Новые технологии освоения космоса

Тем не менее, «Хаябуса» из-за многочисленных поломок доставила ученым считанные пылинки. НАСА же ставит перед собой гораздо более амбициозную цель – добычу до двух килограммов астероидного вещества. Для этого OSIRIS-REx оборудован двумя устройствами: системой захвата реголита (механизм называется TAGSAM, Touch-And-Go-Sample) и капсулой для хранения и возврата образца (просто SRC, Sample Return Capsule).


Механизм отбора проб состоит из роботизированной «руки-манипулятора» и установленной на ней рабочей головки с контейнером. Вступать в контакт с астероидом будет только эта головка. Реголит под ней будет приподнят струей азота под высоким давлением, а мелкозернистый материал будет захвачен контактными площадками. Система включает три баллона азота и рассчитана на проведение трех маневров по захвату реголита, во время каждого из которых она способна захватить до 150 г до 2 кг вещества. Во время захвата все двигатели космического аппарата будут отключены, чтобы избежать заражения образцов топливными компонентами.

Капсула для хранения образцов и доставки на Землю является достаточно сложным механизмом. За ее основу взята конструкция капсулы космического аппарата Stardust. Диаметр капсулы составляет 81 см, высота – 50 см. Она оборудована теплозащитным экраном из материала PICA и парашютной системой для торможения в атмосфере Земли. Тормозной парашют, который раскроется на высоте 31 км, снизит скорость капсулы до 1,4 Маха. С высоты 3 км аппарат перейдет на основной парашют диаметром 8,2 м. Капсула должна совершить посадку в пустыне Юта в зоне размерами 20x80 км.

Пусковое окно для полета с Земли к Бенну появляется каждые шесть лет. Баллистические условия требуют того, чтобы в 2016 года старт состоялся в сентябре или октябре в течение 39 суток. Полет OSIRIS-REx будет разбит на семь фаз: запуск, гравитационный маневр у Земли, перелет к Бенну, сближение и выход на орбиту, снижение для захвата реголита, операции в неподвижном состоянии у поверхности и, наконец, возврат к Земле.


Для запуска аппарата используется ракета-носитель «Атлас 5» в редкой модификации 411 с одним боковым ускорителем и однодвигательным разгонным блоком «Центавр». В первые четыре недели полета будет проводиться проверка работоспособности систем зонда, это же время может быть использовано для первой коррекции траектории.

В январе 2017 года OSIRIS-REx начнет маневрирование, целью которого будет обеспечение пролета на запланированном расстоянии у Земли во второй половине года. Эта операция увеличит скорость космического аппарата относительно Солнца на 520 м/с.


Начало фазы сближения запланировано на август 2018 года, когда до Бенну будет оставаться около 2 млн км. В этом время астероид должен быть обнаружен на камере дальнего обзора PolyCam. Серия включений маршевых двигателей затормозит зонд, обеспечив скорость пролета около астероида в 0,2 м/с. Формальное прибытие OSIRIS-REx к Бенну должно состояться 18 ноября 2018 года, спустя более чем два года после старта. В этот день расстояние между ним и центром астероида составит 5 км. На таком расстоянии зонд пробудет долгое время.

Первые 20 суток он будет проводить первоначальную съемку и изучать топографию астероида. На следующем этапе работы, который продлится около двух месяцев, ученые предварительно выберут не менее 12 мест на поверхности астероида, подходящих для отбора пробы. После этого высота полета OSIRIS-REx будет уменьшена до приблизительно 730 м (1 км от центра астероида). Спутник будет помещен на полярную орбиту, близкую к терминатору, т. е. границе дня и ночи. Время работы научных инструментов составит 11 часов в сутки.

В первый месяц работы на километровой орбите будет проведена съемка поверхности и сбор данных в высоком разрешении, затем, еще в течение двух месяцев работы, ученые завершат сбор информации о возможных местах посадки. 98 суток уйдет на детальный обзор четырех мест и выбор одного из них. У разработчиков космического аппарата есть несколько требований к посадочной площадке. В частности, высота Солнца в утренние часы не может быть меньше пяти градусов, чтобы обеспечить достаточное освещение (операция отбора будет проводиться утром, чтобы избежать перегрева аппарата от нагретой Солнцем поверхности). Также имеет значение расположение площадки относительно Солнца и Земли. Оно не должно препятствовать постоянной связи с Землей во время критических этапов работы.


