В данной статье рассматриваются российские автоматические лунные миссии «Луна-25», «Луна-26», а также научные задачи и место посадки космического аппарата «Луна-27». Посадка «Луны-27» планируется непосредственно в Южной полярной области, которая по баллистическим и инженерным требованиям ограничена сектором, простирающимся от 51° восточной долготы до 1° западной долготы и от 83° южной широты до 79° южной широты. Этот район характеризуется сложным рельефом, и для определения подходящих мест посадки была создана карта пригодности, учитывающая распределение склонов, степень освещенности и видимость Земли. В общей сложности пять площадок размером 30 × 15 км (посадочный эллипс) в рассматриваемом регионе отвечают таким научно-техническим требованиям, как распределение склонов менее 7-10°, освещенность солнечным светом более 35 % и видимость Земли более 50 %. Все посадочные площадки ранжированы по приоритету от 1 до 5 в зависимости от содержания водного эквивалента водорода (WEH) в лунном грунте. Площадка №1 по своим характеристикам считается наилучшей и может быть выбрана в качестве основной, а площадки №2 и №3 могут служить резервными. Показано, что с увеличением точности посадки, при вероятности отклонения от заданной точки до 0,5 км, количество подходящих посадочных площадок, удовлетворяющих в первую очередь научным, а не инженерно-техническим критериям безопасности, которые к тому же изначально соблюдаются, существенно возрастает.
Введение
Одной из ключевых стратегических задач текущего столетия является детальное изучение Луны с помощью роботизированных космических аппаратов и начало ее колонизации, включая пилотируемые экспедиции и создание пригодной для жизни лунной базы, с целью последующего масштабного развития лунной инфраструктуры.
В полярных областях Луны наблюдаются необычные условия освещенности, поскольку ось вращения Луны почти перпендикулярна плоскости эклиптики, наклоненной на 1,5°. В результате днища ударных кратеров вблизи полюсов постоянно находятся в тени и никогда не получают солнечного света. Такие области чрезвычайно холодны и служат холодными ловушками для любых летучих компонентов, включая воду. При этом освещенность топографически высоких областей на полюсах, в отличие от экваториальных регионов, может значительно превышать 50 %. Уникальные условия освещения, а также наличие залежей водяного льда, делают полярные районы Луны потенциально очень привлекательными для будущих аванпостов.
Запуск «Луны-25» 11 августа 2023 года положил конец длительному перерыву в отечественных лунных исследованиях с 1976 года («Луна-24») и стал первой миссией в новой лунной программе, состоящей из орбитальных и посадочных миссий и марсоходов нового поколения. Основными целями миссии были отработка технологии пересадки и мягкой посадки в полярной области Луны и проведение комплексных научных исследований в районе Южного полюса Луны. Масса полезной нагрузки была небольшой — около 30 кг. Комплект научной аппаратуры (КНА) включал нейтронный спектрометр ADRON-LR для изучения содержания водорода в грунте, лазерный масс-спектрометр LAZMA-LR для изучения химического состава грунта, телевизионный и ИК-спектрометр LIS-TV-RPM для изучения минерального состава грунта , детектор пыли PmL для изучения экзосферы лунной пыли, детектор частиц ARIES-L для изучения ионной и нейтральной лунной экзосферы в диапазоне энергий от 10 до 5000 эВ, комплекс лунных манипуляторов для обеспечения лазерного масс-спектрометра образцом грунта, система технического зрения STS-L для обеспечения панорамной и стереосъемки поверхности, коммуникатор BUNI для управления научной аппаратурой и телекамера Pilot-D для съемки поверхности на этапе спуска. Основное место посадки было определено в южной полярной области с центром в координатах 69,55° ю.ш. и 43,54° в.д. К сожалению, во время спуска с лунной орбиты до посадки двигатель вместо запланированных 84 с проработал 127 с. Из-за ошибки в системе обслуживания «Луна-25» совершила жесткую посадку 19 августа 2023 года в кратере Pontécoulant G диаметром 42 км с координатами 57.865° ю.ш., 61.360° в.д., где образовался небольшой кратер диаметром около 10 м.
Запуск следующего космического аппарата, «Луна-26», запланирован на 2027 год. Это орбитальная миссия, основной задачей которой является фотографирование лунной поверхности стереокамерой с разрешением 3-6 м для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) высокого разрешения, исследование лунной поверхности с помощью радиоволн, инфракрасного, нейтронного и гамма-излучения, а также изучение лунной экзосферы с помощью ультрафиолетового дистанционного зондирования и плазменной установки in-situ. Вторая важная задача — обеспечение связи с посадочным космическим аппаратом «Луна-27». Орбитальный сценарий включает один год околокруговой контролируемой орбиты на высоте 60-80 км, после чего аппарат переводится на постоянную круговую орбиту на высоте 140 км, не требующую периодической коррекции. Масса полезной нагрузки составляет 160 кг. В состав SES входят 13 приборов, в том числе, например, радиолокационный комплекс RLC-L для изучения внутренней геоэлектромагнитной структуры лунного реголита. Прибор состоит из двух радаров подповерхностного зондирования — Radar-20 и Radar-200. Радар-20, работающий в диапазоне от 17,5 до 22,5 МГц, позволит определить структуру грунта на глубину до нескольких сотен метров с разрешением не хуже 25 м. Радар-200, работающий в диапазоне 175-225 МГц, будет изучать структуру реголита на глубину до 10 м с разрешением около 1 м. Другой прибор, детектор космической пыли ионизационного типа METEOR-L, предназначен для изучения распределения метеорных тел на трассе Земля-Луна и вокруг Луны. Научные данные, полученные в ходе миссии, будут использованы при подготовке и осуществлении следующей посадочной миссии «Луна-27».
Запуск посадочного космического аппарата «Луна-27» запланирован на 2028 год. Основной целью миссии является исследование химического состава и содержания летучих компонентов и воды (водяного льда) в лунном грунте в южнополярной области Луны. Расширенный набор научной аппаратуры, по сравнению с полезной нагрузкой «Луны-25», включает не только все ранее рассмотренные научные приборы, разработанные для «Луны-25», но и ряд важных новых инструментов, в том числе хроматографический комплекс для прямого исследования химического и изотопного состава летучих компонентов в образцах лунного грунта, которые доставляются на аппарат манипулятором ЛМК. Прибор THERMO-LR обеспечит исследование физико-механических, теплофизических и электромагнитных свойств грунта до глубины 1-2 м и измерение внутреннего теплового потока Луны.
В соответствии с научной задачей миссии, посадка космического аппарата «Луна-27» предполагается непосредственно в Южной полярной области, максимально близко к полюсу. Научно-технические требования к безопасному рельефу, видимости Земли и прямой связи, степени освещенности, наличию повышенной концентрации летучих компонентов в районе посадки накладывают определенные ограничения на выбор потенциально подходящего места посадки. В данной работе рассматривается выбор места посадки космического аппарата «Луна-27» с учетом всех вышеперечисленных научно-технических требований.
Заключение
Основной научной задачей лунной посадки «Луны-27» является изучение in situ химического и изотопного состава летучих компонентов и содержания воды в лунном грунте в южнополярной области. Расширенный по сравнению с миссией «Луна-25» набор научной аппаратуры позволяет также изучить химический и минеральный состав лунного грунта, содержание гидратированной воды на поверхности реголита, а также физико-механические, теплофизические.
Заявление об авторском вкладе CRediT
Ольга Ивановна Турчинская: Написание — оригинальный проект, Визуализация, Методология, Концептуализация. Евгений Николаевич Слюта: Написание — рецензирование и редактирование, администрирование проекта.
Оригинал статьи: sciencedirect.com
