Самое близкое к нам и вроде бы отлично исследованное небесное тело, Луна, до сих пор вызывает серьезный научный интерес. Как на полюсах появился водяной лед, и что он из себя представляет? Это захваченное “холодными ловушками” вещество комет и астероидов? Или же результат вулканизма, когда очень давно вода была поднята из глубин Луны? Какой у него изотопный состав — совпадает ли он с земным и может ли что-то сказать о том, как появилась вода на нашей планете? А насколько удобно будет использовать его для работы обитаемой базы или делать из него ракетное топливо? Над поверхностью Луны поднимается пыль, фиксируются очень небольшие концентрации газообразных веществ — это называют экзосферой. Как ведет себя экзосфера Луны в зависимости от времени суток, как реагирует на гигантские перепады температуры между днем и ночью? Приблизиться к ответу на эти вопросы должна будет станция «Луна-25», которая может стать первым аппаратом, севшим у южного полюса и первой российской межпланетной станцией на Луне уже осенью 2021 года. Под катом история аппарата и интервью с Игорем Митрофановым, заведующим отделом ядерной планетологии Института космических исследований РАН и одним из руководителей миссии.
Макет «Луны-25» в цехе НПО им. Лавочкина, фото Sputnik / Игорь Лекаркин
Пенетраторами пли
Сложный комплекс чувств испытываешь, когда узнаешь, что идея проекта, который сейчас называется “Луна-25”, родилась в далеком 1997 году. Дата не случайна — в ноябре 1996 года “Марс-96” не смог улететь дальше земной орбиты, и, наверняка, в научной и технической среде шли дискуссии о том, в каком направлении двигаться дальше. В 1998 году в Москве прошла третья Международная конференция по исследованию и освоению Луны, на которой был представлен проект миссии под названием “Луна-Глоб”. В исходной версии значительная часть была заимствована у “Марса-96” — приоритетом миссии были сейсмические исследования, которые предполагалось производить при помощи погружающихся под поверхность пенетраторов. Миссия была очень амбициозной, чем также напоминала “Марс-96”.
Аппарат должен был состоять из трех частей. Во-первых, на борту была кассета с десятью пенетраторами, созданными на базе марсианских. Она должна была отделяться еще на подлете, раскручиваться и в два приема сбрасывать пенетраторы, чтобы первые пять отошли вбок примерно на 10 км, оставшиеся 5 — на примерно 5 км. Пенетраторы без торможения должны были удариться о поверхность со скоростью 2,5 км/с, пережить перегрузку 100 тысяч “же” и после этого проработать год, образовав так называемую малоапертурную сейсмическую группу или, простым языком, распределенный в пространстве сейсмический датчик.
Во-вторых, на борту должны были быть еще два широкополосных сейсмических приемника с более бережной программой посадки — торможением на высоте 2 км до нуля, разгоном в свободном падении до ~80 м/с и падением с перегрузкой не больше 500 “же”. Расположенные не ближе 300 км друг от друга в экваториальной области (предлагались районы посадок “Аполлонов-11” и “-12”), сейсмометры бы работали в области “окна” меньшего затухания сейсмических колебаний.
Первый и второй наборы датчиков позволили бы с высокой точностью определить глубину границы ядра и нижней мантии Луны, что могло ответить на вопрос о происхождении нашего спутника. Например, гипотеза гигантского столкновения требует очень небольшого ядра или же вообще его отсутствия.
Ну и, наконец, в комплекте была посадочная станция, целью которой был район тени на южном полюсе и поиск там водяного льда. В набор ее инструментов входила ТВ-камера (панорама и поиск льда), детектор нейтронов (поиск воды в породах), спектрометры для определения состава окружающих пород, магнитометр, зонд с термометром и акселерометр для определения перегрузки при посадке.
Но после того, как в приоритете финансирования был “Марс-96”, справедливость требовала перераспределения средств в пользу астрофизики. Так родилась программа “Спектр”, по которой в 2011 году полетел “Спектр-Р”, а в 2019 — “Спектр-РГ”. Финансирование программы исследования небесных тел сокращалось. И летом 1998, когда было только одно место, “Луна-Глоб” проиграла “Фобос-Грунту”.
В марсианской тени
Только спустя восемь лет в федеральной космической программе 2006-2015 годов выделили средства на опытно-конструкторские работы по проекту “Луна-Глоб”. Проект претерпевал изменения, пенетраторы то убирали, то возвращали обратно, и, к счастью, от того периода уже сохранились изображения в хорошем качестве.
Вариант станции из презентации 2006 года, с антеннами типа «волновой канал» и без пенетраторов
Главный сюрприз — это конструкция посадочного аппарата, повторяющая проект “Е-6” сорокалетней (на тот момент) давности.
Как и в 1966 году, станция должна была затормозить при помощи посадочной ступени и на небольшой высоте и скорости сбросить посадочный модуль с надутыми амортизационными баллонами. Подпрыгнув несколько раз как мячик и остановившись, модуль бы сбросил половинки баллонов, раскрыл лепестки, которые бы установили бы его в правильное положение, и приступил бы к работе. «Луны-9» и "-13" работали от аккумуляторов и выключились спустя несколько земных суток, но для похожих малых автономных станций «Марса-96» были разработаны компактные РИТЭГи, так что говорить о расчетной длительности работы станции с уверенностью нельзя. Если бы такой аппарат действительно сел на Луну в 21 веке, сложно было бы не испытывать неловкость.
Также хорошо заметно, что проект базировался на наработках “Фобос-Грунта” — двигатели, бортовой компьютер, звездные датчики и систему электропитания предлагалось использовать с него.
Большие антенны на орбитальном аппарате — астрофизический эксперимент ЛОРД, в котором планировали изучать космические лучи и нейтрино сверхвысоких энергий.
В другой презентации, 2007 года, у аппарата рупорные антенны, и пенетраторы хорошо видны.
А вот концепция “лунного полигона” прекрасно смотрится и сейчас, актуальна, и хочется надеяться, что в каком-то виде ее все-таки реализуют. Потому что она, фактически, предполагает построение распределенной автоматической лунной базы, решающей самые разнообразные задачи.
Основой является универсальная посадочная ступень, способная доставить на поверхность самые разные грузы: луноходы, возвращаемые аппараты, научные и служебные модули. Полностью развернутая база подняла бы вопрос о том, нужно ли человеку возвращаться на Луну и чем там заниматься кроме обслуживания роботов и селфи. Потому что подобный полигон мог бы решать все актуальные задачи исследования и освоения Луны: служебная зона на практике нарабатывала бы опыт функционирования техники в лунных условиях, технологическая зона изучала бы процессы использования местных ресурсов, строительства и снабжала бы интересными геологическими материалами. В научной зоне можно было бы разместить телескопы разных диапазонов волн, отправлять на разведку луноходы и проводить исследования самой Луны.
Для истории стоит отметить, что самым ранним из озвученных сроков запуска станции назывался 2012 год, но с возможностью запуска даже раньше, в 2010.
Сотрудничество и переделки
Со второй половины нулевых параллельно велись работы по поиску международных партнеров. Большие наработки по пенетраторам были у японцев, поэтому рассматривалась идея объединения “Луны-Глоб” с японской миссией Lunar-A (в итоге отменена в 2007). Интерес к Луне у Индии породил планы совместных проектов, причем сначала рассматривалась идея сделать “Луну-Глоб” луноходом и поместить на индийский “Чандраян-2”, а позже — установить индийский луноход на российскую посадочную станцию. Но после неудачи “Фобос-Грунта” в 2011 российская сторона захотела сдвинуть сроки за 2015 для переделки конструкции, что не устроило индийцев.
Претерпевала изменения и компоновка, в “Вестнике НПО им. Лавочкина” №4 2010 г. можно найти модель с восьмигранником из солнечных панелей. Очевидно, станция уже предполагалась долгоживущей.
И в районе 2010-2011 появляется конструкция, неотличимая от реализуемой сейчас «в металле»: солнечные панели переехали на торец станции, отлично виден манипулятор.
Финальный вариант
В 2013 году станцию переименовали, дав гораздо более удачное, подчеркивающее преемственность с советской лунной программой и не имеющее ассоциаций “глоб”-”гроб” название “Луна-25”. Проект включили в федеральную космическую программу 2016-2025, выделили деньги, и началась уже гораздо более активная работа. Конечно, не обошлось без сдвига сроков, к 2019 не успели, и сейчас, по самым свежим новостям, станция должна отправиться в полет 1 октября 2021 с резервной датой 30 октября. Также началось сотрудничество с Европейским космическим агентством — в 2013 году Роскосмос и ESA договорились, что на «Луне-25» будет стоять камера Pilot-D для съемки процесса посадки.
В журнале “Вестник НПО им. Лавочкина” №4 2016 представлены внешний вид, весовая сводка и компоненты станции.
План полета предполагает перелет к Луне с двумя коррекциями траектории, переход на низкую окололунную орбиту и посадку.
Задача посадки в район южного полюса прошла без изменений через все версии. В итоге как основной выбран район кратера Богуславского.
Вестник НПО им. Лавочкина №2 2017
Интервью
Интервью взято корреспондентом портала N+1.
