Введение
Не совсем удачные результаты проекта ЕКА «Rosetta—Philae» по исследованию поверхности кометы 67P/Чурюмова-Герасименко заставляют задуматься о возможностях более эффективных подходов и методов для изучения малых небесных тел. И действительно, как утверждают некоторые специалисты, 12 ноября 2014 зонд «Philae» три раза опускался на поверхность кометы. В одной из таких попыток он подпрыгнул на высоту, равную примерно 500 метров. Как считают эксперты, это связано с тем, что зонд недостаточно прочно закрепился на поверхности кометы из-за «неполадок в системе развертки гарпунов». В результате нескольких упругих ударов он потерял ориентацию и оказался в теневой зоне. Это, в конечном итоге, привело к отсутствию возможности питания солнечных батарей и срыву части научной программы миссии «Rosetta—Philae».
А вообще, возможно ли, находясь на Земле, на расстоянии более 1,2 а.е. (больше 180 млн. км) точно определить какова поверхность кометы или другого малого небесного тела? Какова его плотность? Какие нужны будут «гарпуны», и с какой силой надо столкнуться с поверхностью, чтобы надёжно на ней закрепиться?
Я думаю, что невозможно определить на Земле конкретный «гарпунный» способ закрепления на поверхности!
Во-первых, мы вообще не знаем точные причальные условия на поверхности малых небесных тел. Эти небесные тела могут быть пористые и/или хрупкие, и от удара гарпуна могут расколоться. Или они могут содержать крупные фрагменты железных сплавов, и тогда гарпун упруго рикошетирует от поверхности. Или они могут содержать слой пыли, замороженных газов или льда… Очевидно, что каждый участок небесного тела может иметь различную поверхностную структуру!
Во-вторых, физические условия для малого небесного тела, находящегося на высокоэллиптической солнечной орбите, и для зонда, запущенного с Земли и выполняющего орбитальное маневрирование, очевидно различны! Тогда можно предположить, что обыкновенный кулоновский заряд двух объектов может заметно различаться. И какие при их сближении могут возникнуть эффекты — можно только догадываться.
В-третьих, невозможно исключить наличия полостей или карстовых пустот, внешне невидимых на поверхности МНТ, особенно на кометах. И тогда спускаемый аппарат просто может пробить тонкую поверхностную стенку и оказаться в замкнутом пространстве. Что исключит возможность развертывания не только солнечных батарей, но и любых дистанционных приборов.
В общем, нужен универсальный способ причаливания к малым небесным телам (МНТ), который был бы настолько надёжен, что позволило бы гарантировать следующие результаты:
- в любом варианте, разумеется, исключая ошибки ориентации, зонд должен надёжно закрепиться на поверхности МНТ;
- многоразовые упругие «прыжки» следует исключить, т.к. при этом становится почти невозможно обеспечить попадание зонда в зону посадки;
- солнечные батареи, а возможно и часть приборов, не должны располагаться только в одном месте, а должны распределяться по поверхности МНТ, для постоянного или боле надёжного электропитания бортовых систем зонда;
- идеальным был бы способ такой швартовки к МНТ, чтобы имелась возможность перемещения по поверхности.
* * *
Научный и практический интерес к данной задаче не может ограничиваться только уникальными исследованиями комет или крупных астероидов. А давайте представим себе научную ценность постоянных фото-сессий и отчетов приборов из разных зон колец Сатурна? А как к ним причалить? Как прикрепиться к этим орбитальным конгрегациям, не вызвав их разрушения или заметной деформации общей структуры?
А проблема астероидной и метеоритной опасности? Может быть, имеет смысл «метить» потенциально опасные МНТ маяками и датчиками, подобно тому, как биологи метят перелётных птиц или морских обитателей? Или доставлять на опасный астероид взрывное устройство для его уничтожения или отклонения от небезопасного курса. Но опять вопрос! Как эффективно и просто закрепить зонд на поверхности малого небесного тела неизвестной плотности и структуры, тем более с ничтожной гравитацией?
В данной работе я совершенно опускаю уже технически решённые вопросы, принципиальную правильность решения которых великолепно продемонстрировал проект ЕКА «Rosetta—Philae». А именно: - доставка зондов на Солнечную орбиту; - орбитальное маневрирование и сближение с нужным объектом; - выравнивание относительных скоростей; - нацеливание зонда и другие вопросы, не связанные непосредственно с проблемой причаливания к МНТ.
Предлагаемое решение проблемы – двухкомпонентный спускаемый зонд и использование принципа «болас»
Болас (исп. bola — шар), древнейшее метательное оружие, веревка длиной 1-1,5 м с привязанными к ее концам одним или несколькими шарами (из камня, позднее из металла). Традиционный атрибут южноамериканского гаучо; применяется в конной охоте на копытных животных, в животноводстве. При броске обвивает ноги или шею жертвы, лишая её подвижности.
Таким образом, основная идея надёжной швартовки зондов к малым небесным телам (МНТ) заключается в нижеследующем:
В конструкции зонда имеется как минимум два раздельных элемента. Эти элементы механически соединяются между собой при помощи гибкого и длинного троса. Подобный трос можно изготовить из углеродных волокон целлюлозного происхождения, пропитав их соответствующим составом, который, например, пользуются при разработке костюмов для космонавтов. Современные технологии позволяют получить высокопрочный трос с массой до 1 кг/км.
После нацеливания и отделения от корабля носителя и до приближения к МНТ элементы зонда разделяются на расстояние 3,14 и более поперечного диаметра МНТ. Тогда при посадке и соприкосновении с МНТ трос и разделяемые элементы зонда за счет сил инерции обвивают МНТ, перекручиваются и, тем самым, надёжно закрепляет зонд к его поверхности.
Для иллюстрации, рассмотрим вариант с двумя раздельными элементами зонда и небесное тело, похожее на ядро кометы 67P/Чурюмова-Герасименко.
На первом этапе (фаза “a”), зонд нацеливается на точку причаливания и с малой скоростью начинает сближение с МНТ. При этом, разделяемые элементы зонда ещё не отделены.
На втором этапе (фаза “b”), за счет микродвигателей зонда, он получает осевое вращение. Это необходимо для исключения столкновения элементов после обвития МНТ, а также использования центробежной силы для разбега элементов зонда. Кроме того, осевое вращение позволит улучшить курсовую устойчивость.
На третьем этапе (фаза “c”), происходит отделение разделяемых элементов и их разбег, при этом они не могут удалиться бесконечно, т.к. остаются в механической связи за счет троса. Расстояние между элементами должно быть гарантированно больше, чем поперечный размер МНТ.
На последнем этапе (фаза “d”), трос соприкасается с поверхностью МНТ.
Однако, разделяемые элементы, двигаясь по инерции, обвивают МНТ и, тем самым, надежно закрепляют спускаемый аппарат.
Можно допустить, что при соударении с поверхностью, массивные элементы могут упруго отскочить от МНТ, однако эти «прыжки» будут быстро компенсированы силой трения троса о поверхность. Можно также применить на разделяемых элементах незначительно отдаленные остроконечные зацепы (когти, якоря), для предотвращения соскальзывания и стягивания элементов зонда по поверхности МНТ. Таким образом, будет обеспеченна надёжная и стабильная швартовка зонда.
Несложно представить также и вариант спускаемого аппарата с тремя разделяемыми элементами. При этом, один может находиться по оси траектории сближения, а два других отделяются, имеют осевое вращение и обеспечивают обвитие троса.
Заключение
Достаточно очевидны преимущества такого способа швартовки:
- будет обеспечена надёжная швартовка к МНТ, вне зависимости от поверхностной плотности, наличий пустот или других физических условий;
- появляется возможность, как полностью дублировать системы зонда, так и проводить исследования не в одной, а в нескольких точках;
- появляется возможность заметно улучшить энергетику спускаемого аппарата, т.к. вероятность нахождения в теневой зоне для двух, а тем более трех элементов — существенно ниже;
- появляется возможность провести обширное исследование поверхности МНТ, за счет использования подвижных измерительных элементов, которые могли бы перемещаться («ползти») вдоль троса;
- если обеспечить внутри троса токопроводящие элементы, то появляется возможность использовать трос как приемно-передающую антенну и/или выполнять передачу энергии солнечных батарей от одного элемента к другому.
Современные технологии уже позволяют создать весьма легкий и прочный трос для таких операций. Тем более, что при низких скоростях сближения с МНТ (около 1-2 м/с) и незначительной массе спускаемого аппарата (например, до 100кг) разрывная нагрузка будет совершенно приемлемой.
Также технически не сложно будет выполнить практическую отладку и отработку систем механики и автоматики вблизи Земли, а не на дальности в миллионы километров — для чего следует использовать элементы космического мусора, которые, к сожалению, имеются на орбите в достаточном избытке.
* * *
Как уже отмечалось, проблема причаливания к МНТ достаточно актуальна для современной космонавтики. Согласитесь, очень обидно потратить несколько миллиардов долларов и годы работ, чтобы в остатке получить только очень красивую фото сессию и десятки часов работы аппаратуры, вместо нескольких лет уникальных постоянных исследований и измерений.
Данная работа никаким образом не может считаться законченным исследованием или проектом. Это, скорее, приглашение к дискуссии и научному поиску способов решения одной из проблем современной космонавтики. И авторы будут признательны за любые отзывы и предложения, включая альтернативные идеи или конструктивную критику.
Для всех, кто готов принять участие в этом, просим писать на электронный адрес: gri-bond@mail.ru.
