Проектирование космических аппаратов для миссий возвращения образцов из комет и астероидов

Инженерная граница возвращения кометы и астероидного образца

В иерархии космических усилий мало достижений, соответствующих технической дерзости образца миссии возвращения от кометы или астероида. Эти операции требуют, чтобы космический корабль пролетел сотни миллионов километров, встречался с телом, часто не большим, чем городской блок, собирал нетронутый материал с его поверхности или подповерхности, а затем доставлял этот груз безопасно обратно на Землю. Инженерные проблемы огромны, но научный выигрыш преобразующий: прямой лабораторный доступ к первичным строительным блокам Солнечной системы. В этой статье рассматриваются основные принципы проектирования, критические подсистемы и архитектуры миссий, которые делают эти подвиги возможными, опираясь на уроки прошлых успехов и технологий, формирующих будущие усилия.

Основные проблемы при проектировании космических аппаратов для миссий возврата образцов

Проектирование космического аппарата для возвращения образца принципиально отличается от строительства орбитального аппарата или посадочного модуля. Космический аппарат должен выполнять несколько фаз высокого риска: транзит в глубоком космосе, точное рандеву, взаимодействие поверхности, получение и сдерживание образца, подъем, возвращение Земли и возвращение атмосферы. Каждая фаза вводит режимы отказа, которые может обречь на провал одной точки. Следующие подразделы подробно описывают основные проблемы, которые управляют процессом проектирования.

Экологические опасности малых тел

Кометы и астероиды занимают суровую и переменную среду. Космические аппараты должны выдерживать экстремальные перепады температур, когда они движутся по орбитам, которые приближают их к Солнцу, а затем далеко в холод глубокого космоса. На поверхности температура может колебаться от более чем 100°С при прямом солнечном свете до менее -150°С в тени. Радиация — еще одна проблема: энергетические частицы от Солнца и космические лучи могут со временем ухудшать электронику и материалы. Кроме того, сама поверхность часто является источником риска. Многие астероиды — это рыхлые агрегаты породы и пыли, известные как щебень, с низкой сплоченностью и непредсказуемой топографией. Посадка или даже касание на такой местности может дестабилизировать космический корабль, если поверхность уступит место. Пыль и частицы, поднятые во время отбора проб, могут заслонять датчики, засорять механизмы и вызывать статические события разряда, которые угрожают чувствительной электронике.

Сбор образцов и целостность хранения

Захват образца — это только половина битвы. Собранный материал должен храниться таким образом, чтобы сохранить его научную ценность в течение месяцев или лет транзита обратно на Землю. Загрязнение является основной проблемой: образец должен быть изолирован от отработанного газа с космического корабля, от остатков топлива и от любого биологического материала, который может поставить под угрозу будущие анализы обнаружения жизни. Шипованные контейнеры, оснащенные инертным газовым заполнением или вакуумным сохранением, являются общими. Контейнер также должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать вибрации запуска, нагрузки тяги и шок повторного входа без утечки или ухудшения. Вся цепочка хранения образца должна быть спроектирована с уровнями чистоты, которые конкурируют с наземными стандартами чистых помещений, часто требующими выпечки компонентов и специализированных приспособлений для обработки.

Автономные операции и задержки времени

Задержки связи между Землей и космическим аппаратом вблизи астероида или кометы могут составлять от нескольких минут до десятков минут, в зависимости от расстояния. Это делает дистанционное управление в реальном времени непрактичным для критических маневров, таких как посадка, отбор проб и восхождение. Космический корабль должен обладать высокой степенью автономии, включая обнаружение и предотвращение опасности на борту, наведение и навигацию относительно цели, а также способность выполнять последовательность отбора проб без вмешательства земли. Это требует сложных бортовых вычислений, синтеза датчиков и логики защиты от неисправностей. Автономия особенно обременяет возврат образца, потому что последовательность событий тесно связана: неправильное суждение во время спуска может вызвать крушение, и неудачная попытка сбора может не оставить второго шанса, если запас топлива ограничен.

Проектирование космического корабля Sample Return

Каждая подсистема на космическом корабле должна быть оптимизирована для конкретного профиля миссии.Процесс проектирования должен сбалансировать массу, мощность, тепловое управление, надежность и стоимость, удовлетворяя при этом уникальные требования операций с малым телом.

Двигатель и навигация

Точная навигация является основой любой миссии по возвращению образца. Двигательная система должна быть способна доставлять очень тонкие импульсные биты для подхода и поддержания станции, а также более крупные маневры для коррекции траектории и обратного горения. Бипропеллентные и монопропеллентные химические двигательные установки использовались исторически, но электрическая тяга все чаще используется для ее превосходного специфического импульса, что позволяет более амбициозные возможности рандеву. Ионные двигатели, такие как используемые на миссиях НАСА Dawn и JAXA Hayabusa, позволяют высокоточную тягу и увеличенную продолжительность миссии. Для возвращения образца двигательная система также должна поддерживать фазу восхождения: после отбора проб космический корабль должен запускаться с поверхности астероида или кометы, что требует надежного, надежно воспламененного двигателя, который может работать в условиях микрогравитации и, возможно, в присутствии пыли.

Навигация опирается на оптические и лазерные датчики. Космический аппарат должен построить детальную модель тела-мишени издалека, затем уточнить эту модель при подходе. Оптические камеры, LIDAR (Light Detection and Ranging), а иногда и радар используются для картографирования топографии, идентификации безопасных мест отбора проб и отслеживания положения космического корабля относительно тела. Для очень маленьких астероидов гравитационное поле слабое и нерегулярное, что делает определение орбиты сложным. Навигационные алгоритмы должны учитывать несферические распределения массы, давление солнечного излучения и состояние вращения тела. Многие миссии используют технику, называемую «оптической навигацией», где космический корабль делает снимки астероида на фоне звезды и использует эти изображения для обновления своей оценки положения.

Технологии отбора проб

Метод, выбранный для сбора проб, в значительной степени зависит от характера цели и типа желаемого материала. Ниже приводятся основные стратегии отбора проб, которые были осуществлены или находятся в стадии разработки:

Термический контроль экстремальных условий

Управление температурой является критическим фактором проектирования. Космический аппарат должен сохранять свои внутренние компоненты в рабочих температурных диапазонах при воздействии экстремальной тепловой среды глубокого космоса и близости к целевому корпусу. Пассивное тепловое управление с использованием многослойной изоляции (MLI), радиаторов и тепловых труб дополнено активными нагревателями и, в некоторых случаях, криоохладителями для инструментов, которые требуют низких температур. Сам образец должен поддерживаться при температуре, которая предотвращает летучие потери или фазовые изменения. Для возвращения образца кометы, поддержание температур ниже -100°С может потребоваться для сохранения льдов и органики. Это требует выделенной системы холодного хранения с высокопроизводительным криостатом и, возможно, кулером Стирлинга.

Системы возврата и возврата образцов

Возвратный этап миссии, возможно, является самым нервным. Космический корабль должен отсоединить капсулу с пробой, а затем выполнить маневр отклонения, чтобы капсула попала в атмосферу Земли под правильным углом и скоростью. Капсула должна быть оснащена теплозащитным экраном, способным выживать при температурах, превышающих 2000°С во время входа в атмосферу. Для рассеивания тепла используются аблятор с фенольной термозащитой (PICA) или пальто. После фазы замедления парашютная система развертывается для замедления капсулы для мягкой посадки (обычно на земле для легкого восстановления, хотя также возможны посадки на воду). Капсула должна быть спроектирована так, чтобы быть герметичной и ударопрочной для защиты ее содержимого во время удара. Следящий маяк, часто передатчик UHF, позволяет командам восстановления быстро находить капсулу.

Надежность и избыточность

Учитывая длительность и высокие ставки миссий возврата образцов, инженерия надежности имеет первостепенное значение. Критические подсистемы часто дублируются (избыточные процессоры, передатчики, двигатели). Однако ограничения массы исключают полное дублирование каждого компонента, поэтому проводится компромиссный анализ для выявления одноточечных сбоев и смягчения их посредством проектирования. Неисправно-толерантные программные архитектуры, сторожевые псы и системы безопасного режима гарантируют, что космический корабль может восстанавливаться от аномалий без наземной помощи. Надежное тестирование на уровне компонента, подсистемы и системы не подлежит обсуждению, включая термическое вакуумное езду на велосипеде, вибрационное тестирование и сквозные испытания механизма отбора проб с использованием смоделированного материала астероида.

