Астероиды - космические лилипуты
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Астероиды и Кометы
Лилипуты
OSIRIS-REx
Страница: Старт OSIRIS-REx, Астероид Бенну;
Малые тела Солнечной системы

Астероид Бенну

OSIRIS-REx: Охотник за астероидами


    9 сентября 2016 в 19:05:00 EDT (23:05:00 UTC) со стартового комплекса SLC-41 станции ВВС «Мыс Канаверал» специалисты Объединенного пускового альянса ULA (United Launch Alliance) совместно с военнослужащими 45-го космического крыла ВВС США осуществили запуск PH Atlas V (номер AV067, вариант 411) с исследовательским межпланетным аппаратом OSIRIS-REx.
    Запуск осуществлялся в восточном направлении по стартовому азимуту 89°. В момент времени Т+139 сек произошло штатное отделение единственного бокового твердотопливного ускорителя, в Т+242.8 сек завершил работу российский двигатель РД-180 с заводским номером 61Т. Шесть секунд спустя произошло разделение ступеней, а спустя еще одну секунду - первое включение кислородно-водородного двигателя RL10A-4-2 ступени Centaur. В Т+266.8 сек был осуществлен сброс створок головного обтекателя.

Астероид Бенну

    Проработав 483.7 секунды, двигатель выключился, переведя связку из разгонного блока и космического аппарата на опорную орбиту наклонением 26.95°, перигеем 165 км и апогеем 272 км.

Астероид Бенну

    Второе включение двигателя разгонного блока состоялось согласно циклограмме в момент времени Т+33 мин 48.2 сек и продолжалось 410.4 сек. В результате связка оказалась на отлетной траектории с параметром С3 = 29.298 km2/c2, что соответствовало гиперболическому избытку скорости 5.41 км/с.
    В 20:04 EDT станция DSS-35 в Австралии зафиксировала отделение космического аппарата и начало работы его передатчика на частоте 8.4456 ГГц. Развертывание панелей солнечных батарей прошло в штатном режиме через 10 минут после отделения. Состояние систем КА было в норме.
    В каталоге Стратегического командования США аппарат OSIRIS-REx получил номер 41757 и международное обозначение 2016-055А, ступень Centaur - 41758 и 2016-055В.
    Параметры гелиоцентрической орбиты КА по состоянию на 30 сентября, когда влияние Земли на его траекторию перестало быть заметным, составили:
    - наклонение - 0.214°;
    - расстояние в перигелии - 0.775 а.е.;
    - расстояние в афелии -1.167 а.е.;
    - период обращения - 349.7 сут.

    Целью миссии является детальное исследование астероида (101955) Bennu и доставка на Землю образцов его вещества. Общее руководство проектом осуществляет Центр космических полетов имени Годдарда NASA, за выполнение научной программы, планирование наблюдений и обработку результатов отвечает Университет Аризоны, а сам космический аппарат разработан и изготовлен компанией Lockheed Martin Space Systems в Денвере.
    OSIRIS-REx является третьим проектом в рамках программы New Frontiers, предусматривающей реализацию межпланетных миссий средней стоимости. Первым был аппарат New Horizons, совершивший в июле 2015 г. успешный пролет Плутона, второй стала станция Juno, в настоящее время находящаяся на орбите вокруг Юпитера. Стоимость третьей миссии оценивается в 800 млн $.
    Прошедший старт был 65-м для ракет семейства Atlas V и четвертым пуском модификации 411, а также восьмым стартом, осуществленным ULA в текущем году и 111-м успешным с момента основания предприятия в 2006 г.

Запуск

    «Сегодня мы отмечаем важную веху в истории этой замечательной миссии и в судьбе команды ее специалистов, - сказал в день старта администратор NASA Чарлз Болден (Charles F. Bolden). - Мы очень рады, что эта миссия сможет рассказать нам о происхождении нашей Солнечной системы, сделать открытия и достичь тех рубежей в науке, которые еще вчера были научной фантастикой».

Астероид Бенну

    Непосредственная подготовка к старту началась 20 мая 2016 г. - в день, когда OSIRIS-REx на борту транспортного самолета С-17 ВВС США прибыл в Космический центр имени Кеннеди во Флориде с авиабазы Бакли близ Денвера. На следующий день транспортный контейнер был распечатан, а сам аппарат доставлен в чистое помещение корпуса обслуживания опасных полезных грузов PHSF, где к работе с ним приступили специалисты.
    23 мая начались полигонные испытания. В их ходе инженеры и техники тестировали приборы аппарата и его систему связи, проверяли величину массы и положение центра масс, установили теплоизоляцию, провели «засветку» солнечных батарей. В соответствии с графиком подготовки аппарат заправили топливом.
    Следует заметить, что в ходе подготовки межпланетных миссий особое внимание уделяется стерильности изделия. И если обычно такая забота обусловлена опасением за возможное, пусть и весьма маловероятное, загрязнение другой планеты земными микроорганизмами, то для проекта, целью которого является забор и возврат образцов грунта астероида, нарушение чистоты практически гарантированно исказит результаты исследования с таким трудом добытого материала. Поэтому, помимо традиционных мер, при работе в чистом помещении (а даже чистая комната с контролируемой средой, конечно, не является идеально стерильной) рядом с OSIRIS-REx были установлены специальные пластинки, на которые должны осаждаться те же самые загрязнения, что и на сам аппарат. С их помощью после возвращения капсулы с грунтом будет возможно выявить «паразитную» примесь, образовавшуюся в ходе предстартовой подготовки - ведь ее присутствие обнаружится и в пробе, и на контрольной пластинке.
    Параллельно с КА инженеры готовили носитель. 8 августа на мобильной стартовой платформе смонтировали первую ступень, а 9 августа навесили единственный стартовый ускоритель, придающий ракете странный облик ввиду явно выраженной асимметрии. На первый взгляд, кажется, что такая конфигурация приведет к дисбалансу тяги, однако небольшое смещение центра масс за счет введения одного ускорителя и образующийся небольшой эксцентриситет тяги компенсируется системой управления за счет отклонения сопел двигателя РД-180. 10 августа смонтировали переходный отсек и ступень Centaur, 15 августа провели комплексные испытания систем, а 24 августа изделие в первый раз вывезли на старт. Репетиция предстартового отсчета с заправкой ступеней, которую NASA требует перед запуском межпланетных КА, прошла успешно на следующий день, и 26 августа ракету вернули в здание вертикальной сборки VIF.
    Тем временем 24 августа OSIRIS-REx был помещен под обтекатель и 29 августа доставлен в VIF для подъема и установки на ракете, которые состоялись 30 августа.

Астероид Бенну

    Смотр летной готовности 1 сентября прошел без замечаний, но этот день оказался неспокойным. В то время, когда специалисты только начали дискуссию о готовности Atlas V, на соседнем стартовом комплексе SLC-40, расположенном всего в двух километрах, при заправке топливом взорвался Falcon 9. Atlas в этот момент находился внутри здания вертикальной сборки, мощные стены которого защитили ракету и полезный груз от ударной волны. Однако военнослужащим 45-го крыла пришлось принимать экстренные меры сначала для спасения насосов системы пожаротушения, обеспечивающих оба старта, а затем для восстановления системы кондиционирования воздуха на SLC-41, без которой OSIRIS-REx был бы обречен.
    В конце дня NASA объявило, что инцидент не отразится на ходе подготовки к старту межпланетной миссии. Однако на следующий день этим же стенам уже пришлось противостоять обрушившемуся на Флориду тайфуну Гермиона. В общем, все говорило за то, что нужно запустить OSIRIS-REx при первой же возможности, пока не случилось еще что-нибудь нехорошее.
    Стартовый период для полета к Бенну открывался 8 сентября и длился 34 дня, при этом стартовое окно открывалось каждый день примерно на 120 минут. Утром 7 сентября ракету вывезли на старт, где она не задержалась - пуск состоялся с первой попытки в присутствии многих тысяч зрителей.

Полет

    Радиоконтроль траектории КА подтвердил высокую точность выведения. 9 сентября примерно через 18.5 часа после запуска OSIRIS-REx пересек орбиту Луны, а 15 сентября находился уже приблизительно на расстоянии 3.2 млн км от Земли, имея скорость примерно 5.5 км/с по отношению к Земле.
    Вечером 9 сентября операторы закончили первоначальную оценку состояния КА и вывели его из защитного режима. Солнечные батареи перевели из состояния (90°, 0°) в (90°, 45°), задали режим ориентации на Землю вместо инерциальной ориентации, загрузили фоновую программу работы, которая начала исполняться с 20:00 EDT. Все это означало переход в фазу перелета.

Астероид Бенну

    12 сентября было получено первое изображение с навигационной камеры звездного датчика, на которое попал определенный участок звездного неба.
    Следующая неделя была посвящена подаче питания и проверке пяти научных инструментов станции. Тестирование началось 19 сентября с комплекта камер OCAMS Университета Аризоны. В ходе проверки была осуществлена съемка звездного поля в созвездии Тельца и красного гиганта Бетельгейзе. Все три камеры отработали безупречно. В тот же день начались испытания лазерного высотомера OLA, принадлежащего Канадскому космическому агентству. В ходе теста инженеры даже включили сам лазер, и принятая телеметрия подтвердила полную работоспособность установки.
    20 сентября проверке подверглись спектрометр видимого и инфракрасного диапазонов OVIRS, разработанный в Центре космических полетов имени Годдарда, и термоэмиссионный спектрометр OTES, созданный в Университете штата Аризона. Последний не только продемонстрировал работоспособность, но и выполнил научные измерения с характеристиками лучше проектных.
    21 сентября состоялась вторая проверка лазерного высотомера OLA и студенческого прибора REXIS - видового рентгеновского спектрометра реголита, созданного в Массачусеттском технологическом институте. Принятая телеметрическая информация показала, что аппаратура хорошо перенесла старт и полностью исправна.
    22 сентября тестировались специализированные камеры TAGCAMS, с помощью которых КА будет контролировать процесс «стыковки» с астероидом и забора грунта. В ходе проверки камера контроля погрузки показала капсулу для доставки грунта.
    Передача тестовой информации на Землю продолжалась до 25 сентября через широконаправленную антенну LGA со скоростью 40 кбит/с.
    7 октября прошла последняя проверка критических систем аппарата, а именно - его двигательной установки: в 13:00 EDT аппарат осуществил коррекцию траектории ТСМ-1. Двигатели OSIRIS-REx включились на 12 секунд, при этом было израсходовано около 0.5 кг топлива и обеспечено приращение скорости в 0.50 м/с. Расстояние до Земли в момент маневра составляло чуть менее 14.5 млн км.
    Следует отметить, что этот маневр был предусмотрен планом полета для устранения погрешности выведения, и на его осуществление было зарезервировано около 11 кг топлива, которые были в состоянии изменить скорость станции на 11.6 м/с. Однако траекторный анализ показал, что необходимости в коррекции нет - Atlas V и Centaur прекрасно выполнили свою задачу. Тем не менее специалисты миссии решили осуществить короткое включение двигательной установки для проверки ее состояния и в порядке подготовки к более серьезному маневру, намеченному на декабрь.
    Цель этого маневра с использованием четырех маршевых двигателей состояла в изменении траектории КА с таким расчетом, чтобы 22 сентября 2017 г. он вернулся к Земле. OSIRIS-REx прошел мимо родной планеты на расстоянии около 20000 км и осуществил гравитационный маневр, в ходе которого была увеличена гелиоцентрическая скорость аппарата и изменено на б° наклонение орбиты для обеспечения компланарности с орбитой Bennu.

