Космические аппараты в солнечной системе

(КА в режиме пролета и посадки (встречи) – более 100 к телам СС, искл.Плутон)

NEAR – к Matilde и Eros (запуск в 1996г, в 2001 мягкая посадка);

CONTOUR – запуск в 2002 (в 2003 г. пролет кометы Encke);

STARDUST –запущен в 1999г, забор вещества кометы Вильда в 2004г и доставка его на Землю в 2006 году;

DEEP-IMPACT – запускв 2004 (в июле 2005 – «встреча» с кометой Tempel-1);

ROSETTA – ккомете Чурюмова/Герасименко (запуск в 2004, в 2011 мягкая посадка на комете Wirtanen, в 2014 встреча с кометой Ч/Г – 211 дней);

DAWN – к Церере и Весте (2007-2014), проект DAWN - запуск в 2007 году на орбиту малых планет Веста и Церера (2007-2015) с целью изучения происхождения и эволюции солнечной системы на ранних этапах.

Космический аппарат «NEAR-Shoemaker» (Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker) является одним из наиболее успешно осуществленных в США проектов космических миссий к астероидам. КА NEAR было присвоено имя Shoemaker в честь крупного американского ученого Юджина Шумейкера (1928–1997), который был не только одним из инициаторов данного проекта, но и внес большой вклад в понимание и разработку проблемы астероидной опасности. Он провел детальное изучение знаменитого Аризонского кратера (диаметр - 1200 м, глубина – 175 м, возраст - 49 тыс. лет) и доказал его ударное происхождение.

Основная цель проекта - всесторонние исследования одного из крупнейших астероидов, сближающихся с Землей, 433 Эроса. Он был открыт в 1898 году как первый из астероидов, орбита которого находится не в главном поясе астероидов, а заходит внутрь орбиты Марса и сближается с земной. Во время сближений он доступен для наземных наблюдений, из которых было известно, что астероид Эрос имеет средний размер около 20 км и очень вытянутую форму, что он относится к так называемым силикатным астероидам, вещество которых подобно лунному веществу. Это первый из астероидов, у которого были обнаружены периодические колебания блеска, связанные с вращением вокруг своей оси. Один оборот вокруг собственной оси Эрос делает всего за 5 час 16 мин, а полный оборот по орбите вокруг Солнца – за 1,76 года. Относительно большие размеры Эроса по сравнению с другими АСЗ и периодические сближения с Землей сделали его удобным для высокоточных позиционных наблюдений с целью уточнения так называемой астрономической единицы – меры расстояний в Солнечной системе, равной среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а. е.=149,6 млн. км).

Первая встреча с Эросом состоялась в декабре 1998 года. Тогда КА прошел на расстоянии 4100 км от астероида и получил около тысячи его изображений с разрешающей способностью порядка 500 метров. Это были первые изображения астероида, сближающегося с Землей, которые, в частности, показали, что Эрос имеет очень вытянутую форму и кратерированную поверхность (рис. 2). Однако основные исследования Эроса были запланированы на второе сближение аппарата с астероидом в начале 2000 года, при этом КА должен был выйти на околоастероидную орбиту и стать искусственным спутником Эроса.

 

Рис. 5.11 433 Эрос с расстояния около 4000 км

 

В результате серии маневров КА «NEAR-Shoemaker» 14 февраля 2000 года сначала был переведен на почти круговую и довольно высокую орбиту вокруг Эроса, а затем постепенно снижен на орбиту высотой 35-50 км от поверхности астероида. На этой орбите аппарат должен был находиться около года, чтобы в течение этого времени выполнить всю запланированную программу исследований. Можно представить себе, насколько сложной и тонкой была работа по выполнению маневров и снижению аппарата на заданную орбиту, если учесть очень вытянутую и неправильную форму астероида, его относительно малый размер и большую удаленность от Земли. Во время всех этих маневров Эрос и КА находились от Земли на расстоянии около 225 млн. километров, что в 1,5 раза дальше, чем расстояние от Земли до Солнца. Время распространения сигнала (команды) до аппарата и назад составляло почти 25 минут. Работа по управлению аппаратом в этот период и на всех других этапах миссии действительно стало историческим достижением американской и мировой космонавтики.

12 февраля 2001 г. по команде с Земли был запущен двигатель аппарата и выполнен критический маневр, который перевел КА с круговой орбиты на траекторию контролируемого спуска на поверхность Эроса. КА совершил посадку на поверхность астероида со скоростью 1,9 метров в секунду. Эрос находился на расстоянии 316 млн. километров от Земли, и подтверждения выполнения посылаемых с Земли команд приходилось ожидать почти 35 минут. Два бортовых прибора были включены для работы непосредственно на поверхности астероида и передачи на Землю ценнейшей информации. Один из них - это магнитометр, измерял степень намагниченности пород на поверхности Эроса, чтобы потом сравнить с намагниченностью метеоритов (имеющихся в земных лабораториях), которые считаются осколками астероидов. А второй – гамма-спектрометр, измерял элементный состав пород, т. е. содержание различных химических элементов в породах. Гамма-спектрометр работал на поверхности Эроса семь дней и получил весьма ценную информацию. Это первый гамма-эксперимент на поверхности астероида, и его результаты крайне важны с точки зрения определения состава вещества, поисков воды, отбора образцов с поверхности, картирования вещества поверхности для возможной добычи полезных ископаемых в будущем, изучения связей между метеоритами и астероидами и т.п.

В целом, после пяти лет напряженной работы в космосе, аппарат заслуженно «отдыхает» на поверхности Эроса. В месте посадки при полярной ночи температура поверхности снижается, примерно, до -150°С.

 

КА «Розетта» запущен ЕКА 2 марта 2004 года. Цель полёта — исследование кометы 67P/Чурюмова — Герасименко. Аппарат состоит из двух частей: собственно зонда «Розетта» (англ. Rosetta space probe) и спускаемого аппарата. Название зонда происходит от знаменитого Розеттского камня — легендарного артефакта, с помощью которого учёные смогли расшифровать древнеегипетские иероглифы.

С помощью космического аппарата «Розетта» планируется узнать как выглядела солнечная система до того, как сформировались планеты. «Розетта» должна приблизиться к комете и запустить к ней спускаемый аппарат, который подойдёт к комете с относительной скоростью 1 м/с и при контакте с поверхностью выпустит два гарпуна, так как слабая гравитация кометы не способна удержать аппарат, и он может просто отскочить. После высадки аппарата на комкту, начнётся определение параметров ядра кометы; исследование химического состава; изучение изменения активности кометы со временем.

Планируемый ход миссии: Пролёт мимо Марса (февраль 2007); Встреча с астероидом Штейнс (5 сентября 2008); Встреча с астероидом Лютеция (10 июля 2010); Приближение к комете Чурюмова — Герасименко (январь — март 2014); Картографирование кометы (август 2014); Высадка спускаемого аппарата (ноябрь 2014); Полёт с кометой вокруг Солнца (ноябрь 2014 — декабрь 2015)

Рис.5.12 Космический аппарат Розетта

Лунная база

 

Возрождение интереса к Луне связано с развитием космонавтики за пределы околоземного пространства, необходимостью освоения лунной поверхности для решения различных проблем земной цивилизации (истощение запаса жизненно необходимых природных ресурсов на Земле, загрязнение Земли экологически опасными производствами, поиск альтернативных источников сырья и энергии), наконец стремлением астрономов вынести телескопы за атмосферу на устойчивую поверхность Луны. Становится реальным уже в первой половине 21-го века создание на Луне постоянно действующей базы ЛБ, включая обсерваторию ЛО.

Цели ЛБ положены в основу перспективных, долгосрочных планов освоения Луны и целого ряда связанных с этим направлений науки и техники. Прежде всего - это исследования самой Луны. До сих пор остаются неясными вопросы происхождения и ранней эволюции Луны, недостаточно изучено внутреннее строение, состав и структура ядра, коры Луны. Исследования лунного поверхностного слоя может дать информацию и о событиях в истории Земли, Солнца и всей солнечной системы.

Лунная база позволит также снять технические и производственные проблемы, решение которых выгоднее осуществить на Луне, чем на Земле и на космических станциях. К ним относятся получение альтернативных источников энергии (солнечные энергетические установки, термоядерные электростанции на лунных запасах гелия-3), ракетного топлива на основе кислорода и водорода, полученных из лунного грунта, а также таких необходимых материалов как кремний, титан, железо и др. Представляется эффективным использование ЛБ в качестве промежуточного космодрома, в частности для обеспечения топливом ракетно-космических систем как местного (околоземные и окололунные орбиты), так и дальнего следования (межпланетные орбиты). Следует отметить, что доставка грузов с Земли на лунную поверхность требует меньших энергетических затрат, чем, например, доставка того же груза на геостационарную орбиту.

Наконец, создание обитаемой, постоянно действующей лунной базы является первым опытом распространения человеческой цивилизации на другие планеты. Исследование неизвестных проблем и возможностей организации жизни и деятельности является совершенно новым шагом в освоении космического пространства (Луны, тел Солнечной системы). Создание ЛБ можно рассматривать в качестве нового необходимого шага в создании инфраструктуры современной и будущей цивилизации.

 

Широкий спектр научно-прикладных исследований предоставляет ЛБ в области астрономии, где возможны наблюдения по всей полосе электромагнитных излучений практически недоступные с Земли посредством телескопов, весовые деформации которых на Земле слишком велики. Наблюдения с Луны позволяют реализовать предельные астрономические параметры, например, координатную точность до одной угловой микросекунды, что недостижимо наземными средствами. С ЛБ можно проводить мониторинг Земли, Солнца, а также кометно-астероидную службу.

Луна имеет хорошие условия для размещения на ней телескопов, предназначенных для раннего обнаружения и сопровождения астероидов АСЗ. Представляющие опасность АСЗ размером 0.1-1км можно обнаружить заранее, на расстояниях до нескольких астрономических единиц посредством телескопов, расположенных на поверхности Луны. Каталогизация таких малоразмерных АСЗ численностью до 300 тысяч обьектов представляет большое значение, поскольку столкновение любого из них с Землей - это реальная угроза человечеству. Раннее обнаружение АСЗ с Луны позволит осуществить необходимые мероприятия по предотвращению возможной астероидной опасности. В программах космических агенств, например японской NASDA, присутствуют проекты размещения на Луне телескопов с целью проведения регулярных наблюдений и изучения движения известных астероидов для уточнения их орбит и условий сближения их с Землей, также для поиска других АСЗ и изучения эволюции их орбит.

 

Условия работы лунной базы

Условия, в которых будет существовать и функционировать ЛБ достаточно известны из астрономических наблюдений и прямых исследований на Луне и широко опубликованы. Отметим лишь некоторые, имеющие техническое значение для создания структуры ЛБ.

Большие температурные перепады (около 300°С, что в 20 раз больше земных - 15°С) требуют надежной термической защиты, поскольку днем на лунной поверхности +127°С, а ночью -173°С. Хотя длительный суточный период (30 дней) уменьшает скорость и частоту изменения температуры.

Из-за наличия внешнего высокого вакуума внутреннее давление в любой постройке на Луне создает нагрузки на боковые стенки в десятки раз большие, чем на Земле. При отсутствии атмосферы должна быть обеспечена радиационная защита от космических лучей галактического и солнечного происхождения, от корпускулярного и микрометеоритного воздействия. Но слой лунного поверхностного материала (реголита) толщиной около 3-х метров вполне обеспечит эту защиту. С другой стороны отсутствие атмосферы исключает такие погодные явления земного типа, как ветер, дождь, лед и пр. Безводные условия затормаживают коррозию материалов, с другой стороны при отсутствии воды мешают проведению некоторых технологических процессов.

Лунный грунт (реголит) - мелко раздробленное вещество с последующим слипанием, чрезвычайно пористая порода с низкой теплопроводностью. На глубине около 30 см температура, примерно, -20°С и постоянна в диапазоне 2°-4°С. Реголит покрывает поверхность слоем от одного до десяти метров. Мельчайшие фракции реголита представляют пыль, которая уменьшает сцепление ходовых частей транспортных средств с лунным грунтом, создает пылевое загрязнение естественного (метеориты) или искусственного (человеческая деятельность) происхождения. Лунная поверхность имеет очень низкую сейсмичность по сравнению с земной - до 500 лунотрясений силой 1-3 баллов по шкале Рихтера в год, в то время как на Земле - до 10 тыс. явлений такой же балльности, не включая более сильных. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше земной, что облегчает вертикальные перемещения грузов, уменьшает механические деформации конструкций значительных размеров, однако уменьшает возможности анкеров и фундаментов.

Удаленность Луны от Земли на расстояние до 386 000 километров создает задержку сигналов при связи, примерно, в 2.6 секунды - это имеет значение при управлении лунными механизмами телеоператором с Земли. Удаленность определяет также и высокую стоимость доставки грузов на Луну, отсюда рекомендации использовать при создании ЛБ лунные материалы.