В августе 2023 года с космодрома Восточный ракетой-носителем «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» планируется запустить к естественному спутнику Земли первую в современной истории России автоматическую станцию «Луна-25». Ей предстоит совершить мягкую посадку в окрестности Южного полюса Луны для изучения лунных реголита и экзосферы.
Пресс-служба Института космических исследований Российской академии наук подготовила материал о причинах возобновления исследований Луны.
«Луна-25» — первая российская посадочная станция нового поколения для изучения Луны. В чем ее новизна?
Если вернуться в ХХ век, когда стартовали первые программы изучения Луны советскими станциями серии «Луна» (посадки с 1966 по 1976 годы), американскими автоматами Surveyor (с 1966 по 1968 годы) и посадочными миссиями американской пилотируемой программы «Аполлон» (высадки с 1969 по 1972 годы), то вся поверхность нашего естественного спутника была для человечества terra incognita и вся была очень интересна для изучения. Поэтому при планировании миссий сначала анализировали, где получится посадить станцию, исходя из технических и баллистических ограничений, и уже в этих районах выбирали интересные площадки.
Сходный подход просматривается и в китайской лунной программе, реализуемой уже в нашем веке (успешные посадки в 2013, 2018 и 2020 годах). Создатели израильской станции Beresheet (авария в 2019 году) и японской Hakuto-R (авария в 2023 году) также подходили к проектированию станций, исходя из этой концепции.
Для миссии «Луны-25» с самого начала была поставлена задача — посадка в полярном регионе Луны, и для ее решения стала разрабатываться станция. Чем же интересен полюс Луны?
Еще в начале прошлого века наш выдающийся соотечественник Константин Циолковский в повести «Вне Земли» предсказал, что в полярных областях Луны могли бы накопиться «обширные слои отвердевшей воды и атмосферы». Наступило время лунных космических исследований, и уже на основе первых полученных результатов в конце прошлого века была высказана гипотеза, что в околополярных областях Луны может быть лед.
Там, в силу удивительной особенности — почти идеальной перпендикулярной выстроенности полярной оси Луны относительно направления на Солнце — на дне полярных кратеров существуют зоны вечной тени, куда никогда не заглядывают лучи Солнца. Если в эти «холодные ловушки» попадут молекулы воды, то им будет сложно их покинуть.
Но чтобы подтвердить эту гипотезу, требовалось исследовать Луну с помощью спутников на полярной орбите. Эта орбита требует значительных энергозатрат, и все ранние межпланетные аппараты и космические корабли выводились на орбиты с меньшим наклонением. Их приборы не могли наблюдать лунные полюса.
После завершения советской программы изучения Луны полетом станции «Луна-24» в 1976 году ученые СССР сосредоточились на программах исследования Венеры и Марса. Существовал единственный лунный проект ЛСН (Лунный Спутник Научный) создания тяжелого спутника Луны на полярной орбите. Хотя работы над ним продвинулись очень далеко, полет не состоялся.
О гипотезе наличия льда в полярных районах Луны вспомнили после запуска в 1994 году скромного по размерам орбитального лунного аппарата Clementine (NASA). Его вывели на полярную орбиту. В рамках эксперимента по изучению отраженного от Луны радиосигнала были зафиксированы несколько случаев, когда отраженный от полюсов сигнал был сильно поляризован. Это косвенно указывало на возможность отражения радиоволн от слоя льда. Полученные результаты вызвали много вопросов к постановке эксперимента — на наземных радиотелескопах подобный эффект не наблюдался, — но они дали мощный импульс дальнейшим исследованиям этой гипотезы.
В январе 1997 года в космос отправился следующий небольшой аппарат NASA Lunar Prospector. На нем даже не было камеры, его основной задачей было изучение с орбиты геологии Луны, в том числе проверка гипотезы о наличии льда на поверхности лунных полюсов.
Данные нейтронного спектрометра показали, что поток надтепловых нейтронов от лунной поверхности существенно уменьшается на полюсах. Лунные нейтроны являются вторичными частицами, которые образуются в верхнем слое лунной поверхности вследствие бомбардировки галактическими космическими лучами. Понижение потока надтепловых нейтронов на полюсах указывает на то, что перед излучением с поверхности образовавшиеся нейтроны успевают существенно потерять свою энергию — замедлиться. Самым эффективным замедлителем нейтронов является водород, и самым вероятным химическим соединением в лунном веществе, содержащим водород, являются молекулы воды. Так гипотеза о существовании на лунных полюсах льдистой вечной мерзлоты получила еще одно подтверждение.
В конце миссии аппарат Lunar Prospector свели с орбиты и «уронили» на один из кратеров возле южного полюса Луны, но в поднявшемся облаке пыли реголита следов водяного пара тогда выявить не удалось.
Нейтронные данные с Lunar Prospector были косвенными, а не прямыми свидетельствами присутствия на полюсах водяного льда. В начале нашего века стало понятно, что лед на полюсах, вероятно, есть, но не было ясно, сколько и где конкретно. Наиболее популярным было мнение, что водяной лед может существовать только в «холодных ловушках» на дне постоянно затененных кратеров около полюса.
Важная часть работы по выяснению свойств лунных полюсов была сделана на первом индийском зонде Chandrayaan-1 в 2008–2009 годах.
Измерение спектра инфракрасного излучения полярной поверхности Луны показало наличие спектральной линии молекул воды. Так было экспериментально доказано, что полярный водород, на повышенную концентрацию которого в полярном веществе указали измерения нейтронов, действительно связан с молекулами воды. Пророческое предсказание Константина Циолковского подтвердилось: на лунных полюсах присутствует водяной лед. Так в современной космонавтике появился новый объект исследований — полярная «Новая Луна».
Раньше других на этот факт среагировали в NASA. Был выпущен запрос на открытый конкурсный отбор научных приборов для тяжелого полярного спутника-картографа Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), целью которого было максимально подробное изучение лунных полюсов, включая детальное картографирование потока нейтронов, для выяснения важнейших для практики вопросов про лунный лед: где и сколько? На этот запрос откликнулась российско-американская команда, которая успела сложиться еще в 1990-е годы в совместных исследований Марса в проекте NASA Mars Odyssey.
Было предложено создать в ИКИ РАН нейтронный телескоп и совместно провести с ним космический эксперимент по нейтронному картографированию Луны. В конкурентной борьбе прибор, получивший название-аббревиатуру LEND (ЛЕНД), был отобран для участия в проекте, и уже за первые несколько месяцев наблюдений в 2009 году были получены важные результаты.
Во-первых, было установлено, что водяной лед залегает под слоем сухого реголита на территориях, которые не обязательно находятся в постоянно затененных кратерах, и, во-вторых, что больше всего льда находится в южном полярном кратере Кабеус.
То, что ЛЕНД наблюдал в этом кратере именно водяной лед, а не просто водородосодержащие минералы, было подтверждено в сопутствующем LRO проекте NASA LCROSS. Покинувший Землю вместе с LRO этот космический комплекс ждал на долгопериодической лунной орбите целеуказания от последнего. Когда это целеуказание поступило, в кратер Кабеус был направлен в качестве ударника разгонный блок Centaur, а летящий вслед за ним научный аппарат комплекса LCROSS прошел сквозь выброшенное вещество и успел выполнить его анализ до своей собственной гибели.
В поднявшемся после удара искусственном облаке лунного вещества были обнаружены молекулы воды. Оценки показали, что воды в веществе Кабеуса достаточно много — около 5% по массе.
Так полярные области стали интересны и в практическом отношении. Наличие там воды значительно облегчит и пилотируемые полеты, и создание обитаемой базы. Поэтому именно на южные полярные области нацелены лунные программы США и других членов «космического клуба».
Первой попробовала посадить станцию в околополярную область Индийская организация космических исследований (ISRO). К сожалению, посадочный аппарат станции Chandrayaan-2, запущенной в 2019 году, разбился. В полярную область надеются посадить и новый зонд Chandrayaan-3, который стартовал к Луне 14 июля этого года, чтобы прибыть на место 23 августа.
Следующим стартом станет запуск «Луны-25» также в августе.
Для выбора района посадки «Луны-25» была проделана огромная работа. Околополярный регион достаточно сложен в отношении рельефа. С учетом требований к уклону, а также к освещенности и к возможности связи с Землей, удалось найти всего одиннадцать подходящих районов-кандидатов, из которых выбрали три. Они наиболее перспективны с точки зрения поиска воды, регулярно освещаются Солнцем и удовлетворяют инженерным требованиям к рельефу.
Новая российская станция многое взяла из советских миссий. Для ее выведения используется ракета-носитель «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» — родственник ракеты «Молния-М», в свое время отправившей в космос много межпланетных станций. В их числе «Луна-9» (1966 год) — первая в истории станция, севшая на Луну и передавшая панорамы ее поверхности, и «Луна-10» (1966 год) — первый в истории искусственный спутник Луны.
Научное оборудование станции «Луна-25» — это комплекс приборов, работающих на разных физических принципах, но нацеленный, в первую очередь, на изучение лунного грунта и поиска в нем летучих соединений, прежде всего, воды. Кроме того, приборам предстоит изучать пылевую обстановку и ионную экзосферу полярной Луны.
В проекте «Луна-25» запланирована очень серьезная программа исследований, рассчитанная на земной год (на 12 «лунаций» — так называют лунные дни). И это только начало. За «Луной-25» должны отправиться в космос «Луна-26» — спутник Луны, который планируется вывести на полярную орбиту. Потом последует «Луна-27» — более сложная посадочная станция с буровой установкой, которая будет способна забирать грунт с глубины около метра и передавать его аналитическим приборам для изучения, а потом «Луна-28», которая должна доставить полярный грунт на Землю, причем с сохранением в нем всех летучих веществ.
В завершение стоит ответить на часто возникающий вопрос: зачем нужно создавать дорогую обитаемую базу на поверхности Луны? Не ради же воды все это — на Земле своей воды достаточно.
Ведь проекты автоматических и пилотируемых полетов на Южный полюс Луны сейчас есть и у США совместно с Европой, и у Китая, и у Индии. В США даже назначили первый район посадки, и он совпадает с одним из районов-кандидатов, выбранным для «Луны-27».
Ответ прост: хотя число успешных лунных миссий исчисляется десятками, но мы все равно знаем геологию Луны еще недостаточно хорошо, особенно геологию лунных полюсов. «Новая Луна» содержит в своем веществе вмороженную космическую воду и летучие соединения, принесенные кометами и астероидами из межпланетного пространства. А значит исследователям «гарантированы» неожиданные открытия.
Полярная вода — важнейший природный ресурс для систем жизнеобеспечения будущих посещаемых лунных станций, для выработки «на месте» компонентов ракетного топлива для будущих межпланетных экспедиций. Можно с большой долей уверенности утверждать, что территория вблизи Южного полюса в конце текущего века станет самой населенной частью Луны — нового внеземного седьмого континента земной цивилизации.
Конечно, это все в будущем, но о нем нужно думать уже сейчас. И «первой ласточкой» практического изучения и освоения Луны как раз должна стать новая российская лунная посадочная станция «Луна-25».
Источник: Госкорпорация «Роскосмос»