Японский космический аппарат «Хаябуса-2» выполнил уникальный эксперимент во время пролёта мимо небольшого астероида Торифунэ. Аппарат, двигавшийся относительно астероида со скоростью около 5,3 км/с, сумел дважды направить лазерный дальномер точно на небольшое небесное тело и измерить расстояние до его поверхности. Это стало первым успешным измерением расстояния до астероида с помощью бортового лазерного дальномера непосредственно во время пролётного исследования астероида.
Эксперимент продолжался всего несколько секунд и фактически предоставлял лишь очень короткое окно для успеха. «Хаябуса-2» пронеслась мимо Торифунэ на высокой скорости, а лазер должен был попасть в небольшую цель в строго рассчитанный момент. В результате 5 июля 2026 года аппарат получил два измерения — примерно на расстоянии 20 и 15 километров от астероида, всего за несколько секунд до максимального сближения.
Для такого эксперимента недостаточно просто включить лазер. Необходимо одновременно знать траекторию аппарата, точно контролировать его ориентацию, учитывать движение самого астероида и отличать слабый отражённый сигнал от фонового шума. Успешный результат показывает, что лазерная навигация может работать даже в условиях очень быстрого пролёта небольшого объекта.
«Хаябуса-2» продолжает миссию после Рюгу
История «Хаябусы-2» началась задолго до встречи с Торифунэ. Японский аппарат был запущен в декабре 2014 года и в 2018 году достиг астероида Рюгу. В течение следующего года он исследовал его поверхность, выполнил посадку и забрал образцы вещества, которые затем были доставлены на Землю.
Капсула с материалом Рюгу вернулась в декабре 2020 года. Сам космический аппарат после отделения капсулы не завершил работу, а продолжил полёт. Для него была разработана расширенная миссия, в рамках которой «Хаябуса-2» должна посетить новые малые тела Солнечной системы.
Первой целью расширенной миссии стал астероид Торифунэ. В дальнейшем аппарат должен продолжить межпланетный перелёт и, согласно плану миссии, в 2031 году достичь астероида 1998 KY26. Перед этим запланированы два сближения с Землёй для гравитационных манёвров — в 2027 и 2028 годах.
Таким образом, эксперимент с лазерным дальномером был не отдельной лабораторной проверкой, а частью реального пролётного исследования небольшого астероида.
От Рюгу к Торифунэ
Опыт, полученный при работе у Рюгу, оказался непосредственно востребован при новом этапе миссии. Бортовой лазерный высотомер «Хаябусы-2» уже использовался для измерения расстояний до поверхности Рюгу и получения данных о его рельефе. Эти измерения также помогали определять положение самого аппарата относительно астероида.
Но ситуация при пролёте Торифунэ принципиально отличалась. У Рюгу аппарат находился рядом с астероидом и мог неоднократно выполнять измерения поверхности в ходе продолжительного исследования. Во время пролёта Торифунэ времени на наведение было значительно меньше.
Аппарат должен был пройти мимо цели по заранее рассчитанной траектории, не останавливаясь и не переходя на длительную орбиту вокруг астероида. Поэтому лазер нужно было направить на Торифунэ в строго определённый момент.
Почему измерить расстояние при пролёте настолько сложно
Лазерный дальномер работает по простому принципу: прибор отправляет короткий импульс света к объекту, принимает отражённый сигнал и по времени его возвращения определяет расстояние.
На Земле такой принцип используется в самых разных измерительных системах. Но в космосе ситуация гораздо сложнее, особенно если объект небольшой и космический аппарат движется мимо него со скоростью несколько километров в секунду.
У «Хаябусы-2» при пролёте Торифунэ относительная скорость составляла около 5,3 км/с, то есть примерно 19 тысяч километров в час. За одну секунду аппарат проходил более пяти километров относительно астероида.
Это означает, что даже небольшая ошибка во времени или ориентации могла привести к тому, что лазерный луч прошёл бы мимо цели.
Астероид был очень маленькой целью
Торифунэ — небольшой астероид. По данным анализа пролёта, его длина составляет около 840 метров, а ширина — примерно 340 метров. При этом сам космический аппарат приближался к нему на расстояние, которое по космическим меркам было чрезвычайно малым.
Но для лазерного дальномера важен не только общий размер астероида. Луч имеет ограниченную ширину, а направление его распространения должно совпасть с положением поверхности в конкретный момент.
При двух успешных измерениях лазер осветил участки поверхности диаметром примерно 30 и 23 метра. То есть луч попадал лишь в небольшие области на поверхности Торифунэ.
На фоне космических расстояний это очень небольшая цель.
