Для изучения астероидов потребуются разумные зонды
В последнее время количество полетов к астероидам резко сократилось. Спутники Rosetta, Osirix-REX и Hayabusa2 посетили небольшие тела и в некоторых случаях успешно вернули образцы на Землю. Но по мере того, как человечество начнет осваивать астероиды, оно столкнется с серьезной технической проблемой — пропускной способностью. Поблизости от нас находятся десятки тысяч астероидов, некоторые из которых потенциально могут представлять опасность. Если бы мы запустили миссию по сбору необходимых данных о каждом из них, наша инфраструктура межпланетной связи и контроля была бы быстро перегружена. Так почему бы не позволить нашим роботизированным послам сделать это самим? — такова идея новой статьи исследователей из Федерального университета Сан-Паулу и Национального института космических исследований Бразилии, опубликованной в журнале Journal of Guidance, Control, and Dynamics и доступной на сервере препринтов arXiv.
В статье основное внимание уделяется проблеме управления, а именно тому, что делать, когда космический аппарат приближается к новому астероиду. Для выполнения текущих миссий требуются месяцы и постоянная обратная связь с наземными командами, чтобы убедиться, что космический аппарат понимает параметры астероида, к которому он приближается, особенно гравитационную постоянную. Некоторые миссии добились большего успеха, чем другие — например, у посадочного модуля Philase, который летел вместе с "Розеттой", возникли проблемы, когда он отскочил от поверхности кометы 67P/Чурюмова-Герасименко. Как отметили авторы, отчасти это различие было вызвано огромным расхождением между фактической формой кометы и наблюдаемой формой, которую телескопы видели до того, как туда прибыла "Розетта".
Даже для более успешных миссий, таких как OSIRIS-Rex, требуются месяцы подготовки для выполнения относительно простых маневров, учитывая, что их общее расстояние составляет миллионы километров. Например, OSIRIX-Rex потребовалось 20 дней, чтобы совершить несколько полетов на высоте 7 км над поверхностью астероида, прежде чем центр управления полетами счел безопасным выход на стабильную орбиту. Одним из существенных препятствий, с которым столкнулись диспетчеры миссии, было то, смогут ли они точно рассчитать гравитационную постоянную астероида, который они посещали. Известно, что гравитацию трудно определить издалека, и ее неправильный расчет привел к проблемам с Philae. Итак, может ли схема управления решить все эти проблемы?
Проще говоря, это может позволить космическому аппарату решать, что делать при приближении к цели. При четко определенной схеме управления вероятность отказа космического аппарата из-за каких-либо непредвиденных последствий относительно минимальна. Это могло бы значительно сократить время, затрачиваемое миссиями на сближение, и ограничить полосу пропускания связи с центром управления полетами на Земле. Для эффективной работы такой схемы также потребовались бы всего четыре относительно распространенных и недорогих датчика — лидар (аналогичный тем, что установлены на автономных автомобилях), две оптические камеры для определения глубины и инерциальный измерительный блок (ИДУ), который измеряет такие параметры, как ориентация, ускорение и магнитное поле.
В статье много времени уделено подробному описанию сложной математической схемы, которая будет использоваться в схеме управления, некоторые из которых включают статистические вычисления, аналогичные базовым моделям обучения. Авторы также проводят испытания на двух потенциальных астероидных объектах, представляющих интерес, чтобы увидеть, как система будет работать. Один из них уже хорошо изучен. Бенну был целью миссии OSIRIX-Rex и, следовательно, хорошо изучен как астероид. Согласно статье, с помощью новой системы управления космический аппарат может выйти на орбиту в 2000 метров в течение суток после приближения с расстояния в сотни километров, а затем на следующий день выйти на орбиту в 800 метров. Это сопоставимо с месяцами подготовительной работы, которые потребовались для реальной миссии OSIRIS-Rex. И это может быть выполнено с минимальной тягой и, что более важно, с минимальным расходом топлива, что является ценным ресурсом для полетов в дальний космос.
Еще один демонстрационный полет - к Эросу, второму по величине астероиду, расположенному вблизи Земли. Он имеет уникальную для астероида форму, поскольку относительно вытянут, что может стать сложной задачей для автоматизированных систем, подобных описанным в статье. Управление космическим аппаратом по новой схеме для сближения с Эросом не имеет всех тех преимуществ, которые присущи более традиционному астероиду, такому как Бенну. Например, у него гораздо более высокие требования к тяге и расходу топлива. Однако это по-прежнему сокращает время выполнения задания и пропускную способность, необходимую для его работы. Автономные системы становятся все более популярными на Земле и в космосе. Статьи, подобные этой, заставляют задуматься о том, что возможно. Предположим, что все, что требуется для устранения многомесячной кропотливой технической работы вручную, - это подключить несколько датчиков и внедрить новый алгоритм управления. В этом случае вполне вероятно, что одно из различных агентств и компаний, планирующих в ближайшее время встретиться с астероидом, примет этот план.
