Верхом на комете: трогательная история зонда; Розетта; и модуля; Филы

Верхом на комете: трогательная история зонда «Розетта» и модуля «Филы»

Двенадцать с лишним лет назад, 2 марта 2004 года, с космодрома Куру во Французской Гвиане стартовала ракета-носитель «Ариан-5» с космическим зондом «Розетта» (Rosetta) на борту. Впереди зонд ждали десять лет пути по космосу и встреча с кометой. Это был первый космический аппарат, запущенный с Земли, который должен был достигнуть кометы, высадить на неё спускаемый аппарат и рассказать землянам чуть больше об этих небесных телах, прилетающих в Солнечную систему из глубокого космоса. Впрочем, история «Розетты» началась гораздо раньше.

Фото: © NASA

“Розетта” и “Филы”: Историческая посадка на комету

Как зародилась жизнь, появились Солнце, Солнечная система и планета Земля — фундаментальные вопросы, на которые наука до сих пор не дала ответ. Сегодня мы можем стать на шаг ближе к ответам на эти вопросы, поскольку космический аппарат “Филы” в составе миссии “Розетта” впервые в истории совершает посадку на поверхность кометы. Я поговорил с двумя учеными, работающими над этим проектом, чтобы понять, как миссия “Розетта” может дать ключ к разгадке тайн Солнечной системы.

Кометы

Кометы всегда привлекали людей. Возможно, вы и сами наблюдали впечатляющий полет яркой кометы по ночному небу. Тем не менее на протяжении тысячелетий кометы принимали за дурные знамения, пока современная наука не узнала, насколько они замечательны.

Кометы сформировались на окраине Солнечной системы примерно 4,6 миллиарда лет назад. Их химический состав с тех пор практически не изменился, поскольку они вращаются вокруг Солнца по удаленным орбитам с периодом в сотни или тысячи лет.

Кометы несут информацию о молодости Солнечной системы и могут рассказать о появлении и эволюции планет. Ученые считают, что кометы сыграли важную роль в появлении земных океанов и атмосферы: сталкиваясь с Землей, они приносили с собой воду и другие химические соединения. Согласно одной еще более необычной гипотезе, кометы содержали сложные органические молекулы, такие как аминокислоты и нуклеиновые кислоты, составляющие основу жизни, и тем самым способствовали зарождению жизни на Земле.

Одна из целей миссии “Розетта” — помочь раскрыть тайну эволюции планет, изучая кометы.

Раскрыть тайну эволюции планет

Я поговорил с доктором Карстеном Гюттлером из Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка в Геттингене (Германия), который отвечает за использование камеры OSIRIS, установленной на борту “Розетты”.

Доктор Гюттлер показал мне модель космического аппарата, выставленную в атриуме института, и пояснил, насколько важна эта миссия: “Кометы — возможный ключ к пониманию происхождения планет. Поэтому миссия названа в честь знаменитого Розеттского камня, на котором были найдены надписи на трех языках, причем известен к тому времени был только один из них”.

Читать еще:  Три зеркальных изображения одной и той же галактики, умноженные на гравитацию

“Филы”, посадочный модуль “Розетты”

Также доктор Гюттлер кратко изложил мне цель миссии “Розетты”: “Розетта” — основная миссия Европейского космического агентства, очень важный и обширный проект. Впервые в истории мы отправляем космический аппарат на орбиту кометы.

До сих пор для изучения комет использовали зонды, которые пролетали вблизи кометы, но “Розетта” уникальна: она будет следовать за кометой больше года, следя за тем, как комета нагревается и “оживает” при подлете к Солнцу”.

Ключевую роль в миссии играет посадочный модуль “Розетты” — “Филы”, — который прикреплен к орбитальному аппарату и будет следить за изменениями. “Утром 12 ноября посадочный модуль отделится от аппарата и приземлится на поверхность кометы, — пояснил Гюттлер. — “Розетта” будет наблюдать за кометой с расстояния, а посадочный модуль доставит на комету небольшую лабораторию, чтобы подробно изучить комету в месте посадки”.

По словам доктора Гюттлера, “Розетта” станет первым аппаратом, который выйдет на орбиту кометы, а “Филы” совершит первую управляемую посадку на поверхность. После отстыковки “Филы” приземлится на поверхность кометы после семи часов свободного полета по заранее заданной траектории. Так как сила тяжести на комете примерно в 10 тысяч раз слабее, чем на Земле, посадочный модуль зацепится за поверхность двумя гарпунами.

Путешествие “Розетты” в глубины Солнечной системы

Это путешествие началось в 2004 году, когда “Розетта” отправилась в 10-летний полет к комете 67P/Чурюмова — Герасименко.


Эта фотография кометы 67P/Чурюмова — Герасименко была сделана 3 августа 2014 года с расстояния 285 километров. На ней видны различные поверхностные структуры: крутые обрывы и широкие равнины. Изображение: ESA/Rosetta/MPS, OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

На своем пути “Розетта” прошла сквозь пояс астероидов, тесно сближалась с двумя астероидами и даже на три года впадала в спящий режим в дальнем космосе, чтобы сэкономить энергию. Когда “Розетта” вышла из спящего режима в начале года, вся группа исследователей ликовала.

“Розетта” прибывает к цели

“Розетта” добралась до своей цели 6 августа 2014 года. Она начала серию маневров, чтобы пройти на расстоянии 8 километров от поверхности кометы. Во время сближения команда “Розетты” искала подходящее место для посадки, в котором солнечные панели “Филы” получали бы достаточно энергии. Кроме того, команда не хотела, чтобы посадочному модулю помешал неровный рельеф кометы, поэтому избегала площадок с крупными булыжниками. В результате была выбрана площадка для посадки, которую назвали в честь острова Агилкия.


Агилкия расположена на “голове” кометы. На крупном плане справа площадка отмечена крестом. Изображение: ESA/Rosetta/MPS, OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Если все пройдет успешно, “Филы” сможет начать работу сразу после посадки.

Читать еще:  Расстояние от Земли до Марса в миллионах километров

На своем пути к комете “Филы” уже успел войти в историю: это первый космический аппарат, вышедший на орбиту кометы, и первый аппарат, который улетел так далеко от Солнца, используя в качестве основного источника энергии солнечные панели.

Моделирование поверхности кометы

На борту “Розетты” и “Филы” — более двадцати различных инструментов для изучения поверхности и ядра кометы. Один из них — MUPUS — многоцелевой датчик для изучения поверхности и грунта, который был разработан под руководством Института исследования планет Германского центра авиации и космонавтики в Берлине (Германия). MUPUS разработан для того, чтобы измерять тепловые и механические свойства поверхности кометы и их изменения по мере того, как комета приближается к Солнцу.

Разработка модели

Команда исследователей из Института космических исследований Австрийской академии наук в Граце и Института исследования планет в Берлине использовала COMSOL Multiphysics, чтобы разработать модель измерений тепловых свойств для датчика MUPUS. Ученые написали статью “Интерпретация измерений современных датчиков теплопроводности, подходящих для космических задач” (Interpretation of Measurements with Novel Thermal Conductivity Sensors Suitable for Space Applications) и рассказали о ней на конференции COMSOL Conference 2011 в Штутгарте.

Основной автор статьи — доктор Норберт Кёмле из Института космических исследований в Граце, который работал над этим проектом с самого его начала, — рассказал мне: “Ядро кометы — это смесь льда и камня: вместе, кусками и по отдельности. Мы хотим узнать о свойствах поверхности с помощью контактных датчиков, а не наблюдая за ней издалека”.

Такая задача, однако, предполагает ряд проблем. Кёмле уточнил: “Посадить модуль на неровную поверхность так, чтобы он не ударился о мелкие камни и остался в вертикальном положении, весьма непросто. Если мы справимся с этой задачей, то это станет без преувеличения исторической вехой”.

Прибор MUPUS состоит из примерно 40-сантиметрового стержня из стекловолокна с 16 отдельными нагревательными элементами и датчиками. Каждый из них можно включать отдельно, чтобы измерить вариации теплопроводности на разных участках инструмента. Ударное устройство в верхней части крепит датчик к поверхности и измеряет ее механические свойства.


Прибор MUPUS на борту посадочного модуля “Филы”. Изображение из статьи Kömle et al., COMSOL Conference 2011 Stuttgart.

Изучение физических явлений

Группа доктора Кёмле использовала модуль Теплопередача пакета COMSOL Multiphysics, чтобы разработать модель для расчета теплопроводности поверхности кометы и других тепловых свойств по результатам измерений.

Модель учитывала реальную геометрию датчика, осевые тепловые потери в цилиндрических датчиках и тепловое сопротивление между инструментом и окружающей средой. Доктор Кёмле и его коллеги также использовали моделирование в COMSOL, чтобы откалибровать инструмент MUPUS и его аналог для земных измерений — EXTASE. Для моделирования экранирования и охлаждения инструмента они использовали предопределенные граничные условия излучения.

Читать еще:  Планеты в первом доме


Влияние теплового сопротивления между датчиком теплопроводности и окружающим грунтом для лунного реголита при лунном давлении (вакууме). Теплопроводность менялась от 1250 Вт/(м 2 ⋅K), что означает хороший контакт между инструментом и грунтом, до 12,5 Вт/(м 2 ⋅K), что означает отсутствие прямого контакта или воздушного слоя между инструментом и грунтом. Изображение из статьи Kömle et al., COMSOL Conference 2011 Stuttgart.

Моделирование — важная составляеющая успеха миссии

Моделирование для миссии “Розетты” оказалось очень важным. Доктор Норберт Кёмле продолжил: “В нашем случае моделирование особенно важно, так как мы намерены определить свойства поверхности. Например, насколько глубоко тепло солнечного излучения проникает под поверхность кометы. Это зависит от того, покрыта поверхность льдом или другим пористым материалом. Напрямую это не рассчитать, но на измерения влияют геометрия и конструкция датчика. Поэтому мы создали модель в COMSOL [Multiphysics], изменяли теплопроводность и другие ее параметры и сравнивали результаты модели с нашими лабораторными и полевыми испытаниями”.

Изменяя параметры, исследователи наблюдают за тем, как быстро тепло распространяется в окружающей среде. Так как измерений с кометы пока нет, моделирование играет ключевую роль. “Поверхность кометы может также состоять из нескольких слоев льда, пыли и замерзшего грунта, — пояснил доктор Кёмле. — Программный пакет COMSOL [Multiphysics] позволил нам создать отличную модель и эффективно ее использовать”.

Группа доктора Кёмле продолжает использовать COMSOL Multiphysics и в других задачах, например в моделировании изменения температур в расщелинах на поверхности кометы со временем, связанного с сублимацией и потоками газа у поверхности. “COMSOL [Multiphysics] и здесь оказался очень полезен”, — говорит доктор Кёмле.


Сравнение измерений прибора EXTASE в горах с результатами моделирования в COMSOL Multiphysics для земных экспериментов. Изображение предоставлено доктором Норбертом Кёмле.

Историческая миссия

Запуск космического аппарата “Розетты” и зонда “Филы” стал совместным проектом нескольких космических агентств, научных институтов Европы и Соединенных Штатов Америки, а также более 50 промышленных компаний. Для достижения смелых целей миссии пришлось решить сложные научные и технические задачи.

Группа “Розетты” уже получила много важных данных. “Фотографии поражают воображение. Мы уже готовы представить, например, заснеженный зимний пейзаж на комете. Конечно, вместо снега поверхность кометы на самом деле покрывает пыль. Мы также видим скалы и следы эрозии. Мы задаем себе вопрос: “Как все это появилось?” И получаем представление о том, сколь многого мы еще не знаем, но именно это и делает нашу работу такой захватывающей”, — отметил доктор Гюттлер.

Сегодня, 12 ноября 2014 года, около 16:00 по Гринвичу мы ожидаем подтверждения успешной посадки, так что давайте пожелаем “Филы” удачи. Как говорит доктор Гюттлер: “Я верю, что после миссии “Розетты” история исследований комет уже не будет прежней”.

ДОПОЛНЕНИЕ от 12 ноября 2014 года: В 16:03 по Гринвичу стало известно об успешной посадке!

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector