9 мая 2003 г. в 13:29:25 местного времени (04:29:25 UTC) со стартового комплекса Космического центра Кагосима (Утиноура, Япония) был выполнен пуск твердотопливной РН M-5 №5. С помощью дополнительной ступени KM-V2 ракета вывела на межпланетную траекторию японскую межпланетную станцию Muses-C, предназначенную для доставки образцов грунта с одного из сближающихся с Землей астероидов.

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    «Это очень сложный аппарат, который удостоился международного внимания, – заявил перед запуском министр образования, культуры, спорта, науки и технологии Ацуко Тояма, – и я очень надеюсь, что его работа будет успешной».
    Согласно официальному сообщению Института космических и астронавтических наук (ISAS), выведение прошло в полном соответствии с планом и без замечаний, «как будто ее [ракету] поднимало и направляло небо». Отделение КА было выполнено через 610 сек после запуска; еще через полчаса прошло раскрытие панелей солнечных батарей, состоялось выдвижение рупора грунтозаборного устройства и т.д. Наконец, к 06:00 UTC на станции Сети дальней связи NASA под Канберрой был принят сигнал с борта: состояние станции удовлетворительное.

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    После успешного выхода на отлетную траекторию аппарату с техническим наименованием Muses-C по японскому обычаю было присвоено имя собственное – Hayabusa («Хаябуса»), что означает «Сокол». Через три недели после запуска запланировано включение бортового ионного двигателя для полета по запланированной трассе.

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    В каталог Стратегического командования США по результатам пуска были занесены два объекта – сама станция Muses-C с номером 27809 и международным обозначением 2003-019A и ступень ракетыносителя M-5 (номер 27810, обозначение 2003-19B).
    Японская сторона не опубликовала параметры гелиоцентрической орбиты станции, не было выдано и двустрочных элементов на объекты, связанные с этим запуском.


    Аппарат Muses-C (Mu Space Engineering Spacecraft-C) был задуман в 1996 г. как экспериментальная японская АМС, предназначенная для демонстрации перспективных технологий: электрореактивной ДУ, автономной оптической навигации, возвращаемой капсулы, рассчитанной на вход в атмосферу Земли со 2й космической скоростью и др.
    Таким образом, Muses-C находится в одном классе экспериментальных АМС с американской Deep Space 1 и европейской Smart-1. Но задание для этого экспериментального аппарата было выбрано самое сложное – доставка на Землю образцов вещества астероида.

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    Если все пройдет благополучно, можно будет установить состав протопланетного облака в период формирования Солнечной системы.
    В качестве цели был первоначально выбран небольшой (диаметром 1–2 км) астероид номер 4660 с именем Нереус. Перигелий его орбиты располагался недалеко от орбиты Земли, что позволяло добраться до цели с относительно малыми затратами.
    Запуск на 5м экземпляре носителя M-5 планировался на 7 января 2002 г. Прибытие к астероиду намечалось на 9 сентября 2003 г., отлет – на 11 ноября 2003 г., а возвращение на Землю – на 28 января 2006 г.
    В мае 1997 г. было достигнуто соглашение о сотрудничестве между ISAS и JPL (США) в проекте Muses-C. Американцы обещали содействовать в управлении полетом и приеме данных с использованием Сети дальней связи NASA, предоставить посадочный полигон в штате Юта, а также организовать испытания тепловой защиты возвращаемой капсулы в Исследовательском центре имени Эймса. Взамен они получили право поставить на борт Muses-C наноровер Muses-CN, который, однако, так и не был сделан. Кроме того, специалисты NASA были введены в научные группы, сформированные вокруг японских приборов, и американцам была обещана для исследований часть доставляемых образцов – правда, через год после того, как с ними ознакомятся японские исследователи.

