Hayabusa     сайт     в Википедии

Зонд "Hayabusa" - Японская автоматическая станция - основная задача взять образец вещества астероида и доставить его на Землю. Поскольку и любой астероид, и Земля постоянно движутся по своим орбитам, то необходимо так рассчитать путь космической станции, чтобы она смогла встретиться с астероидом, взять образец грунта, а затем выйти на траекторию полета к Земле. Первая такая станция - "Hayabusa" - уже почти заканчивает свой путь, справившись с первой частью. В качестве цели выбран открытый в 1998 году крошечный, диаметром около 0,5 км, астероид Итокава 25143, орбита которого расположена недалеко от орбиты Земли.

Запуск зонда, его устройство и цель. История

      9 мая 2003г в 13:29:25 местного времени (04:29:25 UTC) со стартового комплекса Космического центра Кагосима (остров Кюсю, Утиноура, Япония) был выполнен пуск твердотопливной РН M-5. С помощью дополнительной ступени KM-V2 ракета вывела на межпланетную траекторию японскую межпланетную станцию Muses-C, предназначенную для доставки образцов грунта с астероида. Согласно официальному сообщению Института космических и астронавтических наук (ISAS), выведение прошло в полном соответствии с планом и без замечаний, «как будто ее [ракету] поднимало и направляло небо». Отделение КА было выполнено через 610 сек после запуска; еще через полчаса прошло раскрытие панелей солнечных батарей, состоялось выдвижение рупора грунтозаборного устройства и т.д. Наконец, к 06:00 UTC на станции Сети дальней связи NASA под Канберрой был принят сигнал с борта: состояние станции удовлетворительное.
    После успешного выхода на отлетную траекторию аппарату с техническим наименованием Muses-C по японскому обычаю было присвоено имя собственное – Hayabusa («Хаябуса»), что означает «Сокол». Аппарат Muses-C (Mu Space Engineering Spacecraft-C) был задуман в 1996г как экспериментальная японская АМС, предназначенная для демонстрации перспективных технологий: электрореактивной ДУ, автономной оптической навигации, возвращаемой капсулы, рассчитанной на вход в атмосферу Земли со 2-й космической скоростью и др. Но задание для этого экспериментального аппарата было выбрано самое сложное – доставка на Землю образцов вещества астероида. В качестве цели был первоначально выбран небольшой (диаметром 1–2 км) астероид номер 4660 с именем Нереус. Запуск на 5-м экземпляре носителя M-5 планировался на 7 января 2002г с возвращением на Землю  28 января 2006г. В мае 1997г было достигнуто соглашение о сотрудничестве между ISAS и JPL (США) в проекте Muses-C. Американцы обещали содействовать в управлении полетом и приеме данных с использованием Сети дальней связи NASA, предоставить посадочный полигон в штате Юта, а также организовать испытания тепловой защиты возвращаемой капсулы в Исследовательском центре имени Эймса. Взамен они получили право поставить на борт Muses-C наноровер Muses-CN, который, однако, так и не был сделан. Кроме того, специалисты NASA были введены в научные группы, сформированные вокруг японских приборов, и американцам была обещана для исследований часть доставляемых образцов – правда, через год после того, как с ними ознакомятся японские исследователи.
    Осенью 1999г для японской станции вместо Нереуса была выбрана запасная цель – совсем маленький астероид с обозначением 1989 ML и номером 10302. Запуск был отсрочен до июля 2002г. 1 августа 2000г был объявлен перенос запуска Muses-C на 24 ноября 2002г. Как следствие, была выбрана третья и окончательная цель станции – астероид с временным обозначением 1998 SF36, открытый 26 сентября 1998г камерой LINEAR. Стартовая масса КА Muses-C – 530 кг, в т.ч. сухая масса – 415 кг, масса компонентов бортового ЖРД – 50 кг и масса ксенона для электрореактивной ДУ – 65 кг. Корпус аппарата выполнен в форме параллелепипеда размером 1.50x1.50x1.05 м, на котором установлены две трехсекционные панели солнечных батарей общей площадью 12 кв м (на сторонах -Y и +Y) и остронаправленная антенна диаметром 1.5 м на двухстепенном подвесе (на стороне +Z).
    В состав бортовой электрореактивной ДУ входят два ионных двигателя с ионизацией рабочего тела (ксенон) за счет микроволнового разряда. Ионизированный газ разгоняется электрическим полем и выбрасывается через четыре сопла (на стороне +X). При потребляемой мощности 1 кВт тяга составляет 2 гс (20 мН); номинальная тяга каждого двигателя – 0.78 гс (7.7 мН), удельный импульс – 2980 сек, суммарный запас скорости – 4000 м/с. ЭРДУ используется для перелета к астероиду и обратно. При наземных испытаниях аналогичный двигатель был включен 30 марта 2000г и к 25 октября 2002г отработал 18000 часов. Для маневрирования вблизи поверхности астероида используется ЖРД (гидразин – азотный тетраоксид) с максимальной тягой 5 фунтов (2.3 кгс, 22 Н).
    Стандартная ориентация аппарата – режим трехосной стабилизации. Измерительными элементами системы ориентации являются два солнечных и один звездный датчик, исполнительными – маховики и 12 ЖРД тягой по 1 Н на двухкомпонентном топливе. Основная остронаправленная антенна HGA работает с передатчиком мощностью 20 Вт в диапазоне X и обеспечивает пропускную способность 8 кбит/с. Кроме нее, на аппарате имеется малонаправленная антенна MGA и ненаправленные антенны LGA диапазонов X и S. В состав бортовой научной аппаратуры входят камера видимого диапазона, лидар, спектрометр ближнего ИК-диапазона, рентгеновский спектрометр, устройство для забора образцов и посадочный зонд Minerva.
    Камера AMICA с ПЗС-матрицей в качестве средства регистрации и набором светофильтров предназначена для картирования поверхности, колориметрии, поляриметрии, исследования физических свойств поверхности, поиска газо-пылевой оболочки и спутников астероида, а также для навигации. Лидар LIDAR по существу представляет собой инфракрасный лазерный дальномер (длина волны – 1064 нм) и используется для составления карты высот, определения формы и массы астероида. Спектрометр ближнего ИК-диапазона NIRS установлен соосно с лидаром. Он выполняет измерения в диапазоне 0.85–2.10 мкм для определения минерального состава поверхности. Рентгеновский флуоресцентный спектрометр XFS регистрирует свечение поверхности в рентгеновском диапазоне. Он может определить количество магния, алюминия, кремния и серы в материале поверхности, а в периоды солнечных вспышек.

У астероида

     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.
   Станция подлетела к астероиду в начале сентября 2005 года и начала его изучение. По сообщению JAXA, утром 4 сентября Hayabusa находился всего в 1000 километров от цели, куда он двигался со скоростью 10 километров в час. 6 сентября космический аппарат Hayabusa вышел на орбиту астероида Итокава. 12 сентября зонд оказался в 20 километрах от поверхности небесного тела и начал выполнять более подробную съемку поверхности астероида, находясь в параллельном полете от астероида. Из-за поломок в программу миссии были внесены определенные коррективы: на месяц сокращено время работы зонда в окрестностях астероида; вместо трех кратковременных посадок Hayabusa должен был выполнить только две. Репетиция была намечена на 4 ноября, а касания астероида со сбором образцов грунта запланированы на 12 и 25 ноября 2005г.
     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.
    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 (так как мала сила гравитации на астероиде) 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 теперь намечена на 19 и 25 ноября.
     "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 диаметром 10 см с люминесцентным покрытием, отражающим лазерный луч.) был выпущен аппаратом с высоты 40 м и достиг поверхности астероида - этот факт подтверждают полученные снимки.  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). 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. Как сначала посчитали ученые посадка не состоялась, хотя позже выяснилось что зонд совершил посадку и провел на астероиде полчаса, но не смог взять пробы вещества. Из-за сбоя, причина которого была не выяснена, зонд перейдя в автономный режим работы, записал информацию о состоянии своих систем и передал ее в наземный ЦУП для анализа.
   25 ноября 2005г  зонд Hayabusa достиг поверхности астероида Итокава и взял образцы грунта. 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. Универсальное 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.
    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 выровнял свою траекторию.
    30 Ноября 2005 вышло сообщение, что 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". 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 была потеряна полностью.
    23 января 2006г 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.  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). На конец апреля 2006г Хаябуса находился в 13000 км от Итокавы и удалялся от нее со скоростью 3 м/с. Обратный полет планируется начать в начале 2007 года, прибытие к земле в 2010. Хотя первоначально планировалось что в конце 2005 года «Hayabusa» должна взять обратный курс к Земле. Посадка небольшого, диаметром 50 см, контейнера с образцами намечалась на 2007 год - в пустынной южной части Австралии, на полигоне Вумера, где находится космодром.

Карта астероида Итокава

Астероид (548х312х276м) оказался  подобен 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 обладают сколько-нибудь заметным гравитационным полем.

Некоторые итоги миссии Hayabusa

    Большинство астероидов покрыто в основном мелким реголитом - каменной пылью, получившейся вследствие столкновения с маленькими метеоритами. Оказалось, что Итокава содержит на поверхности только малые количества подобного покрова - его мелкий материал состоит из частиц размером сравнимых с гравием. Некоторые учёные считают, что мелкая пыль была унесена или переместилась под поверхность. Более того, осколки реголита не распространены по всей поверхности, а сосредоточены на ровных пространствах, на которые приходится пятая часть площади астероида. По остальной части поверхности рассыпаны валуны метрового диаметра, которые наводят на мысль, что какой-то процесс перемещает гравий в ровные зоны. Один из возможных механизмов перемещения гравия заключается в столкновениях с космическими камнями, вызывавшими тряску астероида на протяжение нескольких часов.
    Такие сотрясения могли также повлиять на наличие кратеров на астероиде "Итокава". Учёные увидели меньше таких образований, чем предполагалось, только шестьдесят из них имеют размеры в несколько метров. Маленькие кратеры могли не формироваться из-за того, что маленькие метеориты, врезаясь в астероид, разрушали валуны на поверхности, не образуя при этом кратер. Учёные также разделились во мнение относительно образования астероида. Оценки его плотности показали, что "Итокава" на 39% объёма состоит из пустых пространств. Он мог образоваться либо сразу в виде одной большой кучи булыжников или образовался из двух столкнувшихся частей. В пользу последней версии говорит его форма, однако объекты в регионе формирования астероида перемещаются со скоростью 2 км/с, что слишком много для того, чтобы два столкнувшихся объекта слиплись. Помимо этого состав астероида также остается неразрешенной проблемой. Спектральные исследования, произведенные зондом "Хаябуса" показали, что камни не подвергались воздействию тепла в прошлом. Однако обследования с Земли с телескопа в Гавайях показали, что частично "Итокава" оплавлен после нагрева до более чем 1000°С.
    Общие сведения. Итокава – астероид семейства Аполлона, спектроскопический класс S(IV). Длина астероида составляет 548 м, средняя плотность 1.95 г/см³, что меньше чем у других астероидов S-типа – Иды и Эроса. Астероид вращается с периодом 12.32 часа, ось вращения перпендикулярна плоскости эклиптики. Итокава имеет неправильную форму, его можно рассматривать как состоящий из меньшей части (“головы”) и большей (“тела”). Астероид на 40% внутри пуст. Ученые считают материал астероида обломками большего небесного тела, разлетевшимися и заново собранными вместе силами гравитации. По внешнему виду астероид сильно отличается от других изученных астероидов. Его поверхность можно разделить на 2 типа ландшафта: пересеченную местность, покрытую большим количеством камней и валунов, и ровные реголитовые равнины у “перешейка”. К последним относятся море Муз и местность Сагамихара, на оставшейся части астероида преобладает каменистый ландшафт. На Итокаве обнаружено более десятка ярко выраженных ударных структур круговой формы. Одной из крупнейших является Малая Вумера диаметром около 50 метров (Фиг.1). В отличии от известных астероидов, крупные кратеры имеют очень малое отношение глубина/диаметр. Пока рано судить о причинах этого, но похоже, что сей факт не может быть объяснен одним лишь заполнением кратера пылью и обломками. В любом случае это наблюдение позволит в будущем делать выводы о прочности и пористости пород астероида и механизмах кратерообразования. На снимках можно также различить кратеры малого и среднего размера: 21-метровая Комаба (Фиг.2), 36-метровый Фучинобе (Фиг.3), семейство кратеров в Учиноуре. В отличии от крупных кратеров они изрядно засыпаны пылью и напоминают “пруды”, обнаруженные на поверхности Эроса. Как и на Эросе, налицо дефицит малых кратеров, хотя здесь причина скорее в каменистости Итокавы, а не в быстром заполнении их пылью. Типичный пример кратера диаметром <10 м - Камисунагава в море Муз (Фиг.2).
