Космос.
ГЛАВА VI. ВСЕМИРНАЯ СЛУЖБА КОСМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.
Человечество располагает научными, техническими и технологическими возможностями для создания эффективных средств защиты от космической угрозы. На рубеже восьмидесятых — девяностых годов учёные предложили политикам и общественности использовать потенциал военно-промышленного и космического комплексов для создания щита, способного укрыть земную цивилизацию от факторов космической опасности. Первые шаги в этом направлении были сделаны в последнее десятилетие XX в.
Защита земной цивилизации и самой жизни на нашей планете от космических угроз — задача сложная, многоплановая, долговременная и чрезвычайно дорогая. Последствия космического удара могут породить катастрофу регионального и даже глобального масштаба.
Активная защита. Варианты базирования средств системы перехвата опасных космических объектов.
Специалисты рассматривают различные возможности размещения средств космической защиты. В целях большей безопасности система должна иметь несколько эшелонов.
Первый, самый удалённый эшелон предлагается разместить в окрестностях точек либрации системы Солнце — Земля. Точками либрации называют точки, в которых тело малой массы может находиться в состоянии относительного равновесия по отношению к двум другим небесным телам. Второй эшелон специалисты предлагают развернуть вблизи точек либрации системы Земля — Луна, а также на самой Луне.
Третий — также космический эшелон — могут составить специально оснащённые искусственные спутники Земли, находящиеся как на низких, так и на высоких орбитах, вплоть до геостационарных (на высоте около 36 000 км). Четвёртый — последний — эшелон развёртывается на поверхности Земли.
Каждый из эшелонов должен иметь в своем составе комплекс для дальнего обнаружения и определения орбит ОКО, средства воздействия на опасные объекты, а также системы обеспечения работоспособности элементов космической защиты и управления ими.
В чем преимущество размещения средств космической защиты в области точек либрации систем Солнце — Земля и Земля — Луна?
В системе Земля — Луна они расположены в плоскости обращения Луны вокруг Земли и занимают относительно неё неизменное положение. Таких точек существует 5. Из них три (LI, L2, L3) лежат на прямой, соединяющей Землю и Луну, а две другие — L4, L5 — на лунной орбите. Расстояние от Земли до точек либрации LA и L5, как и до Луны, равно 384 000 км. Эти точки — частные решения задачи движения космического объекта под действием притяжения Земли и Луны.
Точки L4 и L5 образуют с Луной и Землёй два равносторонних треугольника. Их называют треугольными точками либрации. Французский математик и астроном Лагранж в конце XIX в. показал, что положение малого тела, помещённого в треугольные точки, будет устойчивым. Более того, тело, выведенное из этих точек, обязательно вернётся назад.
Вот почему вблизи треугольных точек космический объект может находиться без коррекции очень долгое время (до 15 месяцев). Кроме того, благодаря особой структуре силового поля в районе точек либрации затраты на проведение каждой коррекции весьма незначительны по сравнению с коррекциями в любой другой области космического пространства. В этом и заключается основное преимущество базирования здесь космических перехватчиков.
Положение точек либрации в системе Земля — Луна.
* * *
Цели и задачи Всемирной службы защиты Земли Основная цель Всемирной службы защиты Земли очевидна — предотвратить возможность или уменьшить отрицательные последствия космических катастроф. Меры защиты могут быть активные и пассивные. Пассивные меры предполагают обнаружение опасных объектов, слежение за ними, оценку возможных последствий столкновения, эвакуацию населения и ценностей, защиту наиболее важных объектов. Активные способы защиты сводятся к уничтожению потенциально опасных космических объектов (ОКО) или к изменению их орбит. В том и другом случае первый этап — открытие ОКО, возможно более полное изучение их размеров, природы и уточнение траектории. Выбор способов защиты и мер воздействия зависит от свойств открытого опасного объекта и времени до возможного столкновения. Воздействие на объект до выяснения его свойств в некоторых случаях может не только не уменьшить опасность, но увеличить масштаб катастрофы. В зависимости от имеющегося запаса времени до столкновения будут планироваться меры защиты. Необходимые системы защиты Земли: — обнаружение, слежение, распознание, каталогизация опасных космических объектов; — определение степени угрозы и возможных последствий столкновения; — организация специальных мер для предотвращения катастрофы или снижения ее уровня. В обобщенном виде система должна включать в себя три части: службу наблюдений, службу управления и службу противодействия. А вот более полный состав системы космической защиты: — сеть центров теоретических исследований и разработок проблем космической защиты; — система мониторинга за опасными космическими объектами; — средства доставки (ракеты-носители, разгонные блоки, перехватчики и др.); — средства воздействия (ядерные и неядерные); — средства регистрации и контроля результатов воздействий на опасные космические объекты; — глобальный командно-измерительный комплекс; — центральная система управления средствами защиты Земли. Основные требования к средствам защиты Земли: высокая (оптимальная) экономичность; высокая вероятность перехвата; минимальное влияние мер защиты от опасных космических объектов на околоземное пространство и экологию Земли. Наиболее реально и необходимо начинать с создания службы оперативного перехвата. Ведь, как мы уже знаем, в ближайшем будущем наиболее вероятно столкновение с небольшим небесным телом, которое может быть обнаружено вблизи Земли за сравнительно короткое время до встречи с ним. Параллельно необходимо и важно постоянно вести астрономические наблюдения малых тел Солнечной системы, проводить теоретические и экспериментальные исследования по проблемам космической безопасности. Важными направлениями этой работы являются разработка моделей типов опасных космических объектов и моделей воздействия на них.Их расположение в треугольных точках практически без энергетических затрат позволяет почти всю имеющуюся энергию использовать по прямому назначению для полёта к опасному объекту.
Другое преимущество — возможность в любой момент связаться с базой и передать, если необходимо, программу подготовки и проведения операции защиты.
Такое удаление от Земли термоядерных зарядов сделало бы их безопасными для нас. И что особенно важно, размещение средств защиты на таком расстоянии от Земли позволяет увеличить дальность перехвата ОКО.
Размещение средств защиты в окрестностях устойчивых точек либрации (LA и L5) системы Земля — Солнце имеет дополнительное преимущество: большая удаленность от Земли (150 млн. км) создаёт ещё больший запас времени для обнаружения опасного объекта, определения его свойств и параметров движения. Всё это позволяет выбрать наиболее надёжную стратегию перехвата опасного космического объекта.
Основной проблемой реализации этого варианта базирования является доставка массивных элементов системы в удалённые от Земли точки либрации. Однако транспортные операции могут быть осуществлены с минимальными энергетическими и материальными затратами. Для доставки в дальний космос средств защиты можно будет экономичные электрореактивные двигатели. Ведь создатели баз фактически не будут лимитированы окончательными сроками реализации проекта.
Если использование окрестностей устойчивых точек либрации (L4 и L5) системы Земля-Солнце дело будущего, то в точках либрации L1 и L2, которые в 100 раз ближе к Земле, несут свою вахту астрономические инструменты. В первой из них, расположенной в 1,5 млн. км от нас по направлению к Солнцу, более 10 лет за дневным светилом наблюдает уже знакомая нам обсерватория SOHO. Точка L2 противоположна первой и расположена в 1,5 млн. км позади Земли. Из этой точки можно контролировать почти всю небесную сферу, за исключением небольшого участка, который занимают Солнце, Земля и Луна. Вблизи точки L2 находится несколько аппаратов, ведущих наблюдения космических объектов в различных областях спектра.
Космический аппарат «SOHO» для наблюдения за Солнцем (совместный проект ЕКА и НАСА) был запущен в декабре 1995 г.
Создание такой четырехуровневой системы космической защиты Земли — задача чрезвычайно сложная, рассчитанная на многие десятилетия. Особенно проблематично создание двух «верхних» эшелонов космической стражи. Это дело отдалённого будущего, требующее к тому же огромных финансов. Особо трудная задача — обеспечение длительного и автономного функционирования удалённых космических систем. Некоторые учёные полагают, что подобная система всё-таки может быть создана поэтапно, объединёнными усилиями всех стран, но прежде всего — космических держав. Другие специалисты считают создание описанной «многослойной» системы защиты Земли в обозримом будущем просто нереальным.
Решать проблемы космической защиты Земли можно, объединив усилия и возможности мирового сообщества. Прежде всего необходимо создать международный мобилизационный план — план действий, направленных на снижение ущерба от космических катастроф. План должен включать как пассивные средства (средства гражданской защиты, средства информации), так и активные средства противодействия.
Наиболее реально использовать в системе космической защиты элементы двойного назначения. Их обычно используют в научных и народнохозяйственных целях, но при возникновении космической угрозы мобилизуют для решения задач защиты. Такой подход экономически наиболее оправдан и реалистичен.
Начинать создание системы целесообразно с развёртывания средств защиты Земли от объектов размерами 50–100 м. Во-первых, это посильная задача, а во-вторых, столкновение с объектами таких размеров наиболее вероятно.
Создавать систему следует, опираясь на имеющиеся средства противовоздушной и противоракетной обороны, на технику исследования и освоения космоса, на теоретические и технологические разработки военно-промышленного комплекса. Это не только сэкономит значительные средства, но сильно упростит и ускорит развертывание системы защиты Земли.Многие специалисты предлагают использовать прежде всего мобильные стартовые ракетные комплексы. Это повысит оперативность защиты. Уже сегодня космические аппараты могут использоваться в интересах астероидной безопасности. Это прежде всего системы спутниковой связи и навигации. Несколько лет с борта геостационарных американских искусственных спутников, оснащённых инфракрасными и оптическими датчиками, ведётся регистрация ярких болидов — вспышек, вызываемых вторжением космических тел в атмосферу Земли.
Защита на ближних рубежах.
Защита на близких подступах к Земле становится необходимой, когда опасный объект открыт уже на подлёте — за считанные недели, дни или даже часы до столкновения. Ближний перехват придётся применять против объектов неотвратимой угрозы, поперечник которых, скорее всего, не превысит 100 м. Во-первых, именно такие ОКО составляют абсолютное большинство, а во-вторых, крупные объекты, вероятно, удастся обнаружить на большем расстоянии.
Наиболее экологично вблизи Земли использовать против опасного объекта кинетическую энергию.
Удара. Для организации и проведения ближнего перехвата ОКО или их фрагментов в условиях дефицита времени многие специалисты считают технически целесообразным и экономически выгодным использовать ракетные комплексы мобильного базирования: наземные, морские, авиационные. Это может оказаться совершенно необходимым на первом этапе развертывания космической защиты при ограниченных возможностях заблаговременного обнаружения ОКО.
Авторы таких предложений подчёркивают преимущества ракетных комплексов мобильного базирования по сравнению с ракетными системами, запускаемыми с существующих космодромов. Прежде всего эти системы более оперативны, что особенно важно в условиях короткого времени до столкновения. Такие системы обеспечат оперативность доставки ракетных систем в точку старта и малое время подготовки к пуску. Мобильные комплексы должны нести оперативное дежурство и быть постоянно готовы к пуску.
Отличающиеся особой мобильностью комплексы воздушного базирования могут оказаться единственно возможным средством перехвата при позднем обнаружении ОКО.
Ракету «Пегас» подвешивают к нижней части фюзеляжа самолёта-носителя.
Воздушные и морские стартовые комплексы уже находят применение в практической космонавтике. Воздушные старты ракет на космическую орбиту — проблема практически решённая. В США с летящего самолёта давно запускают космическую ракету «Пегас XL». Именно таким способом 25 января 2003 г. с самолёта OSC L-101 1 была запущена ракета «Пегас» с исследовательским спутником на борту. Спутник SORCE (Solar Radiation and Climate Experiment) проводил измерение интенсивности приходящего к Земле солнечного излучения. Отделение от самолёта и старт ракеты в атмосфере произошёл на высоте 12 км над Атлантическим океаном в 160 км к юго-востоку от космодрома на мысе Канаверал. Другой запуск ракеты «Пегас» с самолёта Б-52 был произведён в экваториальной зоне вблизи Гавайских островов над Тихим океаном 27 марта 2004 г. «Крылатый космодром» наиболее мобилен в сравнении с другими типами стартовых комплексов. Он обеспечивает возможность оперативного выбора места старта в зависимости от координат и траектории опасного объекта.
Одним из ярких примеров возможного применения коммерческой космической системы в случае возникновения угрозы столкновения с ОКО служит реализуемый с 1990 г. международный проект «Морской старт». Основной целью этого проекта является оказание услуг на коммерческой основе по запуску космических аппаратов (КА) с мобильной стартовой платформы морского базирования. Для реализации проекта была создана международная компания «Sea Launch» («Морской старт»), которую учредили крупнейшая в США авиастроительная и космическая компания «Боинг», ведущее российское предприятие космической отрасли Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. СП. Королёва, крупнейшая в Европе норвежская судостроительная компания «Кварнер», аэрокосмические предприятия Украины Государственное конструкторское бюро «Южное» и Производственное объединение «Южмашзавод». Они выполнили колоссальный объём наукоемких и высокотехнологичных работ, завершившихся первым демонстрационным запуском.
Плавучий космодром состоит из стартовой платформы «Одиссей» и сборочно-командного судна. Самоходная полупогружаемая стартовая платформа типа катамаран построена в г. Ставангер (Норвегия) на базе морской платформы для нефтедобычи. Она оснащена стартовым столом, установщиком ракеты, системами заправки компонентами топлива и другими системами, обеспечивающими подготовку и запуск ракеты.
В порту сборочно-командное судно (СКС) используется как сборочный цех, а в открытом море становится центром управления подготовкой и пуском ракеты-носителя. Во время пуска на СКС помимо экипажа размещаются специалисты по обслуживанию ракетно-космической техники и управления пусками.
Старт ракетоносителя «Зенит-3СЛ» 21 августа 2006 г. Ракета вывела на геостационарную орбиту новый спутник связи «Koreasat-5».
Согласно проекту большинство спутников выводится на геостационарную орбиту из экваториальной зоны Тихого океана вблизи острова Рождества. Эти запуски выполняются с океанской платформы с помощью космической ракеты «Зенит-3SL» с разгонным блоком ДМ-SL. В обеспечении запусков используются спутники-ретрансляторы. Созданная система позволяет выводить на геостационарную орбиту почти 3 т полезного груза, на высокоэллиптическую орбиту (апогей 36 000 км) — 5,7 т.
Проведение запусков с экватора дает возможность максимально использовать эффект вращения нашей планеты: добавить к скорости ракеты скорость суточного вращения Земли, которая на экваторе равна 500 м/с. Это снижает удельную стоимость доставки полезного груза на заданную орбиту. Не случайно космические державы стремятся расположить свои стационарные космодромы поближе к экватору.
Реализация международного проекта «Морской старт» — пример объединения научно-технических возможностей предприятий разных стран для разработки и осуществления масштабных космических проектов двойного назначения.
Ещё один пример перспективности использования коммерческих космических комплексов для космической защиты — спутниковые навигационные системы. Долгое время американская глобальная навигационная система GPS была единственной, услугами которой на коммерческой основе пользовались различные организации и частные лица. В нашей стране развивается система навигации ГЛОНАСС. В мае 2014 г. группировка ГЛОНАСС насчитывала 29 спутников, 24 из них использовались по целевому назначению — располагались в трёх плоскостях по 8 аппаратов в каждой. Кроме того, 4 аппарата были в орбитальном резерве, 1 — на этапе лётных испытаний. Коротко говоря, отечественная навигационная система ГЛОНАСС была полностью развёрнута.
Понятно, что объединённая система навигации может в случае надобности стать частью всемирного комплекса космической защиты Земли.
Подобным же образом могут занять свое место в международном комплексе космической защиты Земли широко используемые сегодня спутниковые телекоммуникационные системы и средства дистанционного зондирования земной поверхности.
Многие специалисты в инициативном порядке разрабатывают и предлагают оригинальные проекты средств воздействия на опасные объекты.
В Центральном физико-техническом институте Министерства обороны России была исследована возможность эффективного применения энергии удара для разрушения астероидов. Исследование показало, что перехватчик массой 500 кг способен разрушить астероид до 1 5 м, перехватчик в 20 т разрушит ОКО поперечником не менее 50 м. Перехват безопаснее проводить за пределами воздушной оболочки Земли. Это обеспечит наибольшую скорость входа осколков в атмосферу, что необходимо для более полного их разрушения в воздухе. Расчёты проводились для однородных прочных каменных и железных астероидов. Понятно, что теми же «ударниками» можно будет разрушить рыхлые объекты гораздо большего размера.
Ракета-носитель «Союз-ФГ» перед стартом на космодроме Байконур 28 декабря 2005 г.
Необходимая точность выполнения всех этапов защитной операции может быть обеспечена при старте перехватчика с околоземной орбиты. Расчёты, выполненные в Институте проблем механики, показали, что для разрушения каменных астероидов поперечником от 1,5 до 3,9 км необходим удар цилиндром массой 1000 т с начальной скоростью 50–79 км/с. Ни сегодня, ни в обозримом будущем такие массы нельзя вынести даже на низкую орбиту. Но поскольку в ближайшие годы столкновение с ОКО такого размера маловероятно, можно накопить нужную массу в заданной точке околоземной орбиты постепенно, возможно, за десятилетия. И лишь в «час X» её надо будет разогнать в нужном направлении с необходимой скоростью. Такой «ударник» благодаря сейсмическим волнам в камне разрушит опасное тело на части, которые испарятся в атмосфере Земли.
Кинетический эффект удара такой большой массы может быть эквивалентен термоядерному взрыву, но экологически он гораздо более безопасен.
Перспективный способ взаимодействия угрожающему телу был предложен на Международной конференции «Астероидная опасность» (г. Санкт-Петербург, ИТА РАН, 1999 г.) учеными Центра программных исследований РАН Чернявским Г.М. и Чудецким Ю.В. На пути угрожающего тела предлагалось создать искусственное облако из частиц. Процесс взаимодействия частиц с поверхностью тела при скоростях более 10 км/с подобен физике образования ударных кратеров. Явление сопровождается выбросом вещества тела, масса которого может превышать массу ударяющей частицы в 103 раза в зависимости от относительной скорости соударения. Одновременно за счет выброса вещества возникает реактивная сила, которая тормозит тело. Расчёты показывают, что указанный способ в настоящее время вполне возможно осуществить для угрожающих объектов, которые по своим размерам сравнимы с Челябинским метеоритом (10–20 м). Создание искусственного облака в космосе — технически решённая задача. В 1963 г. искусственное облако из 480 млн. медных иголок общей массой 20 кг было образовано в космосе ракетой Тор-Аджена (США). Облако вращалось вокруг Земли с периодичностью 166 мин на высоте 3700 км в течение нескольких месяцев.
Завершение монтажных работ на навигационном спутнике ЕКА GIOVE-A.
В критических ситуациях, связанных с малым временем до столкновения Земли с космическим объектом большого размера, единственным способом защиты нашей планеты может стать ядерный удар.Расчеты и эксперименты показывают, что ОКО размером до 100 м удастся отклонить от Земли при «мягком» воздействии на них проникающего излучения от приповерхностного ядерного взрыва энергией около 10 Мт. И это удастся сделать, если перехватить опасное космическое тело на расстоянии всего нескольких земных радиусов. Основную роль в создании механического импульса выполнит поток нейтронов, порождённый взрывом. Такой способ воздействия не разрушит ОКО и позволит избежать риска столкновения Земли с его осколками. Но если АСЗ будет так поздно обнаружен, что для операции отклонения не останется времени, его придётся разрушить.
В этом случае, как мы уже говорили, скорее всего космической защите придётся иметь дело с небольшим объектом поперечником до 100 м.
Какую технологию взрыва надо будет использовать?
Как показывает опыт ядерных испытаний, при поверхностном взрыве доля энергии, передаваемой в грунт, составляет всего около 8%. Необходим более эффективный глубинный термоядерный взрыв, который должен раздробить встречный объект на осколки. И осколки эти должны быть меньше 10 м каждый. В этом случае значительную часть энергии падающего тела примет на себя атмосфера.
Но как внедрить ядерный заряд в тело летящего к Земле ОКО? Есть расчёты, что потребуется как минимум два удара. Первый механический удар должен «вырыть» достаточно глубокую нишу в приближающемся объекте, а второй произведёт в нише термоядерный взрыв. Если использовать шарообразный массивный «ударник» (лидер) диаметром в 1,4 м и ядерное устройство в виде стального конуса длиной 2 м и диаметром основания 1 м, то при расстоянии между ними около k м и при скорости удара 30 км/с ядерный заряд окажется в теле астероида на глубине более 3 м. При этом конструкция ядерного устройства не будет повреждена. Такой глубины вполне достаточно, чтобы тепловая волна от взрыва мощностью 1 Мт не вышла на поверхность.
Проникающую способность ударного модуля можно увеличить, если придать его головной части звездообразную форму. При подлёте к опасному объекту из головной части проникающего модуля выстреливается сверхпрочный стержень, который пробивает в нем удлинённую каверну на глубину более 50–75 м. В этом случае летящий вслед за стержнем проникающий модуль с ядерным зарядом практически не испытывает перегрузки. По расчётам сотрудника МГТУ им. Н.Э. Баумана В.А. Велданова, в предлагаемом варианте астероид поперечником 1–3 км может быть разрушен перехватчиком, который доставит систему проникания массой около 5 т при скорости встречи от 25 до 75 километров в секунду.
Американский космический корабль «Атлантис» причалил к российской станции «Мир».
При разрушении массивного объекта на крупные фрагменты вблизи Земли существует опасность их суммарного катастрофического воздействия. Вот почему следует стремиться к дроблению ОКО на мелкие части и на максимально далёком расстоянии от Земли. В этом случае осколки успеют так широко рассеяться в пространстве, что в земной шар попадёт лишь малая их часть.
Последствия взрыва в очень большой степени зависят не только от размера опасного объекта, но также от его формы, состава и структуры. Вот почему так важно успеть выяснить все эти и некоторые другие параметры ОКО.
Основу космических средств защиты землян от астероидной опасности, несомненно, составят автоматические аппараты. Возможно, лишь для технического обслуживания или модернизации к ним по мере необходимости будут летать космонавты-операторы.
Защита на дальних рубежах.
Для воздействия на потенциально опасные, но пока далекие от Земли космические объекты будут применены наиболее мощные ракеты-носители, стартующие со стационарных космодромов. Мы имеем в виду, например, отечественные «Протон» и «Энергию». Расскажем коротко об их возможностях.
Ракета «Протон» — самая большая из используемых ныне космических ракет. При общей длине 44,3 м и поперечнике до 7,4 м ракета способна вывести на околоземную орбиту более 20 т полезного груза. Тяжёлая ракета-носитель «Протон» использовалась в двух- и четырёхступенчатом вариантах. Первый «Протон» запущен в 1965 г. С тех пор ракеты этой серии доставили в космос десятки тяжёлых спутников, орбитальные станции «Салют», все модули орбитальной станции «Мир», а также основные и дополнительные модули Международной космической станции (МКС). В четырёхступенчатом варианте «Протон» выводил автоматические межпланетные станции к Луне, Венере и Марсу.
Успешные испытания сверхтяжёлого ракетно-космического комплекса «Буран-Энергия» прошли 15 ноября 1988 г.
Допустим, опасный объект нам удалось обнаружить за несколько витков до столкновения. До возможной встречи — десятилетия. В этом случае наиболее оптимальным было бы решение изменить его орбиту на пролетную. (Для разрушения объекта потребуется гораздо больше энергии.) Возможны два варианта решения задачи: мощный удар по опасному объекту или длительное воздействие на него. Сегодня теоретически более проработаны варианты ударного — импульсного воздействия на опасные космические объекты для одномоментного изменения его орбитальной (гелиоцентрической) скорости. Этого можно добиться кинетическим ударом по объекту либо термоядерным взрывом.
Проще всего спланировать столкновение посланного зонда с опасным объектом. Правда, для этого зонд должен обладать очень большой массой.
В любом случае к обнаруженному небесному телу придётся запускать космический аппарат, который доставит средство воздействия.
Как показывают расчёты, для выполнения задач противодействия на дальних рубежах возможны несколько вариантов траекторий.
Траектория типа «перехват» — с целью столкновения на встречных курсах — понадобится для нейтрализации долгопериодической кометы или вновь открытого астероида, сближающегося с Землёй.
При воздействии вдоль траектории движения опасного объекта для уменьшения или увеличения его скорости более эффективна встреча с ОКО в перигелии его орбиты. Это будут полёты типа «рандеву» на большом удалении от Земли. В случае встречи вблизи афелия даже при высокой начальной скорости КА (до 20 км/с) скорость встречи будет низкой. Другое дело, если «рандеву» состоится вблизи перигелия. Здесь даже при небольшой начальной скорости космического аппарата скорость столкновения под действием большего притяжения Солнца будет гораздо более высокой.
Ракета-носитель тяжёлого класса «Протон» предназначена для выведения автоматических космических аппаратов на орбиту Земли и далее в космическое пространство.
Это все теоретические соображения и расчёты. Но уже готовятся и реализуются космические эксперименты по активному воздействию на малые космические объекты. Например, по проекту Европейского космического агентства к одному из небольших астероидов будет направлен космический корабль с тяжёлым зондом на борту. Сблизившись с астероидом, аппарат ударит по нему зондом-болванкой. Основной корабль, обращаясь вокруг астероида, должен будет выяснить, как от удара изменилась орбита малого небесного тела. Результаты этого эксперимента позволят рассчитать массу и скорость будущих снарядов, необходимых для изменения орбиты астероидов, «нацелившихся» на столкновение с Землёй. О других активных экспериментах будет рассказано ниже.
Таблица дает представление об эффективности удара космического аппарата массой 49 т по АСЗ в перигелии для отклонения его на 1 млн. км.
| Диаметр АСЗ, м | Необходимое число витков после удара | Необходимое время, годы |
| 10 | 1 | 0,007 (≈ 2,5 суток) |
| 100 | 2 | 6,5 |
| 1000 | 1683 | 6500 |
Из таблицы видно, что импульсный удар имеет смысл для воздействия на ОКО размером менее 100 м. На более крупные объекты эффективнее подействовать термоядерным взрывом. По расчетным данным, применение ядерного заряда мощностью до 100 Мт достаточно, чтобы изменить опасную траекторию на пролётную, даже если мы имеем дело с астероидом поперечником 45 км. Напомним, что самый большой из открытых АСЗ имеет диаметр 40 км.