Отбор образцов грунта может занять от 42 до 277 суток, в зависимости от возможных технических и других сложностей. Перед отбором специалисты планируют провести две «репетиции» всех операций без касания инструментами аппарата поверхности – на расстоянии 125 и 55 м от нее (Checkpoint Burn и Matchpoint Burn). Цель операций – проверка работы систем связи и систем ориентации и стабилизации космического аппарата в заданной точке.

С 13 декабря 2019 до 7 апреля 2020 года Бенну будет находиться на расстоянии менее 1,15 а. е. от Солнца. В этот период поверхность астероида будет слишком горячей. Согласно предварительному расписанию, отбор проб запланирован на июль 2020 года. После отбора проб космический аппарат войдет в фазу ожидания стартового окна для возвращения на Землю. В этот период – а он может занять до 499 суток – не планируется никаких операций, однако предполагается, что, в случае необходимости, OSIRIS-REx можно будет вернуть на обзорную орбиту для продолжения научных наблюдений.


Отлет с астероида запланирован на 3 марта 2021 года. Существуют две дополнительные возможности возврата: 3 января 2020 года, если основную работу удастся завершить раньше срока, или 10 апреля 2020 года, если при выполнении операций возникнут непредвиденные сложности.

Маршевая двигательная установка позволит космическому аппарату увеличить скорость на 328 м/с и выйти на траекторию возвращения на Землю. Дорога до нашей планеты займет 2,5 года. Согласно базовому расписанию, возвращаемая капсула совершит посадку 24 сентября 2023 года.

Космический аппарат OSIRIS-REx был разработан по заказу НАСА компанией Lockheed Martin. За его основу взята платформа, подтвердившая свою надежность в двух марсианских миссиях: MRO (аппарат запущен в 2005 году, на орбите Марса с 2006 г.) и MAVEN (2013/2014 г).


Космический аппарат в сложенной конфигурации имеет длину и ширину 2,4 и высоту 3,15 м. Его сухая масса составляет 850 кг, в заправленном виде она достигает 1955 кг.

Двигательная система OSIRIS-REx состоит из 28 двигателей на однокомпонентном топливе, объединенных в четырех блока с разной тягой. Все они питаются из центрального топливного бака цилиндрической формы диаметром 124 см и высотой 150 см. В качестве топлива двигатели используют гидразин (N2H2), разлагающийся при прохождении через нагретый катализатор и создающий при этом газ высокого давления, выпускаемый через сопло. В бак вмещается до 1300 л топлива, что соответствует 1245 кг гидразина.

Блок из четырех двигателей большой тяги MR-107S компании Aerojet Rocketdyne используется в качестве маршевой двигательной установки для коррекции траектории, торможения и разгона космического аппарата. Номинальная тяга этих двигателей составляет 275 Н, они могут дросселироваться от 85 до 360 Н. С использованием дополнительно двух двигателей меньшей тяги маршевая установка может создать тягу до 1100 Н для проведения высокоэнергетических маневров, в частности – отлета с астероида.

Шесть двигателей MR-106L тягой 22 Н (10-34 Н) используются для управления ориентацией аппарата по осям тангажа и рысканья во время работы маршевой установки, а также для проведения аккуратных маневров. Два двигателя этого блока будут использованы для набора скорости при отлете с Бенну.

Для управления высотой полета над астероидом и разгрузки маховиков будет использован блок из 16 двигателей малой тяги MR-111C (номинальная тяга – 4,5 Н).

Наконец, для точного «причаливания» к астероиду в нужной точке будут использованы два сверхслабых двигателя LTR тягой 0,08 Н.


Система электроснабжения зонда состоит из двух солнечных панелей активной площадью 8,5 кв. м каждая. В зависимости от расстояния до Солнца они будут давать от 1,226 до 3 кВт энергии. Панели зафиксированы и не будут самостоятельно ориентироваться на Солнце во время перелета. Поддерживать необходимую ориентацию должен будет сам космический аппарат. Для хранения энергии он оборудован двумя литиево-ионными аккумуляторными батареями емкостью 30 Ампер-час.


