В нулевых годах в Азии началась вторая «лунная гонка». В отличие от первой, когда в 1960-х соревновались СССР и США, стран-участников оказалось больше, а вот бюджеты меньше, и общие сроки дольше. На старте было три участника — Индия, Китай, Япония. Сейчас же определился четкий лидер. Китай вырвался вперед еще в 2013, первым совершив мягкую посадку и высадив луноход. Летящая сейчас к Луне автоматическая межпланетная станция «Чанъэ-4» совершит первую посадку на обратной стороне Луны (что потребовало отдельной миссии для обеспечения связи) и является одним из шагов большой программы.
Источник
В общем случае изучение Луны можно разделить на четыре этапа. Исторически самыми первыми были миссии по пролету мимо Луны или разбиванию аппарата о ее поверхность, но сейчас это нерационально, потому что межпланетная станция работала бы у Луны слишком короткое время. Впрочем, миссии, покидающие Землю, могут включать свои приборы, пролетая мимо Луны, например, по дороге к Марсу.
Композитное фото с зонда GALILEO, летевшего к Юпитеру, изображение NASA
Первый полноценный этап — зонд на орбите Луны. Это уже не совсем просто, потому что из-за неравномерности гравитационного поля Луны есть только несколько устойчивых орбит, на которых можно работать годами. На этом уровне уже можно решать задачи не только государственного престижа, повторяя достижения прошлого, но и собирать полезные научные данные, сканируя Луну в разных диапазонах.
Второй этап — мягкая посадка. Здесь задача усложняется необходимостью погасить минимум 1,68 км/с скорости (с низкой орбиты), зато научные данные дополняются разнообразной геологией, и всегда можно выбрать интересное место для посадки, где еще никто не побывал. Посадочную станцию можно дополнить луноходом, что резко расширит как объемы научных данных, так и количество красивых фотографий, которые увидит весь мир.
Третий этап — возвращение образцов. Инженерные вызовы дополняются необходимостью решить задачи старта с Луны, навигации и прицеливания по дороге домой, а также мягкой посадки уже на Землю. Зато привезенные образцы с восторгом будут разбирать ученые, и появятся крайне наглядные свидетельства успеха страны в виде экспонатов в музеях.
Четвертый этап — пилотируемая программа. В глобальном смысле, конечно, когда-нибудь человечество начнет жить в космосе на постоянной основе, но пока что пилотируемая лунная программа — это очень дорого и доступно только крупнейшим экономикам планеты или же совместной работе многих стран.
Все участники новой лунной гонки стартовали почти в одно время. Формально, конечно, была японская миссия 1990 года из двух спутников — «Хитэн» и «Хагоромо», но перерыв в 17 лет до следующего полета не позволяет засчитать ее как входящую в последовательную программу. Все же нет ничего удивительного, что первыми полетели японцы. 14 сентября 2007 к Луне отправились три спутника — большой «Кагуя» и два маленьких — «Окина» и «Оуна».
«Кагуя» отделяет малые спутники, изображение JAXA
«Кагуя» несла на себе 13 приборов, среди которых были камеры, спектрометры, радар, лазерный альтиметр, детекторы плазмы и другие. Два маленьких спутника использовали радиодиапазон: «Окина» работал как ретранслятор и измерял гравитационное поле Луны при помощи эффекта Доплера, «Оуна» использовал интерферометрию со сверхдлинной базой для той же цели, потому что около лунного лимба эффект Доплера не работал (зонд смещался вбок, а не ускорялся/замедлялся относительно земного наблюдателя).
В результате работы японской «триады» мы узнали много интересного. Прежде всего, вопреки предположениям ученых, никакая точка лунной поверхности не была освещена все время. В районе северного полюса максимальная освещенность составляла 89%, южного — 86%. Это накладывает определенные требования на конструкцию приполярных посадочных станций или лунной базы — если бы нашлись всегда освещенные места, то там можно было бы развернуть солнечные панели без необходимости в аккумуляторах. Зато зоны постоянной тени были обнаружены в изобилии, и это хорошо, потому что там холодно и в какой-то форме есть водяной лед.
Карта освещенности полюсов, изображение JAXA
Увы, на поверхности льда обнаружить не удалось — очень чувствительная камера, заглянув в кратер Шеклтона, не заметила блеска.
Фото кратера Шеклтона, изображение JAXA
Кроме того была составлена очень подробная карта Луны и ее гравитационных аномалий, а также обнаружены слои базальта и реголита в лунных морях и слой анортозита в кратере Тихо.
