Hayabusa над астероидом Итокава

Малые тела Солнечной системы

Hayabusa над астероидом Itokava

12 сентября японская межпланетная станция Hayabusa, носившая до запуска название Muses-C, прибыла к своей цели – астероиду Итокава.
Напомним, что японский аппарат был запущен 9 мая 2003 г. и выполнил успешный пролет Земли 19 мая 2004 г. с пертурбационным маневром в ее гравитационном поле. Вскоре после пролета Земли, в последних числах мая, вновь была включена бортовая электрореактивная двигательная установка, в задачу которой входило вывести аппарат в окрестности кометы и уравнять их скорости.

Суммарная продолжительность работы двигателей за период полета на малой тяге.

Hayabusa: над астероидом Итокава

    Параметров орбиты станции непосредственно после гравитационного маневра и ухода от Земли найти не удалось. По состоянию на 10 августа 2004 г. гелиоцентрическая орбита станции имела параметры:

    >- наклонение – 1.498°;
    >- перигелий – 1.0099 а.е.;
    >- афелий – 1.7245 а.е.;
    >- период обращения – 583.9 сут.

Подлет

«Промежуточный итог» полета станции был подведен в сообщении от 9 декабря – в нем говорилось о работе электрореактивной ДУ, которую мы обсудим позже. После этого в течение восьми месяцев о полете «Хаябусы» ничего не было слышно – новое сообщение появилось лишь 15 августа 2005 г.
Как оказалось, во-первых, аппарат был уже успешно выведен в окрестности Итокавы. 12 августа станция находилась всего в 35000 км от астероида и приближалась к нему со скоростью 38 м/с.

Снимки астероида Итокава за 10-11 сентября с борта «Хаябусы»

    Астероид Итокава (предварительное обозначение 1998 SF36, постоянный номер 25143) был открыт 26 сентября 1998 г. группой LINEAR Линкольновской лаборатории Массачусеттского технологического института и недавно назван в честь профессора Хидео Итакава (Hideo Itokawa, 1912–1999), который считается «отцом японской космической программы».
    Итокава – один из примерно 1100 известных астероидов, сближающихся с Землей, из которых он выделяется наименьшим значением характеристической скорости, необходимой для его достижения (всего 4.29 км/с). Параметры орбиты астероида по состоянию на 20 марта 2005 г. составляли:

    >- наклонение – 1.622°;
    >- перигелий – 0.9531 а.е.;
    >- афелий – 1.6947 а.е.;
    >- период обращения – 556.4 сут.

    Можно отметить, что они немного изменились по сравнению с предыдущими. Причин может быть две: или орбиту уточнили по новым измерениям, или она действительно немного «плывет» под действием возмущений от больших планет.
    До прилета КА Hayabusa размеры астероида оценивались в 0.55x0.31x0.28 км, плотность в 2.5 г/см³, период обращения в 12.132 часа. Данные о составе поверхности (спектроскопия в видимом и ИК-диапазоне) позволяли отнести астероид к классу хондритов.

Hayabusa: перед встречей с Итокава

    Во-вторых, в сообщении от 15 августа говорилось об успешной съемке астероида Итокава с борта станции: в общей сложности 24 снимка были сделаны звездным датчиком 29–30 июля, 8–9 и 12 августа. Астероид не только оказался в предсказанном месте среди звезд, но и блеск его изменялся синхронно с ожидаемым вращением Итокавы. С этого момента аппарат перешел на «гибридный» метод навигации: по данным радиоконтроля орбиты с Земли и оптических измерений с борта.
    В-третьих, выяснилось, что 31 июля 2005 г. на борту произошел отказ одного из трех маховиков, являющихся исполнительными органами системы ориентации и стабилизации. В маховике, «отвечающем» за ось X, трение возросло до такой степени, что он остановился. Благодаря тому, что в бортовом ПО был предусмотрен режим ориентации лишь на двух маховиках, аппарат продолжил полет по программе. Резерва, однако, больше не было.
    23 и 24 августа, когда расстояние уже стало менее 10000 км, цель смогла увидеть оптическая навигационная камера ONC-T.
    С «точки зрения» аппарата, астероид находился на границе созвездий Гидры и Секстанта.
    28 августа полет в режиме малой тяги закончился. Финальная точка лежала в 4800 км от астероида (по плану – 3500 км), а остаточная скорость сближения была около 9 м/с. Суммарная продолжительность работы двигателей составила 25800 часов (причем один из двигателей отработал 10400 часов), общий расход ксенона – 22 кг, суммарное приращение скорости – 1400 м/с.

Хроника малой тяги

    В первые месяцы полета Hayabusa шла на трех электрореактивных двигателях из четырех имеющихся. Первый перерыв режима малой тяги сделали в декабре 2003 г. на Рождество и Новый год, второй – в апреле–мае 2004 г. для гравитационного маневра у Земли. В сентябре 2004 г. уровень тяги пришлось снизить, так как станция удалялась от Солнца, и уменьшалась мощность, снимаемая с солнечных батарей. В середине октября был отключен один из трех работающих двигателей, а после рождественских и новогодних «каникул» разгон был возобновлен всего на одном двигателе.
    Первоначальным планом полета такие меры «жесткой экономии» не предусматривались, но после большой солнечной вспышки в конце 2003 г. эффективность солнечных батарей заметно снизилась. Из-за невозможности идти с расчетным уровнем тяги пришлось сдвинуть дату прибытия зонда к астероиду с июня на сентябрь 2005 г.
    Второй двигатель удалось подключить лишь в первых числах мая 2005 г., когда афелий орбиты остался позади. Однако во второй половине июня станция зашла за Солнце, и ввиду невозможности контроля двигатели отключили совсем. В последних числах июля Hayabusa продолжила полет на малой тяге, причем в этот последний месяц вновь работали три двигателя.

Вход в зависание

    С 28 августа за подвод станции к астероиду отвечали малые двухкомпонентные ЖРД.
    1 сентября расстояние сократилось до 1900 км, а относительная скорость – до 5 м/с. 3 сентября протестировали научную камеру AMICA, сделав снимки в семи спектральных диапазонах (380, 420, 540, 700, 860, 940 и 1000 нм). Был проверен в режиме излучения и лазерный высотомер, предназначенный для выдачи команды на зависание на высоте 20 км.
    Утром 4 сентября Hayabusa была примерно в 1000 км от цели. С этого расстояния оптическая навигационная камера смогла уже рассмотреть продолговатую форму Итокавы, причем наблюдаемая «картинка» совпадала с расчетной. На серии из 20 навигационных снимков, сделанных 6 сентября, удалось проследить половину периода вращения астероида.
    7 сентября до Итокавы оставалось 350 км; сближение сменилось «подкрадыванием» со скоростью всего 2 м/с. Снимки камеры AMICA становились все четче; 9 сентября была видна уже не только продолговатая форма астероида, но и кратеры на его поверхности. На снимке, сделанном всего за полтора часа до зависания, можно было рассмотреть странную форму астероида и заметные контрасты на его поверхности: часть ее была холмистой и каменистой, а другая – гладкой.

Hayabusa: над астероидом Итокава

    12 сентября в 10:00 JST (01:00 UTC) по бортовому времени Hayabusa «обнулила» скорость подхода (около 0.07 м/с) и вошла в зависание на высоте 20 км. На Земле подтверждение этому было получено через 17 минут, которые шел радиосигнал. Оптические измерения позволили проследить, как изменяется угол КА – Итокава – Земля, и определить движение станции в плоскости, перпендикулярной к направлению на Землю. Лазерный высотомер через два часа после зависания показал расстояние около 20.25 км. «Вторая космическая скорость» на этом расстоянии оценивалась в несколько сантиметров в секунду, а остаточная скорость сближения – всего в 0.25 мм/с.
    Следует подчеркнуть, что станция не вышла на орбиту вокруг астероида, а выполнила зависание приблизительно на линии Земля – Итокава. Точка прибытия в плане полета значилась как «Ворота» (Gate Position). Здесь японский аппарат мог бы «висеть» достаточно долго. Правда, боковые скорости на уровне всего 1 см/с означали бы уход за сутки на угол порядка 3°, если отсчитывать его от центра астероида.
    А так как поле зрения узкоугольной камеры имело ширину 6°, был задействован режим автоматической коррекции положения – оптическая гибридная навигация.
    15 сентября начались регулярные научные наблюдения, план которых выглядел так. Первые три месяца предполагалось вести съемку Итокавы с высоты 7 км, при хорошо освещенной поверхности (фазовый угол не более 20–25°, направления на Землю и на Солнце почти совпадают). Эту рабочую точку назвали «Дом» (Home Position).
    Вторую фазу съемки планировали провести из точки вблизи терминатора – она была рассчитана на неделю. После этого КА должен был вернуться в точку «Дом» и выполнить серию из трех спусков на поверхность Итокавы с забором образцов грунта суммарной массой около 1 г. Образцы помещались в возвращаемую капсулу, в которой они должны вернуться на Землю (вблизи Вумеры в Австралии) в июне 2007 г.

Маневрирование и съемка

С 12 по 21 сентября станция осуществляла осторожное маневрирование в вертикальном направлении, снизившись 19 сентября до 15 км и затем вновь поднявшись до 19 км.
Боковые отклонения не превышали 0.6°. Параллельно Hayabusa отсняла экваториальную полосу астероида с нескольких десятков точек. Руководители проекта приняли решение не публиковать в реальном времени снимки высокого разрешения и оставить за научной группой «право первой ночи». Вся научная аппаратура работала штатно.

Hayabusa: над астероидом Итокава

22 сентября были объявлены условные названия трех районов на поверхности Итокавы. Гладкая равнина «на стыке» двух половинок астероида была названа Море Мьюзес (Muses Sea, по техническому обозначению аппарата Muses-C и по имени греческих муз). Один крупный кратер получил имя Залив Утиноура (по месту запуска КА), а второй – Пустыня Вумера (по расчетному району посадки).
26 сентября аппарат впервые снизился до 12 км, а 30 сентября вышел в точку «Дом» на высоте всего 6.8 км. В тот же день аппарат выдал импульс в 5 см/с, чтобы подняться в исходное положение.

Второй отказ

    3 октября в 08:08 UTC на борту КА отказал второй маховик, «отвечающий» за ось Y. Бортовая система управления сохранила ориентацию станции, и теперь использовались совместно третий маховик (ось Z) и микродвигатели. Но этот отказ означал, что запасы топлива для ЖРД будут расходоваться намного быстрее, чем до аварии, и что запланированную программу исследований нужно сокращать и «уплотнять».
    На момент опубликования сообщения об аварии (4 октября) все последствия ее еще не были просчитаны и план работ не сформирован. Предварительные наметки группы управления таковы. Глобальное картирование астероида уже почти закончено. Навигационная группа строит по этим данным трехмерную модель Итокавы и модель гравитационного поля, которые предстоит проверить в пробном спуске к поверхности. На середину октября запланирована съемка высокоширотных районов Итокавы и выбор места посадки.
    В ноябре намечены «генеральная репетиция» спуска и два реальных подхода к поверхности для забора грунта вместо трех по первоначальному плану. Отбытие станции к Земле запланировано на начало декабря 2005 г.

Автор: П. ПАВЕЛЬЦЕВ, "НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ"