История исследования Луны автоматическими аппаратами — часть 2

Снимок астрофотографа Майкла Теуснера обработанный алгоритмом LRGB.

После старта 19 августа 1976 года с поверхности Луны последней советской станции Луны-24 в исследованиях нашего естественного спутника наступил перерыв в целых 16,5 лет. Этот перерыв должен был оказаться на 2 года меньше, но с первым японским аппаратом для исследования Луны «Хагоромо» была потеряна связь вскоре после его отделения 18 марта 1990 года от материнского аппарата «Хитен». С помощью двух сотрудников JPL для основного аппарата была рассчитана специальная низкоэнергетическая орбита, с помощью которой он смог в конечном счёте добраться до орбиты Луны 15 февраля 1993 года (после 8 её облётов, 2-х аэроторможений об атмосферу Земли и 3 года полётов).

Таким образом начался второй этап в исследованиях Луны который продолжающийся до сих пор. В нём уже есть 5 участников против прежних 2-х, а уже менее чем через год к странам-участницам должны присоединиться 5 частных фирм участвующие в конкурсе Google Lunar X PRIZE.



«Хитен» имел диаметр 1,4 м при массе в 197 кг, из которых 11 кг приходилось на «Хагоромо» имевшего диаметр в 40 см. Основной целью миссии было исследование космической пыли между Землёй и Луной, а также эксперимент по аэроторможению в атмосфере Земли и вывод малого спутника на орбиту Луны (из-за перемены планов потребовалось делать ещё одно аэроторможение уже для коррекции орбиты). Выход из строя малого аппарата дал и положительный эффект — «Хитен» был вынужден воспользоваться межпланетной транспортной сетью и пролететь через точки Лагранжа L₄ и L₅ системы Земля-Луна, при пролёте которых не было замечено повышенной концентрации пыли (как можно было бы предположить). В феврале 1992 года «Хитен» вышел на орбиту Луны, а 11 апреля 1993 года был разбит об её поверхность.

После перерыва в 21 год (с миссии Аполлона-17) следующим аппаратом, отправленным США к Луне стала «Клементина» — совместная разработка NASA и Командования воздушно-космической обороны Северной Америки. Кроме испытания военных технологий этот аппарат передал на Землю около 1,8 млн фотографий Луны и предоставил первые доказательства наличия воды на Луне (в образцах лунного грунта Аполлонов и советских автоматических станций он тоже был обнаружен, но до этого момента считалось что она была занесена в образцы уже после посадки на Землю).



На его борту был телескоп для заряженных частиц, камера УФ и видимого спектра, инфракрасная камера, камера высокого разрешения (порядка 7-20 м в зависимости от высоты полёта), разнесённая радиолокационная система работавшая совместно с Сетью дальней космической связи (которая помогла обнаружить признаки воды) и экспериментальный лидар для которого использовался твердотельный лазер частотой 1064 нм. С помощью этого лидара была получена первая объёмная карта Луны с погрешностью в измерении высоты всего в 40 м, но измеряемая сетка составляла целых 40 км по широте и 1-2 км по долготе:


Цветными полосками изображены аналоги «высоты над уровнем моря»: от фиолетового (лунные моря) до красного (лунные горы).



Запущенный 7 января 1998 года Lunar Prospector был предназначен для исследований магнитного поля, гравитационного поля Луны и его внутреннего строения, а также поиск 10 химических элементов: уран, торий, калий, железо, титан, кислород, кремний, алюминий, магний, кальций. С помощью него также были подтверждены данные «Клементины» о том, что на полюсах Луны есть вода.

После 570 дней работы, аппарат был направлен в кратер на южном полюсе где должен был содержаться лёд — однако следов падения не смогли заметить ни наземные телескопы, ни даже Хаббл, так что новых данных о лунной воде получить таким образом не удалось. Одним из научных результатов миссии стала карта масконов:



ESA отправила свою первую автоматическую станцию «Смарт-1» для исследования Луны 27 сентября 2003 года на ракете Ариан-5. В разработке приборов для этого аппарата участвовало 12 стран включая США и Россию представленную ОКБ «Факел» которая делала для неё двигатель на основе эффекта Холла совместно с французской фирмой Snecma.

