В первой половине октября с разницей в неделю с площадок во Флориде состоялись два первых в этом году межпланетных пуска: Hera и Europa Clipper. Между ними есть множество отличий, но их объединяет также и несколько общих моментов, которые и стали причиной такого пространственного и временного соседства.
Вечные темы
Обе эти миссии объединены прежде всего темами, которые близки и понятны не только ученым-специалистам, но и широким массам: защита Земли от астероидного удара и поиск внеземной жизни.
Защита Земли
Со времен взрыва над Тунгуской в 1908 году (и даже раньше) астероидная угроза занимает видное место среди «страшилок» и сценариев конца света, локального или глобального. Эта тенденция усилилась в начале 1980-х после появления гипотезы отца и сына Альваресов, согласно которой основной причиной вымирания динозавров 66 млн лет назад стало падение 10-километрового астероида в районе полуострова Юкатан в Мексике. Гипотеза с тех пор вошла в научный мейнстрим, а угроза подобного импакта естественным образом обосновалась в массовой культуре, что хорошо видно по голливудским блокбастерам Deep Impact (1998), Armageddon (1998), Don’t Look Up (2021) и др. Как понятно из этих фильмов, вопрос «что же делать?» далеко не так тривиален и не имеет пока однозначного ответа.
Обнаружение
Ключевой момент защиты, который не всегда затрагивается в тех фильмах, — это своевременное обнаружение угрозы и оценка ее серьезности. Составлением карт угроз и списков потенциально опасных небесных тел заняты многие обсерватории, наземные и космические. Благодаря общим усилиям все объекты радиусом свыше километра, вероятно, уже выявлены, и апокалиптические сценарии уничтожения всей Земли кажутся маловероятными в ближайшую тысячу лет. Тем не менее и тела поменьше способны нанести существенный ущерб, если будут обнаружены слишком поздно.
Отклонение
Что же делать в случае, если найден опасный (т. е. достаточно крупный и массивный) объект и точно спрогнозирована дата его столкновения с Землей? Как это предотвратить?
Предлагаемые идеи можно условно разделить на следующие вариации:
- подрыв ядерного заряда на поверхности астероида, над нею или в его глубине;
- использование для отклонения орбиты массы самого космического аппарата и высокой скорости его прилета относительно самого астероида (кинетический метод);
- экзотические/бесконтактные методы включают в себя изменение альбедо (части) астероида, использование ионных или химических ракетных двигателей, так называемые гравитационные тягачи и др.
Так как испытания ядерных боеприпасов весьма проблематичны с точки зрения международных договоров (возможны и другие осложнения) решено на первых порах сосредоточиться на кинетическом методе. Основным вопросом стала вероятная мера пластичности/эластичности столкновения и распределения энергии внутри цели-астероида — по моделям твердый шар ведет себя совершенно иначе, чем ком песка. К тому же важен выбор цели, чтобы орбитальные параметры можно было точно измерить. Таковой стала двойная система околоземного, но неопасного 800-метрового астероида Дидим (Didymos) и его тогда еще безымянного 160-метрового спутника (впоследствии Диморф — Dimorphos), а параметр, на который можно заметно повлиять и точно его измерить — это период их обращения вокруг общего центра масс.
Поиск жизни
Идея, что жизнь может существовать не только на Земле, но и на других планетах, возникала еще у некоторых античных мыслителей.
Тем не менее всплеск ее популярности случился вслед за появлением телескопов, позволявших рассмотреть детали на поверхности Марса и атмосферу Венеры. Марсианские каналы, «Война миров» Уэллса, «Аэлита» Толстого — продукты той эпохи. Тогда многие считали, что на холодном Марсе обитает старая сверхразвитая цивилизация, а на теплой скрытой от взглядов Венере зарождается молодая жизнь, возможно с динозаврами.
Но начавшаяся в середине века космическая эра и АМС 1960-х годов — американские «Маринеры» и советские «Венеры» — позволили отснять планеты вблизи и в разных диапазонах и прийти к выводу, что Венера слишком горяча, а поверхность Марса пустынна, так что на обоих планетах нет и не может быть цивилизаций, напоминающих земную.
Еще один гвоздь в крышку гроба прежнего энтузиазма забили в 1970-х американские «Викинги», высадившиеся на Марсе и показавшие, что если там и есть жизнь, то она хорошо спрятана и ее нелегко найти.
