Луна после Apollo: кто летает и как изучает

У Земли и Луны весьма непростые взаимоотношения. После активного и тесного общения в 60-е и 70-е, после высадок астронавтов и поездок луноходов, после доставки и изучения грунта мировая космонавтика практически забыла о спутнике Земли, сконцентрировав деятельность на других направлениях. Это даже стало причиной появления мифа, повествующего о запрете изучения Луны кем-то или чем-то. Однако исследования продолжаются, причем довольно активные, только этим занимаются роботы: спутники, спускаемые аппараты и луноходы. 

После вакуума 1980-х космонавтика стала возвращаться к Луне. Первыми это сделали японцы, снарядившие станцию Hiten («Хитэн») в 1991 году. Аппарат предназначался только для освоения технологии перелетов, гравитационных маневров, аэродинамического торможения в атмосфере Земли, т. е. японские инженеры учились летать между Землей и Луной. 

В 1994 году к Луне отправился американский исследовательский аппарат Clementine. Его тоже использовали для испытания техники и изучения влияния дальнего космоса на электронику, но к этому добавили еще и несколько приборов: ультрафиолетовый и инфракрасный спектрометры, камеру высокого разрешения с шестью цветными фильтрами и лазерный высотомер для создания трехмерной карты лунной местности. Благодаря Clementine удалось создать приложение Google Moon, которое потом дополнили снимками с пилотируемых Apollo и японской автоматической станции Kaguya. 

Снимки камеры высокого разрешения Clementine получились с не особо высоким разрешением — до 20 м. Зонд летал на высоте около 400 км — с такого расстояния много не рассмотришь. Зато благодаря Clementine ученые получили первые косвенные данные о наличии на полюсах Луны воды. 

Следом, в 1998 году, полетел американский аппарат Lunar Prospector («Лунный геолог»). Он был довольно прост и вообще без фотокамер, но смог провести первое геологическое картографирование Луны. При помощи нейтронного датчика удалось определить, что на полюсах Луны содержание воды в грунте может достигать 10%. Применение гамма-спектрометра на Lunar Prospector позволило определить распределение по поверхности кремния, железа, титана, алюминия, фосфора и калия. Проведены более точные измерения гравитационного поля, выявлены новые неоднородности плотности коры Луны с более высокой силой притяжения — масконы. 

В 2000-е годы к «лунному клубу» стали присоединяться новые участники. В 2003 году Европейское космическое агентство запустило экспериментальный аппарат SMART-1. Задачи полета тоже были по большей части технологические: Европа училась использовать плазменный двигатель для перелетов в дальнем космосе. Кроме этого, были задействованы бортовые камеры для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах. А также SMART-1 опробовал лазерную связь с Землей, еще когда летел к Луне. Правда, передавать данные по лучу тогда не предполагали, только попытались пострелять в однометровый телескоп обсерватории на острове Тенерифе. Цель состояла в изучении влияния земной атмосферы на лазерный луч. Попытка оказалась удачной: в телескоп попали; но развивать технологию оптической связи не стали — радио оказалось надежнее. 

В 2007 году к Луне отправилась японская Kaguya. Научившись летать к естественному спутнику Земли, японцы решили усердно заняться его изучением. Масса аппарата достигала почти 3 т — проект назвали самой масштабной лунной программой после Apollo. На борту были установлены два инфракрасных, рентгеновский и гамма-спектрометры для геологических исследований. Заглянуть глубже в недра должен был прибор Lunar Radar Sounder. 

Kaguya сопровождалась двумя малыми спутниками-ретрансляторами Okina и Ouna, каждый массой по 53 кг. С их помощью удалось исследовать неоднородности гравитационного поля на обратной стороне и составить более подробную карту масконов. Kaguya сначала летала на высоте 100 км, потом снизилась до 50 км, наснимала шикарные кадры лунных пейзажей и запечатлела прекрасный восход Земли. 

За два года работы Kaguya получила богатый набор данных со своих приборов, желающие могут посмотреть видео с лунной орбиты. Открыт для всех и архив научной информации, в том числе с фотоснимками высокого разрешения. 

Вслед за Kaguya к Луне отправились новички: индийцы и китайцы. Между ними сейчас разворачивается целая «лунная гонка» в беспилотном режиме. 

В 2008 году к Луне стартовала первая в дальнем космосе автоматическая межпланетная станция Индии — Chandrayaan-1. Аппарат нес несколько индийских и несколько иностранных приборов, среди которых были инфракрасные и рентгеновские спектрометры. 

Интересное исследование удалось провести на борту Chandrayaan-1 американским прибором — небольшим радаром с синтезированной апертурной решеткой, Mini-RF. Ученые захотели выяснить запасы льда на лунных полюсах. После нескольких месяцев работы полюса были как следует осмотрены, и первые отчеты получились весьма оптимистичными: на дне некоторых приполярных кратеров нашлись признаки богатых залежей водяного льда. Радар Mini-RF определял рассеяние радиоволн на различных элементах рельефа. Повышенный коэффициент рассеяния мог возникать на раздробленных элементах породы, или, как писалось в отчетах, шероховатостях («roughness»). Похожий эффект могли вызывать и залежи льда. 

