Прослушать новинка Остановить прослушивание

The Planetary Society/Samueli School of Engineering and Applied Science Как впервые в истории догнать межзвездный астероид, оттолкнувшись от Солнца, а в грядущем — отправлять корабли к звездам на немыслимых скоростях, придумал выпускник МГУ, а ныне — ведущий научный сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA Вячеслав Турышев. О деталях этого революционного проекта, способного кардинально изменить лицо межпланетных миссий, астрофизик рассказал в интервью «Газете.Ru». Rambler-почта Mail.ru Yandex Gmail Послать письмо Скопировать ссылку

— Вячеслав, вы – автор удивительных работ по астрофизике, которые ничего кроме восхищения не вызывают. Вы разрешили знаменитую аномалию «Пионеров», а несколько лет назад предложили фантастический проект космического телескопа, который впервые сможет разглядеть детально дальнюю экзопланету. Астрономы несколько лет ломают голову над тем, как догнать и изучить межзвездные астероиды и кометы, которые залетают в Солнечную систему. Когда вы разрешили заняться этой, казалось бы, не решаемой современными средствами задачей?

— Как только в 2017 году появились сообщения об обнаружении первого межзвездного пришельца, астероида с вдохновляющим наименованием Омуамуа, возникло естественное желание узнать о природе таких уникальных странников.

По нашим оценкам, в каждый момент поре, до нескольких десятков таких объектов движется через Солнечную систему. Однако до недавнего времени наши технические возможности не позволяли нам их находить среди иных объектов в солнечной системе, но они есть.

Они движутся очень быстро, и наши инструменты, которые используют ПЗС-матрицы, не были способны их фиксировать на фоне шума, поскольку сами они не светят, а лишь отражают солнечный свет. Подходя к Солнцу, они начинают двигаться со скоростью распорядка 50–80 км/с, что приводит к размазыванию сигнала по пикселям ПЗС-матрицы вдоль траектории их движения, тем самым снижая экспериментальную чувствительность.
Сейчас ситуация изменилась, и у нас показались новые возможности регистрировать сигналы, приходящие от тусклых объектов, движущихся с большими скоростями. Так что в скором времени мы сможем сообщать не только об астероидах, приближающихся к Земле на опасные расстояния, но и сразу о нескольких межзвездных объектах, движущихся через нашу Солнечную систему, и какие мы могли бы изучать.

В нашей статье мы предложили проект космической экспедиции, которую могли бы запустить в ближайшее время к одному из таких межзвездных астероидов.

В сегодняшнее время, самым быстрым космическим аппаратом считается «Вояджер-1», который пролетает примерно 3 астрономические единицы в год (посредственнее расстояние между Землей и Солнцем). А эти межзвездные гости могут двигаться со скоростями от 5–6 а. е. в год и более.

С помощью современных химических двигателей нагнать такие объекты не представляется возможным, даже при использовании гравитационного маневра, пролетая около одной из планет Солнечной системы. Потому здесь требуются нестандартные решения.

Идея родилась из нашего проекта космического телескопа, который будет использовать Солнце, как гравитационную линзу. Чтобы запустить телескоп в фокальную район этой линзы, мы рассмотрели все возможные двигатели — самые мощные российские двигатели РД-180, двигатели Маска Raptor, двигатель Безоса BE-4. Это уникальные машины, трудящиеся на пределе, но даже если мы будем компоновать много таких двигателей на разных ступенях ракеты-носителя (к примеру, как у тяжелого Фалькона), максимально-достижимая скорость будет ограничена. Даже при поддержки гравитационных маневров у планет самая большая скорость, что мы можем достичь – 4,5 а.е. в год. Более высокие скорости вероятны, если космический аппарат будет запущен напрямую к Солнцу и, пролетая в непосредственной близости от него, совершит так-называемый манёвр Оберта. Подобные решения спрашивают керамической теплозащиты для аппарата, защиты топлива и обеспечения работы двигателей в условиях с повышенной температурой, и многого другого. Все эти «детали» остро увеличивают стоимость проекта, делая его сложным еще и экономически.

И мы сошлись на том, что солнечный парус – уникальная технология, которая переживает ренессанс. Технология основана на эффекте давления света впервые продемонстрированным российским физиком П.Н. Лебедевым еще в 1899 году.

Солнечный ветрило

Практическое использование такого эффекта наиболее целесообразно в космических условиях. За последние 15 лет было запущено более десятка космических аппаратов с ветрилами, использующими давление солнечного света. Есть проекты, которые работали на высокой орбите вокруг Земли, есть проекты, долетевшие до Венеры. Сейчас создаются еще несколько проектов, какие будут работать в окололунном пространстве и исследовать Солнце. То есть постепенно солнечные паруса становятся реальностью. Однако, мы осознали, что вероятен гораздо больший прогресс в этой области.

Классическая проблема парусов – масса космического аппарата, так как до недавнего поре аппараты были весьма тяжелыми. В тоже время, у солнечного паруса есть важный параметр – отношение площади ветрила к массе всей конструкции. Чем больше это отношение, тем выше ускорение. Но в последние 10 лет произошла и революция в области уменьшения космических аппаратов.

Сейчас мы можем запустить аппарат массой в 40 кг, схожий по производительности с «Вояджером» массой 733 кг. Имея на распорядок меньшую массу, современные аппараты, имеют сравнимую, а зачастую большую полезную отдачу.

Сегодня есть спутники компании Swarm массой 400 г, они обеспечивают широкополосный интернет сквозь космос. Кроме того, реальностью стали и межпланетные микроспутники с высокой производительностью, такие как два близнеца проекта MarCo, в реальном поре транслировавшие подсадку аппарата Insight на Марс. При таком прогрессе впервые появляется возможность говорить о солнечном парусе, как о реальном способе передвижения по Солнечной системе с большенный скоростью.

— В чем же новизна вашего аппарата для погони за межзвездными астероидами?
— До сегодняшнего дня паруса имели структуру в облике больших плоскостей, которыми сложно управлять. В основе нашего подхода — две системы сегментированных парусов на легких каркасах, какие управляются индивидуально, наподобие яхты. У яхты есть два основных инструмента – парус и киль. С их помощью можно шагать против ветра. В нашей конструкции важно, что с помощью двух плоскостей из трех управляемых лопастей паруса мы тоже можем шагать против солнечного «ветра».

The Planetary Society/Samueli School of Engineering and Applied Science

— Но в космосе же нет киля…
— В космосе кушать замечательный киль – раскрученные маховики на борту аппарата!

Засада перед погоней

— Как будет выглядеть траектория полета корабля для погони за межзвездным астероидом?
— Предположим, мы приметили летящий к Солнцу межзвездный астероид где-нибудь у орбиты Сатурна, лететь до Солнца ему еще полтора года. Мы заранее можем запарковать наш солнечный ветрило на орбите Земли, чтобы в нужный момент начать спуск к Солнцу. Как только мы определяем нужный объект, парус начинает движение на Солнце. Начинать с низенькой орбиты вокруг Земли не походит. Нам лучше оказаться подальше от атмосферы – на орбите от 1000 км. Нас выкидывают ракетой на рослую орбиту (нас даже не нужно специально подталкивать к Солнцу), при этом мы движемся вокруг Солнца со скоростью Земли (30 км/c). Наш аппарат — целый аналог яхты: есть управляемый парус, и есть киль, что позволяет нам обеспечить движение против давления солнечного света. Устремив паруса под углом, мы будем терять орбитальный импульс и гасить нашу скорость от 30 до 5 км/с, снижаясь по спирали к Солнцу.

Сквозь погода мы достигаем точки перигея, там мы подворачиваем паруса, нас подхватывает солнечный свет, наш «ветер» – и понеслись!
Через 7 месяцев скорость ветрила достигает 7 а.е. в год, и мы вполне можем догнать наш астероид.

The Planetary Society/Samueli School of Engineering and Applied Science

— На чем запускать ваш аппарат?
— Те же ракеты Falcon сейчас летают любой месяц. Ракета может быть любая, поскольку нет ограничений по времени запуска, а аппарат весит всего 5,2 кг. Астероид мы можем нагнать либо на подходе к Солнцу, либо через 2-3 года, когда он уже от него улетит. В этом состоит идея первого полета в рамках основываемой нами цепочки демонстрационных полетов, которая уже обеспечит условия необходимые для исследования межзвёздных объектов, движущихся в Солнечной системе.

В статье мы сообщаем, что уже существующие технологии паруса позволяют достичь скорости в 5-7 а.е. в год, а в перспективе – до 25 а.е. в год! К началу 30-х годов мы планируем довести скорости полета до 20–25 а.е. в год. Тогда любая мишень в солнечной системе, даже Плутон, нам станет доступной за пару лет полета.

— Хорошо, вы можете запустить солнечный парс к Солнцу и от Солнца, получив максимальное ускорение вблизи него, и он будет лететь в плоскости эклиптики. Но межзвездные гости прилетают с различных направлений, сможете ли вы полететь в его сторону?
— Отличный вопрос, и ответ – наш солнечный парус тем хорош, что он летит, куда угодно! Эта технология позволяет лететь даже перпендикулярно плоскости эклиптики. Ничто иное, никакие химические двигатели не способны на это.

— Чтобы максимально разогнаться у Солнца, вам надо как можно ближе к нему нырнуть и не сгореть. Как вблизи парус может опуститься?
— На расстоянии 0,2 а.е. от Солнца у нас будет максимальная температура паруса, которую мы можем вынести – 700 °C. Там надо будет защищать от солнечного тепла всю конструкцию,— если мы не сможем обеспечить теплоотвод, будет весьма жарко, и упор тут делается на материаловедение. Отражательная способность парусов должна составить 99,9%.

На традиционный в космических аппаратах материал Каптон мы нанесем слой алюминия. Задача сделать так, чтобы защитная пленка переизлучала энергии вяще, чем поглощала. А паруса должны быть ориентированы так, чтобы на КА приходил минимум тепла. Но важно то, что максимальная тепловая нагрузка на аппарат у Солнца продолжается всего 17 часов. Расчетная нагрузка на электронику – 270°C максимум, что наша конструкция с запасом обеспечивает.

