Краткий план бюджетной миссии по доставке образцов с очень малого ближнего к Земле астероида.
1) Выбор цели
- Критерии: низкий суммарный $\Delta v$ от LEO (целевой показатель $\Delta v_{\text{LEO→asteroid}}\lesssim 5\text{km/s}$), близкая орбитальная фаза к Земле, размер $\sim 10-100\text{м}$ (облегчает захват, но усложняет посадку/якорение).
- Почему: экономия топлива/массы и более частые низкоэнергетические окна.
2) Запуск и начальная архитектура
- Режим запуска: rideshare на LEO или прямой вынос с небольшим C3; экономически выгодно — вывести полезный модуль $200-800\text{kg}$.
- Предпочтительная пропульсия: солнечная электрическая тяга (SEP) для экономии массы топлива; химическая ступень для манёвра отделения/возврата конечного капсулы.
- Почему: SEP даёт высокий удельный импульс ($I_{sp}\sim 2000-3000\text{s}$), снижая массу топлива при большом требуемом $\Delta v$.
3) Окна запуска и временные соображения
- Выбор окна: минимизация относительного венечника и требуемого $\Delta v$ — планировать запуск на фазу, когда гомологичная адвекция объекта к Земле даёт низкоэнергетический трансфер. Окна повторяются с синодическим периодом
$$T_{\text{syn}}=\frac{1}{\left|1/T_E-1/T_a\right|},$$
где $T_E=1\text{год}$, $T_a$ — орбитальный период астероида.
- Практика: выбирать ближайшее окно с месячным запасом на коррекции; для многих NEA окна повторяются раз в несколько месяцев–лет.
4) Траектория и орбитальные манёвры
- Выбор трассы: SEP-спираль LEO→гелиоцентр → малое коррекционное вмешательство → Ламбертовский перелёт к астероиду. Альтернативы: слабосвязная (WSB) или земной гравитационный ассист при наличии подходящих условий (экономит топливо, удлиняет полёт).
- Основные манёвры (приблизительные величины):
$$\Delta v_{\text{LEO→escape}}\approx 3.2\text{km/s}$$
(в случае прямого химического выброса; при SEP эту энергию набирает постепенно),
$$\Delta v_{\text{rendezvous}}\sim 0.5-2.0\text{km/s}$$
(зависит от относительной орбиты астероида).
- Почему: SEP уменьшает требуемую массу топлива, WSB/ассисты уменьшают $\Delta v$ ценой времени.
5) Подход и навигация у объекта
- Медленный фасинговый подход с оптической навигацией + LIDAR для точного определения расстояния и скорости.
- Дистанции: сначала дистанционное сопровождение на $\sim 10-100\text{km}$, затем постепенное снижение до нескольких десятков метров.
- Техника: автономные алгоритмы наведения/обхода (наградует сокращение времени связи и стоимость DSN).
6) Сбор образцов (технология посадки)
- Рекомендация: touch-and-go (TAGSAM-подобная) или краткосрочный контакт с накоплением образца методом газовой продувки/соска/схватывающего ковша. Цель выборки: $\sim 100\text{g}-1\text{kg}$.
- Если нужен больший образец — применять маленький посадочный модуль с анкерами/гарпуном (аналог Hayabusa2/Shoemaker), но это дороже и сложнее.
- Почему: для крошечных тел низкая гравитация делает «мягкую посадку» ненужной и рискованной (вероятность отскока/переворота). TAG минимизирует время контакта, упрощает правление тепловым/динамическим риском.
7) Отделение и возвращение
- Отделение со скромным $\Delta v$ на уход; если использовали SEP, использовать запланированное химическое/электрическое сокращение для захвата возвратной траектории.
- Возвратная капсула: компактная герметичная термозащитная капсула с аблятивным теплозащитным экраном и парашютом; масса капсулы $\sim 5-50\text{kg}$ в зависимости от образца и защиты.
- Почему: простая баллистическая капсула — проверенное и бюджетное решение.
8) Сроки и примерная оценка миссии
- Ожидаемая длительность: при SEP и прямом трансфере $\sim 2-4\text{года}$ (включая поиск окна и время на сбор/возврат); WSB и ассисты могут увеличить до $>4\text{лет}$.
- Суммарный $\Delta v$ от LEO до возврата: ориентировочно
$$\Delta v_{\text{total}}\sim 4-6\text{km/s}$$
(при грамотно выбранной цели — ближе к нижней границе).
9) Технологии и наследие
- Рекомендуется использовать проверенные решения для снижения риска и стоимости: SEP (коммерческие электрические системы), компактная капсула на базе нескольких миссий (Stardust/OSIRIS-REx), оптическую/лазерную навигацию, автономную ПО для маневров.
- Частичная унификация с серией CubeSat/SmallSat элементов (модуль возвращения + SEP-транспорт) даёт масштабируемость и экономию.
10) Риски и компромиссы
- SEP экономит массу, но увеличивает время и требует электроэнергии/солнечных массивов.
- WSB и ассисты экономят топливо, увеличивают сложность и продолжительность.
- Touch-and-go надёжнее и проще, но даёт ограниченную массу образца; анкеры — риск механический, дороже.
Краткое итоговое предложение (бюджетный вариант): целевой low-$\Delta v$ NEA → запуск rideshare в LEO → SEP-транспорт $200-800\text{kg}$ → медленный оптический подход и TAG-образец $\sim 100-1000\text{g}$ → отделение и возврат капсулы с аблятивным щитом. Это оптимизирует массу, стоимость и спад рисков при приемлемых сроках.