Инженеры Массачусетского технологического института разрабатывают карту принятия решений, чтобы определить наилучший тип миссии для отражения приближающегося астероида.
13 апреля 2029 года ледяной кусок космического камня, шире Эйфелевой башни, пролетит мимо Земли со скоростью 30 километров в секунду, задев сферу геостационарных спутников планеты.
Это будет самое близкое сближение одного из крупнейших астероидов, пересекающих орбиту Земли, в следующем десятилетии.
Наблюдения за астероидом, известным как 99942 Апофис в честь египетского бога хаоса, однажды показали, что его пролет в 2029 году приведет его через гравитационную замочную скважину - место в гравитационном поле Земли, которое будет тянуть астероид траектория такова, что при следующем пролете в 2036 году он, вероятно, окажет разрушительное воздействие.
К счастью, недавние наблюдения подтвердили, что астероид пролетит мимо Земли без происшествий как в 2029, так и в 2036 году. Тем не менее, большинство ученых считают, что никогда не рано рассматривать стратегии отклонения астероида, если он когда-либо на ускоренном курсе с нашей родной планетой.
Теперь исследователи Массачусетского технологического института разработали основу для принятия решения о том, какой тип миссии будет наиболее успешным для отражения приближающегося астероида. Их метод принятия решений принимает во внимание массу и импульс астероида, его близость к гравитационной замочной скважине и количество времени предупреждения, которое есть у ученых о надвигающемся столкновении, - все это имеет степень неопределенности, которую исследователи также учитывают для определения самая успешная миссия для данного астероида.
Исследователи применили свой метод к Апофису и Бенну, другому астероиду, сближающемуся с Землей, который является целью OSIRIS-REx, оперативной миссии НАСА, которая планирует вернуть образец поверхностного материала Бенну на Землю в 2023. REXIS, инструмент, разработанный и построенный студентами Массачусетского технологического института, также является частью этой миссии, и его задача состоит в том, чтобы охарактеризовать распространенность химических элементов на поверхности.
В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Acta Astronautica, исследователи используют свою карту решений, чтобы определить тип миссии, которая, вероятно, будет иметь наибольший успех в отклонении Апофиса и Бенну в различных сценариях в что астероиды могут направляться к гравитационной замочной скважине. Они говорят, что этот метод можно использовать для разработки оптимальной конфигурации миссии и кампании по отклонению потенциально опасного околоземного астероида.
«Люди в основном рассматривали стратегии отклонения в последнюю минуту, когда астероид уже прошел через замочную скважину и направляется к столкновению с Землей», - говорит Сунг Вук Пэк, ведущий автор исследования и бывший аспирант кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Я заинтересован в том, чтобы предотвратить проход замочной скважины задолго до столкновения с Землей. Это похоже на упреждающий удар, только с меньшим беспорядком».
Соавторами Паека в Массачусетском технологическом институте являются Оливье де Век, Джеффри Хоффман, Ричард Бинзель и Дэвид Миллер.
Отклонение убийцы планет
В 2007 году НАСА в отчете, представленном Конгрессу США, пришло к выводу, что в случае, если астероид направляется к Земле, наиболее эффективным способом его отклонения будет запуск ядерной бомбы в космос. Сила его взрыва отбросила бы астероид прочь, хотя планете тогда пришлось бы бороться с ядерными осадками. Использование ядерного оружия для смягчения ударов астероидов остается спорным вопросом в сообществе планетарной защиты.
Вторым лучшим вариантом был запуск «кинетического импактора» - космического корабля, ракеты или другого снаряда, который, если его направить в правильном направлении и с соответствующей скоростью, должен столкнуться с астероидом, передать часть своего импульса и отклонить его от курса.
«Основной принцип физики похож на игру в бильярд», - объясняет Пэк.
Для того, чтобы любой кинетический ударник был успешным, де Век, профессор аэронавтики, астронавтики и инженерных систем, говорит, что свойства астероида, такие как его масса, импульс, траектория и состав поверхности должны быть известны «как можно точнее». Это означает, что при разработке миссии по отклонению ученые и руководители миссии должны учитывать неопределенность.
«Имеет ли значение, составляет ли вероятность успеха миссии 99,9 процента или только 90 процентов? Когда дело доходит до отражения потенциального убийцы планет, вы можете поспорить, что это так», - говорит де Век. «Поэтому мы должны быть умнее, когда разрабатываем миссии в зависимости от уровня неопределенности. Никто раньше не рассматривал проблему таким образом».
Закрытие замочной скважины
Пэк и его коллеги разработали код моделирования для определения типа миссии по отклонению астероида, которая будет иметь наилучшие шансы на успех, учитывая набор неопределенных свойств астероида.
Миссии, которые они рассматривали, включают базовый кинетический ударный элемент, в котором снаряд выбрасывается в космос, чтобы сбить астероид с курса. Другие варианты включали отправку разведчика, чтобы сначала измерить астероид, чтобы отточить характеристики снаряда, который должен был быть отправлен позже, или отправки двух разведчиков, одного для измерения астероида, а другого, чтобы немного оттолкнуть астероид от курса, прежде чем более крупный снаряд будет уничтожен. впоследствии запущенный, чтобы астероид почти наверняка пролетел мимо Земли.
Исследователи ввели в моделирование определенные переменные, такие как масса, импульс и траектория астероида, а также диапазон неопределенности в каждой из этих переменных. Самое главное, они учитывали близость астероида к гравитационной замочной скважине, а также количество времени, которое есть у ученых, прежде чем астероид пройдет через замочную скважину.
«Замочная скважина похожа на дверь: как только она откроется, астероид вскоре столкнется с Землей с высокой вероятностью», - говорит Пэк.
Исследователи проверили свое моделирование на Апофисе и Бенну, двух из немногих астероидов, для которых известно расположение их гравитационных замочных скважин по отношению к Земле. Они смоделировали различные расстояния между каждым астероидом и соответствующей ему замочной скважиной, а также рассчитали для каждого расстояния область «безопасной гавани», где астероид должен был бы отклониться, чтобы избежать как столкновения с Землей, так и прохождения через любую другую близлежащую замочную скважину.
Затем они оценили, какой из трех основных типов миссий будет наиболее успешным для отклонения астероида в безопасную гавань, в зависимости от количества времени, которое у ученых есть на подготовку.
Например, если Апофис пройдет через замочную скважину через пять или более лет, то есть достаточно времени, чтобы послать двух разведчиков - одного для измерения размеров астероида, а другого - для того, чтобы слегка сбить его с пути. испытание - перед отправкой основного ударного элемента. Если прохождение замочной скважины произойдет в течение двух-пяти лет, может быть время послать одного разведчика для измерения астероида и настройки параметров более крупного снаряда, прежде чем отправить импактор для отклонения астероида. Если Апофис пройдет через замочную скважину в течение одного земного года или раньше, по словам Пэка, может быть слишком поздно.
«Даже основной ударный элемент может не достичь астероида за это время», - говорит Пэк.
Бенну - аналогичный случай, хотя ученые знают немного больше о его вещественном составе, а это значит, что нет необходимости посылать разведчиков перед запуском снаряда.
С помощью нового инструмента моделирования команда Peak планирует оценить успех других миссий по отклонению в будущем.
«Вместо того, чтобы изменять размер снаряда, мы можем изменить количество запусков и отправить несколько меньших космических кораблей для столкновения с астероидом один за другим. Или мы могли бы запускать снаряды с Луны или использовать неработающие спутники в качестве кинетических ударников», - говорит Пэк. «Мы создали карту принятия решений, которая может помочь в создании прототипа миссии».
Это исследование было частично поддержано НАСА, Лабораторией Дрейпера и Фондом культуры Samsung.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.