Система DART

Система DART (англ. Double Asteroid Redirection Test, «Испытание по перенаправлению двойного астероида») — это первая в истории человечества миссия по проверке технологии кинетического удара для изменения траектории движения астероида. Разработана и реализована Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA). Ключевой целью миссии являлось практическое определение возможности защиты Земли от потенциально опасных астероидов путём столкновения с ними специального космического аппарата.

История и предпосылки

Идея использования кинетического удара для отклонения астероидов рассматривалась планетарными учёными с середины XX века. Однако до начала XXI века ни одна из космических держав не предпринимала практических шагов по её реализации. Основной проблемой являлось отсутствие точных данных о физических свойствах астероидов (состав, пористость, прочность), от которых напрямую зависит эффективность столкновения.

В 2011 году NASA и Европейское космическое агентство (ЕКА) начали совместную проработку миссии AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment), которая предусматривала два аппарата: ударный (DART) и орбитальный для наблюдения (AIM). В 2016 году ЕКА вышло из проекта по финансовым причинам, и NASA продолжило разработку DART самостоятельно. В 2018 году проект был официально утверждён, а в 2019 году началась сборка аппарата.

Цели миссии

Основные научные и инженерные цели миссии DART включали:

• Проверка технологии кинетического удара — демонстрация способности космического аппарата изменить орбиту астероида за счёт передачи импульса при столкновении.
• Изучение физических свойств астероида — определение состава, структуры и геометрии поверхности цели до и после удара.
• Оценка выброса вещества — анализ количества и скорости материала, выброшенного с поверхности астероида после столкновения, что существенно влияет на передачу импульса (так называемый «фактор усиления импульса»).
• Калибровка моделей — уточнение математических моделей, используемых для прогнозирования последствий столкновений с астероидами.

Цель удара: система Дидим

В качестве цели для миссии DART была выбрана бинарная (двойная) астероидная система Дидим (обозначение 65803 Didymos). Эта система состоит из двух тел:

• Дидим A (основной компонент) — астероид диаметром около 780 метров, относящийся к группе Аполлонов (сближающихся с Землёй). Его орбита хорошо изучена, и он не представляет угрозы для Земли.
• Дидим B (вторичный компонент, позже названный Диморф) — астероид-спутник диаметром около 160 метров, который обращается вокруг основного компонента на расстоянии примерно 1,2 км. Период его обращения составлял 11 часов 55 минут.

Выбор бинарной системы был обусловлен тем, что изменение орбиты спутника (Диморфа) относительно центрального тела (Дидима) можно измерить с высокой точностью с помощью наземных телескопов, не требуя дополнительного орбитального аппарата. Это делало миссию значительно дешевле и проще, чем удар по одиночному астероиду.

Космический аппарат

Аппарат DART был построен на базе платформы Evolutionary Xenon Thruster — Commercial (NEXT-C). Его основные характеристики:

• Масса — около 610 кг на старте, из которых 50 кг составляло топливо (ксенон).
• Двигательная установка — ионный двигатель NEXT-C, работающий на ксеноне. Он обеспечивал маневрирование на траектории перелёта.
• Система наведения — единственная камера DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation), которая обеспечивала оптическое распознавание цели и автономное наведение на последнем этапе полёта.
• Система автономного наведения — SMART Nav (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation), позволявшая аппарату самостоятельно корректировать курс в последние часы до столкновения без участия операторов с Земли (задержка сигнала составляла около 5 минут).
• Полезная нагрузка — помимо камеры DRACO, на борту находился экспериментальный навигационный прибор LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids) — миниатюрный спутник-кубсат, который был отделён за 10 дней до столкновения и должен был заснять момент удара и выброса вещества. LICIACube был разработан Итальянским космическим агентством (ASI).

Ход миссии

Запуск и перелёт

Запуск аппарата DART состоялся 24 ноября 2021 года в 06:21 UTC с базы ВВС США Ванденберг (Калифорния) с помощью ракеты-носителя Falcon 9 компании SpaceX. После выхода на орбиту аппарат включил ионный двигатель и начал длительный перелёт к цели.

Сближение и столкновение

В течение 2022 года DART находился на траектории сближения с системой Дидим. 26 сентября 2022 года, за несколько часов до удара, аппарат перешёл в режим автономного наведения. Камера DRACO передавала на Землю изображения астероида с возрастающей чёткостью. За 2,5 секунды до столкновения была передана последняя фотография поверхности Диморфа с разрешением около 3 метров на пиксель.

Столкновение произошло 26 сентября 2022 года в 23:14 UTC на скорости около 6,6 км/с (23 760 км/ч). Аппарат врезался в Диморф почти по касательной, в направлении, противоположном его орбитальному движению. Масса аппарата в момент удара составляла около 570 кг. Энергия столкновения эквивалентна взрыву примерно 3 тонн тротила.

Результаты и последствия

Изменение орбиты

Первичным результатом миссии стало измерение изменения орбитального периода Диморфа. Наземные наблюдения, проведённые в течение нескольких недель после удара, показали, что период обращения спутника вокруг Дидима сократился на 33 минуты (с 11 часов 55 минут до 11 часов 22 минут). Это значительно превысило минимальный ожидаемый порог в 73 секунды и даже превзошло верхнюю границу прогнозов (около 10 минут). Изменение скорости Диморфа составило примерно 2,7 мм/с.

Выброс вещества

Наблюдения с помощью телескопов, в том числе космического телескопа «Хаббл», а также снимки с LICIACube показали огромный выброс пыли и обломков с поверхности астероида. Масса выброшенного материала оценивается в 5–10 тысяч тонн. Этот выброс создал временный хвост, напоминающий кометный, и существенно усилил передачу импульса: фактически, аппарат не просто толкнул астероид, но и «выстрелил» массой с его поверхности, что дало дополнительный реактивный импульс (так называемый «эффект пращи»). Фактор усиления импульса (β) был оценён в диапазоне от 2,5 до 4,5, что означает, что переданный импульс был в 2,5–4,5 раза больше, чем просто импульс от удара аппарата.

Изменение формы и структуры

Данные, полученные с камеры DRACO до столкновения, а также последующие наблюдения, показали, что Диморф имеет не сферическую, а вытянутую форму, напоминающую «гамбургер» или «сплюснутый эллипсоид». Его поверхность покрыта валунами размером до 10–20 метров. Удар образовал кратер диаметром около 50–70 метров, хотя точные размеры кратера ещё уточняются. Анализ выброса показал, что астероид имеет рыхлую, пористую структуру, напоминающую «кучу щебня» (rubble pile). Это подтвердило, что кинетический удар эффективен даже для таких тел.

Значение и перспективы

Миссия DART стала первым успешным экспериментом по планетарной защите. Она доказала, что человечество обладает технологией, способной изменить траекторию движения астероида, если он будет представлять угрозу для Земли. Ключевые выводы:

• Кинетический удар работает — изменение орбиты было достигнуто, и оно оказалось больше, чем предсказывали многие модели.
• Выброс вещества — ключевой фактор — эффективность удара сильно зависит от состава и структуры астероида. Рыхлые астероиды, как Диморф, могут быть отклонены значительно сильнее за счёт выброса материала.
• Необходимы дальнейшие исследования — для создания надёжной системы планетарной защиты требуются дополнительные миссии к астероидам разных типов (каменным, металлическим, углеродистым), чтобы понять, как поведёт себя удар в каждом случае.

В 2024 году ЕКА запустило миссию Hera, которая должна прибыть к системе Дидим в 2026 году. Hera проведёт детальное изучение кратера, оставленного DART, и уточнит физические свойства Диморфа, что позволит окончательно верифицировать модели планетарной защиты.

Критика и ограничения

Несмотря на успех, миссия DART имеет ряд ограничений:

• Масштаб цели — Диморф (160 м) значительно меньше потенциально опасных астероидов, которые могут угрожать Земле (например, диаметром 1–10 км). Эффективность кинетического удара для более крупных тел остаётся неясной.
• Время предупреждения — для успешного отклонения крупного астероида требуется значительное время (годы или десятилетия) до прогнозируемого столкновения. DART продемонстрировал возможность быстрого реагирования, но для крупных тел этого может быть недостаточно.
• Риск фрагментации — при ударе по очень рыхлому астероиду существует риск его разрушения, что может привести к образованию множества фрагментов, каждый из которых может представлять угрозу. DART не разрушил Диморф, но этот сценарий возможен для других целей.
• Невозможность тестирования на реально опасном объекте — по этическим и практическим соображениям миссия проводилась на астероиде, не представляющем угрозы. Реальное применение технологии может отличаться от лабораторного эксперимента.

Источники

• NASA. DART Mission Overview. Jet Propulsion Laboratory, 2022.
• Cheng, A. F., et al. «Momentum Transfer from the DART Mission Kinetic Impact on Asteroid Dimorphos.» Nature, vol. 616, 2023, pp. 457–460.
• Thomas, C. A., et al. «Orbital Period Change of Dimorphos Due to the DART Impact.» Nature, vol. 616, 2023, pp. 448–452.
• Li, J.-Y., et al. «Ejecta from the DART-produced Impact on Dimorphos.» Nature, vol. 616, 2023, pp. 452–456.
• Rivkin, A. S., et al. «The Double Asteroid Redirection Test (DART): Planetary Defense and Science.» The Planetary Science Journal, vol. 2, no. 4, 2021.