Анализ приполярных областей показал два типа кратеров, которые демонстрировали высокую степень рассеяния. Первый тип — молодые кратеры, они рассеивали радиолуч не только на дне, но и вокруг себя, т. е. на породе, которая была выброшена при падении астероида. Другой тип кратера — «аномальный», где сигналы рассеивались только на дне. Причем отмечалось, что большинство таких «аномальных кратеров» находится в глубокой тени, куда никогда не попадают лучи Солнца. На дне одного из таких кратеров зарегистрировали температуру, вероятно самую низкую на Луне, 25 кельвинов. Ученые NASA пришли к выводу, что радар видит на склонах «аномальных кратеров» отложения льда.

Оценки ледяных залежей, по данным радара Chandrayaan-1, примерно подтвердили оценки нейтронного детектора Lunar Prospector — 600 млн т воды. 

Правда, позже китайские ученые провели свое независимое исследование на основе данных Chandrayaan-1 и LRO и пришли к выводу, что «нормальные» и «аномальные» кратеры на Луне ничем не различаются по коэффициенту рассеяния ни у полюсов, ни у экватора, где льда не ожидается. Они же напомнили, что исследование Луны с Земли при помощи радиотелескопа Аресибо не обнаружило никаких залежей льда. Так что лунные запасы воды по-прежнему хранят тайну и еще ждут своего первооткрывателя. 

Chandrayaan-1 нес еще один интересный прибор — Moon Mineralogy Mapper — инфракрасный гиперспектрометр для геологического картографирования Луны с высоким разрешением. Он тоже дал противоречивые результаты. Во-первых, в очередной раз подтвердил повышенное содержание воды или водородсодержащих минералов в приполярных регионах. Во-вторых, нашел признаки водорода в тех местах, где Lunar Prospector не показывал никаких признаков повышенного содержания водорода. Проблема с Moon Mineralogy Mapper в том, что он анализировал буквально верхние миллиметры грунта, и тот водород, который он нашел, может быть результатом воздействия солнечного ветра на лунный реголит, а не показателем богатых залежей льда в недрах Луны. 

К сожалению, работа Chandrayaan-1 прервалась раньше запланированного из-за технической неисправности на аппарате — он не проработал и года. Сейчас Индия запустила Chandrayaan-2 — новый космический аппарат с радаром, инфракрасным спектрометром и самым большим телескопом на окололунной орбите. Его диаметр 30 см, что в полтора раза превосходит камеру американского LRO, а качество съемки с высоты 100 км сравнимо с теми кадрами, что LRO снимал с высоты 25 км. 

Дальше всех из «новичков» в изучении Луны продвинулся Китай. На его счету два окололунных аппарата, два спускаемых аппарата, два лунохода и один технологический облет Луны с возвращением капсулы. Теперь китайцы готовятся к доставке лунного грунта, а в перспективе и к пилотируемому полету.

Как Китай изучает Луну?

Краткий ответ: Китайская космонавтика опирается на знания о Луне, полученные в ходе программы Apollo и советской лунной программы, успешно исследует Луну беспилотными средствами, накапливая опыт для будущего пилотируемого полета, и активно делится достигнутыми научными результатами. 

Летом 2016 года нам пришлось попрощаться с еще одним исследователем космоса — луноходом Yutu. О нем известно совсем немного, отчасти потому, что пиарщикам Китайского космического агентства еще надо учиться работать, отчасти потому, что у аппарата начались технические проблемы через месяц работы, а про неудачные космические программы никому не нравится рассказывать. 

Луноход Yutu («Нефритовый заяц») массой 120 кг опустился на поверхность естественного спутника Земли в декабре 2013 года при помощи спускаемой платформы Chang’e 3 массой 1,2 т. Техническая реализация программы сильно напоминала полеты советских межпланетных станций «Луна-17» и «Луна-21» с луноходами на борту. 

Грузовая аппарель успешно выгрузила Yutu на поверхность, и он сделал неторопливый и эффектный вираж, чтобы показать всему миру красный флаг на Луне. В этот момент главная пропагандистская задача миссии была выполнена, и информационное освещение программы резко сократилось даже еще до начала технических проблем.

Когда луноход удалился на несколько десятков метров от точки старта, информация о нем практически перестала попадать в прессу. Как стало ясно по скупым официальным комментариям, у лунохода возникли проблемы с системой передвижения и системой терморегулирования: на ночь не закрылась крышка солнечных батарей. Тем не менее сеансы связи с Yutu продолжались еще более двух лет и прекратились только в июне 2016 года. 

В оснащение Yutu входило четыре научных прибора: цветная стереокамера, инфракрасная камера, рентгеновский спектрометр альфа-частиц на манипуляторе и георадар. Все исследования были направлены на геологию: изучение грунта, сравнение полученных данных с результатами предыдущих исследований, в том числе — американских Apollo и советских «Лун». 

На посадочной платформе Chang’e 3 располагалась цветная мачтовая камера и ультрафиолетовый телескоп для наблюдения экзосферы Земли, звезд и галактик. 

Данные спектрометра Yutu показали отличие в химическом составе лунных базальтов от американских и советских образцов в содержании оксида титана и оксида железа. 

Георадар позволил заглянуть на глубину почти в полкилометра и показал, что реголит залегает до глубины 3–5 м. Дальше идут коренные плотные породы. Глубже обнаружилось еще несколько слоев породы, вероятно от древних периодов вулканизма, когда регион полностью затапливался лавовыми морями. Между этими слоями есть прослойки реголита, который формировался во время длительного вулканического спокойствия, когда поверхность бомбардировалась метеоритами. 

В задачи лунного телескопа на станции Chang’e 3 входило наблюдение земной плазмосферы и ее взаимодействие с солнечным ветром, а также астрономические наблюдения далеких объектов. Плазмосфера — это окружающая Землю среда, наполненная заряженными солнечным излучением атомами и молекулами газов верхних слоев земной атмосферы. Плазмосфера простирается на расстояние до трех радиусов Земли и ограничивается магнитными линиями земного магнитного поля. Наблюдение плазмосферы Земли возможно только со стороны. Ультрафиолетовый телескоп возили на Apollo 16, а китайский стал первым роботизированным и проработал гораздо дольше. Кроме Земли, телескоп наблюдал и астрономические объекты.

В начале 2019 года программа Chang’e 4 упрочила успех предыдущей посадки на Луну. Китай сумел первым произвести посадку на обратную сторону естественного спутника Земли. В этом помог аппарат-ретранслятор Queqiao («Цюэцяо»), выведенный за полгода до посадки Chang’e 4 на галоорбиту в точку Лагранжа 2 системы Земля — Луна. Queqiao выписывает «восьмерки» на расстоянии 65 000–80 000 км, всегда находясь позади Луны с точки зрения наземных станций. Вместе с Queqiao с Земли попутно стартовали два студенческих микроспутника Longjiang («Лунцзян»), и один из них успешно вышел на окололунную орбиту. 

Цель для Chang’e 4 с луноходом выбрана не простая — геологическая структура Бассейн Южный полюс — Эйткен, который считается древним метеоритным кратером диаметром почти 2500 км — самым большим на Луне и одним из самых больших в Солнечной системе. Площадка выбрана на дне меньшего кратера Фон Карман диаметром 196 км. Посадка туда позволила изучить глубокие мантийные породы Луны. 

Научные приборы разместили как на спускаемом аппарате, так и на луноходе. Спускаемый аппарат Chang’e 4 оборудован тремя 5-метровыми антеннами для регистрации космических радиоволн сверхдлинного диапазона. Этот эксперимент позволяет исследовать окололунное пространство, его взаимодействие с солнечным ветром и заглянуть во Вселенную через новое «окно» электромагнитного спектра — его практически невозможно использовать для наблюдений с Земли из-за высоких техногенных шумов. Луна выступит в виде экрана и позволит китайским ученым оценить потенциал таких наблюдений. Похожий голландский прибор летает на борту Queqiao, потом ученые смогут сравнить результаты, полученные двумя аппаратами. 

На спускаемом аппарате Chang’e 4 провели небольшой биологический эксперимент: попытались прорастить семена картофеля, хлопка и травянистого растения арабидопсис, а также вывести шелкопряда из яиц. Взошел только хлопок. 

Для изучения естественного спутника Земли на борту лунохода установлен спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, а также георадар — для зондирования радиоволнами недр на глубину до нескольких сот метров. Оба посадочных космических аппарата оснастили и фотокамерами, которые запечатлели невидимую с Земли обратную сторону Луны. 

Между первой и второй посадкой на поверхность Луны китайская космонавтика произвела еще один испытательный полет автоматической станции Chang’e 5-T1 в 2014 году. Данный запуск — испытание технологии возврата на Землю спускаемого аппарата с полезным грузом с окололунной орбиты. Эта облетная операция не предполагает посадку на Луну и похожа на советские рейсы серии «Зонд». 

На космической платформе разместили спускаемую капсулу, которая выдержала столкновение с земной атмосферой на второй космической скорости и мягко приземлилась в Китае. 

Этот эксперимент стал частью более сложной программы доставки грунта с поверхности Луны, которую должен проделать в 2020 году космический аппарат Chang’e 5. 

Стоит обратить внимание, что форма спускаемого аппарата практически идентична форме спускаемой капсулы космических кораблей «Зонд», «Союз» и Shenzhou. Так, Chang’e 5-T1 стал не только шагом в программе доставки грунта с Луны, но и испытал уменьшенную копию китайского пилотируемого корабля. Этот факт позволяет воспринимать полет как первые испытания китайской технологии лунных пилотируемых полетов.