    Каменные глыбы. Наличие крупных камней на поверхности является одним из важных факторов при планировании операций по забору грунта с астероида. Считается, что камни образуются при кратерировании, но учитывая слабую гравитацию Итокавы (вторая космическая ~10-20 см/с) никто не ожидал большого их количества. Однако первые же снимки обнаружили обратное. Всего было выявлено более 1000 валунов размерами >5 м, соответвующая концентрация крупных камней на квадратный метр более чем на порядок превышает таковую для Эроса, а максимальный размер глыб достигает ~50 м. Известна эмпирическая зависимость между размером ударного кратера, максимальным размером выброшенных обломков, а также между числом обломков и их типичными массами. В случае Итокавы после удара на поверхность возвращается ~0.5 % выброшенного материала, максимальный размер обломка не превышает 8 м, а общее число больших валунов не больше десятка. Поэтому ясно, что львиная доля валунов образовалась не за счет ударного кратерирования, а в каких-то других процессах, может быть еще при образовании самого астероида.
     Минералогия. Хаябуса оснащена двумя приборами для исследования состава астероида - спектрометром ближнего ИК диапазона NIRS и рентгеновским спектрометром XRS. NIRS был включен сразу после прибытия к Итокаве 12 сентября . В последующие месяцы было получено более 80000 спектров и закартографирована вся поверхность астероида. Поле зрения XRS значительно больше, поэтому он включался только в моменты сближения с Итокавой. В рентгеновском спектре удалось достоверно различить линии Mg, Si, Al. Отношения Mg/Si=0.78±0.09 и Al/Si=0.07±0.03 типичны для хондритов LL- и L- типов. ИК-спектр Итокавы отличается двумя характерными линиями поглощения на 1 и 2 мкм, которые указывают на наличие на поверхности астероида значительного количества минералов пироксена и оливина в соотношении 30:70. Для образования таких кристаллических фаз требуется хотя бы частичное расплавление пород и температуры по меньшей мере 1000-1200 С. Вероятно некогда Итокава была частью богатого оливином хондритного астероида LL- или L- типа.
    Температура. На Хаябусе нет специализированного прибора для измерения температуры поверхности астероида и выводы делались косвенным методом. ПЗС-матрица спектрометра XRS оснащена радиатором радиационного охлаждения, по тепловому режиму которого можно восстановить тепловые потоки от нагретой поверхности астероида и ее температуру. Измерения были проведены во время спуска 19 ноября, когда аппарат завис в 20 метрах от поверхности. Согласно оценкам температура Итокавы составила от 310 до 340 К. Эта величина определяется тепловой инерцией материала поверхности и занимает среднее положение между 290 К для монолитной скальной породы и 370 К для реголита. Измеренная величина вполне соответствует каменистой поверхности.

1, 2, 3, 4, 5 - изображения получены как только аппарат Хаябуса приступил к составлению карты этого астероида Итокава.  6 (и 11) - первый снимок подобного рода, когда космический аппарат видит свою тень, а это показана именно она на астероиде Итокава. 7 - перед посадкой на астероид космический зонд Хаябуса сбрасывал мишень - маркер для лучшей ориентации на место посадки.  8 - На данном изображении показан "горный" ландшафт астероида Итокава в высоком разрешении. 9, 12 - На обзорах отмечены красными зонами Point A и Point B, как уже можно догадаться - намеченные (Космическим агенством JAXA) места посадки зонда Хаябуса. 10 - показаны, синими зонами, местные достопримечательности астероида Итокава: 1 - засыпанный на астероиде кратер, 2 - скала с большой трещиной, 3 - северный полюс астероида Итокава. (Все снимки сделаны аппаратом с высоким разрешением)