Hayabusa ( яп .はやぶさ, « сокол-сапсан ») — роботизированный космический аппарат, разработанный Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) дляна Землю образца материала с небольшого околоземного астероида 25143 Итокава длядальнейшего анализа. Hayabusa , ранее известный как MUSES-C ( космический аппарат Mu Space Engineering Spacecraft C) , был запущен 9 мая 2003 года и встретился с Итокавой в середине сентября 2005 года. После прибытия на Итокаву Hayabusa изучил форму астероида, его вращение, топографию, цвет, состав, плотность и историю. В ноябре 2005 года он приземлился на астероиде и собрал образцы в виде крошечных крупинок астероидного материала, которые были возвращены на Землю на борту космического корабля 13 июня 2010 года.
На борту космического корабля также находился отделяемый мини-модуль MINERVA , который не смог достичь поверхности.
Космические аппараты NASA Galileo и NEAR Shoemaker посещали астероиды и раньше, но миссия Hayabusa стала первой, в ходе которой образец астероида был доставлен на Землю для анализа. [4]
Кроме того, Hayabusa был первым космическим аппаратом, разработанным для преднамеренной посадки на астероид и последующего взлета ( NEAR Shoemaker совершил контролируемый спуск на поверхность 433 Eros в 2000 году, но он не был разработан как посадочный модуль и в конечном итоге был деактивирован после прибытия). Технически Hayabusa не был разработан для «посадки»; он просто касается поверхности своим устройством для сбора образцов, а затем уходит. Однако это был первый аппарат, изначально разработанный для осуществления физического контакта с поверхностью астероида. Дзюнъитиро Кавагути из Института космических и астронавтических наук был назначен руководителем миссии. [5]
Несмотря на то, что конструкторы планировали кратковременный контакт, «Хаябуса» приземлился и находился на поверхности астероида около 30 минут (см. ниже).
Космический корабль «Хаябуса» был запущен 9 мая 2003 года в 04:29:25 UTC на ракете MV из Космического центра Утиноура ( тогда еще называвшегося Космическим центром Кагосима ). После запуска название космического корабля было изменено с первоначального MUSES-C на «Хаябуса» , что в переводе с японского означает « сокол» . Ксеноновые ионные двигатели космического корабля (четыре отдельных блока), работавшие почти непрерывно в течение двух лет, медленно перемещали «Хаябусу» к месту встречи с Итокавой в сентябре 2005 года. По прибытии космический корабль не вышел на орбиту вокруг астероида, а остался на гелиоцентрической орбите , удерживающей станцию , поблизости.
Hayabusa обследовал поверхность астероида с расстояния около 20 км (13,7 миль), «позиция ворот». После этого космический аппарат приблизился к поверхности («домашняя позиция»), а затем приблизился к астероиду для серии мягких посадок и сбора образцов в безопасном месте. Автономная оптическая навигация широко использовалась в этот период, поскольку длительная задержка связи не позволяет управлять с Земли в режиме реального времени. Когда Hayabusa во второй раз коснулся поверхности своим развертываемым рогом для сбора, космический аппарат был запрограммирован на запуск крошечных снарядов по поверхности, а затем на сбор образовавшейся брызги. Некоторые крошечные пятнышки были собраны космическим аппаратом для анализа на Земле.
После нескольких месяцев близости к астероиду космический корабль должен был включить двигатели, чтобы начать свой обратный путь к Земле. Этот маневр был отложен из-за проблем с управлением ориентацией и двигателями корабля. Как только он оказался на своей траектории возвращения, капсула для возвращения была отделена от основного космического корабля за три часа до возвращения, и капсула пошла по баллистической траектории, снова войдя в атмосферу Земли в 13:51, 13 июня 2010 UTC. По оценкам, капсула испытала пиковое торможение около 25 G и скорость нагрева примерно в 30 раз больше, чем испытывал космический корабль Apollo . Он приземлился на парашюте около Вумеры , Австралия.
В отношении профиля миссии JAXA определило следующие критерии успеха и соответствующие баллы для основных вех миссии до запуска космического корабля Hayabusa . [6] Как видно, космический корабль Hayabusa является платформой для тестирования новых технологий, а основной целью проекта Hayabusa является первая в мире реализация микроволновых разрядных ионных двигателей . Таким образом, «работа ионных двигателей в течение более 1000 часов» является достижением, которое дает полную оценку в 100 баллов, а остальные вехи представляют собой серию впервые в мире экспериментов, построенных на нем.
Hayabusa несла крошечный мини- посадочный модуль (весом всего 591 г (20,8 унции) и приблизительно 10 см (3,9 дюйма) в высоту и 12 см (4,7 дюйма) в диаметре) под названием « MINERVA» (сокращение от MIcro-Nano E experimental robot vehicle for the Asteroid ) . Ошибка во время развертывания привела к отказу аппарата.
Этот аппарат на солнечных батареях был разработан с целью воспользоваться преимуществами очень низкой гравитации Итокавы, используя внутренний маховик для перемещения по поверхности астероида и передавая изображения со своих камер на Хаябусу всякий раз, когда два космических корабля находились в поле зрения друг друга. [7]
MINERVA была развернута 12 ноября 2005 года. Команда на выпуск посадочного модуля была отправлена с Земли, но прежде чем команда успела поступить, высотомер Hayabusa измерил расстояние до Itokawa, которое составило 44 м (144 фута), и таким образом запустил автоматическую последовательность поддержания высоты. В результате, когда поступила команда на выпуск MINERVA, MINERVA была выпущена, когда зонд поднимался и находился на большей высоте, чем предполагалось, так что он избежал гравитационного притяжения Itokawa и упал в космос. [8] [9]
Если бы это удалось, MINERVA стала бы первым прыгающим космическим марсоходом. Советская миссия Phobos 2 также столкнулась с неисправностью при попытке развернуть прыгающий марсоход.
Понимание учеными астероидов во многом зависит от образцов метеоритов, но очень сложно сопоставить образцы метеоритов с точными астероидами, с которых они произошли. Хаябуса помог решить эту проблему, вернув нетронутые образцы с определенного, хорошо охарактеризованного астероида. Хаябуса заполнил пробел между данными наземных наблюдений за астероидами и лабораторным анализом метеоритов и коллекций космической пыли . [10] Также сравнение данных с бортовых приборов Хаябусы с данными миссии NEAR Shoemaker выведет знания на более широкий уровень. [ необходима цитата ]
Миссия Hayabusa также имеет очень большое инженерное значение для JAXA. Она позволила JAXA дополнительно протестировать свои технологии в области ионных двигателей , автономной и оптической навигации, дальней космической связи и близкого перемещения на объектах с низкой гравитацией среди прочего. Во-вторых, поскольку это был первый в истории заранее запланированный мягкий контакт с поверхностью астероида ( посадка NEAR Shoemaker на 433 Eros не была заранее запланирована), она оказала огромное влияние на дальнейшие миссии по исследованию астероидов. [ необходима цитата ]
Профиль миссии «Хаябуса» несколько раз изменялся как до, так и после запуска.
Миссия по исследованию астероидов Института космических и астронавтических наук (ISAS) началась в 1986–1987 годах, когда ученые исследовали возможность миссии по возвращению образцов на Антерос и пришли к выводу, что такая технология еще не разработана. [14] В период с 1987 по 1994 год совместная группа ISAS/NASA изучала несколько миссий: миссия по сближению с астероидом, позже ставшая NEAR , и миссия по возвращению образцов кометы, позже ставшая Stardust . [15]
В 1995 году ISAS выбрала возврат образца астероида в качестве инженерной демонстрационной миссии MUSES-C, и проект MUSES-C стартовал в 1996 финансовом году. Астероид Nereus был первым выбором цели, 1989 ML был второстепенным выбором. На ранней стадии разработки Nereus считался недосягаемым, и 1989 ML стал основной целью. [16] Неудача при запуске MV в июле 2000 года вынудила отложить запуск MUSES-C с июля 2002 года на ноябрь/декабрь, сделав и Nereus, и 1989 ML недосягаемыми. В результате целевой астероид был изменен на 1998 SF 36. [17] В 2002 году запуск был отложен с декабря 2002 года на май 2003 года для повторной проверки уплотнительных колец системы управления реакцией, поскольку было обнаружено , что одно из них использовало материал, отличный от указанного. [12] 9 мая 2003 года в 04:29:25 UTC MUSES-C был запущен ракетой MV, и зонд получил название « Хаябуса ».
