Вломи ему, Дарт! Зачем аппарат DART летит к астероиду Диморф
24 ноября 2021 года в космос должен стартовать космический аппарат NASA DART, который опробует на практике один из методов защиты Земли от астероидов — кинетический таран. Ученые ожидают, что столкновение аппарата с 160-метровым астероидом из системы Дидим изменит орбиту последнего. Рассказываем, как устроены DART и его миссия, и какие еще есть способы уберечь Землю от небесного апокалипсиса.
На поверхности самых разных тел Солнечной системы есть ударные кратеры, следы столкновений с другими космическими объектами. На Земле они тоже есть, около двухсот, просто их хуже видно — затягивать раны нашей планете помогает интенсивная эрозия. Самому старому известному земному кратеру — Яррабуббе — 2,2 миллиарда лет. В наш век человечество пока что лишь наблюдает болиды и падения метеоритов, которые не порождают крупные катаклизмы, хотя могут наделать немалый переполох.
Считается, что бомбардировка Земли крупными телами в ранний период ее существования могла способствовать зарождению жизни, так как падающие с неба глыбы поставляли на молодую планету водяной лед и органические молекулы. Однако с развитием жизненных форм на Земле все изменилось — небесные бомбардировки могли быть для них смертельны, как это было с астероидом, после которого в Мексиканском заливе появился кратер Чиксулуб. Сегодня принято считать, что именно падение тела диаметром больше десяти километров вызвало мел-палеогеновое массовое вымирание, в ходе которого погибли динозавры. Подобные катаклизмы, по оценкам исследователей, могут происходить раз в 250–500 миллионов лет. Чиксулубу идет 67-й миллион.
Чтобы отличать небесные тела, способные ввергнуть нашу планету в хаос, от безобидных астероидов и комет, астрономы ввели понятие «потенциально опасного астрономического объекта». Этот титул получают все тела размером больше 150 метров, которые могут подойти к земной орбите на дистанцию менее 19,5 расстояний от Земли до Луны. Степень «грозности» астероидов и комет ученые измеряют также по Туринской и Палермской шкалам — они связывают опасность небесного тела для Земли с его размерами, кинетической энергией и вероятностью столкновения с нашей планетой (подробнее об оценке опасности астероидов читайте в материале «Как разобраться с астероидом без прокуратуры»).
Что у Земли в арсенале
Кажется, что при возникновении реальной угрозы столкновения Земли с крупным небесным телом человечество обязательно что-нибудь придумает (придумало же оно фильм «Армагеддон») и спасется. Однако в действительности пока мы умеем лишь следить за потенциально опасными телами в оптике и радиодиапазонах. Мониторинг постоянно совершенствуется: увеличивается число телескопов (как наземных, так и космических), уже существующие модернизируются, сам процесс наблюдения и обработки данных автоматизируется — так что мы сможем предсказать время и место падения подобного тела на Землю за несколько дней до этого. Но на этом, собственно, все и заканчивается.
Методик планетарной защиты придумано несколько, однако пока ни один из них на практике не проверялся.
Концепт космического перехватчика с термоядерными зарядами для астероида Апофис.
Толкнуть. Другой вариант защиты предусматривает таран астероида аппаратом-ударником (одним или несколькими), чтобы изменить его импульс и, как следствие, траекторию движения. И тут опыт у нас уже есть: в 2005 году аппарат Deep Impact сбросил небольшой импактор на ядро кометы Темпеля 1, который столкнулся с ним на скорости 10 километров в секунду. Однако тогда все это делалось исключительно в научных целях — ученым был интересен состав кометы, а не изменения ее траектории за счет удара.
Использовать силу гравитации. Можно попытаться отклонить астероид «гравитационным трактором» в виде достаточно массивного аппарата, который сопровождал бы объект, зависнув над ним, и таким образом менял его траекторию за счет гравитационного поля. Этот метод должна была проверить миссия ARM (Asteroid Redirect Mission), однако в 2017 году проект закрыли.
Траектория движения аппарата ARM для метода гравитационного трактора.
На этом список идей не заканчивается, но все остальные (пока) не рассматривались всерьез, а их авторы ограничивались лишь теоретическими расчетами.
Тем временем, как бы безумно это ни звучало, человечеству не помешал бы проверенный на практике метод защиты от астероидно-кометной опасности — хоть мы и не можем предсказать, когда именно придет их звездный час.
Догнать и ударить
Проект DART (Double Asteroid Redirection Test — испытание перенаправления двойного астероида) был одобрен NASA в 2018 году и стал первым в своем роде проектом испытания планетарной защиты. Выбор агентства в этот раз пал на метод кинетического тарана. Стоимость разработки первого кандидата на роль защитника Земли составила 324,5 миллиона долларов за три года работ (для сравнения: годовые военные бюджеты крупных стран исчисляются в десятках и сотнях миллиардов).
NASA / Johns Hopkins APL
В качестве цели ученые выбрали двойной астероид (65803) Дидим из семейства Аполлонов, открытый в 1996 году. Вокруг его 780-метрового основного тела обращается с периодом 11,9 часов 160-метровый спутник Диморф (скорее всего, фрагмент Дидима). Орбита астероида пересекает земную, так что он относится к потенциально опасным. В ноябре 2123 года он подлетит к Земле на расстояние 5,9 миллиона километров.
Радарные изображения системы Дидим.
Arecibo Observatory / NASA
Трехмерная модель Дидима и Диморфа.
Naidu et al., AIDA Workshop, 2016
Диморф удобен по двум критериям — он относительно мал по сравнению с другими астероидами и достаточно близок к Земле, что позволяет достаточно точно оценить результаты тарана. 550-килограммовый аппарат должен развить скорость 6,6 километра в секунду и врезаться в астероид, масса которого составляет около 4,8 миллионов тонн. По расчетам, период обращения Диморфа вокруг Дидима изменится на 4–7 минут. Однако на практике процесс столкновения будет, естественно, устроен сложнее, чем показывают модели. В частности, если при столкновении ударника с астероидом в пространство будет выброшено большое количество вещества, то эффект кинематического тарана может усилиться. Это усиление описывается коэффициентом β, равным отношением импульса цели после столкновения к импульсу импактора.
Моделирование образования кратера за счет столкновения ударника с поверхностью астероида типа «кучи щебня».
Johns Hopkins APL / Angela Stickle
Здесь сокрыта еще одна цель DART — помочь ученым проверить модели изменения β-коэффициента в зависимости от скорости ударника, угла столкновения, внутренней структуры цели и свойств ее вещества, таких как прочность или ударная вязкость. Исследователи предсказывают, что на β-коэффициент сильнее влияет степень пористости недр астероида, а не его минеральный состав. Кроме того, в случае сильно неоднородных тел типа «кучи щебня» (таким, к примеру, является астероид Бенну) огромную роль будет играть район, куда попадает ударник. В случае пары DART–Диморф модели предсказывают, что эффект тарана усилится в 1,5–2 раза за счет выброса вещества с поверхности астероида.
Моделирование разрушения крупных валунов в ходе столкновения ударника с поверхностью астероида типа «кучи щебня».
Johns Hopkins APL / Angela Stickle
Ударник и испытатель
DART не только будет биться с Диморфом, но и опробует в полете ряд технологических новинок. Для миссии была разработана новая система автономной оптической навигации в реальном времени SMART Nav (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation), она будет управлять космическим аппаратом в последние четыре часа перед столкновением. Электроэнергию аппарат будет получать при помощи гибких разворачиваемых 8,5-метровых солнечных батарей ROSA, которые испытывали на МКС.
В качестве двигательной установки, помимо ксенонового ионного двигателя NEXT, на аппарате в тестовом режиме поработает двигатель NEXT-C (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster–Commercial), его в дальнейшем планируют устанавливать на межпланетные аппараты. Кроме того, для связи с Землей DART получил новый тип антенны с высоким коэффициентом усиления RLSA (Spiral Radial Line Shot Array).
Стартовая масса аппарата — 610 килограммов, а без солнечных батарей он похож на куб с размерами 1,2×1,3×1,3 метра. Полезная нагрузка DART включает в себя солнечные и звездные датчики, а также камеру DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation) с апертурой 20,8 сантиметров, которая получит четкие изображения астероидов, последние из которых будут сделаны за 20 секунд до столкновения. Кроме того, вместе с DART к Дидиму отправится кубсат LICIACube с двумя оптическими камерами — он отделится от основного аппарата за 10 дней до тарана астероида и будет следить за ходом всего процесса, передавая снимки на Землю (нечто подобное NASA делали, сажая на Марс аппарат InSight, но тогда миссия кубсатов была проще).
План-перехват
В космос DART выведет ракета-носитель Falcon 9. Стартовое окно открывается 24 ноября 2021 года и продлится до февраля 2022-го. Аппарат должен прибыть к Дидиму в конце сентября 2022 года, а 2 октября пойти на таран. В этот момент расстояние между Дидимом и Землей будет всего 11 миллионов километров, его смогут наблюдать наземные телескопы. Для наблюдателя с Земли система астероидов затменная — Диморф периодически проходит впереди и позади Дидима и потому, отслеживая изменения яркости этого объекта, можно будет определить, изменилась ли орбита Диморфа после его столкновения с DART.
NASA / Johns Hopkins APL
Через два года после этого, в октябре 2024 года, к Дидиму отправится европейская межпланетная станция Hera. Она прибудет к астероидам в 2027 году и доставит к системе спутники-кубсаты APEX (Asteroid Prospection Explorer) и Juventas, последний в конце своей миссии сядет на Диморф. Аппараты, во-первых, подтвердят факт изменения орбиты Диморфа, а затем займутся исследованиями физических свойств астероидов: их состава, внутренней структуры, а также ландшафта — в том числе и ударного кратера от столкновения с DART.
B_ZADRE3
Адаптация зубчатого колеса выполнена для диапазона оборотов 3
* При снятии клеммы аккумуляторной батареи эти значения обнуляются.
** Проверка этого параметра актуальна, если B_ZADRE1=»Да».
*** В скобках приведен диапазон типичных значений параметра для того случая, если определено значение параметра ASA.
ПРИМЕЧАНИЕ. В таблице приведены значения параметров для положительной температуры окружающего воздуха.
Таблица типовых параметров, для двигателя 2112
Параметр
Наименование
Единица или состояние
Зажигание включено
Холостой ход (800 об/мин)
Холостой ход (3000 об/мин)
Параметр нагрузки
Напряжение бортовой сети
13,2-14,6
Температура охлажлающей жидкости
90-105
ZWOUT
Угол опережения зажигания
град.по к.в.
35-40
DKPOT
Положение дроссельной заслонки
Частота вращения коленчатого вала двигателя
3000
Длительность импульса впрыска топлива
MOMPOS
Текущее положение регулятора холостого хода
70-80
Частота вращения коленвала на холостом ходу
3000
Переменная адаптации расхода воздуха на холостом ходу
Массовый расход воздуха
Сигнал управляющего датчика кислорода
Коэффициент коррекции времени впрыска топлива по сигналу УДК
Аддитативная состовляющая коррекции самообучением
Мультипликативная состовляющая коррекции самообучением
Коэффициент заполнения сигнала продувки адсорбера
30-80
Сигнал диагностического датчика кислорода
Температура впускного воздуха
-20. +60
Фильтрованное значение сигнала датчика неровной дороги
FDKHA
Фактор высотной адаптации
Сопротивление шунта в цепи нагрева УДК
Сопротивление шунта в цепи нагрева ДДК
FZABGS
Счетчик пропусков зажигания, влияющих на токсичность
Параметр расхода воздуха регулятора холостого хода
LUT_AP
Измеренная величина неравномерности вращения
LUR_AP
Пороговая величина неравномерности вращения
Параметр адаптации
0,9965-1,0025**
0,996-1,0025
Фактор влияния форсунок на адаптацию смеси
Интегральная часть задержки обратной связи по второму датчику
TPLRVK
Период сигнала датчика О2 перед катализатором
Признак работы двигателя в режиме холостого хода
НЕТ
Контроль детонации активен
Защитная функция от детонации активна
НЕТ
B_SWE
Плохая дорога для диагностики пропусков зажигания
НЕТ
Признак работы в зоне регулирования по управляющему датчику кислорода
M_LUERKT
Пропуски зажигания
Есть/Нет
НЕТ
B_LUSTOP
Обнаружение пропусков зажигания приостановлено
НЕТ
B_ZADRE1
Адаптация зубчатого колеса выполнена для диапазона оборотов 1
B_ZADRE3
Адаптация зубчатого колеса выполнена для диапазона оборотов 3
* При снятии клеммы аккумуляторной батареи эти значения обнуляются.
** Проверка этого параметра актуальна, если B_ZADRE1=»Да».
*** В скобках приведен диапазон типичных значений параметра для того случая, если определено значение параметра ASA.
ПРИМЕЧАНИЕ. В таблице приведены значения параметров для положительной температуры окружающего воздуха.
Таблица типовых параметров, для двигателя 21214-36
Параметр
Наименование
Единица или состояние
Зажигание включено
Холостой ход (800 об/мин)
Холостой ход (3000 об/мин)
Параметр нагрузки
Напряжение бортовой сети
13,2-14,6
Температура охлажлающей жидкости
90-105
ZWOUT
Угол опережения зажигания
град.по к.в.
35-40
DKPOT
Положение дроссельной заслонки
Частота вращения коленчатого вала двигателя
3000
Длительность импульса впрыска топлива
MOMPOS
Текущее положение регулятора холостого хода
70-80
Частота вращения коленвала на холостом ходу
3000
Переменная адаптации расхода воздуха на холостом ходу
Массовый расход воздуха
Сигнал управляющего датчика кислорода
Коэффициент коррекции времени впрыска топлива по сигналу УДК
Аддитативная состовляющая коррекции самообучением
Мультипликативная состовляющая коррекции самообучением
Коэффициент заполнения сигнала продувки адсорбера
50-80
Сигнал диагностического датчика кислорода
Температура впускного воздуха
Фильтрованное значение сигнала датчика неровной дороги
FDKHA
Фактор высотной адаптации
Сопротивление шунта в цепи нагрева УДК
Сопротивление шунта в цепи нагрева ДДК
FZABGS
Счетчик пропусков зажигания, влияющих на токсичность
Параметр расхода воздуха регулятора холостого хода
LUT_AP
Измеренная величина неравномерности вращения
LUR_AP
Пороговая величина неравномерности вращения
Параметр адаптации
0,9965-1,0025**
0,996-1,0025
Фактор влияния форсунок на адаптацию смеси
Интегральная часть задержки обратной связи по второму датчику
TPLRVK
Период сигнала датчика О2 перед катализатором
Признак работы двигателя в режиме холостого хода
НЕТ
Контроль детонации активен
Защитная функция от детонации активна
НЕТ
B_SWE
Плохая дорога для диагностики пропусков зажигания
НЕТ
Признак работы в зоне регулирования по управляющему датчику кислорода
M_LUERKT
Пропуски зажигания
Есть/Нет
НЕТ
B_LUSTOP
Обнаружение пропусков зажигания приостановлено
НЕТ
B_ZADRE1
Адаптация зубчатого колеса выполнена для диапазона оборотов 1
B_ZADRE3
Адаптация зубчатого колеса выполнена для диапазона оборотов 3
* При снятии клеммы аккумуляторной батареи эти значения обнуляются.
** Проверка этого параметра актуальна, если B_ZADRE1=»Да».
*** В скобках приведен диапазон типичных значений параметра для того случая, если определено значение параметра ASA.
ПРИМЕЧАНИЕ. В таблице приведены значения параметров для положительной температуры окружающего воздуха.
(для двигателей 2111, 21114,21124, 21214)
Таблица типовых параметров, для диагностики двигателей 2111
Параметр
Наименование
Единица или состояние
Зажигание включено
Холостой ход (800 мин-1)
Холостой ход (3000 мин-1)
TMOT
Температура охлаждающей жидкости
90-105
TANS
Температура впускного воздуха
-20. +50
Напряжение в бортовой сети
11,8-12,5
13,2-14,6
13,2-14,6
WDKBA
Положение дроссельной заслонки
NMOT
Частота вращения коленчатого вала двигателя
мин-1
800±40
3000
Массовый расход воздуха
24-30
ZWOUT
Угол опережения зажигания
22-30
Параметр нагрузки
18-24
14-18
FHO
Фактор высотной адаптации
Длительность импульса впрыска топлива
MOMPOS
Текущее положение регулятора холостого хода шаг
40±15
90±15
DMDVAD
Параметр адаптации регулировки холостого хода
Сигнал датчика кислорода
Что такое адаптационный коэффициент blm
Методика оценки результатов успешности адаптации выпускников ВУЗов, принадлежащих к разным структурным группам.
Кунтуров Андрей Леонидович,
заместитель начальника факультета Военно-Космической Академии им. А.Ф.Можайского.
Распределение выпускников ВУЗов на первичные должности является одним из важных факторов, определяющих успешность адаптации выпускников. Результат как эффективность успешности деятельности бывает тем более полным, правильным и целенаправленным, чем скорее удается адаптировать выпускникам ВУЗов к непосредственной деятельности. В соответствии с этим деятельность администрации ВУЗов в значительной мере направлена на формирование необходимых умений и навыков у выпускников для их скорейшей адаптации на первичной должности.
Существенную помощь в целесообразности распределения выпускников на первичные должности оказывает результат преддипломной практики, который демонстрирует и выявляет личностные способности, навыки, умения, а это в свою очередь способствует успешной адаптации выпускника на первичной должности.
Методика оценки успешности адаптации выпускников к профессиональной деятельности на первичной должности включает в себя: формирование системы оценок, математический аппарат для распределения выпускников по структурным группам, методику проверки адекватности оценки успешности адаптации выпускников.
Под успешностью адаптации выпускника понимается его принадлежность к одной из трех структурных групп: активная адаптация, резерв, пассивная адаптация. Эти группы сформированы путем объединения отдельных кластеров, в силу схожести их основных характеристик [3].
При распределении выпускников по группам учитывается предложенная система оценок представленная на рисунке 1.
Формирование системы оценок.
В эту систему входит коэффициент успешности адаптации и оценки личностных профессиональных качеств, которые формируют матрицу экспертных оценок. При помощи аппарата кластерного анализа осуществляется формирование из этой матрицы трех названных групп успешности адаптации. При этом для групп активная адаптация и резерв рекомендации по распределению могут быть сформированы непосредственно, а для третьей – пассивная адаптация требуется анализ составных частей интегральной оценки как это показано на рисунке 1.
Процесс распределения выпускников сопровождается постоянным изучением каждого из выпускников, состыковки возможностей выпускника с требованиями, предъявляемыми к нему на первичной должности.
Для того чтобы правильно осуществить распределение выпускников, администрации факультета необходимо иметь полное представление о структуре адаптационной успешности каждого конкретного выпускника, об удельном весе каждой входящей в структуру составляющей. Эта информация важна при совмещении конкретного выпускника и должности, которую предлагается ему занять на первом месте работы. Преддипломная практика выпускников сама состоит из структурных составляющих определяемых по трем типам основной деятельности: педагогическая, инженерно-техническая, административная [1].
Проводились исследования результатов профессиональной деятельности в ходе преддипломной практики выпускников по этим трем составляющим. В результате исследований был выведен и рассчитан коэффициент «адаптации» каждого выпускника (рисунок 2).
