Сегодня отмечаются День космонавтики и Международный день полета человека в космос. 60 лет назад – 12 апреля 1961 года советский космонавт Юрий Гагарин, стартовав на космическом корабле «Восток-1» с космодрома «Байконур», впервые совершил орбитальный облет планеты Земля.
Однако новая космическая эра началась на 3,5 года раньше, когда 4 октября 1957 года на околоземную орбиту был выведен первый в мире искусственный спутник Земли.
И в том же году в Челябинском политехническом институте официально появился Механический факультет (ныне – Аэрокосмический). Но на самом деле его история началась еще раньше – 1 ноября 1956 года на Механико-технологическом факультете была образована «Кафедра №1» – подразделение ракетостроения. А в августе 1961 появилась кафедра №4, начавшая подготовку инженеров-механиков по специальности «Механическое оборудование автоматических установок» (сейчас это «Стартовые и технические комплексы ракет и космических установок»). Так что 2021 год для челябинских ракетостроителей тоже юбилейный. Сегодня сотрудники и студенты Аэрокосмического факультета в числе прочего занимаются разработкой защиты от весьма серьезной и реальной угрозы – удара из космоса.
«Существует перманентная угроза уничтожения человечества и без ядерного оружия», – говорит декан Аэрокосмического факультета ЮУрГУ Виктор Федоров. Речь о метеоритах и астероидах – твердых объектах, движущихся в межпланетном пространстве.
В геологической истории Земли сохранилось много свидетельств катастроф, вызванных падением на Землю крупных и очень крупных (размером более 1 км) тел, что приводило к выделению колоссальной энергии.
В результате на Земле (суше и дне океана) образовалось около 200 кратеров, диаметр которых в 15-20 раз превышает размеры упавшего тела. Крупнейший изученный ударный кратер на Земле – Вредефорт – расположен в 120 км от Йоханнесбурга (ЮАР).
Его диаметр составляет 250 – 300 км, возраст – около 2 млрд лет, его площадь занимает 6% площади ЮАР.
Самым известным космическим «явлением» в Росси считается Тунгусская катастрофа: 30 июня 1908 года мощный взрыв на высоте примерно 6 – 8 километров снес около 80 млн деревьев на территории свыше 2 тысяч квадратных километров. Согласно более поздним оценкам, энергия взрыва достигала 15 мегатонн в тротиловом эквиваленте (ТНТ).
Многие исследователи пришли к выводу, что Земля столкнулась с небольшой кометой, состоящей в основном изо льдов. Однако, считают специалисты, объект мог быть и каменным.
Утром 11 июня 1949 года в небе над Уралом, с севера на юг, пронесся огненно-белый шар с искрящимся хвостом. Болид наблюдали на огромной территории (около 700 км в поперечнике) в течение 8-10 секунд. На высоте 27 км болид разделился на три светящиеся части с множеством искр. На высоте 17 км свечение прекратилось, и обломки начали свободно падать на землю. Метеоритный дождь рассеялся на площади 194 квадратных километра. Один из фрагментов метеорита упал в озеро Чебакуль (Кунашаксий район) в 50 км к северу от Челябинска. Когда осколок нашли, его назвали «Кунашак».
Утром 15 февраля 2013 года в атмосферу Земли над территорией Челябинской области вошло космическое тело. Скорость входа в атмосферу составляла примерно 18,5 км/c, размер болида в этот момент составлял 15 – 17 метров. На высоте 23 км «пришелец» взорвался.
Как это было
Ущерб от ударной волны оценен в почти в 1 млрд рублей, пострадали более 1 тыс 600 человек.
Один из осколков – самый крупный – рухнул в озеро Чебаркуль. Потребовалось 9 месяцев, чтобы его найти и поднять.
Энергия челябинского метеороида, по вероятной оценке, составляла 300 – 500 килотонн ТНТ (для сравнения: мощность боеголовки W78/Mk12A для оснащения Minuteman III – 335 – 350 килотонн).