Проверка ионного двигателя началась 27 мая 2003 года. Работа на полную мощность началась 25 июня.
Астероиды получают названия по имени их первооткрывателя. ISAS попросила LINEAR , первооткрывателя 1998 SF 36 , предложить название в честь Хидео Итокавы , и 6 августа Minor Planet Circular сообщил, что целевой астероид 1998 SF 36 был назван Итокава . [18] [19]
В октябре 2003 года ISAS и два других национальных аэрокосмических агентства Японии были объединены в JAXA .
31 марта 2004 года работа ионного двигателя была остановлена для подготовки к пролёту вокруг Земли. [20] Последняя операция манёвра перед пролётом вокруг Земли 12 мая. [21] 19 мая «Хаябуса» выполнил пролёт вокруг Земли. [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] 27 мая работа ионного двигателя была возобновлена. [29]
18 февраля 2005 года Хаябуса прошел афелий на расстоянии 1,7 а.е. [30] 31 июля отказало колесо реакции оси X. 14 августа было опубликовано первое изображение Итокавы, полученное Хаябусой . Снимок был сделан звездным трекером и показывает точку света, предположительно астероид, движущуюся по звездному полю. [31] Другие изображения были сделаны с 22 по 24 августа. [32] 28 августа Хаябуса был переключен с ионных двигателей на двухкомпонентные двигатели для орбитального маневрирования. С 4 сентября камеры Хаябусы смогли подтвердить вытянутую форму Итокавы. [33] С 11 сентября на астероиде были различимы отдельные холмы. [34] 12 сентября Хаябуса находился в 20 км (12 милях) от Итокавы, и ученые JAXA объявили, что Хаябуса официально «прибыл». [3]
15 сентября 2005 года было опубликовано «цветное» изображение астероида (которое, однако, имеет серый цвет). [35] 4 октября JAXA объявило, что космический аппарат успешно переместился в свою «домашнюю позицию» в 7 км от Итокавы. Были опубликованы фотографии крупным планом. Также было объявлено, что второе колесо реакции космического аппарата, управляющее осью Y, вышло из строя, и что теперь аппарат наводится его вращающимися двигателями. [36] 3 ноября Hayabusa занял станцию в 3,0 км от Итокавы. Затем он начал спуск, запланированный с доставкой целевого маркера и сбросом мини-посадочного модуля Minerva. Спуск сначала прошел хорошо, и были получены навигационные изображения с широкоугольных камер. Однако в 01:50 UTC ( 10:50 утра JST ) 4 ноября было объявлено, что из-за обнаружения аномального сигнала при решении Go/NoGo спуск, включая выпуск Minerva и целевого маркера, был отменен. Руководитель проекта Дзюнъитиро Кавагучи объяснил, что оптическая навигационная система не очень хорошо отслеживала астероид, вероятно, из-за сложной формы Итокавы. Для оценки ситуации и изменения графика потребовалась задержка в несколько дней. [37] [38]
7 ноября Хаябуса находился в 7,5 км от Итокавы. 9 ноября Хаябуса выполнил снижение на 70 м для проверки навигации посадки и лазерного высотомера. После этого Хаябуса отступил на более высокую позицию, затем снова снизился до 500 м и выпустил один из целевых маркеров в космос, чтобы проверить способность корабля отслеживать его (это было подтверждено). Из анализа снимков крупным планом было установлено, что место в пустыне Вумера (точка B) слишком каменистое, чтобы быть пригодным для посадки. Место в море Муз (точка A) было выбрано в качестве места посадки как для первой, так и, если возможно, для второй посадки. [39]
12 ноября Hayabusa приблизился на расстояние 55 м от поверхности астероида. MINERVA был выпущен, но из-за ошибки не смог достичь поверхности. 