Чуть больше, чем через месяц, 22 октября, к Луне отправился китайский «Чанъэ-1» (назван в честь богини Луны). Инженерные проекты длятся годами, так что это значит, что работы велись одновременно и уже можно говорить о «гонке». Китайский аппарат был чуть легче (2,3 тонны против 2,9 «Кагуи»), зато нес 24 прибора — камеры, спектрометры, радиометры, детектор частиц, лазерный высотомер и другие.
Макет «Чанъэ-1», фото Hong Kong Science Museum
Результатом работы аппарата стала самая качественная на тот момент карта Луны и много данных о распределении химических элементов.
Распределение железа, в пункте b слева данные «Чанъэ-1», справа — американского Clementine 1994 года, источник
Распределение урана (сверху) и калия на Луне, источник
Через год, 21 октября 2008 (что тоже означает, что работы велись параллельно), к Луне полетел индийский зонд «Чандраян-1» с пенетратором. Он был самым легким (1,3 тонны), но стал самым большим ньюсмейкером. Именно по его данным было подтверждено наличие на Луне воды. Причем сразу двумя способами — с орбитального аппарата и пенетратора. На спутнике одним из 11 научных приборов стоял американский Moon Mineralogy Mapper, по данным которого получили карту распределения воды (синее) и железа (красное) на Луне.
Распределение воды и железа, изображение ISRO/NASA
А на пенетраторе стоял очень чувствительный спектрометр, который во время снижения зафиксировал наличие молекул воды в окололунном пространстве.
Самый высокий пик на 18 — вода. Изображение ISRO
Кроме того, аппарат опроверг широко распространенное убеждение, что реголит почти полностью поглощает солнечный ветер. В реальности оказалось, что 20% отражается обратно.
Распределение отражения солнечного ветра, изображение ISRO
Все три аппарата первой волны завершили работу в 2009. Японский и китайский были управляемо сведены с орбиты, а индийский сломался и до сих пор крутится вокруг Луны.
В конце нулевых наиболее вероятным лидером азиатской лунной гонки виделась Япония. Но в реальности им оказался Китай. Уже 1 октября 2010 в полет отправился «Чанъэ-2», который по длительности и сложности миссии был сравним с аппаратами NASA или ESA. Проработав до лета 2011 на лунной орбите, зонд перешел на гало-орбиту вокруг точки L2 Земля-Луна (расположена за Луной), а затем отправился к астероиду (4179) Таутатис, посетив который, стал аппаратом для отработки дальней связи и проверки длительно функционирующих межпланетных станций — он улетел уже в сотни раз дальше Луны и до сих пор работает.
Главной задачей «Чанъэ-2» было составление подробной карты и подбор мест для будущих посадок. Для этого его перевели на орбиту с перицентром (нижней точкой) всего 15 км. Это позволило получить стереоскопическую карту всей поверхности с разрешением 7 метров на пиксель и отдельные изображения с разрешением 1,3 метра, лишь в пять раз хуже сегодняшнего рекордсмена, аппарата NASA LRO, который для этого переводили на специальную пониженную орбиту уже после выполнения основной программы.
Фото Китайского космического агентства
Астероид Таутатис. Фото «Синьхуа»/CAS
А в 2013 году Китай успешно выполнил второй этап — мягкую посадку. Аппарат «Чанъэ-3» с луноходом «Юйту» успешно прилунился 14 декабря, пусть и с недолетом относительно запланированного района.
Посадочная ступень, фото Китайского космического агентства
Луноход, фото Китайского космического агентства
Луноход проработал 31 месяц (пусть и потерял способность передвигаться на втором), а вот посадочная станция функционирует до сих пор (летом с нее фиксировали сигнал). Впервые на поверхности Луны появилась долговременная обсерватория. Результатом работы стали данные по геологии, астрономические наблюдения и, конечно, гордое фото флага Китая на поверхности Луны.
Структура грунта под местом посадки, данные георадара, изображение CAS
Плазмасфера Земли в экстремальном ультрафиолете, изображение CAS
Параллельно Китай стал готовиться к следующему шагу — возврату образцов лунного грунта. Для этого 23 октября 2014 года к Луне запустили тестовый стенд «Чанъэ-5Т1», который проверил технологические решения для мягкой посадки на Землю аппарата, возвращающегося со второй космической скоростью.
Спускаемый аппарат после посадки
У Китая был второй, резервный, набор из посадочной ступени и лунохода на случай неудачи «Чанъэ-3». Раз миссия оказалась успешной, следующую задачу имело смысл усложнить. Поэтому четвертый аппарат решили отправить на обратную сторону Луны. Но для этого нужен ретранслятор — напрямую связаться с обратной стороной невозможно. Эксперименты «Чанъэ-2» с точкой Лагранжа L2 проводились в том числе и поэтому — для ретранслятора это очень удобная орбита.
