Об астероидной «погоде» расскажет Ultiman

Устройство под названием Ultiman разработали в Институте космических исследований РАН под руководством главного научного сотрудника отдела физики космической плазмы Олега Вайсберга. Это энерго-масс-спектрометр, он предназначен для исследования космической плазмы и магнитосферы — магнитной оболочки планет и малых тел Солнечной системы. Отличается малым весом и габаритами и имеет самые передовые характеристики.

В 2024 году Китайское национальное космическое агентство планирует отправить на астероид Камоалева автоматическую станцию «Чжэнхэ». Зонд проведет облет астероида, совершит посадку на его поверхность, соберет образцы и передаст их на Землю в возвращаемом модуле. После этого сам зонд отправится к комете 133P/Эльст — Писарро.

Летающие летописи

О том, для чего ученые изучают астероиды и кометы, «Стимулу» рассказал директор ИКИ РАН Анатолий Петрукович: «Комета — это образование из замерзших жидкостей и газов, перемешанных с каменным материалом, такая вечная мерзлота, оставшаяся со времени образования Солнечной системы. Кометы ценны именно тем, что сохраняют первичное вещество. Астероиды — это уже “подсушенные” объекты, из которых водная, газообразная составляющая выбита».

Крупные небесные тела — планеты — защищены атмосферой. На них идут геологические процессы. На Земле работает вода, на Марсе тоже была вода, плюс еще тектонические процессы. То есть планета — это сильно переработанный материал. А если мы говорим о безатмосферных телах, об астероидах, о Луне, то это своеобразная книга истории Солнечной системы.

«Такие тела эволюционируют медленно, и своей поверхностью собирают все, как тряпкой для сбора пыли. То, что вокруг произошло за всю историю Солнечной системы. Поэтому у безатмосферных тел интересно изучать, из чего состоит поверхность. Ну и, конечно, через некоторое время, будем надеяться, начнется освоение ресурсов на этих астероидах. И надо понимать, из чего астероид сделан. Есть такие теории, что если мы как-то сумеем добыть один астероид, то металла с него хватит надолго», — говорит Анатолий Петрукович.

По его словам, сейчас освоение ресурсов астероидов кажется фантазией, но ученые уже начинают понемногу к этому подбираться. Важно понять, как летать к астероидам, как изменять их орбиту. «Например, астероид, который потенциально угрожает Земле. Что с ним делать? Если его просто взорвать, на Землю полетит рой обломков, — поясняет Анатолий Петрукович. — Так вот, существует идея, что надо его аккуратно сдвинуть. Как-то на него воздействовать, чтобы он чуть-чуть поменял орбиту и пролетел мимо Земли. Для этого надо понимать, из чего астероид состоит, какая у него поверхность, как на нее можно воздействовать лазером, космическим аппаратом или еще чем-то».

Цель выбрана грамотно

Астероид Камоалева обнаружен 27 апреля 2016 года, это лучший и наиболее стабильный на сегодняшний день пример постоянного квазиспутника Земли. Максимально отдаляется от Земли на 100 расстояний между планетой и Луной, а минимально — на 38 расстояний.

Как пояснил Анатолий Петрукович, при разработке миссии основным мотивом было удобство перелета: «Китайцы очень грамотно выбрали первую цель. Дело в том, что полеты к астероидам и кометам, как правило, очень затратны с точки зрения необходимого топлива, потому что это практически межпланетный перелет, даже, может быть, более сложный, чем полет на Марс. И в качестве первой подобной миссии они выбрали и комету, и астероид, которые находятся относительно близко от Земли с точки зрения цены перелета».

Заряженные частицы Вселенной

Среди различных приборов, позволяющих исследовать межпланетную среду, атмосферы планет, солнечные вспышки одни из важнейших — спектрометры плазмы. Такими устройствами оснащают множество космических аппаратов.

Космическая плазма — это ионизованный газ, заполняющий практически всю Вселенную. Она состоит из ионов и электронов и обладает, в отличие от нейтрального газа, множеством дополнительных интересных характеристик. Например, такие электрически заряженные частицы «чувствуют» друг друга и взаимодействуют на расстоянии, даже если среда настолько разрежена, что столкновений почти нет.

Изучение плазмы и магнитосферы космических объектов позволяет проникать в тайны Солнца и других тел Солнечной системы, от их зарождения до смерти. Взять пробу с поверхности, например, астероида непросто, а вот плазму над его поверхностью анализировать легче. Крайне важны также изучение и мониторинг космической погоды — солнечной активности, процессов в магнитосфере, влияющих и на технику, и на человека.

О своих исследованиях в этой области «Стимулу» рассказал создатель прибора для китайской космической миссии Олег Вайсберг: «Сейчас в Институте космических исследований я работаю с группой молодых ученых. Мы занимаемся изучением межпланетной и околопланетной плазмы, придумываем и готовим приборы для проведения исследований. Наши первые приборы были созданы в конце шестидесятых годов прошлого века и работали в начале семидесятых на советских автоматических межпланетных станциях космической программы “Марс” — “Марс-2”, “Марс-3” и “Марс-5”. Мы первые обнаружили плазменную оболочку Марса и установили, что он потерял почти всю свою атмосферу, которую “сдул” солнечный ветер. Вместе с замечательными инженерами Исааком Борисовичем Хазановым и Львом Соломоновичем Горном мы создали ряд оригинальных приборов и исследовали солнечный ветер, магнитосферы Земли и Венеры, плазменную оболочку кометы Галлея. Наш последний прибор был запущен на спутнике “Интербол” на эллиптическую орбиту вокруг Земли в 1995 году и дал несколько интересных результатов».

Прибор ПИКАМ, созданный по схеме Олега Вайсберга и изготовленный группой ученых и инженеров Европейского космического агентства, сейчас летит на космическом аппарате BepiColombo к Меркурию и прибудет к нему в 2025 году.

«Когда в 2019 году “Роскосмос” сообщил нашему институту, что Китайское космическое агентство предлагает сотрудничество в создании приборов для миссии к Луне и миссии к астероиду и комете, мы с сотрудниками решили подать заявку на участие. Ограничения на массу и потребление энергии предлагаемых приборов, их характеристики были очень жесткие. Имеющиеся у нас приборы не соответствовали этим ограничениям. Соблазн поучаствовать в таком интересном проекте был очень велик с учетом того, что задача исследования астероида и кометы во многом сродни исследованиям моего любимого Марса», — рассказывает Олег Вайсберг.

С учетом этих жестких условий и возникла идея попробовать новую конструкцию.

«Я набросал схему, — продолжает ученый, — предложил своему коллеге Сергею Шувалову эскиз и попросил его сделать схему электродов в программе SIMION. Электроды сложной изогнутой формы — ключевая часть анализатора плазмы. При подаче на них электрического напряжения они сортируют прилетающие ионы и электроны по энергии, массе, направлению прилета. Программа же позволяет проверить траектории заряженных частиц, выбрать необходимые потенциалы на электродах, оценить чувствительность прибора. Довольно быстро стало ясно, что предложенная схема работает неплохо. Единственный параметр не соответствовал требованиям, изложенным в китайском документе, — чувствительность. С этим я решил примириться, так как остальные параметры были очень хорошие, а чувствительность можно увеличить за счет манипуляций программой измерений».

Предложение для китайского проекта написать удалось. Впоследствии схему прибора еще немного подправили. Прибор назвали Ultiman, от латинского «окончательный». Устройство анализирует поток ионов в полусфере: плотность, распределения по энергии, ионный состав, распределение потока по разным направлениям. Суть в том, что крайне сложно совместить в одном компактном приборе одновременные или почти одновременные измерения всех этих параметров.

В результате предложение трех приборов от ИКИ (два прибора типа Ultiman для ионов и электронов и датчик солнечного ветра) и анализатора нейтральных частиц от китайской стороны было выбрано как лучшее из пяти комплексов этих плазменных приборов. В настоящее время российское и китайское космические агентства согласовывают работы по созданию и поставке приборов в Китай.

На основании приведенных выше характеристик комплекс дает возможность исследовать происхождение плазмы, ее роль в эволюции поверхности и состава самого астероида или кометы, следит за динамикой солнечного ветра, постоянно влияющего на объект.

Действуют широким фронтом

Как рассказал Анатолий Петрукович, китайская научная космическая программа очень обширна и нацелена на долгосрочное развитие: «Медленное, поступательное и долгосрочное освоение всех необходимых технологий и создание всех необходимых средств. Финансов у Китая достаточно много, и поэтому они могут себе позволить вести исследования, в данном случае научные, полным фронтом, по всем направлениям космической науки. Это и астрономия, и планетные исследования, и исследования околоземной плазмы. Другая страна, которая может себе позволить вести исследования таким широким фронтом, — это Соединенные Штаты. Все остальные — Европа, Россия, Япония — выбирают какие-то отдельные проекты из этого спектра, которые они считают приоритетными. Поэтому, конечно, конкурировать с Китаем сложно, но, с другой стороны, у российских ученых больше опыта проведения космических экспериментов».

Если говорить более конкретно, то, к примеру, лунная программа Китая — это прежде всего технологическое развитие, китайцы проводят ее уже около двадцати лет. По словам Анатолия Петруковича, начали просто с окололунных спутников, потом совершили две посадки на Луну с луноходами, сейчас вернули грунт. В целом Китай поступательно движется к полету человека на Луну, который, как можно предполагать, состоится где-то через десять лет. Они отработали сейчас на возврате грунта стыковку на орбите Луны и возвратную ракету, которая прилетит на Землю, технологию управления такими операциями на окололунной орбите.

«Что касается научных исследований, то на посадочных аппаратах был установлен определенный набор научных приборов. Наверное, грунт — это главное достижение, — считает директор ИКИ РАН, — сейчас китайские коллеги будут изучать его детально. И в этом смысле Китай идет на голову впереди всех, даже американцев. Никто еще после тех посадок шестидесятых-семидесятых годов на Луну не сел. У американцев и индийцев было несколько окололунных аппаратов, но именно посадки на Луну никто, кроме Китая, не осуществил. В ближайшие два года должны быть российская и американская посадки. И мы надеемся немножко догнать Китай, потому что российская посадка нынешнего года будет первой в приполярной зоне Луны. Все предыдущие были в экваториальную зону, более стандартное место, пусть даже и на обратной стороне Луны».

И в этой сфере у России с Китаем намечаются совместные проекты. Заключено несколько соглашений между «Роскосмосом» и Китайским космическим агентством о развитии взаимодействия в лунных программах.

«Что касается Марса, то здесь и проще, и сложнее, — говорит Анатолий Петрукович. — Надо просто долететь до Марса и сесть на Марс. Первый китайский марсианский проект включает в себя перелетный аппарат и посадочный аппарат с ровером, они уже вышли на орбиту, но потребуется еще несколько месяцев, чтобы подготовиться к посадке».

По словам ученого, у Китая такого опыта, как у американцев, нет, поэтому они, вероятно, предпочли несколько месяцев покружиться на марсианской орбите и подготовиться. И посадка ожидается где-то в конце весны. Здесь важен сам факт реализации такого проекта, потому что посадка идет совершенно по другой схеме, нежели посадка на Луну. На Луне нет атмосферы, поэтому это посадка на ракетных двигателях, а на Марсе надо еще парашют открыть.

Еще один интересный пункт китайской космической программы — проект многомодульной постоянно действующей орбитальной станции.

Анатолий Петрукович рассказал, что она даст Китаю и можно ли ее сравнить с каким-то из предыдущих проектов. «Ее надо сравнивать не с нынешней МКС, а скорее с советской орбитальной станцией “Мир”, — пояснил директор ИКИ РАН. — Предыдущая китайская станция была одномодульной и посещаемой. И это похоже на советские станции “Салют”».

По словам Анатолия Петруковича, сейчас Китай планирует сделать более постоянную станцию с большим количеством модулей по схеме, похожей на «Мир». «Не надо забывать, — говорит ученый, — что МКС — это, пожалуй, самое дорогое сооружение, которое вообще существует в мире. Это плод двадцатилетней работы ведущих космических стран, объект размером с футбольное поле. Там огромная энергоустановка, несколько причальных модулей и в российском, и в американском сегментах, они могут принять много космических пилотируемых аппаратов. Там могут размещаться десять человек. Одна страна такой проект не потянет, да и не надо, потому что МКС обслуживает интересы многих государств: и Японии, и Европы, и США, и России».