13 октября 2023 года с космодрома в космическом центре Кеннеди во Флориде стартовала миссия «Психея» на ракете SpaceX Falcon Heavy. Аппарат пройдет 6,3 миллиардов километров в течении 6 лет, чтобы достичь главного пояса астероидов между Марсом и Юпитером. Цели миссии: изучение металла астероида, который возможно был ядром протопланеты и испытание оптической системы связи для глубокого космоса.
Древнегреческую Психею преследовал Эрос, а астероид Психею будет донимать аппарат Психея, что как-то банально. Повод для хайпового нейминга упущен.
Что интересного на Психее?
Психея состоит из металла. Есть версия, что когда-то это была зарождающаяся планета. Большой планетой ей не было суждено стать, но даже протопланетой не получилось. Некое другое тело (назовём его «фалликон Эроса») столкнулось с Психеей, в результате чего осталось только металлическое ядро. Внутри нашей планеты тоже металлическое ядро. Оказалось проще пролететь 6,3 миллиардов километров, чем пробурить 2,9 тысячи километров. Ученые надеются узнать новые подробности формирования планетарных ядер. Добыча цветных металлов на Психее пока не предполагается.
Ракета в космическое пространство
Ракета SpaceX Falcon Heavy является одной из крупнейших ракет-носителей в истории мировой космонавтики и четвертая по мощности среди всех ракет, выходивших на орбиту после «SLS», «Энергии» и «Сатурна-5». Полная масса Falcon Heavy — 1,4 миллиона килограмм. За несколько десятков минут во время старта топливо, составляющее 95 % от массы ракеты, сгорит, сообщив полезной нагрузке 14,5 км/с характеристической скорости, с учетом потерь на влияние атмосферы и того, что ракета некоторое время летит почти горизонтально (в это время сила тяги и гравитация приложены к разным точкам и направлены в разные стороны).
Электрические ракетные двигатели
После того, как ракета лишится большей части топлива, боковые ускорители и центральная ступень совершат посадку на Земле для повторного использования. Космический аппарат «Психея» может активировать собственную двигательную установку. Это электростатический ракетный двигатель на эффекте Холла «Солнечное электрическое движение». Удивительно, но двигатели, работа которых похожа на визуальные эффекты в фантастических фильмах, были задуманы одновременно с химическими. Константин Эдуардович Циолковский упоминает электротермические двигатели как вариант основы реактивного движения. Первый прототип такого двигателя появился в 1930 году, а первый ионный двигатель увидел свет в 1959 году - всего через два года после начала космической эры. Получается, электрические двигатели никогда особо не отставали от химических, а всегда шли в ногу со временем.
Впрочем, тяга холловского ракетного двигателя порядка 1 ньютона, в то время как тяга Falcon Heavy в 22 миллиона раз больше. В атмосфере такая тяга ничтожна и не позволяет не то, что летать, а даже ползти по столу аппарату массой порядка 1,7 тонны. Еще более удивительно то, что этот двигатель в космическом вакууме даст 23 км/с характеристической скорости — это в полтора раза больше, чем дала аппарату ракета Falcon Heavy. Высокую эффективность электрическим двигателям придает скорость реактивной струи — частицы вылетают из холловского двигателя в 10 раз быстрее, чем продукты сгорания из раструба химической ракеты. Но, так как плотность этих частиц низка, электрический двигатель может работать непрерывно несколько лет подряд. По расчетам NASA космический аппарат наберет 55 км/с скорости относительно Земли. 15 км/с от SpaceX Falcon Heavy, 23 км/с от Solar Electric Propulsion, а откуда взять еще 18 км/с?
Гравитационный маневр
Добрать недостающую скорость поможет гравитационный маневр вокруг Марса. Почему гравитация помогает ускорять космические аппараты? На самом деле - не только ускорять. Объекты в поле гравитации небесных тел испытывают воздействие противоборствующих сил притяжения и центробежного отталкивания. Есть условная граница, на которой эти силы уравновешенны. Двигаясь вдоль этой границы получится стабильная орбита. Двигаясь снаружи границы космический аппарат может набрать скорость, внутри - сбросить. Это очень удобно, ведь запас характеристической скорости аппарата тратится и на разгон и на торможение. Гравитационный маневр позволяет делать и то и то. Однако, полеты с гравитационными маневрами достаточно долгие, ведь это не самая короткая орбита для перелета между космическими телами. Автоматический аппарат умеет ждать. Для него 6 лет миссии - не проблема. А для человека такая длительность запредельна. Даже в фантастической вселенной Star Trek, где комфорт и безопасность полетов недосягаемы для текущих технологий, исследовательские миссии - пятилетние. Чтобы человек отправился туда где не ступила нога человека, но побывало множество роботов, придется разработать новые реактивные принципы (например, DFD).
Оптическая связь
Помимо испытаний холловского двигателя в глубоком космосе (такая двигательная установка не бывала еще за пределами орбиты Луны), миссия «Психея» испытает и систему оптической связи Deep Space Optical Communications. На Земле оптоволоконная связь - самая быстрая и надежная из всех возможных. Однако, это обеспечивается тем что проводная связь зависит от качества электрических соединений медных проводов с использованием других металлов, что часто не очень качественно. А радиосвязь портят другие радиосигналы и препятствия в виде домов, машин и гор. В космосе таких проблем у традиционной связи нет. Радиосигнал распространяется с такой же скоростью как и лазерный луч. Препятствий и паразитных сигналов в космосе почти нет. Однако, лазер меньше рассеивается. Конечно, направив прекрасно собранный тонкий лазерный луч на Луну, для того чтобы получить сигнал, возвращенный уголовными отражателями, установленными миссией Аполлон, вы получите световой конус рассеянный на километр. Однако, это чуть лучше аналогичного радиосигнала. В итоге, и радиосвязь и оптическая не исключат друг друга. Ученые надеятся использовать Deep Space Optical Communications в качестве дополнительного канала передачи данных для будущих лунных миссий.
Аппарат «Психея», по итогу, выполняет две отдельные миссии - исследовательскую и испытательную. Пожелаем отважному космическому роботу удачи!
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал