Укрощение астероидов: как управлять их движением
Н.А.Эйсмонт, А.А.Ледков, Р.Р.Назиров
На первый взгляд заголовок статьи выглядит слишком амбициозным, чтобы использовать его в публикации, относящейся к естественным наукам. Действительно, массы объектов, которыми до сих пор управляли в космосе, т.е. космических аппаратов, выполняющих миссии за пределами околоземной орбиты, не превышали 6 т. Единственным исключением здесь можно считать проект пилотируемой экспедиции на Луну «Apollo», когда вес отлетного модуля был около 30 т. Для случая же управления астероидом нижний предел массы составляет величину ~1000 т. Маневры, которые выполняются в ходе космических миссий, требуют изменений скорости управляемого объекта на величины до 3—5 км/с. Казалось бы, пытаться воздействовать на полет астероида с помощью стандартных ракетодинамических технологий, когда для изменения скорости требуется расход рабочего тела (топлива), бесперспективно. Однако мы покажем, что это не так. Идея предлагаемой концепции — использовать гравитационные маневры вблизи Земли, а также около других планет и их спутников. При этом оказываются достижимыми изменения скорости управляемого объекта, превышающие указанные и не требующие сами по себе расхода топлива. Нужно лишь перевести уп-
© Эйсмонт Н.А., Ледков А.А.,
Назиров Р.Р., 2015
Натан Андреевич Эйсмонт, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела космической динамики и математической обработки информации ИКИ РАН. Область научных интересов: небесная механика, динамика полета и управление движением космических аппаратов, планетарная защита и астеро-идно-кометная опасность, астрономия и астрофизика.
Антон Алексеевич Ледков, научный сотрудник того же отдела. Занимается задачами проектирования космических миссий, включая решение проблем управления движением небесных тел и разработками математических инструментов, необходимых для реализации экспериментов в космическом пространстве.
Равиль Равильевич Назиров, доктор технических наук, заместитель директора ИКИ РАН. Область научных интересов охватывает круг задач, связанных с исследованиями и разработками по определению параметров движения механических систем, а также построения систем навигационной поддержки и планирования космических экспериментов.
равляемый астероид на траекторию облета выбранной «мотором» гравитационного маневра планеты или ее спутника, что при подходящем выборе этих тел потребует изменить скорость «мишени» лишь в пределах двух десятков метров в секунду (в дальнейшем это изменение скорости Av будем называть ее импульсом, как это при-
нято в динамике космических полетов). Ясно, что приводимая оценка необходимого импульса скорости зависит от планируемых задач управления движением астероида. Рассмотрим эти задачи.
Проблема астероидной защиты
Наиболее значимой среди них считается задача отклонения небесного объекта (астероида или кометы) от траектории столкновения с Землей. Интерес к ней обострился после открытия 19 июля 2004 г. астероида 2004 MN4, названного Апо-фисом по имени древнеегипетского бога — змея из подземного царства (в его древнегреческом написании). Параметры орбиты астероида, вычисленные по имевшимся тогда данным наблюдений, предполагали столкновение астероида с Землей в 2029 г. с вероятностью 2.7%. Встреча с астероидом диаметром 270 м, каким он казался при первом пролете Земли (позднее, при сближении с планетой в декабре 2012 г., оценку размера увеличили до 330 м), вызвала бы глобальную катастрофу. После проведения новых измерений дата наиболее критичного сближения сдвинулась на апрель 2036 г., а затем, в 2013 г., вероятность столкновения была оценена как близкая к нулю. Сами же измерения стали возможными прежде всего в результате запуска в США и Европе программ, нацеленных на обнаружение и каталогизацию (определение параметров орбиты) опасных околоземных объектов. Были задействованы как наземные средства наблюдений, так и телескопы на борту космических аппаратов. Об эффективности этих мероприятий можно судить по рис.1, где представлена динамика числа открытых око-
лоземных астероидов. Из рисунка видно, что c 1980 г. к настоящему времени обнаружено более 12 500 околоземных астероидов, орбиты которых определены с той или иной точностью (к 2004 г. их было известно только 2600).
Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) НАСА ведет постоянно обновляемый каталог околоземных объектов (Near Earth Objects, NEO), который содержит орбитальные параметры астероидов и комет, их геометрические, физические и химические характеристики. Кроме того, даются оценки точности определения параметров их орбит, а также даты и наименьшие расстояния их пролета Земли. Используя эти данные, можно при необходимости планировать в долгосрочной перспективе операции по отклонению астероидов от траектории столкновения с Землей*.
