Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра - Борис Шустов

Дальнейшие, более точные оценки эффективности кинетического воздействия, по-видимому, можно будет получить только при корректном расчете тех или иных конкретных геометрических схем встречи ударного аппарата с астероидом. Однако с самого начала следует иметь в виду, что точность расчетов окончательного эффекта будет низкой вследствие побочных эффектов, сопровождающих удар.

Следовательно, применение кинетического способа увода в обстоятельствах, требующих точного выполнения расчетной коррекции траектории, по-видимому, невозможно. К таким обстоятельствам, прежде всего, нужно отнести случай близкого пролета астероида Апофис мимо Земли в 2029 г. Возможно, кинетический способ и может использоваться как начальная грубая коррекция орбиты угрожающего тела, однако по своей природе он потребует точной доводочной коррекции движения астероида какими-то другими средствами. Одно из таких средств будет рассмотрено в следующем подразделе.

В начале настоящего раздела упоминались способы воздействия на астероид путем направленного выброса вещества астероида в космос, а также за счет создания на пути угрожающего тела облака частиц или небольших объектов для торможения. Нетрудно применить к этим способам все сказанное выше для случая кинетического ударного воздействия.

Что касается направленного выброса вещества, то очевидно, что речь должна идти об устройствах, устанавливаемых на астероиде и выбрасывающих в космос массы, измеряемые тоннами, и притом со скоростями порядка десятка км/с. Второй способ фактически является некоторой модификацией кинетического удара одним телом, также не имеющей ни принципиальных, ни практических преимуществ.

Те же соображения остаются справедливыми для различных аспектов применения давления солнечного света. Достаточно, например, лишь представить себе проблемы разворачивания солнечного паруса на вращающемся астероиде и организацию управления его положением.

10.9.3. Способ гравитационной буксировки. В принципе, воздействие на астероид может быть оказано различными способами, однако с практической точки зрения, оно, прежде всего, должно быть регулируемым и поддаваться простой настройке. Это требование вытекает естественным образом из необходимости выполнения точной коррекции траектории, которая появляется практически во всех критических случаях.

Астронавты Эдвард Лу и Стэнли Лав из Космического центра им. Л. Джонсона (НАСА) предложили метод гравитационной буксировки [Lu et al., 2005]. Этот метод предусматривает вывод специального аппарата на низкую астероидоцентрическую орбиту вокруг астероида, подлежащего уводу. Такой КА, имеющий некоторую массу, должен быть оснащен реактивными двигателями малой тяги. Идея буксировки использует неподвижное зависание КА над астероидом за счет тяги своих реактивных двигателей.

Такое зависание следует реализовать на возможно малой высоте над поверхностью астероида. Тогда КА и астероид будут представлять собой систему гравитационно связанных тел с общим центром масс. При этом тяга двигателей КА оказывается приложенной к этому общему центру масс и, следовательно, вызовет его перемещение в пространстве, что и требуется для проведения коррекции орбиты астероида.

Схема гравитационной буксировки показана на рис. 10.14. Удержание КА в одной и той же позиции относительно астероида достигается применением двух реактивных двигателей, тяги которых разнесены под некоторым углом. Равнодействующая тяг выбирается такой, чтобы она компенсировала вес КА на выбранной высоте. Тогда этот вес становится равным возмущающей силе, прилагаемой к центру масс астероида. Чем ниже выбрана высота КА над центром масс астероида, тем больше будет возмущающая сила. Результат действия последней уже рассматривался в разделе 10.4, а примеры ее использования и оценки приводились в разделе 10.7. Было показано, что сравнительно небольшая сила, действующая длительное время, может обеспечить получение требуемой коррекции буксируемого астероида.

В отличие от установки реактивного двигателя на поверхности астероида, размещение аппарата на орбите около астероида предоставляет ряд преимуществ, так как исключает сложные операции по реализации посадки КА. Кроме того, необходимость учитывать влияние вращения астероида вокруг своей оси отсутствует. Наконец, схема такого воздействия нечувствительна к форме астероида, так как силовое воздействие создается в идеальной схеме взаимодействия материальных точек, которыми являются центры масс астероида и КА.

Рис. 10.14. Схема гравитационной буксировки

Для ощутимых изменений траекторий гектометровых объектов (100–500 м) способом гравитационной буксировки требуется значительное время — от нескольких месяцев до нескольких лет. Расчеты показывают, например, что коррекция орбиты астероида Апофис по схеме гравитационного тягача при массе КА в 1 т и тяге ∼ 5 гс, создаваемой в течение месяца, способна с запасом увести астероид из зоны резонансного возврата [Lu et al., 2005]. Применение современных электрореактивных двигательных установок с высоким удельным импульсом позволяет реализовать такие режимы. Таким образом, маневр увода Апофиса гравитационной буксировкой, предпринятый достаточно заблаговременно, оказывается в пределах современных технологических возможностей космических средств.

Рассмотренный режим длительного проведения коррекции позволяет вести контроль получаемого результата и вводить необходимые поправки в процесс буксировки в режиме реального времени. После обнаружения опасного объекта ко времени, требующемуся для собственно коррекции траектории, необходимо добавить дополнительное время, необходимое для уточнения орбиты астероида, подготовку КА к старту и его перелета к астероиду. Поэтому для реализации такого метода необходимо уверенно прогнозировать опасность удара астероида как минимум за несколько лет вперед.

Обращаясь к перечню остальных, еще не рассмотренных способов воздействия на угрожающие объекты, можно видеть, что все они отличаются значительными трудностями практической реализации и гораздо большей сложностью по сравнению с уже рассмотренными способами предотвращения удара.

10.10. Миссия посещения и исследования астероида Апофис

Выше уже говорилось о достоинствах проекта посылки радиопередатчика к астероиду Апофис для точного определения орбиты астероида. Рассматривая организацию такого полета, можно предложить ряд принципов, которые необходимо положить в основу определения облика миссии к Апофису:

— обеспечение радиоконтроля орбиты в течение ∼10 лет;

— проведение миссии с достаточным упреждением до 2029 г.;

— отказ от принципа доставки радиомаяка на поверхность самого астероида;

— размещение маяка на астероидоцентрической орбите;

— возможность проведения дополнительных исследований структурных и иных свойств астероида, использование задела по существующим разработкам КА.

Такая миссия разведки будет в наибольшей степени отвечать полному комплексу исследований, необходимых для определения и предотвращения угрозы, исходящей от Апофиса. Она же внесет существенный вклад в решение проблемы АКО в целом. Конкретным прототипом миссии может служить, например, известный проект «Фобос-грунт», разрабатываемый в КБ им. С. А. Лавочкина и планируемый к запуску в 2011 г.

Прежде всего, миссия разведки позволяет реализовать схему оснащения астероида маяком, не зависящую от неизвестных кинематических и структурных свойств астероида. Действительно, это решение не требует посадки аппарата на астероид, полностью определяется баллистикой полета спутника астероида, которая сама по себе в принципе определяется хорошо и может корректироваться по ходу выполнения миссии.

Основную программу исследования свойств астероида можно проводить научной аппаратурой с орбиты, а отдельные вопросы (например, сейсмическое зондирование для определения структурных характеристик астероида) возложить на малый посадочный модуль. При этом орбитальный аппарат может служить ретранслятором данных, получаемых от посадочного модуля. Привязка положения центра масс астероида к системе координат аппарата должна осуществляться бортовой системой навигации этого КА, обеспечивающей его автономный полет относительно Апофиса.

Таким образом, предлагаемая миссия разведки позволит вести определение текущего движения астероида и отрабатывать методику точного прогнозирования траектории Апофиса. Миссия позволяет решать задачи определения кинематических, физических и структурных свойств конкретного и вместе с тем типичного астероида. Вряд ли стоит особо говорить о научной ценности информации, получаемой при исследовании малого астероида. Наконец, КА миссии может быть дополнительно использован для экспериментов по коррекции траектории астероида, например по схеме гравитационной буксировки.