Автоматическая межпланетная станция Hayabusa


Межпланетная станция Hayabusa

Страна: Япония
Дата старта:
9 мая 2003 года 04:29:25 UTC
Ракета-носитель: M-V №5
Стартовая масса: 500 кг (сухой: 415 кг)
Космодром запуска: Космический центр Утиноура
Размеры: 1х1,6х1 м (Ширина: 5,7 м с СБ)
Мощность: 1,4 кВт (в 1 а. е. от Солнца)
Напряжение бортовой сети: 120 В
Бортовая АКБ: никель-металл-гидридная
Емкость бортовой АКБ: 15 А-ч
Сход с орбиты: 13 июня 2010 года 13:51 UTC
Длительность полета: 7 лет
Спутник: астероида Итокава
Задачи: Отработка маршевой ионной
двигательной установки, исследование
астероида Итокава и возвращение
на Землю образцов с астероида.

Hayabusa («Сокол», а до запуска - MUSES-C) - японская межпланетная станция, предназначенная для изучения астероида Итокава и успешно доставившая образцы его грунта на Землю.
Hayabusa - первый космический аппарат, доставивший на Землю образцы грунта астероида и шестой автоматический космический аппарат, доставивший внеземное вещество на Землю — после «Луны-16», «Луны-20», «Луны-24», Genesis и «Стардаст».

Стоимость проекта Muses-C оценивается в 18 млрд иен (около 150 млн $). Научным руководителем проекта является профессор Акира Фудзивара, техническим менеджером – профессор Дзюнъитиро Кавагути.
Запуск Hayabusa состоялся 9 мая 2003 г. в 13:29:25 местного времени (04:29:25 UTC) со стартового комплекса Космического центра Кагосима (Утиноура, Япония) с помощью дополнительной ступени KM-V2 твердотопливной ракеты-носителя M-5 №5.
АМС HayabusaОтделение станции было выполнено через 610 сек после запуска; еще через 1800 сек прошло раскрытие панелей солнечных батарей, а также произошло выдвижение рупора грунтозаборного устройства.
К 06:00 UTC на станции Сети дальней связи NASA под Канберрой был принят сигнал с борта: состояние станции удовлетворительное.
После успешного выхода на отлетную траекторию аппарату с техническим наименованием Muses-C по японскому обычаю было присвоено имя собственное – Hayabusa («Хаябуса»), что означает «Сокол».
Muses-C находится в одном классе экспериментальных автоматических межпланетных станций с Deep Space 1 (США) и Smart1 (Европа), однако задание для этого экспериментального аппарата было выбрано самое сложное – доставка на Землю образцов вещества астероида.
Запуск Muses-C откладывался два раза: 1 августа 2000 года из-за невозможности завершить к ранее объявленной дате доработку носителя после аварийного пуска 10 февраля 2000 г. с научным аппаратом Astro-E2 и в конце апреля 2002 г. из-за обнаружения утечки газа через клапан регулятора системы ориентации в результате разрушения кольцевого уплотнения, которое оказалось неправильного размера.
В связи с этим менялись и астериоды, с которых станции предстояло взять грунт.
По плану полета предполагалось, что в июне 2005 г. Hayabusa сблизится с астероидом 1998 SF36 (Итокава), открытым 26 сентября 1998 г. камерой LINEAR, и выйдет на орбиту вокруг него. В течение 3 месяцев станция будет летать на высоте 10–20 км, исследуя размеры, форму, режим вращения астероида, топографию поверхности, ее структуру и состав.
Затем аппарат должен был спуститься ближе к поверхности, сбросить посадочный зонд Minerva и произвести три забора образцов суммарной массой до 1 г, которые затем будут помещены в возвращаемую капсулу.
В ноябре-декабре 2005 г. станция должна была уйти от астероида и направиться к Земле, возвращение к которой планировалось в июне 2007 г.
Возвращаемая капсула должна была быть сброшена на расстоянии 300–400 тысяч км от Земли и выполнить посадку с использованием парашютной системы на полигоне Вумера (Австралия), а сама станция, пройдя мимо Земли, станет спутником Солнца...
Однако в эти планы жизнь внесла коррективы...
В состав бортовой научной аппаратуры межпланетной станции Hayabusa входят:
• камера видимого диапазона AMICA (Asteroid Multi-Band Imaging Camera) с ПЗС-матрицей в качестве средства регистрации и набором светофильтров - предназначена для картирования поверхности, колориметрии, поляриметрии, исследования физических свойств поверхности, поиска газопылевой оболочки и спутников астероида, а также для навигации;
• лидар LIDAR (Light Detection and Ranging) - по существу представляет собой инфракрасный лазерный дальномер (длина волны – 1064 нм) и используется для составления карты высот, определения формы и массы астероида;
• спектрометр ближнего ИК-диапазона NIRS (Near Infrared Spectrometer) установлен соосно с лидаром и выполняет измерения в диапазоне 0.85–2.10 мкм для определения минерального состава поверхности;
• рентгеновский флуоресцентный спектрометр XFS (Xray Fluorescence Spectrometer) регистрирует свечение поверхности в рентгеновском диапазоне и может определить количество магния, алюминия, кремния и серы в материале поверхности, а в периоды солнечных вспышек, играющих роль дополнительной «подсветки», – еще и кальция, титана и железа;
• универсальное устройство для забора образцов массой около 10 кг выполнено в виде воронки наибольшим диаметром 40 см и длиной 100 см.
Заборы образцов грунта астероида производятся в режиме зависания при нулевой вертикальной и боковой скорости. Для обеспечения этого режима предварительно, с высоты 30–100 м, на поверхность астероида сбрасывается мишень диаметром 10 см с люминесцентным покрытием, которое отражает лазерный луч.
Дальнейший спуск станции выполняется с использованием данных навигационных камер ONC (их две – широкоугольная с полем зрения 30x30° и телескопическая с полем зрения 5x5°), двух лазерных дальномеров LRF (Laser Range Finder) и веерных датчиков FBS (Fan Beam Sensor).
Дистанционное управление с Земли на этапе спуска невозможно из-за большого времени радиообмена (более 20 мин).
Незадолго до касания бортовой ЖРД выключается, чтобы не загрязнить поверхность, и аппарат свободно падает до касания – очень медленно, так как ускорение свободного падения на астероиде не превышает 0.1 мм/с2.
В момент касания встроенное пиротехническое устройство выстреливает вниз металлической пулькой массой 5 г со скоростью 300 м/с. Часть выбитого из поверхности материала проникает по воронке в приемную ловушку, откуда будет перегружена в возвращаемую капсулу;3

Межпланетная станция Hayabusa

• посадочный зонд Minerva - «робот-попрыгунчик» Minerva, также разработанный силами ISAS, оснащен стереокамерами, термометром и пенетраторами («иглами») для исследования физических характеристик грунта - один из самых легких космических аппаратов в истории.
Масса этого устройства, предназначенного для отработки механизма автономного передвижения по поверхности астероида, всего 591 грамм.
По форме Minerva близка к цилиндру диаметром 120 мм и высотой 100 мм. По краям верхней и нижней грани выступают по восемь штырьков, которые служат грунтозацепами и предохраняют от повреждения боковые и торцевые панели корпуса.
На панели наклеены фотоэлементы, которые дают от 1,6 до 2,2 Вт на расстоянии 1 а.е. от Солнца при напряжении 5 В.
Диапазон рабочих температур «Минервы»: от -50 до +80°C.
В этом миниатюрном аппарате имеется 32 - битный процессор с тактовой частотой 10 МГц и памятью в 2,5 Мбайт (ПЗУ на 512 кбайт, ОЗУ на 2 Мбайт и флэш-память такого же объема).
HayabusaБортовое программное обеспечение обеспечивает автономную работу аппарата, так как телеуправление с Земли невозможно из-за большой задержки сигнала.
Аппарат имеет внутри вращающийся ротор, которого – с учетом чрезвычайно слабого притяжения астероида – достаточно для приведения «Минервы» в движение. Скорость прыжка зависит от прикладываемого момента и от величины трения о поверхность, которую предсказать невозможно, и может достигать 9 см/с.
Minerva оснащена тремя цветными ПЗС-камерами (из которых две расположены на одной боковой грани и предназначены для стереосъемки объектов на расстоянии от 10 до 50 см с разрешением 1–5 мм, а третья – в центре противоположной грани для панорамной съемки), шестью фотодиодами в качестве датчиков ориентации и шестью термометрами в штырях-грунтозацепах для измерения температуры поверхности астероида.
Данные с приборов должны ретранслироваться на Землю через станцию Hayabusa.
Возвращаемая капсула имеет диаметр 40 см, длину 25 см и массу около 20 кг.
Носовая часть возвращаемой капсулы покрыта абляционной теплозащитой толщиной 3 см, которая способна защитить ее после входа в атмосферу Земли на скорости 12–13 км/с. Капсула рассчитана на перегрузки на уровне 25 g.
Для облегчения поисковых работ возвращаемая капсула оснащена радиомаяком.
В первые месяцы полета Hayabusa шла на трех электрореактивных двигателях из четырех имеющихся. Первый перерыв режима малой тяги сделали в декабре 2003 г. на Рождество и Новый год, второй – в апреле–мае 2004 г. для гравитационного маневра у Земли.
19 мая 2004 г., как и предусматривалось планом полета, Hayabusa вернулась к Земле и выполнила пертурбационный маневр в гравитационном поле нашей планеты.
Тесное сближение с Землей привело к дополнительному увеличению гелиоцентрической скорости станции почти на 4 км/с (с 29,6 до 33,4 км/с) и изменило ее орбиту.
31 июля 2005 г. на борту станции произошел отказ одного из трех маховиков, являющихся исполнительными органами системы ориентации и стабилизации. В маховике, который «отвечал» за ось X, трение возросло до такой степени, что он остановился.
Благодаря тому, что в бортовом ПО был предусмотрен режим ориентации лишь на двух маховиках, аппарат продолжил полет по программе.
Резерва, однако, больше не было.
12 августа 2005 года станция уже находилась всего в 35000 км от астероида и приближалась к
нему со скоростью 38 м/с.
Утром 4 сентября Hayabusa была примерно в 1000 км от цели. С этого расстояния оптическая навигационная камера смогла уже рассмотреть продолговатую форму Итокавы, причем наблюдаемая «картинка» совпадала с расчетной.
7 сентября до Итокавы оставалось 350 км; сближение сменилось «подкрадыванием» со скоростью всего 2 м/с.
12 сентября 2005 года Hayabusa прибыла к своей цели – астероиду Итокава и в 10:00 JST (01:00 UTC) по бортовому времени Hayabusa «обнулила» скорость подхода (около 0,07 м/с) и вошла в зависание на высоте 20 км.
15 сентября 2005 года начались регулярные научные наблюдения, план которых выглядел следующим образом:
• Первая фаза - первые три месяца предполагалось вести съемку Итокавы с высоты 7 км, при хорошо освещенной поверхности. Эту рабочую точку назвали «Дом» (Home Position).
• Вторая фаза - съемки планировали провести из точки вблизи терминатора – она была рассчитана на неделю.
После этого станция должна была вернуться в точку «Дом» и выполнить серию из трех спусков на поверхность астероида Итокава с забором образцов грунта суммарной массой около 1 г.
22 сентября 2005 года были объявлены условные названия трех районов на поверхности астероида Итокава. Гладкая равнина «на стыке» двух половинок астероида была названа Море
Мьюзес (Muses Sea, по техническому обозначению аппарата Muses-C и по имени греческих муз). Один крупный кратер получил имя Залив Утиноура (по месту запуска станции), а второй – Пустыня Вумера (по расчетному району посадки).
Hayabusa26 сентября 2005 года Hayabusa впервые снизилась до 12 км, а 30 сентября вышла в точку «Дом» на высоте всего 6,8 км.
Внезапно 3 октября в 08:08 UTC на борту станции отказал второй маховик, который «отвечал» за ось Y.
Бортовая система управления сохранила ориентацию станции, и теперь использовались совместно третий маховик (ось Z) и микродвигатели, однако этот отказ означал, что запасы топлива для ЖРД будут расходоваться намного быстрее, чем до аварии, и что запланированную программу исследований нужно сокращать и «уплотнять»...
5 октября 2005 года станция Hayabuse начала облет полярных районов на высоте около 7 км. Согласно правилу, которое было принято Международным астрономическим союзомв в 2003 году, северным считается тот полюс астероида, со стороны которого вращение происходит против часовой стрелки. А так как направление вращения Итокавы – обратное, то его северный полюс находится в действительности к югу от эклиптики.
Сначала аппарат осмотрел южные полярные области, поднявшись к 9 октября на 5 км с лишним выше экватора астероида. При низком Солнце рельеф был отлично виден; даже в Море Мьюзес, которое до сих пор казалось совершенно гладким, проступили отдельные крупные камни.
После этого Hayabusa начал движение к северному полюсу астероида и спустился 15 октября на 2.5 км ниже экваториальной плоскости.
19 октября 2005 года станция снизилась до 4 км, а 21 октября, закончив облет полюсов астероида, вернулась в экваториальную плоскость.
За первые полтора месяца работы у астероида камера AMICA получила около 1500 снимков общим объемом почти 1 Гбайт, а лазерный высотомер определил расстояние до Итокавы в 1,4 млн точек.
ИК-спектрометр NIRS провел 75000 измерений, а рентгеновский спектрометр XRS набрал 700 часов данных. 5

Астероид Итокава

Астероид Итокава был назван в честь Итокава Хидэо, легенды авиаракетостроения Страны Восходящего Солнца, своего рода «японского Королёва».
Итокава оказался весьма сложным объектом. Часть его покрыта крупными камнями размером до 50 м, причем их отражательные свойства различны.
Один из них, на окраине Пустыни Вумера, длиною в два десятка метров, выступает настолько, что, кажется, вот-вот оторвется.
В то же время некоторые области выглядят «обнаженными». На астероидах, исследованных ранее, толстый слой реголита скрывал подобные детали. Кратеры на поверхности Итокавы есть, но они перекрыты слоем реголита и плохо видны.
Были построены цифровые модели формы и гравитационного поля астероида. Наибольший его размер оказался равным примерно 600 м, наименьший – близок к 300 м.
Плотность Итокавы удалось оценить в 2,3 ± 0,3 г/см3 – заметно ниже, чем у каменных пород и у астероидов типа S, изученных ранее.
И характерная картофелеобразная форма с двумя утолщениями, и низкая плотность говорили о том, что внутри Итокавы много пустот и что астероид представляет собой весьма «рыхлое» образование.
Моделирование движения Итокавы на 100 млн лет вперед при немного отличающихся вариантах параметров начальной орбиты и статистическая обработка результатов показывает значительную вероятность столкновения астероида с Землей (примерно 1 раз в 1 млн лет), Марсом, Венерой или Меркурием, а также падения на Солнце.
Существует также вероятность столкновения с Юпитером и ухода за пределы орбиты Сатурна.
Вероятность сохранения астероида на орбите, близкой к современной, очень мала.

1 ноября были объявлены два возможных места посадки станции на астероид Итокава, оба вблизи экватора:
• точка A в покрытой реголитом части Моря Мьюзес;
• точка B в Пустыне Вумера.
Снижение станции началось 3 ноября в 19:17 UTC 4 ноября в 04:17 JST) с высоты 3,5 км под управлением бортового компьютера Hayabusa.
К 01:50 UTC (10:50 JST) аппарат снизился до 1000 м.
По снимку, переданному с высоты 500 м, предполагалось дать аппарату окончательное разрешение на спуск до поверхности, но на высоте около 700 м навигационный компьютер столкнулся с непредвиденной ситуацией и Земля дала команду на прекращение эксперимента и подъем.
9 ноября Hayabusa успешно опустился над астероидом, оказавшись около 01:00 UTC на высоте
всего 70 м. Затем последовал быстрый подъем до 3200 м и повторный спуск до примерно 500 м в 04:10 UTC.
От этой операции осталось уникальное свидетельство – снимок участка Итокавы, на котором отчетливо видна тень АМС Hayabusa.
АМС HayabusaТогда же станция впервые протестировала посадочный дальномер и сбросила одну из трех посадочных мишеней, но не в направлении астероида, с целью проверить механизм отделения и проследить за ее движением.
12 ноября 2005 года аппарат пошел на спуск из начальной точки в 1400 м от центра астероида в 03:00 JST.