Цветной снимок Земли, полученнный во время гравитационного маневра 22 сентября 2017 г.
Астероид Бенну

Земля 25 сентября 2017 года
Астероид Бенну

    В августе 2018 г. OSIRIS-REx должен подойти к астероиду и сблизиться с ним, для чего потребуется выполнение целой серии маневров, в ходе которых гелиоцентрическая скорость аппарата снизится на 0.53 км/с. В итоге относительная скорость движения астероида и аппарата будет составлять лишь около 0.2 м/с! Это будет наиболее интересный и сложный этап полета, поскольку размеры астероида настолько малы, что воздействующая на аппарат гравитация сравнима по своей величине с давлением солнечного излучения. В связи с этим он не должен удаляться от Бенну дальше, чем на 2.4 км; в противном случае солнечный ветер просто «сдует» станцию с орбиты. Кроме того, каждые сутки совместного полета аппарат должен на протяжении 11 часов находиться в надирной ориентации для проведения наблюдений, а оставшиеся 13 часов - в солнечной или земной для подзарядки батарей и передачи данных.

Сравнение двух астероидов Bennu (OSIRIS-REx, США) и Ryugu (Хаябуса 2, Япония)
Астероид Бенну

    Научная стадия на орбите около астероида начнется в октябре 2018 г. и продлится около года. Она будет включать четыре основных блока:

    > предварительное обследование (20 суток), куда входит первичное изучение поверхности, проверка наличия или отсутствия у астероида естественных спутников, которые, будучи незамеченными, могут повредить аппарат, а также уточнение влияния эффекта Ярковского на траекторию движения самого астероида. Собственно, решение этих вопросов является критическим для дальнейшего баллистического обеспечения миссии, а если говорить совсем прямо - для обеспечения ее относительно безопасного существования на протяжении планируемого срока;
    > орбитальная фаза А (31 сутки), во время которой предполагается начать сбор данных о поверхности в высоком разрешении, а также осуществить переход от звездной навигации к навигации по элементам поверхности астероида с учетом ее выявленных особенностей;
    > детализированное обследование (63 суток), предусматривающее основную программу исследования поверхности Бенну всеми научными инструментами, находящимися на борту;
    > орбитальная фаза В (60 суток), в ходе которой будет осуществлено детальное картографирование поверхности с максимально доступной разрешающей способностью и на основе полученных данных выбраны места для взятия пробы грунта.

    После всего этого наступает разведывательная фаза полета длительностью 98 суток, когда в результате окончательных наблюдений из всех отобранных районов-кандидатов на «посадку» должны быть выбраны четыре наиболее подходящих.
    Таким образом, к июлю 2020 г. аппарат должен быть готовым к взятию проб и началу TAG-фазы (расшифровывается как Touch-And-Go - буквально «задеть и уехать»). Начинается она за 9 дней до момента взятия образцов с разгрузки маховиков и прецизионной выверки систем контроля параметров орбиты и оптической навигации. После этого проводится первая репетиция, в ходе которой аппарат должен выйти в первую контрольную точку на расстоянии 125 метров от выбранной цели. Во время этого маневра команда миссии должна убедиться в том, что даже на предельно близком расстоянии от поверхности аппарат адекватно управляется.
    В случае успеха проводится вторая репетиция, при которой сближение спутника с астероидом достигнет уже 55 метров: в ходе ее проверяется соответствие достигаемой и требуемой точности управления.
    Если обе репетиции проходят без проблем, осуществляется «боевой» заход: во второй точке выдается импульс, направляющий OSIRIS-REx к поверхности, и на расстоянии 5 м выполняется развертывание манипулятора TAGSAM, который касается поверхности специальным заборником. В момент касания поверхности скорость аппарата относительно нее должна составлять не более 10 см/с. Пружинное устройство прижимает заборник к поверхности астероида. Разумеется, при этом аппарат будет отталкиваться от поверхности, однако контакт будет продолжаться от 2 до 20 секунд в зависимости от свойств грунта. Для гарантированного забора образцов требуется соприкосновение продолжительностью хотя бы на 5 секунд, так что в этой операции присутствует определенная доля риска.
    После этого аппарат удаляется от поверхности и передает на Землю данные, полученные в ходе маневра, из которых специалисты должны сделать вывод, достигнута ли цель или нет, а при необходимости повторных попыток скорректировать параметры сближения. Если же операция удалась, то станции OSIRIS-REx остается только ожидать на орбите вокруг астероида благоприятного момента для отправления в обратный путь.
    Стартовое отлетное окно от Бенну к Земле откроется 3 марта 2021 г. Для расставания с астероидом и выхода на траекторию перелета аппарату потребуется сообщить импульс в 328 м/с, которой приведет его в окрестности Земли в сентябре 2023 г. За четыре часа до входа в атмосферу аппарат должен отделить возвращаемую капсулу, а в момент Т-3.7 часов совершить маневр укло-нения с приращением скорости в 17.5 м/с для подъема высоты перигея до 250 км и ухода после пролета мимо Земли на стабильную гелиоцентрическую орбиту с перигелием 0.5 а.е. и афелием 1 а.е. В дальнейшем выполнивший свою задачу аппарат можно будет использовать для изучения какого-нибудь другого небесного тела.
    Капсула с образцами должна войти в атмосферу Земли под углом 8.2° к местному горизонту со скоростью 12.4 км/с, максимальная перегрузка в ходе полета в атмосфере составит 32 g. На высоте 3 км сработает парашютная система. Посадка предполагается на территории армейского испытательного и тренировочного полигона в штате Юта, к юго-западу от Солт-Лейк-Сити. Расчетная дата этого эпохального события - 24 сентября 2023 г. в 14:52 UTC.

Конструкция

    Астероид Бенну получил свое имя уже в процессе реализации проекта OSIRIS-REx благодаря своеобразной конструкции аппарата. Это имя для тогда еще безымянного астероида 1999 RQ36 предложил в 2013 г. 9-летний Майк Пузио (Mike Puzio), которому показалось, что КА напоминает некую мифическую божественную птицу с крыльями, головой и шеей. И действительно, на изображении станции мы видим укрытый ЭВТИ корпус (туловище), поднятые по-птичьи вверх панели солнечных батарей, вытянутую вперед голову (возвращаемую капсулу) и даже ноги (манипулятор TAGSAM). Чем не цапля? А ведь и древнеегипетский бог Бенну тоже обычно изображался в виде этой птицы, которая в изобилии водится в болотистых поймах Нила.

Астероид Бенну

    Конструктивно аппарат является неким симбиозом марсианских миссий MRO и MAVEN, унаследовавшим ключевые подходы, примененные в них: в первую очередь - значительный «запас» по характеристикам, полностью резервированные подсистемы и аппаратное обеспечение.

Астероид Бенну

    Корпус аппарата имеет прямоугольную форму размерами 2.4x2.4x3.4 метра. На его внешних сторонах размещаются возвращаемая капсула SRC (Sample Return Capsule), манипулятор TAGSAM (Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism) и пять научных инструментов.

Астероид Бенну

    Двигательная установка на гидразине включает в свой состав несколько групп двигателей для разных задач. Четыре основных (маршевых) двигателя Aerojet Rocketdyne MR-107S тягой 200 Н применяются для больших коррекций траектории, для торможения на подходе к астероиду и выдачи отлетного импульса при возвращении. Шесть двигателей коррекции траектории MR-106L тягой 22 Н служат для стабилизации аппарата в ходе маневров с помощью основных двигателей, а также для небольших коррекций траектории и для увода КА от поверхности после взятия образцов. Шестнадцать двигателей системы контроля ориентации MR-111G тягой 4.5 Н используются в ходе выполнения точных маневров и для разгрузки маховиков. Наконец, для выполнения сверхточных маневров в ходе сближения с астероидом и взятия пробы аппарат оснащен двумя двигателями MR-401, развивающими тягу всего в 0.07 Н. Интересно, что разработаны они для геостационарного метеоспутника GOES-R, который еще не запущен.
    Следует отметить, что на ранних стадиях проектирования OSIRIS-REx рассматривались и другие варианты: например, использование двухкомпонентной двигательной установки, как на Juno, или электрореактивной, как на КА Dawn или Hayabusa-2. Однако характер орбиты Бенну и его легкая с точки зрения баллистики достижимость позволили остановиться на менее эффективном, но при этом более простом конструктивно варианте.
    Гидразин размещается в основном титановом топливном баке, имеющем форму цилиндра с полусферическими законцовками длиной 150 см и диаметром 124 см. Объем топливного бака составляет 1.3 м3. Наддув бака осуществляется гелием, который под давлением около 326 атмосфер хранится в баллоне длиной 75.2 см, диаметром 42.4 см и объемом 0.08 м3.
    Сухая масса аппарата OSIRIS-REx составляет 880 кг, масса заправленного изделия - 2110 кг.
    Энергию аппарат получает от двух жестких панелей солнечных батарей общей площадью 8.2 м2 с фотоэлементами на основе арсенида галлия, вырабатывающих мощность от 1226 до 3000 Вт на различных расстояниях от Солнца. Их размах в раскрытом состоянии составляет 6.2 метра. На борту присутствуют две литий-ионные аккумуляторные батареи емкостью З0А-ч для энергообеспечения на внесолнечных участках траектории, включая момент забора грунта.
    Глядя на изображение аппарата, можно задаться вопросом: почему солнечные панели находятся в таком неоптимальном положении? Ведь для обеспечения их максимальной эффективности имеет смысл развернуть их в одну плоскость, нормаль которой направлена к Солнцу? Дело в том, что аниматоры изобразили аппарат в конфигурации, которую он принимает незадолго до сближения с поверхностью и забора образцов. При этом панели действительно отклоняются в сторону от астероида: в таком случае они меньше подвержены воздействию поднятой пыли, и - главное - снижается вероятность их повреждения в случае, если аппарат по каким-то причинам накренится.

Астероид Бенну

    Система навигации и управления включает в свой состав четыре двигателя-маховика для управления ориентацией аппарата в ходе осуществления научной программы, два инерциальных измерительных модуля на основе кольцевых лазерных гироскопов GG1320, два звездных датчика и солнечные датчики. Это стандартный набор для управления движением аппарата в космическом пространстве. В целях навигации относительно поверхности астероида в состав системы включены также навигационный лидар разработки Advanced Scientific Concepts Inc. для определения расстояния до поверхности и камера TAGCAMS для оптической навигации во время фазы забора образцов, созданная Malin Space Science Systems.
    Учитывая большую степень заимствования бортовой аппаратуры от миссий MRO и MAVEN, можно предположить, что в составе аппарата используется бортовой компьютер RAD750.
    Система радиосвязи использует X- и Ка-диапазон и является почти точной копией аналогичной системы миссии MAVEN. Для связи во время полета аппарат оснащен узконаправленной антенной HGA диаметром 2.1 метра, обеспечивающей сброс информации со скоростью 914 кбит/с. Однако эта антенна жестко закреплена на корпусе, поэтому для связи в те периоды, когда ориентация станции не позволяет отслеживать Землю, в первую очередь во время забора грунта, используется средненаправленная антенна MGA. Наконец, две широконаправленные антенны LGA служат в тех ситуациях, когда ни одна из вышеназванных антенн не может видеть Землю: при коррекциях траектории либо при нахождении в безопасном режиме.
    Возвращаемая капсула по своей конструкции аналогична той, что применялась в проекте Stardust для захвата частиц солнечного ветра. Механические элементы практически полностью идентичны, некоторые отличия имеются только в программном обеспечении и внутренних системах.
    Капсула имеет биконическую форму диаметром 81 см и высотой 50 см, полная ее масса составляет 46 кг. Конструкция включает пять основных элементов: лобовой теплозащитный экран, хвостовой обтекатель, контейнер для образцов, парашютную систему и авионику. Экран может откидываться в сторону для загрузки головки заборника в контейнер, осуществляемой манипулятором TAGSAM. Материалом теплозащитного щита является легкий абляционный состав PICA (PhenoLic-Impregnated Carbon Ablator), разработанный в Исследовательском центре имени Эймса специально для работы в условиях, требующих сопротивляемости высоким температурам и механическим нагрузкам. Следует заметить, что эта же технология с некоторыми модификациями применяется и для тепловой защиты кораблей Dragon и Dragon 2 компании SpaceX.
    Хвостовой обтекатель покрыт защитным слоем на основе материала SLA 561V, история которого восходит еще к марсианским «Викингам» 1970-х. Общие характеристики теплозащитного покрытия такие, что позволяют обеспечить температуру капсулы с образцами не выше 75°С и избежать пиролиза органических соединений в грунте.
    На высоте 31 км, когда капсула замедлится до скорости М=1.4, с помощью пиротехнических средств производится наддув парашютного контейнера, сброс крышки и вывод в поток тормозного парашюта. На высоте 3 км тормозной парашют освобождается и вытягивает основной купол диаметром 8.2 метра. После шести минут спуска капсула мягко приземляется в заданном районе.

Наука

«...Кто нам скажет, откуда пришли мы?
Кто нам скажет, куда мы уйдем?»

А. Городницкий

    Ответ на эти в общем-то риторические вопросы может находиться не только среди остатков легендарной Атлантиды, которой посвящена песня знаменитого барда, но и далеко в космосе. Впрочем, обо всем по порядку.

