Российский зонд попробует на вкус лунную вечную мерзлоту

После переноса запуска «ЭкзоМарса» следующей в очереди российской межпланетной миссией оказалась «Луна-25», которая должна будет стартовать в октябре 2021 года. Хотя за прошедшие 60 лет Луну исследовали вдоль и поперек, в последние два десятилетия ученым стала открываться совершенно незнакомая Луна — полярная, где могут существовать водяной лед и замерзшие газы. Первым исследователем этой вечной «мерзлоты» и должен стать российский зонд. Об истории этого проекта и его научных задачах мы поговорили с Игорем Митрофановым, заведующим отделом ядерной планетологии Института космических исследований РАН и одним из руководителей миссии.

Долгое время ученые считали, что Луна сухая, как кость. Образцы, которые привезли американские астронавты и советские «Луны», содержали незначительное количество воды, которое можно было легко списать на земное загрязнение. Картина стала меняться в последнее десятилетие XX века.

В 1990-е годы к Луне отправился американский орбитальный аппарат Clementine — данные с его радара впервые дали ученым основания утверждать, что у лунных полюсов может быть водяной лед. В 1998 году гамма-спектрометр на зонде Lunar Prospector показал, что в приполярных зонах в лунном грунте много водорода — и это тоже указывало на воду. С этого момента начался ренессанс исследований Луны — к спутнику отправлялись многочисленные американские, индийские, японские, китайские и даже израильские зонды, ученые получили достаточно твердые основания утверждать, что лунная вода действительно существует. Более подробно об этом вы можете прочитать в нашем материале «За водой на Луну». Но до лунного льда нужно еще добраться. Это и есть главная задача «Луны-25» и следующих российских лунных миссий.

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.

Идея проекта, который сейчас называется «Луна-25», родилась в 1997 году, после одной из крупнейших неудач российской космонавтики — потери зонда «Марс-96». Первоначальный проект миссии, которая тогда называлась «Луна-Глоб», многое заимствовал у «Марса». Главной задачей аппарата считались сейсмические исследования, которые предполагалось производить при помощи сбрасываемых с орбиты ударных зондов — пенетраторов.

На борту «Луны-Глоб» должна была стоять кассета с 10 пенетраторами, созданными на базе «марсианских». Они должны были без торможения падать на лунную поверхность со скоростью 2,5 километра в секунду, пережить перегрузку 100 тысяч g и после этого проработать год, образовав малоапертурную сейсмическую группу — распределенный сейсмический датчик.

Но тогда этот проект проиграл конкуренцию новому марсианскому проекту «Фобос-Грунт» и астрофизической программе — серии космических телескопов «Спектр», в рамках которой в 2011 году полетел «Спектр-Р», а в 2019 — «Спектр-РГ».

В середине 2000-х предполагалась отправить одним пуском и орбитальный, и посадочный зонды. Посадочный аппарат походил на советскую «Луну-9», которая работала от аккумуляторов и могла проработать на поверхности лишь несколько суток.

Один из ранних вариантов конструкции посадочного аппарата «Луна-Глоб» напоминает «Луну-9», которая совершила посадку в 1966 году. Посадочный аппарат работал от аккумуляторов, и не смог бы пережить лунную ночь.

Вариант 2010 года. Станция все еще состоит из орбитальной и посадочной частей, но на посадочном зонде уже есть солнечные панели, а значит он должен стать достаточно долгоживущим, как предполагается и в окончательном варианте.

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.

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.

Лунные аппараты впервые появляются в Федеральной космической программе в 2006 году, когда были выделены средства на опытно-конструкторские работы по проекту «Луна-Глоб». Проект менялся, пенетраторы то убирали, то возвращали обратно, менялись и рупорные антенны астрофизического эксперимента ЛОРД, в котором собирались изучать космические лучи и нейтрино сверхвысоких энергий.

Многие компоненты предлагалось позаимствовать с «Фобос-Грунта», который имел приоритет и успел продвинуться дальше. Со второй половины 2000-х годов велись поиски международных партнеров. Большие наработки по пенетраторам были у японцев, поэтому рассматривалась идея объединения «Луны-Глоб» с японской миссией Lunar-A (была отменена в 2007 и после этого пенетраторы из проекта исчезли окончательно). Обсуждалось сотрудничество с Индией, причем сначала рассматривалась идея сделать «Луну-Глоб» луноходом и поместить на индийский «Чандраян-2», а позже — установить индийский луноход на российскую посадочную станцию.

После неудачи «Фобос-Грунта» в 2011 году проект пришлось сильно переделывать, поскольку лунная миссия во многом основывалась на «фобосовских» разработках. Сдвиг сроков за 2015 год не устроил индийцев, и они вышли из проекта, а сам аппарат стал совсем другим. В 2013 году станцию переименовали в «Луну-25», что подчеркивало преемственность с советской лунной программой.

С Европейским космическим агентством сотрудничество получилось удачнее — в 2013 году Роскосмос и ESA договорились, что на «Луне-25» будет стоять камера Pilot-D для съемки процесса посадки.

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.

Текст подготовили Филипп Терехов и Сергей Кузнецов

источник

Предисловия 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Источники Eщё Туннели Китайцы Бункер СССР Луна-25