Уже несколько лет комплексные теоретические проработки проблем создания и применения ядерных средств воздействия (ЯСВ) на ОКО ведут сотрудники Российского федерального ядерного центра в г. Снежинске. Не случайно по инициативе и на базе этого Центра были проведены две первые международные конференции «Космическая защита Земли». Специалисты Центра доказывают, что накопленный опыт в различных областях науки и техники, уровень технологического развития ведущих ядерных держав дают основания полагать, что за сравнительно короткий срок при условии международного сотрудничества может быть создано эффективное и надёжное средство воздействия на ОКО с ядерными зарядами мощностью до 100 Мт. Группа сотрудников Центра во главе с заместителем его научного руководителя В.А. Симоненко предлагает, в частности, проект поэтапного воздействия на ОКО серией ядерных взрывов с коррекцией в зависимости от достигаемых результатов. Этот коллектив учёных предложил подробную программу работ в рамках международного проекта «Ради жизни на Земле — космический щит».
Модель паруса, разработанная НАСА для межзвёздного зонда.
Расчёты показывают, что при диаметре опасного объекта около 1 км не важно, где производить ядерный взрыв — на поверхности или на некоторой высоте. С технической же точки зрения осуществить взрыв на поверхности гораздо сложнее — это потребует высокой точности «причаливания» для осуществления мягкого касания. Кроме того, мощный поверхностный взрыв может привести к разрушению ОКО на фрагменты, что далеко не всегда целесообразно. Это тем более справедливо для глубинного термоядерного взрыва. В этом случае энергия взрыва пойдёт не столько на изменение импульса, сколько на разрушение ОКО.
Более экологичным для отклонения опасных объектов долговременным воздействием станет решение укрепить на нём двигатель большой или малой тяги. Для получения необходимого эффекта двигатель большой тяги придётся снабдить десятками или сотнями тонн топлива, а электрореактивный двигатель малой тяги на солнечных батареях должен будет успеть проработать многие десятилетия.Численное моделирование применения двигателя большой тяги (ДБТ) для отклонения АСЗ для орбиты астероида типа Таутатис (поперечник около 3 км) проводилось академиком Т.М. Энеевым и др. Орбита этого астероида лежит в плоскости эклиптики и имеет перигелий 0,9 а.е. и афелий 4 а.е. Если ДБТ израсходует в очень короткое время 25 т топлива при скорости истечения газа из сопла двигателя 4,5 км/с, то для отклонения астероида на 1 млн. км понадобится в три раза больше времени, чем при столкновении с ОКО космического аппарата массой в 25 т. И это понятно. Ведь скорость столкновения гораздо больше скорости истечения. Кроме того, понадобится дополнительное топливо для торможения КА при его причаливании к опасному объекту.
Возможные экологические последствия защиты от опасных астероидов.
Рассматривая проблему космической защиты жизни и цивилизации на нашей планете, нельзя не учитывать возможные экологические последствия воздействия на опасные космические объекты. Это в особенности относится к использованию термоядерных зарядов для разрушения или изменения орбиты опасного объекта. В зависимости от размера и структуры ОКО количество энергии взрыва, необходимой для его отклонения или раскола, может оказаться сравнимым с полной энергией магнитного поля Земли — около 200 Мт.
Натурные и активные эксперименты с ядерными зарядами в космосе до сих пор выполнялись на слишком малых высотах и с малыми энергиями. Поэтому природные эффекты, которые могут стать следствием активных защитных мер, необходимо тщательно изучать с помощью математического моделирования и в экологически безопасных лабораторных экспериментах.
Интересные результаты таких исследований получены группой новосибирских учёных из Института лазерной физики и Института вычислительных технологий. Проводились, например, эксперименты с применением лазерной плазмы по моделированию эффектов от ядерного взрыва мощностью 1000 Мт на расстоянии 1 млн. км. Такой взрыв должен будет отклонить астероид диаметром 1 км. С помощью миниатюрных магнитных зондов удалось наблюдать формирование «искусственной магнитосферы», близкой по форме к земной магнитосфере, которая должна возникать в реальной обстановке.
Вычисления и эксперименты показывают, что опасные процессы могут последовать и при термоядерных взрывах далеко за пределами земной магнитосферы. Термоядерный взрыв рождает плазменное облако, разлетающееся со скоростью около 1000 км/с. Это облако, взаимодействуя с солнечным ветром, порождает в нём ударные волны, которые способны вызвать самые быстрые и интенсивные возмущения магнитосферы Земли, что очень сильно повлияет на самочувствие и здоровье людей.
Ядерный взрыв.
Выявлены и другие возможные экологически опасные последствия защитных ядерных взрывов. При термоядерном взрыве в самой магнитосфере её глобальные возмущения будут ещё более сильными. В результате магнитосфера может не только изменить свою конфигурацию, но и быть прорвана. Тогда на земную поверхность в зоне прорыва хлынут потоки опасных заряжённых частиц.
Рентгеновское излучение, вызванное взрывом ядерного заряда, доставленного ракетой-перехватчиком, будет сдувать с поверхности астероида струи или сгустки испаряемой плазмы. Они должны порождать в магнитосфере продольные токи, замыкающиеся в полярных широтах на высоте более 100 км. Поскольку энергия плазменных струй может превышать 1 Мт, она не только разогреет ионосферу, но, возможно, повредит озоновый слой.
Очень опасно разрушение больших масс падающего космического тела в атмосфере. Так может образоваться дополнительный непрозрачный аэрозольный слой, способный вызвать климатические изменения на Земле.
Так как большую часть Земли занимают океаны, то наиболее вероятное последствие падения опасного объекта — цунами. Задача защиты в этом случае — дробление опасного космического объекта (ОКО) на части и развод фрагментов друг от друга на максимально возможное расстояние. Чрезвычайно важно избежать попадания осколков в густонаселённые районы и производственные объекты повышенной опасности. Прежде всего мы имеем в виду атомные электростанции. В некоторых случаях такой удар может вызвать аварию, подобную чернобыльской. Авария 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции — величайшая в истории технологическая катастрофа. Она коренным образом изменила жизнь по крайней мере семи миллионов человек, проживающих в Белоруссии, Украине и России, из-за радиоактивного заражения обширных районов этих республик. Несколько десятков тысяч пострадавших стали инвалидами, а 400 тысяч переселены в другие районы. Радионуклидами цезия оказались заражены регионы ещё четырнадцати стран Европы.
Необходимо предусмотреть возможные последствия разрушения крупных тел в околоземном космосе. Как показывает компьютерное моделирование, засорение осколками астероида околоземного космического пространства увеличит риск столкновения с ним обитаемых и автоматических аппаратов.
Космические миссии — репетиции активной защиты от ОКО.
Чтобы принять ту или иную стратегию создания системы защиты Земли от опасных космических объектов и приступить к ее реализации, необходимо продолжить и расширить проведение космических экспериментов. Прежде всего — дальнейшие исследования природы астероидов и комет с помощью космических зондов. Одновременно накапливается опыт, испытываются технические средства и отрабатываются технологии, которые будут необходимы в случае критических ситуаций.
Познакомимся с уже осуществленными проектами, которые стали весомым подтверждением возможностей современной науки и техники противодействовать ударам из космоса.
Модель станции «NEAR Shoemaker».
Примером возможности перехвата объекта, опасно сближающегося с Землёй, стала экспедиция к астероиду Эрос американской станции NEAR Shoemaker. Астероид Эрос, открытый в самом конце XIX в., интересен тем, что стал первым в списке небесных тел, сближающихся с Землёй. Он же из всех астероидов и комет первым был выбран для подробного исследования.
У зонда NEAR была чрезвычайно сложная задача: вывести аппарат на орбиту искусственного спутника астероида, чтобы затем длительно его изучать с близкого расстояния. По плану эта динамическая операция должна была начаться 10 января 1999 г. К сожалению, в момент выдачи команды с Земли на включение маневрового двигателя связь с аппаратом прервалась на 27 часов. В результате станция миновала Эрос на ближайшем расстоянии 3827 км. И всё же цель была достигнута! Удалось рассчитать и выполнить новую схему сближения, в соответствии с которой после нескольких включений двигателей 14 и 15 февраля 2000 г. космический аппарат стал первым в истории космонавтики искусственным спутником астероида. Дата события была на этот раз выбрана в интересах публики. Астероид, носящий имя греческого бога любви, получил «подарок» с Земли в День святого Валентина, отмечаемый во многих странах как праздник всех влюблённых.
Ещё изучение колебаний блеска Эроса, выполненное с Земли, показало, что астероид имеет форму груши размером 38x1 6 км, а его период вращения 5 час 16 мин. При первом сближении были получены многочисленные снимки Эроса. Период вращения в точности подтвердился, а размеры уточнились лишь немного: 40x14 км. Это ли не свидетельство надежности наземных астрономических исследований!
