Космический зонд Hayabusa и астероид Итокава

Малые тела Солнечной системы
Космический зонд Hayabusa и Итокава

Аппарат Hayabusa и астероид Itokawa во время заключительной стадити миссии находились на расстоянии около 300 млн км от Земли. Свет (и радиоволны) преодолевают такое расстояние примерно за 17 минут, поэтому в случае возникновения на зонде какой-то аварийной ситуации нужная команда с наземного ЦУПа может придти слишком поздно. Так что зонд Hayabusa был сконструирован с расчетом на автономное пилотирование. Для этого на нем имеется бортовая камера и лазерный радар, с помощью которых бортовой компьютер может составить представление о форме и рельефе астероида и принять решение о сближении с астероидом и выборе места посадки.

6 сентября 2005. Японский космический аппарат Hayabusa вышел на орбиту астероида Итокава. Зонд, прежде известный под названием MUSES-C, был запущен в мае 2003 года, чтобы доставить пробу астероидного вещества на Землю. По сообщению JAXA, утром 4 сентября Hayabusa находился всего в 1000 километров от цели, куда он двигался со скоростью 10 километров в час. Астероид Итокава - сильно вытянутое тело длиной около 600 метров и диаметром около двухсот. Путешествие не обошлось без серьезных проблем: в июле и октябре 2005 года на аппарате вышли из строя два гироскопа системы стабилизации, которая должна обеспечивать устойчивое положение зонда на околоастероидной орбите. В работоспособном состоянии остался только один гироскоп, поэтому для удерживания зонда приходилось включать маневровые двигатели. Специалистам ЦУПа удалось разработать такую схему работы системы ориентации, чтобы максимально снизить незапланированный ранее расход топлива на эти цели. И у ученых еще была надежда, что программу миссии удастся выполнить в полном объеме. Однако Из-за поломок в программу миссии были внесены определенные коррективы. Например, на месяц было сокращено время работы зонда в окрестностях астероида. Кроме того, вместо трех кратковременных посадок Hayabusa должен был выполнить только две. Но перед ними будет проведена репетиция спуска. Репетиция была намечена на 4 ноября. А касания астероида со сбором образцов грунта запланированы на 12 и 25 ноября.
12 сентября. Зонд оказался в 20 километрах от поверхности небесного тела и выполнил более подробную съемку поверхности астероида. На снимках видно, что на малой планете есть равнины и горы, причем по ландшафту ученые надеются восстановить историю астероида. Космический аппарат начал составлять карту Итокавы. Как отмечают в японском космическом агентстве (JAXA), земные лаборатории располагают только пробами лунного грунта, а вещество с других планет или малых тел Солнечной системы попадало на Землю только естественным путем - в виде метеоритов.

9 мая 2003 г. в 13:29:25 местного времени (04:29:25 UTC) со стартового комплекса Космического центра Кагосима (Утиноура, Япония) был выполнен пуск твердотопливной РН M-5 №5. С помощью дополните-льной ступени KM-V2 ракета вывела на межпланет-ную траекторию японскую межпланетную станцию Muses-C, предназначенную для доставки грунта с одного из сближающихся с Землей астероидов.