Всего две успешные попытки
5 июля 2026 года «Хаябуса-2» прошла мимо Торифунэ. Максимальное сближение произошло в 18:30:00,31 по японскому времени. Расстояние от центра астероида до аппарата в этот момент составило около 744 метров, а от поверхности — примерно 400 метров. Это стало самым близким пролётным исследованием небесного тела в истории космических миссий на тот момент.
Непосредственно перед максимальным сближением лазерный дальномер получил два отражённых сигнала.
Первый был зарегистрирован в 18:29:56,5, примерно за четыре секунды до максимального сближения. Расстояние до Торифунэ в этот момент составляло около 20 километров.
Второй сигнал пришёл через секунду, в 18:29:57,5, когда расстояние составляло примерно 15 километров. После этого аппарат продолжил движение, прошёл рядом с астероидом и удалился от него.
Иными словами, успешное измерение произошло в исключительно короткий промежуток времени. Причём между двумя измерениями аппарат успел переместиться на несколько километров.
Почему лазер срабатывал не каждый раз
Во время пролёта лазерный дальномер выполнял измерения через определённые промежутки времени. Но отражённый сигнал от Торифунэ регистрировался только тогда, когда луч действительно попадал на астероид и возвращённый сигнал можно было надёжно выделить.
Расчёты показывали, что при правильной траектории и ориентации аппарата подходящий момент для попадания луча в астероид занимал менее нескольких секунд. Поэтому эксперимент фактически требовал синхронной работы нескольких систем.
Команда должна была заранее рассчитать траекторию, положение астероида, ориентацию аппарата и настройки прибора. Одновременно необходимо было исключить ложные срабатывания от фонового сигнала.
Что именно измеряет лазерный дальномер
LIDAR, или лазерный дальномер, является оптической системой измерения расстояния. В отличие от обычной камеры, которая фиксирует изображение объекта, LIDAR непосредственно получает информацию о расстоянии до поверхности.
Это даёт совершенно другой тип данных.
Если космический аппарат знает, где находится в пространстве, а дальномер определяет расстояние до поверхности астероида, можно значительно точнее восстановить положение самого аппарата относительно объекта.
При многократных измерениях в разных точках можно получать сведения о форме небесного тела и уточнять его положение и движение.
Отдельная фотография не даёт полного масштаба
Космическая камера может показать астероид на снимке, но по одному изображению не всегда легко определить его точный размер или расстояние.
Проблема особенно заметна при наблюдениях небольших объектов в глубоком космосе. В кадре отсутствует привычный набор ориентиров, который есть у наблюдателя на поверхности Земли.
Лазерное измерение добавляет к изображению информацию о масштабе. Если одновременно известно расстояние до поверхности, фотографию можно привязать к физическим размерам объекта значительно точнее.
Именно сочетание оптических изображений, лазерных измерений и радиослежения за аппаратом позволяет строить более точную геометрическую модель пролёта.
Лазерный дальномер является не только научным прибором. Для межпланетного аппарата данные о расстоянии до объекта могут быть важной частью навигационной системы.
Во время сближения с небольшим астероидом даже небольшая ошибка в расчёте положения может привести к заметному отклонению от запланированной точки пролёта.
Это особенно важно для объектов, размеры которых составляют всего несколько сотен метров или около километра. Космический аппарат должен не просто попасть в широкую область пространства рядом с целью, а пройти по рассчитанной траектории относительно конкретного небольшого тела.
Обычно положение космического аппарата определяется с помощью радиосвязи и наблюдений с Земли. По времени прохождения радиосигнала и изменению его частоты можно получать информацию о расстоянии и скорости аппарата.
Однако при непосредственном приближении к небольшому астероиду возникает другая задача: необходимо точно определить взаимное положение аппарата и цели.
Здесь особенно полезны оптические камеры и лазерные дальномеры.
Камера позволяет видеть астероид, а LIDAR непосредственно измеряет расстояние до его поверхности. Совместная обработка таких данных позволяет уточнять траекторию аппарата в процессе сближения.
Во время финальной части пролёта Торифунэ наземная команда управляла аппаратом до примерно трёх часов до максимального сближения, после чего в работу включилось программное обеспечение автономного управления, установленное на борту.
Как измерение расстояния помогает определить орбиту астероида
Одно измерение расстояния само по себе не позволяет полностью определить орбиту небесного тела.
Но серия измерений, полученных в разные моменты времени, может значительно улучшить существующую модель движения.
Если одновременно известны положение космического аппарата, направление на астероид и расстояние до него, появляется дополнительная информация о взаимном расположении двух объектов.
Повторяя такие наблюдения, можно уточнять положение астероида в пространстве и его движение относительно Солнца.
Точные орбиты важны не только для научных миссий
Определение орбит небольших астероидов имеет практическое значение.