На автоматической станции весом в 287 кг было установлено: ПЗС-камера для цветной съёмки, инфракрасный и рентгеновский спектрометр, прибор мониторинга солнечной активности по рентгеновскому излучению. Аппарат проработал до 3 сентября 2006 года, когда был разбит о поверхность Луны:


Место жёсткой посадки Смарт-1 (слева внизу) и вспышка от соударения (скорость соударения составляла около 2 км/с). После этого события Комитет по космическим исследованиям установил правила по защите планет и их лун от загрязнения останками космических аппаратов.

Достижениями этого аппарата стали уточнение топографических карт Луны (которые в последствии были использованы в Google Moon), уточнены карты масконов на обратной стороне Луны и получено первое визуальное наблюдение внутреннего строения кратера Шеклтон в который никогда не попадает солнечный свет (из-за близости его к южному полюсу Луны). В этом кратере была обнаружена повышенная концентрация воды.

Уже к 14 сентября 2007 года под флагом объединённого JAXA был запущен второй японский спутник — Кагуя также известный по его аббревиатуре «SELENE». Как и прошлый японский спутник он был составным:



Малые спутники весили по 53 кг и имели собственные имена: «OKINA» (спутник-ретранслятор), и «OUNA» (спутник для интерферометрии со сверхдлинной базой). На основном аппарате были установлены: телевизионная камера высокого разрешения, рентгеновский- и гамма-спектрометр (предназначенные для определения химического состава лунной поверхности), спектрометры видимого и инфракрасного диапазонов, лазерный высотометр, магнитометр, регистратор низкотемпературной плазмы, радиоантенна для измерения параметров магнитосферы и ионосферы Земли вблизи Луны. На аппаратах также были установлены радиомаяки для измерения гравитационных полей — это позволяло измерять масконы в областях лунного лимба, где обойтись одним большим аппаратом для измерений было нельзя.

Аппарат проработал на орбите Луны всего до 3 июня 2009 года, но с помощью его данных совсем недавно были обнаружены лавовые трубки на Луне (которые могут стать природным убежищем для первых лунных баз), а с помощью его камер был заснят «закат Земли»:
 

Спустя всего месяц после запуска японского аппарата (24 октября) свой первый лунный спутник запустил и Китай — это был Чанъэ-1 отправленный на ракете «Великий поход-3А». В общей сложности аппарат весил 2350 кг, из которых только 130 кг выделялось на полезную нагрузку. Среди его приборов была стереокамера с разрешением 120 м, лазерный высотометр с точностью измерения 1 м по высоте и шагом измерений в 300 м, детекторы заряженных частиц, СВЧ-радиометр и детектор солнечного ветра.



В его задачи входила трёхмерная картография поверхности Луны, поиск 14 химических элементов: калий, торий, уран, кислород, силикон, магний, алюминий, кальций, теллур, титан, натрий, магний, хром и лантан. Уточнение данных по наличию гелия-3 на Луне и изучение среды между Землёй и Луной (в общей сложности аппарат передал на Землю 175 Гбайт данных). 1 марта 2009 года аппарат также был разбит об лунную поверхность.


Топографическая карта Луны составленная по данным аппарата


Карта дневного излучения Луны на частоте 37 ГГц


Карта ночного излучения Луны на частоте 37 ГГц

На карте видно, что общий уровень излучения ночью падает (так как солнечный свет является основным источником энергии для этого процесса) смещение его в область более длинных волн приводит к тому что в диапазоне СВЧ мощность излучения даже растёт.

