Захват астероида - Asteroid capture

Захват астероида представляет собой орбитальную вставку астероида вокруг более крупного планетарного тела. Когда астероиды, маленькие скалистые тела в космосе, захватываются, они становятся естественные спутники.[1] Все астероиды, выходящие на орбиту или в атмосферу Земли, до сих пор были природными явлениями; тем не менее, американские инженеры работали над методами телероботических космических аппаратов для извлечения астероидов с помощью химической или электрической тяги. Эти два типа захвата астероидов можно разделить на естественные и искусственные.

  • Захват естественного астероида баллистический захват свободного астероида на орбиту вокруг большего планетарного тела, такого как другая звезда или планета, за счет гравитационных сил.
  • Искусственный захват астероида заключается в том, что искусственные спутники намеренно воздействуют на астероид силой, чтобы вывести астероид на определенную орбиту.

Искусственный поиск астероидов может предоставить ученым и инженерам информацию о составе астероидов, поскольку известно, что астероиды иногда содержат редкие металлы, такие как палладий и платина. Попытки вернуть астероид включают: НАСА С Миссии по перенаправлению астероидов с 2013 года. Эти работы были отменены в 2017 году.[2] Но другие миссии, связанные с астероидами, продолжают работать, например, НАСА. OSIRIS-REx, который собрал образец сближающегося с Землей астероида 22 октября 2020 года.[3]

Естественное явление захвата астероида

Захват астероида происходит, когда астероид «не попадает» в планету при падении на нее, но у него больше не хватает скорости, чтобы покинуть орбиту планеты. В этом случае астероид захватывается и выходит на стабильную орбиту вокруг планеты, которая не проходит через атмосферу планеты. Однако астероиды иногда сталкиваются с планетой. По оценкам, небольшие астероиды падают на Землю каждые 1000–10 000 лет.[4]

Размер и физические характеристики орбиты зависят от массы планеты. Приближающийся астероид почти всегда попадает в сферу влияния планеты по гиперболической траектории относительно планеты. Астероид кинетическая энергия когда он сталкивается с планетой, он слишком велик, чтобы вывести его на ограниченную орбиту гравитацией планеты; его кинетическая энергия больше, чем его абсолютная потенциальная энергия по отношению к планете, что означает, что его скорость выше, чем космическая скорость. Однако траектория астероида может быть нарушена другой массой, которая может уменьшить его кинетическую энергию. Если это приводит к тому, что скорость астероида ниже локальной скорости убегания, его траектория меняется с гиперболы на эллипс, и астероид захватывается. Когда траектория меняется со временем, астероиды могут сталкиваться друг с другом. Принимая во внимание пояс астероидов Между Марсом и Юпитером находится около 1,9 миллиона астероидов, по оценкам астрономов, астероиды небольшого размера сталкиваются друг с другом раз в год.[5] Удар столкновения может изменить траекторию астероида, и астероиды могут войти в сферу влияния планеты.

Технология захвата астероидов

Электродвигатель

Традиционный химический двигатель отлично подходит для среды с толстой атмосферой, но электрическая тяга имеет превосходную эффективность по сравнению с химическим двигателем. Один из основных используемых электрических двигателей, ионный двигатель малой тяги, имеет КПД 90 процентов, а эффективность химической двигательной установки составляет около 35 процентов.[6] В космосе нет трения между окружающей средой и космическим кораблем. Чтобы доставить тяжелый астероид, нужен чрезвычайно эффективный двигатель, например, электрический.

Роботизированные руки

Согласно миссии НАСА по перенаправлению астероидов, спутник захватит валун и вернется на заданную орбиту. Роботизированные манипуляторы используются для различных целей, в том числе для захвата валуна. Canadarm 2 - это пример усовершенствованной роботизированной руки, используемой в космосе. Канадарм 2 не только помогает стыковать грузовые корабли с Международной космической станцией, но и выполняет техническое обслуживание станции.[7] Развитие роботизированных манипуляторов помогает искусственному захвату астероида выполнять точный сбор образцов с поверхности астероида.

Облет Луны

Облет Луны также может использоваться для захвата астероида.[8] Орбиты астероида имеют разные константы Якоби до и после облета Луны. Когда постоянная Якоби орбиты астероида после пролета Луны достигает определенного значения, астероид будет захвачен. Области захвата различных начальных констант Якоби до пролета могут быть представлены численно, и эти области захвата могут использоваться для определения того, может ли астероид быть захвачен или нет с помощью облета Луны, что в конечном итоге будет подтверждено с помощью модели эфемерид.[8]

Мотивы захвата

Планетарная защита

Миссии по искусственному захвату астероидов потенциально могут позволить ученым добиться значительного прогресса во многих областях, связанных с планетарной защитой от околоземных объектов:[9]

  1. Анкеровка. Миссии по искусственному захвату астероидов позволят разработать более надежную возможность якорения, которая поможет космическим кораблям лучше прикрепляться к астероидам, тем самым предоставив больше возможностей для отклонения околоземных объектов (ОСЗ).
  2. Структурная характеристика. Миссии по захвату астероидов помогут инженерам улучшить возможности определения структурных характеристик. Одна из наиболее совершенных технологий отклонения ОСЗ - это кинетический удар, но ее эффективность крайне непредсказуема из-за отсутствия знаний о состоянии и структуре ОСЗ. Если мы сможем лучше охарактеризовать материал и структуру поверхности NEO, мы сможем использовать Kinetic Impact для перенаправления NEO с большей уверенностью.
  3. Пыльная среда. Ученые получат знания о пылевой среде ОСЗ и лучше поймут силы, которые могут вызвать левитацию и оседание пыли. Эти знания помогут при разработке некоторых подходов к перенаправлению NEO, таких как Gravity Tractor и Обычный ракетный двигатель.

Эксплуатация ресурсов астероидов

Одна из основных причин захватить астероид - получить доступ к находящимся на нем ресурсам. Относительно бедный ресурсами астероид LL-хондрит содержит 20% железа, а также значительное количество летучих веществ в виде воды, минералов и кислорода. Хотя эти ресурсы можно вернуть на Землю из-за их высокой стоимости и обилия ресурсов на Земле, основная цель извлечения астероидов в ближайшем будущем будет заключаться в обработке и использовании в космосе сразу после сбора.[10] Преимущество получения ресурсов с астероидов по сравнению с отправкой этих ресурсов с Земли заключается в их относительно низкой стоимости. По оценкам НАСА, при использовании обычного химического двигателя доставка одного килограмма массы на высокую лунную орбиту стоит 100 тысяч долларов. Это будет означать, что доставка 500 тонн материала на высокую лунную орбиту будет стоить 20 миллиардов долларов. Миссия по захвату астероидов, которая доставляет такое же количество материала на высокую лунную орбиту, в идеале будет стоить всего 2,6 миллиарда долларов.[9]

Дальнейшее исследование

Миссии по искусственному захвату астероидов могут помочь ученым разработать технологии, которые могут быть потенциально полезны для дальнейшего исследования в других местах в космосе:[11]

  1. Траектория и навигация. Из опыта маневрирования большой массы, такой как астероид, ученые могут получить знания о том, как ориентироваться в гравитационных полях различных небесных тел. Миссии по искусственному захвату астероидов также могут помочь улучшить способность доставлять большие объемы ресурсов, необходимых для дальнейшего исследования космоса.
  2. Методы взятия проб и содержания. Миссии по искусственному захвату астероидов потребуют от нас получения образцов с астероидов. Это может помочь в разработке методов сбора и локализации проб, которые будут полезны для всех типов миссий по исследованию космоса.
  3. Возможность стыковки. Дальнейшие исследования космоса потребуют гораздо более надежных возможностей стыковки, чтобы приспособить использование транспортных средств, жилых помещений и грузовых модулей. Миссии по захвату астероидов помогут инженерам улучшить эти возможности.

База для проживания

Если ученые смогут найти эффективный способ использования ресурсов, таких как вода, кислород и металл, собранных с захваченных астероидов, эти астероиды также могут стать базой для проживания людей. Обильная масса астероида может быть ценна для среды обитания из-за его свойств защиты от излучения. Металлы и другие материалы, извлеченные из астероида, можно сразу же использовать для строительства среды обитания. Если астероид достаточно большой, он может даже обеспечить некоторую гравитацию, что было бы предпочтительнее для проживания людей.[10]

Расширение международного сотрудничества в космосе

Для наблюдения за всеми миссиями по поиску астероидов и дальнейшими исследованиями собранных материалов может быть сформирована международная группа. Некоторые трудности, возникавшие в прошлом, такие как несбалансированное распределение материалов, можно относительно легко решить после завершения миссий по поиску астероидов. После сбора образцов любой запрос на эти редкие материалы для научных исследований будет проходить через международную комиссию. И ресурсы могут быть относительно справедливо распределены между всеми командами, которые запросили материалы. Кроме того, страны, не имеющие возможности позволить себе дорогостоящие космические программы в индивидуальном порядке, могут искать сотрудничества с другими странами или организациями и достигать этих захваченных астероидов с гораздо меньшими затратами и извлекать ценные ресурсы для исследований.[9]

Попытки

Миссия перенаправления НАСА

Цель миссии NASA Redirect Mission - отправить роботизированный космический корабль к большому околоземному астероиду, а затем собрать с его поверхности многотонный валун.[12] Астронавты возьмут образцы валуна и принесут их на Землю для дальнейшего научного изучения, и, наконец, они перенаправят его на орбиту вокруг Луны, чтобы он не упал на Землю.[13] Кроме того, взаимодействие с астероидами предоставит много полезных данных о внутренней структуре астероида и, следовательно, решит давние вопросы о материале астероидов. Эта миссия объединяет операции роботов и космических кораблей с экипажем и, в случае успеха, продемонстрирует ключевые возможности, необходимые для полета НАСА на Марс.[13] Однако Директива 1 по космической политике Белого дома отменила миссию 11 декабря 2017 года в связи с увеличением затрат на разработку.[13] Тем не менее, многие важные достижения в разработке этой миссии, такие как солнечная электрическая тяга, обнаружение и определение характеристик небольших околоземных астероидов, а также возможность захвата крупных не взаимодействующих объектов в глубоком космосе, будут продолжать использоваться в будущем, потому что они незаменимы при освоении человеком глубокого космоса.[13]

OSIRIS-REx

Задача OSIRIS-REx (Происхождение, Спектральная интерпретация, Идентификация ресурсов, Безопасность, Regolith Explorer) осуществляется НАСА, чтобы получить образец сближающегося с Землей астероида по имени Бенну и узнать о формировании и эволюции Солнечной системы.[14] Osiris-REx был запущен 8 сентября 2016 года и достиг близости Бенну 3 декабря 2018 года.[15] 20 октября 2020 года он достиг Бенну и успешно собрал образец.[16] Перед процессом сбора космический корабль медленно спускался, чтобы свести к минимуму срабатывания двигателей до контакта, чтобы избежать загрязнения поверхности астероида. Во время процесса сбора произошел выброс азота, который вдувал частицы реголита размером менее 2 см в головку пробоотборника. Этот процесс занял всего 5 секунд, чтобы избежать возможного столкновения с астероидом.

Рекомендации

  1. ^ Администратор, NASA Content (24 марта 2015 г.). "Факты об астероидах". НАСА. Получено 2020-10-30.
  2. ^ «НАСА закрывает миссию по перенаправлению астероидов». SpaceNews. 2017-06-14. Получено 2020-10-30.
  3. ^ Октябрь 2020, Майк Уолл 23. «Астероидный зонд НАСА переполнен образцами космической породы». Space.com. Получено 2020-10-30.
  4. ^ Сентябрь 2017 г., Чарльз К. Чой 20. «Астероиды: забавные факты и информация об астероидах». Space.com. Получено 2020-10-30.
  5. ^ "Хаббл наблюдает последствия возможного столкновения астероидов | Управление научной миссии". science.nasa.gov. Получено 2020-10-30.
  6. ^ ДеФеличе, Дэвид. «НАСА - Ионная тяга: дальше, быстрее, дешевле». www.nasa.gov. Получено 2020-10-30.
  7. ^ Гарсия, Марк (23.10.2018). «Система удаленного манипулятора (Canadarm2)». НАСА. Получено 2020-10-31.
  8. ^ а б Гун, Шэнпин; Ли, Цзюньфэн (01.09.2015). «Захват астероида с помощью облета Луны». Успехи в космических исследованиях. 56 (5): 848–858. Дои:10.1016 / j.asr.2015.05.020. ISSN  0273-1177.
  9. ^ а б c Брофи, Джон (2012). Заключительный отчет по поиску астероидов. Кека Институт космических исследований.
  10. ^ а б "Технологии захвата астероидов на околоземную орбиту | Национальное космическое общество". Получено 2020-10-30.
  11. ^ Махони, Эрин (10 марта 2015 г.). «Как миссия НАСА по перенаправлению астероидов поможет людям достичь Марса?». НАСА. Получено 2020-10-30.
  12. ^ "Роботизированная миссия по перенаправлению астероидов". www.jpl.nasa.gov. Получено 2020-10-30.
  13. ^ а б c d Уилсон, Джим (16 апреля 2015 г.). "Что такое миссия НАСА по перенаправлению астероидов?". НАСА. Получено 2020-10-30.
  14. ^ «Кабинет главного технолога». web.archive.org. 2012-06-06. Получено 2020-10-30.
  15. ^ Чанг, Кеннет (2018-12-03). «Осирис-Рекс НАСА прибывает на астероид Бенну после двухлетнего путешествия (опубликовано в 2018 году)». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 2020-10-30.
  16. ^ Миссия НАСА по возврату образца астероида OSIRIS-REx. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.