В 15:08 JST на борт была отправлена команда на отделение Минервы, и в 15:24 JST (06:24 UTC) по бортовому времени аппарат ее исполнил. Через 40 минут в центре управления Сагамихара уже знали: отделение Минервы состоялось, ее заметили веерные датчики обнаружения препятствий.
Hayabusa успешно установил связь с малюткой – сигнал пришел через 5 мин после отделения и принимался в течение 18 часов. Minerva передала снимок, на который попала часть солнечной батареи B1 Hayabusa.
Но Минерва так и не опустилась на поверхность Итокавы, а ушла в открытый космос...
Условным временем начала спуска станции на астероид было 19 ноября 2005 года в 21:00 JST (12:00 UTC), а операция по забору грунта планировалась на 20 ноября 2005 года в 06:00 JST.
В 05:28 JST был перерезан трос крепления посадочной мишени.
Через 140 секунд на высоте 40 м аппарат снизил свою скорость на 9 см/с и почти «завис»; мишень же отделилась и пошла вниз.
Еще минут через шесть она достигла поверхности астероида в юго-западной части Моря Мьюзес. Вместе с мишенью на Итокаву была доставлена пластинка с именами и подписями почти 880 тысяч человек из 149 стран мира, которые участвовали в проекте «Полет к Маленькому принцу».
В 05:38 с высоты 17 м Hayabusa пошел вниз, ориентируясь по мишени и учитывая рельеф района посадки.
А дальше произошло непредвиденное...
По сигналу датчика касания на «трубе» грунтозаборного устройства аппарат должен был «выстрелить» в грунт «пулей» диаметром 10 мм и массой 5 г. От удара со скоростью 300 м/с должно было подняться облако частиц грунта, часть из которых Hayabusa должен был уловить.
И сразу после этого аппарат должен был начать подъем. А вот этого подъема-то допплеровские данные и не показали – вместо этого почему-то регистрировался дальнейший спуск со скоростью 2 см/с.
Прошло 30 минут – ничего нового! Казалось, аппарат «завис» на высоте около 10 м.
Больше ждать было нельзя: приближался момент передачи управления с американской станции Голдстоун на японскую Усуда и если бы связь не удалось восстановить после перерыва, аппарат могло просто «зажарить» излучение от нагретой более чем до 100°C поверхности Итокавы.
Поэтому профессор Кавагути распорядился выдать «вслепую» две команды: на подъем и на переход в защитный режим с закруткой на Солнце.
Как выяснилось позже, это решение Кавагути было правильным: в 06:10 японский аппарат коснулся поверхности астероида со скоростью около 10 см/с, но из-за того, что датчик касания не был активирован, забор грунта и управляемый подъем не состоялись.
Вместо этого Hayabusa «спружинил» и вновь пошел вверх и за каких-то 10 часов он успел уйти от Итокавы на 60–70 км, так что дальнейшее движение пришлось прервать включением двигателей.
На следующий день операторы вывели АМС Hayabusa из защитного режима, а 22 ноября 2005 года восстановили трехосную ориентацию и связь через остронаправленную антенну HGA.
Было решено во второй раз спускаться в тот же район в Море Мьюзес, не сбрасывая новую посадочную мишень и не используя старую: Hayabusa доказал, что и без этого «умеет» управлять своим горизонтальным перемещением.
25 ноября 2005 года в 22:00 JST аппарат прошел отметку 1600 м и начал спуск на астероид в пятый раз.
Восемь часов продолжался предварительный этап.
К 06:53 Hayabusa вышел на отметку 35 м над старой мишенью, затормозил с 12 до 4–5 см/с и переключился на посадочные дальномеры, данные с которых не обрадовали операторов: очень большой разброс – от 17 до 35 м.
Если аппарат определит, что поверхность под ним имеет уклон более 60° от его оси, он откажется от спуска...
В 07:07 Hayabusa зарегистрировал касание по трансформации приемного конуса. Сразу две пули с интервалом в 0,2 сек были всажены в грунт, чтобы увеличить объем выбрасываемого вещества. Третью оставили про запас: вдруг потребуется еще одна попытка?..
Через секунду спуск сменился быстрым подъемом: Hayabusa уходил от поверхности на скорости 43 см/с.
В 07:19 на безопасной высоте он начал передачу через антенну HGA, и в 07:35 американская станция Голдстоун приняла сигнал. Надпись «WCT», высветившаяся на дисплее группы управления, означала, что впервые в мире успешно проведена операция забора грунта с астероида!
Неожиданно в 11:13 было зафиксировано новое незапланированное ускорение станции, а дальнейшие действия операторов установили вероятную утечку горючего через один из двух «верхних» двигателей группы B, а на трубопроводах подсистемы A в верхней части корпуса была отмечена температура до -30°C; возникло предположение, что топливо могло замерзнуть в трубах.
1 декабря 2005 года, несмотря на частые срывы принимаемого сигнала, удалось получить телеметрию со скоростью 8 бит/с через антенну низкого усиления LGA.
Выяснилось, что Hayabusa испытал серьезную проблему с контролем ориентации или большую потерю электроэнергии – а может, и то и другое. Похоже было на то, что вытекло несколько килограммов гидразина, и часть из них – внутрь аппарата.
По мере его испарения температура сильно упала. Снимаемая с солнечных батарей мощность была недостаточна, питание многих блоков было прервано, аккумуляторы в значительной степени разрядились.5
2 декабря 2005 года была сделана новая попытка включения двигателей, но клапаны обеих групп даже не пошевелились. Восстановить управление аппаратом не удалось...
4 декабря 2005 года, применив срочно разработаное программное обеспечение, удалось сначала изменить скорость вращения, а затем и направление оси вращения.
6 декабря 2005 года удалось считать данные блока управления пиротехникой, которые повергли руководителей проекта в шок: во время касания 26 ноября «выстрел» в грунт оказался заблокированным...
Правда, была надежда на то, что во время 30-минутного нахождения аппарата на поверхности 20 ноября часть поднятых при касании частиц грунта могла попасть в возвращаемую капсулу «своим ходом»…
13 июня 2010 года станция Hayabusa вошла в атмосферу Земли и сбросила спускаемую капсулу в 13:51 UTC (17:51 мск).
Возвращаемая капсула приземлилась в 14:56 UTC (18:56 мск) в районе полигона Вумера на юге Австралии, а Hayabusa сгорела в плотных слоях атмосферы.
Вертолет австралийских воздушных сил, Sikorsky S-76, отследил радиомаяк капсулы, осветил место посадки прожектором и зафиксировал положение с помощью GPS для эвакуации капсулы на следующий день. Рано утром 14 июня разведывательный полет еще раз подтвердил положение капсулы, вертолет Bell 412 совершил посадку в 500 – метрах от нее.
Два теплозащитных экрана были найдены в 5 – километрах от капсулы.
АМС HayabusaНесмотря на нагрев до очень высоких температур при входе в плотные слои атмосферы, капсула была обнаружена целой, тонкая пленка изоляции на ее крышке не расплавилась.
Когда 18 июня 2010 года капсула, наконец, прибыла в исследовательский центр Сигамихара управляющий проектом профессор Дзюнъитиро Кавагути был удивлен ее состоянием:
«Первоначально я предполагал, что она вернется наполовину разрушенная, в действительно плохом состоянии, но в реальности капсула оказалась больше похожа на новорожденного».
В распространённом Агентством JAXA пресс-релизе сообщается о полутора тысячах частиц, которые были извлечены из первого отсека капсулы АМС Hayabusa с помощью специальной тефлоновой лопаточки и изучены под сканирующим электронным микроскопом. Бóльшая их часть имеет диаметр менее 10 мкм.
Элементный состав минералов (оливина, пироксена, плагиоклаза) в частицах часто не соответствовал земному; кроме того, учёные обнаружили минерал троилит, чрезвычайно редко встречающийся в земной коре.
Ещё одна важное открытие заключается в том, что минералы, находящиеся в пыли Итокавы, метаморфизированы. Это означает, что в течение длительного времени они были разогреты примерно до 800 ˚С.
Чтобы температура достигла 800 ˚С, астероиду необходимо иметь около 20 км в диаметре.
Это говорит о том, что нынешний Итокава является фрагментом большего тела...



Источники информации:
1. Энциклопедия «Космонавтика»
2. сайт Википедия
3. Журнал «Новости космонавтики» №1 2005 год