Японский зонд "Хаябуса": исследование и доставка образцов с астероида Итокава.

Введение

Японский зонд для исследования астероида и возвращения образцов (2003–2010)

Кроме того, «Хайабуса» был первым космическим аппаратом, разработанным для намеренной посадки на астероид и последующего взлёта с него (NEAR Shoemaker совершил управляемый спуск на поверхность астероида 433 Эрос в 2000 году, но не был спроектирован как посадочный модуль и был окончательно выведен из строя после прибытия). Строго говоря, «Хайабуса» не была предназначена для "посадки"; она лишь касалась поверхности своим устройством для захвата образцов, а затем отходила. Однако это был первый аппарат, разработанный изначально для физического контакта с поверхностью астероида. Джуничиро Кавагути из Института космических и астронавтических наук был назначен руководителем миссии. Несмотря на первоначальное намерение разработчиков обеспечить лишь кратковременный контакт, «Хайабуса» совершила посадку и оставалась на поверхности астероида около 30 минут (см. ниже).

Мини-ландер MINERVA

На борту "Хаябусы" находился крошечный мини-посадочный модуль (весом всего 3,8 кг и размерами примерно 5 см в высоту и в диаметре) под названием "MINERVA" (сокращение от MIcro Nano Experimental Robot Vehicle for the Asteroid). Ошибка при развертывании привела к его выходу из строя. Этот аппарат, работающий на солнечной энергии, был разработан для использования очень низкой гравитации Итокава, применяя внутренний маховик для перемещения прыжками по поверхности астероида и передавая изображения с камер на "Хаябусу" при взаимной видимости. "MINERVA" был развернут 12 ноября 2005 года. Команда на выпуск модуля была отправлена с Земли, но прежде чем она достигла "Хаябусы", её высотомер зафиксировал расстояние до Итокава, равное [укажите расстояние], и автоматически начал процедуру поддержания высоты. В результате, когда команда на выпуск "MINERVA" поступила, модуль был выпущен во время подъема зонда и на большей, чем планировалось, высоте, что привело к его отрыву от гравитационного поля Итокава и падению в космос. В случае успеха, "MINERVA" стал бы первым космическим аппаратом, передвигающимся прыжками по поверхности. Советская миссия "Фобос-2" также столкнулась с неисправностью при попытке развернуть скачущий ровер.

Научное и инженерное значение миссии

Знание об астероидах у ученых во многом опирается на образцы метеоритов, однако очень сложно установить связь между образцами метеоритов и конкретными астероидами, из которых они происходят. "Хайабуса" поможет решить эту проблему, доставив нетронутые образцы с конкретного, хорошо изученного астероида. "Хайабуса" восполнила пробел между данными наземных наблюдений астероидов и лабораторным анализом метеоритов и космической пыли. Кроме того, сравнение данных с бортовых приборов "Хайабуса" и данных миссии NEAR Shoemaker позволит расширить наши знания. Миссия "Хайабуса" также имеет большое инженерное значение для JAXA. Она позволила JAXA дополнительно испытать свои технологии в таких областях, как ионные двигатели, автономная и оптическая навигация, связь в дальнем космосе и маневрирование вблизи объектов с низкой гравитацией, и не только. Во-вторых, поскольку это был первый заранее запланированный мягкий контакт с поверхностью астероида (посадка NEAR Shoemaker на 433 Eros не была запланированной), это оказало огромное влияние на последующие миссии к астероидам.

