Как совершить посадку на комету

Как руководитель миссии «Розетта», Фред Янсен отвечал в 2014 году за успешную посадку зонда на комету 67P/Чурюмова — Герасименко. В своём восхитительном и увлекательном выступлении Янсен открывает некоторые сложные расчёты, благодаря которым зонд «Филы» был доставлен на комету, находящуюся в 500 миллионах километров от Земли, и делится потрясающими фотографиями, снятыми в ходе миссии.

Я хочу пригласить вас
в эпохальное приключение

космического аппарата «Розетта»

с миссией доставить зонд
и спустить его на комету.

Это было моей страстью последних двух лет.

Для этого мне нужно вначале рассказать вам

о происхождении Солнечной системы.

Если вернуться
на 4,5 миллиарда лет назад,

то мы обнаружим облако из пыли и газа.

В центре этого облака
наше Солнце сформировалось и зажглось.

В то же время образовались
известные нам планеты, кометы и астероиды.

Вот что произошло далее, согласно теории:

когда Земля остыла после
первоначального формирования,

кометы постоянно с ней сталкивались,
принося воду на Землю.

Также, вероятно, были доставлены
и сложные органические элементы,

и это могло ускорить возникновение жизни.

Можно сравнить это с пазлом,
который нужно собрать из 250 фрагментов,

а не из 2 000 фрагментов.

После этого такие большие планеты,
как Юпитер и Сатурн,

орбиты которых тогда были другими,

оказали гравитационное воздействие
друг на друга

и расчистили внутреннее пространство
Солнечной системы.

Объекты, известные нам как кометы,

сформировали пояс Койпера —

это пояс объектов за орбитой Нептуна.

Иногда эти объекты сближаются

и изменяют траектории движения друг друга,

а затем гравитация Юпитера вновь
затягивает их внутрь Солнечной системы.

И они становятся кометами,
какими мы видим их на небе.

Важно отметить, что всё это время,

4,5 миллиарда лет,

эти кометы находились
за пределами Солнечной системы

и с тех пор не изменились —

это древние, застывшие подобия
нашей Солнечной системы.

Вот так они выглядят в небе.

Мы узнаём их по хвосту.

На самом деле, у них два хвоста.

Один из пыли, уносимой солнечным ветром.

Другой — ионный хвост,
заряженные частицы газа,

следующие за магнитным полем
в Солнечной системе.

Ещё есть кома и ядро, которое мало
и здесь его сложно увидеть,

и помните, учитывая масштабы «Розетты»,

космический аппарат находится
прямо в этой точке в центре фото.

Мы всего лишь в 20, 30,
40 километрах от кометы.

Что же важно запомнить?

Кометы содержат первоначальный материал,

из которого сформировалась
Солнечная система,

потому они идеальны
для изучения элементов,

которые существовали на момент,
когда Земля и жизнь появились.

Предполагают также, что кометы

принесли элементы,
ускорившие зарождение жизни.

В 1983-м Европейское космическое агентство
начало программу «Горизонт 2000»,

где одной из ключевых задач
была миссия на комету.

В тоже время небольшой корабль «Джотто» —
вы видите его здесь —

был запущен к комете, и в 1986 году
аппарат пролетел возле кометы Галлея,

с рядом других космических аппаратов.

Из результатов этой миссии
сразу стало очевидно,

что кометы — идеальный материал изучения
для понимания Солнечной системы.

Таким образом, миссия «Розетта»
была одобрена в 1993 году.

Первоначально предполагалось
запустить аппарат в 2003 году,

но возникли проблемы
с ракетоносителем «Ариан».

Однако наш PR-отдел,
в порыве энтузиазма,

уже выпустил 1 000 тарелок
делфтского фарфора

с неправильным названием кометы.

Поэтому с тех пор я никогда
не покупал фарфор. И это к лучшему.

(Смех)

Когда проблемы были устранены,

в 2004 году аппарат покинул Землю,

направившись к заново выбранной
комете: Чурюмова — Герасименко.

Комету нужно было отобрать
среди других,

потому что нужна такая,
до которой можно добраться,

и она не должна была находиться
в Солнечной системе слишком долго.

Конкретно эта комета находится
в Солнечной системе с 1959 года.

Именно тогда она изменила
направление движения из-за Юпитера

и подошла достаточно близко к Солнцу,
чтобы начать меняться.

То есть это очень молодая комета.

