Космічна програма Японії, частина 3: найвідоміші космічні місії та екологічне бачення майбутнього

Сьогодні ми публікуємо третю, заключну частину огляду космічної програми Японії. Згадаємо найвідоміші місії Японського агентства аерокосмічних досліджень (JAXA) за останні 50 років. Багато з них стали піонерськими в своєму баченні, інші — сформували усвідомлення самою Японією свого місця в космічному середовищі. Країна наполегливо прагнула мирної та екологічно безпечної космічної діяльності. 

Участь в Армаді Галлея

1985 рік став дуже пам’ятним для ISAS, адже саме тоді на борту розробленої в інституті ракети M-3SII у напрямку комети Галлея був запущений супутник SAKIGAKE. Він входив у так звану Армаду Галлея — велику космічну ініціативу США, СРСР, кількох європейських країн — членів ESA та Японії. Основною метою низки послідовних місій став поетапний запуск супутників до комети Галлея (або 1P/Halley) яка пролітає в максимальному наближенні до Землі приблизно раз на 75 років.

Під час участі в ініціативі Армада Галлея Японія надіслала до комети два дослідницькі зонди. За вісім місяців після запуску SAKIGAKE, 19 серпня 1985 року, до комети вирушив супутник SUISEI (Planet-A). Конструктивно обидва космічні апарати були подібні один до одного, проте містили різний набір експериментального обладнання на борту. SAKIGAKE ніс три основних наукових інструменти: іонний монітор сонячного вітру (SOW), монітор плазмових хвиль (PWP) та магнітометр сонячного вітру і міжпланетного простору (IMF). Функціонал SUISEI обмежувався лише двома: ультрафіолетовий тепловізор (UVI) та інструмент спостереження за сонячним вітром (ESP), більш просунута версія SOW, встановленого на SAKIGAKE.

Відмінну якість зворотного зв’язку із Землею на таких далеких відстанях вдалося забезпечити завдяки введенню в експлуатацію нової антени висотою 64 м, яку розгорнули у Центрі глибокого космосу Усуда в префектурі Нагано 1984 року. Довгий час антена залишалася єдиною станцією в Японії для зв’язку у глибокому космосі, і тільки 2021 року її замінила новозбудована GREAT у новому Центрі глибокого космосу Місаса.

Супутник SAKIGAKE продовжив працювати у зоні своєї активності й після віддалення комети Галлея та був активний аж до 1999 року. За ці роки зонд провів низку спостережень за сонячним вітром і магнітним полем Сонця. Зокрема, йому вдалося довести існування нейтральної площини магнітного поля Сонця та віднайти зв’язок між збуреннями сонячного вітру та магнітними бурями на Землі.

SUISEI вичерпав своє паливо значно раніше, зв’язок із космічним апаратом перервався у серпні 1992 року. Попри менший час активності, супутник встиг зробити низку цікавих відкриттів: з’ясував точний період обертання комети Галлея за допомогою детектора ультрафіолетового зображення, здійснив вимірювання коливань витрат води, а також дослідив іони, що випромінювала комета. 

Участь в Армаді Галлея була дуже важливою космічною подією для Японії, яка продемонструвала своє вміння працювати в кооперації з іншими космічними агентствами світу, аби досягти спільної дослідницької мети. Також це сприяло зростанню зацікавлені JAXA у плануванні наступних космічних місій з дослідження астероїдів і навіть наміру повернути на Землю зразки їхньої породи.

Дві подорожі Hayabusa: до астероїда й назад

Перші концепції дослідницької місії Hayabusa (також відома як Muses-C) виникли ще за часів комплексного вивчення комети Галлея. За планами JAXA, роботизований космічний апарат Hayabusa мав вирушити до ближнього навколоземного астероїда 25143 Ітокава (названого на честь “батька” ракетної промисловості Японії — Хідео Ітокави). 

Проте цього разу простого дослідження на дистанції японцям виявилося недостатньо. За планами, зонд мав наблизитися до астероїда та за допомогою спеціального пристрою покласти у свою камеру для зберігання крихти його породи, після чого вирушити у зворотну подорож до Землі. Підготовка цієї технологічно надскладної місії тривала довгих 15 років.

9 травня 2003 року на борту японської ракети M-5 (на межі тисячоліть цей носій замінив свого дуже вдалого попередника, М-3SII) було запущено Hayabusa. Відбувся один з небагатьох запусків саме чотирьохступеневої модифікації М-5, що здатна виводити більшу масу корисного навантаження на орбіту. Подорож до астероїда тривала майже 2,5 роки, космічний корабель вдався до низки орбітальних маневрів, скориставшись іонними двигунами для підрулювання. Нарешті 12 вересня 2005 року зонд підлетів до астероїда на відстань ≈ 20 км.

JAXA планувало, що для збору зразків Hayabusa застосує мініатюрний посадковий модуль MINERVA (MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid). Проте після марних спроб відокремити пристрій від космічного корабля виявилося, що той несправний. Терміново агентство прийняло рішення відправити до поверхні Ітокави увесь космічний корабель, сподіваючись, що незначні частинки астероїдного пилу таки потраплять у камеру для зразків, після чого Hayabusa накажуть повертатися на Землю.

У листопаді 2005 року зонду вдалося торкнутися на короткий час поверхні 25143 Ітокава. За допомогою свого колекторного рупора, який виступив у ролі мініатюрної гармати, Hayabusa вистрілив кількома снарядами у астероїд, після чого зібрав крихти розкришеної породи у капсулу для зразків. Ці зразки потрапили на Землю за п’ять років потому — у червні 2010-го. Японські вчені здобули унікальну можливість дослідити позаземну породу, адже це була перша в історії людства доставка зразків астероїда на Землю.

Подорож Hayabusa стала водночас і першою космічною місією для новоствореного Японського агентства з аерокосмічних досліджень (JAXA), куди увійшли три провідні космічні підприємства країни: Інститут космічних та астронавтичних наук (ISAS), Національне агентство космічного розвитку (NASDA) та Національна аерокосмічна лабораторія Японії (NAL). 

За 4,5 роки після повернення першого Hayabusa JAXA вирішило повторити досвід здобуття позаземних зразків, запустивши до астероїда 162173 Рюгу космічний апарат Hayabusa 2. Місія стартувала 3 грудня 2014 року на ракеті Н-2А з Космічного центру Танеґасіма.

Порівняно з першим зондом, Hayabusa 2 мав кращу навігаційну систему та систему управління орієнтацією у просторі. Оснащувався чотирма основними іонними рушіями μ10, кожен з яким генерував тягу у 28 мН. Здатність до маневрування Hayabusa 2 забезпечували 12 допоміжних підрулювальних двигунів (кожен з яких генерував тягу у 20 Н). Майже третина від 609 кг загальної маси зонда відводилася на рушійний відділ IES (155 кг) та ксенонове паливо (66 кг). Електроживленням опікувалася пара бічних сонячних панелей, а зворотний зв’язок із Землею підтримували дві параболічні антени HGA (High Gain Antenna).

27 червня 2018 року космічний зонд наблизився на відстань 20 км до астероїда Рюгу, звідки провів свій перший етап дистанційних досліджень. Фотографували та вивчали поверхню Рюгу три малих марсоходи. Так, капсула MINERVA-II1 містила Rover-1A (HIBOU) та Rover-1B (OWL), а всередині MINERVA-II2 був Rover-2. Перша пара роверів з MINERVA-II1 відстикувалася 21 вересня 2018 року від Hayabusa 2 та невдовзі здійснила м’яку посадку на поверхню Рюгу. 

Обидва астероїдні ровери були пласкими циліндрами діаметром 18 см та 7 см заввишки. У їхній нижній частині розташувалися мініатюрні двигуни, які здійснювали короткочасне запалення, дозволяючи обертовими стрибками рухатися поверхнею астероїда. На жаль, перша партія роверів не знайшла ділянки м’якого астероїдного реголіту, оскільки висадилася в кам’янистій зоні небесного тіла. Загалом HIBOU працював 36 земних діб, а OWL — всього три, проте за цей час вони зробили низку фотографій та відео з поверхні Рюгу.

3 жовтня того ж року на Рюгу опустився посадковий модуль MASCOT у формі прямокутної коробки, начиненої дослідницьким обладнанням: інфрачервоним спектрометром, магнітометром, радіометром. Також мав мініатюрну камеру, подібну до встановлених на HIBOU та OWL. Він працював на поверхні астероїда протягом 16 годин, передаючи на Землю дані своїх вимірювальних приладів. Тільки за рік, 8 жовтня 2019 року, друга посадкова капсула MINERVA-II 2, оснащена Rover-2, здійснила жорстку посадку на Рюгу. Це перешкодило низці експериментів, зокрема із засвіченням частинок астероїдного пилу ультрафіолетовими світлодіодами.

Здобуття зразків Рюгу передбачало два етапи: збирання поверхневих проб спеціальним пробозабірником та за допомогою кінетичного пострілу великої потужності з подальшим забором вивільненої після удару підповерхневої породи.

21 лютого 2019 року Hayabusa 2 майже впритул наблизився до Рюгу, розгорнув спеціальний пристрій і вистрілив п’ятиграмовою кулею з танталу. Зі швидкістю 300 м/с вона врізалася в поверхню, частинки пилу потрапили у пробозабірник, який перенаправив їх у капсулу для повернення.

Після першого успіху Hayabusa 2 спробував отримати зразки підповерхневого ґрунту. На відстані 300 м від Рюгу зонд здійснив постріл кінетичним снарядом зі свого пристрою SCI impactor. Здійнялася велика кількість реголітного пилу, що попрямував до Hayabusa 2 і також зрештою потрапив у камеру для повернення зразків.

Після досягнення головної мети місії JAXA наказало зонду повернутися зі зразками на Землю. У листопаді 2019 року Hayabusa 2 вирушив у зворотну подорож, аж ось аерокосмічне агентство вирішило пролонгувати цю космічну місію. Для Hayabusa 2 знайшли ще кілька цілей серед ближніх навколоземних астероїдів: на липень 2026-го заплановано проліт астероїда 2001 CC, а на липень 2031-го — проліт 1998 KY. Економити паливо апарату допоможе низка гравітаційних маневрів, які він має здійснити у 2027 та 2028 роках.

Отже, на початку грудня 2020 року, підлетівши на відстань 220 км над Землею, Hayabusa 2 вивільнив свою спускову капсулу з отриманими зразками, та запаливши іонні двигуни, попрямував до своїх нових цілей.

JAXA стало першим космічним агентством у світі, яке успішно провело місії з доставки часточок породи астероїда на Землю. Зразки з 25143 Ітокава потрапили до японських вчених за 13 років до того, як аналогічний зонд OSIRIS-REx від NASA доправив на Землю фрагменти астероїда 101955 Бенну. Проте на цьому амбітні проєкти JAXA з дослідження космосу не скінчилися. Наближалися венеріанська та меркуріанська космічні місії.

Akatsuki та Bepi Colombo: перші планетарні місії

Невдача спіткала першу спробу доставити мініатюрний зонд Akatsuki для дослідження атмосфери Венери. Космічний апарат 21 травня 2010-го стартував на борту ракети H-2A. І попри вдалий запуск та відділення від ракети-носія, у грудні стався збій у його рушійній системі — орбітальний маневрений двигун працював лише три хвилини, тобто значно менше за час, необхідний для досягнення орбіти Венери. Так і не діставшись туди, космічний корабель з сухою масою 320 кг, завантажений науковими інструментами, залишився кружляти сонячною орбітою, подеколи наближаючись до недосяжного об’єкта своїх досліджень.

Але для інженерів JAXA невдача Akatsuki не стала приводом для згортання програми. Почалася кропітка робота, що мала на меті повернення зонда у поле його оперативної діяльності — на альтернативну еліптичну орбіту навколо Венери. Спроба зробити це відбулася 7 грудня 2015 року. Akatsuki здійснив 20-хвилинне запалення свого двопаливного гідразин-азотного орбітального двигуна та зміг-таки досягти орбіти, з якої було зручно спостерігати за Венерою.

Akatsuki став першим успіхом міжпланетних спостережень для JAXA. Зонд назвали Planet-C. Його попередник Planet-В, відомий ще як космічний корабель Nozomi, вирушив до Марса у 1998 році, однак не досягнув орбіти Червоної планети через збій електрики.

В арсеналі Akatsuki містилося шість інструментів для дослідження другої планети Сонячної системи, п’ять з яких були камерами, призначеними для зйомки в різних спектральних діапазонах.

UVI Imager — основна камера зонда, здатна робити зображення у ультрафіолетовому діапазоні з довжиною хвилі 283–365 нм. Попри те, що прилад призначався для спостереження за атмосферою, він створив кілька загальних світлин планети. 

Akatsuki оснастили й оптичною камерою Lightning and Airglow Camera (LAC) для фотографування блискавок у верхніх шарах венеріанської атмосфери. Мав він і три типи інфрачервоних камер: LIR (Longwave infrared camera) вела зйомку на довжині хвилі 10 мкм; IR1 проводила нічну зйомку теплового випромінювання планети на довжині хвилі 0,9–1 мкм; IR2 в нічний час досліджувала непрозорість нижніх хмар, а вдень вимірювала вміст CO₂.

Шостим інструментом на Akatsuki став ультрастабільний осцилятор (USO), який проводив експеримент з радіоокультації і вимірював фізичні властивості венеріанської атмосфери. Радіоокультація являла собою штучне перекриття (заломлення) радіосигналу, що проходив крізь атмосферу, дозволяючи дізнатися про її стан шляхом дослідження коефіцієнта цього заломлення.

Дві інфрачервоні камери Akatsuki здійснювали спостереження до грудня 2016 року, аж поки збій бортової електроніки не вивів їх із ладу. У 2018-му космічний зонд виконав дворічний план своєї дослідницької діяльності і перейшов до розширеного режиму експлуатації, який JAXA планувало підтримувати включно до 2028 року. Проте наприкінці травня 2024 року зв’язок з Akatsuki остаточно було втрачено через поломку обладнання для зв’язку. 

Інша планетарна космічна місія JAXA, яка отримала назву BepiColombo, була організована сумісно з Європейським космічним агентством. Ця місія стала останньою з серії космічної ініціативи ESA — New Horizons 2000+, присвяченої міжпланетним дослідженням. 

Головна мета BepiColombo — ретельне вивчення Меркурія, включно з магнітосферою планети, її фізичними властивостями та внутрішнім устроєм. JAXA відповідало за створення Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), а ESA розробило Mercury Planetary Orbiter (MPO).

Після виходу на орбіту Меркурія зонди займатимуть свої місця. Так, європейський MPO досліджуватиме планету з близької відстані (орбіта складе 480×1500 км), а японський MMO — з більш далекої орбіти (590×11640 км).

На ракеті Ariane 5 BepiColombo стартував 20 жовтня 2018 року. За попередніми очікуваннями, він вийде на сталу орбіту навколо Меркурія у листопаді 2026 року. У червні 2023-го космічний апарат здійснив максимально близький проліт повз Меркурій (на відстані 235 км), що тривав пів години. У результаті групі вчених з Лабораторії фізики плазми Паризької обсерваторії дісталися якісні знімки меркуріанської магнітосфери. Це стало вже третім наближенням до планети під час низки гравітаційних маневрів, необхідних BepiColombo для найбільш енергоефективного досягнення стабільної планетарної орбіти.

Трохи більше року залишилося до виходу BepiColombo на меркуріанську орбіту, після чого розпочнеться відокремлення двох його модулів: MMO та MPO. Основна фаза спільної місії JAXA та ESA має тривати до квітня 2029 року. 

Роботизовані прибиральники, дерев’яні кубсати та солярні вітрила: космічне майбутнє за версією JAXA

Сьогодні JAXA (як і вся Японія загалом) є однією з найбільш прогресивних космічних агенцій світу. Передусім це полягає в особливому баченні Японією екологічного майбутнього космічного простору в контексті зменшення шкідливого впливу людства на нього. За останні п’ять років це нове бачення породило багато цікавих ініціатив, спрямованих на те, аби зробити навколоземну орбіту менш засміченою.

Восени 2020 року агентство започаткувало програму Commercial Removal of Debris Demonstration (CRD2) задля прибирання великих залишків штучного космічного сміття з навколоземної орбіти за допомогою оснащеного роботизованою рукою-маніпулятором космічного апарата. Важливо усвідомлювати, що CRD2 — не просто демонстраційна разова місія. JAXA має на меті створити новий повноцінний комерційний ринок, зосереджений на наданні послуг з прибирання орбіти, та сприятиме заснуванню цілої низки комерційних операторів.

У межах першої фази фінансування CRD2 японська компанія Astroscale Holdings Inc. зі штаб-квартирою у Токіо спроєктувала космічний апарат для активного видалення орбітального сміття ADRAS-J. Його було запущено 18 лютого 2024 року для підготовки до усунення з орбіти Землі другого ступеня ракети Н-2А, який курсував там упродовж 15 років, з січня 2009-го.

Ці світлини допоможуть з’ясувати деградацію космічного сміття, а також протестувати маневр операції наближення та рандеву (RPO), який знадобиться на заключному етапі захвату та відбуксування уламків у атмосферу Землі. 20 серпня JAXA уклало з Astroscale нову партнерську угоду в межах другої фази CRD2, яка вже демонструватиме захоплення та видалення ступеня ракети Н-2А з орбіти. 

Інша нова екологічна ініціатива JAXA пов’язана із запуском таких типів космічних апаратів, які взагалі не будуть залишатися на орбіті після закінчення свого експлуатаційного терміну. 5 листопада цього року в космічний простір було запущено перший у світі дерев’яний супутник LignoSat, розроблений Кіотським університетом у партнерстві з будівельною комерційною компанією Sumitomo Forestry.

Мініатюрний супутник 10×10×10 см спочатку було доставлено на МКС, з борту якої його вивели на орбіту. Звісно, звичайні металеві супутники згорають при вході в атмосферу, але залишається багато металевих частинок, які негативно впливають на довкілля та можуть створювати перешкоди для телекомунікаційних сигналів (у випадку з великими супутниками).

Ініціатива вчених з Кіотського університету полягає в тестуванні використання дерев’яних матеріалів для будівництва супутників. На перший погляд, цікава альтернатива. Та все ж таки залишається багато запитань. Уже зараз зрозуміло, що повністю відійти від використання металів не вийде, вони все одно будуть наявні в електронних пристроях супутника та каркасі. Інше етичне питання полягає у тому, що дерев’яні супутники все ще запускають ракети, що працюють на ракетному паливі, яке містить у своєму складі важкі речовини та негативно впливає на атмосферу та озоновий шар Землі. Ба більше, цей вплив виявляється неспівставним із надлишковими металами після згоряння супутника. Тож на цьому тлі екологічна ініціатива кіотських вчених використовувати дерев’яні супутники є дещо наївною.

Щодо зелених ініціатив JAXA в контексті більш дбайливого ставлення до космічного простору варто також згадати експеримент з розгортання сонячного вітрила IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), який відбувся у 2010 році. Сонячне вітрило IKAROS мало площу 20×20 м та товщину шару у 0,0075 мм.

Демонстрація IKAROS стала першим у світі застосуванням технології руху за допомогою лише сонячного вітру і без будь-яких типів космічного палива. Головною проблемою організації міжпланетного руху в такий спосіб залишаються необхідні розміри сонячних вітрил (до прикладу, для подорожі на Юпітер потрібна площа вітрила може сягнути кількох кілометрів). Однак вітрила таких великих розмірів стають вразливими до мікрометеоритів, здатних пошкодити їхню надтонку тканину.

Та попри деякі проблеми на шляху JAXA до більш раціонального та екологічного підходу у використанні космічного простору, японське агентство надалі залишається безперечним світовим лідером у цій справі. Рік за роком JAXA робить нові кроки на цьому полі, акцентуючи увагу всього космічного товариства на зазначеній проблемі.