В начале октября состоится запуск российской автоматической станции «Луна-25». После 45-летнего перерыва в стране возрождают лунную программу

Аппарат сядет в Южных околополярных широтах и приступит к поискам водяного льда, ключевого ресурса для строительства обитаемой базы.

Вперед, к Луне

Тридцать первого января 1966-го советская станция "Луна-9" первой совершила мягкую посадку на поверхность спутника Земли. В том же году «Луна-10» прибыла на орбиту. Разрабатывали оба космических аппарата и все последующие на Машиностроительном заводе С. А. Лавочкина (сейчас - НПО), у которого за плечами к тому времени уже был успешный ракетостроительный опыт.

В 1970-м «Луна-16» первой в автоматическом режиме добыла и доставила на Землю образцы лунного грунта. Вскоре началось путешествие лунохода. Американцы к тому времени дважды там высаживались, всего было шесть пилотируемых миссий. Но в 1976-м и США, и СССР свернули лунные программы.

Человечество пока тренируется перед новым этапом освоения Луны. Самый прыткий - Китай, отправивший к спутнику пять аппаратов. «Чанъэ-5» в декабре вернулся с образцами лунного грунта. До этого там потерпели неудачу Израиль и Индия.

На Луне сейчас целое кладбище космических аппаратов - их там порядка восьмидесяти. И только одна действующая орбитальная станция - Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), запущенная NASA в 2009-м. На борту один из двух приборов для поиска льда и воды - российский. Это лунный исследовательский нейтронный детектор LEND, созданный в ИКИ РАН.

LEND оценивает массовую долю воды в лунном грунте - реголите. На его данных построены детальные карты распределения водорода и водородосодержащих соединений в полярных областях Луны.

Космические лучи бомбардируют реголит, разрушают ядра породообразующих элементов, а LEND регистрирует вылетающие оттуда вторичные нейтроны. Эти частицы вновь взаимодействуют с ядрами химических элементов. А при столкновении с водородом сразу теряют половину энергии. Эти энергетические изменения фиксируют датчики LEND. Чем слабее нейтронный поток, тем больше водорода.

«Считалось, что водный лед накапливается в естественных холодных ловушках в кратерах на полюсах, куда никогда не заглядывает Солнце. Эту гипотезу проверили в эксперименте NASA LCROSS в 2009-м. Разгонный блок «Центавр» врезался в лунную поверхность, выбил облако вещества, следовавший за ним зонд измерял параметры этого облака. А место удара — кратер Кабеус в районе Южного полюса — выбрали по данным LEND» — рассказывает разработчик прибора Игорь Митрофанов, руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН.

Эксперимент показал, что грунт кратера Кабеус содержит до шести процентов водяного льда. А самый неожиданный результат LEND — открытие потенциальных запасов воды не только в холодных ловушках, но и в освещаемых местах в подповерхностном слое.

Схема полета КА Луна-25 - РИА Новости, 1920, 09.04.2021

Схема полета космического аппарата "Луна-25". Запуск намечен на октябрь 2021 года с космодрома Восточный

Эксперименты для поиска воды

«Чтобы делать науку, надо летать на своих аппаратах» — говорит Игорь Митрофанов

Решающий шаг в этом направлении - запуск автоматической станции «Луна-25», намеченный на октябрь 2021 года. Цель - мягкая посадка и научные исследования на околополярных южных широтах. Аппарат - из НПО имени Лавочкина, научное оборудование - ИКИ РАН.

«Предстоит отработать новые двигатели, бортовую аппаратуру, тепловой режим, системы безопасности. Но главный интерес - вода. С учетом технических ограничений и научных требований выбрали высокоширотный южный район к северу от кратера Богуславский, где, согласно моделям, могут быть запасы водяного льда. Никто еще там не садился. Это первая полярная миссия» — поясняет ученый.

Нужно убедиться, что дистанционные приборы действительно указывают на водяной лед. Для этого проведут несколько экспериментов.

Один из главных приборов - «Адрон-ЛР». Он облучает поверхность импульсом нейтронов на глубину до одного метра и по вторичному излучению анализирует состав грунта, определяет массовую долю различных химических элементов. Если вода есть, прибор ее обнаружит.

На «Луне-25» нет буровой установки, доставка грунта не планируется. Но есть роботизированный манипулятор с ковшом и устройством для забора грунта - лунный манипуляторный комплекс (ЛМК). Это тоже уникальное оборудование. Первый вариант сделали для "Фобос-Грунта", утерянного при запуске.

