|
Солнечные паруса могут остановить астероид-убийцу
|
|
|
|
На астероидах нет предупреждающих надписей о том, что однажды они могут столкнуться с Землей. Хотя мы не знаем ни об одном астероиде, который в данный момент движется по такой траектории, каждый год мы обнаруживаем тысячи новых астероидов, и всегда есть вероятность, что один из них может столкнуться с Землей.
|
|
|
|
Мы доказали, что существует действенный способ предотвратить столкновение: в рамках миссии DART удалось изменить траекторию небольшого астероида с помощью «кинетического ударного элемента» — по сути, это большой стержень, предназначенный для того, чтобы изменить траекторию астероида. Но у миссии DART был один существенный недостаток: она двигалась в том же направлении, что и астероид, и приближалась к нему сзади, в итоге столкнувшись с ним ударным элементом, запущенным с орбиты вокруг астероида. Этот метод может сработать, если у нас будет достаточно времени на подготовку, но для этого потребуются годы орбитальных манёвров. Исследователи из Бэйханского университета предложили альтернативный вариант: использовать солнечный парус нового типа, чтобы отклонить траекторию потенциально опасного астероида, столкнувшись с ним лоб в лоб. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
|
|
|
Отклонение астероида с помощью ударного элемента зависит от одного простого фактора — энергии. Чем больше энергии передаётся от ударного элемента к астероиду, тем сильнее изменится его траектория. Особенность энергии в том, что она возрастает пропорционально квадрату скорости. Другими словами, чем быстрее вы врезаетесь во что-то, тем больше энергии вы ему передаёте.
|
|
|
|
DART врезался в Диморф, астероид, на который он был нацелен, на скорости около 6 км/с — это приличная скорость, но она ограничена тем, что астероид двигался в том же направлении. Согласно новому исследованию, космический аппарат с солнечным парусом может приблизиться к астероиду с противоположной стороны — как водитель, едущий по встречной полосе, — и врезаться в него на скорости около 100 км/с, передав примерно в 230 раз больше энергии на килограмм массы, чем при испытании DART.
|
|
|
|
Проблема в том, чтобы заставить космический аппарат двигаться в противоположном направлении. Почти всё вращается вокруг Солнца против часовой стрелки, в том числе Земля. Поэтому, когда что-то запускается с Земли, оно уже движется в этом направлении. Чтобы изменить направление движения и выйти на орбиту по часовой стрелке (ретроградную), требуется, мягко говоря, много энергии. Химические ракеты на это не способны — из-за «тирании» уравнения Циолковского они не могут нести на борту достаточно топлива для выполнения такого манёвра. А вот солнечные паруса потенциально могут.
|
|
|
|
Солнечные паруса используют давление солнечного излучения — ничтожно малую силу, с которой фотон воздействует на какой-либо объект при столкновении с ним. По сути, они движутся за счет солнечного света, а не за счет топлива, как традиционные химические или ионные ракеты. Еще в 1990-х годах итальянский инженер Джанкарло Вульпетти понял, что с помощью этой технологии можно вывести солнечный парус на так называемую H-реверсную траекторию — по сути, это способ заставить парус двигаться по орбите в обратном направлении.
|
|
|
|
Сначала парус используется в качестве тормоза, снижающего угловой момент аппарата. После того как он достигает нулевого значения, в дело вступает гравитация Солнца, которая притягивает аппарат к нашей звезде, заставляя его двигаться по нисходящей траектории. Но на траектории Вульпетти парус включается в момент наибольшего сближения с Солнцем (в перигелии) и отбрасывает аппарат назад, на ретроградную орбиту. Это похоже на решение, позволяющее придать астероиду такое направление движения, при котором он сможет передать ему огромное количество энергии. Есть только одна проблема: солнечные паруса, как известно, очень громоздкие.
|
|
|
|
Мы успешно испытали несколько таких аппаратов в космосе. Примерами традиционных солнечных парусов, которые по сути представляют собой гигантские зеркала, являются IKAROS Японского агентства аэрокосмических исследований и LightSail 2 Планетного общества. В их случае свет, отражающийся от них, уходит под тем же углом, под которым он приходит. Сила притяжения всегда перпендикулярна поверхности паруса. Такая ситуация не идеальна для разворота паруса по Н-образной траектории, поскольку это означает, что вам придется наклонять парус под большим углом к солнцу. Это создает гораздо меньшую мишень для солнечного света, что значительно снижает эффективность паруса.
|
|
|
|
Войдите в дифракционный солнечный парус. Вместо традиционной светоотражающей пленки в материале, из которого изготовлены эти паруса, используются микроструктурированные оптические решетки, которые рассеивают свет в разные стороны, не поворачивая сам парус. Это означает, что парус может быть полностью обращен к солнцу, даже в перигелии, но направлять всю эту силу в боковое движение. Это значительно упрощает управление ориентацией и по-прежнему обеспечивает значительный толчок, необходимый для выполнения этого сложного орбитального маневра.
|
|
|
|
Исследователи смоделировали несколько конфигураций солнечных парусов для этой траектории разворота по часовой стрелке и обнаружили, что дифракционные паруса отражательного типа оказались явным победителем. В их моделировании все остальные типы парусов либо упали на Солнце, либо были полностью вытеснены из Солнечной системы. Но поиск подходящего типа парусов был только первым шагом — во втором моделировании они исследовали, что может произойти с другим известным астероидом: Апофисом.
|
|
|
|
Апофис — астероид шириной 340 метров (1115 футов), который 13 апреля 2029 года приблизится к Земле на расстояние 38 000 километров (23 600 миль). Хотя сам по себе этот астероид не представляет угрозы, исследователи решили посмотреть, что можно сделать с этим хорошо изученным небесным телом. Они смоделировали преломляющую отражающую поверхность в двух конфигурациях: с постоянным углом преломления и с возможностью переключения с умеренного угла преломления при приближении к Солнцу на угол около 90 градусов в перигелии.
|
|
|
|
Обе версии позволили доставить к Апофису ударное тело со скоростью 100 км/с примерно за 200–300 дней с момента запуска. Это почти на год сокращает время миссии по сравнению со стандартным отражающим солнечным парусом, и эта разница может решить, удастся ли отклонить астероид от курса или он столкнется с Землей.
|
|
|
|
Будем надеяться, что нам никогда не придется использовать эту технологию для отклонения потенциально опасного астероида от курса. Но на самом деле когда-нибудь мы с этим столкнемся. Осознание того, что этот метод может дать в сотни раз больше энергии, чем более традиционные методы сближения на орбите, которые уже доказали свою эффективность, не может не радовать. По крайней мере, мы знаем, что в нашем арсенале есть ещё один инструмент для борьбы с этими опасностями, даже если нам никогда не придётся его использовать.
|
|
|
|
Источник
|