Менее чем через месяц после падения метеорита – в марте 2013 года в Совете Федерации начали обсуждать меры по нейтрализации космической угрозы. Тогда начальник НИИ центра ракетно-космической обороны 4-го ЦНИИ Минобороны РФ Олег Аксенов сообщил, что отечественная и американская системы противоракетной обороны способны обнаруживать и сопровождать объекты искусственного происхождения, находящиеся в околоземном пространстве на дальности около 50 тыс км. Но астероиды и кометы являются объектами другого типа и требуют соответствующих средств наблюдения.
«Челябинское событие показало, что необходима система обеспечивающая:
- дистанционное обнаружение крупных (>50 м) объектов со временем упреждения несколько десятков суток – для обеспечения возможности активного противодействия;
- обнаружение объектов в околоземном пространстве размером >10 м со временем упреждения нескольких часов, достаточным для выдачи предупреждения.
Система обнаружения будет оптимальной, если соблюсти следующие параметры:
- поле зрения инструмента должно быть не менее десяти квадратных градусов;
- апертура телескопа должна быть не менее 1-2 м. Для космических телескопов
ИК-диапазона она может быть меньше; - время обзора всей доступной области небесной сферы – несколько суток;
- количество ясных ночей с хорошим качеством изображения должно быть большим (для наземных телескопов);
- необходимо мощное компьютерное оборудование и математическое обеспечение для получения оперативной информации о новых объектах в течение ночи и окончательной обработки до начала следующей ночи», – говорят в ЮУрГУ.
Одновременно был поставлен вопрос о нейтрализации космической угрозы. Ведущие российские научные центры еще 8 лет назад предложили свои проекты, часть из которых обещали реализовать к 2020 году. Но пока говорить о каких-либо результатах не приходится.
А угроза, действительно, серьезная: объекты размером до нескольких десятков метров могут полностью или частично разрушиться в атмосфере, однако, образующаяся при этом взрывная волна способна вызывать серьезные локальные разрушения (падение тела размером несколько десятков метров приводит к тем же последствиям, что и взрыв термоядерной бомбы).
Объекты размером в сотни метров приводят к региональным катастрофам, охватывающим площади в десятки и сотни тысяч квадратных километров.
Объекты размером в несколько километров приведут к глобальной катастрофе. В результате первичного удара и последующей каскадной бомбардировки возникнут ураганы, пожары, мощнейшие цунами, грязевые и кислотные ливни, кратковременный, но очень сильный перегрев атмосферы, что на длительный срок нарушит климат всей планеты.
Объекты размером более 10 км, уничтожат человеческую цивилизацию.
«Мировая наука находится на начальном этапе такого рода исследований, – рассказал РИА «Новый День» декан Аэрокосмического факультета Политехнического института ЮУрГУ, кандидат технических наук Виктор Федоров. – Для нас события 2013 года послужили толчком, а оживление тема астероидной безопасности получила в связи с началом проектного обучения. В рамках такой подготовки на Аэрокосмическом факультете ЮУрГУ студенты разрабатывают проект модуля для десантирования на тело с малой гравитацией (астероид, метеороид, комету), работа ведется уже два года.
Одна из задач проектного обучения – на примере нетривиальной задачи научить будущих конструкторов выполнять комплекс проектно-конструкторских работ с выходом на технический проект».
По словам Виктора Федорова, существует несколько сценариев борьбы с космической угрозой – в зависимости от скорости сближающегося с Землей тела, его внутренней структуры:
«Есть тела, с которыми бороться бессмысленно. Есть и другие, у которых можно изменить орбиту, которые можно разрушить, превратив в облако щебня. Облако быстрее затормозится в верхних слоях атмосферы, и взрывоподобный эффект будет снижен.
Существует сценарий «поимки» астероида – анимация этого процесса выглядит следующим образом: накидывают некую «сетку» на объект и утягивают его, изменяя траекторию движения.
Но при этом не учитывается, что, как правило, космическое тело постоянно вращается. Поведение «буксиров», расположенных на концах строп, удерживающих такую «сетку», в реальных условиях предугадать невозможно.
Следующий сценарий – силовое воздействие, с помощью которого можно изменить траекторию движения астероида, отвести его от Земли. Если космический аппарат, оснащенный ракетным двигателем, разместить на поверхности астероида, то, запустив двигатель, можно изменить направление движение астероида. Важно, чтобы сила тяги проходила через центр масс и имела постоянное направление в пространстве.
С учетом того, что небесные тела вращаются вокруг своей постоянной оси, проходящей через их центр масс, необходимо размещать корректирующие двигательные установки в особых точках – полюсах. Направление тяги ориентировать вдоль оси вращения небесного тела. Выбор полюса зависит от того, как расположена ось вращения объекта относительно орбиты земли. Сложность состоит в том, чтобы вычислить положение центра масс, оси вращения, определить нужные для высадки полярные области.
Кроме того, возможно ударное воздействие. Смещение космического объекта происходит не за счет долгого времени работы двигательной установки создающей постоянную тягу, а за счет удара в нужную точку поверхности небесного тела, в зависимости от необходимого направления смещения».
В ЮУрГУ разрабатывают космический аппарат, предназначенный для посадки на космическое тело с малым гравитационным полем – астероиды, метеороид, кометы.
«Начиная с третьего курса, студенты разрабатывали несколько вариантов выполнения космического аппарата, который способен сесть на поверхность астероида, – рассказал руководитель проекта, кандидат технических наук Руслан Пешков. – На этапе технического предложения из трех вариантов сформировали один, включавший наиболее удачные технические решение компоновок.
В настоящий момент студенты приступили к этапу технического проекта, в рамках которого внимание уделено детальной проработки космического аппарата с разработкой сборочных чертежей, деталировкой. На базе Лаборатории экспериментальной механики планируется проведение экспериментов, в частности, по испытанию одного из основных элементов космического аппарата – его корпуса. Сейчас дорабатываются посадочные опоры и подробно моделируется сам процесс посадки.
Этап посадки, по опыту предыдущих миссий, является наиболее сложным. Современные космические аппараты могут лишь касаться поверхности, а тех, что способны «сесть» на астероид или комету, пока не существует. Но посадка необходима для проведения более детальных исследований и определения структуры небесного тела».
«Посадка на тело кометы трудноосуществима, поскольку гравитация там в десятки тысяч раз меньше земной, – поясняет Виктор Федоров. – Для успешной миссии нужно разработать аппарат с учетом особенностей структуры, параметров движения космических объектов, гравитации на малых небесных телах.
Так, автоматическая межпланетная станция «Розетта» приблизилась к комете Чурюмова-Герасименко, от зонда «Розетта» отделился спускаемый аппарат «Фила». Он должен был опуститься на поверхность кометы и закрепиться на ней. Однако поверхность кометы оказалась покрыта камнями разных размеров, перемежающихся с мелкой пылью. Существуют области, где толщина щебня достигает десятков метров, и закрепиться там оказалось невозможно.
Высадка на объект необходима, чтобы составить трехмерную карту его внутреннего строения. Основа для нее – данные сейсмодатчиков, которые должны быть размещены на поверхности объекта. На основе данных можно оценить внутреннее строение: полости, наличие областей с различной плотностью. Благодаря таким расчетам можно будет, например, выбрать оптимальное место для размещения взрывного устройства, которое раздробит объект. Если алгоритм подрыва будет вычислен неправильно, то крупный кусок объекта может отломиться и изменить траекторию ненужным образом».
Отметим, что аналогичные разработки ведутся и в других странах. Например, NASA и Европейское космическое агентство планируют миссию Double Asteroid Redirect Test (DART). Это первая миссия, направленная на противоастероидную защиту. Аппарат NASA должен сместить спутник астероида, врезавшись в него, а аппарат Европейского космического агентства – зафиксировать последствия. Миссия должна стартовать в течение ближайших двух лет.
