Миссия посещения и исследования астероида Апофис

Выше уже говорилось о достоинствах проекта посылки радиопередатчика к астероиду Апофис для точного определения орбиты астероида. Рассматривая организацию такого полета, можно предложить ряд принципов, которые необходимо положить в основу определения облика миссии к Апофису:
— обеспечение радиоконтроля орбиты в течение ∼10 лет;
— проведение миссии с достаточным упреждением до 2029 г.;
— отказ от принципа доставки радиомаяка на поверхность самого астероида;
— размещение маяка на астероидоцентрической орбите;
— возможность проведения дополнительных исследований структурных и иных свойств астероида, использование задела по существующим разработкам КА.

Такая миссия разведки будет в наибольшей степени отвечать полному комплексу исследований, необходимых для определения и предотвращения угрозы, исходящей от Апофиса. Она же внесет существенный вклад в решение проблемы АКО в целом. Конкретным прототипом миссии может служить, например, известный проект «Фобос-грунт», разрабатываемый в КБ им. С. А. Лавочкина и планируемый к запуску в 2011 г.
Прежде всего, миссия разведки позволяет реализовать схему оснащения астероида маяком, не зависящую от неизвестных кинематических и структурных свойств астероида. Действительно, это решение не требует посадки аппарата на астероид, полностью определяется баллистикой полета спутника астероида, которая сама по себе в принципе определяется хорошо и может корректироваться по ходу выполнения миссии.
Основную программу исследования свойств астероида можно проводить научной аппаратурой с орбиты, а отдельные вопросы (например, сейсмическое зондирование для определения структурных характеристик астероида) возложить на малый посадочный модуль. При этом орбитальный аппарат может служить ретранслятором данных, получаемых от посадочного модуля. Привязка положения центра масс астероида к системе координат аппарата должна осуществляться бортовой системой навигации этого КА, обеспечивающей его автономный полет относительно Апофиса.
Таким образом, предлагаемая миссия разведки позволит вести определение текущего движения астероида и отрабатывать методику точного прогнозирования траектории Апофиса. Миссия позволяет решать задачи определения кинематических, физических и структурных свойств конкретного и вместе с тем типичного астероида. Вряд ли стоит особо говорить о научной ценности информации, получаемой при исследовании малого астероида. Наконец, КА миссии может быть дополнительно использован для экспериментов по коррекции траектории астероида, например по схеме гравитационной буксировки.
Общая схема проведения миссии определяется параметрами астероида. Ниже в табл. 10.5 приведены основные параметры астероида Апофис, определяющие условия полета КА в его ближайшей окрестности. В таблице указана рабочая орбита искусственного спутника астероида, определяемая уровнем возмущающих сил относительно гравитационного поля самого астероида. Эти силы создаются, в первую очередь, притяжением со стороны Солнца, а также Юпитера и остальных планет, и их относительный уровень задается коэффициентом kr, лежащим в пределах от 0 до 1.
В последней строке приведен радиус малых возмущений, определяющий астероидоцентрическую область, в которой влияние внешних сил пренебрежимо мало (менее 0,3 %). В этой области следует выбирать конкретные орбиты искусственных спутников астероида.
В табл. 10.5 приведена такая характеристика, как диаметр астероида. Следует иметь в виду, что эта характеристика является условной. По сути дела, она представляет собой просто эквивалент абсолютной звездной величины астероида, вычисленный на основе предположений об отражающих свойствах его поверхности. В действительности малые астероиды могут иметь геометрическую форму, весьма далекую от шарообразной.
В качестве примера на рис. 10.15 приводится фотография малого астероида Итокава, полученная с борта КА Хаябуса японской космической миссии к данному астероиду. Предположительно астероид Итокава можно рассматривать как двойник астероида Апофис, хотя его размеры и масса существенно больше.

Величины сил, ускорений и скоростей весьма малы. Так, например, первая космическая скорость составляет всего лишь несколько сантиметров в секунду. Это обстоятельство накладывает свои ограничения на управление космическим аппаратом при выходе на его орбиту, т. е. система управления движением КА должна использовать управляющие воздействия на уровне долей сантиметра в секунду. Правда, это не является принципиальным препятствием, и технология управления движением космическими аппаратами, как показывает пример миссии Хаябуса, уже существует.
На рис. 10.16 (см. вклейку) показан возможный облик космического аппарата миссии разведки, доставляемого непосредственно в район астероида. Общая масса самого аппарата составляет 700–800 кг, а его запуск может осуществляться стандартным относительно недорогим носителем «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» разработки НПО им. С. А. Лавочкина. Связь с КА предлагается вести в диапазоне X (λ = 3 см), что позволяет при диаметре бортовой антенны порядка 1,5–2,0 м и мощности бортового передатчика ∼ 15 Вт вести дальнюю связь с наземными пунктами управления, имеющими антенны диаметрами 30 и 70 м.

На рис. 10.17 в качестве примера показана орбита перелета, оптимизированная для даты старта миссии 13.05.2012. Длительность перелета к астероиду составляет ∼ 330 сут.
После выхода на орбиту спутника астероида КА в течение трех месяцев проводит траекторные измерения и научные исследования астероида по особой программе. Во время исследований возможен дополнительный сброс малого посадочного модуля на поверхность астероида. Этот модуль обеспечит определение основных кинематических и структурных характеристик данного астероида.

После завершения программы исследований КА останется работать на орбите в режиме радиомаяка, обеспечивая траекторные измерения в течение нескольких лет. Такое планирование работы КА позволяет повысить надежность работы аппаратуры КА миссии в целом. Выбранная дата старта обеспечивает резерв времени, достаточный для проведения дальнейших операций по противодействию астероидной угрозе в случае необходимости.
На всем перелете связь с КА миссии можно обеспечивать через наземные пункты космической связи России и Украины — Медвежьи Озера (Подмосковье), Уссурийск (Дальний Восток) и Евпатория (Крым). Условия старта обеспечивают радиовидимость КА для каждого из этих пунктов в течение не менее полусуток. После выхода КА на астероидоцентрическую орбиту эти же пункты связи будут обеспечивать сопровождение Апофиса и точное определение его траектории.
В заключение отметим, что КА, остающийся на астероидоцентрической орбите, дополнительно позволяет провести эксперименты по гравитационной буксировке астероида.