«Розетта» во многом была первой в истории.

Это первый спутник,
вышедший на орбиту кометы

и сопровождавший её на всём пути
через Солнечную систему;

он ближе всех подойдёт к Солнцу —
мы увидим это в августе,

и затем он снова удалится.

Это первый аппарат,
приземлившийся на комету.

На самом деле, мы вышли
на орбиту кометы не совсем так,

как это обычно делают
космические аппараты.

Обычно вы смотрите на небо
и знаете, куда смотрите.

В нашем случае этого недостаточно.

Мы ориентировались по характерным
объектам на поверхности кометы.

Мы распознавали валуны, кратеры

и таким образом понимали,
где находимся относительно кометы.

И, конечно же,
это первый космический аппарат,

улетевший за орбиту Юпитера
на солнечных батареях.

Звучит куда более эпично,
чем есть на самом деле,

ведь технология радиоизотопного
термоэлектрического генератора

в то время в Европе не была доступной,
так что выбора не было.

Но эти панели солнечных батарей огромны.

Это лишь одно крыло, и там не специально
подобранные невысокие люди.

Они такие же, как вы и я.

(Смех)

У нас два таких крыла,
65 квадратных метров.

Позже, конечно же,
когда достигаешь кометы,

понимаешь, что парус
в 65 квадратных метров

рядом с объектом, выбрасывающим газ, —
не всегда лучший выбор.

Итак, как же мы добрались до кометы?

Туда необходимо было добраться
ради научных целей «Розетты»,

очень далеко — в 4 раза дальше,
чем расстояние от Земли до Солнца, —

при том на гораздо большей скорости,
допустимой на топливе,

иначе бы нам пришлось взять топлива
в 6 раз больше, чем весит сам аппарат.

Что же делать?

Использовать гравитационный манёвр,
космическую пращу:

это когда облетаешь планету
на очень небольшой высоте,

несколько тысяч километров,

и затем «автоматически» получаешь
такую же скорость, как и у планеты.

Мы разгонялись так несколько раз:

вокруг Земли, Марса,
ещё дважды вокруг Земли

и так же облетели два астероида —
Лютецию и Штейнс.

Затем в 2011 году мы так сильно
удалились от Солнца,

что если бы с аппаратом что-то случилось,
его было бы не спасти,

поэтому мы перешли в режим гибернации.

Все системы были отключены,
за исключением одного таймера.

Здесь вы видите отмеченную белым
траекторию и как этот манёвр работает.

Вы видите, что мы начали с круга,

а затем белая линия становится
всё более и более эллиптической,

и наконец мы приблизились
к комете в мае 2014 года

и начали манёвр сближения.

По пути, пролетая Землю,
мы сделали несколько фотографий,

чтобы потестировать наши камеры.

Вот восход Луны над Землёй,

а вот то, что мы сейчас называем «селфи»,

слово, которое в то время
даже не существовало. (Смех)

Это над Марсом. Снимок был
сделан микрокамерой CIVA.

Это одна из камер на посадочном модуле,

и она направлена под солнечную панель.

Вы видите планету Марс
и солнечную батарею вдали.

Когда аппарат вышел из режима
гибернации в январе 2014 года,

в мае мы начинали сближение

с дистанции в 2 миллиона
километров от кометы.

Однако скорость космического
аппарата была слишком большой —

на 2 800 км/ч быстрее скорости кометы,
так что нужно было притормозить.

Нам предстояло сделать восемь манёвров,

и здесь видно, что некоторые
из них были весьма серьёзные.

В первом этапе торможения
нужно было сбросить несколько сотен км/ч,

причём по времени это заняло семь часов

и было затрачено 218 килограммов топлива.

Это были семь крайне нервных часов,
потому что в 2007 году

в системе двигательной установки
«Розетты» была утечка,

и нам пришлось перекрыть часть отсека,

так что система работала под давлением,

под которое не была ни спроектирована,
ни предназначена.

Затем мы приблизились к комете.
Вот это первые увиденные нами снимки.

Период вращения кометы — 12,5 часов,

так что это ускоренная анимация,

но ясно, что наши инженеры
по динамике полёта осознали:

посадка на такой объект простой не будет.
(Смех)

Мы ожидали, что поверхность
будет в форме картофеля,

где легко можно посадить аппарат.

Другая надежда — может быть,
поверхность кометы будет гладкой.

Нет. Тоже неправда. (Смех)

В тот момент стало абсолютно ясным:

нам предстоит составить
детальную карту поверхности,

так как нужно найти плоский участок
диаметром в 500 метров.

Почему 500 метров? Это допустимая
погрешность на посадку зонда.

Мы принялись за дело
и составили карту кометы.

Мы использовали метод,
называемый фотоклинометрией,

основанный на использовании теней,
отбрасываемых Солнцем.

То, что вы видите здесь —
скала на поверхности кометы,

и Солнце светит сверху.

По тени, мы, подумав,

можем с лёгкостью определить
примерную форму этой скалы.

Можно это запрограммировать в компьютере,

исследовать всю комету,
и так получаешь карту кометы.

Для этого, начиная с августа,
мы пролетали по специальным траекториям.

Сначала по треугольнику
со сторонами в 100 км,

на удалении в 100 км,

а затем повторили
эту же траекторию на 50 км.

К тому моменту мы разглядели
комету со всех углов,

использовав данный метод,
чтобы составить полную карту.

Пришло время искать место для посадки.

Весь этот процесс — от составления карты

до поиска места посадки — занял 60 дней.

У нас не было больше времени.

Более наглядно —
в среднем для миссии на Марс

нужно, чтобы сотни учёных

годами согласовывали вопрос,
куда отправиться.

У нас было 60 дней и не более.

Наконец мы выбрали
итоговую площадку для посадки

и были готовы отдать команду
запустить «Филы» с «Розетты».

Для этого «Розетта» должна быть
на определённой позиции в космосе,

направленная на комету, так как
сам посадочный модуль неактивен.

Затем модуль выбрасывают,
и он сближается с кометой.

«Розетте» нужно было развернуться,

чтобы направить свои камеры
на «Филы» во время отрыва

и поддерживать связь с аппаратом.

Длительность посадки
по расчётной траектории была семь часов.

Теперь посчитаем:

если скорость «Розетты» отклонится
от заданной на 1 сантиметр в секунду,

а семь часов — это 25 000 секунд,

то получается,
что ошибка составит 252 метра.

Так что нам нужно было
установить скорость «Розетты»

с точностью, превышающей
1 сантиметр в секунду,

и вычислить её положение в космосе
с точностью, превышающей 100 метров,

и всё это — на удалении
в 500 миллионов километров от Земли.

Вот это нелёгкое дело!

Позвольте быстро познакомить вас
с научными выкладками и оборудованием.

Не буду утомлять вас подробностями,

но у нас было всё, что нужно.

Мы могли собирать пробы газа,
анализировать частицы пыли,

их форму, состав,

у нас были магнитометры — всё что хочешь.

Вот данные прибора,

который измерял плотность газа
в местоположении «Розетты»;

это газ, выбрасываемый кометой.

Нижний график —
сентябрь прошлого года.

Видны длительные перепады,
что само по себе неудивительно,

но обратите внимание на пики.

Это дни кометы.

Можно увидеть, как Солнце
влияет на испарение газа,

и то, что комета вращается.

То есть, очевидно, есть где-то область,

из которой выходит много газа,

он нагревается на Солнце,
а затем охлаждается в тени.

И мы видим изменения в концентрации газа.

Это — газы и органические компоненты,
которые мы уже определили.

Как видите, это большой список,

и ещё будет много, много больше,

по мере анализа полученных измерений.

В Хьюстоне сейчас проходит конференция,

где представлены
многие из этих результатов.

Мы также измерили частицы пыли.

На вас это, вероятно,
впечатления не производит,

но наши учёные, увидев это,
были очень впечатлены.

Две частицы пыли:

правую назвали Борис
и обстреливали ионами тантала,

чтобы впоследствии провести анализ.

Мы обнаружили натрий и магний.

Это даёт нам информацию
о концентрации этих двух элементов

в то время, когда была сформирована
Солнечная система.

Так мы узнали о том,
какие существовали элементы,

когда появились планеты.

Конечно же, важным элементом миссий
является получение изображений.

Это сделано одной из камер «Розетты»,
камера OSIRIS,

и этот снимок был на обложке
журнала Science 23 января этого года.

Никто не думал, что комета
будет выглядеть так.

Скалы, глыбы — больше похоже
на Хаф-Доум в парке Йосемити.

Также мы увидели вот что:

дюны, и справа видны наносы от ветра.

Нам это знакомо по снимкам Марса,
но у кометы нет атмосферы,

так что удивительно, откуда взялся ветер.

Это могут быть
локальные выбросы газа —

вещества, которые выбрасываются
и возвращаются назад.

Мы пока что не знаем, так что многое
ещё предстоит исследовать.

Здесь одно и то же изображение
показано дважды.

Слева вы видите в центре впадину.

Справа, если присмотреться,

видны три струи,
выходящие со дна этой впадины.

Это проявление активности кометы.

Предположительно, на дне таких впадин
находятся регионы активности,

откуда вещество выбрасывается в космос.

Очень интригующий разлом
расположен на перешейке кометы.

Вы видите его справа.

Его длина 1 километр,
а ширина — 2,5 метра.

Некоторые предполагают,
что когда комета подойдёт ближе к Солнцу,

она может разделиться на две части,

и нам придётся решать,
за какой из комет следовать.

Посадочный модуль.
Повторюсь, множество инструментов,

в основном, схожи, кроме тех,
которые вбиваются в поверхность

и проводят бурение, но в основном
они те же, что и на «Розетте»,

и это потому, что цель —
сравнить обнаруженное в космосе

с тем, что найдено на кометах.

Это называют проверкой
экспериментальными данными.

Это изображения во время посадки,

которые были сделаны камерой OSIRIS.

Вы видите, как посадочный модуль
уходит дальше и дальше от «Розетты».

В верхнем правом углу
вы видите изображение,

сделанное модулем в 60 метрах
от поверхности кометы.

Камни на картинке — около 10 метров.

Это одно из последних изображений,
полученных перед посадкой на комету.

Здесь мы снова видим весь процесс посадки,
но с другого ракурса,

а также три увеличенных снимка,
от нижнего левого угла к центру,

как аппарат пролетал
над поверхностью кометы.

Вверху — изображения до и после посадки.

Единственная проблема с изображением
«после» — на нём нет посадочного модуля.

Но если внимательно присмотреться
к изображению справа,

то видно, что модуль там,
но он «отскочил», вновь ушёл в космос.

Комичность ситуации в том,

что изначально «Розетту» проектировали
под «отскакивающий» модуль.

Идею отвергли, так как
это было слишком затратным.

Мы забыли про это,
но посадочный модуль — нет.

(Смех)

Данные во время первого отскока
на магнитометре:

вы видите их здесь по трём осям — x, y, z.

Посередине вы видите красную линию.

На красной линии начинаются изменения.

Похоже, что во время первого отскока

модуль как-то задел одной
из посадочных опор край кратера,

и вектор его угловой скорости поменялся.

Нам ещё повезло,

что всё окончилось именно так.

Это — один из самых символичных
снимков «Розетты».

Сделанная человеком посадочная опора,
стоящая на комете.

Для меня это одно из лучших изображений
в области космической науки за всё время.

(Аплодисменты)

Одна из задач, которую ещё предстоит
выполнить, это найти посадочный модуль.

Синяя область, показанная здесь, —
это район, где аппарат должен быть.

Нам пока не удалось его найти,
но поиски продолжаются,

как и наши попытки
заставить модуль снова работать.

Мы наблюдаем каждый день и надеемся,

что до апреля он вновь проснётся.

Что мы узнали о комете?

Эта комета могла бы держаться на плаву.

Её плотность — половина плотности воды.

Хоть она и выглядит,
как огромная скала, это не так.

В июне, июле, августе прошлого года

мы отметили
увеличение активности в 4 раза.

К тому времени,
как комета будет возле Солнца,

с неё будет выбрасываться
100 килограммов вещества в секунду:

газ, пыль и тому подобное.

Что составит 100 миллионов
килограммов в день.

И, конечно же, день посадки.

Никогда не забуду —
абсолютное сумасшествие —

250 съёмочных бригад в Германии.

BBC брала у меня интервью,

а другая съёмочная группа,
сопровождавшая меня целый день,

снимала, как у меня берут интервью,

и подобное этому
происходило в всего течение дня.

Группа телеканала Discovery
поймала меня в тот момент,

когда я выходил из пункта управления.

Они задали нужный вопрос,

и, отвечая, я даже прослезился,
и до сих пор помню этот момент.

Ещё полтора месяца после этого

при мыслях о дне посадки
у меня наворачивались слёзы,

и я всё ещё испытываю эти эмоции.

На этой фотографии кометы
я хотел бы закончить выступление.

Спасибо.

(Аплодисменты)