Миссия NASA по перенаправлению астероида

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 2 декабрь 2014

Michele Gates Program Director, NASA’s Asteroid Redirect Mission

В 2020-е годы астронавты NASA отправятся на перенаправленный астероид на борту космических аппаратов нового поколения, которые сейчас находятся в разработке.

Используя новейшие системы для выхода в открытый космос (EVA), астронавты проведут в космосе ряд операций для изучения первичного планетарного тела и вернутся на Землю с различными образцами.

Через ARM NASA сможет также продемонстрировать основные технологии, чтобы исследовать будущие операции, связанные с робототехникой, в частности методики «медленной тяги\толчка», используемые для перемещения груза для исследовательских миссий, а также для защиты нашей планеты от потенциально опасных астероидов. Вот как мы будем это делать!

Новейшие космические технологии

ARM – это часть планов NASA по продвижению новых технологий и опыта космических полётов, что необходимо для расширения возможностей пилотируемых космических полётов за пределы околоземной орбиты.

Роботизированная миссия по перенаправлению астероида ARM предполагает использование новейших солнечных электрических двигателей, чтобы доставить космический аппарат к одному из нескольких астероидов-кандидатов. Два основных варианта миссии находятся на рассмотрении в NASA. Первая версия, «Вариант А», предполагает сближение с небольшим астероидом СВА на его собственной орбите и захват при помощи большой развёртывающейся конструкции.

Наш «Вариант А» предполагает астероид диаметром 4–10 метров и массой около 1000 тонн. «Вариант Б» предусматривает встречу с астероидом СВА побольше и захват валуна, эквивалентного небольшому астероиду, с его поверхности. «Вариант Б» предполагает валун размером 2–4 метра и весом около 70 тонн, взятый с большого СВА (больше 100 метров в диаметре). При любом варианте substantial asteroid mass будет доставлена на стабильную лунную отдалённую ретроградную орбиту (DRO).

Солнечный электрический двигатель

Преимущество солнечного электрического двигателя (SEP) – в высоком уровне мощности при очень низком уровне тяги. Для космических полётов он очень эффективен и экономичен. Траектории SEP большей продолжительности, чем траектории химических двигателей с большим тяговым усилием. У традиционного химического двигателя ступени тяжелее и менее эффективны, но тяга больше, поэтому он позволяет двигаться быстрее. NASA предполагает, что SEP хорошо подойдёт для будущих пилотируемых полётов, так как хорошо подходит для перемещения больших объектов через глубокое космическое пространство.  Коммерческое космическое кораблестроение также заинтересовано в использовании SEP в своих целях.

Управление Space Technology Mission NASA продвигало ультрасовременные технологии SEP, что привело к нескольким крупным достижениям в этом году. Последние наземные демонстрации новейших солнечных батарей, ионных двигателей и компьютерных технологий позволят осуществить новые полёты, такие как ARM, по всей  отрасли.

Захват и контроль чужеродных объектов

Любой из вариантов ARM предполагает использование передовых технологий для захвата и управления чужеродными объектами.

Для «Варианта А» будет использоваться новейшая надувная конструкция, способная окутать и захватить небольшой астероид. Надувные системы удобны для космических систем, так как немного весят и\или могут быть эффективно и компактно упакованы. Фактически коммерческая надувная жилая система будет продемонстрирована в следующем году на Международной космической станции. Концепция состоит в том, что надувная структура монтируется на жёстком каркасе вместе с остальными частями автоматического космического корабля.

Для «Варианта Б» робототехника будет использована для отделения части большого астероида. Наша концепция включает в себя два манипулятора с 7 степенями свободы (каждая с эффекторным инструментом на конце) и субсистемой захватов и фиксаторов. Концевой захват использует сотни похожих на рыболовные крючки шипов, чтобы обеспечить захват валуна с поверхности.

Захватно-фиксирующая система помогает осуществлять торможение, когда космический аппарат садится на поверхность астероида, стабилизирует её во время пребывания на поверхности и производит механическое отталкивание при взлёте. Контактные площадки обеспечивают сбор поверхностного реголита, из которого можно будет взять геологические и географические образцы в дополнение к «валуну».

Перемещение астероида на стабильную лунную орбиту зависит преимущественно от возможностей системы захвата и орбитального автопилота, таких как дата запуска и изменение скорости (DV), которые требуются для «встречи» с крупным астероидом и возвращения на лунную орбиту вместе с захваченным материалом.

Для обоих вариантов высокая мощность и высокоспецифичный импульсный двигатель SEP – это ключевая технология для обеспечения необходимого DV в сочетании с разумным расходом ракетного топлива.

Защита планеты

Когда роботизированное «транспортное средство» миссии ARM окажется в непосредственной близости от нужного астероида, NASA сможет продемонстрировать основные технологии, которые могут быть использованы в будущих операциях по защите планеты, предотвращающих столкновение с Землёй потенциально опасных астероидов.

«Вариант А» позволяет продемонстрировать метод отключения ионного пучка для манёвра или, возможно, остановить вращение небольшого астероида перед захватом. Этот метод предполагает использование пучка квазинейтральной плазмы из электрической силовой установки, чтобы столкнуться с поверхностью астероида и таким образом создать силу и/или вращающий момент цели. «Вариант Б» демонстрирует расширенные возможности гравитационного тягача, которые включают в себя необходимые операции в непосредственной близости к астероиду «потенциально опасного» размера. 

Пилотируемый космический полёт нового типа

ARM может дать важнейший опыт полётов за пределы земной орбиты, смоделированный благодаря опыту, полученному на Международной космической станции, а также возможность протестировать новые системы и возможности, которые понадобятся для достижения нашей главной цели – полёта человека на Марс.

Первым опытом использования пилотируемых космических аппаратов NASA нового поколения – аппарата Орион и Системы космических запусков – будет полёт наших астронавтов на астероид, направленный на лунную орбиту на расстоянии примерно 70 000 километров от поверхности Луны – дальше, чем людям когда-либо приходилось летать!

Первые экспедиции за пределы околоземной орбиты

Астронавтов на борту Ориона запустят в космическое пространство вблизи лунной орбиты при помощи Системы космических запусков (SLS), которая позволит кораблю встретиться и состыковаться с роботизированным космическим аппаратом. Это позволит  продемонстрировать новые возможности освоения человеком космоса.

Во время полёта длительностью 26–28 дней будут проведены операции большей длительности в открытом космосе; операции по сближению, поддержанию жизнеобеспечения; а также возможности выхода из космического аппарата (EVA – деятельность в открытом космосе). Астронавты будут проводить исследования, отбор, соберут образцы во время двух многочасовых выходов из космического корабля.

Первый подготовленный NASA пробный полёт Ориона (Разведывательный пробный полёт-1), запланированный на этот декабрь, – это беспилотная экспедиция, в ходе которой пять основных составных частей Ориона будут опробованы на деле и оценены. Сюда входит: отделение системы аварийного прекращения пуска Ориона, отсек экипажа, панели рабочего отсека, адаптер космического аппарата и обшивка. В ходе операции будет также протестирован тепловой щит и все парашютные системы, используемые при входе в атмосферу. Этот тестовый полёт позволит увидеть, как Орион  полетит в космос дальше, чем какой-либо пилотируемый космический корабль за последние 40 лет.

Пилотируемый полёт будет использовать возможности уже находящиеся в разработке в проектах Орион и SLS. ARM позволит протестировать возможности, включая стыковку, объединённый контроль за положением аппарата, в том числе относительно солнца, и управление температурным режимом в условиях открытого космоса. Операции во время полёта и выходов в открытый космос для полностью роботизированного комического аппарата ARM, прикреплённый астероид и космический корабль «Орион» станут «первопроходцами» для architecture полётов в открытый космос.

Операции с взаимодействием пилотируемых и роботизированных аппаратов

ARM предоставит возможность для первых в истории операций в открытом космосе, которые будут проводиться совместно пилотируемыми и роботизированными аппаратами. В истории полётов человека в космос есть несколько примеров взаимодействия пилотируемого и роботизированного аппаратов в LEO, таких как экспедиции Спейс-шаттла по починке телескопа Хаббл.

Взаимодействие пилотируемых и роботизированных аппаратов открывает новые возможности. Автоматический комплект датчиков, необходимых для выполнения стыковки, должен работать без помощи Global Positioning Satellites в навигации и должен работать быстрее, чем способна настраиваться Сеть дальней космической связи. Состыковавшись, пилотируемый и роботизированный аппараты должны будут действовать как единая цепь.

Advanced выход в открытый космос

Во время выходов в открытый космос, в рамках экспедиции ARM, астронавты впервые со времён «Аполлона» подберут и доставят на Землю внеземные образцы. На данный момент запланировано два выхода в двух разных локациях; в задачи астронавтов входит идентификация, сбор и хранение образцов.

Новейшее оборудование для выхода в открытый космос, находящееся в стадии разработки, будет также использовано в этой рискованной экспедиции.

Улучшенный Modified Advanced Crew Escape Suit сейчас проходит испытания для проверки многофункциональности. Улучшения Переносной системы жизнеобеспечения (похожее на рюкзак – дополнение к скафандру с комплектом для поддержания жизни) также будут оценены. NASA создаёт и тестирует усовершенствованные модели скафандра в Neutral Buoyancy Laboratory в Космическом центре имени Джонсона; там астронавты могут выполнять тренировочные задания в условиях сниженной гравитации в воде. Эти исследования проводятся также для того, чтобы исследовать возможную внекорабельную деятельность в таких важных направлениях, как стабилизация рабочего места и взятие образцов.

Последние испытания включали демонстрацию заданий, выполняемых с напарником, и пневматического дробления.

Выбор, обработка и хранение образцов

В рамках операций ARM по взятию и хранению образцов астронавты впервые со времён «Аполлона» соберут и отправят на Землю внеземные образцы. ARM проложит путь для подобных операций в других точках Солнечной системы (астероиды, спутники Марса, поверхность Марса и тому подобные).

Будут разработаны новые методы идентификации образцов, основанные на их текстурных и минералогических характеристиках, с использованием разнообразных инструментов дистанционного и in situ зондирования. Участие и поддержка со стороны наземных научных коллективов окажет бесценную помощь астронавтам по отбору лучших образцов для дальнейших исследований. Недавно разработанные инструменты сведут к минимуму примеси в образцах и обеспечат намного более чувствительные измерения чистых образцов в лаборатории на Земле.

По мере того как развиваются представления научного сообщества о материалах Солнечной системы, всё яснее становится, что некоторые внеземные образцы лучше доставлять на Землю в герметичных контейнерах с климат-контролем. Это нужно не только для того, чтобы защитить команду от возможного заражения, но и для того, чтобы сохранить научную целостность образцов. Это особенно важно для образцов с органических объектов и объектов, богатых летучими веществами, представляющих интерес для научных исследований.

ARM: работа на испытательном полигоне

На Международной космической станции NASA и партнёры активно работают над созданием возможностей для человека безопасно жить и работать в космосе. ARM – это один из первых шагов за пределы околоземной орбиты на «испытательный полигон» окололунного пространства, представляющий достижения NASA в апробации средств для работы в открытом космосе (технологии, системы и операции), необходимых, чтобы человек мог безопасно совершать полёты всё дальше в Солнечную систему.

Ориентируясь на пилотируемый полёт на Марс, который планируется осуществить в 2030-е годы, NASA в рамках проекта ARM апробирует ряд ключевых возможностей, которые могут потребоваться для последующих исследований.  

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
December 2014Astronautics Asteroid Redirect Mission: preparing for Mars in deep space
 журнал ROOM №2 декабрь 2014