Новый этап исследований Луны

Ю.Зайцев специально для НК.

Луна, ставшая к середине 1960-х годов ареной нешуточной космической гонки, на целое десятилетие приковала к себе внимание специалистов-ракетчиков, политиков и ученых. Затем, после успешного завершения программы высадки человека на Луну - Apollo, интерес к ней постепенно упал. В ее изучении наступила длительная пауза: почти 20 лет к ней не был послан ни один КА. Однако сегодня мы, по-видимому, находимся на пороге нового всплеска интереса к нашему извечному спутнику.

Он вызван несколькими причинами. Прежде всего, переработан и осмыслен фактический материал, полученный исследователями на первом этапе. Во-вторых, появились новые технологии и инструменты, позволяющие получить научные данные с ранее недоступной детальностью и точностью. И, наконец, Луна оказалась не столь безжизненна, как предполагалось - на ней был найден лед, что значительно упрощает проблему ее освоения, создания постоянно действующих обитаемых станций для научных исследований и решения практических задач использования лунных ресурсов.

Исследования Луны имеют ключевое значение для решения вопросов фундаментальной геологии: механизма формирования Земли и планет, понимания ранней истории Земли, включая образование континентов, океана, зарождения биосферы. Также как исследования океанической коры методами глубинного бурения в последние десятилетия способствовали коренному изменению представлений о земной тектонике и динамике геологический процессов, именно исследования Луны могут привести к новому прорыву в науках о Земле.

К сожалению, на Земле, вследствие ее сейсмической активности, практически полностью стерты следы ранней истории - первые 500-700 млн лет. Напротив, на Луне активные геологические процессы прекратились очень рано. Даже в небольшой коллекции пород, доставленных оттуда, присутствуют образцы с возрастом 4.5 млрд лет, т.е. столь же «старые», как Земля. Отсутствие атмосферы и воды способствовали сохранению основного химического состава пород и древнего облика Луны.

Благодаря сейсмической стабильности и отсутствию атмосферы, Луна - идеальное место для размещения астрофизических обсерваторий, а на ее обратной стороне они будут к тому же еще и экранированы от земных помех.

Наибольшее внимание, с точки зрения быстрой практической отдачи, привлекает возможность добычи лунных кислорода и изотопа гелия-3, который позволяет использовать в будущей термоядерной энергетике реакторы, отличающиеся экологической чистотой и большим ресурсом работы. Кислород же, получаемый путем нагрева реголита в солнечной печи до 2000-3000°С, может использоваться как в ракетных системах, так и для жизнеобеспечения лунных станций. Уже сейчас очевидно, что такой способ его добычи более выгоден, чем доставка с Земли. Весьма перспективным представляется и поэтапное создание лунной стационарной научно-производственной базы с универсальным технологическим комплексом. Пониженная гравитация и глубокий вакуум благоприятны для развития «лунной» металлургии и получения сплавов повышенной чистоты и однородности.

Первой процесс возвращения к космическим исследованиям Луны начала Япония запуском в 1990 г. аппарата Muses-A, от которого был отделен лунный микроспутник.

Затем в 1995 г.(?) американцы запустили КА Clementine, впервые выполнивший полную съемку лунной поверхности, включая полярные области. При этом в районе Южного полюса была обнаружена депрессия, на дно которой никогда не падает солнечный свет и температура здесь не поднимается выше -230°С. Помимо обычного водяного льда, обнаруженного позже, здесь могли вымораживаться летучие вещества, выделяющиеся из недр Луны и из падающих на ее поверхность комет и метеоритов. Были также обнаружены новые структуры поверхности и определена мощность лунной коры. Таким образом, уже первая экспедиция КА нового поколения к Луне оказалась успешной.

Второй американский аппарат Lunar Prospector, работающий ныне на окололунной орбите, подтвердил наличие льда на нашем вечном спутнике.

Сейчас готовят новые запуски к Луне японцы; очень активно ведут себя в этом направлении представители ЕКА. Всерьез задумывается о пусках беспилотных лунных КА Китай.

Готовят новую программу многостадийных длительных исследований и российские ученые. Первые эксперименты направлены на изучение проблем внутреннего строения Луны, в частности, на определение размера ее ядра, что имеет критическое значение для решения проблемы ее происхождения. Гипотеза о формировании Луны из вещества земной мантии справедлива только в том случае, если наша соседка имеет очень небольшое ядро - примерно 0.4% своей общей массы, или не имеет ядра совсем. Напротив, гипотеза формирования Луны из вещества солнечного состава требует наличия ядра порядка 4.5-5.5% массы планеты.

Для решения этих вопросов на лунной поверхности может быть развернута сейсмическая сеть. С этой целью на Луну следует сбросить пенетраторы (внедряемые зонды), содержащие сейсмометры по крайней мере в трех точках: на видимой стороне, обратной стороне и в районе Южного полюса. Возможно также использование компактных (малоапертурных) групп пенетраторов на одном или нескольких участках поверхности, которые, помимо сейсмометров, должны иметь в своем составе тепловые зонды.

Для передачи данных измерений с пенетраторов может использоваться полярный спутник-ретранслятор, имеющий, помимо приемо-передающей аппаратуры, приборы дистанционного зондирования для изучения рельефа поверхности и картографирования, а также инструменты измерения теплового поля, что в совокупности с термозондами на пенетраторах позволит получить детальную картину теплового режима Луны.

Создание сейсмической сети, возможно, потребует нескольких пусков для размещения достаточного числа пенетраторов. При достаточном финансировании первые запуски могут быть выполнены уже в 1999 г.

На следующем этапе, который займет период 2001-2010 гг., будут решаться вопросы хронологии Луны, состава летучих составляющих ее коры в различных регионах, изучаться содержание гелия-3 на участках с различной морфологией и минералогией. Селенологические исследования могут быть продолжены с использованием луноходов, а также устройств отбора и доставки образцов лунных пород на Землю, в том числе из зоны вечной тени, что имеет исключительное значение для понимания происхождения легколетучих веществ, включая углерод и воду, на Луне и в околоземном пространстве. Луноход, помимо прочего, должен оснащаться устройством для анализа содержания гелия-3 в лунном реголите.

Третий этап, очевидно, потребует участия человека и включает строительство лунной станции и отработки технологии горных работ на Луне.

Внешний вид КА «Луна-25»

Говоря о конкретном воплощении такого плана, надо подробнее остановиться на устройстве и способах применения лунных станций с пенетраторами.

Как известно, последней из серии отечественных лунных аппаратов была автоматическая станция Е-8-5М «Луна-24», доставившая на Землю лунный грунт из предгорного района. Соответственно, первый российский аппарат из новой серии будет называться «Луна-25». Его запуск на траекторию «Земля-Луна» (время полета - 3 суток) планируется выполнить с космодрома Плесецк с помощью относительно дешевой РН «Молния» с разгонным блоком Л.

В отличие от предыдущих аппаратов разработки НПО им.Лавочкина, КА «Луна-25» будет создан там же, но на совершенно новой базе, с применением новейших технологий, в частности, негерметичных приборных контейнеров, высокопроизводительных солнечных батарей и малогабаритных приборов научных и служебных подсистем.

Конструктивно аппарат представляет собой восьмигранную панель, снизу которой смонтирована двигательная установка (ДУ), включающая четыре бака с однокомпонентным топливом (гидразин), двигатели коррекции и стабилизации, арматуру и системы наддува. Сверху панели установлены три зонда-пенетратора с системами закрутки, а также системы терморегулирования и управления аппарата, элементы электроавтоматики, радиокомплекс и антенны. К четырем боковым граням крепятся панели солнечных батарей.

На трассе «Земля-Луна» проводятся две коррекции: первая - на вторые сутки полета, чтобы траектория КА прошла через одну из точек посадки пенетраторов, и вторая - в начале третьих суток полета, с последующей ориентацией аппарата, чтобы продольная ось пенетратора была сориентирована по вертикали к поверхности на момент внедрения в грунт.

Примерно за 20 ч до встречи с Луной производится закрутка первого пенетратора вокруг продольной оси и его отделение. Сам КА после этого осуществляет маневр перевода траектории на вторую прицельную точку и переориентацию для отделения второго пенетратора. Затем операция повторяется для десантирования третьего пенетратора. Процесс отделения всех трех пенетраторов должен составить не более трех часов.

После отделения от КА пенетратор, стабилизированный вращением, продолжит сближение с Луной. На высоте 10 км от поверхности, чтобы погасить скорость, по сигналу бортового лазерного высотомера будет включена его тормозная ДУ, состоящая из пакета твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ). Затем будет выдана команда на отделение РДТТ, которые под действием центробежных сил отойдут от пенетратора, а сам он с вертикальной скоростью порядка 80±10 м/с «воткнется» в грунт. Допустимый наклон поверхности или суммарный угол встречи при внедрении не должен превышать 20°. Точки посадки пенетраторов на поверхность Луны образуют примерно равносторонний треугольник, что важно для проведения сейсмических экспериментов.

После отделения последнего пенетратора КА будет переведен на пролетную траекторию, в условном перицентре которой ДУ выдаст тормозной импульс, в результате чего аппарат выйдет на полярную орбиту искусственного спутника Луны (ИСП), с целью последующей ретрансляции информации с пенетраторов на Землю. Для удобства связи период орбиты ИСЛ выбирается кратным земным суткам.

Прорабатывается возможность использования для полета на Луну электроракетного двигателя. В рассмотренном выше варианте это практически не дает выигрыша в массе КА; цель в ином - отработать и использовать универсальный КА с ЭРД и солнечной энергетикой, единый для различных экспедиций: к Луне, Фобосу, астероидам и кометам. Запуск в этом случае должен осуществляться с помощью трехступенчатой РН типа «Союз». В будущем, используя спиральный разгон с малой тягой, можно будет при том же носителе обеспечить доставку к Луне тяжелых КА массой до трех тонн.

Наш комментарий.

В тех условиях, в которых сейчас оказалась отечественная космонавтика, очень тяжело (если вообще реально) планировать новую национальную или международную программу межпланетных исследований. Тем отраднее выглядят проекты НПО им.Лавочкина. Однако следует отметить, что проявление элементов новизны в данном случае вызвано, с одной стороны, высоким состоянием передовых технологий (бортовой негерметичный приборный комплекс, новые батареи и применение пенетраторов), а с другой - весьма низким уровнем финансирования (использование недорогой РН «Молния» и сравнительно ограниченный круг задач экспедиции). Но, как и в любой другой проблеме, недостатки проекта являются по сути обратной стороной его достоинств.

Дело в том, что по совершенно аналогичному пути идут национальные программы исследования Луны других государств: то же применение пенетраторов, луноходов и сосредоточение сил при каждом отдельном этапе на проведение небольшого числа экспериментов. Это можно признать рациональным.

Представляется, что, используя огромный опыт и технологический задел, разработчики смогут создать новый аппарат и выполнить с его помощью программу, являющуюся альтернативой сложным и весьма дорогостоящим проектам типа «Марс-96», которые сейчас выглядят по меньшей мере неоправданно рискованно и где каждая неудача очень больно бьет по престижу отечественной космонавтики.