Астероид Итокава и аппарат Хаябуса

    Встречу зонда Hayabusa с астероидом Итокава, назначенную на 4 ноября, перенесли на неопределенный срок. Когда Hayabusa начал сближаться с небесным телом 3 ноября, из-за переданного им "аномального сигнала" спуск прекратили. Расстояние между двумя телами в этот момент составляло немногим менее километра. Предполагалось, однако, что Hayabusa подойдет к астероиду почти вплотную и "уронит" на него миниатюрный зонд MINERVA, способный перемещаться по неровному грунту прыжками.
    Попытка высадить на астероид Итокава исследовательский робот Minerva с японского зонда Hayabusa завершилась неудачей. В субботу 12 ноября по команде Японского космического агентства от зонда, находившегося в 60 метрах от поверхности астероида, отделился робот Minerva, который имел цилиндрическую форму (10 сантиметров в высоту, 12 сантиметров в диаметре, на капсуле были выгравированы имена 877490 людей, отметившихся перед запуском на сайте миссии) и весил 591 грамм. Стоимость робота составляет около $10 миллионов. Он был оборудован устройством для передвижения прыжками в 5-10 метров, облицован солнечными батареями, тремя видеокамерами и шестью высокочувствительными сенсорами. Робот должен был исследовать поверхность небесного тела, однако Агентство сразу же потеряло с ним связь и не исключало, что он мог улететь в открытый космос из-за низкой силы притяжения на астероиде, составляющей всего одну стотысячную от земной. Тогда началась подготовка к посадкам на астероид самого зонда для сбора проб грунта, которая была намечена на 19 и 25 ноября.
    На 20 ноября была назначена первая попытка "посадки" японского зонда Hayabusa на поверхность астероида Itokawa. Однако, по сообщению Японского космического агентства JAXA, первое касание астероида не удалось. Hayabusa снизился до высоты 40 м над поверхностью, сбросил мишень, которую он должен был использовать в качестве ориентира при касании, а затем спустился до 17 м. И в этот момент наземный ЦУП потерял связь с зондом примерно на 3 часа. Затем связь появилась, но запланированного маневра Hayabusa выполнить не смог (как сначало посчитали ученые). Из-за сбоя, причина которого была не выяснена, зонд перешел в автономный режим работы, записал информацию о состоянии своих систем и передал ее в наземный ЦУП для анализа.
Нормальная "посадка" на астероид

    Чуть позже было объявлено, что японский космический зонд "Хаябуса" все же коснулся астероида Итокава 20 ноября 2005 года, но не смог взять пробы вещества астероида. К такому выводу пришли специалисты японского аэрокосмического агентства (JAXA) после обработки и изучения данных, переданных космическим аппаратом на Землю. Детальный анализ данных, полученных со станции "Хаябуса", из которых следует, что аппарат все-таки приземлился и провел на астероиде полчаса. Согласно отчету JAXA, "Хаябуса" начал снижение в 12 часов по Гринвичу 19 ноября с высоты 1 км. Системы навигации и наведения работали нормально, и в 17 часов 30 минут 19 ноября зонду была подана команда с Земли совершить посадку на заранее намеченный участок поверхности Итокавы. Отклонение от точки предполагаемого приземления по предварительным оценкам составило 30 см. Получены также траектории движения астероида и "Хаябусы" и информация о динамике изменения высоты аппарата над астероидом. Навигационный маркер (небольшой шар с отражательным покрытием) был выпущен аппаратом и достиг поверхности астероида - этот факт подтверждают полученные снимки. Зонд продолжил снижение и в 18 часов 40 минут на расстоянии 17 м от поверхности Итокавы перешел к финальной стадии посадки. Сразу после этого связь с аппаратом была потеряна и возобновилась только 20 ноября в 0 часов 30 минут. Тем не менее, информация с зонда, полученная JAXA, свидетельствует о том, что зонд опустился на поверхность Итокавы и оставался там полчаса. Повторная попытка посадить зонд была запланирована на 25 ноября 2005 года. "На сегодня это первое успешное приземление японской космической станции на астероид Итокава", - сообщает JAXA. Предыдущие попытки познакомиться с астероидом оказались неудачными - 12 ноября 2005 года был потерян миниатюрный робот "Минерва", который зонд попытался выпустить на астероид.
    25 Ноября 2005 Японский зонд Hayabusa достиг поверхности астероида Итокава и взял образцы грунта, чтобы доставить их на Землю. Космический аппарат находился на поверхности Итокавы всего несколько секунд. Судя по полученным Японским космическим агентством (JAXA) данным, зонд работал в штатном режиме, забор грунта прошел успешно. Через четыре дня у зонда Hayabusa обнаружили утечку газа из ионного двигателя. Представитель JAXA Ацуси Ако заявил, что по этой причине зонд стал двигаться неравномерно, и его пришлось перевести в "безопасный режим". Солнечные панели аппарата развернули к Солнцу, чтобы, аппарат выравнил свою траекторию. Ионный двигатель, встроенный в японский космический аппарат, разгоняет его за счет выбрасываемой наружу плазмы, то есть ионизированного инертного газа. Первоначально на борту находилось около 65 килограммов ксенона. Кроме того, у Hayabusa есть обычный реактивный двигатель, с помощью которого осуществляют маневры.
    30 Ноября 2005 вышло сообщение, что японский космический зонд "Хаябуса" испытывает проблемы с реактивными двигателями. Связь с зондом была практически потеряна в понедельник, 28 ноября, и только во вторник, 29 ноября, специалисты JAXA получили сигнал от "Хаябусы". "Если не удастся оживить двигатели, возвращение зонда на Землю станет невозможным", - сообщил руководитель проекта профессор Юнихиро Кавагучи (Junichiro Kawaguchi). 29 ноября удалось восстановить работу вспомогательной антенны, 1 декабря с помощью этой антенны были получены телеметрические данные. Правда, скорость передачи информации составляла всего 8 бит в секунду, связь была слабой и часто прерывалась. Но полученная информация позволила определить, что возникли серьезные неполадки в системе ориентации и в системе электропитания. Примерно 1 декабря окончательная потеря энергии привела к отключению либо частичной перезагрузке большинства бортовых инструментов. 2 декабря была сделана попытка вновь запустить химический двигатель аппарата, но полноценной его работы добиться не удалось: тяга есть, но она очень слабая. 3 декабря выяснилось, что основная антенна зонда отклонилась от заданного направления на 10°. Чтобы восстановить нужную ориентацию аппарата пришлось выпустить струю ксенона из ионного двигателя. 5 декабря основная антенна заняла правильное положение и удалось получить новую порцию телеметрической информации. По данным на 6 декабря расстояние между зондом Hayabusa и астероидом Itokawa составляло около 550 км, а между зондом и Землей - 290 млн км. Сам зонд в это время двигался в сторону Земли с относительной скоростью около 5 км/час. 9 декабря связь с аппаратом потеряна полностью.