Система контроля высоты и ориентации состоит из традиционных элементов: двух звездных датчиков, двух инерционных измерительных блоков, солнечных датчиков и маховиков. Точное расстояние до поверхности астероида будет определяться при помощи лидара разрешением 128x128 точек, работающего с частотой 30 кадров в секунду, и инфракрасной системы из трех широкоугольных камер TAGCAMS. Эти камеры чувствительны к свету с длиной волны от 1064 до 1570 нм и экранированы для работы в условиях повышенной радиации. Две камеры будут снимать поверхность астероида и звездное небо на заднем плане для контроля траектории аппарата, третья – процесс выгрузки отобранных образцов из манипулятора в капсулу.

Система, отвечающая за связь OSIRIS-REx с Землей, почти полностью идентична аналогичной системе автоматической межпланетной станции MAVEN. Она состоит из большой направленной антенны с большим усилением X- и Ka- диапазона, одной средненаправленной антенны и пары антенн широкого обзора. Высоконаправленная антенна будет основным инструментом для отправки больших объемов научных данных. Скорость передачи данных по ней может достигать 914 кбит/с.

Поскольку большая антенна требует точной ориентации на Землю, для текущего управления космическим аппаратом и передачи телеметрической информации может быть использована средняя антенна, установленная на поворачивающемся кронштейне. Она же будет использована для связи с зондом во время критических операций отбора проб.

Малые антенны предназначены для обеспечения связи в те периоды, когда большая и средняя антенны не могут быть направлены на Землю – например, во время маневров, требующих точной ориентации космического аппарата.

Как отмечает пресс-служба вуза, запуск наноспутников на орбиту сейчас производится в качестве дополнительной нагрузки к обычным спутникам, либо в рамках групповых пусков с использованием конверсионных носителей — переделанных межконтинентальных баллистических ракет. При выводе на околоземные орбиты основной полезной нагрузки в переходном отсеке верхней ступени РН "Союз" остаются свободные объемы, в которых можно разместить наноспутники общей массой до 20-30 кг. Кроме того, при запуске ресурс бортового электропитания ракеты-носителя вырабатывается не полностью, что дает принципиальную возможность дополнительно использовать оставшуюся энергию для обеспечения запуска наноспутников.

По информации вуза, одной из проблем в реализации этого проекта является то, что после выведения основной полезной нагрузки орбитальная ступень переходит в режим неконтролируемого движения. Направление отделения наноспутников при этом является случайным. "Важно рассчитать и выбрать такую программу отделения кубсатов, которая обеспечит их безопасное движение относительно друг друга и ступени ракеты, а также не позволит наноспутникам "разлететься" слишком далеко друг от друга, что важно для формирования начальных условий движения при групповом полете", — сообщается в релизе.

Ученые Самарского университета в 2016 году планируют разработать общую методику нахождения параметров отделения каждого наноспутника, которые обеспечат их дальнейшее безопасное движение, а также программу отделения для группировки из двух наноспутников. В следующем году запланировано выполнение имитационного моделирования отделения группы наноспутников от переходного отсека орбитальной ступени ракеты "Союз".

В октябре 2014 г. появилась неофициальная информация о том, что проектная масса перспективного космического корабля с кислородно-водородным разгонным блоком, который сможет совершить полет на орбиту Луны, составит 90 тонн. Грузоподъемность сверхтяжелой ракеты первого этапа должна быть не меньше, поскольку запуск на орбиту этой связки является ее основной задачей. С другой стороны, в последних предложениях по перспективным пилотируемым программам фигурируют миссии с использованием т. н. «многопусковой» схемы, т. е. выводящиеся в космос несколькими ракетами тяжелого класса «Ангара-А5» или, как для высадки на Луну, 1-2 ракетами грузоподъемностью 90 тонн. Носитель второго этапа грузоподъемностью более 120-130 тонн остается за горизонтом планирования. В связи с тем, что ключевая роль в будущей программе полетов к Луне, несомненно, достанется РКК «Энергия», можно предположить, что проект этой компании и будет принят за основу будущего носителя сверхтяжелого класса. В этом случае от второго этапа развития ракеты Роскосмос может отказаться – в конец концов, Федеральная космическая программа до 2025 года не предполагает завершения работ даже над 90-тонной ракетой.

23 октября Роскосмос выразил сомнения в том, насколько необходимо создание сверхтяжелой ракеты повышенной грузоподъемности. Начальник управления средств выведения и наземной инфраструктуры российского космического агентства Андрей Мазурин заявил в комментарии ТАСС: «Что касается носителя (грузоподъемностью) до 160 тонн, проработки начаты. Нужны технические предложения, в частности, облик, нужна глубина проработки, которая позволит экономически оценить этот проект и понять, нужен ли он вообще».

В комментарии газете «Известия» бывший директор РКК «Энергия» В. Лопота опроверг предположение о том, что Роскосмос склонен выбрать предложение корпорации по сверхтяжелой ракете-носителю. «Наши предложения не были услышаны», – заявил он. Согласно последнему и далеко не первому заявлению главы Роскосмоса Олега Остапенко, окончательный вариант проекта сверхтяжелой ракеты будет выбран до конца 2014 года.

12 декабря 2014 года глава РКЦ «Прогресс» Александр Кирилин признался, что его предприятие 15 декабря представит в Роскосмос аванпроект сверхтяжелого носителя грузоподъемностью до 90 тонн. По некоторым сведениям, именно РКЦ «Прогресс» может стать головным предприятием в проекте разработки сверхтяжелого носителя. 22 декабря замглавы ГКНПЦ им. Хруничева Александр Медведев в интервью «Российской газете» сказал, что его предприятие решило объединить усилия с РКЦ «Прогресс» в проекте сверхтяжелого носителя. Существуют также слухи, что ГКНПЦ займется разработкой разгонного блока. Проекты же самарского предприятия приведены выше.

15 декабря глава Роскосмоса Олег Остапенко пообещал определиться с обликом сверхтяжелой ракеты в январе 2015-го. Аналогичные (за исключением срока) заявления от него неоднократно появлялись начиная со второго месяца его работы на этом посту.

По состоянию на середину января, посвященный сверхтяжелой ракете научно-технический совет Роскосмоса планируется на 28.01.2015. Руководство отрасли рассмотрит варианты сверхтяжелого носителя, предложенные предприятиями отрасли и прошедшие экспертизу в ЦНИИМаше. Известно о двух концепциях носителя. РКК «Энергия» изменила свое предложение, отказавшись от полной модульности в пользу центрального водородного блока большого диаметра. Таким образом, речь идет о повторении советской ракеты-носителя «Энергия» с грузоподъемностью 80/120 тонн. Второе предложение подготовлено РКЦ «Прогресс» совместно с ГКНПЦ им. Хруничева. Самарское предприятие продолжает эксперименты с метановыми двигателями и, одновременно, пытается получить средства на проект ракеты среднего класса «Союз-5». Для этого в проект сверхтяжелой ракеты включаются модули метанового «Союза» в качестве боковых ускорителей. РКЦ «Прогресс» обещает грузподъемность сверхтяжелой ракеты от 80 или 90 тонн на первом этапе до 130 на втором.

После внезапной реформы Роскосмоса и начавшегося пересмотра всех планов вероятность включения сверхтяжелого носителя в новую Федеральную космическую программу стала очень и очень мала. 12 марта Научно-технический совет Роскосмоса рекомендовал не заниматься проектированием сверхтяжелой ракеты как минимум до 2020 года.

Заступив в свой первый президентский срок в 2010 году, Барак Обама закрыл программу ]исследования и освоения Луны «Созвездие», предложив взамен новый план – высадку на Марс в 2030-х с предварительным полетом к астероиду в 2020-х годах. Постепенно в планах НАСА полноценный полет к околоземному астероиду упрощался, пока не превратился в миссию ARM. Независимые эксперты регулярно подвергают ее критике. Первоначально подразумевавшийся полет к астероиду требовал разработки межпланетного перелетного комплекса. Для организации полуторагодовой экспедиции к околоземному астероиду необходимо создать технологии длительного поддержания жизни в дальнем космосе. Всё это потребуется и при планировании марсианской экспедиции. С другой стороны, простой полет на орбиту Луны на корабле «Орион» лишь повторяет миссии полувековой давности и никак не приближает людей к Марсу. Электрореактивный буксир, который НАСА намерено использовать для доставки астероида на орбиту Луны, тоже не является абсолютно необходимым в марсианской миссии.

«У Конгресса есть ощущение, что технологические и научные цели миссии ARM в ее автоматической части могут не соответствовать ее стоимости». – говорится в законопроекте. Альтернативные миссии «могут предложить существенно более высокую технологическую отдачу, приближающую полет к Марсу, за более низкую стоимость». Законодатели требуют от НАСА в шестимесячный срок изучить и проанализировать иные концепции основной миссии 2020-х годов, чтобы их можно было сравнить по критериям эффективности с миссией ARM.

Важно отметить, что это требование не означает вероятного отказа от текущих планов НАСА. Американское космическое агентство в прошлом уже успело продемонстрировать несгибаемое упрямство в отстаивании своих намерений. С другой стороны, влияние парламента на НАСА нельзя недооценивать. В последние годы он форсировал работу по миссии «Европа-Клипер» и инициировал разработку дополнительного обитаемого модуля для корабля «Орион».

Второе требование американских законодателей касается низкоорбитальной пилотируемой программы. Как известно, после окончания программы МКС НАСА планирует передать инициативу по работе на низкой орбите Земли частным компаниям. Космическое же агентство станет просто покупателем их услуг наравне с другими, частными клиентами. Конгресс требует представить четкий план этого перехода. НАСА также должно изучить возможность продления срока эксплуатации МКС до 2028 года.

ЕТРИС создавалась в рамках федеральной космической программы 2006-2015 годов и стала общефедеральным проектом по интеграции в единое геоинформационное пространство всех информационных ресурсов ДЗЗ на территории страны, объединив унифицированными техническими стандартами всю наземную инфраструктуру, обеспечивающую прием информации, ее обработку и передачу потребителям.

"Развертывание ЕТРИС ДЗЗ, в отличие от применяемой прежде однопунктной схемы передачи на Землю информации ДЗЗ, позволит наиболее эффективно использовать возможности российских космических аппаратов высокодетального наблюдения. Новая система обеспечит своевременную разгрузку их бортовой памяти путем сброса данных ДЗЗ на большинстве суточных витков. Это позволит в несколько раз увеличить площадь наблюдаемой поверхности Земли, суточные объемы получаемых данных и оперативность доставки информации потребителям", – отмечается в сообщении РКС.

В рамках ЕТРИС создан генеральный каталог хранимых данных ДЗЗ, который объединил все существующие российские архивы космической съемки, что повышает интерес как отечественных, так и зарубежных потребителей к российским геоинформационным услугам.

ЕТРИС также поможет российским разработчикам унифицировать оборудование, сделав создание новых отечественных средств ДЗЗ более гибким и экономически эффективным. Предполагается, что уже с 2016 года предприятия Госкорпорации "Роскосмос" перейдут от разработки наземных комплексов под каждый новый космический аппарат к разработке только недостающих для него элементов уже действующей наземной инфраструктуры.

ЕТРИС состоит из 13 крупных центров, которые расположены на всей территории России – от Калининграда до Хабаровска, включая арктическую зону (Мурманск, а в перспективе – Дудинка и Анадырь). Новая система координирует их работу с отечественными космическими аппаратами ДЗЗ. Она позволит планировать съемку, получать и обрабатывать информацию с космических https://sxn.io/cat/images/none.gifаппаратов комплексно и без привлечения дополнительных ресурсов.

Технические и программные средства ЕТРИС ДЗЗ разработаны АО "Научно-исследовательский институт точных приборов" (НИИ ТП, входит в холдинг "Российские космические системы"). Архитектура системы открыта для возможностей применения инновационных технологий работы с информацией ДЗЗ из космоса, установки нового программного обеспечения и расширения номенклатуры технических средств, позволяющих сократить время обработки данных.