Уточнение размеров и массы помогло прецизионно выполнить все операции вблизи астероида при втором подходе аппарата. Любопытны начальные параметры движения «NEAR Shoemaker» по орбите вокруг Эроса. Обычно, когда говорят о космических скоростях, подразумевают скорости огромные, многократно превышающие привычные земные. Так вот, космический аппарат относительно Эроса двигался со скоростью человека, вышедшего на неспешную прогулку — 3 км в час! Неудивительно, что полный оборот «NEAR Shoemaker» завершал почти за целый месяц. Примерно за то же время Луна, двигаясь со скоростью 3600 км/ч, обходит вокруг Земли. При том, что расстояние до Луны в 1000 раз больше, чем от NEAR до Эроса. Такая разница объясняется малостью массы Эроса и ничтожной силой его гравитации.
Программа миссии «NEAR Shoemaker» предусматривала исследование Эроса со всё меньшей высоты. В заключение имелось в виду в случае успешных маневров аппарата вблизи астероида попытаться царапнуть его поверхность краем солнечной батареи, а затем, подняв аппарат, изучить полученную астероидом царапину. Но аппарат оказался настолько послушным, а операторы научились им управлять с такой почти ювелирной точностью, что было решено рискнуть — попытаться впервые посадить зонд на поверхность астероида. Тем более что срок службы аппарата к тому времени уже истекал. Специалисты NASA оценивали шансы на успех как один на сотню (ведь аппарат не был предназначен для посадки). И этот единственный шанс они использовали блестяще! 13 февраля 2001 г. аппарат массой 495 кг мягко опустился на поверхность Эроса.
Таким образом, американским специалистам удалось выполнить заранее не запланированный уникальный космический эксперимент. Сложность задачи усугублялась очень малой гравитацией Эроса. Допустимой была принята скорость посадки до 11 км/ч. При избыточной скорости причаливания сила отдачи отбросила бы аппарат в космическое пространство. Вместе с тем слабая гравитация облегчала задачу сохранности аппаратуры зонда при его контакте с грунтом малой планеты.
Все операции по спуску зонда продолжались четыре с половиной часа и были выполнены настолько точно, что аппарат продолжил передачу радиосигналов и после посадки. По-видимому, оказались в сохранности и панели солнечных батарей, обеспечивающие энергопитание. Заметим кстати, что никогда прежде полупроводниковые источники энергопитания не использовались на таком удалении от Солнца. Посадка стала возможной также благодаря знаниям об Эросе, полученным при подлете и во время годового изучения его с орбиты спутника.
Фотографии поверхности астероида Эрос.
Уже анализ первых снимков принёс много интересного. Всего же удалось получить более 160 тыс. снимков (в 10 раз больше запланированного). Оказалось, что астероид имеет слоистое строение, о чём свидетельствуют видимые на поверхности вытянутые параллельные желоба и гряды гор. По предположению учёных, это могут быть застывшие слои многократно изливавшейся вулканической лавы. Если эта гипотеза подтвердится дальнейшими исследованиями, придётся признать, что когда-то Эрос был частью другой, гораздо большей планеты. Есть и другая гипотеза: открытые протяжённые образования являются трещинами от столкновения с другим небесным телом. Изучение снимков приводит к выводу, что хотя бы часть борозд представляет собой следы больших камней, упавших на поверхность и довольно долго катившихся по ней. Камней большого размера на поверхности Эроса очень много. Иногда это настоящие поля валунов. Один из таких огромных валунов прекрасно виден в конце длинной борозды на дне небольшого кратера. Как бы то ни было, ясно, что Эрос является достаточно прочным небесным телом. Лишнее тому подтверждение — довольно высокая средняя плотность астероида. По последним радиоисследованиям, она составляет 2,4 г на кубический сантиметр, почти как и у земной коры.
Эрос цветом поверхности похож на Луну, но светлее её и отличается некоторой желтизной. Исследования, выполненные с помощью бортового спектрометра, выявили на поверхности астероида железосодержащие минералы: пироксен и оливин.
Изображение ядра Темпль-1 составлено из нескольких фотографий.
Самое поразительное, что такие минералы — продукт плавления горных пород, чего не должно быть на таком небольшом небесном теле. Это также свидетельствует в пользу гипотезы, что когда-то Эрос был частью достаточно крупного небесного тела. Однако разрушение «материнской» планеты должно было случиться в очень отдалённую эпоху. О древнем возрасте Эроса говорит то обстоятельство, что почти вся его поверхность (до 90%) покрыта сравнительно небольшими «оспинами» кратеров. Лишь в средней части этого «космического арахиса» с одной стороны обнаружен 5-км кратер, зато с противоположной, в седловине, кратеры почти отсутствуют. По характеру рельефа из всех исследованных вблизи малых планет Эрос сходен с Идой.
И руководители программы ученые-эксперты с полным основанием сочли полет «NEAR Shoemaker» абсолютно успешным. Впервые получена столь полная информация об астероиде, сближающемся с Землёй. Кроме того, приобретён уникальный опыт сближения, маневрирования и причаливания к астероиду, который может оказаться востребованным при операциях по космической защите Земли.
Не менее впечатляющий космический эксперимент осуществили ученые и специалисты США в 2005 г. 12 января с помощью ракеты «Дельта-2» была запущена станция с характерным названием «Дип Импакт» («Глубокий удар»). Цель космического зонда соответствует имени — глубокое проникновение в ядро кометы Темпль-1. Подобного в космонавтике до тех пор ещё не было. Выбор цели не случаен. Короткопериодическая комета, подвергшаяся бомбардировке, была открыта Эрнестом Темпелем в 1867 г. Она движется между орбитами Марса и Юпитера, обегая вокруг Солнца за пять с половиной лет. Столь частые сближения с нашей звездой позволяют учёным замечать и исследовать эволюцию кометы.
Больше половины массы аппарата приходилось на 372-килограммовый медный «ударник» (импактор), который 4 июля того же 2005 г. со скоростью 37 тыс. км/ч врезался в выбранный район поверхности кометы. Энергия, выделившаяся при столкновении, эквивалентна взрыву 4,5 т взрывчатки. До этого лишь Луна подвергалась ракетной бомбардировке. Но Луна по своим размерам сопоставима с Землёй. А поперечник ядра кометы Темпль-1 всего несколько километров (приблизительно 5x7 км). В результате удара болванки в теле кометы образовался взрывной кратер глубиной несколько десятков метров и размером с футбольное поле.
Понятно, что образование такого кратера не цель, а неизбежное последствие запланированного эксперимента. Таким образом, учёные впервые смогли добраться до внутренних слоев кометного вещества, скрытых под поверхностной коркой. Сравнительно небольшие размеры кометных ядер гарантируют отсутствие внутренних геологических процессов, которые могли бы изменять состояние кометных недр. Исследование выброшенного ударом первичного вещества Солнечной системы позволило познакомиться с его составом. Изверженное вещество включает маленькие зерна силикатов, соединения железа, сложные углеводороды, глину и карбонаты. Специалисты считают, что для их образования была необходима жидкая вода. Исследователи образно назвали все это «космическим суфле» — ведь ядро кометы пористое и мягкое. Полученные данные помогут лучше понять историю Солнца и его семьи. Можно надеяться также, что исследование состава комет прольёт новый свет на загадку возникновения жизни на нашей планете. Многие специалисты убеждены: кометы, выпавшие на юную Землю, доставили сюда массу воды. Лишнее подтверждение такой возможности дал полёт станции «Дип Импакт». Оказалось, что исследуемая комета Темпль-1 почти непрерывно выбрасывает в окружающее пространство большие порции воды. При ударе из образовавшейся воронки было выброшено водяного пара около четверти миллиона тонн. Эти данные получены космическим телескопом NASA Swift, который наблюдает всплески гамма-излучений. В данном случае гамма-телескоп регистрировал в рентгеновских лучах выброс вещества с поверхности кометы до и после удара. Это дало возможность определить массу потерянного кометой водяного пара. Разнообразные исследования выброшенного при взрыве вещества вели сотрудники 60 астрономических обсерваторий, расположенных в разных частях нашей планеты.
Большой интерес представляют снимки поверхности кометного ядра, переданные оставшимся на орбите аппаратом, а также изображения, полученные камерами точного прицеливания импактора до его столкновения с космическим телом. На снимках отчетливо видно множество кратеров, в то время как на других кометах, которые исследовали космические зонды, следов столкновения с метеоритами не было.
Успешное проведение эксперимента имеет особое значение для решения проблем кометно-астероидной опасности. Теперь стала очевидной возможность заблаговременного удара в заданную точку поверхности опасного объекта для его отклонения от Земли. Отметим, что активное воздействие было осуществлено на расстоянии 133 млн. км от Земли.
Драматично сложилась судьба миссии японского космического зонда «Хаябуса».
Зонд японского агентства аэрокосмических исследований стартовал в мае 2003 г. к сближающемуся с Землёй астероиду 25 143 Итокава. Главная задача полёта — забор и доставка к нам образцов грунта с поверхности потенциально опасного астероида.
