Дэвид Данхэм: «Нам нужна обратная сторона Луны»
Согласно математическим расчетам, между двумя массивными телами с круговыми орбитами образуется особая область, получившая название «точка либрации». В этих точках центробежная сила и силы гравитационных полей уравновешиваются. На самом деле, в системе двух тел таких точек целых пять, но для ученых наибольший интерес представляют точки, которые располагаются на линии, проходящей через центры масс этих тел, между телами (L1) ближе к телу с меньшей массой и за телом меньшей массы (L2). И если поместить в такую точку, скажем, небольшой комический аппарат, то он будет находиться в этой точке в неустойчивом равновесии. Точнее, он будет вращаться вокруг этой точки под действием гравитационных сил, описывая вокруг нее повторяющуюся замкнутую кривую, называемую гало-орбитой. Польза точек либрации в том, что они создают особые условия полета космических аппаратов, при которых взаимное положение спутника, Солнца и Земли (или спутника, Солнца и Луны) будет, в целом, сохраняться в течение длительного времени при незначительных затратах топлива. Это удобно для решения задач по наблюдению звездного неба, определению космической погоды и предупреждению об астероидной опасности.
Точки либрации также называются точками Лагранжа, так как они были открыты математиком Жозефом Луи Лагранжем в XVIII веке. Космический аппарат, находящийся в точке Лагранжа, находится в неустойчивом равновесии, перемещаясь по так называемым гало-орбитам, которые представляют собой замкнутые кривые. При этом аппарат затрачивает очень мало топлива, так как перемещается вокруг точки либрации в основном за счет воздействия на него гравитационных полей.
Дэвид Данхэм впервые в мире рассчитал траекторию полета космического аппарата к точке либрации L1 в системе Солнце-Земля, которая располагается на расстоянии 1,5 млн. километров от нашей планеты. На основе его расчетов NASA совместно с Европейским космическим агентством в 1978-м году запустило аппарат ICE, название которого расшифровывается как «Международный исследователь комет». Последнему удалось не только достичь точки либрации L1 между Землей и Солнцем, но и совершить множество других космических подвигов, например, исследовать солнечный ветер и космические лучи, пролететь сквозь хвост кометы Галлея и приблизиться к комете Джакобини-Циннера. Но главным достижением ICE, безусловно, является доказательство того, что в точках либрации действительно возможно «подвешивание» или «парковка» космического аппарата.
С тех пор при участии Дэвида Данхэма было запущено несколько аппаратов - начиная от знаменитой солнечной обсерватории SOHO и заканчивая миссией NEAR к астероиду Эрос и межпланетной станцией Messenger, которая в 2011-м году успешно вышла на орбиту Меркурия. В основу всех этих космических проектов были заложены работы Данхэма и его коллег. Теперь ученый занимается тем, что делится своим опытом с российскими специалистами.
Начиная с 2011-го года, Дэвид Данхэм часто бывает в России, так как является ведущим ученым Лаборатории космических исследований, технологий, систем и процессов Московского института электроники и математики (МИЭМ). Лаборатория была создана на деньги первого конкурса научных мегагрантов Правительства РФ. Специалисты МИЭМ, согласно условиям конкурса, привлекли к работе видного иностранного ученого, который и стал одним из руководителей новой лаборатории. Теперь бывший специалист NASA обучает молодых российских ученых проектировать не только полеты к точкам либрации, но и космические миссии по перехвату опасных для Земли астероидов.
В этот раз Дэвида Данхэма пригласили и в НПО им. С. А. Лавочкина - для обмена опытом. Специалисты НПО проектируют орбиты новой международной орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» (СРГ). Обсерваторию планируется разместить в точке либрации L2 на расстоянии примерно 1,5 млн. километров от Земли. Для российских ученых это первый после долгого перерыва проект с использованием точек либрации. Предыдущие проекты, к сожалению, так и не были воплощены «в металле». Поэтому практические аспекты подобных миссий, которыми поделился человек, стоявший у истоков этого направления исследования космоса и принимавший участие в практическом освоении точек либрации, очень ценны для молодых сотрудников НПО. Основная задача СРГ - провести сверхчувствительное сканирование космического пространства на гигантских расстояниях и создать карту Вселенной. Обсерватория будет работать в гамма и рентгеновском диапазонах. В течение семи лет СРГ сможет обнаружить все массивные скопления галактик во Вселенной, включая более миллиона сверхмассивных черных дыр, которые, как известно, являются ядрами галактик. Это поможет ученым в буквальном смысле заглянуть в прошлое и понять, как происходило развитие галактик во Вселенной.