«Для "Луны-25» нам нужна была компактная, легкая и многофункциональная рука, чтобы копать мерзлый грунт в высоких широтах, и мы использовали прошлые наработки» — уточняет Максим Литвак, заведующий лабораторий нейтронной и гамма-спектроскопии ИКИ РАН  

Реголит с водой при низких температурах становится твердым, как монолит. Возникли сомнения - справится ли манипулятор. Испытали в термовакуумной камере с аналогом лунного грунта, подготовленного специалистами ГЕОХИ РАН.

«Мы добавляли воду и смотрели, что будет при низких температурах. Довели массовую долю воды до полутора процентов — для места посадки «Луны-25» это предел. Манипулятор копал с большим запасом, не сломался» — говорит ученый.

Для анализа достаточно совсем немного грунта — порядка одного кубического сантиметра. Манипулятор насыпает пробы в ложбинки на карусели лазерного ионизационного масс-спектрометра (ЛАЗМА-ЛР). Там мощный импульс мгновенно атомизирует вещество, превращая в плазму. И прибор определяет химический состав.

Район Южного полюса Луны и кратер Богуславский - РИА Новости, 1920, 09.04.2021

Рельеф места посадки «Луна-25» на южных околополярных широтах, к северу от кратера Богуславский. Изображения опубликованы в статье Ivanov M. A. et al. Landing site selection for Luna-Glob mission in crater Boguslawsky //Planetary and Space Science. – 2015.

Мы полагаем, что в местах, освещаемых Солнцем, на глубине десятков сантиментов под поверхностью может быть рыхлый слой грунта, содержащий воду. Надо прокопать туда и взять образцы» — добавляет Игорь Митрофанов

Помимо этого, на выкопанную манипулятором траншею направят ИК-спектрометр - ЛИС-ТВ-РПМ. Он измеряет линии поглощения водяного льда в районе трех микрон.

«Если линия поглощения сначала будет мощной, а потом постепенно исчезнет, значит, манипулятор добрался до слоя с водой. Ведь после вскрытия грунта влага должна высыхать» — объясняет Игорь Митрофанов

Ученые настроены оптимистично. Если есть хоть немного воды, приборы «Луны-25» ее найдут.

Посадка в условиях повышенной сложности

Станция изучит экзосферу Луны - так называют газовую оболочку космического тела, не имеющего атмосферы. Это задача энергомасспектрометра АРИЭС-Л, он регистрирует потоки солнечного ветра и нейтральных частиц, выбитых из реголита. Для исследования лунной пыли предназначен прибор ПмЛ. Его пьезоэлектрические датчики фиксируют движение потоков пылевых частиц у поверхности, а также характеристики экзосферы.

На борту установлены восемь камер прибора СТС-Л. Четыре займутся панорамной съемкой, две - стереоизображениями, будут работать вместе с манипулятором.

Еще две камеры СТС-Л и камера прибора «Пилот-Д», предоставленного Европейским космическим агентством, выполнят технологическую съемку поверхности. Их задача — запечатлеть приближающуюся поверхность Луны во время посадки. Эти данные позволят разработать высокоточную систему искусственного интеллекта для уклонения от опасностей.

По бокам «Луны-25» - солнечные панели.

«Это выдает ее полярную сущность — в месте посадки Солнце низко над горизонтом» — уточняет Игорь Митрофанов
Посадочные эллипсы на карте района миссии Луна-25 - РИА Новости, 1920, 09.04.2021

Посадочные эллипсы на карте района миссии «Луна-25». Шкала слева показывает процентное содержание воды в лунном реголите по данным LEND

Станция и приборы требуют подогрева. Некоторые рассчитаны на максимальное охлаждение всего до минус 20 градусов Цельсия. А лунной ночью, которая длится на Южном полюсе 14 земных дней, температура падает до минус 170. Поэтому на «Луне-25» есть несколько радиоизотопных источников энергии, один даже на манипуляторе.

Район посадки выбрали так, чтобы минимизировать риски. К северу от кратера Богуславский рельеф практически плоский, малой каменистости, своего рода естественный аэродром 30 на 15 километров с уклонами не более 15 градусов.

А Луна коварна. Достаточно вспомнить, что в сентябре 2019-го при заходе на посадку примерно в том же районе, среди кратеров Манцини и Шомбергер, разбился индийский спускаемый аппарат «Викрам» с луноходом «Чандраян-2».

Сейчас летную машину «Луна-25» испытывают в НПО имени Лавочкина. Ей предстоит работать минимум год. Ученые уже планируют следующие три миссии в рамках российской лунной программы: орбитальный аппарат «Луна-26», тяжелая посадочная станция с буровой установкой «Луна-27» и доставка грунта на Землю аппаратом «Луна-28».

Аврора