Зонд "Хаябуса": встреча с астероидом Итокава (составлена карта астероида)



Зонд Hayabusa приступил к съемкам астероида, с текущей дистанции он сможет также выявить состав поверхности астеорида, просто анализируя спектр отраженного Итокавой солнечного света. Вид долгожданного астероида удивил японцев. Его форма (548х312х276 м) оказалась подобна узловатой картофелине - это совсем не похоже на то, что предсказывалось на основании радарных обследований. Грани этого астероида кажутся странно закругленными. Возможно, мы имеем дело с последствиями "обработки" Итокавы другими небесными телами. К тому же на поверхности астероида вроде бы удается выявить наличие некоторого количества пыли и мелких камешков, оставшихся от давних столкновений. Все это также вызывает удивление, поскольку небольшие астероиды, не обладающие сколько-нибудь заметным гравитационным полем, по предварительным расчетам, не должны были бы иметь на своей поверхности так называемого реголита (то есть мелкообломочного материала).

Зонд "Хаябуса": встреча с астероидом Итокава (посадка и отбор образцов поверхностного грунта астероида)

23 января удалось поймать немодулированный несущий сигнал. Как выяснилось угол между направлением на землю и осью антенны составлял 70 градусов и продолжал уменьшаться, а сам аппарат вращался со скоростью 7 градусов в секунду. Весь февраль шаг за шагом восстанавливалось состояние аппарата, а в первых числах марта уже удалось нормально снять телеметрию. Из полученных данных следует что минимум 1 раз аппарат пережил полную потерю электропитания, его литий-ионая батарея полностью вышла из строя в результате короткого замыкания и более не работоспособна. Датчики показывает нулевое давление в баке окислителя, он либо весь вытек, либо что-то еще. Запасы ксенона остались неизменными. В феврале на зонд был загружен новый софт для осуществления ориентации на ксеноне, с помощью чего зонд и удалось развернуть. На борту имеется 42-44 кг ксенона, чего достаточно для возвращения, однако состояние ионных двигателей и многих других систем пока неизвестно. В данный момент Хаябуса находится в 13000 км от Итокавы и удаляется от нее со скоростью 3 м/с. Обратный полет планируется начать в начале 2007 года, прибытие к земле в 2010. Только 9 марта 2006 более или менее нормальная связь с аппаратом восстановлена. впервые за три месяца удалось оценить траекторию аппарата. Шансы на полное восстановление связи составляют 60-70% (к 2007 году).

Возвращение капсулы с астероидным веществом на Землю было отложено на три года. Так как аппарат не успел воспользоваться "окном", во время которого можно было бы выбрать оптимальный обратный путь. После того как зонд дважды соприкоснулся с астероидом Итокава, он должен был в начале декабря отправиться обратно. Однако в японском Центре управления полетами обнаружили, что этому мешает утечка криптона из ионных двигателей. Когда выяснилось, что быстро устранить неисправность не удастся, возвращение капсулы на Землю перенесли на июль 2010 года.

Процесс забора образцов: технич. описание "Хаябуса"

    По плану японский аппарат предпримет две попытки спуститься к поверхности астероида и даже коснется ее. Каждая такая попытка будет сопровождаться обстрелом поверхности Итокавы специальными танталовыми гранулами, вылетающими со скоростью 300 метров в секунду, и забором отлетающих осколков и пыли в специальный конус из эластичного материала. Предполагается, что таким образом можно будет получать по 100 миллиграммов материала, подброшенного соударением.
    Заборы образцов грунта производится в режиме зависания при нулевой вертикальной и боковой скорости. Для обеспечения этого режима предварительно, с высоты 30–100 м, на поверхность сбрасывается мишень диаметром 10 см с люминесцентным покрытием, отражающим лазерный луч. Дальнейший спуск выполняется с использованием данных навигационных камер ONC (их две – широкоугольная с полем зрения 30x30° и телескопическая с полем зрения 5x5°), двух лазерных дальномеров LRF (Laser Range Finder) и веерных датчиков FBS (Fan Beam Sensor). Дистанционное управление с Земли на этапе спуска, разумеется, невозможно из-за большого времени радиообмена (более 20 мин). Незадолго до касания бортовой ЖРД выключается, чтобы не загрязнить поверхность, и аппарат свободно падает до касания – очень медленно, так как ускорение свободного падения на астероиде не превышает 0.1 мм/с².
    Иверсальное устройство забора образцов грунта имеет массу около 10 кг и выполнено в виде воронки наибольшим диаметром 40 см и длиной 100 см. В момент касания встроенное пиротехническое устройство выстреливает вниз металлической пулькой массой 5 г со скоростью 300 м/с. Часть выбитого из поверхности материала проникает по воронке в приемную ловушку, откуда будет перегружена в возвращаемую капсулу. Проходит всего одна секунда после касания – и аппарат включает двигатель, поднимается на 100 м и ждет. Возвращаемая капсула имеет диаметр 40 см, длину 25 см и массу около 20 кг. Носовая часть капсулы покрыта абляционной теплозащитой толщиной 3 см, способной защитить ее после входа в атмосферу на скорости 12–13 км/с. Капсула рассчитана на перегрузки на уровне 25g, причем уровень тепловых нагрузок будет в несколько раз выше, чем испытывали спускаемые аппараты кораблей Apollo. Для облегчения поисковых работ она оснащена радиомаяком.
    Отдельным по существу аппаратом на борту Muses-C является «робот-попрыгунчик» Minerva, также разработанный силами ISAS. Он оснащен стереокамерами, термометром и пенетраторами («иглами») для исследования физических характеристик грунта.