Космическая программа Японии, часть 3: наиболее известные космические миссии и экологическое видение будущего

Сегодня публикуем третью, заключительную часть обзора космической программы Японии. Вспомним самые известные миссии Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) за последние 50 лет. Многие из них стали пионерскими в своем видении, другие — сформировали осознание самой Японией своего места в космической среде. Страна настойчиво стремилась к мирной и экологически безопасной космической деятельности.

Участие в Армаде Галлея

1985 год стал очень памятным для ISAS, ведь именно тогда на борту разработанной в институте ракеты M-3SII в направлении кометы Галлея был запущен спутник SAKIGAKE. Он входил в так называемую Армаду Галлея — большую космическую инициативу США, СССР, нескольких европейских стран — членов ESA и Японии. Основной целью ряда последовательных миссий стал поэтапный запуск спутников к комете Галлея (или 1P/Halley), пролетающей в максимальном приближении к Земле примерно раз в 75 лет.

Во время участия в инициативе Армада Галлея Япония направила к комете два исследовательских зонда. Спустя восемь месяцев после запуска SAKIGAKE, 19 августа 1985 года, к комете отправился спутник SUISEI (Planet-A). Конструктивно оба космических аппарата походили друг на друга, однако содержали разный набор экспериментального оборудования на борту. SAKIGAKE нес три основных научных инструмента: ионный монитор солнечного ветра (SOW), монитор плазменных волн (PWP) и магнитометр солнечного ветра и межпланетного пространства (IMF). Функционал SUISEI ограничивался только двумя: ультрафиолетовый тепловизор (UVI) и инструмент наблюдения за солнечным ветром (ESP), более продвинутая версия SOW, установленного на SAKIGAKE.

Отличное качество обратной связи с Землей на таких дальних расстояниях удалось обеспечить благодаря введению в эксплуатацию новой антенны высотой 64 м, которую развернули в Центре глубокого космоса Усуда в префектуре Нагано в 1984 году. Долгое время антенна оставалась единственной станцией в Японии для связи в глубоком космосе, и только в 2021 году ее заменила вновь построенная REAT в новом Центре глубокого космоса Мисаса.

Спутник SAKIGAKE продолжил работать в зоне своей активности и после удаления кометы Галлея и был активен вплоть до 1999 года. За эти годы зонд провел ряд наблюдений за солнечным ветром и магнитным полем Солнца. В частности, ему удалось доказать существование нейтральной плоскости магнитного поля Солнца и найти связь между возмущениями солнечного ветра и магнитными бурями на Земле.

SUISEI исчерпал свое топливо значительно раньше, связь с космическим аппаратом прервалась в августе 1992 года. Несмотря на меньшее время активности, спутник успел сделать ряд интересных открытий: выяснил точный период вращения кометы Галлея с помощью детектора ультрафиолетового изображения, измерил колебания расхода воды, а также исследовал ионы, излучаемые кометой.

Участие в Армаде Галлея было очень важным космическим событием для Японии, которая продемонстрировала свое умение работать в кооперации с другими космическими агентствами мира, чтобы достичь общей исследовательской цели. Также это способствовало росту заинтересованности JAXA в планировании следующих космических миссий по исследованию астероидов и даже намерению вернуть на Землю образцы их породы.

Два путешествия Hayabusa: к астероиду и обратно

Первые концепции исследовательской миссии Hayabusa (также известная как Muses-C) появились еще во времена комплексного изучения кометы Галлея. По планам JAXA, роботизированный космический аппарат Hayabusa должен был отправиться к ближнему околоземному астероиду 25143 Итокава (названного в честь «отца» ракетной промышленности Японии — Хидео Итокавы).

Однако на этот раз простого исследования на дистанции японцам оказалось недостаточно. По планам, зонду надлежало приблизиться к астероиду и с помощью специального устройства поместить в свою камеру для хранения крупицы его породы, после чего отправиться в обратное путешествие к Земле. Подготовка этой технологически сверхсложной миссии длилась долгих 15 лет.

9 мая 2003 года на борту японской ракеты M-5 (на рубеже тысячелетий этот носитель заменил своего очень удачного предшественника, М-3SII) была запущена Hayabusa. Состоялся один из немногих запусков именно четырехступенчатой модификации М-5, способной выводить большую массу полезной нагрузки на орбиту. Путешествие к астероиду длилось почти 2,5 года, космический корабль прибегнул к ряду орбитальных маневров, воспользовавшись ионными двигателями для подруливания. Наконец 12 сентября 2005 года зонд подошел к астероиду на расстояние ≈ 20 км.

JAXA планировало, что для сбора образцов Hayabusa применит миниатюрный посадочный модуль MINERVA (MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid). Однако после тщетных попыток отделить устройство от космического корабля оказалось, что оно неисправно. Срочно агентство приняло решение отправить к поверхности Итокавы весь космический корабль, надеясь, что незначительные частицы астероидной пыли таки попадут в камеру для образцов, после чего Hayabusa прикажут возвращаться на Землю.

В ноябре 2005 года зонду удалось коснуться на короткое время поверхности 25143 Итокава. С помощью своего коллекторного рупора, выступившего в роли миниатюрной пушки, Hayabusa выстрелил несколькими снарядами в астероид, после чего собрал осколки раскрошенной породы в капсулу для образцов. Эти образцы попали на Землю пять лет спустя — в июне 2010 года. Японские ученые получили уникальную возможность исследовать внеземную породу, ведь это была первая в истории человечества доставка образцов астероида на Землю.

Путешествие Hayabusa стало одновременно и первой космической миссией для новосозданного Японского агентства по аэрокосмическим исследованиям (JAXA), куда вошли три ведущих космических предприятия страны: Институт космических и астронавтических наук (ISAS), Национальное агентство космического развития (NASDA) и Национальная аэрокосмическая лаборатория Японии (NAL).

Через 4,5 года после возвращения первого Hayabusa JAXA решило повторить опыт получения внеземных образцов, запустив к астероиду 162173 Рюгу космический аппарат Hayabusa 2. Миссия стартовала 3 декабря 2014 года на ракете Н-2А из Космического центра Танэгасима.

По сравнению с первым зондом, Hayabusa 2 имел лучшую навигационную систему и систему управления ориентацией в пространстве. Оснащался четырьмя основными ионными двигателями μ10, каждый из которых генерировал тягу в 28 мН. Способность к маневрированию Hayabusa 2 обеспечивали 12 вспомогательных подруливающих двигателей (каждый из которых генерировал тягу в 20 Н). Почти треть от 609 кг общей массы зонда отводилась на двигательный отдел IES (155 кг) и ксеноновое топливо (66 кг). Электропитанием занималась пара боковых солнечных панелей, а обратную связь с Землей поддерживали две параболические антенны HGA (High Gain Antenna).

27 июня 2018 года космический зонд приблизился на расстояние 20 км к астероиду Рюгу, откуда провел свой первый этап дистанционных исследований. Фотографировали и изучали поверхность Рюгу три малых марсохода. Так, капсула MINERVA-II1 содержала Rover-1A (HIBOU) и Rover-1B (OWL), а внутри MINERVA-II2 был Rover-2. Первая пара роверов с MINERVA-II1 отстыковалась 21 сентября 2018 года от Hayabusa 2 и вскоре совершила мягкую посадку на поверхность Рюгу.

Оба астероидных ровера были плоскими цилиндрами с диаметром 18 см и высотой 7 см. В их нижней части размещались миниатюрные двигатели, осуществлявшие кратковременное зажигание, позволяя вращательными прыжками двигаться по поверхности астероида. К сожалению, первая партия роверов не нашла участка мягкого астероидного реголита, поскольку высадилась в каменистой зоне небесного тела. В целом HIBOU работал 36 земных суток, а OWL — всего три, однако за это время они сделали ряд фотографий и видео с поверхности Рюгу.

3 октября того же года на Рюгу опустился посадочный модуль MASCOT в форме прямоугольной коробки, начиненной исследовательским оборудованием: инфракрасным спектрометром, магнитометром, радиометром. Также он имел миниатюрную камеру, подобную установленным на HIBOU и OWL. Он работал на поверхности астероида в течение 16 часов, передавая на Землю данные своих измерительных приборов. Только год спустя, 8 октября 2019 года, вторая посадочная капсула MINERVA-II 2, оснащенная Rover-2, совершила жесткую посадку на Рюгу. Это помешало ряду экспериментов, в частности с засветкой частиц астероидной пыли ультрафиолетовыми светодиодами.

Получение образцов Рюгу предусматривало два этапа: сбор поверхностных проб специальным пробоотборником и посредством кинетического выстрела большой мощности с последующим забором высвобожденной после удара подповерхностной породы.

21 февраля 2019 года Hayabusa 2 почти вплотную приблизился к Рюгу, развернул специальное устройство и выстрелил пятиграммовой пулей из тантала. На скорости 300 м/с она врезалась в поверхность, частицы пыли попали в пробозаборник, который перенаправил их в капсулу для возвращения.

После первого успеха Hayabusa 2 попытался получить образцы подповерхностного грунта. С расстояния 300 м от Рюгу зонд произвел выстрел кинетическим снарядом из своего устройства SCI impactor. Поднялось большое количество реголитной пыли, которая направилась к Hayabusa 2 и также в итоге попала в камеру для возврата образцов.

По достижении главной цели миссии JAXA приказало зонду вернуться с образцами на Землю. В ноябре 2019 года Hayabusa 2 отправился в обратное путешествие, как вдруг аэрокосмическое агентство решило пролонгировать эту космическую миссию. Для Hayabusa 2 нашли еще несколько целей среди ближних околоземных астероидов: на июль 2026-го запланирован пролет астероида 2001 CC, а на июль 2031-го — пролет 1998 KY. Экономить топливо аппарату поможет ряд гравитационных маневров, которые ему предстоит осуществить в 2027 и 2028 годах.

Итак, в начале декабря 2020 года, подлетев на расстояние 220 км над Землей, Hayabusa 2 высвободил свою спусковую капсулу с полученными образцами, и запустив ионные двигатели, направился к своим новым целям.

JAXA стало первым космическим агентством в мире, которое успешно провело миссии по доставке частиц породы астероида на Землю. Образцы с 25143 Итокава попали к японским ученым за 13 лет до того, как аналогичный зонд OSIRIS-REx от NASA принес на Землю фрагменты астероида 101955 Бенну. Однако на этом амбициозные проекты JAXA по исследованию космоса не закончились. Приближались венерианская и меркурианская космические миссии.

Akatsuki и Bepi Colombo: первые планетарные миссии

Неудача постигла первую попытку доставить миниатюрный зонд Akatsuki для исследования атмосферы Венеры. Космический аппарат 21 мая 2010-го стартовал на борту ракеты H-2A. И несмотря на удачный запуск и отделение от ракеты-носителя, в декабре произошел сбой в его двигательной системе — орбитальный маневренный двигатель работал всего три минуты, то есть значительно меньше времени, необходимого для достижения орбиты Венеры. Так и не добравшись туда, космический корабль с сухой массой 320 кг, загруженный научными инструментами, остался кружить на солнечной орбите, иногда приближаясь к недосягаемому объекту своих исследований.

Но для инженеров JAXA неудача Akatsuki не стала поводом для сворачивания программы. Разгорелась кропотливая работа, целью которой было возвращение зонда в поле его оперативной деятельности — на альтернативную эллиптическую орбиту вокруг Венеры. Попытку сделать это предприняли 7 декабря 2015 года. Akatsuki осуществил 20-минутное зажигание своего двухтопливного гидразин-азотного орбитального двигателя и сумел-таки достичь орбиты, с которой было удобно наблюдать за Венерой.

Akatsuki стал первым успехом межпланетных наблюдений для JAXA. Зонд назвали Planet-C. Его предшественник Planet-В, известный еще как космический корабль Nozomi, отправился к Марсу в 1998 году, однако не достиг орбиты Красной планеты по причине сбоя электричества.

В арсенале Akatsuki имелось шесть инструментов для исследования второй планеты Солнечной системы, пять из которых были камерами, предназначенными для съемки в различных спектральных диапазонах.

UVI Imager — основная камера зонда, способная делать изображения в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 283-365 нм. Несмотря на то, что прибор предназначался для наблюдения за атмосферой, он создал несколько общих фотографий планеты.

Akatsuki оснастили и оптической камерой Lightning and Airglow Camera (LAC) для фотографирования молний в верхних слоях венерианской атмосферы. Имел он и три типа инфракрасных камер: LIR (Longwave infrared camera) вела съемку на длине волны 10 мкм; IR1 проводила ночную съемку теплового излучения планеты на длине волны 0,9-1 мкм; IR2 в ночное время исследовала непрозрачность нижних облаков, а днем измеряла содержание CO₂.

Шестым инструментом на Akatsuki стал ультрастабильный осциллятор (USO), который проводил эксперимент по радиоокультации и измерял физические свойства венерианской атмосферы. Радиоокультация представляла собой искусственное перекрытие (преломление) радиосигнала, проходившего сквозь атмосферу, позволяя узнать о ее состоянии, исследуя коэффициент этого преломления.

Две инфракрасные камеры Akatsuki осуществляли наблюдение до декабря 2016 года, пока сбой бортовой электроники не вывел их из строя. В 2018-м космический зонд выполнил двухлетний план своей исследовательской деятельности и перешел к расширенному режиму эксплуатации, который JAXA планировало поддерживать вплоть до 2028 года. Однако в конце мая 2024 года связь с Akatsuki окончательно была потеряна вследствие поломки оборудования для связи.

Другая планетарная космическая миссия JAXA, получившая название BepiColombo, была организована совместно с Европейским космическим агентством. Эта миссия стала последней из серии космической инициативы ESA — New Horizons 2000+, посвященной межпланетным исследованиям.

Главная цель BepiColombo — полное изучение Меркурия, включая магнитосферу планеты, ее физические свойства и внутреннее устройство. JAXA отвечало за создание Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), а ESA разработало Mercury Planetary Orbiter (MPO).

После выхода на орбиту Меркурия зондам предстоит занять свои места. Так, европейский MPO будет исследовать планету с близкого расстояния (орбита составит 480×1500 км), а японский MMO — с более дальней орбиты (590×11640 км).

На ракете Ariane 5 BepiColombo стартовал 20 октября 2018 года. Предварительно ожидается, что он выйдет на устойчивую орбиту вокруг Меркурия в ноябре 2026 года. В июне 2023-го космический аппарат совершил максимально близкий пролет мимо Меркурия (на расстоянии 235 км), длившийся полчаса. В результате группа ученых из Лаборатории физики плазмы Парижской обсерватории обзавелась качественными снимками меркурианской магнитосферы. Это стало уже третьим приближением к планете в ходе череды гравитационных маневров, необходимых BepiColombo для наиболее энергоэффективного достижения стабильной планетарной орбиты.

Чуть больше года осталось до выхода BepiColombo на меркурианскую орбиту, после чего начнется отделение двух его модулей: MMO и MPO. Основная фаза совместной миссии JAXA и ESA должна продлиться до апреля 2029 года.

Роботизированные уборщики, деревянные кубсаты и солярные паруса: космическое будущее по версии JAXA

Сегодня JAXA (как и вся Япония в целом) является одним из самых прогрессивных космических агентств мира. Прежде всего это заключается в особом видении Японией экологического будущего космического пространства в контексте уменьшения вредного воздействия человечества на него. За последние пять лет это новое видение породило много интересных инициатив, направленных на то, чтобы сделать околоземную орбиту менее замусоренной.

Осенью 2020 года агентство начало программу Commercial Removal of Debris Demonstration (CRD2) для уборки крупных остатков искусственного космического мусора с околоземной орбиты с помощью оснащенного роботизированной рукой-манипулятором космического аппарата. Важно осознавать, что CRD2 — не просто демонстрационная разовая миссия. JAXA имеет целью создать новый полноценный коммерческий рынок, сосредоточенный на предоставлении услуг по уборке орбиты, и будет способствовать основанию целого ряда коммерческих операторов.

В рамках первой фазы финансирования CRD2 японская компания Astroscale Holdings Inc. со штаб-квартирой в Токио спроектировала космический аппарат для активного удаления орбитального мусора ADRAS-J. Он был запущен 18 февраля 2024 года для подготовки к устранению с орбиты Земли второй ступени ракеты Н-2А, курсировавшей там в течение 15 лет, с января 2009-го.

Эти фотографии помогут выяснить деградацию космического мусора, а также протестировать маневр операции приближения и рандеву (RPO), который понадобится на заключительном этапе захвата и отбуксировки обломков в атмосферу Земли. 20 августа JAXA заключило с Astroscale новое партнерское соглашение в рамках второй фазы CRD2, которая уже будет демонстрировать захват и удаление ступени ракеты Н-2А с орбиты.

Другая новая экологическая инициатива JAXA связана с запуском таких типов космических аппаратов, которые вообще не будут оставаться на орбите по окончании своего эксплуатационного срока. 5 ноября этого года в космическое пространство был запущен первый в мире деревянный спутник LignoSat, разработанный Киотским университетом в партнерстве со строительной коммерческой компанией Sumitomo Forestry.

Миниатюрный спутник 10×10×10 см сначала был доставлен на МКС, с борта которой его вывели на орбиту. Конечно, обычные металлические спутники сгорают при входе в атмосферу, но остается много металлических частиц, которые негативно влияют на окружающую среду и способны создавать помехи для телекоммуникационных сигналов (в случае с большими спутниками).

Инициатива ученых из Киотского университета заключается в тестировании использования деревянных материалов для строительства спутников. На первый взгляд, интересная альтернатива. И все же остается много вопросов. Уже сейчас понятно, что полностью отойти от использования металлов не получится, они все равно будут присутствовать в электронных устройствах спутника и каркасе. Другой этический вопрос заключается в том, что деревянные спутники все еще запускают ракеты, работающие на ракетном топливе, которое содержит в своем составе тяжелые вещества и негативно влияет на атмосферу и озоновый слой Земли. Более того, это влияние оказывается несопоставимым с избыточными металлами после сгорания спутника. Поэтому на таком фоне экологическая инициатива киотских ученых использовать деревянные спутники выглядит несколько наивной.

Относительно зеленых инициатив JAXA в контексте более бережного отношения к космическому пространству стоит также вспомнить эксперимент по развертыванию солнечного паруса IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), состоявшийся в 2010 году. Солнечный парус IKAROS имел площадь 20×20 м и толщину слоя в 0,0075 мм.

Демонстрация IKAROS стала первым в мире применением технологии движения с помощью одного только солнечного ветра и без каких-либо типов космического топлива. Главной проблемой организации межпланетного движения таким образом остаются необходимые размеры солнечных парусов (к примеру, для путешествия на Юпитер требуемая площадь паруса может достичь нескольких километров). Однако паруса таких больших размеров становятся уязвимыми к микрометеоритам, способным повредить их сверхтонкую ткань.

Но несмотря на некоторые проблемы на пути JAXA к более рациональному и экологическому подходу в использовании космического пространства, японское агентство и далее остается бесспорным мировым лидером в этом деле. Год за годом JAXA предпринимает новые шаги на этом поле, акцентируя внимание всего космического сообщества на указанной проблеме.