американские специалисты планируют осуществить запуск еще одного кометного аппарата. Его, на первый взгляд не имеющее отношения к делу название Контур (CONTOUR), на самом деле расшифровывается в переводе с английского как тур по кометным ядрам .

Задачей Контура является исследование с пролетной траектории сразу трех комет, и в первую очередь одной из самых знаменитых кометы Энке. Эту космическую странницу отличает самый малый среди известных комет период обращения, чуть больший трех лет. Казалось бы, после многочисленных пролетов вблизи жгучего Солнца она уже давно должна была истаять. Однако комета Энке по-прежнему жива, регулярно радуя профессионалов и любителей своей активностью. Контур встретится с космической долгожительницей в ноябре 2003 года, промчавшись на расстоянии 100 км от ее ядра. В это время запланировано получение снимков, спектров, данных по химическому составу комы и ядра, а также множество других исследований.

Второй целью Контура станет комета Швассмана-Вахмана 3, известная тем, что в 1995 году ее ядро распалось на три фрагмента. Как и почему это произошло, ученые смогут узнать в июне 2006 года. Наконец, последняя комета на пути Контура - комета Д Арре, встреча с которой должна состояться в августе 2008 года. Она известна еще середины прошлого века и практически в каждом своем появлении поражала ученых своей поистине неиссякаемой активностью. Какие процессы позволяют ей столь успешно оставаться в блестящей форме ? Вот еще одна загадка, ответ на которую попробует разузнать Контур .

Впрочем, до этого дело может и не дойти: из трех упомянутых нами комет обязательной в программе полета является лишь комета Энке. Если во время выполнения задания будет обнаружена новая интересная комета, то аппарат тут же перенацелят на ее перехват. Сейчас разработчики Контура очень жалеют, что он не был запущен в 1995 году, ведь тогда ему удалось бы нанести визит к комете Хейла-Боппа!

Пожалуй, наиболее масштабной из всех этих кометных экспедиций ближайших десятилетий должна стать Розетта (Rosetta), разрабатываемая европейскими учеными. Название миссии было дано в честь знаменитого Розеттского камня с египетскими иероглифами, который послужил ключом к постижению этой древней цивилизации. По замыслу ученых, так же и космический аппарат должен отомкнуть врата, за которыми спрятаны тайны начальных времен в жизни Солнечной системы. А космическим розеттским камнем должна стать комета Виртанена.

Если помните, мы сравнивали полет аппарата Дип Спейс-1 с прохождением спринтерской дистанции. Розетте же, напротив, предстоит испытать все нюансы дистанции стайерской, длиной в десять с половиной лет. Этот космический аппарат отправится в свой путь в январе 2003 года на борту самой мощной европейской ракеты-носителя Ариан-5 . Межпланетной станции предстоит совершить три гравитационных маневра один у Марса и два у Земли. Попутно аппарат проведет исследование двух астероидов главного пояса Мимистробелл (3840) и Родари (2703), которые окажутся на ее пути.

Кометы Виртанена Розетта достигнет лишь в августе 2011 года, выйдя на орбиту спутника кометного ядра. Вплоть до апреля 2012 года аппарат будет кружить вокруг него, тщательно изучая комету, медленно приближающуюся к своему перигелию. Затем от него отделится стокилограммовый посадочный зонд РоЛанд , чье имя не только совпадает с именем знаменитого средневекового рыцаря, но и означает посадочный аппарат Розетты .

Большую часть времени РоЛанд будет прочно зацеплен за ледяную поверхность ядра, но время от времени он будет отцепляться и перепрыгивать с места на место для бурения кометных недр в разных точках. РоЛанду предстоит прокатиться верхом на комете, приближающейся к точке перигелия, фиксируя при этом все изменения, которые будут происходить с ядром по мере его приближения к Солнцу. Впрочем, наблюдения за уменьшением активности кометы планируется продолжать и некоторое время после прохождения перигелия. Миссия Розетты должна завершиться в сентябре 2013 года. Но и после этого РоЛанд навсегда останется на поверхности ядра кометы Виртанена, как памятник одному из первых соприкосновений человечества с этим таинственным и загадочным миром.

И все же, сколь ни грандиозна задача Розетты , но и она немного меркнет перед тем, что задумали разработчики американского аппарата Дип Спейс-4 (Deep Space-4). Цель этого проекта доставка вещества ядра кометы на Землю с помощью специального зонда Шампольон (Champollion), названного так в честь французского исследователя, открывшего тайну Розеттского камня.

Дип Спейс-4 стартует позже Розетты , в мае 2003 года, но пункта своего назначения, кометы Темпеля, он сумеет достичь раньше в январе 2006 года. Таким образом, размещенный на ней Шампольон первым совершит посадку на поверхность ядра кометы. Кстати, этот зонд первоначально должен был отправиться в путь на борту европейского аппарата вместе с РоЛандом . Однако впоследствии планы изменились.

Сев и прикрепившись на поверхности ядра кометы, Шампольон пробурит отверстие метровой глубины и возьмет образцы льда и пыли. После этого ему предстоит самая сложная и ответственная операция отправить капсулу с образцами на борт основного аппарата. После приема капсулы Дип Спейс-4 возьмет курс на Землю и достигнет ее в 2010 году [1].

Признаемся честно, описание небесных приключений, которыми наполнен этот раздел, воспринимается сегодня, словно сошедшее со страниц фантастической книги. Однако работа по всем представленным здесь проектам идет уже полным ходом.

3.2. Астероид Эрос.

Более чем столетие наземного анализа - включая всемирную программу наблюдений в течении 1975 г. - сделало Эрос наилучшим из околоземных астероидов (NEA) объектом наблюдений. Из наблюдений известно, что астероид движется по эллиптической траектории, обращаясь вокруг Солнце в течении 1.76 года с наклоном орбиты в 10.8 градусов к плоскости эклиптики и эксцентриситетом орбиты 0.223. Расстояние - в перигелии 1.13 а.е. (169 млн. км), Расстояние в афелии - 1.78 а.е. (266 млн. км). Среднее расстояние от Эроса до Солнца - 1.46 а.е. (218 млн. км). Размеры астероида 40.5х14х14 км. Приближенная масса 7.2 х 10¹⁵ кг.

Самое тесное сближение астероида 433 Эрос и Земли в 20 м столетии произошло 23 января 1975 г. Расстояние составила около 0,15 а.е.(22млн. км). Предшествующие сближения происходили в 1901 году на расстоянии 0,32 а.е. (48 млн. км) и в 1931 году на расстоянии 0,17 а.е. (26 млн. км). При наблюдениях за Эросом была получена кривая блеска, по которой

Рис. 6. Орбита Эроса.

определили период вращения астероида, равный 5 часам и 17 минутам. Геометрическое альбедо равно 0,16.

Ученые не получили никакого подтверждения тому, что на Эросе есть воздух или вода. Так же они определили дневную температуру на астероиде. Она равна 100 С. А ночная температура - 150 С.

Эрос один из астероидов S-типа (от лат. silicaceous - каменные), наиболее общего типа во внутреннем поясе астероидов и обсуждался вопрос о связи таких астероидов с метеоритами.

Как было сказано выше, Эрос принадлежит группе астероидов пересекающих орбиту Земли, один из которых когда-нибудь может столкнуться с Землей. Встает вопрос о безопасности нашей планеты.

Для решения этих и других задач был создан космический аппарат NEAR.

3.3. Проект NEAR

В 1995 году конгресс США проголосовал за программу по поиску и исследованию околоземных астероидов. Эту программу возглавила NASA. Она запустила миссию Near Еarth Asteroid Randezvous. Для этой миссии в университете им. Джона Хонкинса был разработан и создан космический аппарат NEAR. Позже, в 1999г., он был переименован на NEAR Shoemaker в честь покойного доктора Юджина М. Шумайкера легендарного геолога , охотника за кометами и вдохновенного пионера межпланетных исследований. Первоначально было запланировано, что NEAR встретится с астероидом Эрос 10 января 1999г. Руководителем миссии был назначен доктор Роберт В. Фарквар из университета прикладной физики им. Джона Хонкинса.

NEAR (Near Еarth Asteroid Randezvous- встреча с околоземным астероидом) стал первым космическим аппаратом, запущенным в рамках программы NASA Дискавери , предусматривающей создание и использование дешевой, но высоконадежной техники для межпланетных перелетов. Первичными научными целями по исследованию астероида 433 Эрос были:

изучить насыпные свойства (размер, форма, объем, масса, область тяжести, состояние вращения);
изучить поверхностные свойства (минеральный состав, геология, морфология, текстура);
изучить внутренние свойства (распределение масс и магнитное поле).

3.4. Конструкция NEAR и его оборудование

Аппарат NEAR собран из 2-х модулей:

космический корабль (несущий модуль),
полезный модуль (оборудование для проведения научной работы).

Космический корабль включает в себя 3 стабилизирующих двигателя, 4 развернутых, нефиксированных солнечных панелей обеспечивающих корабль энергией мощностью в 1600 Ватт, связь в X-диапазоне, пассивная система терморегуляции, блок твердотельной памяти, систему буксировки Hydrazine с несколькими маневровыми двигателями разной мощности, обеспечивающими общее приращение скорости в 1425 м/с.

Полезная нагрузка аппарата составила 55 кг и потребляла 48 Ватт. Она включает в себя блок формирования изображения Multispectral (MSI)- преломляющий телескоп, работающий в широком спектре, для определения общих размеров, форм, характеристик вращения астероида, отображения морфологии и композиции поверхности, поиска спутников Эроса. Разрешение телескопа с высоты 100 км составит 10-16 м. Кроме того, на космическом аппарате установлен Gamma Rays спектрометр (XGRS), содержащий два сенсора (флюоресценсный рентгеновский спектрометр и гамма спектрометр). XGRS используется для изучения поверхности астероида, инфракрасный спектрограф (NZS), работающий в диапазоне 800-2700 нм. Он предназначен для изучения минерального состава Эроса, магнитометр сенсор, который измеряет магнитное поле астероида, Near Laser Rangefinder (NLR)- альтиметр, который использует пульсирующий лазер для измерения расстояния между космическим кораблем и поверхностью астероида. Эти измерения дадут точные размеры астероида и подробное описание структуры поверхности. Лазер работает на длине волны 1,064 мм, с разрешением 6 м. и дальностью действия 50 км. Все эти приборы были установлены на космическом корабле NEAR, общая длина которого составила 2,8 м, максимальный диаметр 1.7 м и общая масса 818 кг [11].

