В романе “Туманность Андромеды” Ивана Антоновича Ефремова, журнальная версия которого начала публиковаться еще до запуска первого спутника, описано фантастическое устройство — “геологическая бомба”. Заряд огромной мощности сбрасывается на планету, подрывается, образцы минералов поднимаются в верхние слои атмосферы, откуда и всасываются в пробоотборники пролетающего звездолета. Прошедшие годы развития космонавтики показали, что Иван Антонович (который, как известно, также был ученым-палеонтологом) предсказал будущее в целом верно. Бомбы огромной мощности на небесные тела, правда, не сбрасывались, но миссии, которые устраивали большой выброс и изучали его, были в истории космонавтики. А вот фильм “Армагеддон” можно смотреть разве что как комедию — и шаттлы бы до астероида не долетели, и практика космонавтики показывает, что героические бурильщики с Брюсом Уиллисом оказываются совсем лишними. Единственная разумная концепция в фильме — заряд действительно лучше подрывать под поверхностью для большего эффекта. В этом материале мы поговорим про импакторы — аппараты, которые человечество специально разбивало или еще только собирается разбить о другие небесные тела.


Попадание импактора в комету 9P/Темпеля, фото Deep Impact/NASA

Жесткие посадки

Станции программы Е-3, “Луна-1” и “Луна-2”

Первым аппаратом, который запустили с целью попасть в другое небесное тело, стала полетевшая 2 января 1959 советская “Луна-1”. Но она промазала — по одной из версий не учли время прохождения команды на выключение двигателя от наземной станции до успевшей удалиться достаточно далеко ступени ракеты-носителя, по другой персонал наземного пункта управления совершил ошибку, настраивая приборы 1 января. Станция прошла мимо Луны, зафиксировав у нее отсутствие магнитного поля. А вот запущенная 12 сентября 1959 “Луна-2” благополучно достигла цели 13 сентября, упав между кратерами Автолик, Аристилл и Архимед.



В СМИ того времени использовался термин “жесткая посадка”, но станция массой 390 кг по сути просто врезалась в Луну со скоростью 3,3 км/с. Как показывают последующие миссии, от такого удара остается кратер диаметром более 13 метров. Но советские инженеры приготовили хитрость — внутри станции располагался шарик из пятиугольных вымпелов, внутри начиненный взрывчаткой. В момент удара заряд подрывался и находящиеся в верхней части шарика вымпелы теоретически должны были затормозиться до околонулевых скоростей. А в летевшей по близкой траектории ступени ракеты-носителя разместили ленту с вымпелом, которая должна была пережить столкновение за счет противоперегрузочной ванны.


Шарик и лента вымпела

Подтверждением попадания в Луну было исчезновение сигнала со станции. Что любопытно, некоторые астрономы и обсерватории сообщали о наблюдениях вспышки попадания и облака пыли после него, но координаты этих наблюдений сильно различаются.

Причина, по которой была выбрана траектория столкновения с Луной, проста: на ракете-носителе “Р-7” очень быстро, меньше, чем за год, появилась третья ступень “Блок Е”. Она подняла грузоподъемность до 4,5 тонны на низкую орбиту, что позволило запустить Гагарина и других космонавтов на кораблях “Восток” или разогнать небольшой аппарат до второй космической скорости. Но чтобы станция сколько-нибудь серьезной массы могла совершить мягкую посадку на Луну, потребовалась еще одна, четвертая ступень, “Блок Л”, которая появилась позже.


“Рейнджер” серии Block III, фото NASA

В США после неудачных пусков ранних “Пионеров” с аппаратами массой 30 или даже 5 кг переключились на программу “Рейнджер”. Верхняя ступень “Аджена”, установленная на ракету “Атлас”, позволила, как и в советском случае, отправить к Луне аппарат массой три с половиной центнера. “Рейнджеры” первой серии, Block I (первый и второй Рейнджеры), были тестовыми стендами для отработки технологий. Из-за проблем с “Адженой” они не смогли улететь дальше низкой земной орбиты. “Рейнджеры” Block II (третий, четвертый и пятый) были оснащены детектором излучения и телекамерой. Расположенный в сбрасываемом блоке с собственным тормозным двигателем сейсмометр должен был совершить жесткую посадку на Луну. Увы, все три аппарата не смогли выполнить задачу, в Луну попал только четвертый “Рейнджер”, но в полностью неработоспособном состоянии. На серии Block III с аппарата сняли всю научную нагрузку, зато количество камер увеличили до шести, причем, для надежности, развели их по отдельным подсистемам. У “Рейнджера-6” все работало прекрасно, но вот все шесть камер отказали, и аппарат упал на Луну, не передав никакой полезной информации. Зато “Рейнджеры” под номерами 7, 8 и 9 полностью выполнили свои задачи, передав отличные кадры падения.


Кадры с одной из камер “Рейнджера-9”

Благодаря тому, что с уменьшением высоты передавался все меньший район поверхности со все более высоким разрешением (последний кадр вообще передавался частично, обрываясь в момент крушения аппарата), места падений были точно известны и их легко нашли на кадрах с орбитального аппарата LRO, запущенного в 2009. “Рейнджеры”, в отличие от “Луны-2”, выходили сначала на низкую промежуточную околоземную орбиту и отправлялись к Луне с меньшей скоростью, поэтому в момент столкновения их скорость составляла 2,6 км/с. Аппараты весом в районе 370 кг оставили на поверхности нашего спутника кратеры диаметром 13 метров.


Светлый кратер вверху — место падения “Рейнджера-7”, фото NASA

Первые импакторы

Ступень S-IVB, в нижней части фото люди для масштаба. Фото NASA

Первыми рукотворными объектами, научную пользу от которых планировали получить, разбивая их о другое небесное тело, стали третьи ступени ракет-носителей “Сатурн V”, S-IVB. Начиная с “Аполлона-13” ступень сухой массой 13,5 тонны с остатками топлива выводилась на траекторию падения на Луну. Оставленные экспедициями, начиная с “Аполлона-12” (у одиннадцатого был сокращенный набор научных приборов), сейсмометры фиксировали расходящиеся от падения сейсмические волны.


Глубокое лунотрясение, удар метеорита, неглубокое лунотрясение и удар ступени, данные сейсмометров “Аполлонов”.

Ценность данных от разбитых ступеней заключалась в точном знании времени, места и силы удара. Можно было рассчитать скорость распространения сейсмических волн под поверхностью Луны и узнать о внутреннем строении нашего спутника. На записях сейсмометров видна разница лунотрясений, падений метеоритов и ступеней. S-IVB врезались в Луну с типичной перелетной скоростью в районе 2,5 км/с. Из-за большой массы тротиловый эквивалент удара составлял десять тонн, а получившиеся в результате кратеры имеют диаметр 30 метров.


Кратер от упавшей ступени “Аполлона-13”, фото NASA

Не импакторы

“Венера-3”

А вот станции, которые вошли в атмосферу Венеры, назвать импакторами не получится. Даже в случае, если на них не было парашютов. 1 марта 1966 жесткую посадку на соседнюю планету совершила советская “Венера-3”, в спускаемом аппарате располагался глобус Земли и медаль с вымпелом СССР. Но очень плотная атмосфера Венеры означала, что заметного кратера это падение не произвело. Да и никаких научных данных о Венере станция, вышедшая из строя задолго до подлета, или спускаемый аппарат не передали. Но вымпел с гербом лежат где-то на поверхности и являются первыми рукотворными объектами человечества на другой планете.


“Пионер-Венера-2”, фото NASA

В 1978 году NASA запустило к Венере два зонда по программе “Пионер-Венера”. Запущенный вторым был носителем четырех спускаемых аппаратов, одного большого и трех маленьких. На большом был парашют, а вот маленькие падали свободно. Но скорости падения и конструкция оказались таковы, что один из трех аппаратов пережил падение и некоторое время проработал на поверхности.

Также в этом материале не рассматривается намеренное сведение аппаратов с орбиты после окончания срока их работы или неуправляемое падение сломавшихся межпланетных станций на небесное тело, вокруг которого они обращались. Несмотря на то, что в таком последнем маневре могли получать новые научные данные, изначальной задачей аппаратов была работа на орбите.

Пенетраторы

А еще стоит разделять по назначению импакторы и пенетраторы. Для первых главное — ударить вообще, а вот вторым кинетическая энергия удара нужна для того, чтобы погрузить научные приборы под поверхность. К сожалению, с пенетраторами человечеству пока что сильно не везло.


Макет пенетратора “Марс-96” в разрезе, фото R.Lorenz

На станции “Марс-96” установили два больших пенетратора. Они должны были отделиться, войти в атмосферу, раскрыть стабилизирующий парашют-воротник и на большой скорости удариться о поверхность. Нижняя часть должна была за счет удара погрузиться на 5-6 метров и начать передавать научные данные. Увы, “Марс-96” не улетел дальше земной орбиты.


Пенетраторы Deep Space 2, фото NASA

На борту аппарата NASA Mars Polar Lander располагались два небольших пенетратора Deep Space 2. Они весили всего 2,4 кг и при падении на поверхность со скоростью 179 м/с должны были погрузить свои нижние части на полметра. Достоверно известно, что Mars Polar Lander погрузился в атмосферу красной планеты 3 декабря 1999 года. Но ни основной посадочный аппарат ни пенетраторы на связь не вышли. Уже в 21 веке NASA попыталось решить задачу погрузить приборы под поверхность самозабивающимся зондом в составе миссии Mars InSight, но в нем сильно просчитались с оценкой параметров грунта, и, несмотря на все старания, зонд так и не смог уйти на глубину.

Deep Impact

В одно лето 1998 года с “Армагеддоном” вышел гораздо менее известный фильм “Deep Impact”, в русском переводе “Столкновение с бездной”. Как и “Армагеддон”, он получил невысокие оценки критиков, хотя тоже был успешен в прокате. А еще он был немного более научно корректным. Так что нет ничего удивительного, что запущенный в 2005 году аппарат NASA, который должен был ударить импактором по комете 9P/Темпеля, назвали Deep Impact.


Deep Impact в монтажно-испытательном комплексе, импактор внизу, фото NASA

Пролетный аппарат имел массу 601 кг. Его главными научными приборами были две камеры, одна, основная, более длиннофокусная, с присоединенным инфракрасным спектрометром, другая — с большим полем зрения, про запас. Импактор имел массу 372 кг, из которых 100 кг составляла медная “кратерообразующая масса”. Это был полноценный космический аппарат, после отделения самостоятельно наводившийся на комету и передававший кадры сближения.

Импактор отделился за пять суток до пролета кометы. Пролетный аппарат затормозился, чтобы уйти в сторону. Попадание произошло в 5:45 UTC 4 июля 2005 года, совпав с одним из главных праздников США — Днем независимости.


Видео падения, собранное из фотографий импактора


Видео попадания, съемка пролетного аппарата

Столкновение произошло на относительной скорости 10 км/с, и его тротиловый эквивалент составил 5 тонн. С поверхности кометы было выброшено 5 миллионов килограмм воды и 10-25 миллионов килограмм пыли, и она на короткое время стала в шесть раз ярче. Из-за огромного выброса вещества пролетный аппарат не смог сфотографировать кратер в хорошем качестве. В 2011 году комету навестил запущенный в 1999 и давно выполнивший основную миссию аппарат Stardust, и на новых фотографиях диаметр кратера оценили в 150 метров. А собранные научные данные преподнесли сюрприз — в комете оказалось гораздо больше пыли и меньше льда, нежели ожидалось.

Пролетный аппарат Deep Impact после выполнения основной миссии проработал еще восемь лет, провел наблюдения комет 103P/Хартли, C/2009 P1 Гаррадда, ISON и вышел из строя в 2013 из-за переполнения разрядов таймера бортового компьютера.

Moon Impact Probe

Moon Impact Probe (справа) устанавливают на “Чандраян-1” (слева), фото ISRO

В 2008 году к Луне отправился индийский зонд “Чандраян-1”. Вместе с ним летел аппарат Moon Impact Probe. Особенность его миссии заключалась в том, что его должны были разбить о Луну, но научные данные он должен был собирать в последние минуты перед падением. MIP имел массу 32 кг и нес три научных прибора — высотомер, камеру и масс-спектрометр. Он отделился от “Чандраян-1”, когда последний был на низкой лунной орбите, закрутился, включил тормозной двигатель и начал свой спуск в район южного полюса 14 ноября 2008. Полученные данные произвели сенсацию — Индия, опередив передовые космические державы, нашла воду на Луне! Правда, опубликовали их уже после подтверждения прибором NASA, который стоял на орбитальном аппарате.


Реконструкция траектории MIP, источник

Из-за того, что аппарат начал полет с низкой лунной орбиты и тормозил, его скорость в момент падения составила 1,6 км/с. Но в этой миссии главной задачей был не удар, а возможность оказаться на очень маленькой высоте, где масс-спектрометр смог бы зафиксировать следы воды в экзосфере (очень разреженном слое газов над Луной), пусть такое снижение и можно выполнить всего один раз. Реконструкция траектории по переданным фотографиям говорит, что MIP упал совсем рядом с кратером Шеклтона и южным полюсом Луны.

LCROSS

Полет LCROSS в представлении художника NASA

У хорошей хозяйки все идет в дело. Когда в 2009 к Луне отправился аппарат NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), на близкую траекторию неизбежно выходил разгонный блок Centaur. Возникла идея вспомнить времена “Аполлонов” и получить полезные научные данные от его удара о Луну. Для этого на базе переходника, на котором и так бы располагался LRO, создали аппарат Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) — “спутник, наблюдающий и исследующий лунный кратер”. Идея миссии заключалась в том, что связка ступени и зонда пролетала около южного полюса Луны, чем резко меняла наклонение своей орбиты и переходила на траекторию падения в районе южного полюса Луны через несколько витков. Примерно за девять часов до падения LCROSS отделялся от ступени. Ступень уходила вперед, разбивалась о Луну, а зонд пролетал через облако выброса и собирал научные данные.


Падение ступени, фото с LCROSS

Ожидалось, что упавшая на скорости 2,5 км/с ступень сухой массой 2,3 тонны вызовет взрыв, эквивалентный двум тоннам тротила, и заметный даже в любительские телескопы выброс. Увы, с Земли ничего не смогли заметить даже продвинутые обсерватории. LCROSS зафиксировал вспышку в момент падения ступени и благополучно подтвердил наличие воды в выброшенном материале, но вот никаких красивых фотографий человечество не получило.

SCI

SCI, фото JAXA

Наверное, вы уже успели заметить инженерную сложность с импакторами: для того, чтобы получить впечатляющий удар, нужно взять массу побольше и разогнать ее посильнее. А и масса и относительная скорость являются сущими драгоценностями в космонавтике. Возник очевидный вопрос — а нельзя ли придумать какой-нибудь способ шарахнуть посильнее по небесному телу, но при этом чтобы импактор был легким, компактным и его можно было бы сбросить с низкой относительной скорости?

Вариант решения предложили в Японском космическом агентстве. Аппарат “Хаябуса-2” нес на себе Small Carry-on Impactor (SCI) — “маленький носимый импактор”. Небольшой аппаратик, который правильнее сравнить с кумулятивной бомбой, весил всего 9,7 кг. 4,7 кг взрывчатки, в форме конуса, создавали ударное ядро из 2,5 кг меди, движущееся на скорости 2 км/с.


Механизм формирования ударного ядра, изображение JAXA

Технологию успешно опробовали на астероиде Рюгу 5 апреля 2019, получив в итоге кратер диаметром 17,6 метров и полезные знания о внутреннем устройстве астероида. Полученный выброс управлялся силами гравитации, а не прочностью поверхности.


Выброс материала астероида, фото JAXA

DART

В настоящий момент не обнаружено непосредственно угрожающих Земле в ближайшие годы крупных астероидов. Но по пересекающимся орбитам летает большое количество астероидов, которые при всей огромности космоса могут когда-нибудь оказаться опасными. Хорошее и разумное дело — приготовиться к отражению такой опасности. И для этого около Земли как раз летает подходящая мишень.


Астероиды Дидим и Диморф, радарное изображение обсерватории Аресибо

В 1996 году был обнаружен околоземный астероид (65803) Дидим. В 2003 году радар обсерватории Аресибо (ныне разрушившейся от старости) обнаружил, что это двойной астероид — вокруг Дидима диаметром 780 м летал 170-м астероид, который назвали Диморф. Небольшие размеры Диморфа — он вообще одно из самых маленьких небесных тел, имеющих свое имя — подсказывали, что на нем можно сравнительно легким аппаратом проверить эффект от меняющего орбиту импактора.


Сборка DART, фото NASA

Аппарат Double Asteroid Redirection Test (DART) — “Испытание изменения орбиты двойного астероида” представляет собой простой и дешевый технологический демонстратор аппарата, который бы отклонил в сторону опасный астероид, раз шаттлы уже не летают и Брюс Уиллис достиг пенсионного возраста. Масса DART составляет 610 кг, и на его борту всего один научный прибор — камера DRACO, которая одновременно будет использоваться для наведения этой научной “боеголовки”. Параллельно основной задаче в полете будут испытаны новые рулонные солнечные панели ROSA и новая модификация ионного двигателя NEXT-C. Изначально планировалось, что DART отправится в полет попутной нагрузкой с коммерческим запуском на геостационарную орбиту и будет самостоятельно разгоняться для перехвата астероида. Планировалось также пролететь мимо еще одного астероида, чтобы его сфотографировать. Но затем миссия пересела на выделенный пуск Falcon 9 и стала первым научным пуском SpaceX за пределы земной орбиты. Поэтому вторая ступень Falcon 9 вывела аппарат сразу на траекторию прямого перехвата астероида, и тестирование панелей с двигателем будет проведено по сокращенной программе.


LICIACube, источник

Если у Deep Impact был большой пролетный аппарат и маленький импактор, то у DART все наоборот. Его попадание будет снимать кубсат 6U LICIACube (“маленький итальянский кубсат для съемки астероидов”). Его масса составляет всего 14 кг, и он несет две камеры, одну более длиннофокусную, другую с более широким полем зрения. В отличие от пролетного аппарата Deep Impact у LICIACube практически отсутствует возможность изменения своей скорости, и вряд ли можно рассчитывать на его обширную автономную миссию после съемки попадания DART в астероид и передачи данных на землю.


Анимация попадания импактора в астероид типа “куча щебня”, изображение NASA

Ожидается, что удар на относительной скорости 6,6 км/с изменит орбитальную скорость Диморфа на 0,4 мм/с, что, в свою очередь, изменит период обращения (сейчас 11,92 часа) на десять минут. Со временем астероид окажется очень далеко от изначального положения на орбите, что будет заметно земными средствами. Но это примерные данные, дело в том, что ученые недостаточно понимают механику столкновения, чтобы дать точный прогноз. Предполагается, что Дидим и Диморф представляют собой “кучу щебня”, а не монолитные астероиды, ученые их вообще сравнивают с комочками пыли в нашей квартире. А удар импактора должен будет породить дополнительную тягу от выбрасываемого вещества астероида.

DART благополучно стартовал 24 ноября и прибудет к Диморфу в сентябре 2022.

OMOTENASHI

Схема OMOTENASHI, изображение JAXA

Импактором еще называют японский зонд Outstanding MOon exploration TEchnologies demonstrated by NAno Semi-Hard Impactor — ”Выдающиеся технологии изучения Луны полужестким импактором”, но этот аппарат корректнее сравнить даже не с советской “Луной-9”, совершившей мягкую посадку, а с “Рейнджерами” Block II. Это 6U кубсат, который прибудет к Луне в 2022 попутной нагрузкой беспилотного корабля Orion. Оказавшись на орбите, аппарат сориентируется тормозным двигателем вперед, сбросит боковые блоки, надует амортизаторы и включит тормозной двигатель. После торможения научный модуль массой 0,7 кг в амортизаторе упадет на поверхность с высоты нескольких сотен метров. В модуле всего один научный прибор, сейсмометр, но в случае успеха OMOTENASHI станет самым легким аппаратом, совершившим посадку на Луну.

HAMMER

Проект аппарата для изменения орбиты угрожающего астероида, изображение NASA

Когда в 2013 году над Челябинском взорвался метеорит, это вызвало усиление опасений падения астероидов. Сила взрыва была сравнима с тактическим ядерным зарядом, и город спасло лишь то, что метеорит взорвался очень высоко. Если бы в атмосферу над Челябинском вошел железо-никелевый метеорит, то могло бы получиться гораздо печальнее. На фоне этих опасений родился проект Hypervelocity Asteroid Mitigation Mission for Emergency Response — “Гиперскоростная миссия быстрого реагирования по предотвращению астероидной опасности”. И вот тут уже в аппарат предложили поставить ядерную бомбу. Логика в таком решении есть — чтобы изменить орбиту тяжелого астероида надо либо ударить по нему сильно заранее, либо отправить много аппаратов, либо же использовать ядерный заряд.

Что любопытно, в фильме “Армагеддон” таки было зерно правды — подрывать заряд действительно лучше под поверхностью. Но и тут не нужны героические бурильщики, первоначальный кратер предлагалось создать при помощи вынесенной вперед на штанге массы или же заранее отделяющегося и ударяющего первым дополнительного аппарата. А основной импактор с ядерным зарядом влетал бы в уже подготовленный кратер. Но с отсутствием явно угрожающих в ближайшее время астероидов интерес к проекту заметно снизился.

Китайский флот

Китайский импактор, источник

Летом этого года появилась новость о том, что китайские ученые предложили одновременно запустить на перехват астероиду 23 тяжелых импактора, выведенных на орбиту ракетами-носителями “Великий поход 5”. В исходном изложении статья выглядит скорее как результат чьего-то непонимания, у Китая один космодром для “Великих походов-5” на острове Хайнань, и строить еще 22 будет несколько накладно. Скорее всего, это прошедшее через “глухой телефон” исследование вроде “а вот если на пересекающейся траектории окажется очень тяжелый астероид размером с Бенну, то потребуется целых 23 тяжелых импактора, чтобы отвести его в сторону”. В подобных выкладках нет ничего необычного, проект HAMMER исходил из тех же ограничений.

Заключение

К счастью, пока Земле в ближайшее время крупные астероиды не угрожают, можно проводить научные эксперименты, а нам, простым зрителям, ждать зрелища эффектного удара DART по астероиду осенью следующего года. Также ожидается, что в 2024 к Дидиму и Диморфу отправится европейская миссия Hera, которая в 2027 выйдет на его орбиту и будет дополнительно изучать результаты столкновения.

Для тех, кому удобнее, видеоверсия.