Изображение Planetary Society
20 мая 2018 к Луне отправился аппарат «Цюэцяо». Название («Сорочий мост») взято из китайской легенды, это мост из птиц через Млечный путь, раз в год соединяющий влюбленных. Главная его задача — стать ретранслятором для обратной стороны, но на него установили также научное оборудование — нидерландский низкочастотный радиотелескоп. Вместе с «Цюэцяо» полетели два 45-килограммовых спутника «Лунцзян-1» и "-2". К сожалению, один сломался и не смог выйти на окололунную орбиту, но второй успешно функционирует, наблюдает за небом в радиодиапазоне и делает фотографии — у него есть камера производства Саудовской Аравии.
Макет «Цюэцяо», источник
Виды Луны с «Лунцзян-2», фото CNSA
А 7 декабря 2018 полетел «Чанъэ-4», который должен будет совершить посадку в бассейне Южный полюс – Эйткен. Его конструкция очень похожа на «Чанъэ-3», но есть и различия. С посадочной платформы убрали ультрафиолетовый телескоп, зато установили вторую камеру, дозиметр нейтронов, низкочастотный спектрометр (для изучения солнечных вспышек) и 3-кг контейнер с семенами и яйцами насекомых, которые должны образовать замкнутую по кислороду экосистему. С ровера сняли манипулятор, но поставили радиоизотопный обогреватель (теперь ожидаемый срок работы 3 месяца), спектрометр VINS и шведский анализатор нейтральных частиц ASAN. Георадар на луноходе оставили, так что фотографии будут дополняться структурой грунта на десятки метров вниз.
Запуск прошел успешно, аппарат сейчас находится на пути к Луне. Траектория настолько хороша, что первую коррекцию в субботу отменили. Вторую коррекцию выполнили в воскресенье. Посадка ожидается в начале 2019, потому что сначала аппарат выйдет на орбиту вокруг Луны и некоторое время пробудет там, проверяя системы и готовясь к прилунению.
Ну и, возвращаясь к азиатской лунной гонке, стоит отметить, что в 2019 году будет еще два связанных с ней события. На 31 января запланирован старт индийской миссии Чандраян-2 из орбитального аппарата и посадочного с луноходом. А в декабре 2019 должна отправиться в полет первая китайская миссия по доставке лунного грунта «Чанъэ-5».
Источник
Формула гонки
В общем случае изучение Луны можно разделить на четыре этапа. Исторически самыми первыми были миссии по пролету мимо Луны или разбиванию аппарата о ее поверхность, но сейчас это нерационально, потому что межпланетная станция работала бы у Луны слишком короткое время. Впрочем, миссии, покидающие Землю, могут включать свои приборы, пролетая мимо Луны, например, по дороге к Марсу.
Композитное фото с зонда GALILEO, летевшего к Юпитеру, изображение NASA
Первый полноценный этап — зонд на орбите Луны. Это уже не совсем просто, потому что из-за неравномерности гравитационного поля Луны есть только несколько устойчивых орбит, на которых можно работать годами. На этом уровне уже можно решать задачи не только государственного престижа, повторяя достижения прошлого, но и собирать полезные научные данные, сканируя Луну в разных диапазонах.
Второй этап — мягкая посадка. Здесь задача усложняется необходимостью погасить минимум 1,68 км/с скорости (с низкой орбиты), зато научные данные дополняются разнообразной геологией, и всегда можно выбрать интересное место для посадки, где еще никто не побывал. Посадочную станцию можно дополнить луноходом, что резко расширит как объемы научных данных, так и количество красивых фотографий, которые увидит весь мир.
Третий этап — возвращение образцов. Инженерные вызовы дополняются необходимостью решить задачи старта с Луны, навигации и прицеливания по дороге домой, а также мягкой посадки уже на Землю. Зато привезенные образцы с восторгом будут разбирать ученые, и появятся крайне наглядные свидетельства успеха страны в виде экспонатов в музеях.
Четвертый этап — пилотируемая программа. В глобальном смысле, конечно, когда-нибудь человечество начнет жить в космосе на постоянной основе, но пока что пилотируемая лунная программа — это очень дорого и доступно только крупнейшим экономикам планеты или же совместной работе многих стран.
Начало
Все участники новой лунной гонки стартовали почти в одно время. Формально, конечно, была японская миссия 1990 года из двух спутников — «Хитэн» и «Хагоромо», но перерыв в 17 лет до следующего полета не позволяет засчитать ее как входящую в последовательную программу. Все же нет ничего удивительного, что первыми полетели японцы. 14 сентября 2007 к Луне отправились три спутника — большой «Кагуя» и два маленьких — «Окина» и «Оуна».
«Кагуя» отделяет малые спутники, изображение JAXA
«Кагуя» несла на себе 13 приборов, среди которых были камеры, спектрометры, радар, лазерный альтиметр, детекторы плазмы и другие. Два маленьких спутника использовали радиодиапазон: «Окина» работал как ретранслятор и измерял гравитационное поле Луны при помощи эффекта Доплера, «Оуна» использовал интерферометрию со сверхдлинной базой для той же цели, потому что около лунного лимба эффект Доплера не работал (зонд смещался вбок, а не ускорялся/замедлялся относительно земного наблюдателя).
В результате работы японской «триады» мы узнали много интересного. Прежде всего, вопреки предположениям ученых, никакая точка лунной поверхности не была освещена все время. В районе северного полюса максимальная освещенность составляла 89%, южного — 86%. Это накладывает определенные требования на конструкцию приполярных посадочных станций или лунной базы — если бы нашлись всегда освещенные места, то там можно было бы развернуть солнечные панели без необходимости в аккумуляторах. Зато зоны постоянной тени были обнаружены в изобилии, и это хорошо, потому что там холодно и в какой-то форме есть водяной лед.
Карта освещенности полюсов, изображение JAXA
Увы, на поверхности льда обнаружить не удалось — очень чувствительная камера, заглянув в кратер Шеклтона, не заметила блеска.
Фото кратера Шеклтона, изображение JAXA
Кроме того была составлена очень подробная карта Луны и ее гравитационных аномалий, а также обнаружены слои базальта и реголита в лунных морях и слой анортозита в кратере Тихо.
Чуть больше, чем через месяц, 22 октября, к Луне отправился китайский «Чанъэ-1» (назван в честь богини Луны). Инженерные проекты длятся годами, так что это значит, что работы велись одновременно и уже можно говорить о «гонке». Китайский аппарат был чуть легче (2,3 тонны против 2,9 «Кагуи»), зато нес 24 прибора — камеры, спектрометры, радиометры, детектор частиц, лазерный высотомер и другие.
Макет «Чанъэ-1», фото Hong Kong Science Museum
Результатом работы аппарата стала самая качественная на тот момент карта Луны и много данных о распределении химических элементов.
Распределение железа, в пункте b слева данные «Чанъэ-1», справа — американского Clementine 1994 года, источник
Распределение урана (сверху) и калия на Луне, источник
Через год, 21 октября 2008 (что тоже означает, что работы велись параллельно), к Луне полетел индийский зонд «Чандраян-1» с пенетратором. Он был самым легким (1,3 тонны), но стал самым большим ньюсмейкером. Именно по его данным было подтверждено наличие на Луне воды. Причем сразу двумя способами — с орбитального аппарата и пенетратора. На спутнике одним из 11 научных приборов стоял американский Moon Mineralogy Mapper, по данным которого получили карту распределения воды (синее) и железа (красное) на Луне.
Распределение воды и железа, изображение ISRO/NASA
А на пенетраторе стоял очень чувствительный спектрометр, который во время снижения зафиксировал наличие молекул воды в окололунном пространстве.
Самый высокий пик на 18 — вода. Изображение ISRO
Кроме того, аппарат опроверг широко распространенное убеждение, что реголит почти полностью поглощает солнечный ветер. В реальности оказалось, что 20% отражается обратно.
Распределение отражения солнечного ветра, изображение ISRO
Все три аппарата первой волны завершили работу в 2009. Японский и китайский были управляемо сведены с орбиты, а индийский сломался и до сих пор крутится вокруг Луны.
Китай вырывается вперед
В конце нулевых наиболее вероятным лидером азиатской лунной гонки виделась Япония. Но в реальности им оказался Китай. Уже 1 октября 2010 в полет отправился «Чанъэ-2», который по длительности и сложности миссии был сравним с аппаратами NASA или ESA. Проработав до лета 2011 на лунной орбите, зонд перешел на гало-орбиту вокруг точки L2 Земля-Луна (расположена за Луной), а затем отправился к астероиду (4179) Таутатис, посетив который, стал аппаратом для отработки дальней связи и проверки длительно функционирующих межпланетных станций — он улетел уже в сотни раз дальше Луны и до сих пор работает.
Главной задачей «Чанъэ-2» было составление подробной карты и подбор мест для будущих посадок. Для этого его перевели на орбиту с перицентром (нижней точкой) всего 15 км. Это позволило получить стереоскопическую карту всей поверхности с разрешением 7 метров на пиксель и отдельные изображения с разрешением 1,3 метра, лишь в пять раз хуже сегодняшнего рекордсмена, аппарата NASA LRO, который для этого переводили на специальную пониженную орбиту уже после выполнения основной программы.
Фото Китайского космического агентства
Астероид Таутатис. Фото «Синьхуа»/CAS
А в 2013 году Китай успешно выполнил второй этап — мягкую посадку. Аппарат «Чанъэ-3» с луноходом «Юйту» успешно прилунился 14 декабря, пусть и с недолетом относительно запланированного района.
Посадочная ступень, фото Китайского космического агентства
Луноход, фото Китайского космического агентства
Луноход проработал 31 месяц (пусть и потерял способность передвигаться на втором), а вот посадочная станция функционирует до сих пор (летом с нее фиксировали сигнал). Впервые на поверхности Луны появилась долговременная обсерватория. Результатом работы стали данные по геологии, астрономические наблюдения и, конечно, гордое фото флага Китая на поверхности Луны.
Структура грунта под местом посадки, данные георадара, изображение CAS
Плазмасфера Земли в экстремальном ультрафиолете, изображение CAS
Параллельно Китай стал готовиться к следующему шагу — возврату образцов лунного грунта. Для этого 23 октября 2014 года к Луне запустили тестовый стенд «Чанъэ-5Т1», который проверил технологические решения для мягкой посадки на Землю аппарата, возвращающегося со второй космической скоростью.
Спускаемый аппарат после посадки
Сегодня и завтра
У Китая был второй, резервный, набор из посадочной ступени и лунохода на случай неудачи «Чанъэ-3». Раз миссия оказалась успешной, следующую задачу имело смысл усложнить. Поэтому четвертый аппарат решили отправить на обратную сторону Луны. Но для этого нужен ретранслятор — напрямую связаться с обратной стороной невозможно. Эксперименты «Чанъэ-2» с точкой Лагранжа L2 проводились в том числе и поэтому — для ретранслятора это очень удобная орбита.
Изображение Planetary Society
20 мая 2018 к Луне отправился аппарат «Цюэцяо». Название («Сорочий мост») взято из китайской легенды, это мост из птиц через Млечный путь, раз в год соединяющий влюбленных. Главная его задача — стать ретранслятором для обратной стороны, но на него установили также научное оборудование — нидерландский низкочастотный радиотелескоп. Вместе с «Цюэцяо» полетели два 45-килограммовых спутника «Лунцзян-1» и "-2". К сожалению, один сломался и не смог выйти на окололунную орбиту, но второй успешно функционирует, наблюдает за небом в радиодиапазоне и делает фотографии — у него есть камера производства Саудовской Аравии.
Макет «Цюэцяо», источник
Виды Луны с «Лунцзян-2», фото CNSA
А 7 декабря 2018 полетел «Чанъэ-4», который должен будет совершить посадку в бассейне Южный полюс – Эйткен. Его конструкция очень похожа на «Чанъэ-3», но есть и различия. С посадочной платформы убрали ультрафиолетовый телескоп, зато установили вторую камеру, дозиметр нейтронов, низкочастотный спектрометр (для изучения солнечных вспышек) и 3-кг контейнер с семенами и яйцами насекомых, которые должны образовать замкнутую по кислороду экосистему. С ровера сняли манипулятор, но поставили радиоизотопный обогреватель (теперь ожидаемый срок работы 3 месяца), спектрометр VINS и шведский анализатор нейтральных частиц ASAN. Георадар на луноходе оставили, так что фотографии будут дополняться структурой грунта на десятки метров вниз.
Запуск прошел успешно, аппарат сейчас находится на пути к Луне. Траектория настолько хороша, что первую коррекцию в субботу отменили. Вторую коррекцию выполнили в воскресенье. Посадка ожидается в начале 2019, потому что сначала аппарат выйдет на орбиту вокруг Луны и некоторое время пробудет там, проверяя системы и готовясь к прилунению.
Ну и, возвращаясь к азиатской лунной гонке, стоит отметить, что в 2019 году будет еще два связанных с ней события. На 31 января запланирован старт индийской миссии Чандраян-2 из орбитального аппарата и посадочного с луноходом. А в декабре 2019 должна отправиться в полет первая китайская миссия по доставке лунного грунта «Чанъэ-5».
