Закрыть10

Дэвид Данхэм: «Нам нужна обратная сторона Луны»

Ученый с мировым именем, американский астроном, специалист в области небесной механики Дэвид Данхэм стал знаменит благодаря тому, что в 1970-х годах сумел разработать и обосновать совершенно новый уникальный метод проектирования орбит космических аппаратов и зондов в космическом пространстве с...

5 авг 2016 Рита Рихтер Комментариев: 0
16K
Выбор редакции

Согласно математическим расчетам, между двумя массивными телами с круговыми орбитами образуется особая область, получившая название «точка либрации». В этих точках центробежная сила и силы гравитационных полей уравновешиваются. На самом деле, в системе двух тел таких точек целых пять, но для ученых наибольший интерес представляют точки, которые располагаются на линии, проходящей через центры масс этих тел, между телами (L1) ближе к телу с меньшей массой и за телом меньшей массы (L2). И если поместить в такую точку, скажем, небольшой комический аппарат, то он будет находиться в этой точке в неустойчивом равновесии. Точнее, он будет вращаться вокруг этой точки под действием гравитационных сил, описывая вокруг нее повторяющуюся замкнутую кривую, называемую гало-орбитой. Польза точек либрации в том, что они создают особые условия полета космических аппаратов, при которых взаимное положение спутника, Солнца и Земли (или спутника, Солнца и Луны) будет, в целом, сохраняться в течение длительного времени при незначительных затратах топлива. Это удобно для решения задач по наблюдению звездного неба, определению космической погоды и предупреждению об астероидной опасности.

 

Точки либрации также называются точками Лагранжа, так как они были открыты математиком Жозефом Луи Лагранжем в XVIII веке. Космический аппарат, находящийся в точке Лагранжа, находится в неустойчивом равновесии, перемещаясь по так называемым гало-орбитам, которые представляют собой замкнутые кривые. При этом аппарат затрачивает очень мало топлива, так как перемещается вокруг точки либрации в основном за счет воздействия на него гравитационных полей. 

 

Дэвид Данхэм впервые в мире рассчитал траекторию полета космического аппарата к точке либрации L1 в системе Солнце-Земля, которая располагается на расстоянии 1,5 млн. километров от нашей планеты. На основе его расчетов NASA совместно с Европейским космическим агентством в 1978-м году запустило аппарат ICE, название которого расшифровывается как «Международный исследователь комет». Последнему удалось не только достичь точки либрации L1 между Землей и Солнцем, но и совершить множество других космических подвигов, например, исследовать солнечный ветер и космические лучи, пролететь сквозь хвост кометы Галлея и приблизиться к комете Джакобини-Циннера. Но главным достижением ICE, безусловно, является доказательство того, что в точках либрации действительно возможно «подвешивание» или «парковка» космического аппарата.

 

С тех пор при участии Дэвида Данхэма было запущено несколько аппаратов – начиная от знаменитой солнечной обсерватории SOHO и заканчивая миссией NEAR к астероиду Эрос и межпланетной станцией Messenger, которая в 2011-м году успешно вышла на орбиту Меркурия. В основу всех этих космических проектов были заложены работы Данхэма и его коллег. Теперь ученый занимается тем, что делится своим опытом с российскими специалистами. 


Начиная с 2011-го года, Дэвид Данхэм часто бывает в России, так как является ведущим ученым Лаборатории космических исследований, технологий, систем и процессов Московского института электроники и математики (МИЭМ). Лаборатория была создана на деньги первого конкурса научных мегагрантов Правительства РФ. Специалисты МИЭМ, согласно условиям конкурса, привлекли к работе видного иностранного ученого, который и стал одним из руководителей новой лаборатории. Теперь бывший специалист NASA обучает молодых российских ученых проектировать не только полеты к точкам либрации, но и космические миссии по перехвату опасных для Земли астероидов. 

 

Специалисты НПО им. С. А. Лавочкина на лекции Данхэма / ©Михаэль Иванов-Шувалов

Специалисты НПО им. С. А. Лавочкина на лекции Данхэма / ©Михаэль Иванов-Шувалов


В этот раз Дэвида Данхэма пригласили и в НПО им. С. А. Лавочкина – для обмена опытом. Специалисты НПО проектируют орбиты новой международной орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» (СРГ). Обсерваторию планируется разместить в точке либрации L2 на расстоянии примерно 1,5 млн. километров от Земли. Для российских ученых это первый после долгого перерыва проект с использованием точек либрации. Предыдущие проекты, к сожалению, так и не были воплощены «в металле». Поэтому практические аспекты подобных миссий, которыми поделился человек, стоявший у истоков этого направления исследования космоса и принимавший участие в практическом освоении точек либрации, очень ценны для молодых сотрудников НПО. Основная задача СРГ – провести сверхчувствительное сканирование космического пространства на гигантских расстояниях и создать карту Вселенной. Обсерватория будет работать в гамма и рентгеновском диапазонах. В течение семи лет СРГ сможет обнаружить все массивные скопления галактик во Вселенной, включая более миллиона сверхмассивных черных дыр, которые, как известно, являются ядрами галактик. Это поможет ученым в буквальном смысле заглянуть в прошлое и понять, как происходило развитие галактик во Вселенной. 

 

Российским космическим агентством запланирована амбициозная программа по исследованию космического пространства с помощью серии космических телескопов с общим наименованием «Спектр», которые должны обеспечить исследование космоса в разных диапазонах длин волн с беспрецедентными точностью и разрешением – радио («Спектр-Р», уже на орбите), гамма и рентгеновском («Спектр-РГ», «Спектр-Гамма»), ультрафиолетовом («Спектр-УФ») и миллиметровом («Спектр-М»). Два из них– «Спектр-РГ» и «Спектр-М» - должны работать на гало-орбитах около точки либрации L2 системы Солнце-Земля. 

 

Дэвид Данхэм рассказал Naked Science о проекте, который он, совместно с молодыми российскими учеными, планирует реализовать в рамках мегагранта. 

 

- Планируется ли в рамках мегагранта создание и запуск новых космических аппаратов? 


Изначально в рамках мегагранта мы не планировали делать никаких новых космических аппаратов в железе. Мы хотим создать систему орбит, которая позволит исследовать Солнечную систему многоразовым космическим аппаратам, в том числе бывшим в употреблении. Используя технологии, примененные при работе над проектом ICE, мы можем «парковать» космический аппарат в определенных точках и посылать его в разные направления для проведения космических исследований. Например, к астероидам или к Марсу. 

 

Разгонный блок «Фрегат», использующийся в составе ракеты-носителя «Союз» с 2000 г. С помощью «Фрегата» совершено более 30 успешных запусков космических аппаратов, а теперь — это экспонат музея НПО им. С. А. Лавочкина / ©Михаэль Иванов-Шувалов

Разгонный блок «Фрегат», использующийся в составе ракеты-носителя «Союз» с 2000 г. С помощью «Фрегата» совершено более 30 успешных запусков космических аппаратов, а теперь — это экспонат музея НПО им. С. А. Лавочкина / ©Михаэль Иванов-Шувалов

 

- Возможно ли запустить в точку либрации пилотируемый космический аппарат или целую космическую станцию с экипажем? 


Да, у нас была идея создания межпланетного транспортного корабля, представляющего собой космическую станцию, достаточно большую, чтобы обеспечить защиту от радиации. Если корабль будет находиться в точке либрации на высокой эллиптической орбите, то с использованием небольшого количества топлива его можно будет переводить на другие траектории для полета к другим планетам и объектам. 


Изначально мы планировали размещение этого корабля между миссиями в точке либрации L1 в системе Земля-Солнце. Однако сейчас большинство стран, включая Россию и США, больше заинтересованы в лунной программе, поэтому мы хотим предложить разместить корабль в точку либрации L2 Земля-Луна, которая находится с обратной стороны Луны. Это поможет поддержать пилотируемые полеты к обратной стороне Луны и позволит космонавтам не только спускаться на обратную сторону спутника Земли, но также устанавливать там различное оборудование и управлять им. 

 

- Для чего нам необходима именно обратная сторона Луны? 


Обратная сторона Луны важна потому, что это единственное место в Солнечной системе, которое не зашумлено радиосигналами с Земли. И если установить туда большой радиотелескоп, он будет гораздо более чувствительным при изучении космических просторов. Установка такого радиотелескопа может быть произведена по большей части с помощью роботов, которые будут управляться космонавтами с корабля, находящего в точке либрации. 

 

В рамках мегагранта мы планируем просчитать схему подобных полетов и показать, что они действительно возможны, чтобы в будущем, когда придет время для запуска подобных космических кораблей, эти расчеты и траектории можно было внедрить. Конструкция самого аппарата выходит за рамки мегагранта, хотя есть некоторые ученые, которые предлагают вариант реализации небольшого аппарата, но это в очень долгосрочной перспективе. Конечно, мы надеемся, что другие организации проявят интерес к нашим идеям, что приведет к созданию реального космического аппарата, который сможет применить рассчитанные нами траектории полета. 

 

- Почему так необходимо использовать точки либрации при разработке дальних траекторий полетов? Почему нельзя просто сесть на поверхность Луны? 


Дело в том, что для посадки и обратного взлета космического корабля потребуется очень много энергии и топлива. Будет гораздо выгоднее, если космическая станция будет находиться в точке либрации, а на Луну будет приземляться небольшой посадочный аппарат. 

 

Спускаемый аппарат межпланетной станции «Марс-3» с тормозным аэродинамическим конусом. АМС «Марс-3» состоял из орбитального и спускаемого аппаратов. Аэродинамический конус предназначен для торможения спускаемого аппарата в атмосфере Марса и защиты АМС от возникающих при этом высоких температур. Спускаемый АМС «Марс-3» впервые в мире совершил мягкую посадку на поверхность Марса. К сожалению, для российской космонавтики эта посадка до сих пор является единственной успешной. Экспонат музея НПО им. С. А. Лавочкина / ©Михаэль Иванов-Шувалов

Спускаемый аппарат межпланетной станции «Марс-3» с тормозным аэродинамическим конусом. АМС «Марс-3» состоял из орбитального и спускаемого аппаратов. Аэродинамический конус предназначен для торможения спускаемого аппарата в атмосфере Марса и защиты АМС от возникающих при этом высоких температур. Спускаемый АМС «Марс-3» впервые в мире совершил мягкую посадку на поверхность Марса. К сожалению, для российской космонавтики эта посадка до сих пор является единственной успешной. Экспонат музея НПО им. С. А. Лавочкина / ©Михаэль Иванов-Шувалов

 

- Вы говорите, что для полетов с использованием точек либрации требуется меньше топлива. А какие двигатели будут подходить для таких аппаратов? 


Особенно выгодным будет применение электрореактивных двигателей с солнечными установками, что позволит значительно сократить затраты на топливо. Однако для больших маневров, вроде отправки к какому-либо космическому объекту, потребуются классические химические двигатели. 

 

Подвижная дистанционно управляемая исследовательская лаборатория «Луноход-3» (подлинник, летный экземпляр). Луноход планировалось доставить на Луну в 1977 г., однако запуск так и не состоялся, так как для пуска не нашлось свободной ракеты-носителя. Теперь «Луноход-3» служит в качестве экспоната музея НПО им. С. А. Лавочкина / ©Михаэль Иванов-Шувалов

Подвижная дистанционно управляемая исследовательская лаборатория «Луноход-3» (подлинник, летный экземпляр). Луноход планировалось доставить на Луну в 1977 г., однако запуск так и не состоялся, так как для пуска не нашлось свободной ракеты-носителя. Теперь «Луноход-3» служит в качестве экспоната музея НПО им. С. А. Лавочкина / ©Михаэль Иванов-Шувалов

 

- Расскажите о перспективах использования точки либрации L1 в системе Земля-Солнце, траекторию полета к которой Вы хотели изначально рассчитать в рамках мегагранта. Чем интересна эта точка в плане космических исследований? 


Точка либрации L1 Земля-Солнце может иметь важное применение. Если запустить в нее космический аппарат с хорошим телескопом, это позволит заранее предупредить Землю о метеоритах, летящих со стороны Солнца. Это поможет полностью закрыть ту прореху, которая есть сейчас в астрономии относительно наблюдений астероидов. Это проект будет похож на миссию SOHO, только SOHO смотрел не в сторону Земли, а в сторону Солнца. Точка либрации – это единственное место, из которого телескоп сможет видеть все объекты, летящие к Земле со стороны Солнца. 

 

 


- Зачем помещать этот телескоп именно в точку либрации? Почему его нельзя отправить на земную орбиту? 


Даже если поместить такой телескоп на орбиту вокруг Земли, это не позволит постоянно контролировать ту область, которую телескопы с нашей планеты не могут наблюдать. Расстояние 1,5 млн. километров позволит предупреждать о подлете астероида к Земле за достаточное время. Если же поместить телескоп на земную орбиту на большее расстояние, скажем, около 5 млн. километров от Земли, это позволит делать более раннее предупреждение, однако с такой орбитой есть определенные проблемы. Во-первых, будут мешать помехи и тени от Солнца. Для того чтобы обеспечить непрерывное наблюдение с такой орбиты, понадобится размещение трех аппаратов. К тому же, в этом случае необходима установка невероятно тяжелого и мощного телескопа из-за высокой дальности. Более маленький телескоп не сможет замечать мелкие астероиды и будет пропускать слишком много. Поэтому точка либрации – это идеальный вариант. 

 

Автоматическая межпланетная станция «Луна-16» (музей НПО им. С. А. Лавочкина) с буром для забора грунта, запущенная в 1970 г. Станция совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия и совершила забор грунта с глубины 350 мм. Бур с грунтом был помещен в контейнер возвращаемого аппарата, который успешно приземлился 24 сентября 1970 г. / ©Михаэль Иванов-Шувалов

Автоматическая межпланетная станция «Луна-16» (музей НПО им. С. А. Лавочкина) с буром для забора грунта, запущенная в 1970 г. Станция совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия и совершила забор грунта с глубины 350 мм. Бур с грунтом был помещен в контейнер возвращаемого аппарата, который успешно приземлился 24 сентября 1970 г. / ©Михаэль Иванов-Шувалов

 

- Для чего нам такое доскональное наблюдение за маленькими астероидами, летящими к Земле? 


Наблюдение даже за самыми малыми метеоритами крайне важно, так как даже метеорит небольшого диаметра может нанести значительный ущерб, если упадет в жилой зоне. Достаточно хотя бы вспомнить Сихотэ-Алиньский метеорит диаметром 5 метров, упавший в 1947-м году, который распался в воздухе и выпал в виде метеоритного дождя. Последствия такого железного метеоритного дождя были весьма серьезны - всего было обнаружено 106 воронок. Если бы это произошло в населенной местности, ущерб был бы очень большой. 


К тому же, наблюдение за метеоритами из точки либрации поможет ученым больше узнать о процессе падения метеоритов, так как сегодня ученые замечают только редкие и самые крупные метеориты, которые долетают до Земли. Телескоп в точке либрации позволит наблюдать метеоритные явления гораздо чаще, изучать их динамику, вход в атмосферу и предсказывать последствия при их падении. А еще это позволит делать ранние оповещения астрономов о точке приземления летящего в сторону Земли метеорита с тем, чтобы они успели установить в нужном месте камеры и телескопы и хорошо разглядеть то, что происходит. 


- На какое финансирование, помимо мегагранта, Вы можете рассчитывать? Возможно, NASA проявит интерес к Вашим новым проектам? 


-У NASA существуют свои финансовые проблемы, поэтому они вряд ли готовы сейчас создавать и разрабатывать какие-то новые проекты. В США есть некоторые люди, которые заинтересованы в реализации подобного проекта хотя бы ради научных целей и для защиты Земли от астероидной опасности, но пока трудно сказать, какое мы можем получить финансирование с их стороны. Между тем, в России после падения Челябинского метеорита наблюдается гораздо большее осознание того, что подобная защита необходима. К тому же, недавно я общался с высокопоставленным чиновником из Китая, который подтвердил, что вопрос планетарной защиты от астероидов в Китае является приоритетным. И я думаю, мы может рассчитывать на сотрудничество мировых космических держав, осознающих серьезность вопроса. С имеющимися на данный момент технологиями мы не можем найти или предупредить большинство опасных астероидов, каждый из которых может стереть с лица Земли целый мегаполис. Наш проект позволит реализовать систему предупреждения, которая хотя бы за сутки будет делать оповещения о приближающейся опасности и позволит вовремя провести эвакуацию. 


Конечно, падение следующего метеорита, подобного Челябинскому, может произойти только через пару сотен лет, но когда-то это должно произойти, и мы должны быть к этому готовы в любое время. То, в каком положении мы находимся сейчас, это тоже же самое, что лететь на космическом корабле через открытое космическое пространство с закрытыми окнами. И если мы не хотим закончить, как динозавры, мы должны создать систему планетарной защиты от астероидов. Даже взрыв небольшого метеорита над Северной Кореей может привести к ядерной войне, так как это может быть воспринято как атака с чьей-то стороны. Конечно, нам бы хотелось этого избежать. 

 

Интервью

Naked Science Facebook VK Twitter
16K
Комментарии
Аватар пользователя Владимир Ферез
24 мин
Какого же низкого мнения вы об ученых!
Аватар пользователя Владимир Ферез
25 мин
Интересно! Вы считаете ничем, фантазией или даже...
Аватар пользователя Farid Valitov
9 ч
Идеи китайского "закройщика" He Jiankui инициировали...
Комментарии

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку