Tajemnice misji DART. Sonda sama nakieruje się na asteroidę, a my zobaczymy film jak w nią uderza

Ciekawych misji kosmicznych w ostatnich latach nie brakuje. Na pewno śledzicie losy BepiColombo, który powoli zacieśnia swoją wokółsłoneczną trajektorię tak by w 2025 roku zaparkować na orbicie Merkurego. A jeśli wolicie odleglejsze planety, to misja łazika Perseverance na Marsie jest bardzo medialnym tematem. Podobnie zresztą jak Juno, która odkrywa tajemnice Jowiszowych chmur. Niedługo w kosmos poleci teleskop Webb, który pozwoli cofnąć się nam w czasie w sposób dotychczas nieosiągalny.

NASA w najbliższych latach chce sprawdzić, czy asteroida 16 Psyche na pewno jest z żelaza i nadaje się do komercyjnego wykorzystania. Podróżująca już sonda Lucy przyjrzy się asteroidom trojańskim, które pamiętają początki Układu Słonecznego. Dotrze do nich poruszając się po wyjątkowo niezwykłej orbicie.

A DART? To określenie na popularną grę, w której lotkami próbujemy trafić w okrągłą tarczę. To w pewnym sensie bardzo dobrze oddaje to cel tego projektu, o którym pisaliśmy już kilka lat temu. Realizuje go NASA we współpracy z APL (Applied Physics Laboratory) oraz Włoską Agencja Kosmiczną. Wtedy był on w fazie rozwojowej, dziś sonda jest już gotowa do startu, który nastąpi pod koniec listopada 2021 na pokładzie rakiety Falcon 9 (ach, cóż poczęłaby NASA bez SpaceX), i wiemy o niej wszystko (patrz wideo powyżej).

Okno startowe dla misji DART zaczyna się 24 listopada 2021 roku

Podstawowym celem misji jest wykorzystanie sondy DART jako impaktora, który po uderzeniu w asteroidę zmieni nieznacznie jej trajektorię. Nie będzie to co prawda taka zmiana do jakiej przywykliśmy oglądając filmy s-f, bo Didymos jest układem podwójnym, a siła uderzenia nie będzie tak duża jak w przypadku detonacji pocisku nuklearnego. Niemniej...

Uderzenie DART w powierzchnię Dimorfosa powinno zmienić jego 12 godzinny okres orbitalny wokół Didymosa o kilka minut

Więc nie chodzi tu, ani rozszczepienie asteroidy na tysiące małych fragmentów w wyniku uderzenia, czy też skierowanie jej w inne zakątki kosmosu. A o zmianę wzajemnego ruchu dwóch obiektów, które tworzą razem układ Didymos-Dimorfos, co już samo w sobie jest bardzo ciekawe.

W praktyce to układ podwójny, w którym Didymos ma dominująca masę, a Dimorfos pełni rolę jego księżyca. Obiega on duży składnik w tym samym czasie co obraca się wokół własnej osi. Podobnie jak ziemski księżyc. Asteroida nie stanowi obecnie zagrożenia dla Ziemi, ale wliczana jest do grona potencjalnie zagrażających kiedyś w przyszłości.

• przynależność: grupa Amora (ta sama co asteroida Eros)
• typ: S, główny budulec krzem i jego związki
• okres orbitalny: 2,11 roku
• minimalna i maksymalna odległość od Słońca: ok 1 AU i 2,3 AU (AU to średnia odległość Ziemia Słońce)
• okres obiegu Dimorfosa wokół Didymosa: 11,92 godziny
• okres obrotowy Didymosa: 2,26 godziny
• okres obrotowy Dimorfosa: 11,92 godziny
• odległość pomiędzy Didymosem i Dimorfosem: 1,18 km
• rozmiar Didymosa: 780 metrów
• kształt Didymosa: przypomina zabawkę bączka lub ociosaną kostkę
• rozmiar Dimorfosa: 163 metry
• kształt Dimorfosa: nie jest dokładnie znany, prawdopodobnie wydłużony
• odległość od Ziemi w momencie zderzenia: 11 milionów km

By misja została uznana w pełni za udaną, konieczne jest nie tylko pomyślne uderzenie w jedną z asteroid, ale także zarejestrowanie efektów tego zderzenia. Plany realizacji tego celu ulegały zmianie. Najpierw ESA miała dostarczyć sondę AIM, która miała dotrzeć do celu wraz z DART. Ten pomysł nie wypalił, dlatego zaproponowano, by opóźnić misję DART tak, by z kolei inna sonda ESA Hera, której celem również jest ta asteroida, mogła wypełnić rolę obserwatora.

Ostatecznie jednak stanie się trochę inaczej. DART poleci w wyznaczonym mu momencie, uderzy w asteroidę na przełomie września i października 2022 roku, a Hera zbada krater uderzeniowy w 2027 roku. Jednak bez obaw, obserwacjami ze zderzenia na miejscu zajmie się niewielka sonda typu cubesat, która waży jedynie 14 kilogramów i przyczepiona do DART poleci z nim w kosmos.