Рис.7. Магнетометр, установленный на NEAR

3.5. Хронология полета

Старт аппарата, а следовательно и начало миссии, произошло 17 февраля 1996 года. Запуск ракеты-носителя Delta-7925 был произведен с космодрома на мысе Канаверал. Оторвавшись от Земли, NEAR поначалу взял курс на астероид 253 Матильда один из многочисленных малых планет главного пояса астероидов. 27 июня 1997 года NEAR, пройдя мимо Матильды на минимальном расстоянии 1212 км, сделал за 25 мин пролета более 600 снимков этого астероида. Затем аппарат стал вновь приближаться к Земле. В январе 1998 года, получив дополнительное ускорение за счет удачно проведенного маневра в гравитационном поле Земли, NEAR был направлен к своей конечной цели астероиду Эрос. Их встреча была запланирована на 10 января 1999 года. Но 21 декабря 1998 года в 21 часов 23 мин по гринвичу во время выполнения ответственного маневра торможения, связь с аппаратом была потеряна. И хотя уже через 27 часов ее все же удалось восстановить, время было упущено, и выход на орбиту вокруг астероида стал невозможен. Позже группа ученых управляющих полетом обнаружила, что в программе бортового компьютера есть ошибка: компьютер посчитал, что маневровый двигатель при запуске сжег слишком много топлива, и поэтому отключился в качестве защитной меры. Из-за выключения, NEAR потерял управление, а солнечные панели потеряли ориентацию на Солнце. После восстановления связи в течении 8 часов система управления была заново продублирована, и NEAR стабилизировался. Солнечные панели повернулись по направлению к Солнцу, и батареи начали перезаряжаться. В результате, ученым удалось бросить лишь взгляд на астероид Эрос, и то с весьма большого расстояния. 23 декабря NAER пронесся мимо этой малой планеты на расстоянии 3830 км., с относительной скоростью около 1 км/сек. Но расчеты специалистов показали, что возможность второй попытки для новой встречи с Эросом все-таки существует. Только, она может состояться лишь через год, то есть после еще одного незапланированного витка аппарата вокруг Солнца. 3 января 1999 года была проведена специальная коррекция траектории полета аппарата. Благодаря ей, NEAR вышел на цель в феврале 2000 года.

2 февраля 2000 года во время подготовки к маневрам NEAR перешел в защищенный режим из-за неверно переданных данных, но эту проблему удалось быстро решить. В течении следующих дней аппарат постепенно снижал скорость, пока его не захватило гравитационное поле астероида.

14 февраля 2000 года NEAR вышел на орбиту близкую к эллиптической (323 на 370 км.) вокруг астероида 433 Эрос. В течении последующих двух месяцев аппарат постепенно приближался к астероиду, пока расстояние до малой планеты не стало равным 50 км. На этой орбите NEAR остался до августа, после чего он побывал еще на нескольких орбитах, а в декабре 2000 года он приблизился к поверхности астероида почти вплотную. За это время работы аппарата ученые получили большую часть информации об Эросе.

12 февраля 2001 года начались маневры по снижению космического аппарата NEAR- Shoemaker на поверхность астероида 433 Эрос.

15:31 (UТС) по гринвичу первое включение бортового двигателя на 3 минуты, КА перешел на орбиту с параметрами 7,5х35кмх135 град.

18:58 (UТС) второе включение двигателя длительностью 5 минут, аппарат перешел на траекторию спуска.

19:35 (UТС) третье включение двигателя на 6 минут, NEAR находился на удалении 3 км от поверхности.

19:46 (UТС) - последний, четвертый запуск двигателя, КА находится на расстоянии 1 км от поверхности.

20:02:10 (UТС) произошло касание аппарата с поверхностью астероида. Посадка произошла на южной границе области Химеры 35⁰ю.ш. и 279⁰з.д.

Сигналы телеметрии были приняты непосредственно с поверхности Эроса. В момент посадки скорость аппарата относительно поверхности Эроса составляла 1.9 м/сек. До самой посадки с борта зонда на Землю поступали фотографии. Работоспособными оказались два прибора спектрометр и магнитометр, которые передавали сведения о составе пород и магнитном поле астероида до начала апреля 2001 года, когда температура опустилась до 150^oС [10].

Астероид (253) Матильда

Астероид (433) Эрос

<< 2. Транснептуновые объекты | Оглавление | 4. Исследования и результаты >>