— Ветрила же у вас не гибкие будут, а жесткие?
— Паруса будут секторальные, сделаны не из пленки, а на основе очень легкого, термоустойчивого углепластика. Любой треугольный парус похож на веер. Его не нужно раскатывать, как катушку. Он сложен гармошкой и просто раскрывается в нужный момент при поддержки специальной пружинки.

— Какая полезная нагрузка будет на борту?
— Первый демонстратор с парусом состоящими из шести треугольных секторов, любой из которых площадью в 20 метров и весом в 775 грамм, с общим весом конструкции в 5.5 кг, мы готовы запустить уже сквозь два года, на нем можно будет разместить до килограмма полезной нагрузки – камеры, магнитометры. Пока надо продемонстрировать технологию. После этого на вытекающем, более тяжелом аппарате (30 кг) с площадью паруса 4000 кв. метров, мы уже сможем полететь к астероиду.

Если в парусах использовать графен, можно выдерживать немало высокие температуры, значит – приближаться ближе к Солнцу и достигать более высоких скоростей до 20-25 а.е. в год.

— Будут ли на аппарате отдельные солнечные батареи?
— Их мы будем наносить на солнечные ветрила. Если мы используем солнечную энергию, то сможем отлетать от Солнца на 2 а.е. Если летим дальше, нужны радиоизотопные РИТЭГи.

— Итак, вы нагнали межзвездный астероид. Какую науку вы там сможете сделать?
— Сможем сделать спектроскопию поверхности. Можем выпустить небольшой пенетратор, «пулю», какой долбанем по астероиду и посмотрим, структуру и спектр вылетевших осколков. Мы можем пролететь мимо и сделать фотографии с пролетной траектории. А можем использовать ионные двигатели, снизить скорость и учить его, летя рядом. Можем и осуществить сборку двух аппаратов в полете, получив аппарат большей массы и более размашистыми возможностями для дальних полетов с более широким списком инструментов.

— И в принципе возможна доставка образцов на Землю?
— Да, и это вероятно, при наличии малых ионных двигателей на борту. Такие варианты тоже обсуждается, как возможная цель на ближайшее будущее.

— Какова образцовая стоимость демонстратора?

— Сейчас мы создаем государственно-частное партнерство между NASA и филантропическими организациями, которое позволит нам создать серию демонстраторов. Стоимость первого – порядка $10 млн. С запуском и сопровождением – порядка $15 млн.

The Planetary Society/Samueli School of Engineering and Applied Science

— Что тогда тут будет от NASA?
— Размышляю, многое будет от NASA, сейчас наша задача – убедить научно-техническое сообщество в технологической готовности и реализуемости нашего решения. В нашем проекте участвуют несколько коммерческих компаний, какие уже продемонстрировали большинство необходимых инженерных решений, теперь наша цель – показать все это в ходе реального полета.

Космический райдшеринг

— По сути вы обнаруживаете новую возможность исследовать Солнечную систему не с помощью больших дорогих миссий, а с помощью дешевых кубсатов, запускаемых попутной нагрузкой на ракетах. Вам значительно, на чьих и каких ракетах?

— Лететь можем на чем угодно – на Falcon, на «Союзе», на Ariane-5. Куда летит ракета, почти не значительно, чем дальше от Земли, тем лучше. Как только в мире начнет развиваться лунная тематика, таких запусков будет больше. Подлинно, с помощью солнечного паруса у нас появляется возможность исследовать Солнечную систему.

— И гораздо быстрее!
— Да. Ведь сколько раз мы летали к Плутону, Сатурну? Условно раз в никогда. Весьма высоки риски, мы очень долго создаем аппараты, потом аппарат летит еще десять лет. За это время студенты университетов становятся сивеющими профессорами, и им это становится не интересно.

Нужно эту модель взломать, поскольку вся эта медлительность завязана на химические двигатели. Если мы взломаем эту годами устоявшуюся систему, то с ребятами на университетской скамье мы сможем пробежать вокруг гейзеров на Энцеладе, изучить их с помощью датчиков астробиологии, и так далее…

Самая главная задача – обратить внимание на то, что солнечные ветрила стали реальностью для достижения больших скоростей. Это первый шаг, после которого пессимизм и инерция начнет ломаться. Мы просчитывали всевозможные ядерные двигатели – вся эта технология возникнет еще не скоро. Это все крепко, требует многомиллиардных затрат, и еще 20 лет создания. Но сейчас ничего этого нет, а есть медленные химические двигатели и быстрый солнечный ветрило, который нужно запускать, чтобы у людей возникла возможность исследования дальних уголков Солнечной системы, а в перспективе показалась возможность самим отправиться в межзвездное путешествие.

The Planetary Society/Samueli School of Engineering and Applied Science Rambler-почта Mail.ru Yandex Gmail Послать письмо Скопировать ссылку

Источник