РОВЕР-НЕУДАЧНИК

Наноровер Muses-CN (второе название – «малый научный аппарат», Small Science Vehicle, SSV) для станции Muses-C разрабатывался в 1997–2000 гг. в Лаборатории реактивного движения NASA группой, возглавляемой Доналдом Йомансом (научный руководитель) и Россом Джоунзом (технический менеджер). Аппарат массой всего 1 кг предназначался для детального изучения в течение одного месяца свойств поверхности астероида на масштабах менее 1 см. Он мог перемещаться по поверхности астероида – ехать, перекатываться, переворачиваться, лазить и даже прыгать. От фотоэлементов, покрывающих все «тело» ровера, должны были питаться три научных инструмента: многоканальная телекамера, пригодная как для панорамной съемки, так и для микроскопических наблюдений, «точечный спектрометр» ближнего ИК-диапазона и альфарентгеновский спектрометр AXS. На Muses-CN предполагалось опробовать принципиально новую технологию космических механизмов – два привода на базе электроактивных полимеров должны были использоваться… для протирания окошек камеры и ИК-спектрометра от пыли. На разработку наноровера было выделено 21 млн $. Когда оценка стоимости работ перевалила за 30 млн (повидимому, абсолютный рекорд за килограмм массы КА!) и к томуже ровер «вылез» за проектные ограничения по массе, в ситуации пришлось разбираться руководителям NASA. В результате 3 ноября 2000 г. и.о. директора по исследованиям Солнечной системы д-р Джей Бергстрал распорядился о прекращении работ; назвав свое собственное решение «трудным и бестактным», он заявил, что не видит другого выхода.

РОВЕР-НЕУДАЧНИК

    Осенью 1999 г. для японской станции вместо Нереуса была выбрана запасная цель – совсем маленький (400 м в диаметре) астероид с временным обозначением 1989 ML и номером 10302. Запуск был отсрочен до июля 2002 г., а возвращение – до июня 2006 г.
    1 августа 2000 г. был объявлен перенос запуска Muses-C на 24 ноября 2002 г. из-за невозможности завершить к ранее объявленной дате доработку носителя после аварийного пуска 10 февраля 2000 г. с научным аппаратом Astro-E2. Как следствие, была выбрана третья и окончательная цель станции – астероид с временным обозначением 1998 SF36, открытый 26 сентября 1998 г. камерой LINEAR. Астероид относится к группе Аполлона; его размеры оцениваются в 0.6x0.3 км, вращение – обратное с периодом 12.1 час, спектральный тип – S. Орбита 1998 SF36 была надежно определена лишь недавно, и к настоящему времени он получил постоянный каталожный номер 25143, но до сих пор не имеет названия. Параметры орбиты:

    >- наклонение – 1.716°;
    >- перигелий – 0.953 а.е.;
    >- афелий – 1.697 а.е.;
    >- период обращения – 1.525 года.

    Новый план полета предусматривал возвращение к Земле для гравитационного маневра 20 мая 2004 г., исследование астероида с 20 сентября 2005 г. по 10 января 2006 г. и возвращение на Землю 4 июня 2007 г.
    В декабре 2001 г. аппарат наконец вышел на стадию интегрированных испытаний в чистовой комнате кампуса Сагамихара, которые длились с перерывами более года, до января 2003 г., и включали не только обычные статические, динамические, вибрационные и термовакуумные тесты, но и такой «экзотический» вид испытаний, как включение ЭРДУ на полностью собранном летном аппарате. 12 марта 2003 г. станция была отправлена на космодром и с 15 марта готовилась там.
    Почему же запуск был задержан еще раз? На испытаниях в Сагамихаре в конце апреля 2002 г. была обнаружена утечка газа через клапан регулятора системы ориентации из-за разрушения кольцевого уплотнения, которое оказалось неправильного размера. Вместо него было установлено правильное уплотнение, но тут выяснилось, что испорченное было выполнено не из того материала, который требовался по техусловиям. Пришлось проверять уплотнения в других клапанах на борту станции. Это отняло несколько месяцев, и 26 ноября 2002 г. было объявлено, что запуск откладывается с последней возможной даты в декабре 2002 г. до следующего астрономического окна – до 5 мая 2003 г.

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    План полета, однако, изменился мало. В июне 2005 г. Hayabusa должен сблизиться с 1998 SF36 и выйти на орбиту вокруг него. В течение 3 месяцев станция будет летать на высоте 10–20 км, исследуя размеры, форму, режим вращения астероида, топографию поверхности, ее структуру и состав.
    Затем аппарат спустится ближе к поверхности, сбросит посадочный зонд Minerva и произведет три забора образцов суммарной массой до 1 г, которые будут помещены в возвращаемую капсулу. В ноябре-декабре 2005 г. станция уйдет от астероида и направится к Земле, к которой вернется в июне 2007 г. Возвращаемая капсула будет сброшена на расстоянии 300–400 тыс км от планеты и выполнит посадку с использованием парашютной системы на полигоне Вумера (Австралия); сам аппарат пройдет мимо Земли и останется спутником Солнца.


    Стартовая масса КА Muses-C – 530 кг, в т.ч. сухая масса – 415 кг, масса компонентов бортового ЖРД – 50 кг и масса ксенона для электрореактивной ДУ – 65 кг. Корпус аппарата выполнен в форме параллелепипеда размером 1.50x1.50x1.05 м, на котором установлены две трехсекционные панели солнечных батарей общей площадью 12 м² (на сторонах Y и +Y) и остронаправленная антенна диаметром 1.5 м на двухстепенном подвесе (на стороне +Z).

ЭРДУ станции Muses-C

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    Фотоэлементы на арсениде галлия обеспечивают мощность 1400 Вт (на расстоянии 1 а.е. от Солнца) при необычном номинале напряжения бортовой сети – 120 В. Бортовая никельметаллгидридная аккумуляторная батарея имеет емкость 15 А·ч. В состав бортовой электрореактивной ДУ входят два ионных двигателя с ионизацией рабочего тела (ксенон) за счет микроволнового разряда. Ионизированный газ разгоняется электрическим полем и выбрасывается через четыре сопла (на стороне +X). При потребляемой мощности 1 кВт тяга составляет 2 гс (20 мН); номинальная тяга каждого двигателя – 0.78 гс (7.7 мН), удельный импульс – 2980 сек, суммарный запас скорости – 4000 м/с. ЭРДУ используется для перелета к астероиду и обратно. При наземных испытаниях аналогичный двигатель был включен 30 марта 2000 г. и к 25 октября 2002 г. отработал 18000 часов.

Будущая цель - астероид Итокава

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    Для маневрирования вблизи поверхности астероида используется ЖРД (гидразин – азотный тетраоксид) с максимальной тягой 5 фунтов (2.3 кгс, 22 Н).
    Стандартная ориентация аппарата – режим трехосной стабилизации. Измерительными элементами системы ориентации являются два солнечных и один звездный датчик, исполнительными – маховики и 12 ЖРД тягой по 1 Н на двухкомпонентном топливе.

Посадочный зонд Minerva

Мишень для аппарата Hayabusa

Универсальное устройство забора образцов грунта

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    В системе связи аппарат использует каналы диапазонов X и S. Основная остронаправленная антенна HGA работает с передатчиком мощностью 20 Вт в диапазоне X и обеспечивает пропускную способность 8 кбит/с. Кроме нее, на аппарате имеется малонаправленная антенна MGA и ненаправленные антенны LGA диапазонов X и S.
    В состав бортовой научной аппаратуры входят камера видимого диапазона, лидар, спектрометр ближнего ИКдиапазона, рентгеновский спектрометр, устройство для забора образцов и посадочный зонд Minerva.
    Камера AMICA (Asteroid Multi-Band Imaging Camera) с ПЗС-матрицей в качестве средства регистрации и набором светофильтров предназначена для картирования по верхности, колориметрии, поляриметрии, исследования физических свойств поверхности, поиска газопылевой оболочки и спутников астероида, а также для навигации.
    Лидар LIDAR (Light Detection and Ranging) по существу представляет собой инфракрасный лазерный дальномер (длина волны – 1064 нм) и используется для составления карты высот, определения формы и массы астероида.
    Спектрометр ближнего ИК-диапазона NIRS (Near Infrared Spectrometer) установлен соосно с лидаром. Он выполняет измерения в диапазоне 0.85–2.10 мкм для определения минерального состава поверхности.
    Рентгеновский флуоресцентный спектрометр XFS (Xray Fluorescence Spectrometer) регистрирует свечение поверхности в рентгеновском диапазоне. Он может определить количество магния, алюминия, кремния и серы в материале поверхности, а в периоды солнечных вспышек, играющих роль дополнительной «подсветки», – еще и кальция, титана и железа.

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    Заборы образцов грунта будут производиться в режиме зависания при нулевой вертикальной и боковой скорости. Для обеспечения этого режима предварительно, с высоты 30–100 м, на поверхность сбрасывается мишень диаметром 10 см с люминесцентным покрытием, отражающим лазерный луч. Дальнейший спуск выполняется с использованием данных навигационных камер ONC (их две – широкоугольная с полем зрения 30x30° и телескопическая с полем зрения 5x5°), двух лазерных дальномеров LRF (Laser Range Finder) и веерных датчиков FBS (Fan Beam Sensor). Дистанционное управление с Земли на этапе спуска, разумеется, невозможно из-за большого времени радиообмена (более 20 мин). Незадолго до касания бортовой ЖРД выключается, чтобы не загрязнить поверхность, и аппарат свободно падает до касания – очень медленно, так как ускорение свободного падения на астероиде не превышает 0.1 мм/с².
    Универсальное устройство забора образцов грунта имеет массу около 10 кг и выполнено в виде воронки наибольшим диаметром 40 см и длиной 100 см. В момент касания встроенное пиротехническое устройство выстреливает вниз металлической пулькой массой 5 г со скоростью 300 м/с. Часть выбитого из поверхности материала проникает по воронке в приемную ловушку, откуда будет перегружена в возвращаемую капсулу. Проходит всего одна секунда после касания – и аппарат включает двигатель, поднимается на 100 м и ждет команды с Земли.
    Использовать для взятия пробы с астероида традиционное грунтозаборное устройство с буром было бы очень сложно – потребовалась бы хитроумная система якорей-грунтозацепов. Читатели, несомненно, заметили, что идею «выстрелил – изучил обломки» подхватили и американцы и реализуют ее в проекте Deep Impact – только с истинно американским размахом, со снарядом массой 500 кг!

Подлет. Сброс мишени и Minerva

Касание поверхности заборником и выстрел «пулькой» по грунту

Захват частиц грунта ловушкой

Астероид Итокава и аппарат Hayabusa

    Возвращаемая капсула имеет диаметр 40 см, длину 25 см и массу около 20 кг. Носовая часть капсулы покрыта абляционной теплозащитой толщиной 3 см, способной защитить ее после входа в атмосферу на скорости 12–13 км/с. Капсула рассчитана на перегрузки на уровне 25 g, причем уровень тепловых нагрузок будет в несколько раз выше, чем испытывали спускаемые аппараты кораблей Apollo. Для облегчения поисковых работ она оснащена радиомаяком.
    Отдельным по существу аппаратом на борту Muses-C является «роботпопрыгунчик» Minerva, также разработанный силами ISAS. Он оснащен стереокамерами, термометром и пенетраторами («иглами») для исследования физических характеристик грунта.
    Стоимость проекта Muses-C оценивается в 18 млрд иен (около 150 млн $). Научным руководителем проекта является проф. Акира Фудзивара, техническим менеджером – проф. Дзюнъитиро Кавагути. В разработке аппарата приняли участие ISAS и Университет Токио; головным подрядчиком была компания NEC. В обеспечении полета участвует Лаборатория реактивного движения NASA.

---