Når CubeSats møder en asteroide

SA's Hera-mission for planetarisk forsvar, er designet til at undersøge den mindste asteroide, der nogensinde er blevet udforsket, er virkelig tre rumfartøjer i ét. Hovedmoderskibet vil bære to kuffertstørrelser CubeSats, som vil røre ned på målkroppen. Et fransk hold har undersøgt, hvad der kunne ske i det første øjeblik af kontakt med fremmede.

"Vi har tilpasset et eksisterende faldtårn og rigget det til med et system af remskiver og modvægte for at simulere et miljø med lav tyngdekraft, " forklarer forsker Naomi Murdoch fra Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE-Supaero), del af universitetet i Toulouse.

"Vi kan gå ned til et par procent af Jordens tyngdekraft i testboksen, som vi placerer i faldtårnet, indeholdende en modellander og simuleret asteroide terræn.

"Vores hold startede med en sfærisk lander, der rørte ned på en sandet overflade, men vi er gået videre til kubiske former, der er mere repræsentative for de faktiske CubeSats. Vi har også studeret indflydelsen af ​​forskellige overfladematerialer, og søgte at forstå, hvordan landingsprocessen varierer med forskellige materialeegenskaber, tyngdekraftsniveauer og hastigheder.

"Dette er nødvendigt, fordi hver gang vi går til en anden asteroide, ender vi med at blive overrasket over det, vi finder. For eksempel, Japans Hayabusa2, i øjeblikket udforsker Ryugu-asteroiden, har fundet meget sjældnere 'regolith'-støv og flere kampesten, end forskerne havde forventet."

Tyngdekraften involveret er mindre end en hundrede tusindedel af Jordens, langt lavere, end det kan reproduceres af ISAE-Supaero-teamet. Dette betyder, at selve touchdownet vil være mere som et rumfartøj, der lægger til, end en traditionel planetlanding.

"Forestille, for eksempel, hvis CubeSats frigives 200 m fra asteroideoverfladen, så vil de tage over en time at tilbagelægge den korte afstand til overfladen, " tilføjer Naomi. "Alt bevæger sig i en slags slowmotion. Så er der også mulighed for at prelle af igen.

"Rosetta-kometjagerens Philae-lander hoppede fra overfladen af ​​kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko gentagne gange, før den endelig faldt til ro. Hvis du var en astronaut på overfladen, ville du helt sikkert skulle gå med utrolig blide skridt for at undgå at forlade overfladen og kommer aldrig tilbage."

Håbet er, at begge CubeSats overlever deres nedstigning for at returnere nogle observationer, inklusive nærbilleder af overfladematerialet. Men hovedformålet med ISAE-Supaero-testen er at presse så meget værdifuld data ud af det første kontaktøjeblik.

"Vi har udstyret vores testlander med accelerometre svarende til dem, som en af ​​Hera CubeSats vil bære, " siger Naomi. "Vi kan for eksempel se, hvordan slagdynamikken varierer baseret på materialeegenskaberne, fra sand til stort grus, påvirke, hvor meget vi trænger ind i overfladen, og hvor længe kollisionen varer.

"Og vi lærer, hvordan resultaterne er forskellige baseret på, hvordan CubeSats lander, uanset om de kommer ned i hjørnet eller vender først – en landing med forsiden nedad ville give en højere peakacceleration. I slutningen af ​​vores test håber vi at have et sæt data til bedre at fortolke de faktiske landinger – og også vise sig nyttige til at forstå andre missioners interaktioner med asteroider."

Tilbage i 2005 var forskere på samme måde i stand til at erhverve værdifuld viden om den frosne metanskorpe på Saturns Måne Titan ved den måde, ESA's Huygens-lander slingrede, mens den kom til hvile. Landerens bevægelse antyder en overfladekonsistens af fugtigt sand, dækket med et luftigt støvlag, med fugt lige under overfladen - og tilstedeværelsen af ​​mindst en 1-2 cm stor sten.

ISAE-Supaeros test indtil videre understreger, hvordan Heras mål på 160 m diameter, ekstrem lav tyngdekraft asteroide er ved at forme sig til at være et virkelig fremmed miljø. "Overfladematerialet er bundet til at opføre sig anderledes, fordi reduktion af tyngdekraften reducerer normalkraften mellem partikler og derfor også friktionen - så det burde kræve mindre kraft at trænge igennem det samme sandede materiale.

"Den lave tyngdekraft betyder også andre fænomener såsom van der Waals kraft, som får ting som mel til at hænge sammen, vil spille en meget større rolle. Asteroidens overflade kan have en samling af store sten, som ender med at opføre sig mere som melpartikler. Eller elektrostatisk opladning kan tilskynde støv til at svæve og transporteres hen over overfladen."

Disse landingsdata skulle også hjælpe med at afsløre skaleringslove, der er iboende for kollisionsdynamik, strækker sig hele vejen op på skalaen til nedslaget af NASAs DART-rumfartøj med den samme asteroide, at teste planetariske forsvarsteknikker.

Hera-missionen vil blive præsenteret for ESA's Space19+-møde i november, hvor Europas rumministre vil tage en endelig beslutning om at flyve missionen.