19 ноября Hayabusa приземлился на астероид. Во время и после маневра возникла значительная путаница относительно того, что именно произошло, поскольку антенна зонда с высоким коэффициентом усиления не могла использоваться на заключительном этапе приземления, а также произошло отключение электроэнергии во время передачи антенны наземной станции от DSN к станции Usuda. Первоначально сообщалось, что Hayabusa остановился примерно в 10 метрах от поверхности, зависнув в воздухе на 30 минут по неизвестным причинам. Наземный контроль послал команду на прерывание и подъем, и к тому времени, когда связь была восстановлена, зонд отдалился на 100 км от астероида. Зонд перешел в безопасный режим , медленно вращаясь для стабилизации управления ориентацией . [40] [41] Однако после восстановления управления и связи с зондом данные о попытке посадки были загружены и проанализированы, и 23 ноября JAXA объявило, что зонд действительно приземлился на поверхность астероида. [42] К сожалению, последовательность отбора проб не была запущена, поскольку датчик обнаружил препятствие во время спуска; зонд попытался прервать посадку, но поскольку его ориентация не подходила для подъема, он выбрал вместо этого безопасный режим спуска. Этот режим не позволял взять пробу, но существует высокая вероятность того, что некоторое количество пыли могло подняться в рог для отбора проб, когда он коснулся астероида, поэтому контейнер для проб, прикрепленный к рогу для отбора проб, был запечатан.
25 ноября была предпринята вторая попытка приземления. Первоначально предполагалось, что на этот раз сработало устройство для отбора проб; [43] однако более поздний анализ показал, что это, вероятно, очередной сбой и что никаких пуль не было выпущено. [44] Из-за утечки в системе двигателя зонд был переведен в «безопасный режим удержания». [45]
27 ноября зонд столкнулся с отключением электроэнергии при попытке переориентации космического корабля, вероятно, из-за утечки топлива. 30 ноября JAXA объявило, что управление и связь с Hayabusa были восстановлены, но проблема с системой управления реакцией корабля осталась , возможно, из-за замерзшей трубы. Центр управления полетом работал над решением проблемы до предстоящего окна запуска корабля для возвращения на Землю. [46] 2 декабря была предпринята попытка коррекции ориентации, но двигатель не выработал достаточной силы. 3 декабря было обнаружено, что ось Z зонда находится на 20-30 градусов от направления на Солнце и увеличивается. 4 декабря в качестве чрезвычайной меры было продуто ксеноновое топливо из ионных двигателей для исправления вращения, и это было подтверждено успешно. 5 декабря управление ориентацией было скорректировано достаточно, чтобы восстановить связь через антенну со средним усилением. Была получена и проанализирована телеметрия. В результате анализа телеметрии было установлено, что существует большая вероятность того, что снаряд-пробоотборник не проник в землю, когда он приземлился 25 ноября. Из-за отключения электроэнергии данные журнала телеметрии были неверными. 6 декабря Хаябуса находился в 550 км от Итокавы. JAXA провело пресс-конференцию о ситуации на данный момент. [47] [48]
8 декабря было замечено внезапное изменение ориентации, и связь с Hayabusa была потеряна. Считалось, что турбулентность, вероятно, была вызвана испарением 8 или 10 куб. см протекшего топлива. Это заставило ждать месяц или два, пока Hayabusa стабилизируется путем преобразования прецессии в чистое вращение, после чего ось вращения должна была быть направлена к Солнцу и Земле в определенном угловом диапазоне. Вероятность достижения этого оценивалась в 60% к декабрю 2006 года, 70% к весне 2007 года. [49] [50]
7 марта 2006 года JAXA объявило [51] [52] , что связь с Hayabusa была восстановлена на следующих этапах: 23 января был обнаружен сигнал маяка от зонда. 26 января зонд отреагировал на команды с земли, изменив сигнал маяка. 6 февраля была дана команда на выброс ксенонового топлива для управления ориентацией с целью улучшения связи. Скорость изменения оси вращения составляла около двух градусов в день. 25 февраля были получены телеметрические данные через антенну с низким коэффициентом усиления. 4 марта были получены телеметрические данные через антенну со средним коэффициентом усиления. 6 марта было установлено положение Hayabusa примерно в 13 000 км впереди Itokawa на его орбите с относительной скоростью 3 м в секунду.