Расчет коэффициента адаптации.
Таким образом, получена возможность при распределении выпускников с высоким коэффициентом адаптивности, принадлежащего структурной группе «пассивной адаптации», распределять его с учетом проявленных им способностей (педагогическая, инженерно-техническая, административная) на должности, не требующие от него проявления качеств, имеющихся у него в недостаточном количестве. Осуществляется дифференцированный подход к каждому выпускнику и учет его конкретной индивидуальности при поиске соответствующего его способностям места работы. При правильном выборе деятельность на первичной должности не вызывает глубоких отрицательных эмоций, провоцируемых неумением быстро приспособиться к новым условиям работы. Следовательно, молодой специалист на первом, важнейшем этапе деятельности, не разочаровывается в избранной профессии, а значит, эффективно выполняет возложенные на него обязанности [2].
Для оценки зависимости успешности адаптации выпускников на первичных должностях и принадлежностью выпускников к различным структурным группам (активная адаптация, резерв, пассивная адаптация) представляется целесообразным установить корреляционные и стохастические зависимости между распределением выпускников по структурным группам (активная адаптация, резерв, пассивная адаптация) и результатами полученных с мест практики характеристик на каждого из обследованных выпускников [1, 2].
Исследуемые величины являются дискретными, поскольку требуется установить взаимосвязь между принадлежностью выпускников к определенной структурной группе и их характеристикой.
Зависимость между величинами стохастическая, поскольку присвоенный балл соответственно полученному отзыву с места прохождения практики является значением случайной величины.
Таким образом, реальный процесс выпуска и дальнейшей деятельности выпускника следует рассматривать как случайный процесс. Но поскольку подвергнуть его описанию ввиду большой сложности не представляется возможным, поэтому рассмотрим его сечения – моменты: преддипломной практики выпускника, сдачи государственных экзаменов и результаты отзывов с места прохождения практики [1].
Количественным дифференциальным показателем адаптивности служит коэффициент адаптации (æ) каждого выпускника. По своей сути коэффициент (æ) в баллах является величиной, характеризующей уровень успешной адаптации выпускника. Случайной оценку следует считать потому, что ее выставляют как результат проверки небольшой выборки (три дисциплины по направлению в ВУЗе и три направления в местах прохождения практики) из большого объема, проверяемого материала.
В дальнейшем имеющиеся результаты по основным дисциплинам перед началом преддипломной практики и результаты преддипломной практики буде м рассматривать как случайный дискретный вектор ( ξ, η ) [1].
Будем в качестве результативного признака считать оценку отзыва с места прохождения практики и обозначать η: случайная величина.
За фактор примем принадлежность к структурной группе, и будем его обозначать ξ. Как очевидно, между η и ξ существует нефункциональная зависимость.
Проявление такой зависимости объясняется действием на результаты деятельности выпускника не только многочисленных неконтролируемых факторов, влияющих в течение деятельности и относящихся к организации производственного процесса, личных качеств выпускника и т. п., но и результата принадлежности выпускника к той или иной структурной группе.
Степень стохастической зависимости η от ξ измеряется главным корреляционным отношением, квадрат которого называется генеральным коэффициентом детерминации. Он показывает, какую долю дисперсии случайной величины η составляет дисперсия условных математических ожиданий, или, иначе говоря, какая доля дисперсии η объясняется корреляционной зависимостью η от ξ. Остальная часть будет обусловлена зависимостью η от случайных факторов, влияющих прямо на η, а не опосредовано через ξ. Эти факторы называются остаточными. Зная распределение долей дисперсии, обусловленных различными факторами можно оптимально распределить усилия по устранению недостатков в организации самого процесса [1].
В дальнейшем будем полагать, что число выпускников неизменно и равно N. В результате ранжирования оценок всего списочного состава выпускников и группирования их по принадлежности к структурной группе ( активная адаптация, резерв, низкая адаптация ) можно получить таблицу 1 распределения [1,3].