Для решения этой задачи был создан оригинальный космический аппарат, оснащённый электрореактивным ионным двигателем, мощным компьютером, автономной системой навигации и управления. В сентябре 2005 г. «Хаябуса» подлетел к астероиду и с высоты от 20 до 7 км стал его исследовать. Астероид Итакава имеет столь малую массу, что сила его притяжения в 10 раз слабее давления солнечных лучей на аппарат. Правда, мощность двигателя «Хаябуса» стократно превышает воздействие излучения Солнца и потому аппарат способен перемещаться с заданной скоростью в нужном направлении.
Астероид Итакава.
За первые полтора месяца исследований было получено около 1500 снимков поверхности, лазерный высотомер определил расстояние до Итокавы в 1,4 млн. точках. 7 5 000 измерений выполнил инфракрасный спектрометр, а рентгеновский спектрометр собирал данные в продолжение 700 часов. Анализ полученной информации поразил специалистов из Института космических исследований и космонавтики Японии — настолько необычным оказался астероид. Если раньше малые планеты считали геологически однородными телами, то Итокава оказался весьма сложным объектом. Поверхность астероида укрыта минералами различной природы. Здесь и кусочки металлического железа, и легкие силикаты. Большая часть астероида покрыта крупными камнями размером до 50 м (!), причем они обладают различными отражательными свойствами. Один из камней, длиною в два десятка метров, выступает настолько, что, кажется, вот-вот оторвется. В некоторых районах камни не были замечены. Но при косом солнечном освещении резкие тени делали заметными даже малые неровности рельефа, и районы, считавшиеся совершенно гладкими, зачастую оказывались покрыты крупными камнями. Немногочисленные кратеры на поверхности Итокавы укрыты слоем реголита и потому плохо заметны.
Итокава имеет характерную картофелеобразную форму с двумя утолщениями. Наибольший размер астероида равен 535 м, наименьший — 209 м. Плотность Итокавы 1,9x0,13 г/см3 — заметно ниже, чем у каменных пород и у астероидов, изученных ранее. Низкая плотность говорит о том, что около 40% объёма необычного астероида составляют пустоты и он представляет собой весьма «рыхлое» образование.
Сравнительные размеры астероидов и комет:
1. Ида; 2. Дактиль; 3. Брайль; 4. Аннафранк; 5. Стеинс; 6. Эрос; 7. Итакава; 8. Матильда; 9. Гаспра; 10. Лютеция; 11. Борели; 12. Темпль; 13. Галлея; 14. Вильд.
Информация о природе астероида Итокава представляет большую научную ценность и очень важна для решения проблем кометно-астероидной угрозы. Ещё раз подтвердилась важность своевременного выяснения структуры и состава потенциально опасных объектов. Только на основе достаточной информации можно планировать и осуществлять адекватные меры космической защиты Земли. Но как мы помним, предстояло решить главную задачу — получить и доставить на Землю образцы вещества необычного астероида.
До конца октября было проведено подробное изучение предполагаемых мест посадки; 1 ноября были объявлены два выбранных места: точка А и точка В — обе вблизи экватора.
В дальнейшем планировалось провести несколько подготовительных маневров аппарата и три основных операции:
4 ноября — пробное снижение к поверхности немного восточнее точки А до высоты 30 м;
12 ноября — первое снижение с забором образцов в точке А;
25 ноября — второе снижение с забором образцов в точке В.
Во время первого снижения предстояло с высоты 30 м сбросить посадочную мишень и попытаться увидеть ее со станции при работе специальных ламп-вспышек — при реальной посадке она будет служить своеобразным маяком.
Во время полёта аппарат снял с близкого расстояния район, намеченный для посадки, вблизи точки А. Он оказался для этого непригодным из-за множества огромных (до 10 м) камней. Была сфотографирована область и вблизи точки В, где камней оказалось гораздо меньше. Несмотря на определенный риск, это было единственное место, пригодное для посадки на Итокаве. Именно здесь решили сделать обе попытки взятия грунта.
Решающим днём для программы «Хаябусы» стал 20 ноября, когда станция получила команду на вертикальный спуск с высоты 450 м. Притяжение Итокавы становилось всё сильнее, и двигатели включались раз в 100 секунд, чтобы замедлить разгон. В заданный момент был перерезан трос крепления посадочной мишени. Через 140 секунд на высоте 40 м аппарат снизил свою скорость и почти завис; мишень же отделилась и пошла вниз. Еще минут через шесть она достигла поверхности астероида. А «Хаябуса» с высоты 1 7 м пошел вниз, ориентируясь по мишени и учитывая рельеф района посадки. В это время связь Земли с космическим аппаратом ухудшилась, а временами прерывалась.
Что происходило с «Хаябусой» в дальнейшем, удалось узнать, когда связь была восстановлена.
Японский аппарат коснулся поверхности астероида со скоростью около 10 см/с. По сигналу датчика касания на «трубе» грунтозаборного устройства аппарат должен был «выстрелить» в грунт «пулей» диаметром 10 мм и массой 5 г. В этом случае от удара со скоростью 300 м/с поднялось бы облако частиц грунта, порцию которых «Хаябуса» должен был уловить и начать подъём. К сожалению, датчик касания не включился, поэтому грунтозаборное устройство не сработало и управляемый подъём не состоялся. Сила отдачи подбросила «Хаябусу» на небольшую высоту, и он вновь опустился на астероид. После второго подскока «Хаябуса» окончательно осел на поверхность и находился на ней около 40 мин. Аппарат стоял под углом 16°, касаясь грунта нижним концом приемного устройства и краями солнечных батарей. Вскорости аппарат получил с Земли и исполнил команду на взлёт — кстати, первый взлёт земного аппарата с небесного тела, за исключением Земли и Луны. Проведенное тестирование показало, что «Хаябуса» не получил серьёзных повреждений, и операторы начали готовить вторую попытку взять грунт.
25 ноября аппарат начал спуск на астероид в пятый раз. 26 ноября он получил команду на вертикальный спуск и разрешение на посадку в автономном режиме. На высоте 14 м аппарат завис и развернулся перпендикулярно к поверхности. Теперь оставалось ждать, когда спуск сменится подъёмом и пойдёт телеметрия. Наконец «Хаябуса» зарегистрировал касание. Сразу две пули с интервалом в 0,2 с были всажены в грунт, чтобы увеличить объём выбрасываемого вещества.
Через секунду спуск сменился быстрым подъёмом и на безопасной высоте аппарат начал передачу сигналов. Надпись, высветившаяся на дисплее группы управления, означала, что впервые в мире успешно проведена операция забора грунта с астероида!
Это был момент всеобщего торжества, к которому примешивалась легкая тревога. А вдруг записи бортовых данных покажут, что какие-то действия аппарат не выполнил? Руководители полёта подозревали, что один или два «нижних» двигателя коснулись грунта при нештатной посадке 20 ноября и могли быть повреждены. Всё остальное на борту работало: солнечные батареи давали ток, связь была нормальной, ориентация тоже.
Прием данных с борта продолжался более двух часов. Удалось убедиться, что посадочная программа в бортовом компьютере отработала нормально, все команды были выданы, сбоев не было и что ориентация в момент касания была правильной.
Первоначально возвращение зонда «Хаябуса» с веществом необычного астероида планировалось на 2007 г. Но поскольку эксперимент закончился серьёзной аварией, обстоятельства и размеры которой не до конца были известны, не было уверенности, что раненый аппарат сможет вернуться к Земле и сбросить капсулу с уникальными образцами внеземного вещества. Тем не менее 13 июня 2010 г. «Хаябуса» вернулся к Земле и успешно сбросил на парашюте посадочную капсулу с уникальными образцами внеземного вещества. Капсула приземлилась на юге Австралии и была доставлена в Японию. Японский беспилотный космический аппарат «Хаябуса» («Сокол») занесён в Книгу рекордов Гиннесса за то, что он первым в истории сумел доставить на Землю материал, собранный на поверхности астероида.
Учёные выяснили, что Итокаву можно отнести к классу наиболее распространённых хондритов. Однако своим минералогическим составом он заметно отличается от большинства каменных метеоритов этого типа. Вещество астероида Итокава имеет лишь весьма незначительный процент железа. Такие хондриты менее всего распространены на Земле. Ученые установили, что минералы, находящиеся в пыли Итокавы, подверглись метаморфизму. Это означает, что длительное время они были разогреты примерно до 800 °С. Чтобы температура достигла 800 °С, астероид должен был иметь более 20 км в поперечнике. Это говорит о том, что нынешний Итокава является фрагментом большего тела.
Низкая плотность указывает на то, что около 40% объёма необычного астероида составляют пустоты, и он представляет собой весьма «рыхлое» образование.
Информация о природе астероида Итокава имеет большую научную ценность и очень важна для решения проблем кометно-астероидной угрозы. Ещё раз подтвердилась важность своевременного выяснения структуры и состава потенциально опасных объектов. Только на основе достаточной информации можно планировать и осуществлять адекватные меры космической защиты Земли.
