Возвращение грунта с Луны! Всё о миссии Chang’e-5

Возвращение грунта с Луны! Всё о миссии Chang’e-5 

Чуть менее двух лет тому назад Китай, по сути, новичок в проведении дальнекосмических миссий, совершил то, чего раньше не делала ни одна другая страна. Третьего января 2019-го года Поднебесная успешно высадила на обратной стороне Луны посадочный аппарат с небольшим ровером на борту. Миссия “Чанъэ-4” функционирует до сих пор: луноход “Юйту-2” проколесил по поверхности нашего спутника уже более пятисот метров, предоставив учёным уникальные данные о геологии бассейна и лунной окружающей среде.

Теперь Китай планирует сделать следующий шаг в освоении нашего спутника. О нём и пойдёт речь в данном материале.

Что такое “Чанъэ-5”?

В 2002-м году главный конструктор Китайской лунной исследовательской программы (CLEP) Оуян Цзыюань в интервью ВВС заявил, что одна из целей Поднебесной на ближайшее будущее – извлечь образцы лунного грунта и доставить их на Землю. Похоже, что спустя 18 лет этот план готов к исполнению.

Речь идёт о миссии под названием “Чанъэ-5”. Эта инициатива была официально утверждена Китаем 1 января 2011-го года. Её цель – впервые за 40 с лишним лет вернуть на Землю образцы лунного грунта. Изначально предполагалось, что миссия будет подражать советским межпланетным автоматическим станциям серии “Луна”. Китай планировал возвращение капсулы с грунтом по прямой траектории, без необходимости каких-либо коррекций курса на обратном пути. Такой подход помогал инженерам из СССР уменьшить массу требуемого космического аппарата. Правда, учёным приходилось мириться с недостатком в виде ограничения на диапазон выбора посадочных площадок.

Но затем руководители космической программы Поднебесной решили всё-таки усложнить задачу. В профиль миссии добавили элементы стыковки на орбите, подобные тем, что совершали астронавты США во время миссий по программе “Аполлон”. Такой подход позволяет совершить посадку в любой точке Луны. И к тому же, взять с собой гораздо больше грунта, чем это могли сделать советские станции.

Разбираемся с профилем миссии

Космический аппарат “Чанъэ-5” состоит из четырёх модулей: орбитального аппарата, возвращаемой капсулы, посадочного аппарата и взлётного модуля. Эта фантастическая четвёрка совершит путешествие продолжительностью примерно 112 часов на круговую орбиту Луны высотой 200 километров. После этого орбитальный аппарат с возвращаемой капсулой отделится от посадочного аппарата со взлётным модулем, которые начнут медленный спуск к поверхности спутника. Аппараты совершат посадку примерно в 150 километрах к северо-востоку от Пика Рюмкера в Океане Бурь. Место посадки было выбрано не случайно. Исследователи полагают, что им удастся извлечь относительно молодой лунный грунт возрастом примерно в 1,2 миллиарда лет. В два раза более молодой, чем тот, который доставили на Землю астронавты в ходе программы “Аполлон”.

Все операции по извлечению грунта будут проходить в течение одного лунного дня. Посадочный аппарат сделает забор образца массой около двух килограмм, после чего переместит его во взлётный модуль. Задача этого модуля – отправить грунт на окололунную орбиту (15х180 км) и произвести стыковку с орбитальным аппаратом.

Этап сближения и стыковки займёт примерно двое земных суток. После того как этот этап будет завершён, капсула с грунтом при помощи автоматического механизма будет перемещена из орбитального зонда в возвращаемый модуль. После этого будет произведена отстыковка взлётного модуля. Оставшиеся аппараты будут находиться на орбите Луны в течение шести дней в ожидании подходящего момента для возвращения на Землю. Когда такой момент наступит, они отправятся в 112-часовое путешествие домой.

На расстоянии примерно в 5000 километров от Земли возвращаемая капсула отделится от орбитального аппарата. Траектория возвращения из-за слишком высокой скорости (около 11 км/с) будет необычной: капсула сделает манёвр “отскока” от атмосферы на высоте около 60 километров, снизит скорость, после чего совершит торможение об атмосферу с использованием парашютов. Её приземление запланировано на 15-16 декабря на территории Внутренней Монголии (север Китая).

Большая часть образцов грунта будет храниться в Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук в Пекине. Некоторые из них будут выставлены на всеобщее обозрение.

На данный момент неясно, будет ли у образцов возможность покинуть страну. Обычно Поднебесная поддерживает международное сотрудничество. Вероятно, страна предоставит зарубежным исследователям доступ к образцам при условии, что они будут работать вместе с китайскими учёными.

Аппараты и научные инструменты

Суммарная масса всех аппаратов “Чанъэ-5” составляет 8200 килограмм.

Орбитальный модуль оснащён солнечными батареями, системой связи с Землёй, маршевым двигателем тягой в 3 кН, а также системой управления ориентацией. Главная двигательная установка орбитального модуля будет использоваться для выполнения манёвров по коррекции траектории на пути к Луне, выведения аппаратов на окололунную орбиту, поддержания этой орбиты и отправку возвращаемой капсулы к Земле.

Возвращаемая капсула по внешнему виду очень напоминает уменьшенную капсулу космического корабля “Шэньчжоу”. Она оснащена теплозащитным экраном, способным пережить суровые условия при входе в атмосферу, системой парашютов, которые помогут ей в процессе торможения, а также системой контроля ориентации и радиомаяками для определения местоположения.

Посадочный аппарат, по сути, является модификацией модуля, который использовался в миссии “Чанъэ-3”. Его дополнительно оснастили специальной площадкой для взлётного модуля и буровой установкой с пробоотборным механизмом. Сухая масса аппарата составляет примерно 1200 килограмм. Питание всех систем осуществляется за счёт двух солнечных батарей. По этой причине вся миссия “Чанъэ-5” рассчитана таким образом, чтобы завершить все необходимые операции за один лунный день – пока светит Солнце. На посадочном модуле будет использоваться двигатель с возможностью регулирования тяги в диапазоне от 1,5 до 7,5 кН.

Аппарат оснащён набором панорамных камер для съёмки происходящего на поверхности, георадаром для изучения глубинных слоёв грунта и минералогическим спектрометром, который определит состав грунта в месте посадки и даст представление о содержании воды в нём. Сбор образцов с поверхности будет осуществляться роботизированным манипулятором, который имеет четыре степени свободы. Также не стоит забывать и о буровой установке, благодаря которой с глубины около двух метров будет извлекаться основная масса образцов. Её возможности были протестированы на пяти различных типах базальтовых пород, песчанике и глине. Испытания в термовакуумной камере показали, что сверло может разогреться до 250 °C, поэтому китайские инженеры решили, что установка будет работать в режиме вращения 120 об/мин с пятиминутными паузами. Доставка добытых таким путём образцов грунта во взлётный модуль будет осуществляться через специальную кевларовую трубку. Сам взлётный модуль оснащён тем же двигателем, что используется на орбитальном аппарате.

Наземный сегмент связи

Для обеспечения связи с аппаратами миссии “Чанъэ-5” Китай будет использовать собственную сеть дальней космической связи. Речь идёт о недавно модернизированной станции в Кашгаре на северо-западе страны, которая состоит из четырёх 35-метровых радиоантенн. Мониторингом состояния полёта также будет заниматься специализированное судно “Юаньван-3”.

Поддержку в вопросе слежения за миссией Китаю предоставит Европейское космическое агентство. Станция связи ЕКА в Куру (Французская Гвиана) поможет Пекинскому центру управления полётами получить данные с космических аппаратов на начальном этапе миссии, подтвердить её статус и орбиту. Возвращение капсулы с грунтом также будет отслеживаться европейской станцией Маспаломас, расположенной на Канарских островах.

Откуда и на чём

Стартовое окно для запуска миссии “Чанъэ-5” открывается 23 ноября примерно в 19:00 UTC. Аппараты начнут свой путь к Луне с территории космодрома Вэньчан. В качестве ракеты-носителя будет выступать ракета Чанчжэн-5. Это будет шестая миссия для данного носителя (с учётом майского старта в конфигурации 5Б, которая предназначена для вывода особо тяжёлой нагрузки на низкие орбиты).

Чанчжэн-5 способна доставить на низкую околоземную орбиту груз массой до 25 тонн. Это единственная ракета в Китае, которая может отправить более чем восьмитонный аппарат “Чанъэ-5” к Луне. Первая ступень носителя приводится в движение двумя кислород-водородными двигателями YF-77 тягой 700 кН (в вакууме). Ступень также оснащена четырьмя ускорителями, каждый из которых оснащён парой кислород-керосиновых двигателей YF-100. Каждый из этих ускорителей выдаёт тягу в 2680 кН (в вакууме). На второй ступени установлено два кислород-водородных двигателя YF-75D тягой примерно в 88 кН каждый. Продолжительность работы этих агрегатов может достигать 700 секунд.

Перевод: Марк Романов