Изменения в плане миссии

Профиль миссии "Хаябуса" несколько раз изменялся, как до, так и после запуска. Первоначально космический аппарат планировалось запустить в июле 2002 года к астероиду 4660 Nereus (астероид (10302) 1989 ML рассматривался как альтернативная цель). Однако сбой японской ракеты M 5 в июле 2000 года вынудил отложить запуск, сделав Nereus и 1989 ML недостижимыми. В результате целью астероида был выбран , который вскоре после этого был назван в честь японского пионера ракетной техники Хидео Итокава. Предполагалось, что "Хаябуса" развернет небольшой ровер, поставленный NASA и разработанный JPL, под названием Muses CN, на поверхности астероида, но NASA отменил программу ровера в ноябре 2000 года из-за бюджетных ограничений. В 2002 году запуск был перенесен с декабря 2002 года на май 2003 года для повторной проверки уплотнительных колец системы управления ориентацией, поскольку было обнаружено, что одно из них изготовлено из материала, не соответствующего спецификации. В 2003 году, когда "Хаябуса" находилась в пути к Итокаве, самая мощная за всю историю наблюдений солнечная вспышка повредила солнечные батареи на борту космического аппарата. Это снижение электрической мощности уменьшило эффективность ионных двигателей, что привело к переносу прибытия к Итокаве с июня на сентябрь 2005 года. Поскольку орбитальная механика требовала, чтобы космический аппарат покинул астероид к ноябрю 2005 года, время пребывания на Итокаве было значительно сокращено, а количество посадок на астероид уменьшилось с трех до двух. В 2005 году два реактивных колеса, управляющих ориентацией "Хаябусы", вышли из строя: колесо по оси X – 31 июля, а колесо по оси Y – 2 октября. После второй поломки космический аппарат все еще мог осуществлять развороты по осям X и Y с помощью двигателей. JAXA заявило, что поскольку глобальная картография Итокавы была завершена, это не является серьезной проблемой, но план миссии был скорректирован. Неисправные реактивные колеса были изготовлены компанией Ithaco Space Systems, Inc., Нью-Йорк, которая впоследствии была приобретена компанией Goodrich. "Репетиция" посадки на Итокаву 4 ноября 2005 года не удалась и была перенесена. Первоначальное решение взять образцы в двух разных точках астероида было изменено, поскольку одна из точек, пустыня Вумера, оказалась слишком каменистой для безопасной посадки. Запуск мини-зондов MINERVA 12 ноября 2005 года завершился неудачей.

The Hayabusa mission profile was modified several times, both before and after launch. The spacecraft was originally intended to launch in July 2002 to the asteroid 4660 Nereus (the asteroid (10302) 1989 ML was considered as an alternative target). However, a July 2000 failure of Japan's M 5 rocket forced a delay in the launch, putting both Nereus and 1989 ML out of reach. As a result, the target asteroid was changed to , which was soon thereafter named for Japanese rocket pioneer Hideo Itokawa. Hayabusa was to deploy a small rover supplied by NASA and developed by JPL, called Muses CN, onto the surface of the asteroid, but the rover was canceled by NASA in November 2000 due to budget constraints. In 2002, launch was postponed from December 2002 to May 2003 to recheck the O rings of its reaction control system since one of them had been found to be using a different material than specified. In 2003, while Hayabusa was en route to Itokawa, the largest solar flare recorded in history damaged the solar cells aboard the spacecraft. This reduction in electrical power reduced the efficiency of the ion engines, thus delaying the arrival at Itokawa from June to September 2005. Since orbital mechanics dictated that the spacecraft still had to leave the asteroid by November 2005, the amount of time it was able to spend at Itokawa was greatly reduced and the number of landings on the asteroid was reduced from three to two. In 2005, two reaction wheels that govern the attitude movement of Hayabusa failed; the X axis wheel failed on 31 July, and the Y axis on 2 October. After the latter failure, the spacecraft was still able to turn on its X and Y axes with its thrusters. JAXA claimed that since global mapping of Itokawa had been completed, this was not a major problem, but the mission plan was altered. The failed reaction wheels were manufactured by Ithaco Space Systems, Inc, New York, which was later acquired by Goodrich Company. The 4 November 2005, 'rehearsal' landing on Itokawa failed, and was rescheduled. The original decision to sample two different sites on the asteroid was changed when one of the sites, Woomera Desert, was found to be too rocky for a safe landing. The 12 November 2005, release of the MINERVA miniprobe ended in failure.

До старта

Миссия по исследованию астероидов Институтом космических и астронавтических наук (ISAS) возникла в 1986–1987 годах, когда ученые исследовали осуществимость миссии по возврату образцов с астероида Антерос и пришли к выводу, что технология еще не была разработана. В период с 1987 по 1994 год совместная группа ISAS / NASA изучала несколько миссий: миссия сближения с астероидом, впоследствии ставшая NEAR, и миссия возвращения образцов кометы, впоследствии ставшая Stardust. В 1995 году ISAS выбрала возвращение образцов астероидов в качестве инженерной демонстрационной миссии MUSES C, и проект MUSES C стартовал в 1996 финансовом году. Астероид Нереус был первым приоритетным выбором цели, а 1989 ML – вторым. На ранней стадии разработки Нереус был признан недостижимым, и 1989 ML стал основной целью. Неудача запуска ракеты-носителя M V в июле 2000 года вынудила перенести запуск MUSES C с июля 2002 года на ноябрь/декабрь, что сделало как Нереус, так и 1989 ML недоступными. В результате целью астероида был выбран Итокава. В 2002 году запуск был отложен с декабря 2002 года на май 2003 года для повторной проверки уплотнительных колец системы управления реакцией, поскольку было обнаружено, что одно из них изготовлено из материала, не соответствующего спецификации. В октябре 2003 года ISAS и два других национальных аэрокосмических агентства Японии были объединены в JAXA. 31 марта 2004 года работа ионного двигателя была остановлена для подготовки к гравитационному маневру у Земли. Последняя маневровая операция перед маневром 12 мая. 19 мая "Хайабуса" совершила гравитационный маневр у Земли. 27 мая работа ионного двигателя была возобновлена. 18 февраля 2005 года "Хайабуса" прошла афелий на расстоянии 1,7 а.е. 31 июля вышедшее из строя реакционное колесо по оси X. 14 августа было опубликовано первое изображение Итокава, полученное "Хайабуса". На снимке, сделанном звездным трекером, видна светлая точка, предположительно астероид, движущаяся на фоне звездного неба. Другие снимки были сделаны с 22 по 24 августа. 28 августа "Хайабуса" переключилась с ионных двигателей на жидкостные двигатели для орбитальных маневров. С 4 сентября камеры "Хайабусы" смогли подтвердить удлиненную форму Итокава. С 11 сентября на астероиде были различимы отдельные холмы. 12 сентября "Хайабуса" вышла на орбиту вокруг Итокава, и ученые JAXA объявили об официальном "прибытии" "Хайабусы".

The asteroid exploration mission by the Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) originated in 1986–1987 when the scientists investigated the feasibility of a sample return mission to Anteros and concluded that the technology was not yet developed. Between 1987 and 1994, joint ISAS / NASA group studied several missions: an asteroid rendezvous mission later became NEAR, and a comet sample return mission later became Stardust. In 1995, ISAS selected asteroid sample return as an engineering demonstration mission, MUSES C, and the MUSES C project started in fiscal year 1996. Asteroid Nereus was the first choice of target, 1989 ML was the secondary choice. In early development phase, Nereus was considered out of reach and 1989 ML became the primary target. A launch failure of M V in July 2000 forced MUSES C's launch to be delayed from July 2002 to November/December, putting both Nereus and 1989 ML out of reach. As a result, the target asteroid was changed to In 2002, launch was postponed from December 2002 to May 2003 to recheck O rings of reaction control system since one of it was found using different material than specified. In October 2003, ISAS and two other national aerospace agencies in Japan were merged to form JAXA. On 31 March 2004, ion thruster operation was stopped to prepare for the Earth swing by. Last maneuver operation before swing by on 12 May. On 19 May, Hayabusa performed Earth swing by. On 27 May, ion thruster operation was started again. On 18 February 2005, Hayabusa passed aphelion at 1.7 AU. On 31 July, the X axis reaction wheel failed. On 14 August, Hayabusa's first image of Itokawa was released. The picture was taken by the star tracker and shows a point of light, believed to be the asteroid, moving across the starfield. Other images were taken from 22 to 24 August. On 28 August, Hayabusa was switched over from the ion engines to the bi propellant thrusters for orbital maneuvering. From 4 September, Hayabusa's cameras were able to confirm Itokawa's elongated shape. From 11 September, individual hills were discerned on the asteroid. On 12 September, Hayabusa was from Itokawa and JAXA scientists announced that Hayabusa had officially "arrived".