Некоторые из них проходят близко к Земле. Чтобы оценить потенциальную опасность такого объекта, необходимо знать его орбиту и уметь предсказывать её изменение на длительных временных интервалах.
Даже небольшая ошибка в исходных данных может со временем привести к заметной неопределённости в положении астероида.
Поэтому технологии, позволяющие получать дополнительные высокоточные измерения расстояния до малых тел, представляют интерес и для планетарной защиты.
Это не означает, что Торифунэ представляет угрозу Земле. Эксперимент был технологической демонстрацией на конкретном астероиде, а его значение для планетарной защиты связано с возможностью применения подобных методов в будущих миссиях к околоземным объектам.
Чем эксперимент отличается от обычного лазерного картографирования
Важно не смешивать несколько разных задач.
LIDAR «Хаябусы-2» уже использовался для лазерных измерений Рюгу. Во время длительного исследования астероида аппарат находился рядом с ним и последовательно получал данные о поверхности.
Такая работа позволила построить представление о форме и рельефе Рюгу и одновременно улучшать навигацию аппарата.
Эксперимент с Торифунэ был принципиально другим.
Здесь аппарат не зависел рядом с астероидом и не проводил продолжительное исследование его поверхности. Он пролетел мимо цели на большой относительной скорости. Поэтому задача заключалась в том, чтобы за несколько секунд успеть направить лазер на быстро перемещающуюся относительно аппарата поверхность.
Именно пролётный режим делает полученный результат уникальным.
У «Хаябусы-2» уже был опыт лазерной связи на больших расстояниях
У аппарата имеется интересная история использования лазерной системы не только для изучения астероидов.
Ещё во время полёта «Хаябусы-2» проводились эксперименты по лазерной связи и дальнометрии между аппаратом и наземными станциями.
В частности, в 2020 году удалось провести эксперимент по синхронной двусторонней лазерной дальнометрии на расстояниях до 6,46 миллиона километров. В нём бортовой лазерный высотомер использовался в качестве оптического транспондера: лазерные импульсы принимались от наземной станции, а затем соответствующий сигнал передавался обратно.
Это была совершенно другая конфигурация по сравнению с измерением расстояния до Торифунэ. В одном случае целью лазерной системы был космический аппарат, в другом — природное небесное тело.
Тем не менее предыдущие эксперименты помогли отработать высокоточную оптическую работу системы и показали, что LIDAR можно использовать в сложных условиях глубокого космоса.
Почему Торифунэ оказался хорошей целью для такого эксперимента
Торифунэ представляет собой небольшой объект, который сам по себе интересен с точки зрения происхождения малых тел Солнечной системы.
По данным анализа пролёта, его форма напоминает соединение двух более крупных частей с заметным сужением между ними. Предполагается, что такая структура могла сформироваться в результате столкновения и последующего объединения двух астероидных тел.
Однако подробная интерпретация его происхождения требует анализа всех полученных данных.
Для лазерного эксперимента важнее было другое: Торифунэ являлся небольшим и быстро движущимся относительно аппарата объектом, что создавало реальную проверку способности системы точно измерять расстояние во время пролёта.
«Хаябуса-2» не остановилась после пролёта
Успешное измерение расстояния не является конечной целью расширенной миссии.
После пролёта Торифунэ аппарат продолжил движение по межпланетной траектории. Впереди у него остаются последующие этапы полёта, включая гравитационные манёвры у Земли.
Гравитационный манёвр позволяет изменить траекторию и скорость космического аппарата за счёт пролёта рядом с планетой. Такой подход позволяет экономить бортовое топливо по сравнению с попыткой выполнить аналогичное изменение траектории только двигателями.
Для миссии, рассчитанной на длительный перелёт к небольшому астероиду, это особенно важно.
Следующая дальняя цель — 1998 KY26
После дополнительных манёвров «Хаябуса-2» должна направиться к астероиду 1998 KY26. Прибытие к нему запланировано на июль 2031 года.
Этот объект существенно отличается от Рюгу и Торифунэ. Поэтому продолжение миссии даст возможность проверить, насколько универсальными окажутся технологии навигации и наблюдений, разработанные и отработанные на предыдущих этапах.
Полученный опыт с Торифунэ может оказаться особенно полезным именно потому, что аппарат учится работать с небольшими объектами не в идеальных условиях длительного сопровождения, а во время быстрых пролётов.
Значение эксперимента для будущих полётов к астероидам
Количество известных малых тел Солнечной системы постоянно растёт, а многие из них имеют размеры от нескольких сотен метров до нескольких километров.
Посетить каждый такой объект невозможно. Поэтому для будущих миссий особенно важны методы, позволяющие получить максимум информации во время короткого пролёта.
Лазерная дальнометрия может стать одним из таких методов.
Если аппарат способен быстро определить расстояние до поверхности, это помогает связать изображения с физическими размерами объекта и уточнить его положение. При нескольких измерениях во время пролёта можно получить дополнительные данные о геометрии и движении астероида.
Особенно важны небольшие околоземные астероиды
Для планетарной защиты точная навигация имеет принципиальное значение.
Чтобы оценить вероятность столкновения астероида с Землёй, необходимо построить его орбиту и определить, как она будет меняться в будущем.
Для крупных и хорошо изученных объектов накоплено много наблюдений. С небольшими и недавно обнаруженными астероидами ситуация сложнее.
Будущие автоматические миссии могут использовать оптическую навигацию и лазерную дальнометрию непосредственно при сближении с такими объектами. Это позволит получить данные, которые невозможно получить только с помощью удалённых наблюдений.
Почему несколько секунд могут иметь огромное значение
Одной из наиболее впечатляющих особенностей эксперимента является его масштаб во времени.
Космический аппарат летел со скоростью около 5,3 км/с. Лазер попал в астероид дважды — сначала примерно на расстоянии 20 километров, затем на 15 километрах. Между этими событиями прошла всего одна секунда.
При этом аппарат должен был сохранять правильную ориентацию, а луч — попадать именно на астероид.
Ошибка в несколько градусов или неверная оценка положения цели могла сделать эксперимент бесполезным.
Это хороший пример того, насколько сложной является навигация в глубоком космосе. Даже когда космический аппарат находится всего в нескольких километрах от небольшой цели, задача точного сближения остаётся крайне требовательной.
Лазер добавляет к фотографии то, чего не видно на снимке
Обычная камера отвечает прежде всего на вопрос «где находится объект и как он выглядит».
Лазерный дальномер добавляет ответ на другой вопрос: «на каком расстоянии находится конкретный участок его поверхности».
Для космической навигации это принципиальная разница.
Если объединить изображения, лазерные измерения и данные радиослежения, можно получить более точную пространственную модель пролёта.
Именно поэтому LIDAR представляет интерес не только как инструмент научного исследования поверхности. Он может стать частью навигационного комплекса для автономных космических аппаратов, которым предстоит самостоятельно сближаться с небольшими телами.
Технология может стать важной для автономных аппаратов
Чем дальше от Земли находится космический аппарат и чем быстрее развивается событие, тем меньше возможностей у операторов вмешаться непосредственно в происходящий процесс.
Сигнал между Землёй и удалённым аппаратом распространяется с конечной скоростью. Поэтому при быстром пролёте небольшого астероида невозможно рассчитывать на ручное управление каждым движением в реальном времени.
Именно поэтому в современных межпланетных миссиях всё большую роль играет автономная навигация.
Во время пролёта Торифунэ финальная часть управления была передана бортовому программному обеспечению. Аппарат должен был самостоятельно реализовать рассчитанную траекторию и сохранить необходимую ориентацию.
Успешное лазерное измерение в таком режиме показывает, что автономная навигация может сочетаться с непосредственными измерениями расстояния до небольшой естественной цели.
Новый этап в развитии исследований малых тел
Главная ценность эксперимента «Хаябусы-2» заключается не в самом факте включения лазера. Лазерные дальномеры давно используются в космических исследованиях, а бортовой LIDAR японского аппарата уже успешно работал у Рюгу.
Новым стало сочетание нескольких сложных условий: небольшой астероид, высокая относительная скорость, очень короткое время для наведения и необходимость получить отражённый сигнал от поверхности во время пролёта.
Аппарат справился с этой задачей дважды.
Полученные измерения позволили непосредственно определить расстояние до Торифунэ на двух этапах быстрого сближения. Теперь данные будут использоваться вместе с другими наблюдениями для уточнения характеристик пролёта и положения точки, в которую попал лазер.
В более широком смысле эксперимент показывает, как постепенно меняется подход к исследованию небольших тел Солнечной системы. Будущим аппаратам не всегда потребуется долго находиться рядом с астероидом. Часть необходимой информации можно будет получать непосредственно во время быстрых пролётов, если системы навигации, камер и лазерных дальномеров смогут работать с высокой точностью.
«Хаябуса-2» уже продемонстрировала это на Торифунэ: за несколько секунд до максимального сближения аппарат, летевший со скоростью около 19 тысяч километров в час, дважды точно направил лазер на небольшой астероид и измерил расстояние до него. Такой результат становится важным технологическим шагом для будущих миссий к астероидам, особенно к небольшим и быстро движущимся объектам, для которых точная навигация имеет решающее значение.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