Ta niewielka sonda skonstruowana we Włoszech, nazwana LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids) ma na pokładzie dwie kamery, których nazwy ucieszą miłośników sagi Gwiezdnych Wojen. To LUKE (LICIACube Unit Key Explorer) o szerokim polu widzenia w kolorze i LEIA (LICIACube Explorer Imaging for Asteroid), która zapewni monochormatyczne ujęcie wysokiej rozdzielczości.

Dodatkowo prowadzone będą obserwacje z Ziemi, ale z oczywistych względów o nieporównywalnie niższej rozdzielczości.

Właściwa misja LICIACube rozpocznie się na 10 dni przed zderzeniem DART z Dimorfosem. Wtedy to oddzieli się od DARTa i zajmie taką trajektorię, by minąć Dimorfosa trzy minuty po zderzeniu. Takie opóźnienie przelotu pomoże w wykonaniu zdjęć, a być może nawet filmu, z odpowiedniej perspektywy. Nie tylko po zderzeniu, ale w jego trakcie. Naukowcy, podobnie zresztą jak my, z chęcią zobaczą jak po uderzeniu wzbija się obłok materii wyrzuconej z Dimorgosa i powstaje krater uderzeniowy.

Jednak nie tylko LICIACube zadba o ciekawe obrazy. Również sam DART jest wyposażony w kamerę o nazwie DRACO, która przypomina tę stosowaną między innymi na pokładzie sondy New Horizons, a także niedawno wystrzelonej Lucy. Ta kamera zakończy swoją pracę wraz z rozbiciem się sondy, ale przedtem wykona bardzo dokładne obserwacje układu Didymos-Dimorfos.

Dzięki stosunkowo niewielkiej odległości Didymosa od Ziemi w momencie zderzenia i możliwościom zastosowanych w misji kamer, zdołamy uzyskać nie tylko sekwencje zdjęć transmitowane w czasie rzeczywistym, ale nawet płynne wideo wysokiej rozdzielczości

Kamery LICIACube sfotografują także asteroidy widziane z drugiej strony już po zderzeniu, czego DART nie będzie już w stanie wykonać. Ta mała sonda już po zderzeniu przekaże na Ziemię zebrane wcześniej dane, których nie zdążył przesłać na bieżąco DART za pomocą swojej większej i mocniejszej anteny wysokiego uzysku (HGA). Podobnie jak New Horizons po minięciu Plutona jeszcze długo przesyłał wyniki swoich obserwacji.

Sonda DART jest bardzo ciekawa z kilku powodów. Po pierwsze wyposażono ją w minimalną ilość instrumentów, właściwie tylko kamera DRACO ma wartość istotną dla badań naukowych.

Po drugie dysponuje ona rozwijanymi panelami słonecznymi typu ROSA, które niczym dywan rozwiną się na orbicie. Podobne rozwiązanie, które ułatwia instalacje i transport na orbitę zastosowano niedawno w przypadku nowych paneli w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Ostatni powód to autonomiczny system nawigacji. Słyszeliście już o czymś takim przy okazji helikoptera Ingenuity, który dzielnie radzi sobie na Marsie, ale w przypadku DART wyzwanie jest jeszcze większe. Dopóki DART będzie w podróży, dopóty, kontrola naziemna będzie miała wpływ na tor jej lotu. Wszystko zmieni się pod sam koniec misji.

Sondę wyposażono w napęd jonowy NEXT-C (NASA Evolutionary Xenon Thruster - Commercial), który będzie testowany w trakcie misji, ale nie będzie to główny napęd sondy DART. Tę rolę, która pozwoli wykonywać sondzie manewry orbitalne i drobne korekty trajektorii ruchu, spełni 12 pędników na hydrazynę.

Ważącą 550 kilogramów sondę „zatankuje się” przed startem 50 kilogramami hydrazyny i 10 kilogramami xenonu dla napędu jonowego. Sonda zużyje większość paliwa przed zderzeniem.

Pod koniec podróży sonda będzie zbliżać się do Didymosa i Dimorfosa z dużą prędkością około 24 tysięcy kilometrów na godzinę. Jeszcze 4 godziny przed zderzeniem, wspomniane asteroidy będą trudne do rozróżnienia w polu widzenia kamery DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation).

Na tym etapie celowanie DART w Dimorfosa będzie przypominało próbę trafienia rzutką w muchę, która siedzi tarczy do gry w rzutki. W kosmosie będzie to niemal celowanie po omacku, a Dimorfos stanie się widoczny dla sondy jako rozmyta plamka o rozmiarze około 1,4 piksela dopiero na około godzinę przed zderzeniem. Jeszcze na 4 minuty przed zderzeniem rozmiar Dimorfosa to będzie jedynie 21 pikseli.

Autonomiczne oprogramowanie SMART Nav przejmie całkowitą kontrolę nad trajektorią sondy na ostatnie cztery godziny lotu. Od niego będzie zależało, czy poruszającej się z prędkością około 24 tys. km/h sondzie trafić w asteroidę o rozmiarze nieco tylko większym od boiska piłkarskiego

Możliwości natychmiastowej korekty z Ziemi nie będzie w ogóle, bo ogranicza to prędkość komunikacji radiowej. W czasie w jakim nastąpi kontakt DART z ziemią i odpowiedź, czyli około 1,5 minuty, sonda pokona prawie 500 km. Poza tym, nawet gdyby na Ziemi podejmowano decyzje, to i tak musiałby robić to raczej system automatyczny, gdyż wszystko będzie dziać się bardzo szybko.

To wyzwanie większe niż zdalnie realizowany lot dronem Ingenuity, który przecież nie porusza się zbyt szybko, a nawet jeśli spadnie na powierzchnię to raczej nie ucierpi. Na dodatek Ingenuity wie mniej więcej czego spodziewać się w trakcie lotu. Z kolei o wyglądzie Dimorfosa, poza tym że ma rozmiary około 160 metrów, wiemy bardzo mało. Od faktycznego kształtu zależeć będzie prawdopodobieństwo zderzenia. Autonomiczny system nawigacji będzie pierwszym, który pozna tajemnicę kształtu Dimorfosa i podejmie decyzję co do ewentualnej korekty trajektorii lotu.

W przypadku DART oczywiście chodzi o to by pojazd ucierpiał, czyli się rozbił, ale jeśli oprogramowanie SMART Nav się pomyli i zamiast wycelować w powierzchnię wyceluje w pustkę kosmosu, to sonda przemknie w pobliżu Dimorfosa i tyle z całej zabawy.

Na kilka minut przed zderzeniem zakończą się korekty ruchu. Sonda DART musi mieć wtedy już dokładnie ustalony tor lotu

Korekty ruchu sondy będą musiały być dobrze przemyślane, bo DART nie będzie miał zbyt wiele paliwa na ich wykonanie. Na dodatek sonda będzie miała rozłożone panele słoneczne, tworzące z niej coś na kształt płaskiej cienkiej deski od długości 18 metrów, z kostką o boku około 1,3 metra pośrodku. A taka konstrukcja nie reaguje spokojnie na zmiany toru lotu, szczególnie przy prędkości ponad 20 tysięcy kilometrów na godzinę.

SMART Nav to skrót od Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation. Istotną częścią tego systemu autonomicznej nawigacji jest wspomniana kamera DRACO o rozdzielczości 4 Mpix i polu widzenia jedynie 0,29 stopnia (podobny rozmiar kątowy ma Księżyc na ziemskim niebie), a także programowalne układy typu FPGA.

Zdjęcia będą wykonywane mniej więcej co sekundę i taki będzie interwał korekt toru lotu. W ciągu każdej sekundy na ostatnim etapie lotu zdjęcie będzie analizowane, określone będzie położenie Dimorfosa i spodziewana zmiana tego położenia, a na podstawie tych danych aplikowana korekta toru lotu. Poniżej wizualizacja na wideo jak zadziała system (widoczne są zmiany położenia asteroidy w kadrze i przez pędniki sondy korekty).

To oczywiście skrótowe ujęcie problemu, bo autonomiczny system SMART Nav przygotowany jest na wiele różnych scenariuszy. Nawet takie, które zakładają istnienie w układzie Didymosa jeszcze innego obiektu oprócz Dimorfosa. Źródeł zastosowanych tu algorytmów należy szukać w systemach naprowadzania pocisków.

Sonda ma przesyłać, dopóki będzie to możliwe, zarejestrowane dane na Ziemię w czasie rzeczywistym

…nie tylko zyskamy bezcenne obserwacje asteroid Didymos i Dimorfos, a także dynamiki tego układu. Dowiemy się czy teoria dotycząca odchylania toru asteroid przed uderzenie ma realne odzwierciedlenie w praktycznych zastosowaniach. Obecnie jesteśmy w stanie wykonywać symulacje komputerowe zderzeń, ale nie są one tak precyzyjne jak takie zjawisko w naturze. Dane dostarczone przez DART pomogą skorygować ewentualne błędy w dotychczasowych modelach.

A ponadto, technologia SMART Nav może zapoczątkować nową klasę systemów autonomicznej nawigacji sond i innych pojazdów kosmicznych. Przydatnych w sytuacjach, gdy wymagane są bardzo szybkie reakcje bez udziału człowieka.

Źródło: NASA, JHUAPL, inf. własna, fot: Johns Hopkins APL/Ed Whitman