Ученые разрабатывают космический корабль для защиты от астероидов

Лоуренс-Ливерморская национальная лаборатория (ЛЛНЛ) разработала концептуальный космический корабль, чтобы отклонить астероиды, которые могут упасть на Землю, и оценила, сможет ли он оттолкнуть массивный астероид, — который имеет шанс столкнуться с Землей в 2135 году. Дизайн и тематическое исследование изложены в документе, опубликованном недавно в Acta Astronautica.

9-метровый, 8,8-тонный космический корабль, получивший название HAMMER (Hypervelocity Asteroid Mitigation Mission for Emergency Response vehicle) — имеет модульную конструкцию, которая позволила бы ему служить либо кинетическим ударником — по существу, тараном, либо транспортным средством для ядерного устройства.

Его возможная миссия: отклонить 101955 Bennu, массивный астероид около 500 метров (более 5 футбольных полей) в диаметре, весом около 79 миллиардов килограмм (в 1664 раза больше, чем у «Титаника»), который двигается по орбите со скоростью около 63 000 миль в час. Исходя из имеющихся данных, Бенну имеет 1 из 2700 шансов поразить Землю 25 сентября 2135 года, и считается, что кинетическая энергия этого воздействия будет эквивалентна 1200 мегатоннам (в 80 000 раз больше энергии бомбы Хиросимы).

«Вероятность воздействия сейчас кажется небольшой, но последствия будут ужасными», — сказала Кирстен Хоули, физик LLNL. «Наше исследование помогает нам сократить сроки ответа, когда мы увидим ясную и настоящую опасность, поэтому у нас может быть больше возможностей отклонить ее. Конечная цель — быть готовым защитить жизнь на Земле».

Предпочтительным подходом к смягчению угрозы астероида была бы возможность отклонить его, обеспечив мягкое подталкивание, достаточно большое, чтобы замедлить его, но не настолько большое, чтобы объект развалился на части. Исследование помогло определить пороговое значение, при котором кинетический удар больше не будет эффективным вариантом отклонения. Чтобы оценить этот порог, исследователи сосредоточились на определении того, сколько импакторов HAMMER потребуется для отклонения астероида Bennu.

«Толчок, который вам нужно сделать, очень мал, если вы планируете отклонить астероид через 50 лет», — сказал Хоули. «Вероятность попадания Bennu может составлять 1 из 2700 сегодня, но она почти наверняка изменится — к лучшему или худшему — по мере того, как мы собираем все больше данных о его орбите. Задержка — величайший враг любой миссии по отклонению астероидов, поэтому существует настоятельная необходимость в создании жизнеспособных платформ отклонения уже сегодня».

Исследователи считают, что потребуется не менее 7,4 лет, прежде чем импульс может быть передан объекту. Это включает время, необходимое для создания космического корабля, планирования миссии и полет к астероиду. Предполагая, что корабль успешно выполнит свою миссию, слегка замедлив астероид, потребовалось бы много лет, чтобы небольшое изменение скорости накапливалось в достаточном изменении траектории.

Исследователи оценили ряд сценариев отклонения в своем исследовании, начиная с запусков за 10 лет до падения и заканчивая 25-ю годами. В 10-летних сценариях было определено, что необходимо совершить от 34 до 53 запусков ракеты Delta IV Heavy, каждая из которых несет единственный HAMMER, чтобы астероид класса Bennu пролетел мимо Земли. Если бы было 25 лет, это число можно было бы сократить до 7-11 запусков. Точное число будет зависеть от желаемого расстояния расхождения с Землей и условий удара по астероиду.

«Когда требуется много запусков для успешного отклонения, успех миссии становится более сложным из-за частоты сбоев, связанных с каждым отдельным запуском», — говорит Меган Брук Сейл, физик LLNL и соавтор статьи. «Если бы у нас было только десять лет с момента запуска, нам нужно было бы поразить астероид сотнями тонн взрывчатого вещества, чтобы едва отклонить его.

Насколько большой астероид мог отклонить один ударный элемент? Исследователи определили, что единственный ударный элемент HAMMER может отклонить объект диаметром 90 метров примерно на 1,4 радиусов Земли с 10-летним сроком задержки — со времени запуска до ожидаемого воздействия на Землю. Если бы мы нуждались в меньшем расстоянии, около четверти радиуса Земли, один ударный элемент мог бы быть эффективным на объекте диаметром до 152 метров в этом же сценарии.

В конечном итоге в документе было сделано заключение о том, что использование одного космического аппарата HAMMER в качестве боевого тарана окажется недостаточным для отклонения объекта, такого как Bennu. Хотя недавние симуляции сценариев ядерного отклонения не включены в этот документ — они будут включены в сопроводительный документ, который будет представлен для публикации в ближайшем будущем, — результаты показывают, что ядерный вариант может потребоваться в случае с более крупными объектами, такими как астероид Бенну. Ядерный подход имеет потенциал для внесения гораздо большего количества энергии в объект, что приводит к увеличению изменения скорости и траектории.

В отличие от популярных изображений миссии ядерного отклонения, как в фильме Армагеддон, подход ядерного отклонения состоял бы в том, чтобы взорвать ядерное взрывное устройство на некотором расстоянии от астероида. Это наполнило бы одну сторону астероида рентгеновскими лучами, испаряя его поверхность, что создавало бы движение, поскольку испаряемый материал выбрасывался бы из объекта. В отличие от кинетического удар, количество ядерной энергии, можно настроить, отрегулировав расстояние от астероида при детонировании.

Поскольку астероид Бенну регулярно подходит достаточно близко к Земле, исследователи могут оценить его орбиту с достаточной точностью, чтобы дать предупреждение за несколько десятилетий, если он повлияет на Землю. Этот околоземный пролет Бэнну происходит каждые шесть лет. Но для других объектов, которые регулярно не проходят достаточно близко к Земле для радиолокационных наблюдений, существует гораздо большая неопределенность.

Если они ограничены телескопическими наблюдениями, возможно, что исследователи могут не быть на 100% уверенными в возможности ударе менее чем за год до столкновения. В сценарии, где слишком мало времени для установки эффективной миссии отклонения,  вариант отклонения с помощью ядерного взрывного устройства остается самым надежным, хотя окно возможностей будет очень небольшим.

Больше информации: Brent W. Barbee et al. Options and uncertainties in planetary defense: Mission planning and vehicle design for flexible response, Acta Astronautica (2017). DOI: 10.1016/j.actaastro.2017.10.021