Возвращение человечества к забытому рубежу: Лунная Одиссея XXI века

В сентябре 2013 года Индия стала четвёртой после России, США и Китая страной, достигшей поверхности Луны. Сегодня космические лидеры возрождают не только научные программы, но и планируют вернуть человека на Луну. За последние пять лет на естественный спутник Земли были отправлены шесть космических кораблей, два из которых успешно высадились и исследуют его полярные области. Разбираемся, почему про Луну забыли в 1970-х и вновь вспомнили сейчас, кто, когда и каким способом собирается её достичь и зачем всё это нужно. 


Чандраян-3. Индия возвращает человека на Луну

2023 год — особенный для Индии. В рамках миссии Чандраян-3 Индийская организация космических исследований ISRO с помощью ракеты-носителя LVM-3 успешно доставила космический аппарат Викрам и марсоход Прагьян на поверхность Луны 23 августа 2023 года. Страна стала четвёртой в мире, успешно вошедшей в лунную темноту после США, СССР и Китая. Премьер-министр Индии Нарендра Моди назвал посадку феноменальным, незабываемым моментом, знаменующим клич Новой Индии. 

Предыдущая попытка Индии достичь поверхности Луны закончилась неудачей. В ходе миссии Чандраян-2 в 2019 году аппарат не смог совершить мягкую посадку, отклонился от траектории и столкнулся с небесным телом. ISRO усвоили урок, оснастив Чандраян-3 улучшенной системой наведения, контроля и навигации и увеличив запасы топлива. Серия наземных испытаний и учёт предыдущих ошибок вывел Индию на первый план в обсуждении современной космической повестки, потому что 4 из 6 попыток прилунения за последние пять лет закончились неудачей. В том числе и российская миссия Луна-25, в рамках которой аппарат должен был приземлиться всего на 3° южнее высадки Викрама. 

Несмотря на громкие заявления о том, что участие в новой космической гонке может сделать Индию лидером «Глобального юга», цели у Чандраяна были скромные — отработать технологию мягкой посадки. 

Траектория полёта Чандраян-3
Траектория полёта Чандраян-3

Спуск Чанраян-3 продолжался 19 минут и включал четыре фазы. 

Фаза 1: грубое торможение в 30 км от естественного спутника с использованием четырёх маршевых двигателей ракеты (12 мин).

Фаза 2: стабилизация ориентации ракеты с использованием восьми двигателей меньшего размера, необходимая для считывания датчиками (лазерный и микроволновый высотомер) данных о поверхности (10 сек). Прошлая попытка прилунения дала сбой в ходе этой фазы из-за избыточной тяги двигателей и накопленных навигационных ошибок в бортовом ПО.

Фаза 3: плавное торможение в течение 3 минут с использованием двух маршевых двигателей для снижения на высоту около 850 метров от поверхности. Требовалось для оценки безопасности путём сверки снимков поверхности со спутниковыми, чтобы уточнить ориентацию аппарата в пространстве.

Фаза 4: конечный спуск, который подразумевает ещё одно «зависание» в пространстве в 150 метрах от поверхности для анализа безопасности места посадки. 

Итак, Чандраян-3 высадился на Луну. Но что особенного в этом событии? 

От космической гонки до забвения

Уникальность миссии Чандраян-3 заключается в месте посадки, которое расположено на южном полюсе, недалеко от области вечно затенённых кратеров. Интерес к полярным широтам возник в начале 2010-х в связи с популярной теорией о наличии там водяного льда. Давайте разберёмся, почему вода с Луны играет важную роль в развитии космической отрасли, разложив историю освоения естественного спутника от момента космической гонки до забвения и возрождения лунных программ.

Космическая гонка была частью холодной войны между СССР и США, тянущейся с конца 1940-х. Конкуренция вооружения и военных технологий стимулировала разработку межконтинентальных баллистических ракет для ядерного оружия. И создание одной из таких — Р7 — под руководством Сергея Королёва дало старт настоящей космической гонке. Итак, первым глобальным шагом для человечества стало событие 4 октября 1957 года — день вывода на орбиту первого искусственного спутника Земли «ПС-1» под эгидой Советского Союза. Конструкция «простейшего спутника» была незамысловатой, а цель миссии вполне ожидаемой: не провалиться и стать первыми. 

США были всегда на шаг позади, первый успех им принёс запуск спутника Exlporer в последний день января 1958-го. Инженеры, сделавшие этот шаг возможным, были немцами — они модернизировали баллистическую ракету V2, созданную ещё в нацистской Германии, в уже американскую «Юнону». Проигравшие в соревновании на скорость, исследователи из США оснастили спутник научным оборудованием — счётчиком Гейгера для регистрации космического излучения. В том же году было основано Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, известное как НАСА. 

Следующим важным шагом для человечества стал полёт Юрия Гагарина в космос 12 апреля 1961-го года. Астронавт из США Алан Шепард отправился в космос тремя неделями спустя, но его полёт был суборбитальным, без выхода космического аппарата на орбиту. 

В мае 1961-го США впервые заговорили о Луне: президент Джон Кеннеди поставил задачу благополучно высадить и вернуть людей с естественного спутника Земли до конца десятилетия. Однако двумя годами ранее, в 1959-м, «Луна-2», принадлежащая Советскому союзу, стала первым рукотворным объектом, оставившим след на поверхности спутника вблизи кратеров Архимед и Аристилл. Затем следовала «Луна-3», преследовавшая уже практические цели. Так человечество впервые получило представление о тёмной стороне Луны. Фототелевизионная система, разработанная в Ленинграде, осуществила передачу снимков на Землю, а фиксация Луны-3 для съёмки обеспечивалась с помощью гироскопического и световых датчиков и реактивных двигателей небольшого размера. 40 изображений, полученных с «Луны-3», взорвали мировую прессу. 

Снимок затенённой стороны Луны, полученный в рамках миссии «Луна-3», 1959 г.
Снимок затенённой стороны Луны, полученный в рамках миссии «Луна-3», 1959 г.

Следующий важный шаг — мягкая посадка, совершённая в рамках миссии «Луна-9». А первыми астронавтами стали черепахи, которые облетели Луну на советском «Зонд-5» в 1968 году.

В это время НАСА занимались проектами «Джемини» и «Аполлон» (им предшествовал «Меркурий» с целью отправить человека в космос). Джемини пришёлся на короткий период с 1964 по 1965-й годы, но сыграл важную роль в подготовке полёта людей на Луну. Испытания, отработка манёвров и техники осуществления посадки, стыковки, эксперименты с нахождением астронавтов в капсуле в течение 14 дней — всё это осуществлялось в рамках подготовительного этапа, чтобы три года спустя «Аполлон-8» доставил экипаж из трёх человек на орбиту Луны с помощью ракеты Сатурн-8. А 20 июля 1969-го в рамках миссии «Аполлон-11» Нил Армстронг и Базз Олдрин ступили на Луну. Далее последовали шесть миссий для её исследования. Астронавтам из Советского Союза не удалось побывать на Луне, поэтому американцы сохранили за собой право единственной нации, физически присутствовавшей на спутнике. 

Несмотря на это, вклад СССР в изучение Луны был большой: первый в мире планетоход «Луноход-1» был спущен на поверхность в 1970-м году для проведения исследований в течение 10,5 месяцев вместо ожидаемых трёх. Разрабатывавшийся около пяти лет луноход передал более двух сотен панорамных снимков и 20 тыс. малокадровых записей. С его помощью также проводился анализ химического состава и физических свойств лунного грунта. Затем Луну исследовал «Луноход-2», который передал ещё больше изображений, а также данные о напряжённости магнитного поля. Усилиями двух роверов был сделан большой вклад в изучении топографии Луны, позволивший понять процессы трансформации её поверхности, сравнить время образования кратеров. 

С завершением программ «Луна» и «Аполлон» мир, кажется, потерял интерес к исследованию естественного спутника. Последний экипаж покинул Луну в декабре 1972 года. Основной причиной, по мнению издания Insider, являлись политические риски — стоимость реализации программ была невероятно высока, а перспективы слишком отдалены. 

И если ранее, в 1960-ых, доля бюджета НАСА составляла 4%, сейчас на изучение космоса выделяется 0,5%. В США на интерес к космосу влияет также фактор постоянной сменяемости власти — новый президент может запросто отказаться от планов и курса предыдущего. И такое уже случалось: в период с 2004 по 2009 годы НАСА занималось проектированием и созданием техники для полёта на Луну, потратив более 9 млрд долларов, а пришедший на пост президент Барак Обама свернул программу «Constellation». Кроме того, программы исследования Луны, например «Аполлон», уже в конце 60-ых получали одобрение лишь 50% граждан страны. А сегодня доля одобрения лунной миссии как никогда низка — всего 12%.

Ещё одним фактором «против» является опасность — особенности рельефа спутника, кратеры и валуны, делают посадку крайне опасной. Также проблему составляет и рыхлый лунный грунт, реголит. «Лунная пыль» прилипает к скафандрам и проникает внутрь космических кораблей, поэтому учёные обеспокоены её влиянием на организм человека (астронавты заявляли о приступах насморка и раздражении глаз) и работу техники. Солнечная радиация, низкие температуры, вопросы обеспечения освещения — программа освоения Луны требовала решения десятка задач, поэтому романтическая мечта человечества отошла далеко на задний план. До 2010 года. 

Взглянуть на небо и возродить тренд к исследованию Луны человеком позволило заявление американских учёных: на северных и южных полярных широтах естественного спутника есть залежи водяного льда. В этих областях, по предположению, температура из-за отсутствия солнечных лучей настолько низкая, что потенциально летучие вещества должны сохраняться в «ловушках». Теорию подтвердили косвенно с помощью российского аппарата LEND, обнаружившего в этих местах водород, ассоциируемый с водой. Окончательно заявить о наличии на Луне льда помог индийский «Чандраян-1», на котором был установлен прибор инфракрасной спектроскопии. 

Области, отмеченные на изображении синим цветом («ловушки»), предположительно содержат залежи водяного льда
Области, отмеченные на изображении синим цветом («ловушки»), предположительно содержат залежи водяного льда

Космическая романтика vs реальные перспективы или почему мы возвращается на Луну?

Луна, на которую человечество хочет вернуться сейчас, всё та же, что и 50 лет назад. Но мы собираемся вернуться к ней с новыми знаниями и для новых исследований. Программа НАСА «Артемида» ставит целью исследовать места на южном полюсе Луны, которые содержат залежи лунного льда. «Артемида» поддерживается и демократами, и республиканцами.

Наличие льда на Луне представляет не только научный, но и практический интерес. Кислород и водород могут потенциально стать компонентами ракетного топлива для их дозаправки. То есть естественный спутник Земли при самых благоприятных обстоятельствах может стать дозаправочной станцией, стоянкой для космических путешественников. Кроме того, сравнительно небольшая гравитация (шестая часть от земной) обеспечит более лёгкий запуск ракет в пространство Солнечной системы. Чем же ещё может быть полезна Луна для человечества XXI века?

Изготовление и сборка крупногабаритных конструкций для снижения затрат и повышения эффективности миссии полёта на Марс, а также производство энергетических установок

Развитие Луны может сыграть важнейшую роль в программе освоения Марса. Лунноориентированный космос — концепция, которая позволит экономить на топливе и других ресурсах. Сейчас учёные рассматривают естественный спутник как оптимальное место для промышленного производства материалов, необходимых человеку в космосе, а вакуум и малая гравитация обещают снизить затраты на запуск ракет. 

Подходы с роботизированной сборкой большого количества деталей на Луне (или орбитально) разрешат ограничения, с которыми мы сталкиваемся сегодня. Конструкции, запускаемые в космос, строго ограничены массой и размером, но отлаженный механизм автоматизированной сборки позволит производить сложные, крупногабаритные аппараты за пределами Земли, используя их как в энергетических, так и в транспортных целях. 

Эта идея развивается Джоном Мэнкинсом, физиком (НАСА), вдохновителем проекта по разработке космических солнечных электростанций SBPS. Так, сборка большинства компонентов установки может осуществляться вне Земли, а колоссальная энергия, получаемая при помощи фотоэлектрических панелей, размещённых на спутниках, будет передаваться в нужные точки с помощью микроволнового излучения. Этот проект позволит получать гигаватты энергии из неисчерпаемого экологичного источника — от Солнца. Идею инженера-энтузиаста поддержали учёные из Китайской академии космических технологий. Согласно их плану, опубликованному в 2022 году, первый эксперимент по передаче энергии таким способом будет проведён уже в 2028-м, правда, её объём будет более чем скромный — около 10 киловатт. 

Луна как площадка для размещения солнечных ферм
Луна как площадка для размещения солнечных ферм

Перенос тяжелой промышленности на Луну

После успешного коммерческого полёта в 2021 г. на ракете своей частной компании Blue Origin американский миллиардер и основатель Amazon Джефф Безос напомнил миру о глобальной экологической идее, которую он преследует. Безос предлагает медленными, но верными шагами перевозить тяжёлую и загрязняющую промышленность на Луну.  Идея миллиардера встретилась со шквалом критики из СМИ: «загрязняет планету и хочет ещё и космос». 

Но технически такая идея осуществима. Ключевым проектом, который станет трамплином для переезда промышленности с Земли на Луну, может стать концепт использования ресурсов ISRU. Он предполагает развитие технических инструментов и методов добычи воды из лунного льда, а металлов из реголита. Проект находится в стадии зарождения, но американский марсоход «Персеверанс», например, уже проводит эксперименты по производству кислорода из диоксида углерода на Марсе. Существенное «против» реализации переезда высказал преподаватель астродинамики Школы аэрокосмической промышленности Великобритании Доктор Санчес Куартиельес. По его мнению, сейчас стоимость переноса тяжёлого производства на Луну превысит суммы, которые нужны, чтобы решить экологические проблемы с помощью внедрения альтернативных методов производства на Земле.

Научные исследования на Луне

Луна всё ещё представляет научный интерес в качестве источника информации об истории Солнечной системы. В отличие от Земли и Венеры на Луне нет тектонической активности, а значит, её внутренняя структура не должна была меняться. Понадобится заглянуть в недра Луны, чтобы узнать, как формируются планеты. Кроме того, изучение водяного льда, на которое и направлены все современные лунные миссии, позволит исследовать гипотезы о происхождении воды на нашей планете.  

Также более длительное пребывание человека на Луне является интересом для медицинских исследований о влиянии на организм космического излучения и лунной пыли. А размещение и использование космических технологий на естественном спутнике проверит их на прочность перед миссией полёта на Марс. 

Использование лунных ресурсов

Изучение и приручение лунных ресурсов необходимо для снижения затрат на создание и производство материалов как для их запуска на околоземную орбиту, так и в конечном счёте для марсианских экспедиций. Лунный реголит по всей поверхности содержит базальтовое волокно, лёгкое, обладающее высокой прочностью и теплоизоляцией. Это универсальный материал, который уже применялся для производства обтекателей в эпоху СССР. 

Полярные области Луны богаты анортозитом — этот материал можно применять для создания стеклопластика, из которого возводятся лёгкие и прочные конструкции. 

Водяной лёд, герой лунной повестки XXI века, потенциально может применяться для переработки в кислород и ракетное топливо, но мы не знаем, в каких количествах он присутствует, насколько трудна будет его добыча и как много загрязняющих веществ он содержит. 