Как уклониться от столкновения
Для реализации этих операций можно предложить несколько способов. Самым очевидным из них нам представляется метод кинетического воздействия, когда по поверхности опасного небесного объекта бьет наведенный на него космический аппарат. В результате удара количество движения объекта, а следовательно, и вектор его скорости, изменяется, в результате чего астероид (комета) переводится на новую траекторию, не проходящую через Землю. Проблема состоит в том, что масса космического аппарата может быть недостаточной, чтобы изменить скорость астероида на величину, требуемую для уверенного отвода от траектории столкновения. Рассматриваются способы увеличить эффективность удара, один из которых включает в себя использование ядерного заряда. Заметим, что ядерный взрыв на поверхности малоэффективен, поскольку выбрасываемая наружу масса остается небольшой. Чтобы ее увеличить, предлагается осуществить двухступенчатое воздействие: сначала ударник образует каверну на поверхности астероида, а затем ядерный заряд попадает в нее и взрывается, создавая выброс породы астероида. По оценкам, такая технология позволяет изменить скорость астероида в несколько (до пяти) раз больше, чем в случае простого неупругого удара без отброса массы объекта [1].
Рис.1. Известные околоземные астероиды, открытые с января 1980 г. по апрель 2015 г. нарастающим по датам итогом.
" http://neo.jpl.nasa.gov
Однако предпочтительнее выглядит другой метод — воздействие на опасный объект более массивным, чем космический аппарат, небесным телом, которое не требуется выводить в космическое пространство. В качестве него можно использовать достаточно малый околоземный астероид или его фрагмент, например валун, находящийся на поверхности. Эта концепция, впервые предложенная в работе [2], состоит в следующем. Среди множества околоземных астероидов выбирается такой, что его можно направить на траекторию близкого облета Земли, сообщив ему небольшой импульс скорости, достижимый средствами современной ракетной техники. При движении астероида в гравитационном поле Земли траектория тела изменяется. Орбитальные параметры облета подгоняются таким образом, чтобы после данного маневра, называемого гравитационным, астероид оказался на траектории столкновения с опасным небесным объектом, который нужно отклонить от изначальной, задевающей Землю, орбиты. Обеспечить требуемые параметры должен космический аппарат, который садится на поверхность астероида, закрепляется на ней и передает последнему необходимый импульс скорости за счет работы своей двигательной установки. То, что операции подобного рода осуществимы, в некоторой мере подтверждают уже состоявшиеся космические миссии, например посадка аппарата NEAR («Near Earth Asteroid Rendezvous» — встреча с околоземным астероидом) на поверхность астероида Эрос, а также посадка аппарата «Hayabusa» на астероид Итокава с последующим забором грунта и доставкой его на Землю. Правда, следует отметить: посадить космический корабль на небесный объект, такой как астероид или ядро кометы, совсем не просто — об этом говорит трудный опыт проекта «Rosetta», включавшего в себя отправку зонда «Philae» на поверхность ядра кометы Чурюмова—Герасименко. Как известно, зонд успешно отделился от основного аппарата, достиг поверхности ядра кометы, но не смог закрепиться на поверхности. После нескольких незапланированных отскоков «Philae» попал в затененную область поверхности (ущелье) и потерял возможность подзарядки химических батарей, в результате связь с модулем вскоре прервалась на полгода. Какие иные подходы ищутся для решения этой задачи, можно понять на примере американского проекта «Keck» (названного по имени американского филантропа, который пожертвовал все свое состояние на научные исследования), где
Рис.2. Захват астероида устройством (проект «Keck»).
планируется доставка на орбиту, подобную лунной, небольшого астероида или его фрагмента [3]. В частности, в проекте предлагается вообще отказаться от посадки аппарата на поверхность астероида, а захватить последний устройством, похожим на большой сачок (рис.2), и далее транспортировать его в окрестность Земли, используя плазменный двигатель малой тяги. Нам, несмотря на проблемы с посадкой зонда «PЫlae», представляется более предпочтительным вариант, выбранный для «Rosetta», когда аппарат на поверхности астероида закрепляется гарпунами с тросами. По нашему мнению, посадка была бы успешной при более тщательном выборе ее места на поверхности кометы.
Гравитационный маневр
Этот способ изменения траекторий космических аппаратов, т.е. управления орбитальным движением, был впервые предложен в 20-х годах прошлого века пионером советской ракетной техники Ф.А.Цандером [4]. Суть метода заключается в том, что космический аппарат, двигающийся, например, по орбите спутника Солнца, направляется на облет планеты, достаточно близкий, чтобы ее поле тяготения заметно повлияло на его траекторию. При анализе движения относительно планеты можно полагать, что, начиная с некоторого расстояния от нее, влиянием Солнца можно пренебречь. В этом случае траектория движения аппарата оказывается гиперболой; несколько таких гипербол для различных расстояний пролета и
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.