Примерно тогда же основной фокус исследований сместился с поисков разумной жизни (SETI: Search for ExtraTerrestrial Intelligence) к астробиологии — поиску индикаторов первоначальных кирпичиков жизни — биосигнатур или биомаркеров.
На фоне этого получил популярность термин «зона Златовласки»: у каждой звезды есть довольно узкое «кольцо» потенциальной обитаемости. В 2000-е годы, по мере того, как космический телескоп «Кеплер» обнаружил тысячи экзопланет, это стало важнейшим инструментарием для их характеризации и ранжирования.
Но и с Солнечной системой далеко не всё закрыто! Наблюдения «Вояджеров» позволили выяснить, что у Европы — открытого еще Галилеем спутника Юпитера — необычно гладкая поверхность, вероятно, изо льда, а под ней возможен океан из жидкой воды. Запущенная вскоре после этого АМС «Галилео» сумела более десяти раз близко пролететь возле Европы, подтвердив наличие ледяной коры и подледного океана. Это, а еще последующее обнаружение АМС «Кассини» сходных условий на спутнике Сатурна Энцеладе, включая съемки выбросов пара из гейзеров, вернули научному сообществу какой-то оптимизм и надежды на обнаружение в тех океанах более или менее сложной жизни. Яркий пример — фильм Europa Report (2016). И, конечно же, многие коллективы исследователей принялись планировать запуски новых АМС к таким вот спутникам, снабженные посадочными модулями.
Планирование
AIDA: DART и Hera
В 2013 году специалистами NASA и их европейскими коллегами в рамках совместной программы AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment) была предложена пара миссий, которые в 2017-м (после отсрочки и уменьшения европейской части) получили финансирование и наименования: американская DART (Double Asteroid Redirection Test) и европейская Hera. По плану первая из них должна была стартовать в 2021 году и осуществить столкновение с астероидом, а вторую нужно было запустимть в 2024-м, чтобы изучить место удара. Впоследствии итальянские исследователи добавили к миссиям три небольших попутчика: LUCIACube к DART (для фотографирования немедленных последствий удара), Juventas и Milani для Hera.
Europa Orbiter, JIMO, Laplace, JUICE, Europa Clipper и Lander
Первое предложение экспедиции NASA к Европе произошло еще во время расширенной миссии «Галилео», основная цель которой как раз и заключалась в близких пролетных наблюдениях данного спутника (их тогда состоялось восемь, и еще четыре в основной части). Предложение тогда касалось орбитальной миссии Europa Orbiter, оно не было принято, но коллектив позвали в NASA работать над дальнейшими, более смелыми идеями.
И действительно смелая идея появилась: аппарат JIMO c ядерным реактором, гигантскими радиаторами и множеством ионников и двигателей Холла мог перемещаться между орбитами всех четырех галилеевых спутников и нести серьезную научную нагрузку, включая лендер. Однако оценка его стоимости быстро превысила 20 млрд долл., так что проект уступил Constellation в сражении за первую статью бюджета NASA и был отменен. Интересно, что многие идеи и решения JIMO были впоследствии учтены в работах Роскосмоса над проектами «Нуклон» и «Зевс».
После этого в NASA вернулись к варианту Jupiter Europa Orbiter, но на сей раз в координации с коллегами из ESA, которые делали Jupiter Ganymede Orbiter; наименование совместной программы — Laplace; рассматривались также варианты участия в ней Японии и России.
Тем не менее говорилось, что из-за опаснейшей юпитерианской радиации возле Европы орбитальный аппарат либо получится крайне дорогим, либо проживет очень недолго, либо и то, и другое. Европейцы же продолжили разработку своего аппарата, позже переименованного в JUICE (JUpiter ICy mooon Explorer), и запустили его в 2023 году.
Разработка аппаратов для Европы продолжилась: вместо орбитального была выбрана концепция множественных пролетов, и аппарат назвали Clipper в честь легких торговых парусников. Также продолжилась разработка Lander. И у программы появился могущественный покровитель: конгрессмен Джон Кульберсон, член Комиссии по ассигнованиям, глава Подкомитета по науке, от которого во многом зависят бюджеты NASA. Он принял личное активнейшее участие в работе над программой, был вовлечен во множество технических обсуждений и обеспечил всему этому общественную и политическую поддержку — настолько, что к его уходу из Конгресса в 2019 году Clipper уже перешел к стадии строительства в железе. Lander же был отложен до лучших времен…
Выбор траектории полета
Как правило, для автоматических миссий приоритетом становится не скорость прибытия, а масса доставляемых научных инструментов. Поэтому при их планировании траектории полета стараются оптимизировать по расходу топлива, чтобы сэкономить на его массе. Ключевым инструментом тут выступают гравитационные маневры — пролеты возле массивных тел (обычно планет), позволяющие получить часть их углового момента в движении вокруг Солнца. Любопытно что из-за особенностей орбитальной механики и того, что скорость при этом зачастую важнее местоположения, эти планеты могут быть совершенно не «по пути» в интуитивном порядке: например, путь «Кассини» от Земли к Сатурну пролегал через окрестности Венеры, Земли и снова Земли.
И если в полетах к «близким» Венере или Марсу разница не такая уж существенная и так называемая гомановская (эллиптическая) траектория зачастую дает неплохое начальное приближение, то для всех других целей разница между «быстрыми» траекториями и вариантами, использующими гравитационные маневры, весьма значительна: время прибытия намного позже, окна запуска — короткие и нерегулярные, но зато экономия массы очень значительна, что и позволяет запустить достаточно крупный аппарат с помощью доступной ракеты-носителя.
Земля — Марс — Дидим
В случае Hera, в отличии от DART, задача стоит не только в том, чтобы достичь системы Дидим, но и в том, чтобы затормозить и долгое время маневрировать у цели. Поэтому масса аппарата выше (1218 кг против 624 кг у предшественника), а энергетика, требуемая для его запуска (С3=31) более мощная: вначале план был запустить ее европейской Ariane 62, но задержки с разработкой последней привели к переносу на Falcon 9 в самой мощной, одноразовой конфигурации. И всё равно этого мало для прямой траектории, требуется помощь Марса, что приводит к продолжительности пути в более чем два года.
Земля — Марс — Земля — Юпитер
Для Europa Clipper, в отличии от большинства других научных миссий, важна срочность: хотелось, чтобы она успела пораньше отснять достаточную часть поверхности спутника, ведь на основании этого будет выбираться оптимсальное место посадки Europa Lander. C этой целью план миссии предполагал прямую трехлетнюю траекторию и использование сверхтяжелой ракеты-носителя SLS. Это считалось настолько важным, что Кульберсон, покровитель программы, сумел принять это как закон(!) через Конгресс.
Тем не менее после отмены Lander, задержек с SLS, роста ее цены и появления другой сверхтяжелой РН маятник качнулся в другую сторону. Финальными ударами стали бо́льшие прогнозируемые вибрации боковых твердотопливных ускорителей SLS, требовавшие от разработчиков АМС длительных и дорогих переделок, да и уход Кульберсона из Конгресса.
Так называемых коммерческих альтернатив было две:
- Delta IV Heavy с гравитационным маневром у Венеры (траектория VEEGA: Venus-Earth-Earth-Gravity-Assists) за 6,5 лет.
- Falcon Heavy (одноразовая модификация) c твердотопливным разгонным блоком Star-48BV (траектория ΔEGA: DeltaV-Earth-Gravity-Assist) почти за шесть лет.
Оба варианта были весьма проблематичны, первый — близостью части траектории к Солнцу и необходимостью перепланировки аппарата под такие тепловые условия, а второй — сложностью интеграции «Фалкона» с этим РБ. Поэтому незадолго до решения к ответственному за это инженеру JPL пришел его начальник и предложил еще раз запустить программу с поиском вариантов. И неожиданно для обоих новый вариант таки нашелся — из редко попадающегося класса траекторий MEGA — через Марс и потом на особо быстрой скорости к Земле и оттуда к Юпитеру — на Falcon Heavy, без РБ, и всего за 5,5 года.
Интересно что из-за высокой массы аппарата (6065 кг) и высокой энергетики пуска (С3=41, восьмое место всех времен) этот аппарат не только потребовал самую мощную, одноразовую версию данного сверхтяжелого носителя, но и полностью использовал ее возможности.
Аппараты и инструменты
Hera
Hera представляет из себя небольшой куб стороной немногим свыше метра с солнечными панелями по бокам. Аппарат сделан известной немецкой фирмой OHB.
Аппарат оборудован следующими научными инструментами:
AFC (Asteroid Framing Camera)
Задачи:
- картографирование поверхности Дидимоса и Диморфоса;
- определение формы, размера и объема астероидов;
- изучение кратера, созданного DART.