Последней страной, добравшейся до Луны на данный момент, стала Индия. Её космический зонд «Чандраян-1» запущенный ракетой-носителем PSLV-XL 22 октября 2008 года имел полный вес в 1380 кг, от которых по прилёту к Луне оставалось 675 кг сухой массы. Кроме научных приборов в числе спектрометров, дозиметра, фотокамеры и лазера для измерения рельефа на нём находился ударный зонд, который 14 ноября совершил жёсткую посадку на поверхности Луны. Зондом также были получены уточнённые данные по содержанию воды в лунных породах:



К сожалению, аппарат проработал только 312 дней из запланированных 2 лет, однако Индийская организация космических исследований (ISRO) объявила о выполнении запланированной программы на 95%. В ходе работы Чандраяна-1 было передано 70 тыс. фотографий лунной поверхности, обнаружено больше 40 лунных кратеров вблизи северного полюса (в которых также никогда не попадает солнечный свет и в которых по оценкам должно находиться 600 млн тонн водяного льда). По последним полученным с аппарата данным его траектории, он должен разбиться об поверхность Луны до конца этого года.



Как и у SELENE, у Чандраяна-1 не было возможности запечатлеть на снимках места посадок «Аполлонов» с достаточным разрешением. Но в январе 2009 ISRO опубликовала результаты проверкимест посадок Аполлона-15 и Аполлона-17, в ходе которых были получены данные о том, что почва в этих местах является более рыхлой (что объясняется работой посадочного двигателя Лунного модуля и воздействием Лунного автомобиля).

Следующая миссия NASA стала «Предварительная программа по изучению Луны автоматами» (LPRP) которая стартовала 19 июля 2009 года. Изначально по этой миссии к Луне должен был быть доставлен только «Лунный орбитальный зонд» (LRO) который продолжает работать до сих пор, но смена ракета-носителя с «Дельта-2» на «Атлас-5» позволило увеличить научную нагрузку и добавить в миссию второй аппарат — «Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров» (LCROSS).


Устройство LCROSS

9 октября в 11:31 по UTC того же года разгонный блок с остаточной массой в 2305 кг со скоростью около 2,5 км/с врезался в поверхность лунного кратера Кабео вблизи южного полюса, после чего спустя всего четыре минуты… туда же последовал и LCROSS. Причина столь странного распоряжения NASA своими аппаратами была проста: с помощью разгонного блока было поднято облако газа и пыли которое анализировал LCROSS до момента своего столкновения с поверхностью. За всем этим процессом с высоты наблюдал LRO, телескопы на Земле, «Хаббл» и европейский спутник «Odin» (на этот раз всё прошло замечательно и все телескопы зафиксировали вспышки, а с Земли за этим процессом могли наблюдать также астрономы-любители, имевшие телескоп с апертурой в 25 см и более).

LCROSS сумел зафиксировать выделение в процессе удара около 150 кг воды, что соответствовало содержанию воды в приполярных областях лунного грунта порядка 5,6±2,9%. Так же в поднятом газе и пыли были обнаружены угарный газ, водород, кальций, ртуть и магний; обнаружены следы серебра, натрия, аммиака и гидроксильных групп.


Устройство LRO и его состав: CRaTER – телескоп для космических лучей, DLRE – прибор для измерения теплового излучения поверхности, Mini-RF – малый радар для тестов коммуникационных технологий и поиск воды, LEND – нейтронный детектор для составления карты расположения запасов воды, NAC – камера высокого разрешения, LAMP – прибор для исследования вечно затенённых кратеров по инфракрасному излучению звёзд и атомов водорода внутри Солнечной системы, LOLA — лазер для составления 3-мерных топографических карт, WAC – камера низкого разрешения.

По данным прибора LOLA была составлена подробная карта Луны:


Видео сравнивающее существующую на тот момент карту с данными LRO:

Уже к 2011 году в ходе работы аппарата было получено 192 терабайта данных — это превышало общую сумму данных которые были получены с других планетарных миссий. Большая часть этих данных составляли снимки поверхности, с помощью которых даже изучалась метеоритная обстановки Луны за счёт сравнения фотографий, сделанных в разное время и поиск на них новых кратеров. С помощью LRO были также получены самые чёткие снимки посадочных аппаратов «Аполлонов» на данный момент:


Место посадки Аполлона-11: в первых полётах «Аполлонов» ещё не был готов лунный автомобиль, поэтому астронавты ходили по Луне пешком и много «наследили».


