КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, том 48, № 5, с. 448-454
УДК 523.44
ПРОЕКТ МИССИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И УМЕНЬШЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ОКОЛОЗЕМНЫХ АСТЕРОИДОВ
© 2010 г. Д. С. Хайланд1, Х. А. Альтвайджри2, Р. Маргулис3, Дж. Дойл3, Дж. Сандберг3, Б. Янг3, Н. Сатак3, Дж. Лопес3, С. Ге3, Кс. Баи3
Технический колледж, АМУниверситет, США 2Научный городок им. короля Абдулазиза, Саудовская Аравия 3АМ Университет, США Поступила в редакцию 12.01.2010 г.
Концепция платформы для исследований и уменьшения опасности столкновения с Апофисом была разработана как прототип миссии исследования и потенциального отклонения (увода) околоземного астероида (99942) Апофис. Увод астероида от возможного столкновения с Землей в 2036 г. будет осуществлен с помощью метода гравитационного аттрактора, в то время как непрерывное отклонение, устраняющее будущие угрозы, будет выполняться с использованием нового метода изменения альбедо. Эта миссия послужит типовым проектом для будущих миссий предотвращения столкновения с малыми объектами МЕЛ и может быть адаптирована для уменьшения опасности столкновения с другими потенциальными объектами, пересекающими орбиту Земли.
ВВЕДЕНИЕ
Околоземные астероиды (объекты NEA) неоднократно нарушали течение жизни на Земле, вызывая многократные выбросы массы на протяжении геологической истории. Эти объекты, диаметром свыше километра и количеством от 500 до 1000, продолжают представлять значительную угрозу [1]. Объект NEA (99942) Апофис был обнаружен в 2004 г. и по первоначальным оценкам должен был столкнуться с Землей в 2029 г. Дальнейшие исследования снизили вероятность столкновения до нуля в 2029 г. и до 1 шанса из 45000 в 2036 г. [2], но астероид Апофис все еще представляет интерес с научной точки зрения. В этой статье авторы представляют миссию Apophis
Exploratory and Mitigation Platform (AEMP) , в задачи которой входит изучение Апофиса, способов уменьшения опасности потенциальных столкновений, определение эффективности используемых методов уменьшения опасности и ис-
1 Коллектив авторов Aggies Against Apophis из Техасского
AM Университета исследовал астероид Апофис в течение почти трех лет, начиная с класса концептуального проектирования, руководимого д-ром Дэвидом Хиландом. Кульминацией трех классов явился проект КА Apophis Preliminary Exploratory Platform — APEP. Его цель состояла в точном слежении и определении характеристик астероида
Апофис. Осенью 2008 г. была разработана последующая миссия уменьшения опасности, названная Deflect Apophis System — DAS. В конце проектной работы выяснилось, что приборы, необходимые и для APEP и DAS, настолько подобны, что оказалось бы лишним посылать в космос два отдельных КА. Поэтому два аппарата были объединены и усовершенствованы весной 2009 г. С помощью инженеров из Эймсского исследовательского центра НАСА был разработан единый проект, названный AEMP.
пользование этого проекта как образца будущих миссий NEA. Потенциальные возможности миссии AEMP состоят в увеличении знаний об объектах NEA и в демонстрации двух методов уменьшения опасности с малым риском.
Проект AEMP был специально предназначен для исследования и постепенного увода Апофиса, по принципу непричинения вреда (do no harm policy). Миссия состоит из следующих шести стадий: 1) запуск — 19.II.21; крейсерский полет и встреча — 14. IX., 2) предварительное исследование уменьшения опасности — сентябрь 2021 г. 3) уменьшение опасности на короткий срок — апрель 2022 г.
4) промежуточный анализ — февраль 2023 г.,
5) уменьшение опасности на длительный срок — май 2023 г. и 6) исследование ситуации после уменьшения опасности — май 2023 г.
АСТЕРОИД (99942) АПОФИС
Объект NEA (99942) Апофис был обнаружен 19.VI.2004 г. R. Tucker, D. Tholen и F. Bernardi. Вначале полагали, что астероид представляет серьезную опасность столкновения с Землей в 2029 г., но дальнейшие исследования показали, что вероятность такого столкновения уменьшается практически до нуля. Однако, если бы Апофис прошел через гравитационную "щель" в период его сближения с Землей в 2029 г., то изменение его траектории могло бы вызвать его соударение с Землей в 2036 г. [2].
Фотометрические кривые светимости дают период вращения 30.4 часа [3]. Анализ поляриметрических измерений дает геометрическое альбе-
до, равное 0.33 [4]. При сравнении этих двух величин с оптическими свойствами подобных астероидов 8-класса получаем номинальную величину диаметра Апофиса в 270 м. Чтобы получить оценку массы, мы сопоставим предполагаемую массовую плотность с оценкой объема астероида. Объединяя оценку массы 2.7 х 1010 кг (плотность ~2.6 г/см3) со скоростью соударения 12.59 км/с, вычисленной по прогнозу орбиты, мы находим энергию столкновения. При соударении Апофиса с Землей могло бы выделиться приблизительно 500 Мт энергии (в тротиловом эквиваленте) с опустошением территории в региональном масштабе [5]. Некоторые физические исследования показывают, что Апофис обладает очень сходной минералогией с LL-хондритными метеоритами, которые составляют приблизительно 66% потенциально опасных астероидов. Поэтому изучение Апофиса позволит лучше понять большинство объектов МЕЛ. Мелкомасштабные свойства минералов обычных хондритных метеоритов можно исследовать в лаборатории, так что технику модификации альбедо можно проверить еще до запуска КА [6].
