ОБРАЗЕЦ
«ХАЯБУСА» И OSIRIS-REX

Астероиды — строительные блоки, так и не ставшие планетами. Тёмные, богатые углеродом астероиды могут хранить водосодержащие минералы и органические молекулы из первых миллионов лет Солнечной системы. Метеориты — куски таких тел, но мы редко знаем, с какого астероида они прилетели, а самые хрупкие разрушаются в атмосфере или изменяются за годы лежания на Земле.

У образца, собранного намеренно, известен «адрес», а лаборатория на Земле может то, чего не может ни один прибор на борту: резать, взвешивать, датировать и анализировать отдельные зёрна на установках размером со здание. Цена — полёт туда и обратно: добраться до тела в несколько сотен метров, коснуться его, не отскочив, сохранить образец чистым и пронести его через атмосферу быстрее, чем всё, что возвращалось с Луны.

«Хаябуса» («сапсан») стартовала 9 мая 2003 года — 510-килограммовый аппарат с четырьмя ионными двигателями. Один отказал вскоре после старта, солнечная буря повредила солнечные батареи, а меньше чем через месяц после прибытия к астероиду Итокава 12 сентября 2005 года отказали два из трёх маховиков ориентации. Маленький прыгающий ровер MINERVA отпустили в неудачный момент, и он улетел в космос. 19 ноября аппарат коснулся поверхности, отскочил, около получаса простоял на ней и взлетел — это был первый взлёт с тела, кроме Земли и Луны [1].

Второе касание 25 ноября должно было выстрелить снарядом и поймать брызги грунта; выстрела, вероятно, не было, но немного пыли всё же попало внутрь. Затем утечка топлива закрутила аппарат, и связь пропала до 23 января 2006 года. Инженеры оживили его, закрыли контейнер для образцов и, когда отказывали последние двигатели, соединили источник ионов одного двигателя с нейтрализатором другого. 13 июня 2010 года капсула приземлилась в Вумере (Австралия), в 500 м от расчётной точки. В ней оказалось около 1500 частиц Итокавы, в большинстве мельче 10 микрометров [1].

Зачем ионные двигатели? Ракета меняет скорость, только отбрасывая массу назад, и чем быстрее она её отбрасывает, тем меньше массы нужно. Химические двигатели выбрасывают газ со скоростью несколько километров в секунду; ионный двигатель разгоняет заряженный ксенон электрическим полем до десятков километров в секунду, и тот же бак служит примерно в десять раз дольше — ценой тяги не сильнее веса монеты. Один из двигателей «Хаябусы» проработал 10 400 часов на пути к цели [1].

Уравнение Циолковского показывает, какая доля аппарата должна быть топливом, чтобы получить нужное изменение скорости Δv. Удельный импульс I_уд — это скорость истечения, делённая на стандартное ускорение свободного падения. Сравните химический двигатель около 300 с и ионный около 3000 с для одной и той же задачи.

«Хаябуса» показала, как выглядит небольшой астероид вблизи. Итокава имеет размеры 535 × 294 × 209 м и массу 3,51 × 10¹⁰ кг, что даёт плотность всего 1,9 г/см³ — намного меньше, чем у слагающей его породы. Это «груда щебня»: валуны и гравий, вновь собравшиеся вместе после разрушения более древнего тела, с большим количеством пустот между ними [2]. Рюгу (1,19 г/см³, больше половины объёма — пустоты) и Бенну (около 1,2 г/см³) оказались телами того же типа [4][8].

На таком теле тяготение примерно в сто тысяч раз слабее земного. Аппарат не столько садится, сколько мягко толкается о поверхность, а всё, что подброшено быстрее нескольких сантиметров в секунду, может уже не упасть обратно. Бенну и сам выбрасывает камешки; некоторые вышли на орбиту вокруг него, и команда OSIRIS-REx по их движению построила карту гравитационного поля астероида [8]. Выберите тело и подбросьте камешек вертикально вверх.

«Хаябуса-2» стартовала 3 декабря 2014 года со всем, чего не хватало предшественнице: более надёжными системами, большим числом меток-ориентиров, тремя крошечными прыгающими роверами и франко-германским посадочным модулем MASCOT [1]. 27 июня 2018 года она достигла тёмного астероида Рюгу — «волчок» с валом вдоль экватора и поверхностью, усеянной крупными валунами [3][4]. При первом касании, 22 февраля 2019 года, пробоотборник выстрелил в грунт маленьким снарядом, чтобы поймать брызги [1][3].

Затем — эксперимент, которого никто раньше не ставил. 5 апреля 2019 года был сброшен малый ударник SCI — заряд взрывчатки, который превращает 2-килограммовую медную пластину в снаряд со скоростью около 2 км/с, — пока основной аппарат укрывался за астероидом, а за ударом следила маленькая камера [1][3]. Он вырыл кратер поперечником около 14,5 м — намного больше ожидаемого: поверхность почти не имеет прочности, и размер кратера определило одно лишь тяготение [5][6]. 11 июля «Хаябуса-2» второй раз коснулась поверхности рядом с кратером, чтобы добраться до вещества, выброшенного из-под выветренного космосом слоя [3][5].

Аппарат покинул Рюгу 13 ноября 2019 года. 6 декабря 2020 года (по японскому времени) его капсула приземлилась в запретной зоне Вумера в Южной Австралии и через пять часов была найдена, а сам аппарат полетел дальше [3][7]. Внутри оказалось 5,424 г вещества Рюгу, из них 3,237 г — с первого касания: частицы от миллиметров до тонкой пыли, с которыми с тех пор работают только в вакууме или в чистом азоте [7].

У «Хаябусы-2» оставалась примерно половина ксенона. В 2026 году она пролетела мимо астероида Торифунэ, в 2027 и 2028 годах пройдёт мимо Земли и в 2031 году должна прибыть к 1998 KY26 — астероиду поперечником всего около 11 м, делающему оборот за пять минут [3].

OSIRIS-REx NASA — аппарат массой 2110 кг — стартовал 8 сентября 2016 года [1], 3 декабря 2018 года прибыл к Бенну, а 31 декабря вышел на орбиту вокруг него — самого маленького тела, вокруг которого когда-либо летал космический аппарат [11]. Его пробоотборник TAGSAM — круглая головка на манипуляторе: коснуться поверхности, выпустить струю азота и поймать в головку поднятые ею пыль и камешки [1]. Бенну, как и Рюгу, был усеян валунами; после года картографирования, 12 декабря 2019 года, команда выбрала площадку «Найтингейл» внутри молодого 140-метрового кратера [11].

20 октября 2020 года аппарат коснулся поверхности [11]. Поверхность почти не сопротивлялась. Головка вошла внутрь, как в бассейн с пластиковыми шариками, газ выбросил облако камней и пыли, и, отходя, аппарат оставил эллиптический кратер длиной около 9 м [9]. Силы, измеренные при контакте, соответствуют слою рыхлых частиц с почти нулевым сцеплением, упакованных вдвое менее плотно, чем Бенну в целом, — 500–700 кг/м³ [9][10].

OSIRIS-REx покинул Бенну 10 мая 2021 года [11]. 24 сентября 2023 года он отделил капсулу в 102 000 км от Земли; четыре часа спустя капсула вошла в атмосферу со скоростью 44 500 км/ч (12,4 км/с) на высоте 133 км над побережьем Калифорнии и опустилась на парашюте на полигон в штате Юта в 8:52 по местному времени [12]. Сам аппарат включил двигатели и полетел дальше под новым именем OSIRIS-APEX — изучать астероид Апофис после его близкого прохода мимо Земли в 2029 году [11].

Капсула, падающая с орбиты астероида, приходит со скоростью больше второй космической — быстрее капсулы, возвращающейся с Луны, и намного быстрее возвращающейся с орбиты. Её кинетическая энергия растёт пропорционально квадрату скорости, а тепловой поток к лобовой части — примерно пропорционально кубу. Сдвиньте скорость и сравните.

Команде OSIRIS-REx нужно было не меньше 60 г. Итог — 121,6 г, крупнейший образец астероида, когда-либо собранный в космосе: последние 51,2 г пришлось высыпать с верхней пластины головки пробоотборника [13]. Частицы Рюгу оказались чрезвычайно тёмными, пористыми и хрупкими, изменёнными водой внутри родительского тела и больше всего похожими на редкие углистые хондриты CI — метеориты, по составу ближе всего к самому Солнцу [7].

В образце Бенну лаборатории нашли 14 из 20 аминокислот, которыми пользуется земная жизнь, все пять азотистых оснований ДНК и РНК и около десяти тысяч азотсодержащих соединений. Аминокислоты в нём представлены поровну в «левой» и «правой» формах, так что предпочтение жизнью одной из них, вероятно, пришло не из космоса. Химия указывает на холодные реакции, вероятно в богатой аммиаком воде, в родительском теле, сформировавшемся во внешней Солнечной системе [14].