* * *
Миссия европейской станции «Розетта» Автоматическая межпланетная станция названа так по ассоциации со знаменитым Розеттским камнем — древней каменной плитой с текстами на древнегреческом и древнеегипетском языках, с её помощью были расшифрованы древнеегипетские иероглифы. Аппарат «Розетта» поможет учёным узнать, как выглядела Солнечная система на этапе формирования планет. Проект осуществляется ЕКА совместно с НАСА. В январе 2003 г. ракета «Ариан-5» должна была вывести станцию на межпланетную орбиту. Основная цель научной программы — первое в истории подробное и длительное изучение короткопериодической кометы, включая посадку на поверхность кометного ядра. Объектом исследования должна была стать комета Виртанена во время ее возвращения в 2013 г. к Солнцу и Земле. Однако запуск «Розетты» из-за неполадок пришлось на год отложить, оптимальное время старта оказалось упущенным, цель исследования «Розетты» изменили: исследовать решили комету Чурюмова-Герасименко. Запуск состоялся 2 марта 2004 г. с космодрома Куру. 25 февраля 2007 г. «Розетта» сблизилась с Марсом, пролетела в нескольких сотнях километров от его поверхности и произвела фотосъемку Красной планеты. 10 июля 2010 г. «Розетта» встретила на своём пути астероид Лютецию, размер которого на порядки больше величины астероидов и комет, исследовавшихся космическими аппаратами ранее. Пролетая мимо Лютеции на минимальном расстоянии 3162 км, аппарат передал учёным огромное количество её высококачественных изображений. Проведённые измерения и съемка Лютеции подтвердили безупречность работы систем «Розетты». Изображения позволили уточнить вытянутую форму и размеры астероида — 130 км в длину. Анализ крупномасштабных изображений поверхности, «истерзанной» ударами других небесных тел и потому покрытой кратерами разного возраста, позволяет утверждать: Лютеция существует около 4,5 млрд. лет — со времени формирования планет Солнечной системы. 6 августа 2014 г. аппарат «Розетта» вышел на орбиту кометы Чурюмова-Герасименко 67Р. К ней он летел десять лет, пять месяцев и четыре дня, преодолев более 6,4 млрд. км. Перед сближением с кометой скорость «Розетты» была снижена с 775 до одного метра в секунду, с мая по август специалисты многократно корректировали траекторию зонда. Выяснилось, что комета состоит из двух половинок, соединённых тонким перешейком. Пока учёные не знают, где именно заякорится «Филэ», спускаемая часть аппарата. К концу августа зонд «Розетта» должен найти пять предполагаемых мест посадки, а к середине сентября специалисты выберут одно из них. Если всё пойдет по плану, «Филэ» должен будет опуститься на комету 11 ноября.
Так представил художник десантирование посадочного модуля «Розетты» на ядро кометы Чурюмова-Герасименко.
Автоматическая межпланетная европейская станция «Розетта» приближается к комете Чурюмова-Терасименко.
Сейчас зонд «Розетта» завис над кометой на высоте 100 км, и планирует облететь её дважды. В ходе второго облёта дистанция между аппаратом и 67Р будет сокращена до 50 км, а затем, возможно, и до 30. Сила притяжения небольшого ядра кометы настолько мала, что станция будет перемещаться вокруг него буквально со скоростью черепахи (1–2 км/ч). Витки траектории, охватывающие комету, как бы поместят ее в мобильную исследовательскую лабораторию. Это фактически прямое комплексное изучение кометы позволит, как рассчитывают учёные, проследить за всеми этапами её эволюции: исследовать изнутри развитие головы и хвоста, изучить процессы взаимодействия вещества кометы с солнечным ветром, исследовать кометный газ и твёрдые пылевые частицы, проанализировать изотопный состав кометного вещества, сфотографировать поверхность ядра камерой с высоким разрешением, картировать поверхность в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, прозондировать ядро на глубину нескольких сантиметров и «просветить» внутренние слои кометного ядра с помощью радиосигнала и т.п. «Розетта» будет сопровождать комету как I минимум до августа 2015 г., когда та сблизится с 1 Солнцем. Учёные надеются получить ценные данные о начальных этапах возникновения Вселенной. Они подчёркивают, что комета сохранилась практически в первичном состоянии с момента возникновения 4,5 млрд. лет назад. Свою миссию они называют в этой связи космической археологией.
Фотографии поверхности кометы Чурюмова-Герасименко, переданные станцией «Розетта».
Проект «Цитадель».
В этой главе мы рассказали о многих проектах исследования потенциально опасных малых тел Солнечной системы и о программах космической защиты Земли. Как правило, они направлены на решение отдельных сторон проблемы обеспечения космической безопасности нашей планеты. Кроме того, не все описанные проекты представляются вполне реальными.
Теперь познакомим читателя с идеями и предложениями Анатолия Васильевича Зайцева — ведущего конструктора НПО им. Лавочкина, одного из крупнейших авторитетов по проблемам космической защиты Земли. Начиная с 1980-х г., наряду с разработкой целого ряда успешных проектов исследования космоса, он с группой сотрудников занимается проблемой космической защиты Земли от астероидно-кометной опасности. Одна из последних работ группы д.т.н. А.В. Зайцева, вынесенная на обсуждение научно-технического сообщества, — проект создания Системы планетарной защиты. Основные особенности проекта — его комплексность и реалистичность. Планетарной система названа потому, что, по мнению автора, в перспективе должна быть организована не только защита Земли, но также Луны и, возможно, соседних с нами планет. Например, на нашем естественном спутнике надо будет не только «прикрыть зонтиком защиты» будущие лунные поселения землян. Катастрофическое столкновение астероида с Луной может привести к падению на нашу планету осколков, выброшенных взрывом. Как помнит читатель, на Земле уже найдены образцы лунных и марсианских метеоритов именно такой природы.
Свой проект А.В. Зайцев образно назвал «Цитадель». Так в прошлом в Европе называли особо сильно укреплённое сооружение внутри крепостной стены, приспособленное для длительной, самостоятельной и надёжной обороны.
Концепция проекта основана на том, что создавать в настоящее время и поддерживать в постоянной готовности систему защиты от крупных астероидов и комет, способных вызвать глобальную катастрофу, нереально. Гораздо реальнее, во-первых, обеспечить функционирование глобальной системы мониторинга космического пространства, чтобы в обозримом будущем открывать крупные угрожающие объекты настолько заблаговременно, чтобы успеть подготовить и реализовать адекватные меры противодействия им. И во-вторых, возможно и необходимо уже сейчас приступить к созданию системы планетарной защиты от объектов размером в десятки и сотни метров. Основа предлагаемой А.В. Зайцевым системы планетарной защиты (СПЗ) — международная наземно-космическая служба глобального контроля космического пространства, находящаяся в постоянной готовности наземно-космическая служба перехвата небольших опасных объектов и наземный комплекс управления. Согласно проекту «Цитадель» «служба перехвата небесных тел имеет наземное базирование и содержит несколько региональных сегментов, создаваемых на базе ракетно-космических и ядерных средств России, США и ряда других стран». Региональные центры должны располагать полным арсеналом средств защиты от космической угрозы.
Схема действия системы планетарной защиты.
А.В. Зайцев подчёркивает, что именно Россия имеет уникальный набор технических средств и технологий, которыми не обладают другие страны и которые могут стать основой для создания регионального центра планетарной защиты. В одной из публикаций А.В. Зайцев рассматривает основные компоненты и возможную схему действия в критической ситуации Российского центра системы «Цитадель». «После обнаружения потенциально опасного небесного тела к наблюдению подключатся средства наземного и космического базирования, в зоны видимости которых этот объект будет попадать. На основе получаемой информации в Центре планетарной защиты оценивают степень опасности (место, время предполагаемого удара по планете, его возможные последствия) и разрабатывают комплекс мер по её предотвращению». Затем учёные оперативно вырабатывают рекомендации для руководителей стран и ООН. «После согласования плана мероприятий на межправительственном уровне запускают два космических аппарата (КА)-разведчика с помощью ракет-носителей (РН) “Зенит” или “Днепр” и по крайней мере два КА-перехватчика (РН “Зенит” или “Протон”)».
Цель запуска аппаратов-разведчиков — уточнить с близкого расстояния орбиту опасного объекта, его размеры, массу, форму, характер вращения, состав, структуру и механические свойства. Это обеспечит точное наведение перехватчиков на цель и эффективность их воздействия — отклонение или разрушение угрожающего объекта. Проект «Цитадель» предусматривает старт двух аппаратов-разведчиков и первого перехватчика не позже чем через 12 час после обнаружения опасного объекта. Второй аппарат-перехватчик должен быть запущен не позже чем через 12 час после первого. Свидание аппаратов-разведчиков с опасным астероидом при этом состоится на удалении около 1 млн. км от Земли, а перехват — внутри лунной орбиты, на расстоянии от 180 до 270 тыс. км. А.В. Зайцев исходит из того, что РН «Зенит» обеспечит доставку на такое расстояние ядерного устройства массой около 1,5 т. Заряд мощностью не менее 1,5 Мт способен разрушить каменный астероид диаметром в сотни метров. Проект предусматривает доставку той же ракетой-перехватчиком небольших аппаратов, которые должны будут зарегистрировать и передать в Центр результаты воздействия.
А.В. Зайцев аргументированно утверждает, что при соответствующих политических решениях и уровне финансирования эшелон оперативного перехвата СПЗ «Цитадель» можно создать за 5–7 лет. Дело в том, что проект «Цитадель» в значительной мере основан на применении уже существующих технологий, научно-технических средств и систем, на достижениях космического и оборонного комплексов, а также на использовании опыта сотрудничества специалистов разных стран в программах космических исследований. Действительно, в ряде стран давно используются могучие ракетно-космические комплексы и космодромы, мощные оптические и радиотелескопы, исследовательские космические зонды и орбитальные обсерватории различного назначения, средства противоракетной и противовоздушной обороны, наземно-космические системы связи и навигации, центры управления. Всё это и определяет реалистичность создания в столь сжатые сроки системы, предлагаемой А.В. Зайцевым.
Ракета-носитель Н-1 сверхтяжёлого класса («Царь-ракета»).
Один из вариантов надувной конструкции со шлюзовой камерой для лунной базы.
Мы уже говорили о комплексном подходе А.В. Зайцева к решению проблемы космической защиты. Значительное место в концепции отводится созданию надёжной системы мониторинга опасных объектов.
По оценке Зайцева, мощность и время предстартовой подготовки современных ракетно-космических средств позволяют осуществить перехват малых астероидов, если они будут обнаружены хотя бы за двое-трое суток до возможного столкновения. Исходя из этого, конструктор предлагает в качестве эффективного средства обнаружения целей для близкого перехвата запуск хотя бы одного космического телескопа. Его проектом «Конус» предусматривается размещение космического аппарата-наблюдателя на земной орбите на удалении в 10–1 5 млн. км от Земли. С такого расстояния можно будет замечать и те опасные тела, которые приближаются со стороны Солнца, что невозможно при наблюдениях с поверхности Земли. Ещё один телескоп предполагается разместить вблизи Земли на орбите искусственного спутника. Этот второй автоматический наблюдатель будет вести поиск крупных тел в метеорных потоках, с которыми встречается Земля на ее пути вокруг Солнца, а также наблюдать области, засвечиваемые Землёй и Луной при наблюдениях с первого аппарата. Найдётся работа и для наземных обсерваторий. Если космические телескопы заметят опасный объект, к его наблюдению обязательно подключатся наземные средства. Именно наблюдения с нескольких инструментов, разнесённых на большое расстояние, обеспечивают скорейшее и наиболее точное определение местоположение объекта в пространстве и уточнение его дальнейшей траектории. А.В. Зайцев отмечает, что базовыми для реализации проекта «Конус» могут стать созданные в Научно-производственном объединении им. С.А. Лавочкина спутники «Око» и «Аркон», другие перспективные разработки и изделия, выполненные на этом и других предприятиях в нашей стране и за рубежом.
Концепция А.В. Зайцева предусматривает защиту и от крупных астероидов. Для своевременного их обнаружения совершенно не обязательно в непрерывном режиме обозревать всю небесную сферу. Проект «Тор» предусматривает слежение за опасными объектами вблизи земной орбиты: внутри воображаемой кольцевой трубы сечением в несколько миллионов километров, охватывающей земной путь вокруг Солнца. Часть этой торовой области можно контролировать с наземных обсерваторий. Часть «трубы», располагающуюся за Солнцем, можно будет наблюдать с помощью телескопов, движущихся по земной орбите, на большом удалении от нашей планеты. Эти телескопы параллельно можно использовать для исследования нашего дневного светила, заглядывая на его обратную сторону. Это важно для прогнозирования активных процессов на Солнце, влияющих на жизнь Земли.
Поскольку в отличие от астероидов кометы могут прилететь к нам с любого направления, рано или поздно придётся организовать всемирную службу для наблюдения за всей небесной сферой. А.В. Зайцев предлагает поделить звёздное небо на участки между астрономическими обсерваториями, которые будут с определённой периодичностью осматривать свою область.
Концепция Зайцева предусматривает и то обстоятельство, что возможности космической защиты землян велики, но не безграничны. Теоретически можно представить и такую весьма маловероятную ситуацию, когда летящее к Земле тело окажется настолько колоссальным, что для его уничтожения будет недостаточно всех накопленных людьми ядерных зарядов. Поэтому А.В. Зайцев предлагает заблаговременно подумать о создании своеобразного космического Ноева ковчега на Луне, чтобы спасти хотя бы часть человечества.
Международная Космическая Станция «Мир» на орбите Земли.
В начале книги мы рассказывали об астероиде 99 942 Apophis (2004 MN4), который промчится вблизи Земли 13 апреля 2029 г. Специалисты вначале не могли вычислить, как изменится орбита астероида после столь близкого свидания с нашей планетой. Высказывалось предположение, что земное притяжение может таким образом изменить путь астероида, что он столкнется с Землей в 2036 или 2037 г. Однако сотни наблюдений в оптические телескопы и многочисленные радарные измерения, выполненные в 2004–2006 гг., уменьшают вероятность столкновения 99 942 Apophis с Землей практически до нуля. Читатель, уже получивший представление о потенциале космической защиты, понимает, что в случае необходимости земляне смогут адекватными мерами отвести от цивилизации эту и иные космические угрозы. Например, предлагалось доставить на астероид 99 942 Apophis (2004 MN4) прибор, который будет информировать специалистов о его местонахождении. Это позволило бы успеть при необходимости принять срочные меры защиты Земли.
Программа создания Всемирной службы защиты человечества от космической угрозы важна не только сама по себе. Она поможет сохранению и развитию достижений науки, техники и технологии, накопленных в оборонном комплексе и в космонавтике. Вместе с тем она может стать фактором, ускоряющим развитие многих отраслей науки и техники. Ведь именно так было, когда осуществлялись ядерные, космические и другие крупные проекты.
Глобальный характер космических опасностей, грандиозность проблем защиты, требующих своего решения, являются стимулом и диктуют необходимость объединения стран перед лицом этой поистине общечеловеческой угрозы. Организация международного сотрудничества в обсуждаемой области поможет людям разных стран, национальной и религиозной принадлежности, различных взглядов и политических убеждений осознать себя единым сообществом землян. Можно надеяться, что это осознание послужит укреплению мира и стабильности на нашей планете. Научно-технический потенциал России — передовой космической и ядерной державы — позволяет ей стать одним из лидеров разработки и осуществления международных программ космической защиты человечества.
Вместе с тем если средства планетарной защиты будут создавать в рамках только национальных программ, может начаться новый виток гонки вооружений. Ведь многие элементы космической защиты можно использовать и в военных действиях. Выход — в максимальной открытости этих работ, но прежде всего — в разработке и реализации Международной программы космической защиты под эгидой ООН.
Межпланетный космический комплекс на подлёте к Марсу.
Так, по мнению художников НАСА, может выглядеть постоянная база на Луне.
Не менее важно подготовить международно-правовую основу создания и применения национальных и международных средств космической защиты. Иначе действия любой страны или группы стран по перехвату и разрушению опасного объекта, особенно если это нанесёт ущерб другим странам, породят конфликты, связанные с необходимостью ликвидации возможных экологических и экономических последствий. Необходимость пересмотра соответствующих положений международного права обусловлена и тем, например, что сегодня запрещено использование в космическом пространстве ядерных взрывов, применение которых, как мы знаем, может оказаться необходимым для предотвращения возможной катастрофы.
И ещё: проблема космической защиты может эффективно решаться только во взаимосвязи с решением других глобальных проблем: экологических, экономических, политических, в кооперации с деятельностью по исследованию и освоению космоса.
Непременным условием решения глобальных проблем, основой устойчивого развития общества является изменение нашего с вами сознания. Ясно, что формирование нового сознания невозможно без опережающего образования молодёжи, которое необходимо начинать с самого раннего возраста. Мы убеждены, что основой современного образования должно стать космическое и экологическое образование. Для этого надо не только соответствующим образом изменить содержание учебных программ. Очень важно создать условия для творческого участия молодых людей в уже действующих государственных и общественных космических и экологических программах.
Сегодня существуют московские учебно-исследовательские молодёжные программы, открытые для всех желающих. Это, например, «Космический патруль», «Эксперимент в космосе», «Мы и биосфера», «Чтения им. Вернадского». Участники этих программ разрабатывают проекты космической защиты Земли, предлагают идеи экспериментов на МКС и спутниках, ведут наблюдения за астрономическими объектами, участвуют в экспедициях к месту падения метеоритов, обсуждают свои идеи с учёными и инженерами. Всё это не только помогает осознать взаимосвязь Человека, Земли и Вселенной, но также даёт возможность молодым людям внести свой посильный вклад в решение проблем, стоящих перед человечеством.
В конечном счёте от каждого из нас в той или иной мере зависит будущее всей цивилизации.