Принятые в настоящее время орбитальные параметры Апофиса представляют собой результаты обработки 2-х радиолокационных измерений дальности 5 допплеровских, и 731 оптических наблюдений, охватывающих период 884 суток (см. таблицу) [2, 7].
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОПАСНОСТИ
Изменение траектории устраняющее опасность на ограниченное время может быть достигнуто многими способами. Метод единственного управляющего воздействия, импульсные методы требуют очень детального предварительного исследования и сложного моделирования. Самый простой метод — кинетический ударник требует точного знания эфемерид и структуры астероида. Эти данные должны быть собраны прежде, чем ударник достигнет астероида. Концепция гравитационного аттрактора допускает наличие ограниченных предварительных данных об Апофисе и не требует сложных моделей структуры астероида благодаря малой силе, используемой в этом методе. Поэтому авторы выбрали концепцию гравитационного аттрактора для стратегии уменьшения опасности на короткий срок.
В этом методе используется сила тяготения для изменения скорости астероида. Используя свои движители, космический аппарат сохраняет фиксированное положение относительно астероида в локальной системе координат Эйлера-Хилла. Взаимное гравитационное притяжение между космическим аппаратом и астероидом создает силу, действующую на астероид. Выбирая положе-
ние КА и создавая силу, необходимую для компенсации гравитационного притяжения, можно сообщить астероиду малую, но устойчивую возмущающую силу в любом направлении.
Астероид Апофис совершает резонансное возвращение к Земле каждые семь лет. Поэтому, даже если непосредственная угроза будет устранена в 2036 г., Апофис может представить опасность в последующие годы. Чтобы исключить такую возможность, КА должен будет оказывать длительное воздействие на астероид, с тем чтобы продолжить возмущение его орбиты в течение более длительного периода.
На стадии "уменьшения опасности на длительный срок" на астероид должно оказываться продолжительное воздействие так, чтобы его траектория непрерывно сдвигалась в сторону менее опасной орбиты. Предложенная стратегия предусматривает изменение альбедо астероида, которое, в свою очередь, изменит силу эффекта Яр-ковского, действующую на астероид. Эффект Яр-ковского возникает благодаря вращению астероида и неравномерного нагрева его поверхности Солнцем. Когда "дневная" сторона астероида поворачивается от Солнца, она сохраняет тепло и испускает большее количество тепловых фотонов, чем в области "рассвета". В результате такого дисбаланса возникает суммарная сила в "сумрачной" области астероида, сдвигающая его в направлении "рассвета". Изменение альбедо приводит к разному количеству поглощенных тепловых фотонов и, как следствие, к изменению величины силы, обусловленной эффектом Яр-ковского. При этом само состояние вращения почти невозможно изменить, и поэтому усилия следует сосредоточить на изменении величины силы, а не ее направления.
Авторы предлагают регулировать эффект Яр-ковского, используя вещество с высоким или низким альбедо. Поскольку состав поверхности и точная траектория астероида будут неизвестны во время запуска КА, оба материала должны находиться на борту. Изменение альбедо всего лишь на ±0.5% привело бы к изменению расстояния пролета астероида на величину радиуса Земли к 2036 г. [2]. Возмущения, вызванные эффектом Ярковского, непрерывны, имеют вековой характер и они будут сдвигать Апофис на менее опасную орбиту.
КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ АЕМР
Космический аппарат АЕМР разработан как система класса "Дискавери" стоимостью около 350 млн. долл. Запуск КА осуществляется с помощью ракеты-носителя Фалькон-9, выводящей аппарат на траекторию ухода от Земли, а твердотопливный двигатель 30ВР обеспечивает Д V, необхо-
450
ХАЙЛАНД и др.
димое для встречи с астероидом. КА будет управляться полуавтономно с командным блоком высокого уровня и программированием, загружаемым по линии связи с высоким коэффициентом усиления. На КА будут установлены антенна с высоким коэффициентом усиления в кардановом подвесе и всенаправленная антенна с низким коэффициентом усиления. Сеть наземных станций дальнего космоса (Deep Space Network — DSN) будет использоваться для связи с Землей. КА будет стабилизирован по 3-м осям с помощью маховиков и двигателей управления ориентацией. Для определения ориентации будет использоваться звездный датчик; датчики угловых скоростей. Навигация будет осуществляться с помощью радиосистемы. Оптическая камера и лазерный измеритель дальности (LRF) будут определять положение КА относительно астероида. Двухрежимная двигательная установка будет использоваться для выполнения маневров коррекции траектории и операций вблизи цели. Питание будет осуществляться через общую шину с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.