PALT (Planetary ALTimeter)
Задачи:
- помощь в навигации космического аппарата;
- уточнение топографии астероидов.
TIRI (Thermal InfraRed Imager)
Задачи:
- изучение теплофизических свойств поверхности;
- анализ состава и структуры реголита.
HypI (Hyperspectral Imager)
Задачи:
- определение минералогического состава поверхности;
- поиск следов воздействия DART на Диморфосе.
Дополнительно Hera несет два кубсата, которые смогут выходить на орбиты намного ближе к двум астероидам, чем сам аппарат:
Milani:
- Основной инструмент ASPECT (Asteroid Spectral Imager).
Juventas:
- Основной инструмент JuRa (Juventas Radar) для исследования подповерхностной структуры астероида.
Связь между Hera и кубсатами не только важна технологически для будущих миссий, но и позволяет путем анализа задержек определять массу и плотность двух астероидов и характеризовать их общее гравитационное поле.
Europa Clipper
Примерно половину массы аппарата занимает двигательная установка и компоненты топливной пары для выхода на орбиту Юпитера и прочих орбитальных маневров до и после.
Так как солнечное освещение около Юпитера в 25–30 раз слабее того, что у Земли, аппараты там (и во всей внешней Солнечной системе) использовали радиоизотопные генераторы на плутонии для получения тепла и электричества. Но в последние годы эффективность солнечных панелей возросла, и их стали применять и для дальних миссий. Данная крупнейшая экспедиция требует много электричества, поэтому необходимы большие панели — в развернутом состоянии их размах — свыше 30 м — больше любой другой существовавшей АМС.
Основными научными задачами Сlipper считаются исследования ледяной поверхности, подповерхностного океана и геологической активности Европы. А поиск следов жизни, биомаркеров — только побочная цель, «если повезет».
Аппарат несет девять научных инструментов:
EIS состоит из широкоугольной камеры WAC и узкоугольной NAC для получения изображений поверхности Европы с высоким разрешением.
E-UVS — ультрафиолетовый спектрограф для обнаружения потенциальных «гейзеров» и сбора данных об атмосфере.
REASON — радар, проникающий сквозь лед для зондирования ледяной коры Европы.
E-THEMIS — детектор тепла для картирования температурных свойств Европы и дополнительной информации о поверхности и подповерхностном слое.
MASPEX — масс-спектрометр для определения состава поверхности и подповерхностного океана путем анализа чрезвычайно разреженной атмосферы спутника и любого материала с поверхности, выброшенного в космос.
MISE — картографический спектрометр для идентификации и картирования распределения органических веществ, солей, гидратов кислот, фаз водяного льда и других материалов с целью определения пригодности океана Европы для жизни.
PIMS — плазменный прибор для магнитного зондирования — для совместной с MISE оценки толщины ледяной оболочки Европы, глубины океана и его солености путем изучения магнитного поля Европы.
ECM — магнитометр для изучения магнитного поля вблизи Европы, определения состава, глубины и динамики подповерхностного океана, а также структуры ледяной коры.
SUDA — анализатор пыли для изучения состава малых твердых частиц, выбрасываемых с Европы
Что дальше?
Итак, 7 и 14 октября оба аппарата были успешно запущены, несмотря на бушующий в округе ураган Мильтон и идущее расследование FAA о неправильном срабатывании двигателя второй ступени Falcon 9 при сходе в атмосферу после пуска корабля на МКС. Оба аппарата сориентировали себя в пространстве, связались с наземной станцией, раскрыли солнечные панели и провели начальные тесты работоспособности инструментов. Начинается долгий путь.
В пути
Оба аппарата на первом участке траектории летят к Марсу (что и обеспечило близость запусков — обеим миссиям надо было попасть в «марсианское» окно) и пролетят в пределах тысячи километров: Clipper от самого Марса, а Hera — от его спутника Деймоса. В процессе пролета они задействуют несколько научных инструментов с целью тестирования, но, возможно, и получения новых научных результатов, особенно в ходе сравнения полученных данных с данными предыдущих марсианских миссий — например, эмиратской Hope и японской MMX.
Ближе к цели начнется подготовка к торможению, тесты двигателей и сопутствующих систем, а после само торможение и выход на замкнутую орбиту у Дидима и Юпитера соответственно.