Место посадки Аполлона-12. Следы людей видны плохо, в виде неровных линий.


Места посадок Аполлонов 14-17.

В январе 2013 года с помощью LRO был проведён эксперимент с односторонней передачей данных посредством лазерного луча на прибор LOLA аппарата. В качестве передаваемых данных выступало изображение Моны Лизы. С помощью LRO также изучаются и другие свойства Луны: так на этом видео можно увидеть фазы Луны и её либрации за 2014 год (скорость видео соответствует 24 секундам на реальный месяц):
 

Вторым китайским спутником, отправившимся к Луне 1 октября 2010 года, стал Чанъэ-2: в целом он был похож на предыдущий, но имел новый лазерный дальномер и камеру высокого разрешения (до 1,3 м). Основной задачей этого аппарата стал поиск возможных мест посадки первого китайского лунохода (для чего разрешение дальномера повысили до 10 м).


Схема полёта Чанъэ-2: после выполнения своей основной программы он был направлен в точку Лагранжа L2 системы Земля-Солнце и далее на изучение астероида Таутатис, которого он достиг 15 апреля 2012 года.

Следующими спутниками, попавшими на орбиту Луны, стали 2 из 5 аппаратов миссии THEMIS: масса каждого из них составляла 126 кг, из которых 49 кг приходилось на топливо. В состав научного оборудования аппаратов входили: феррозондовый магнитометр и магнитометр с поисковой катушкой, электростатический анализатор, полупроводниковый телескоп для измерения высокоэнергетических частиц. 


На орбиту Луны попали THEMIS B и THEMIS С из этих 5 спутников, снятых в сборе с третьей ступенью ракета-носителя Дельта-2 и половиной обтекателя.

В рамках основной программы они изучали магнитное поле Земли, магнитные штормы и полярные сияния. По этой причине хоть они и были запущены 17 февраля 2007 года (раньше второго китайского спутника), но попали на орбиту Луны эти два спутника только 2 и 17 июля 2010-го в рамках расширенной миссии ARTEMIS. Эта миссия спутников заключается в изучении взаимодействия Луны и Солнца и продолжается до сих пор.


Спутники ARTEMIS P1 и ARTEMIS P2 (переименованные в THEMIS B и THEMIS C соответственно) на орбите Луны в представлении художника

Следующей миссией NASA стала GRAIL – программа изучения гравитационного поля Луны и её внутреннего строения. Два одинаковых спутника по этой программе были запущены 10 сентября 2011 года ракета-носителем Дельта-2 и имели собственные имена: Ebb (GRAIL A) и Flow (GRAIL B) что означало «Отлив» и «Прилив». Такие имена они получили уже после их запуска, когда NASA объявило конкурс на их наименование среди школьников. Имена предложили около 900 школ, а авторами победивших в конкурсе названий стали дети 4 класса школы Эмили Дикинсона из города Бозмен, штат Монтана:



Среди инструментов аппараты имели радиомаяки Ка-диапазона для связи между собой и радиомаяки для связи с Землёй. Также на обоих аппаратах устанавливались по 4 камеры (MoonKAM) для съёмки не самого высокого качества так как это не было частью основной научной программы — эти камеры предназначались для управления школьниками (не напрямую конечно).



Схема работы аппаратов выглядела так: оба спутника летели по одной орбите на высоте около 50 км над Луной, осуществляя постоянную связь между собой и два промежутка по 8 часов в сутки — с Землёй. По изменению орбит измеряли масконы, а уже по ним изучалось внутреннее строении Луны. Для компенсации влияния масконов на низкой орбите требовалось постоянное расходование топлива, так что после того как оно закончилось аппараты снизились и разбились о поверхность 17 декабря 2012 года.

7 сентября 2013 года была запущена новая исследовательская миссия NASA получившая название LADEE — «Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения». Весьма разряженная лунная атмосфера (имеющая давление в 3*10^-15 от земной) фиксировалась по рассеянию солнечного света на уровне горизонта ещё астронавтами, но по-настоящему исследования её начались только этим аппаратом.



В состав научных приборов этой миссии входили: масс-спектрометр, спектрометр УФ и видимого света, датчик пыли и демонстратор лазерной связи (LLCD). После месячных проверок на орбите Луны началась основная научная фаза миссии, проходившая на орбите подобной предыдущим аппаратам (около 50 км) в течении 128 дней. Было определено что основными составляющими лунной атмосферы являются гелий и неон (поставляемые солнечным ветром) и аргон.


3D-модель LLCD

После основной фазы аппарат был поднят на более высокую орбиту где был осуществлён эксперимент с высокоскоростной связью с орбиты Луны посредством лазерного луча: достигнутая скорость составила 622 Мбит/с с аппарата и 20 Мбит/с на него. Миссия LADEE завершилась 17 апреля 2014 года очередным столкновением аппарата с Луной. Следующие наземные тесты лазерной системы связи от NASA запланированы на этот год, а тесты на орбите — будут проводиться в 2019 году уже на коммерческом спутнике.

Уже 1 декабря 2013 года была запущена третья китайская миссия Чанъэ-3 включавшая в себя посадочную платформу и первый китайский луноход Юйту. 14 декабря ознаменовалось первой мягкой посадкой на поверхность Луны за 37 лет (со времён советской станции Луна-24) и первым луноходом, доставленным на поверхность Луны за целых 40,5 лет (после Лунохода-2).

Посадочная платформа имела УФ-камеру и 3 камеры видимого спектра, также на ней был установлен УФ-телескоп ставший первым доставленным на Луну телескопом. Он предназначался для изучения двойных и переменных звёзд, а также активных ядер галактик и других объектов с яркостью выше 13 звёздной величины.


Снимок Юйту на поверхности Луны сделанный с помощью камеры Чанъэ-3

Луноход Юйту (нефритовый заяц) весил 140 кг и имел на борту по две пары панорамных и навигационных камер, рентгеновский и инфракрасный спектрометр, а также радиолокатор для изучения внутреннего строения Луны на глубину до нескольких сотен метров. С помощью него было установлено что слои грунта в зоне посадки состоят из целых 9 слоёв, что говорит о бурных геологических процессах протекавших в этом месте на ранних этапах развития Луны.

Посадочная платформа рассчитывалась на работу 1 год на поверхности Луны, а луноход — на 3 месяца, но к сожалению механическая поломка уже в конце второго лунного дня (который близок к земному месяцу) не позволила одной из солнечных батарей подобающим образом сложиться (лунной ночью температура опускается до -180 °C и луноходу приходится тратить энергию из своих батарей для обогрева). Это привело к тому что на третье «лунное утро» после своей посадки Юйту потерял возможность двигаться, но связь с ним поддерживалась вплоть до 3 августа 2016 года. Посадочная платформа с УФ-камерами и телескопом функционировала как минимум до 14 января 2015 года, а в конце того же года китайская академия наук опубликовала сведения об открытии на основе данных посадочной платформы нового типа базальтовых пород, содержащих ильменит.


Уйту смог проехать более 100 м по поверхности Луны

Запущенная 23 октября 2014 года станция Чанъэ-5Т1 стала уже 4-й китайской миссией, отправленной к Луне и последней из запущенных на данный момент миссий по её изучению. В её состав входили два модуля предназначенных для тестов будущей миссии Чанъэ-5 по доставке лунного грунта: возвратный модуль облетевший Луну и приземлился на территории Китая 31 октября и служебный модуль проводящий виртуальные тесты стыковки на лунной орбите и делающий снимки места посадки Чанъэ-5. Так же с третьей ступенью ракеты Великий поход-3С этой миссии к Луне была доставлена первый коммерческий груз — это был 4M подразделения LuxSpace фирмы OHB System нёсший на себе радиомаяк и дозиметр. Фирма отправила этот маленький 14-килограммовый спутник в честь своего основателя — Манфреда Фукса. Для радиолюбителей, поймавших сигнал его радиомаяка и передавшего его фирме LuxSpace были предусмотрены награды.


Возвратный Чанъэ-5Т1 после посадки
 

Текущее состояние

На данный момент на орбите Луны в рабочем состоянии остаются LRO, пара спутников ARTEMIS и служебный модуль Чанъэ-5Т1. За 58 лет исследования Луны к ней было отправлено 110 миссий 6 различными странами из который 52 потерпели неудачу. Очерёдность начала исследований выглядит следующим образом:

А хронология стран по первой мягкой посадке на Луну выглядит так:

Будущие миссии

Китайская миссия Чанъэ-4 по доставке аналога Уйту на обратную сторону Луны намеченная изначально на 2015 год — на данный момент перенесена в конец 2018-го, а миссия Чанъэ-5изначально намеченная на ноябрь этого года — перенесена на 2019 год. Таким образом сейчас за роль следующего отправившего миссию к Луне соревнуются 5 команд-участниц Google Lunar X PRIZE и… Индия — второй её аппарат «Чандраян-2» по исследованию Луны должен быть запущен в первом квартале 2018 года (а участникам X PRIZE и вовсе «кровь из носу» надо успеть попасть на Луну до 31 марта 2018 года чтобы выполнить условия конкурса). Изначально «Чандраян-2» планировалась запустить в 2013 году совместно с Россией, но после пары аварий индийской ракеты-носителя GSLV и аварии Фобос-Грунта, а также переносов сроков запуска российской посадочной платформы — Индия решила отказаться от сотрудничества и делать всю миссию сама.



Среди команд-участниц X PRIZE на данный момент остались: Moon Express (США), Synergy Moon (международный состав), Hakuto (Япония), Team SpaceIL (Израиль) и Team Indus (Индия). Единственная российская команда «Селеноход» к сожалению, выбыла ещё в конце 2013 года. На 2018 год также намечен запуск первого японского лунохода в составе миссии SELENE-2. С 2019 года на 2021-й перенесена другая миссия JAXA — SLIM, предусматривающая посадку с точностью в 100 м.



На конец 2018 года намечена миссия SpaceX по отправке туристов в облёт Луны. Так как для полёта должны использоваться Falcon Heavy (тестовый запуск которого намечен на конец этого года) и пилотируемая капсула Dragon V2 (первый тестовый полёт которой к МКС запланирован на апрель 2018 года) этот полёт возможно будет перенесён, как и все остальные в этом списке. В данный момент SpaceX заканчивает ремонт стартового стола LC-40 повреждённого при тестах Амос-6 — это позволит перенести запуски Falcon 9 на стартовый стол LC-39A в начале декабря и освободить LC-40 для последних подготовок к запуску Falcon Heavy. Статические тесты двух уже летавших ступеней и нового центрального блока для Falcon Heavy намечены на 20 декабря, а старт Falcon Heavy должен состояться уже 29 декабря.

Первая миссия ракеты-носителя SLS и корабля «Орион» должна отправиться в облёт Луны и была намечена на 30 сентября 2018 года, но была перенесена на 2019 год.



Вместе с тестом ракеты-носителя и нового корабля в качестве вторичной нагрузки в этой миссии к Луне должны отправиться 11 кубсатов формата 6U: Lunar Flashlight (который будет искать и измерять залежи лунной воды и будет приводиться в движение солнечным парусом), Near-Earth Asteroid Scout (его целью является поиск астероидов 1-100 м диапазона и он будет также приводиться в движение солнечным парусом), BioSentinel (который в течении полутора лет должен будет изучать влияние радиации в околоземном пространстве на ДНК), по два кубсата заказанных Lockheed Martin и Morehead State University. 6 оставшихся мест будут разыграны в «Cube Quest Challenge» организованным NASA среди американских команд.


Сверху вниз: Lunar Flashlight, Near-Earth Asteroid Scout и BioSentinel.

Первая миссия по российской лунной программе (Луна-25) неоднократно переносилась и с 2012 года съехала уже на конец 2019-го. Но не смотря на то что 5-я миссия с луноходом «вылетела» из ФКП-2025, как и упоминания о пилотируемой лунной программе — 4-е миссии к Луне всё ещё остаются в планах на запуск до 2025 года: