На встречу с кометой

Догнать-загарпунить-исследовать… Именно так можно сегодня сформулировать основную задачу космического аппарата «Розетта», который в начале сентября 2012 пересек орбиту Юпитера и направился к комете Чурюмова–Герасименко.  

Аппарат Европейского космического агентства, запущенный еще в марте 2004 года и проделавший долгий исследовательский путь в Солнечной системе, сегодня движется к своей новой (и, пожалуй, главной) цели – комете, открытой в 1969 году отечественными астрономами Климом Чурюмовым и Светланой Герасименко. После  встречи с ней вначале 2014 года аппарат должен опуститься на поверхность ядра кометы для проведения обширных и довольно длительных исследований.

Надо сказать, что кометы как небесные тела  и ранее не были обделены вниманием исследователей. Однако многие тайны этих «скитальцев вселенной» не раскрыты и сегодня.
Еще памятны полеты к кометам советских станций «Вега–1» и «Вега–2»,   космических аппаратов Японии, США, Европейского космического агентства. Они дали ценные научные результаты о кометах и нашей Солнечной системе. Но это были «обычные» пролетно-зондирующие маршруты, предусматривающие лишь короткие, мимолетные встречи с кометами, на траекториях, позволяющих проводить их дистанционные исследования.  

На таких маршрутах космический аппарат находится вблизи небесного тела в течение нескольких минут (в лучшем случае десятков минут), когда можно проводить более или менее детальные исследования кометы, ее хвоста, комы (окружающей оболочки), и, наконец, если удастся, – самого ядра. Ведь имея хвост в десятки, а то и более сотни миллионов километров, само ядро кометы невелико – всего лишь несколько километров. А дальше пути аппарата и кометы на таких маршрутах расходятся навсегда.

Вариант экспедиции с посадкой  аппарата на поверхность ядра этого «космического странника»  весьма заманчив. Непосредственные детальные исследования в самом «сердце» кометы – ее ядре, считают ученые, помогут получить данные о ранних стадиях образования небесных тел Солнечной системы. И, пожалуй, самым интересным результатом такой миссии может стать обнаружение органических сложных молекул, что позволит подтвердить или отвергнуть «кометную» гипотезу заноса жизни на Землю.

Однако выполнить задачу «кометной» посадки не так просто. Дело в том, что переход аппарата на орбиту кометы приводит, как правило, к весьма высоким скоростям старта и особенно скорости встречи аппарата с ядром кометы. Например, скорость пролета кометы Галлея в известном проекте «Вега» составляла более 70 км/с. Понятно, что ни о какой посадке в таких случаях не может быть и речи. Подобные жесткие условия встречи с кометой-целью были и в других реализованных проектах.

Так имеются ли какие либо возможности уменьшения скорости встречи космического зонда с кометой, чтобы реализовать доставку научных приборов непосредственно в ядро кометы?

Как показывает анализ схем такого рода экспедиций, вариант с посадкой возможно осуществить, лишь имея значительный запас топлива на конечном участке торможения (что нереально, т.к. приводит к огромному стартовому весу аппарата).

Другой вариант связан с выбором наиболее рациональной схемы перелетного маршрута. Действительно, если на пути к комете-цели использовать попутный пролет одной или нескольких планет, то под действием их полей тяготения (выполняя гравитационные маневры) можно целенаправленно изменять орбитальную энергию аппарата. В результате действия полей тяготения планет облета  можно снизить затраты топлива на перелет аппарата к комете и добиться наилучших условий сближения аппарата с ядром кометы.

Для этого можно использовать в различных комбинациях как поля планет Земной группы (Венеры, Марса, Земли, Меркурия), так и Юпитера, и других больших планет. Разумеется, число и  порядок облета планет, временные диапазоны миссии определяются в каждом конкретном случае в зависимости от выбранной кометы–цели и ее положения в орбите.

Разработчиками миссии «Розетта» (название зонда происходит от знаменитого Розеттского камня – легендарного артефакта, с помощью которого учёные смогли расшифровать древнеегипетские иероглифы), осуществление которого взяло на себя Европейское космическое агентство, на основе такого подхода был сформирован довольно сложный маршрут полета аппарата с тремя последовательными пролетами Земли, одним пролетом Марса. Маршрут включал также попутную встречу с двумя астероидами, расположенными в астероидном поясе между орбитами Марса и Юпитера,  на пути  к комете Чурюмова-Герасименко.

Стартовав 2 марта 2004 года и совершая последовательно пертурбационные маневры в полях тяготения планет, аппарат в начале сентября 2008 года пролетел вблизи небольшого астероида Штейнис (на снимке он похож на бриллиант, его размеры около 6 км), а в июле 2010 года – более крупного астероида Лютеция (его размер 132 км с отчетливо видимыми кратерами). С борта аппарата были проведены их дистанционные исследования, сделаны и переданы на Землю уникальные снимки этих малых небесных тел.

После этого зонд «Розетта» продолжил свое движение к комете–цели, к которой он должен приблизиться в марте 2014 года, чтобы впоследствии выйти в окрестности головы кометы.
Здесь наступит очень ответственный этап наведения и сближения с совсем небольшим небесным телом – ядром кометы (3 на 5 км).

Дистанционные кометные исследования будут включать съемки и передачу изображения кометы и ее ядра на подлетной траектории, (что особенно важно при проведении этапа самой посадки), изучение кометных излучений, природы и состава  летучих веществ, исходящих из ядра, комы и хвоста кометы. Наконец, в августе 2014 года планируется проведение картографирования поверхности ядра кометы, в т.ч. и для выбора и уточнения места посадки спускаемого аппарата.

Сама же доставка приборов на ядро кометы может осуществляться разными способами.
Она может выполняться по «планетному» сценарию – с включением тормозного двигателя и осуществлением посадки автомата-исследователя на поверхность ядра кометы.

Другой вариант связан с использованием гарпунно-тросовой системы, идея которой была предложена еще советским астрономом В.А. Бронштэном.

Разработчиками миссии «Розетта» использовали комбинированный вариант. При подлете к комете с борта «Розетты» в ноябре 2014 года должен быть запущен спускаемый аппарат «Philae lander» который подойдёт к комете с относительной скоростью около 1м/с и при контакте с ее поверхностью выпустит два гарпуна. Это позволит «заякорить» «Philae lander», поскольку весьма малое поле тяготения ядра кометы не способно удержать аппарат, и он может просто-напросто отскочить от поверхности ядра, как теннисный мячик от стенки.

После высадки на поверхность спускаемый аппарат начнёт непосредственные и длительные исследования химического состава «первородного» вещества ядра кометы, изучение физических и химических процессов, протекающих в его недрах, изучение изменения активности кометы со временем. Находясь непосредственно на поверхности кометы и двигаясь вместе с ней по ее орбите, аппарат будет проводить исследования сложных процессов, проходящих в зоне ядра, газопылевой комы и окружающего пространства в течение запланированного времени – до декабря 2015 года.

В настоящее время, находясь от Солнца на расстоянии около 700 млн. км, аппарат переведен в «спящий режим» для сохранения мощности батареи бортовых аккумуляторов. В конце января 2014 года планируется его активизировать по сигналу с Земли, чтобы приступить к завершающему почти 2-х летнему этапу миссии – непосредственному изучению кометы Чурюмова-Герасименко.  

Иллюстрации:
1. Космический аппарат «Розетта».
2. Астероид Штейнс.
3. Астероид Лютеция.
4. Трёхмерная модель ядра кометы 67P/Чурюмова - Герасименко, выполненная с помощью космического телескопа Хаббл.