Российским космическим агентством запланирована амбициозная программа по исследованию космического пространства с помощью серии космических телескопов с общим наименованием «Спектр», которые должны обеспечить исследование космоса в разных диапазонах длин волн с беспрецедентными точностью и разрешением - радио («Спектр-Р», уже на орбите), гамма и рентгеновском («Спектр-РГ», «Спектр-Гамма»), ультрафиолетовом («Спектр-УФ») и миллиметровом («Спектр-М»). Два из них- «Спектр-РГ» и «Спектр-М» - должны работать на гало-орбитах около точки либрации L2 системы Солнце-Земля.
Дэвид Данхэм рассказал Naked Science о проекте, который он, совместно с молодыми российскими учеными, планирует реализовать в рамках мегагранта.
- Планируется ли в рамках мегагранта создание и запуск новых космических аппаратов?
Изначально в рамках мегагранта мы не планировали делать никаких новых космических аппаратов в железе. Мы хотим создать систему орбит, которая позволит исследовать Солнечную систему многоразовым космическим аппаратам, в том числе бывшим в употреблении. Используя технологии, примененные при работе над проектом ICE, мы можем «парковать» космический аппарат в определенных точках и посылать его в разные направления для проведения космических исследований. Например, к астероидам или к Марсу.
- Возможно ли запустить в точку либрации пилотируемый космический аппарат или целую космическую станцию с экипажем?
Да, у нас была идея создания межпланетного транспортного корабля, представляющего собой космическую станцию, достаточно большую, чтобы обеспечить защиту от радиации. Если корабль будет находиться в точке либрации на высокой эллиптической орбите, то с использованием небольшого количества топлива его можно будет переводить на другие траектории для полета к другим планетам и объектам.
Изначально мы планировали размещение этого корабля между миссиями в точке либрации L1 в системе Земля-Солнце. Однако сейчас большинство стран, включая Россию и США, больше заинтересованы в лунной программе, поэтому мы хотим предложить разместить корабль в точку либрации L2 Земля-Луна, которая находится с обратной стороны Луны. Это поможет поддержать пилотируемые полеты к обратной стороне Луны и позволит космонавтам не только спускаться на обратную сторону спутника Земли, но также устанавливать там различное оборудование и управлять им.
- Для чего нам необходима именно обратная сторона Луны?
Обратная сторона Луны важна потому, что это единственное место в Солнечной системе, которое не зашумлено радиосигналами с Земли. И если установить туда большой радиотелескоп, он будет гораздо более чувствительным при изучении космических просторов. Установка такого радиотелескопа может быть произведена по большей части с помощью роботов, которые будут управляться космонавтами с корабля, находящего в точке либрации.
В рамках мегагранта мы планируем просчитать схему подобных полетов и показать, что они действительно возможны, чтобы в будущем, когда придет время для запуска подобных космических кораблей, эти расчеты и траектории можно было внедрить. Конструкция самого аппарата выходит за рамки мегагранта, хотя есть некоторые ученые, которые предлагают вариант реализации небольшого аппарата, но это в очень долгосрочной перспективе. Конечно, мы надеемся, что другие организации проявят интерес к нашим идеям, что приведет к созданию реального космического аппарата, который сможет применить рассчитанные нами траектории полета.
- Почему так необходимо использовать точки либрации при разработке дальних траекторий полетов? Почему нельзя просто сесть на поверхность Луны?
Дело в том, что для посадки и обратного взлета космического корабля потребуется очень много энергии и топлива. Будет гораздо выгоднее, если космическая станция будет находиться в точке либрации, а на Луну будет приземляться небольшой посадочный аппарат.
- Вы говорите, что для полетов с использованием точек либрации требуется меньше топлива. А какие двигатели будут подходить для таких аппаратов?
Особенно выгодным будет применение электрореактивных двигателей с солнечными установками, что позволит значительно сократить затраты на топливо. Однако для больших маневров, вроде отправки к какому-либо космическому объекту, потребуются классические химические двигатели.
- Расскажите о перспективах использования точки либрации L1 в системе Земля-Солнце, траекторию полета к которой Вы хотели изначально рассчитать в рамках мегагранта. Чем интересна эта точка в плане космических исследований?
Точка либрации L1 Земля-Солнце может иметь важное применение. Если запустить в нее космический аппарат с хорошим телескопом, это позволит заранее предупредить Землю о метеоритах, летящих со стороны Солнца. Это поможет полностью закрыть ту прореху, которая есть сейчас в астрономии относительно наблюдений астероидов. Это проект будет похож на миссию SOHO, только SOHO смотрел не в сторону Земли, а в сторону Солнца. Точка либрации - это единственное место, из которого телескоп сможет видеть все объекты, летящие к Земле со стороны Солнца.
- Зачем помещать этот телескоп именно в точку либрации? Почему его нельзя отправить на земную орбиту?
Даже если поместить такой телескоп на орбиту вокруг Земли, это не позволит постоянно контролировать ту область, которую телескопы с нашей планеты не могут наблюдать. Расстояние 1,5 млн. километров позволит предупреждать о подлете астероида к Земле за достаточное время. Если же поместить телескоп на земную орбиту на большее расстояние, скажем, около 5 млн. километров от Земли, это позволит делать более раннее предупреждение, однако с такой орбитой есть определенные проблемы. Во-первых, будут мешать помехи и тени от Солнца. Для того чтобы обеспечить непрерывное наблюдение с такой орбиты, понадобится размещение трех аппаратов. К тому же, в этом случае необходима установка невероятно тяжелого и мощного телескопа из-за высокой дальности. Более маленький телескоп не сможет замечать мелкие астероиды и будет пропускать слишком много. Поэтому точка либрации - это идеальный вариант.
- Для чего нам такое доскональное наблюдение за маленькими астероидами, летящими к Земле?
Наблюдение даже за самыми малыми метеоритами крайне важно, так как даже метеорит небольшого диаметра может нанести значительный ущерб, если упадет в жилой зоне. Достаточно хотя бы вспомнить Сихотэ-Алиньский метеорит диаметром 5 метров, упавший в 1947-м году, который распался в воздухе и выпал в виде метеоритного дождя. Последствия такого железного метеоритного дождя были весьма серьезны - всего было обнаружено 106 воронок. Если бы это произошло в населенной местности, ущерб был бы очень большой.
К тому же, наблюдение за метеоритами из точки либрации поможет ученым больше узнать о процессе падения метеоритов, так как сегодня ученые замечают только редкие и самые крупные метеориты, которые долетают до Земли. Телескоп в точке либрации позволит наблюдать метеоритные явления гораздо чаще, изучать их динамику, вход в атмосферу и предсказывать последствия при их падении. А еще это позволит делать ранние оповещения астрономов о точке приземления летящего в сторону Земли метеорита с тем, чтобы они успели установить в нужном месте камеры и телескопы и хорошо разглядеть то, что происходит.
- На какое финансирование, помимо мегагранта, Вы можете рассчитывать? Возможно, NASA проявит интерес к Вашим новым проектам?
-У NASA существуют свои финансовые проблемы, поэтому они вряд ли готовы сейчас создавать и разрабатывать какие-то новые проекты. В США есть некоторые люди, которые заинтересованы в реализации подобного проекта хотя бы ради научных целей и для защиты Земли от астероидной опасности, но пока трудно сказать, какое мы можем получить финансирование с их стороны. Между тем, в России после падения Челябинского метеорита наблюдается гораздо большее осознание того, что подобная защита необходима. К тому же, недавно я общался с высокопоставленным чиновником из Китая, который подтвердил, что вопрос планетарной защиты от астероидов в Китае является приоритетным. И я думаю, мы может рассчитывать на сотрудничество мировых космических держав, осознающих серьезность вопроса. С имеющимися на данный момент технологиями мы не можем найти или предупредить большинство опасных астероидов, каждый из которых может стереть с лица Земли целый мегаполис. Наш проект позволит реализовать систему предупреждения, которая хотя бы за сутки будет делать оповещения о приближающейся опасности и позволит вовремя провести эвакуацию.
Конечно, падение следующего метеорита, подобного Челябинскому, может произойти только через пару сотен лет, но когда-то это должно произойти, и мы должны быть к этому готовы в любое время. То, в каком положении мы находимся сейчас, это тоже же самое, что лететь на космическом корабле через открытое космическое пространство с закрытыми окнами. И если мы не хотим закончить, как динозавры, мы должны создать систему планетарной защиты от астероидов. Даже взрыв небольшого метеорита над Северной Кореей может привести к ядерной войне, так как это может быть воспринято как атака с чьей-то стороны. Конечно, нам бы хотелось этого избежать.