Около цели
Вокруг Дидимоса и Диморфа
Орбита у небесных тел с малой гравитацией непроста и требует постоянных коррекций, но европейские специалисты набрались опыта во время миссии Rosetta. Двухлетняя программа наблюдений разделена на несколько фаз: предварительное обследование, отделение кубсатов, детализированное обследование, снижение и близкое обследование кратера и мест посадки, демонстрация автономных операций сближения, во время которых специалисты надеются получить максимум информации как по двум астероидам, так и по работе трех разных аппаратов на разных орбитах в этой системе.
В системе Юпитера
После входа на вытянутую орбиту возле Юпитера в начале 2030 года Clipper использует несколько пролетов у Ганимеда для снижения дальней от Юпитера точки орбиты и почти год спустя начнет регулярные пролеты Европы— сначала у дальней от Юпитера стороны, а потом ближней. В ходе 49 пролетов, запланированных в основной миссии (на расстояниях от 25 до 4000 км), планируется составить намного более подробную карту Европы, чем прежде, и, возможно, пролететь недалеко от действующего «гейзера». В конце этой стадии, в 2034 году, возможно продление миссии — в зависимости от количества оставшегося топлива и состояния бортовых систем.
Финал
Все четыре аппарата закончат свой путь не вечными странниками, а на поверхности космических тел:
- Кубсаты Juventas и Milani попытаются мягко сесть на Диморф и поработать на его поверхности. Hera же после завершения их и своей миссии попытается мягко сесть на основной астероид — Дидим.
- Для Europa Clipper любое соприкосновение с поверхностью Европы строго запрещено международными правилами Planetary Protection, следящими за незагрязнением внеземных потенциально обитаемых мест. Поэтому в планах — перелет к ближайшему другому спутнику, Ганимеду, и завершение полета в виде его нового небольшого кратера.
Последователи
Защита
В 2027 году планируется китайский ответ на DART+Hera, но более похожий на изначальный план AIDA (AIM+DART): сначала «наблюдатель» займет свою позицию неподалеку от «цели», 30-метрового астероида 2015 XF26, а потом в этот же астероид врежется «снаряд», запущенный тем же пуском, но летевший от Земли по более длинной траектории.
В 2029 году совсем рядом с Землей пройдет 300-метровый астероид Апофис, долгое время считавшийся угрозой № 1. К нему уже летит американская АМС OSIRIS-REX, и, вероятно, будет профинансирована и запущена еще одна европейская АМС RAMSES, очень похожая по дизайну на Hera.
Для выявления новых астероидов на смену NEOWISE специалисты NASA создают NEO Surveyor, планируемое местонахождение которого (точка Лагранжа L1 системы Земля — Солнце) наилучшим образом позволит заметить те околоземные тела, которые ускользают от наземных телескопов из-за солнечной «засветки». Также европейцы планируют запустить туда же еще один обзорный телескоп NEOMIR — он заметит те астероиды, которые ускользнут от взора первого аппарата, но эта миссия пока еще не утверждена.
Астробиология
Из уже утвержденных астробиологических миссий в Солнечной системе можно отметить три крупные марсианские: европейский марсоход с буром ExoMars (запуск в 2028 году) и две миссии по возврату грунта: китайская Tianwen-3 (2028) и американская Mars Sample Return (2030?).
Параллельно с ними к спутнику Сатурна Титану полетит в 2028 году атомный октокоптер Dragonfly.
Но максимальные надежды связываются всё же с Европой и Энцеладом. И так как вторая цель намного проще (около Сатурна намного меньше радиации), то множество конкурсов NASA и ESA фокусируются на миссиях к нему — пролеты через выхлоп гейзеров, посадки у них самих, либо и то, и то одновременно. Выбор и официальное утверждение такой миссии весьма вероятны в ближайшие годы.
Насчет Европы: есть предложения небольших пролетных миссий возле нее с целью восполнения разного рода «лакун», которые останутся после Clipper — в том числе по направленному поиску биомаркеров. Что же касается посадочных миссий (не говоря уж о тех, что планируют бурить лед до воды под ним), то, вероятнее всего, им придется ждать как научных результатов Europa Clipper, так и развития программы Starship — чтобы уточнить, какие объемы и массы оборудования можно будет отправить на поверхность Европы в ближайшие десятилетия.
Андрей Колин, MSc, выпускник International Space University,
системный инженер космических аппаратов