Рита Рихтер. Дэвид Данхэм

ЛИЧНОСТЬ
Дэвид
184
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
д Данхэм:
«Нам нужна
обратная сторона Луны»
Автор: Рита Рихтер
Фото: Михаэль Иванов-Шувалов
Ученый с мировым именем,
американский астроном,
специалист в области небесной
механики Дэвид Данхэм стал
знаменит благодаря тому,
что в 1970-х годах сумел
разработать и обосновать
совершенно новый уникальный
метод проектирования
орбит космических
аппаратов и зондов в
космическом пространстве с
использованием гравитации
Земли, Солнца и Луны. Naked
Science встретился с ним в
НПО им. С. А. Лавочкина и
выяснил, для чего российским
ученым нужны загадочные
точки либрации и что можно
сделать с их помощью.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
185
ЛИЧНОСТЬ
С
огласно 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.
186
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
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.
Дэвида Данхэма пригласили в
НПО им. С. А. Лавочкина для
обмена опытом. Специалисты
НПО на лекции Данхэма.
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 ве-
тер 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.
Космический аппарат ICE, преодолев миллионы километров, до
сих пор пребывает в прекрасном состоянии и в 2014-м году должен вновь вернуться к Земле. Дэвид Данхэм надеется, что ему и
его коллегам из Лаборатории космических исследований МИЭМ
НИУ ВШЭ представится возможность рассчитать траектории для новых миссий ICE, несмотря на то, что NASA не планирует продолжать работу с этим аппаратом. Однако есть
вероятность того, что NASA согласится передать управление
ICE, ведь на его борту осталось еще довольно много топлива, а
это значит, что он еще может послужить для реализации проектов, которые Данхэм развивает в рамках мегагранта.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
187
ЛИЧНОСТЬ
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-РентгенГамма» (СРГ), запуск которой
планируется на 2014-й год. Обсерваторию планируется раз188
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
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 («СпектрРГ», «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.
местить 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.
Разгонный блок «Фрегат»,
использующийся в составе ракетыносителя «Союз» с 2000 г. С помощью
«Фрегата» совершено более 30
успешных запусков космических
аппаратов, а теперь — это экспонат
музея НПО им. С. А. Лавочкина.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
189
ЛИЧНОСТЬ
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 ап-
190
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
В августе 2013-го года NASA планирует запуск нового космического аппарата к Луне
в рамках программы LADEE. Аппарат изучит атмосферу и пылевое окружение Луны.
Также NASA разрабатывает проект «парковки» пилотируемого космического корабля в точке L2 с обратной стороны Луны.
Высадка космонавтов на поверхность Луны
планируется на 2019-й год. Напомним, что
в последний раз нога человека ступала на
Луну в 1972-м году.
Из ближайших планов России – запуск в
2015-м году орбитального зонда «Луна-Глоб»
(«Луна-25») с посадочным аппаратом, который должен будет приземлиться на северном полюсе нашего спутника для исследования его поверхности. Посадочный лунный зонд «Луна-Глоб-1» уже разрабатывается в НПО им. Лавочкина. Северный полюс Луны интересен ученым потому, что
там есть вода, а значит, это идеальное
место для создания будущей лунной базы.
Если автоматические миссии к спутнику, запланированные на 2015-2018-е годы,
пройдут успешно, пилотируемый полет на
Луну станет возможно осуществить уже
в 2020-м году.
парат 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.
Спускаемый аппарат межпланетной станции «Марс-3» с тормозным
аэродинамическим конусом. АМС «Марс-3» состоял из орбитального
и спускаемого аппаратов. Аэродинамический конус предназначен для
торможения спускаемого аппарата в атмосфере Марса и защиты АМС
от возникающих при этом высоких температур. Спускаемый АМС «Марс3» впервые в мире совершил мягкую посадку на поверхность Марса. К
сожалению, для российской космонавтики эта посадка до сих пор является
единственной успешной. Экспонат музея НПО им. С. А. Лавочкина.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
191
ЛИЧНОСТЬ
- 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.
192
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
Подвижная дистанционно управляемая
исследовательская лаборатория «Луноход-3»
(подлинник, летный экземпляр). Луноход планировалось
доставить на Луну в 1977 г., однако запуск так и не
состоялся, так как для пуска не нашлось свободной
ракеты-носителя. Теперь «Луноход-3» служит в качестве
экспоната музея НПО им. С. А. Лавочкина.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
193
ЛИЧНОСТЬ
- 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 солнечны194
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
ми 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 ЗемляСолнце 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 по-
может 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
Макет космической платформы «КАРАТ» (масштаб 1:1).
Платформа предназначена для создания на ее основе
космических аппаратов массой до 200 кг. Платформа
может быть использована для широкого круга задач:
проведения фундаментальных космических исследований,
различного мониторинга, проведения летных испытаний
новых приборов и т.п. Масса платформы – 100 кг.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
195
ЛИЧНОСТЬ
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.
196
I NAKED SCIENCE I Август, 2013
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 за-
щита 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.
Автоматическая межпланетная станция «Луна-16» (музей
НПО им. С. А. Лавочкина) с буром для забора грунта,
запущенная в 1970 г. Станция совершила мягкую посадку
на поверхность Луны в районе Моря Изобилия и совершила
забор грунта с глубины 350 мм. Бур с грунтом был помещен
в контейнер возвращаемого аппарата, который успешно
приземлился 24 сентября 1970 г.
NAKED SCIENCE
I Август, 2013 I
197
ЛИЧНОСТЬ
Автоматическая межпланетная станция «Фобос» для
комплексного исследования спутника Марса Фобоса.
Оба запуска – в 1988 и 1989 г. - не увенчались успехом.
«Фобос-2» выполнил программу частично - выйдя на
синхронную с Фобосом орбиту, аппарат перестал выходить
на связь. Однако станция успела передать несколько
снимков поверхности спутника.
198
I NAKED SCIENCE I Август, 2013