Астероид Бенну

    Основные научные задачи миссии OSIRIS-REx сформулированы в ее названии, которое является аббревиатурой от «The Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer». Это означает: исследование происхождения астероида, снятие его спектральных характеристик и их сравнение с результатами наземных наблюдений, выявление полезных ресурсов, изучение вопроса астероидной опасности, доставка образца взятой пробы для исследования в земных условиях.
    Ну а если снова обратиться к мифологии, то следует вспомнить другого древнеегипетского бога - Осириса, который, согласно верованиям древних египтян, распространил сельское хозяйство по всей дельте Нила, тем самым по сути привнеся в эти края жизнь. Сегодня же OSIRIS-REx стремится взять образцы астероида, в которых ученые надеются обнаружить органические соединения, возможно, положившие начало жизни на Земле.
    Астероид Бенну (Bennu, 1999 RQ36, постоянный номер 101955), открытый проектом LINEAR 11 сентября 1999 г., относительно невелик и в диаметре не превышает полукилометра. Вокруг Солнца он обращается за 436.6 суток (1.2 года), орбита наклонена по отношению к эклиптике на 6.03°. Вроде бы ничего примечательного. Но есть одно обстоятельство: учитывая малую плотность Бенну (1.3 г/см3) и низкое альбедо, есть все основания полагать, что в его составе немалую долю занимают углеродосодержащие компоненты. Значит, согласно принятой теории, он сформировался в ту же эпоху, что и вся Солнечная система, то есть более 4.5 млрд лет назад, и на его поверхности могут содержаться летучие и органические соединения, которые, будучи перенесенными на Землю метеоритами, могли способствовать формированию жизни на нашей планете.
    Таким образом, доставка образцов с астероида будет во многом аналогична путешествию во времени. Именно поэтому так интересно получить образец и провести его анализ, который позволит заглянуть за пределы тех результатов, что могут быть получены дистанционными измерениями или путем изучения метеоритов.
    Но это еще не все. Вспомним про второй вопрос, который тоже вовсе не праздный, особенно с учетом того, что Бенну находится на орбите, афелий которой составляет 1.3559 а.е., а перигелий - 0.8969 а.е. В результате каждые шесть лет эта «гора» массой в 85.5 млн тонн сближается с Землей. Здесь невольно вспомнишь еще и о том, что древнеегипетский Осирис был царем загробного мира, олицетворением смерти и разрушения. Правда, теоретические расчеты показывают, что Бенну, как и регулярно упоминаемый в этой связи Апофис, даже в случае прямого столкновения с Землей не сможет вызвать глобальной катастрофы: для этого астероид должен иметь диаметр от одного километра и более. Однако такая «встреча» гарантированно выливается в чрезвычайную ситуацию трансграничного масштаба с весьма крупными жертвами и разрушениями, особенно в случае падения в океан. Вот почему человечеству есть прямой смысл задуматься о технологиях прогноза и предотвращения таких событий.
    Риск столкновения Бенну с Землей невелик и, согласно расчетам, достигает максимальной величины в 0.037% (то есть один шанс из 2700) в период между 2175 и 2199 гг. Как говорится, время еще есть. Если, конечно,«зевать» не будем.
    Возможно, что именно упомянутые обстоятельства и вытекающие из них научные задачи послужили одной из причин того, что для реализации был выбран именно проект OSIRIS-REx, а не два его весьма интересных конкурента. А именно: миссия MoonRise, предполагавшая доставку вещества из Бассейна Эйткена на Луне, и миссия SAGE, включающая посадку на Венеру и исследование ее поверхности.
    Для выполнения поставленных задач OSIRIS-REx оснащен пятью научными инструментами.

Камера PolyCam
Астероид Бенну

    Комплект OCAMS (OSIRIS-REx Camera Suite) разработки Лунно-планетной лаборатории Университета Аризоны состоит из трех камер различного назначения с общим блоком управления и одинаковыми наборами детекторов площадью 1024x1024 пикселей и размером элемента 8.4 мкм:
    > Камера PolyCam используется для детальной съемки поверхности астероида. В основу камеры положен телеобъектив с апертурой 203 мм и фокусным расстоянием 635 мм, обеспечивающий разрешение на уровне 10" в поле зрения шириной 0.8°. Имеется механизм фокусировки, позволяющий использовать камеру в роли микроскопа. По плану PolyCam должен начать съемку Бенну с 2 млн км, исследовать его поверхность на подлете с разрешением порядка 25 см на предмет крупных камней и других опасностей и закончить наблюдениями грунта с расстояния в единицы сантиметров.
    > Камера МарСат предназначена для картирования поверхности Бенну с дистанции 5 км в панхроматическом диапазоне и четырех цветовых полосах (синий, зеленый, красный и ближний ИК). Она также будет применена для поиска спутников астероида и газовых выбросов, представляющих опасность для КА и для оценки возможных мест взятия грунта. Поле зрения камеры 4°, угловое разрешение - лучше Г. Одно из положений колеса фильтров позволяет перефокусировать камеру для детальной съемки с расстояния около 30 м.
    > Камера SamCam с полем зрения 21° и разрешением 4' нужна для видеосъемки процесса взятия образцов грунта с частотой кадров 1.6 сек и для осмотра приемного устройства на предмет успеха этой операции. На случай загрязнения веществом астероида камера имеет три сменных фильтра.

