Hayabusa: японские автоматические станции для изучения астероидов¶

Hayabusa (с яп. — «сапсан») — серия автоматических межпланетных станций (АМС), разработанных Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) для изучения астероидов и доставки их грунта на Землю. Проект включает два аппарата: Hayabusa (запуск в 2003 году, изучение астероида Итокава) и Hayabusa-2 (запуск в 2014 году, изучение астероида Рюгу). Миссии стали первыми в истории успешными операциями по возврату образцов вещества с поверхности малых тел Солнечной системы.

¶История и развитие проекта

Программа Hayabusa возникла как развитие японской космической программы после запуска первого национального спутника «Осуми» в 1970 году. К началу 2000-х годов JAXA обладало опытом создания небольших научных аппаратов, но ещё не проводило посадок на другие тела, кроме Луны. Проект был инициирован в конце 1990-х годов под руководством инженера Дзюнъитиро Кавагути, предложившего использовать ионные двигатели для межпланетных перелётов и оригинальную схему забора грунта с помощью «пули» — специального импактора.

Первоначально аппарат назывался MUSES-C (Mission Understanding Solar System Exploration-C), однако после успешного запуска в мае 2003 года получил имя Hayabusa. Запуск был осуществлён с космодрома Утиноура ракетой-носителем M-V. Вторая миссия, Hayabusa-2, стартовала в декабре 2014 года с космодрома Танегасима на ракете H-IIA и стала развитием технологий первой станции с учётом выявленных недостатков.

¶Конструкция и технические характеристики

Обе станции имеют схожую архитектуру, но различаются размерами и оснащением. Основой является призматический корпус с солнечными батареями, обеспечивающими питание бортовых систем. Ключевой элемент силовой установки — четыре ионных двигателя, работающих на ксеноне. Такие двигатели создают малую тягу (порядка 8–28 миллиньютонов), но способны работать непрерывно в течение тысяч часов, что позволяет аппарату постепенно разгоняться и маневрировать в межпланетном пространстве.

Hayabusa-2 имеет размеры примерно 1,6 × 1,6 × 1,25 метра (без учёта солнечных панелей) и массу около 610 кг на старте, включая 16 кг ксенона для двигателей. Полезная нагрузка включает оптические камеры, лазерный альтиметр, инфракрасный и рентгеновский спектрометры, а также набор научных инструментов для анализа минерального состава поверхности.

Для забора грунта обе станции использовали устройство, напоминающее длинную трубу-пробоотборник. При контакте с поверхностью аппарат выстреливал танталовой «пулей» массой около 5 граммов со скоростью порядка 300 метров в секунду; образовавшиеся при ударе частицы породы попадали в приёмную воронку и контейнер. Hayabusa-2 дополнительно оснащалась импактором — ударным зондом массой 14 кг, который сбрасывался на поверхность для создания искусственного кратера и получения образцов из подповерхностного слоя.

¶Миссия Hayabusa (2003–2010)

Целью первой станции являлся астероид (25143) Итокава — тело неправильной формы размером около 535 × 294 × 209 метров, относящееся к спектральному классу S (каменные астероиды). Аппарат достиг астероида в сентябре 2005 года после примерно двух лет перелёта. В ходе сближения станция провела детальную съёмку поверхности, выявившую многочисленные валуны и кратеры, а также участки с разной отражательной способностью.

Первая попытка посадки и забора грунта, предпринятая в ноябре 2005 года, столкнулась с техническими проблемами: из-за ошибки в системе наведения аппарат совершил незапланированное касание поверхности и отскочил. Тем не менее, станция осталась работоспособной и выполнила второй сеанс забора грунта через несколько дней. Однако из-за неисправности механизма выстрела «пули» в контейнер, как выяснилось позднее, попали лишь микроскопические частицы пыли, осевшие на стенках воронки при первом касании.

Возвращение на Землю осложнилось утечкой ксенона, отказом двух из четырёх ионных двигателей и потерей связи с аппаратом на несколько недель. Несмотря на это, инженерам JAXA удалось восстановить управление и обеспечить возврат капсулы, которая вошла в атмосферу Земли 13 июня 2010 года и приземлилась на полигоне Вумера в Австралии. В капсуле было обнаружено около 1500 микроскопических частиц вещества Итокавы общей массой менее 1 миллиграмма. Анализ показал, что минеральный состав астероида соответствует обыкновенным хондритам — наиболее распространённому типу метеоритов, что подтвердило связь между астероидами класса S и метеоритами.

¶Миссия Hayabusa-2 (2014–2020)

Hayabusa-2 была нацелена на астероид (162173) Рюгу — тело диаметром около 870 метров, относящееся к спектральному классу C (углеродные астероиды). Такие объекты считаются наименее изменёнными остатками вещества ранней Солнечной системы и могут содержать органические соединения и воду. Запуск состоялся 3 декабря 2014 года, прибытие к астероиду — в июне 2018 года.

В течение 18 месяцев станция проводила детальное картографирование поверхности Рюгу. Выяснилось, что астероид имеет форму, близкую к волчку, с экваториальным гребнем, а его поверхность покрыта многочисленными валунами размером до 150 метров. Крупных участков ровной поверхности оказалось мало, что усложнило выбор места для посадки. В октябре 2018 года был сброшен импактор, создавший кратер диаметром около 10 метров; съёмка с малой высоты подтвердила образование ударного выброса.

Забор грунта проводился в два этапа: в феврале 2019 года с поверхности в районе искусственного кратера и в июле 2019 года — с поверхности в другом районе. В обоих случаях использовалась «пуля», и в контейнер попали частицы породы размером до нескольких миллиметров. Помимо этого, Hayabusa-2 доставила на поверхность Рюгу два небольших посадочных модуля: MINERVA-II-1A/1B (два робота-прыгуна) и MASCOT (немецко-французский посадочный аппарат), которые провели измерения температуры, магнитного поля и минерального состава в точках посадки.

Возвратная капсула Hayabusa-2 отделилась от станции в ноябре 2020 года и вошла в атмосферу Земли 5 декабря 2020 года, приземлившись в Австралии. В капсуле находилось около 5,4 грамма вещества Рюгу — значительно больше запланированного. Предварительный анализ, проведённый в Японии, выявил наличие в образцах воды, аминокислот и других органических соединений, что подтвердило гипотезу о возможной роли углеродных астероидов в доставке органики на раннюю Землю. После отделения капсулы Hayabusa-2 продолжила полёт и получила новое имя — Hayabusa-2 Extended Mission; аппарат направлен к астероиду (98943) 2001 CC21 для пролётного исследования в 2026 году.

¶Научные результаты и значение

Миссии Hayabusa стали важной вехой в планетологии и космической технике. Впервые в истории были доставлены на Землю образцы вещества астероидов, полученные непосредственно с их поверхности. Это позволило провести точные лабораторные анализы, которые невозможно выполнить дистанционными методами.

Среди ключевых результатов — подтверждение связи астероидов спектральных классов S и C с конкретными типами метеоритов, определение возраста и тепловой истории поверхности изученных тел, а также обнаружение в образцах Рюгу широкого спектра органических молекул, включая все пять нуклеиновых оснований, входящих в состав ДНК и РНК. Эти данные имеют прямое отношение к вопросам происхождения жизни на Земле и распространения органического вещества в Солнечной системе.

Технологические достижения программы включают отработку длительных перелётов с ионными двигателями, автономной навигации у малых тел, мягкой посадки на неровную поверхность и забора грунта без закрепления аппарата. Опыт Hayabusa-2 используется при проектировании будущих миссий по возврату образцов, в том числе планируемой миссии по изучению спутников Марса (MMX), а также в международных проектах исследования астероидов.

¶Сравнение миссий