Получение компонентов ракетного топлива из воды
Получение компонентов ракетного топлива из воды

В центре внимания учёных также находится изотоп гелия-3, который в малых количествах был найден в солнечном ветре. Он же появился в составе лунного реголита во время бомбардировки спутника солнечным ветром. Научные работники полагают, что гелий-3, так же как и другие летучие вещества, мог в больших количествах сохраниться в затенённых областях Луны. Его запасы оцениваются в 4 тыс. тонн. Гелий-3 представлен на Земле в малом количестве, но он рассматривается как компонент топлива для термоядерных реакторов, более безопасных, чем атомные, но таких же эффективных. Добыча и доставка гелия-3 на Землю может стать более дешёвой, чем разработка каменного угля. 

Космическая гонка 2.0

Лунные программы активно возрождаются и создаются крупными государствами, начиная с 2010-х. Кто негласно участвует в космической гонке 2.0?

Россия. Интерес России к лунной миссии подогревается новыми перспективами. В 2022 году Владимир Путин заявил о возрождении программы «Луна», которая будет рассчитана на период до 2040 года. Цель программы также сосредоточена на изучении полярных широт Луны, изучении свойств реголита и экзосферы.  

«Луна-25» — миссия, которая должна была состояться в конце 2021-го (была перенесена Роскосмосом на поздний срок) взяла старт 11 августа 2023-го, но завершилась неудачей. Спустя пять дней после запуска космический корабль вышел на окололунную орбиту, но во время манёвра по переходу на предпосадочную орбиту двигатели проработали на 43 секунды дольше положенного, и «Луна-25» врезалась в поверхность. Аппарат был снабжён рукой-манипулятором, необходимой для отбора проб реголита для измерения его химического и изотопного состава. 

После жёсткой посадки и крушения корабля точно неизвестны сроки следующих запланированных вылетов на Луну. Представители Роскосмоса называют 2025-2026 гг. как ориентировочные для повторения миссии «Луна-25». Вероятно, сроки «Луны-26» и «Луны-27» по доставке орбитальной и посадочной станций также сместятся дальше планируемого 2025-го. 

Китай. Все перечисленные миссии программы «Луна» являются шагами совместной с Китаем программы по созданию Международной исследовательской лунной станции ILRS. Страны планируют доставку трёх российских и трёх китайских научных аппаратов, а затем сооружение исследовательской лаборатории, включающей телекоммуникационный модуль, энергетическую установку, лабораторию, площадку для осуществления взлёта и посадки и многое другое. Предполагается, что комплекс будет функционировать без участия человека — речи об общей обитаемой базе пока не велось. 

Китай уже сделал первые шаги к осуществлению плана, успешно доставив аппарат «Чанъэ-4» на обратную сторону Луны в 2018-м. Зонд уже обнаружил пару стеклянных глобул на поверхности спутника, которые помогут в изучении его истории. Полагается, что макроскопические шаровидные тела могли образоваться во время кратерных процессов. 

Стеклянные глобулы, обнаруженные на поверхности Луны
Стеклянные глобулы, обнаруженные на поверхности Луны

Глава НАСА выразил обеспокоенность насчёт уверенных действий Китая в новой лунной гонке в связи с новостью о планах высадить первых «тайконавтов» на поверхность спутника в течение текущего десятилетия.  

Индия. К ближайшим планам Индии по покорению и исследованию Луны присоединилась Япония. Запуск «Чандраян-4» (Лунная полярная исследовательская миссия LUPEX) ожидается в 2025-2026 гг. с территории Японии. Страны отправят к Луне марсоход с набором инструментов для исследования водяного льда, а именно определения его количества и качества. Индия предоставит посадочный модуль, Япония — ракету и ровер. 

США. НАСА запустило программу «Артемида», призванную доставить американских астронавтов на Луну и обеспечить их долгосрочное пребывание на её поверхности. Самая амбициозная цель — полёт на Марс — рассматривает   Луну как промежуточный пункт и испытательный полигон, о чём мы упоминали ранее. В рамках программы будут использоваться Система космического запуска SLS (98-метровая ракета) и космический корабль «Орион», вмещающий четырёх астронавтов. В разработке ракет применялись те же технологии, что и в 1970-х. Первые три миссии на Луну будут использовать модернизированные двигатели, снятые с шаттлов. 

Миссия «Артемида-1» успешно завершилась в 2022 году, когда НАСА удалось достичь орбиты Луны и вернуть космический корабль обратно, а также параллельно отправить в космос десять небольших спутников с помощью ракеты SLS. Цель полёта была аналогична индийской — провести тестирование новых технологий, в том числе системы тепловой защиты. В космическом корабле были три пассажира-манекена, разработанные для исследования влияния космической радиации.

Миссия «Артемида-2» предполагает присутствие в капсуле «Орион» четырёх астронавтов (3 американца и один канадец), которые проведут на орбите Луны около 10 дней.  В ходе третьей миссии астронавты высадятся на космическом корабле SpaceX вблизи южного полюса, в то время как «Орион» останется ждать их на лунной орбите. 

Прилететь нельзя жить: как НАСА планирует обеспечить долгосрочное пребывание человека на спутнике

Главная цель программ НАСА — обеспечить устойчивое пребывание астронавтов на Луне. Как США планирует обеспечить этот процесс на протяжении длительного времени?

Использование ядерного реактора

 В 2022 году Министерство энергетики США заключило три контракта по 5 млн долл. на разработку ядерных энергетических установок, которые будут пригодны для проведения испытаний на Луне в течение десятилетия. Предполагается, что системы смогут вырабатывать энергию, достаточную для обслуживания шести домохозяйств. Основными запрашиваемыми качествами лунных реакторов являются компактность и лёгкость. Подробности проектов пока не разглашаются.

Солнечные фермы

Ещё один альтернативный вариант получения энергии на Луне, рассматриваемый НАСА, это солнечные фермы. Космическое агентство поддерживает разработку вертикальных солнечных батарей, составляющих около 10 метров в высоту, которые могут быть собраны для транспортировки. Вертикальные панели помогут захватывать наибольшее количество солнечного света, что особенно важно для полярных миссий, где солнце не поднимается высоко над горизонтом. Конструкции помогут также решить проблему с потерей энергии из-за рельефа Луны, блокирующего часть света.

Использование водяного льда

В 2024-м НАСА планируют отправить на Луну исследовательский марсоход VIPER, который поможет составить карту водяного льда полярных областей. Компактный ровер размером с тележку для гольфа работает за счёт солнечных батарей и снабжён метровым буром для сбора образцов грунта в местах, заранее отмеченных учёными.  Возможность дальнейшего применения водяного льда зависит от объёмов его запасов и степени загрязнённости. Основным назначением воды на Луне будет изготовление из неё компонентов ракетного топлива для промежуточной дозаправки в космических путешествиях по Солнечной системе. 

Визуализация областей залежей лунного льда (синие и фиолетовые области), НАСА
Визуализация областей залежей лунного льда (синие и фиолетовые области), НАСА

Строительство домов на Луне

По последней информации, НАСА планирует доставить на поверхность спутника Земли 3D-принтер, который поможет в производстве конструкций для строительства лунной базы. Принтер, разрабатываемый компанией ICON специально для нужд строительства, способен печатать целые дома. Так, в 2021-м компания представила дом площадью 158 кв.м., напечатанный для американской строительной фирмы. Грандиозные планы Космического агентства предполагают, что лунный комплекс может быть возведён уже к 2040 году.  

Концепт лунной базы 2040

Итак, космическая гонка по исследованию Луны возродилась. Сегодня естественный спутник Земли представляет не только научный и политический, но и практический интерес. С обнаружением на поверхности Луны водяного льда всё внимание приковано к разработке и доставке на её поверхность аппаратов для исследования полярных областей. Водяной лёд поможет найти ответы на вопрос об образовании воды на нашей планете, а также может использоваться для изготовления ракетного топлива, которое облегчит и удешевит миссии по исследованию других планет Солнечной системы. 

И даже если выгода от запланированных Китаем, Индией, Россией и США миссий пока что сомнительна — работа инженеров по созданию технологических инструментов для исследования Луны и обеспечения длительного пребывания человека на спутнике стимулирует развитие технологий будущего.


НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

 

Источник

Читайте также