Комплект OCAMS
Астероид Бенну

    Лазерный альтиметр OLA, предоставлен Канадским космическим агентством (которое в качестве оплаты своего вклада получит 4% собранного вещества) и предназначен для осуществления трехмерной топографической съемки поверхности астероида. В ходе ее должна быть составлена общая модель небесного тела, а также выбраны конкретные места для последующей посадки и взятия образцов. Основой инструмента является лидар - устройство, использующее инфракрасное лазерное излучение для измерения расстояния от космического аппарата до поверхности небесного тела. Конечно, такие приборы уже неоднократно применялись в космосе, и из числа наиболее ярких примеров следует назвать миссии Mars Global Surveyor и Lunar Reconnaissance Orbiter. Однако на обеих этих станциях лидар был жестко зафиксирован на корпусе космического аппарата, из чего следовало, что и направление излучения определялось ориентацией последнего. В результате не только вносились существенные ограничения в зону покрытия, но и снижалось пространственное разрешение. По заявлению специалистов компании Lockheed Martin, альтиметр 0LA является первым подвижным, то есть сканирующим, устройством такого класса, примененным в планетных миссиях.

Лазерный альтиметр OLA
Астероид Бенну

    В ходе научной программы с помощью этого прибора будет осуществлено более 6 млрд измерений. В принципе лазерный высотомер, установленный на LRO, в ходе топографической съемки поверхности Луны произвел 6.8 млрд «выстрелов», но следует помнить, что диаметр Луны составляет почти 3500 км, в то время как поперечник Бенну меньше в 7000 раз, а площадь - в 50 млн раз. Таким образом, ожидаемой точности и детальности картографирования, пожалуй, не было аналога в межпланетной космонавтике.
    Конечно, для выбора места посадки будут использоваться не только результаты альтиметрии, но и изображения в видимом диапазоне. Впрочем, карта астероида будет иметь и самостоятельное геологическое значение. Более того, по заверениям ученых, из обработки результатов измерений можно будет понять, как ведет себя реголит, покрывающий поверхность, в условиях микрогравитации. А это уже имеет значение для возможных будущих пилотируемых миссий к астероидам.
    Планы исследований предполагают составление нескольких моделей поверхности астероида. Первая из них предназначена для решения навигационных задач - определения тех участков поверхности, где аппарат сможет безопасно приблизиться к астероиду. Вторая поможет установить участок, обеспечивающий наилучший контакт с поверхностью манипулятора в ходе забора проб.
    Третья модель служит для поиска наиболее подходящего и интересного для отбора проб материала. Дело в том, что головка заборного устройства может работать с пылью и небольшими обломками размером до 2 см. Определить состояние поверхности специалисты намерены, анализируя изображения, а также измеряя уклон поверхности и излучаемые тепловые потоки: грубые, скалистые зерна будут поглощать больше тепла от Солнца и медленно остывать в течение ночи астероида. Мелкозернистые же частицы, наоборот, при попадании на затененную сторону теряют тепло очень быстро.
    Будет и четвертая карта - обзорная, для сравнительного анализа наиболее ценных и интересных с научной точки зрения областей.
    При подготовке картографирования специалистам уже пришлось решить ряд подготовительных задач: в частности, определить, какой из полюсов Бенну является северным (астероид вращается в направлении, противоположном вращению Земли, то есть и полюса его инвертированы по отношению к плоскости эклиптики), и выбрать нулевой меридиан, проходящий через наиболее заметное возвышение на поверхности. Впрочем, это решение еще может быть пересмотрено в зависимости от того, что увидит аппарат на поверхности.
    Конечно же, основной и наиболее ценной целью миссии должна стать доставка на Землю астероидного вещества. Однако для того, чтобы достичь успеха, следует брать образцы не из первого попавшегося места, удобного для посадки, а с того участка поверхности, где наиболее вероятно встретить желанные «жизнеобразующие» элементы. Для выбора этого участка аппарат оснащен спектрометром видимого и инфракрасного диапазона OVIRS. Данный прибор улавливает видимое и инфракрасное излучение, отраженное поверхностью Бенну, и потом, разлагая его по диапазонам длин волн, определяет спектральные признаки присутствия интересующих ученых соединений или минералов.

Спектрометр видимого и инфракрасного диапазона OVIRS
Астероид Бенну

    Еще на подлете OVIRS будет осуществлять мелкомасштабную, «обзорную» съемку, когда в поле зрения попадет астероид целиком, поставляя различные участки своей поверхности. Результаты этих исследований будет особо интересно сравнить с теми, что уже были получены с использованием наземных средств наблюдения.
    Несмотря на глобальность решаемых задач, сам прибор весьма компактен и потребляет всего 10 Вт мощности. Другой его особенностью и отличием от многих других спектрометров является отсутствие движущихся частей, что снижает вероятность поломки. При этом перед конструкторами спектрометра встали, как минимум, две серьезные проблемы. Первая - это минимизация нагрева прибора и влияния рассеянного внутреннего теплового излучения на результаты измерений. Эта задача решена путем анодирования внутренней поверхности прибора. Вторая проблема состояла в нивелировании любых следов влаги, которая могла накопиться в приборе за время ожидания старта во влажном климате Флориды и затем, уже в ходе миссии, выдать себя за воду на астероиде. Не желая быть введенными таким образом в заблуждение, специалисты предусмотрели возможность принудительного удаления влаги после старта с помощью особых нагревателей.
    Этот прибор будет работать в паре с другим устройством - термоэмиссионным спектрометром OTES. Как несложно догадаться из названий, если первый прибор картографирует поверхность астероида в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, то второй отвечает за тепловой инфракрасный диапазон. Информацию, собранную обоими приборами, специалисты будут использовать для изучения эффекта Ярковского и его влияния на орбитальное движение Бенну. И вот на этом аспекте следует остановиться подробнее.

Термоэмиссионный спектрометр OTES
Астероид Бенну

    Эффект Ярковского является теоретическим следствием неравномерного нагрева поверхности вращающегося небесного тела, которое нагревается со стороны, обращенной к Солнцу, и, напротив, отдает тепло с противоположной стороны. Асимметричность теплового излучения приводит к возникновению реактивной силы, ничтожной по абсолютной величине, но вполне способной оказать влияние на орбиту астероида, если рассматривать длительный отрезок времени. Величина же этой силы зависит от альбедо поверхности. Такой способ является одним из рассматриваемых в настоящее время способов активного управляемого воздействия на крупные опасные астероиды. И для уточнения существующих теорий весьма важно изучить влияние рассматриваемого эффекта на практике.
    Третьим спектрометром миссии является REXIS, предназначенный для исследования поверхностного реголита уже в рентгеновском диапазоне. Его отличие от двух предыдущих заключается в том, что он будет искать не признаки присутствия органики, а изучать состав самого планетного тела в целом на атомарном уровне. Примечательно, что прибор этот был выбран из числа предложенных студентами и построен объединенной командой Массачусеттского технологического института и Гарвардского университета. Более того, анализ данных, собранных REXIS, будет являться частью курсовых работ, проводимых в университетах.
    «Это был удивительный опыт для студентов, - считает Ребекка Мастерсон (Rebecca Masterson), руководитель программы инструмента и помощник главного исследователя из Массачусеттского технологического института. - Они видят, как миссия развивается и что требуется для того, чтобы добраться до точки старта, как идея развивается от концепции до завершения, и на самом деле играют реальную роль в успехе».
    «Мы вдохновили много студентов. Они - наше следующее поколение космических ученых и инженеров, они уже оказали глубокое влияние на нашу способность идти дальше и исследовать дальний космос», - убежден Дэвид Миллер (David Miller), главный технолог NASA и бывший руководитель команды REXIS в МП.

Взятие проб TAGSAM
Астероид Бенну

    Взятие пробы планируется осуществить с помощью специального устройства TAGSAM, название которого дословно расшифровывается, как Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism. Оно представляет собой механический манипулятор длиной 3.3 метра с установленным на нем заборным устройством диаметром 0.3 метра. При сближении аппарата с поверхностью астероида манипулятор должен коснуться поверхности хотя бы на 5 секунд. За это время в заборник будет выпущен поток азота: он, по замыслу конструкторов, должен «взметнуть» частицы пыли и мелкие осколки, которые затем будут «засосаны» в заборник. Газа, по расчетам, должно хватить на три попытки, а вот сколько при этом удастся собрать вещества - пока точно угадать нельзя. Однако специалисты надеются, что в распоряжении ученых окажется не менее 60 граммов, а максимальная масса, на удержание которой рассчитан заборник, составляет два килограмма.

Астероид Бенну

    Правда, при таком способе забора грунта возникает опасность, что пыль может осесть на оптические поверхности, а более крупные обломки - даже повредить конструкцию. Поэтому при проектировании пришлось решить сложную задачу моделирования течения газа и возможного перемещения вовлеченных в его поток частиц. В результате специалисты заключили, что все элементы, необходимые для обратного полета, пострадать не должны. Тем не менее на один из лидаров была установлена дополнительная защитная крышка - на тот случай, если понадобится его использовать при второй и третьей попытках взятия грунта.
    В случае, если бесценный груз благополучно переживет обратный путь и вход в атмосферу, 20% собранного вещества останутся в собственности команды ученых миссии, 4% будут переданы Канадскому космическому агентству, а полпроцента отправится в Японию в рамках соглашения о сотрудничестве, принятом еще в ходе работы над проектом Hayabusa. Оставшиеся три четверти сохранят для изучения в будущем с помощью новых инструментов, если таковые будут изобретены.
    В заключение заметим, что миссия OSIRIS-REx будет второй после японского зонда Hayabusa и первой американской миссией по доставке на Землю образцов вещества астероида - в других проектах доставлялись только небольшие пробы кометного и межзвездного вещества и частицы «солнечного ветра».
    Утверждение же о том, что при этом будет осуществлена самая массивная доставка инопланетного вещества на Землю со времен «Аполлона» (в ряде источников оно приписывается Джейсону Дворкину (Jason Р. Dworkin), председателю астрохимической лаборатории Центра космических полетов имени Годдарда), действительности не соответствует, поскольку в 1976 г. советской станцией «Луна-24» было доставлено на Землю 170 граммов лунного реголита. К сожалению, на фоне уже более чем четвертьвекового отсутствия России в межпланетном пространстве этот факт сегодня имеет преимущественно историческое значение.
По материалам: И. СОБОЛЕВ
"НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ"

2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru