Посадка на астероид, как известно, сложная.
У астероидов очень небольшая гравитация, потому что у них очень небольшая масса.
Большинство из них представляют собой груды щебня, скрепленные вместе, с поверхностями, покрытыми валунами, гравием и мелкими материалами, как на Луне, но с гораздо большей сплоченностью. На астероиде камень размером с здание банка весит столько же, сколько сверчок на Земле, что делает астронавта похожим на сверхчеловека.
Но к чему бы вы привязались, на что бы приземлились и как бы вы двигались?
Поскольку ученые и инженеры не знают самых основных механических свойств астероида, отправка посадки на астероид на миллиард долларов является рискованной и даже может потерпеть неудачу, пока не будут проведены некоторые предварительные исследования, на которые потребуются годы.
Команда из Университета штата Аризона пытается снизить этот риск и улучшить этот график, построив собственный «участок астероида» внутри небольшого вращающегося спутника стоимостью менее 100 000 долларов. Проект называется Asteroid Origins Satellite, или AOSAT I.
«Посадка на астероиды – одна из самых больших проблем нашего времени», – сказал робототехник Джекан Тханга.
Танга, доцент Школы исследования Земли и космоса в АГУ, является главным инженером-исследователем AOSAT I. "И космические агентства по всему миру, включая НАСА, очень сосредоточены на решении этой задачи."
Эрик Асфауг, планетолог и профессор АГУ, является научным руководителем исследовательского центра AOSAT I. Он и Танга планируют запустить в конце этого года миниатюрный спутник, который станет первой в мире лабораторией микрогравитации CubeSat. CubeSat – это небольшой модульный спутник с базой 10 на 10 сантиметров и различной длиной. AOSAT I будет иметь конфигурацию 3U, размером с буханку хлеба, с двумя развернутыми лабораториями во внешних блоках, каждая из которых будет содержать участок реального материала поверхности астероида.
В первом полете одна камера будет заполнена на глубину до нескольких сантиметров очень тонким материалом, представляющим межзвездную пыль или мелкие «пруды», наблюдаемые на нескольких астероидах. Вторая камера, в остальном идентичная, будет заполнена обломками ударно-фрагментированного хондритового метеоритного материала. После запуска в космос и свободного движения по орбите эти камни будут просто кувыркаться, что само по себе является интересным экспериментом.
Но чтобы создать реалистичную поверхность реголита, которую могли бы исследовать ученые, спутник вращается, чтобы создать условия, похожие на микрогравитацию.
«Мы берем астероидный материал, который приземлился на Землю, и отправляем его обратно в космос», – сказал Асфауг. "Это недорогая лаборатория, которая действительно строит участок астероида.
Это будет гравитация астероида. Он будет сделан из астероидов. Мы можем проводить всевозможные эксперименты."
Чтобы смоделировать гравитационное поле астероида диаметром 300 метров, AOSAT I вращается каждые 4 секунды.5 минут. Он может вращаться быстрее, чтобы воспроизвести условия реголита (поверхностного материала) для гораздо более крупных астероидов.
Эта конфигурация вращения легко достигается и стабилизируется стандартными подходами, что делает ее отличным подходом для обучения студентов.
Хотя большая часть CubeSat уже имеется в наличии, подход новаторский. CubeSats обычно использовались для тестирования инженерных проектов в космосе, поскольку это действительно ограниченный и относительно новый форм-фактор. С помощью CubeSats были выполнены великие научные исследования, хотя пока это только наблюдения.
По словам Танги, CubeSat еще не использовался для проведения экспериментов типа "пробирка и стакан", которые запланированы для AOSAT I.
Эксперименты будут проводиться роботами в торцевых камерах. Когда AOSAT I не вращается, это капсула в невесомости.
Здесь будут проводиться эксперименты, чтобы понять, как пыль собирается вместе, образуя астероиды – процесс, который разыгрывается в условиях невесомости в течение длительного времени. Простой роботизированный поршень разрабатывается для взаимодействия с участком реголита и может использоваться для срастания глобулы частиц, миниатюрного астероида из груды щебня, который можно вращать и трясти, наблюдая с помощью стереокамер.
Когда AOSAT I начинает вращаться, эти груды зерен разгоняются до внешних стенок. Наблюдение за этим процессом многое расскажет нам о поведении частиц туманности и потоках частиц в условиях микрогравитации на астероидах, например, после образования кратера.
Как только вращающийся AOSAT I стабилизируется (раз в несколько минут), будут проводиться эксперименты, чтобы лучше понять, на что похожи поверхности астероидов. «Вопросы очень простые, и именно поэтому все это так весело», – говорит Асфауг. Когда вы медленно толкаете камень, он встает на место или отталкивает другие камни и скользит по поверхности? Образуются ли узоры, когда вы посылаете вибрацию через реголит? Преобладает ли когезия над силой тяжести, так что камни слипаются в агрегаты??
Что происходит, когда вы заряжаете частицы?
Асфауг и Танга надеются ответить на эти вопросы, чтобы определить, какие устройства лучше всего подходят для посадки на реальные астероиды. «Астероид может быть просто большим количеством камней, просто сгруппированных в одну большую сущность, но ничто не удерживает их вместе», – сказал Танга. "Так что, если что-то собирается схватиться и попытаться приземлиться на это, не за что бороться."
Несмотря на небольшой масштаб экспериментов (участок с астероидом будет немного меньше чемодана компакт-диска), Asphaug и Thanga уверены в реальных приложениях AOSAT.
«Эти камни могут не отличить разницы, находятся ли они в центрифуге AOSAT или находятся на своем домашнем астероиде», – говорит Асфауг. После того, как AOSAT развернут, чтобы имитировать гравитационное поле астероида размером ~ 300 м (гравитационное поле 10-5 гравитационного поля Земли), его можно использовать для проверки механизмов посадки на астероид.
Первый AOSAT будет использовать простую руку, которая выполняет некоторые базовые взаимодействия, в то время как AOSAT следующего поколения будет оснащаться более совершенным роботизированным оборудованием.
Танга использует аналогию с аэродинамической трубой, чтобы описать научный подход к своим экспериментам. В аэродинамической трубе исследователи подвергают мелкомасштабные модели самолетов условиям, которые они ожидают в полете.
Затем расчеты и проекты масштабируются и применяются к реальной вещи. «Мы можем тестировать астероиды в этой аналогичной системе, похожей на аэродинамическую трубу, доказывать и опровергать теории и лучше понимать наши модели», – говорит Тханга.
Посадка на астероид может быть чрезвычайно сложной, но это также чрезвычайно желательная цель со многих точек зрения. Добыча астероидов, колонизация астероидов или использование астероидов в качестве ступеней к Марсу и другим планетам раньше были предметом научной фантастики. Теперь он находится на столе администраторов НАСА, которых просят найти способы отклонить опасные астероиды и открыть новые способы использования астероидов, а также задействовать астероиды как часть пути астронавтов к Марсу.
Виранга Перера, аспирантка АГУ, руководящая системным проектированием проекта, считает «удивительным то, что эту очень дешевую платформу AOSAT можно использовать для изучения такой фундаментальной концепции, как планетарная аккреция, и что она может служить тестом. кровать для будущих миссий по возвращению образцов астероидов."
Школа исследования Земли и космоса является академическим подразделением Колледжа свободных искусств и наук АГУ.