N+1: Дата запуска уже не изменится?
Игорь Митрофанов: Да, это будет 1 октября 2021 года, и у нас есть вторая, запасная дата 30 октября 2021 года. Эту дату мы определили еще год-полгода назад. Дата согласована с НПО имени Лавочкина, и она определяется как условиями перелета, так и возможностями по массе космического аппарата.
Зная все проблемы, которые у нас есть, я могу утверждать, что эта дата — окончательная. Раньше обстановка очень сильно менялась, было очень много проблем, достаточно назвать санкции, из-за которых некоторые системы фактически пришлось разрабатывать заново. Сейчас мы уже вышли на тот уровень готовности, который позволяет назвать эту дату окончательной.
К Луне можно лететь не в любое время, там тоже есть окна, как для экспедиций на Марс?
Дело в том, что космический аппарат фактически имеет предельную массу, которую мы можем поставить на борт, и, поскольку миссия полярная, то количество топлива, которое мы можем взять, не позволяет лететь каждый день. Мы должны выбирать время, когда Луна и Земля расположена достаточно выгодно относительно друг друга, когда мы можем взять максимальный запас горючего, чтобы выйти на полярную орбиту, на этой орбите провести необходимые коррекции и совершить посадку.
Каждый год есть несколько дат, когда такой перелет удобно осуществлять. Лунный оборот — примерно один месяц, за год примерно 12 оборотов. Лететь можно, начиная с лета, но только на пределе того запаса топлива, который у нас есть, а 1 октября — удобная дата, когда у нас максимальный резерв топлива.
Еще одно важное ограничение: мы должны прилететь, пока не наступит лунная ночь. Лунные сутки длятся примерно 28 дней, из них примерно половина — светлое время. С лунного утра прилетать не удобно по условиям баллистики, поэтому получается, что у нас удобные даты наступают раз в месяц, и где-то, по лунному дню посадка будет поздним утром, то есть ближе к полудню. У нас останется до лунной ночи примерно около недели.
У вас два места посадки, когда будет выбрано то, куда именно вы полетите?
Это уже не изменится. Основной район посадки — это зона, которая находится ближе к экватору по отношению к кратеру Богуславский, и решение о посадке в этот район будет приниматься, когда мы уже полетим. Если возникнет нештатная ситуация, понадобится время для решение какой-то проблемы, когда аппарат будет находиться на окололунной орбите, мы пропустим Богуславский, и через несколько дней — когда проблема будет решена, — мы будем садиться в запасной район, в окрестностях кратера Манцини.
Основной район посадки — цифра 11, запасной — район цифр 2 и 3. Интенсивность цвета — количество воды в грунте. Изображение ИКИ РАН
Поскольку это наша первая посадка, и эта посадка будет неуправляемой, точность будет определяться только траекторией. Аппарат не сможет маневрировать и менять место касания. Расчетный эллипс получился достаточно большой — 15 на 30 километров, поэтому район мы в основном выбирали исходя из инженерных соображений, чтобы там не было больших склонов, крупных валунов.
Маневрировать при посадке сможет только следующий аппарат — «Луна-27», а точность посадки «Луны-25» будет определяться только тем, насколько хорошо мы будем знать его траекторию на орбите, импульс торможения, и дальше мы будем летать только маневрируя по высоте. Аппарат не сможет сманеврировать по горизонтальной координате.
Летный экземпляр аппарата готов?
Он создается. Мы сейчас находимся на стадии начала сборки летного аппарата, при том, что прошли уже многие важные испытания макетов, которые позволили проверить качество отдельных систем. Летная научная аппаратура практически вся поставлена в НПО имени Лавочкина, осталось только три прибора, которые мы должны поставить в мае-июне, сейчас фактически идет его интеграция, и параллельно с интеграцией идут испытания отдельных систем.
Комплексные испытания, когда испытывается весь аппарат в сборе, будут проходить зимой 2020-2021 года и весной 2021 года. Летный экземпляр должен быть готов к запуску в начале лета 2021 года. Запуск будет с космодрома «Восточный» на ракете-носителе «Союз».
Участвуют ли в проекте европейцы?
Поскольку Европейское космическое агентство участвуют в следующем лунном зонде «Луна-27» — они разрабатывают системы для высокоточной управляемой посадки, то по их просьбе мы установили на борт телекамеру аналогичную той, которая будет работать и на следующем аппарате — для того, чтобы по изображению поверхности проводить активные маневры на посадке. Эта камера поможет поточнее прицелиться или, если будет видно, что мы садимся на крутой склон или большой булыжник, выполнить маневр уклонения. И камера, которая должна работать на 27-й «Луне», получит первый летный опыт на «Луне-25». Она не будет управлять посадкой, она будет фиксировать изображение поверхности. Правда в прямом эфире она не будет передавать изображение — для этого нужен орбитальный аппарат-ретранслятор.
Когда мы сядем, если все будет благополучно, мы установим канал радиосвязи, и по этому каналу мы передадим запись момента посадки. Европейцы по этой картинке будут отрабатывать свои алгоритмы обработки изображений, выработки сигнала.
Как долго аппарат будет жить?
Год. У него две технологических задачи: успешно сесть и пережить лунную ночь. Научная программа на первую лунацию очень ограничена, для нас главное — подготовить аппарат к ночи. Это все-таки полюса. Принципиальной разницы с экватором нет, но солнце ниже, восходы позже, лунная ночь немного длиннее.
Мы будем готовиться к лунной ночи, и главное — хорошо ее пережить, чтобы мы утром «проснулись» работоспособными, чтобы полный период дня отработать для науки. Обеспечивать ночевку будут ритеги — радиоизотопные источники энергии на борту, без них лунную ночь не пережить.
Много ли научных приборов будет стоять на борту?
Я не могу сказать окончательно, какие приборы останутся на борту. Дело в том, что у нас превышена масса. Превышение совсем небольшое, порядка нескольких килограммов, но это проблема, которую предстоит решить.
Мы договорились с НПО имени Лавочкина, что когда произойдет окончательное взвешивание аппарата — не оценка на базе чертежей, а уже реальная масса, с учетом кабелей, разъемов, всяких деталей, мы будем определяться с теми приборами, которые полетят. Необходимо именно взвесить реальный аппарат, при такой большой массе — несколько тонн — погрешность может быть в пределах нескольких килограммов.
Сейчас все приборы готовы, все приборы могут лететь, но когда произойдет такой замер, и при условии полных баков мы сможем долететь — мы после этого будем окончательно понимать, может быть, нам понадобится с какой-то частью полезной нагрузки расстаться.
Но важно отметить, что следом полетит «Луна-27», и все приборы, которые не смогут полететь на «Луне-25», полетят на ней.
Какие научные задачи миссия будет решать?
У нас две основные задачи. Первая — изучение лунного полярного реголита, потому что мы понимаем, что он другой, отличается от того, что изучали и привозили в 20 веке, потому что в этом полярном реголите есть летучие соединения, в том числе вода. И вторая — изучение лунной экзосферы.
На борту есть два прибора, которые будут этот реголит изучать на основе удаленных измерений и при непосредственном контакте.
Это прибор АДРОН-ЛР, который будет облучать поверхность нейтронами, и по альбедо нейтронов мы будем судить, какой там химический состав и сколько водяного льда.
Второй прибор — ЛИС, лунный инфракрасный спектрометр, который будет установлен на манипуляторе. Это устройство с узким полем зрения, которое будет смотреть на спектр отраженного инфракрасного излучения. Поскольку вода и гидроксил оставляют определенные спектральные линии в инфракрасном диапазоне, то по регистрации этих линий можно будет оценить содержание воды в веществе, на которое направлен объектив этого прибора.
Кроме того, изучать реголит будет прибор ЛАЗМА, но уже контактными методами. Манипулятор снимет верхний слой грунта по соседству с местом посадки — чтобы убрать загрязнения, которые возникнут от работы двигателей, а затем заберет порядка десятка проб. Они будут загружены в прибор ЛАЗМА, где лазер будет это вещество испарять. Газ будет исследоваться с помощью масс-спектрометра, и по линиям мы сможем определить химический состав реголита.
Это три прибора, которые будут изучать лунное вещество, и будут еще приборы которые предназначены для изучения экзосферы — крайне разреженной газовой оболочки Луны. В ее состав входят плазменная компонента, нейтральная компонента и пылевая компонента. Прибор АРИЕС будет фиксировать вторичные ионы и нейтральные атомы, которые выбивает из реголита поток солнечного ветра, а прибор ПмЛ — изучать состав и динамику лунной пыли и электрических полей в окрестностях места посадки.
Это очень интересная задача — исследовать, как меняется поведение атомов и ионов в течение лунного дня, как происходит левитация лунной пыли в электрических полях, которые наводятся под действием ультрафиолетового солнечного излучения. Лунная экзосфера исследуется давно, в частности, ее изучал американский аппарат LADEE, но мы будет наблюдать за ее поведением в окрестностях полюса, мы можем увидеть такие эффекты, которые не наблюдались в экваториальных зонах.
Материал подготовлен для портала N+1, публикуется в авторской редакции.
Автор: Филипп Терехов