Примеры прошлых и будущих миссий

Инженерное сообщество получило бесценный опыт от миссий, которые уже летали. Каждая миссия продвигала современное состояние в конкретных областях.

Звездная пыль (Комета 81P/Дикий 2)

Запущенная в 1999 году Stardust была первой миссией по возвращению внеземного материала из-за пределов системы Земля-Луна. Она использовала коллектор, заполненный аэрогелем, для захвата частиц кометной пыли во время высокоскоростного пролета Wild 2. Капсула возврата образца вернулась на Землю в 2006 году. Stardust продемонстрировала возможность сбора частиц с гиперскоростью без уничтожения частиц, а ее аэрогелевая технология проинформировала последующие конструкции сэмплеров.

Hayabusa и Hayabusa2 (Астероиды Итокава и Рюгу)

Hayabusa JAXA (2003-2010) была первопроходцем, который преодолел серьезные технические проблемы, включая неисправные реакционные колеса и проблемы двигателя, чтобы вернуть крохотный образец из Итокавы. Она подтвердила ионную тягу для глубокого космоса и использование отбора проб TAG. Его преемник, Hayabusa2 (2014-2020), привезла гораздо больший образец (более 5 граммов) из углеродистого астероида Рюгу. Hayabusa2 также развернул небольшой посадочный модуль (MASCOT) и ударный элемент для создания искусственного кратера для подповерхностного отбора проб. Обе миссии доказали жизнеспособность автономных операций TAG на телах с низкой гравитацией.

OSIRIS-REx (Астероид Бенну)

OSIRIS-REx, запущенный в 2016 году, выполнил отбор проб TAG на Бенну в 2020 году и планируется доставить его образец в 2023 году. Бенну - астероид с очень прочной поверхностью, заставив миссию оценить сотни потенциальных участков отбора проб. Космический корабль использовал TAGSAM (механизм приобретения проб Touch-And-Go), который стрелял газообразным азотом для переноса реголита в камеру сбора. Подробные методы картирования и навигации OSIRIS-REx установили новый стандарт для операций с малыми телами.

Будущие миссии на горизонте

Несколько миссий возвращения образцов находятся в стадии разработки или концепции. Миссия ЕКА Hera, в то время как в первую очередь миссия планетарной обороны, посетит бинарную систему Дидимос и развернет CubeSats для близких наблюдений. EXploration (MMX) марсианских лун JAXA - это миссия возвращения образцов, нацеленная на Фобос, большую луну Марса. MMX будет использовать механизм коринга для извлечения образца с поверхности Фобоса, который может содержать материал, выброшенный с Марса. Другие концепции включают возвращение образца ядра кометы (например, предлагаемое возвращение образца кометы ЕКА) и миссию на углеродистый астероид, чтобы специально нацелиться на органические соединения и потенциальные биосигналы.

Проектирование космических аппаратов для миссий по возвращению образцов является непрерывным процессом обучения. Каждая миссия раскрывает новые сложности в отношении разнообразия малых тел и устойчивости, необходимой для работы в их среде. По мере того, как сообщество движется к более амбициозным целям, включая кометы и рандеву с несколькими телами, инженерные проблемы будут только расти. Но научные награды от возвращения нетронутого материала в лаборатории Земли остаются самым мощным мотиватором для этой работы. Способность анализировать образцы с помощью инструментов, гораздо более способных, чем все, что может быть миниатюризировано для космического корабля, гарантирует, что возвращение образцов останется краеугольным камнем планетарной науки на десятилетия вперед.

Для дополнительной технической глубины в конкретных миссиях читатели могут изучить страницы миссии на сайте OSIRIS-REx НАСА , на странице проекта JAXA Hayabusa2 и на веб-сайте миссии MMX. Отличный обзор конструкции системы тепловой защиты для капсул для входа доступен в группе NASA Entry Systems . Эти ресурсы обеспечивают дальнейшее понимание инженерных решений, которые позволяют человечеству протянуть руку и вернуть части ранней Солнечной системы.