Вблизи Итокава

15 сентября 2005 года было опубликовано "цветное" изображение астероида (которое, однако, имеет серую окраску). 4 октября JAXA объявила об успешном перемещении космического аппарата в "домашнюю позицию" на расстоянии 7 км от Итокава. Были обнародованы снимки высокого разрешения. Также было объявлено о выходе из строя второго колеса реакции, управляющего осью Y, и о том, что ориентация аппарата теперь осуществляется с помощью вращательных двигателей. 3 ноября "Хаябуса" заняла позицию в 3,0 км от Итокава. Затем начался спуск, который планировалось осуществить с доставкой маркерного маяка и выпуском мини-лендера "Минерва". Первоначально спуск проходил успешно, и были получены навигационные изображения с широкоугольных камер. Однако 4 ноября в 01:50 UTC (10:50 по японскому времени) было объявлено об отмене спуска, включая выпуск "Минервы" и маркерного маяка, из-за обнаружения аномального сигнала при принятии решения о продолжении/прекращении операции. Руководитель проекта, Джуничиро Кавагути, объяснил, что оптическая навигационная система испытывает трудности с отслеживанием астероида, вероятно, из-за сложной формы Итокава. Для оценки ситуации и переноса сроков потребовалось несколько дней. 7 ноября "Хаябуса" находилась в 7,5 км от Итокава. 9 ноября "Хаябуса" совершила спуск на высоту 70 м для тестирования навигации при посадке и лазерного высотомера. После этого "Хаябуса" поднялась на большую высоту, затем снова опустилась на 500 м и выпустила один из маркерных маяков в космос для проверки способности аппарата отслеживать его (это было подтверждено). Анализ снимков высокого разрешения показал, что район пустыни Вумера (точка B) слишком каменист для посадки. В качестве места посадки, как для первой, так и, по возможности, для второй посадки, был выбран район Море Муз (точка A). 12 ноября "Хаябуса" приблизилась к поверхности астероида на расстояние 55 м. "Минерва" была выпущена, но из-за ошибки не достигла поверхности. 19 ноября "Хаябуса" совершила посадку на астероид. Во время и после маневра возникла значительная путаница относительно того, что именно произошло, поскольку высокочастотная антенна зонда не могла быть использована на заключительном этапе посадки, а также из-за потери сигнала при передаче антенны наземной станции от DSN к станции Usuda. Первоначально сообщалось, что "Хаябуса" остановилась примерно в 10 метрах от поверхности, зависнув на 30 минут по неизвестным причинам. С Земли была отправлена команда на отмену посадки и взлет, и к моменту восстановления связи зонд удалился на 100 км от астероида. Зонд перешел в безопасный режим, медленно вращаясь для стабилизации ориентации. Однако после восстановления контроля и связи с зондом данные о попытке посадки были загружены и проанализированы, и 23 ноября JAXA объявила, что зонд действительно совершил посадку на поверхность астероида. К сожалению, последовательность отбора проб не была активирована, поскольку датчик обнаружил препятствие во время спуска; зонд попытался прервать посадку, но, поскольку его ориентация не позволяла осуществить взлет, был выбран безопасный режим спуска. Этот режим не предусматривал отбор проб, но существует высокая вероятность того, что часть пыли могла подняться в рог для отбора проб при касании астероида, поэтому контейнер для отбора проб, прикрепленный к рогу, был запечатан. 25 ноября была предпринята вторая попытка посадки. Первоначально считалось, что на этот раз устройство для отбора проб было активировано; однако последующий анализ показал, что это, вероятно, был еще один сбой и что гранулы не были выпущены. Из-за утечки в двигательной системе зонд был переведен в "безопасный режим ожидания". 27 ноября при попытке переориентации аппарата произошло отключение электроэнергии, вероятно, из-за утечки топлива. 30 ноября JAXA объявила о восстановлении контроля и связи с "Хаябуса", но проблема с системой управления ориентацией аппарата осталась, возможно, связанная с замерзшей трубой. Группа управления полетом работала над решением проблемы перед предстоящим стартом аппарата для возвращения на Землю. 2 декабря была предпринята попытка коррекции ориентации, но двигатель не выдал достаточной тяги. 3 декабря было установлено, что ось Z зонда отклонена от направления на Солнце на 20-30 градусов и продолжает увеличиваться. 4 декабря в качестве экстренной меры был произведен выброс ксенонового топлива из ионных двигателей для коррекции вращения, что было подтверждено. 5 декабря ориентация была скорректирована настолько, что удалось восстановить связь через антенну средней чувствительности. Была получена и проанализирована телеметрическая информация. Анализ телеметрии показал, что существует большая вероятность того, что снаряд для отбора проб не проник в поверхность при посадке 25 ноября. Из-за отключения электроэнергии данные телеметрии были повреждены. 6 декабря "Хаябуса" находилась в 550 км от Итокава. JAXA провела пресс-конференцию, посвященную текущей ситуации. 8 декабря было зафиксировано внезапное изменение ориентации, и связь с "Хаябуса" была потеряна. Предполагалось, что турбулентность была вызвана испарением 8-10 см³ утечки топлива. Это потребовало ожидания в течение месяца или двух, пока "Хаябуса" стабилизируется путем преобразования прецессии в чистое вращение, после чего ось вращения должна была быть направлена на Солнце и Землю в пределах определенного углового диапазона. Вероятность достижения этого оценивалась в 60% к декабрю 2006 года и 70% к весне 2007 года.

On 15 September 2005, a 'color' image of the asteroid was released (which is, however, grey in coloring). On 4 October, JAXA announced that the spacecraft had successfully moved to its 'Home Position' 7 km from Itokawa. Closeup pictures were released. It was also announced that the spacecraft's second reaction wheel, governing the Y axis, had failed, and that the craft was now being pointed by its rotation thrusters. On 3 November, Hayabusa took station 3.0 km from Itokawa. It then began its descent, planned to include delivery of a target marker, and release of the Minerva minilander. The descent went well initially, and navigation images with wide angle cameras were obtained. However, at 01:50 UTC (10:50 am JST) on 4 November, it was announced that due to a detection of an anomalous signal at the Go/NoGo decision, the descent, including release of Minerva and the target marker had been canceled. The project manager, Junichiro Kawaguchi, explained that the optical navigation system was not tracking the asteroid very well, probably caused by the complex shape of Itokawa. A delay of a few days was required to evaluate the situation and reschedule. On 7 November, Hayabusa was 7.5 km from Itokawa. On 9 November, Hayabusa performed a descent to 70 m to test the landing navigation and the laser altimeter. After that, Hayabusa backed off to a higher position, then descended again to 500 m and released one of the target markers into space to test the craft's ability to track it (this was confirmed). From analysis of the closeup images, the Woomera Desert site (Point B) was found to be too rocky to be suitable for landing. The Muses Sea site (Point A) was selected as the landing site, for both first and, if possible, second landings. On 12 November, Hayabusa closed in to 55 m from the asteroid's surface. MINERVA was released but due to an error failed to reach the surface. On 19 November, Hayabusa landed on the asteroid. There was considerable confusion during and after the maneuver about precisely what had happened, because the high gain antenna of the probe could not be used during final phase of touch down, as well as the blackout during handover of ground station antenna from DSN to Usuda station. It was initially reported that Hayabusa had stopped at approximately 10 meters from the surface, hovering for 30 minutes for unknown reasons. Ground control sent a command to abort and ascend, and by the time the communication was regained, the probe had moved 100 km away from the asteroid. The probe had entered into a safe mode, slowly spinning to stabilize attitude control. However, after regaining control and communication with the probe, the data from the landing attempt were downloaded and analyzed, and on 23 November, JAXA announced that the probe had indeed landed on the asteroid's surface. Unfortunately, the sampling sequence was not triggered since a sensor detected an obstacle during descent; the probe tried to abort the landing, but since its orientation was not appropriate for ascent, it chose instead a safe descent mode. This mode did not permit a sample to be taken, but there is a high probability that some dust may have whirled up into the sampling horn when it touched the asteroid, so the sample canister attached to the sampling horn was sealed. On 25 November, a second touchdown attempt was performed. It was initially thought that this time, the sampling device was activated; however, later analysis decided that this was probably another failure and that no pellets were fired. Due to a leak in the thruster system, the probe was put in a "safe hold mode". On 27 November, the probe experienced a power outage when trying to reorient the spacecraft, probably due to a fuel leakage. On 30 November, JAXA announced that control and communication with Hayabusa had been restored, but a problem remained with the craft's reaction control system, perhaps involving a frozen pipe. Mission control was working to resolve the problem before the craft's upcoming launch window for return to Earth. On 2 December, an attitude (orientation) correction was attempted, but the thruster did not generate enough force. On 3 December, the probe's Z axis was found to be 20 to 30 degrees from the Sun direction and increasing. On 4 December, as an emergency measure, xenon propellant from the ion engines was blown to correct the spin, and it was confirmed successful. On 5 December, attitude control was corrected enough to regain communication through the medium gain antenna. Telemetry was obtained and analyzed. As the result of telemetry analysis, it was found that there was a strong possibility that the sampler projectile had not penetrated when it landed on 25 November. Due to the power outage, the telemetry log data was faulty. On 6 December, Hayabusa was 550 km from Itokawa. JAXA held a press conference about the situation so far. On 8 December, a sudden orientation change was observed, and communication with Hayabusa was lost. It was thought likely that the turbulence was caused by evaporation of 8 or 10cc of leaked fuel. This forced a wait of a month or two for Hayabusa to stabilize by conversion of precession to pure rotation, after which the rotation axis needed to be directed toward the Sun and Earth within a specific angular range. The probability of achieving this was estimated at 60% by December 2006, 70% by spring 2007.