1 июня руководитель проекта Hayabusa Дзюнъитиро Кавагучи сообщил [53] , что они подтвердили, что два из четырех ионных двигателей работают нормально, чего было бы достаточно для обратного пути. 30 января 2007 года JAXA сообщило, что 7 из 11 батарей работают, и возвращаемая капсула запечатана. [54] 25 апреля JAXA сообщило, что Hayabusa начал обратный путь. [55] [56] 29 августа было объявлено, что ионный двигатель C на борту Hayabusa, в дополнение к B и D, был успешно повторно запущен. [57] 29 октября JAXA сообщило, что первая фаза операции по маневрированию траектории завершена, и космический корабль теперь переведен в состояние стабилизации вращения. [58] 4 февраля 2009 года JAXA сообщило об успешном повторном запуске ионных двигателей и начале второй фазы маневра по коррекции траектории для возвращения на Землю. [59] 4 ноября 2009 года ионный двигатель D автоматически прекратил работу из-за аномалии, вызванной деградацией. [60]
19 ноября 2009 года JAXA объявило, что им удалось объединить ионный генератор ионного двигателя B и нейтрализатор ионного двигателя A. [61] Это было неоптимально, но ожидалось, что этого будет достаточно для создания необходимой дельта-v . Из 2200 м/с дельта-v, необходимых для возвращения на Землю, около 2000 м/с уже было выполнено, и еще около 200 м/с оставалось необходимым. [62] 5 марта 2010 года Hayabusa находился на траектории, которая должна была проходить в пределах лунной орбиты. Работа ионного двигателя была приостановлена для измерения точной траектории в рамках подготовки к выполнению маневра коррекции траектории 1 на траекторию вокруг Земли. [63] [64] 27 марта в 06:17 UTC «Хаябуса» находился на траектории, которая должна была пройти в 20 000 км от центра Земли, завершив операцию по переводу орбиты с Итокавы на Землю. [65] К 6 апреля был завершен первый этап маневра коррекции траектории (TCM-0), который привел к грубой траектории края Земли. Планировалось, что до возвращения останется 60 дней. [66] [67] [68] [69] К 4 мая зонд завершил свой маневр TCM-1, чтобы точно выровняться с траекторией края Земли. [70] 22 мая начался TCM-2, который продолжался около 92,5 часов и завершился 26 мая. [71] За ним последовал TCM-3 с 3 по 5 июня для изменения траектории от края Земли до Вумеры, Южная Австралия , [72] [73] TCM-4 был выполнен 9 июня в течение примерно 2,5 часов для точного спуска в Запретную зону Вумеры . [74]
Возвращаемая капсула была отделена в 10:51 UTC 13 июня.
Возвращаемая капсула и космический корабль вернулись в атмосферу Земли 13 июня 2010 года в 13:51 UTC (23:21 по местному времени). [75] Теплозащищенная капсула совершила парашютную посадку в глубинке Южной Австралии, в то время как космический корабль развалился и сгорел в большом огненном шаре. [76]
Международная группа ученых наблюдала за входом капсулы в атмосферу со скоростью 12,2 км/с с высоты 11,9 км (39 000 футов) с борта воздушной лаборатории DC-8 NASA, используя широкий спектр камер для получения изображений и спектрографических камер для измерения физических условий во время входа в атмосферу в ходе миссии, возглавляемой Исследовательским центром Эймса NASA , с Питером Дженнискенсом из Института SETI в качестве ученого проекта. [77] [78]
Поскольку система управления реакцией больше не функционировала, 510-килограммовый (1120 фунтов) космический зонд вернулся в атмосферу Земли, подобно приближению астероида, вместе с капсулой для спуска образцов, и, как и ожидали ученые миссии, большая часть космического корабля распалась при входе в атмосферу. [79]
Возвращаемая капсула должна была приземлиться в районе 20 на 200 км в Запретной зоне Вумера , Южная Австралия . Четыре наземные группы окружили эту область и обнаружили возвращаемую капсулу с помощью оптического наблюдения и радиомаяка. Затем была отправлена группа на борту вертолета. Они обнаружили капсулу и зафиксировали ее местоположение с помощью GPS. Капсула была успешно извлечена в 07:08 UTC (16:38 по местному времени) 14 июня 2010 года. [80] Также были найдены две части теплового экрана, которые были сброшены во время спуска. [81]
После подтверждения того, что взрывные устройства, используемые для развертывания парашюта, были безопасными, капсула была упакована в двойной слой пластиковых пакетов, заполненных чистым азотом, чтобы снизить риск заражения. Почва на месте приземления также была взята на пробу для справки в случае заражения. Затем капсула была помещена в грузовой контейнер, который имел воздушную подвеску, чтобы удерживать капсулу ниже ударной нагрузки 1,5 G во время транспортировки. [82] Капсула и ее части теплозащитного экрана были перевезены в Японию на чартерном самолете и прибыли в хранилище в кампусе JAXA/ISAS в Сагамихаре 18 июня. [83]
Советник столичного правительства Токио и бывший генерал-лейтенант Тосиюки Сиката заявил, что частью обоснования возвращения и посадки в рамках миссии было желание продемонстрировать, «что возможности Японии по созданию баллистических ракет являются достоверными». [84]
Перед извлечением капсулы из защитного пластикового пакета ее осматривали с помощью рентгеновской компьютерной томографии для определения ее состояния. Затем из капсулы спускаемого аппарата извлекали канистру с образцом. Поверхность канистры очищали с помощью чистого азота и углекислого газа; затем ее помещали в устройство для открывания канистры. Внутреннее давление канистры определяли путем ее небольшой деформации при изменении давления окружающего азота в чистой камере. Затем давление азота регулировали так, чтобы оно соответствовало внутреннему давлению канистры, чтобы предотвратить утечку любого газа из образца при открывании канистры. [85]
16 ноября 2010 года JAXA подтвердило, что большинство частиц, обнаруженных в одном из двух отсеков внутри капсулы для возврата образцов Hayabusa , прибыли с Итокавы. [86] Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа выявил около 1500 зерен каменистых частиц, согласно пресс-релизу JAXA. [87] После дальнейшего изучения результатов анализа и сравнения минерального состава большинство из них были признаны имеющими внеземное происхождение и, безусловно, с астероида Итокава. [88]
По словам японских ученых, состав образцов Хаябусы был больше похож на метеориты , чем на известные породы с Земли. Их размер в основном менее 10 микрометров. [89] Материал соответствует химическим картам Итокавы, полученным с помощью инструментов дистанционного зондирования Хаябусы . Исследователи обнаружили концентрации оливина и пироксена в образцах Хаябусы .
Дальнейшее изучение образцов пришлось отложить до 2011 года, поскольку исследователи все еще разрабатывали специальные процедуры обработки, чтобы избежать загрязнения частиц на следующем этапе исследования.
В 2013 году JAXA объявило, что было извлечено 1500 внеземных зерен, включающих минералы оливин , пироксен , плагиоклаз и сульфид железа . Размеры зерен составляли около 10 микрометров. [90] JAXA провело детальный анализ образцов, разделив частицы и изучив их кристаллическую структуру на SPring-8 . [91]
В выпуске журнала Science от 26 августа 2011 года было посвящено шесть статей выводам, основанным на пыли, собранной Хаябусой . [92] Ученый анализ пыли с Итокавы показал, что она, вероятно, изначально была частью более крупного астероида. Считалось, что пыль, собранная с поверхности астероида, находилась там в течение примерно восьми миллионов лет. [92]
Было обнаружено, что пыль от Итокавы «идентична материалу, из которого состоят метеориты». [92] Итокава — астероид S-типа , состав которого соответствует составу хондрита LL . [93]
В Японии конкурирующие кинокомпании объявили о производстве трех полнометражных полнометражных театральных фильмов по мотивам истории Хаябусы , в одном из которых, «Хаябуса: Харуканару Кикан» (2012), главную роль сыграл Кен Ватанабэ . [94] [95]
Компания по производству конструкторов Lego выпустила модель Хаябусы на своем веб-сайте Cuusoo. [96]
Множество ссылок на Хаябусу появляется в японском сериале Kamen Rider Fourze , токусацу -сериале на космическую тематику .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )