От «Луны» до «Луны»

Россия возвращается на Луну. Спустя 45 лет после того, как на спутнике Земли побывал последний советский зонд, стартует «Луна-25» — посадочный аппарат, которому предстоит исследовать лунное заполярье. В совместном материале с Роскосмосом разбираемся, в какой степени российская лунная программа — повторение славного советского прошлого, что именно изменилось за полвека в технологиях межпланетных путешествий и, наконец, чем новая 25-я «Луна» отличается от 24-й.

Спустя более 40 лет после окончания «лунной гонки» вновь разрабатываются планы окололунной станции и пилотируемых экспедиций, а на спутнике Земли появляются луноходы и посадочные зонды. Ученые-планетологи и чиновники космических ведомств говорят о «лунном ренессансе». Но никакого ренессанса могло и не случиться (или его пришлось бы ждать еще пару десятилетий), если бы не американская программа противоракетной обороны.

Как Луну сняли с паузы, или Спасибо «Блестящим камешкам»

К концу 1970-х годов многим казалось, что на Луне делать уже нечего и в Солнечной системе существуют значительно более интересные объекты для исследований: Марс, Венера и планеты-гиганты.

«Советская лунная программа была закончена «Луной-24», и других намерений не было. Американцы прекратили программу «Аполлон», и считалось, что мы вообще о Луне узнали чуть ли не все. У советских ученых было желание повторить забор грунта из других областей Луны, отправить новый «Луноход», но в тот период это поддержано не было», — вспоминает в беседе с N + 1 академик Михаил Маров, сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.

Историк космонавтики Брайан Харви пишет, что после успеха «Луноходов» и доставки лунного грунта советские ученые строили широкомасштабные планы, в том числе строительство телескопа на обратной стороне Луны, а также разработку лунохода, приспособленного для сбора образцов грунта с последующей их доставкой на Землю (подобный проект планируется осуществить с марсоходом «Персеверанс»). Однако широкое обсуждение лунных планов в советских газетах прекратилось в июне 1973 года. Уже построенный «Луноход-3» оказался в музее НПО Лавочкина, а советские АМС отправились к Венере и Марсу. «Наступил период лунного затишья, который продолжался почти 20 лет», — говорит Маров.

Интерес к Луне мог бы вернуться к ученым еще позже, если бы не зонд «Клементина», который отправился в космос в 1994 году. Основные задачи этого аппарата, разработанного в интересах американских военных, были далеки от науки. Военные хотели проверить в условиях дальнего космоса ряд сенсоров и приборов, в том числе разработанных для противоракетной системы «Блестящие камешки», элемента Стратегической оборонной инициативы, более известной как программа «Звездных войн».

«Клементина» проработала на окололунной орбите всего 71 день, а затем вышла из строя из-за компьютерного сбоя. В 1996 году ученые, проанализировав данные с бистатического радара на борту аппарата, пришли к выводу, что особенности отражения радиоизлучения от поверхности в некоторых регионах можно объяснить присутствием водяного льда.

«Полет “Клементины”, безусловно, спровоцировал рост интереса к Луне. — говорит Маров. — Она практически впервые показала, что Луна не сухое, как предполагалось, а достаточно влажное тело, что на ней могут быть приличные залежи водяного льда». Вскоре подозрения подтвердил нейтронный спектрометр, установленный на борту зонда «Лунар Проспектор».

Луна вновь стала оживленным местом. Вода на спутнике Земли интересовала всех, например, как ресурс для будущей обитаемой базы. Сомнений в том, что она там есть, практически не осталось.

Уже в 2009 году к Луне отправилась пара зондов LRO / LCROSS. Последний аппарат и разгонный блок «Центавр» ученые намеренно «уронили» на дно южного полярного кратера Кабео. Там российский нейтронный телескоп ЛЕНД на борту LRO обнаружил дефицит потока нейтронов, что указывало на высокую массовую долю воды в грунте. И действительно, прямые измерения с борта LCROSS до его столкновения с Луной, произведенные во время пролета через выброшенное «Центавром» с поверхности вещество, подтвердили, что в грунте присутствует около 5 процентов воды.

Михаил Маров и его коллега Эрик Галимов еще в середине 1990-х предложили создать собственный российский лунный зонд, получивший название «Луна-Глоб». Предполагалось, что это будет аппарат с посадочным и орбитальным модулем, а также пенетраторами — сбрасываемыми устройствами, предназначенными, в частности, для сейсмического зондирования. Однако проект был отложен: Роскосмос сконцентрировался на «Фобос-грунте», а «Луна-Глоб» менялся и становился все проще. В конце концов проект превратился в современную «Луну-25» — посадочный аппарат, которому впервые в истории предстоит сесть у лунного полюса и «попробовать на вкус» лунную воду.

Об истории «Луны-25» и ее научных задачах вы можете прочитать в материале «Первый в тундре», а пока мы попробуем разобраться, как изменились лунные аппараты за 40 лет с момента завершения лунной гонки.

Банки против шкафа

На фотографиях и рисунках разница видна невооруженным глазом. Советские лунные аппараты эпохи «бури и натиска» напоминают «лошариков» — причудливых существ, собранных из множества цилиндрических и шарообразных фигур. Будущие российские лэндеры — «Луна-25», «Луна-27» и отчасти следующие — больше похожи на шкафы на ножках, причем без дверных створок. Переход от «банок» к «шкафам» (от герметичного к негерметичному исполнению спутников и зондов) был революцией в космической технике.

«Прежде использовались герметичные приборные контейнеры. Внутри них ставили рамы с бортовой аппаратурой, приборами, которые работали в газовой среде», — рассказал сотрудник одного из предприятий «Роскосмоса».

По его словам, герметичные емкости для электроники были необходимы не столько для защиты от космической радиации, сколько для предотвращения перегрева (или, наоборот, переохлаждения) приборов. «Энергопотребление тогдашней элементной базы было гораздо больше, тепловыделение было больше, поэтому вопрос теплосъема стоял достаточно остро, требовалась газовая среда, системы терморегулирования», — отметил он.

Банки с электроникой должны были выдерживать атмосферное давление (следовательно, у них были высокие требования по прочности, что означало дополнительную массу). В то же время они создавали дополнительный риск: нарушение герметичности из-за дефектов или удара микрометеорита означало гибель аппарата.

Герметичные приборные контейнеры использовались, например, в российских спутниках серии «Метеор» разработки ВНИИЭМ имени Иосифьяна, созданных на базе платформы «Ресурс-УКП». Главной приметой этих аппаратов был почти трехметровый приборный гермоконтейнер. Давление внутри него поддерживалось на уровне 100 миллиметров ртутного столба, циркуляция газовой смеси на основе азота обеспечивалась с помощью четырех вентиляторов, подогрев газа — с помощью электронагревателей, а за охлаждение отвечали радиаторы на корпусе.

Особенности гермоконтейнеров, возможно, сыграли свою роль в одной из самых обидных неудач в истории российского научного космоса: в 2010 году вышла из строя российская солнечная обсерватория «Коронас-Фотон», созданная на базе платформы «Метеоров». Из-за ошибки в расчете ресурса аккумуляторов телескоп потерял электропитание и вышел из строя. Большая часть мощности, около 600 ватт, шла на обеспечение гермоотсека и служебной аппаратуры платформы, а научная аппаратура потребляла всего 40 ватт. Платформа фактически съела сама себя, говорили тогда ученые.

Прогресс электроники позволил избавиться от прожорливых платформ. «Когда появилась элементная база, способная выполнять те же функции, но при этом с гораздо меньшим энергопотреблением, появилась возможность избавиться от газового охлаждения и гермоконтейнеров», — рассказали в «Роскосмосе».

Новая негерметичная технология, которая используется сегодня в большинстве космических аппаратов, предполагает, что тепло с электронных элементов забирает поверхность, на которой они установлены. Специалист одного из предприятий «Роскосмоса» объясняет: «Тепло отводится на посадочные поверхности, которые крепятся к так называемому термостабилизированному основанию. Внутри этих поверхностей расположены тепловые трубы. Эти трубы передают тепло от прибора, с посадочного места, до радиатора, который уже излучает тепло в открытое пространство, в открытый космос».

Именно так устроен и несущий приборы «шкаф» «Луны-25». Его главный элемент — термостабилизированная панель с сотовым заполнителем, внутри которой проходят алюминиевые трубы с теплоносителем — аммиаком.

Выделяемое приборами тепло отводится на радиаторы, установленные на «крыше» аппарата. Обогрев в темное время лунных суток обеспечивается радиоизотопным источником — РИТЭГом. Электричество от РИТЭГа (его электрическая мощность — всего 6,5 ватта, а вот тепловая — 125-145 ватт) получает один единственный прибор — часы реального времени, и только они остаются включенными во время лунной ночи, когда все остальные приборы, питающиеся от солнечных батарей, выключаются.

Возможность передумать

Электроника на борту «Луны-25» не только меньше греется и меньше потребляет энергии — она также дает несравненно больше возможностей для выполнения научной программы миссии. «В чем мы почувствовали технологический прорыв — это в программном обеспечении приборов», — рассказывает N + 1 руководитель научной программы миссии, сотрудник ИКИ РАН Игорь Митрофанов.

Он сравнивает электронику советских лунных аппаратов с электромеханическими шаговыми АТС и дисковыми телефонами. «Там был довольно узкий набор режимов, которые переключались, условно говоря, релейными командами, как в старых проводных телефонах. Как с помощью диска в старых телефонах, мы с антенн дальней космической связи передавали на борт набор импульсов, и в итоге бортовые реле, как телефонная станция, переключали приборы в нужный режим. Сейчас бортовые комплексы управления — это еще не смартфоны, но близко к этому», — объясняет Митрофанов.

Революция, по его словам, связана с переходом на ПЛИСы — программируемые логические интегральные схемы. Если у обычных микросхем порядок работы задается раз и навсегда при изготовлении, то как именно будет обрабатывать информацию ПЛИС — решается при программировании этой схемы. Кроме того, такие схемы содержат и обратные связи, то есть могут переключаться между разными режимами в зависимости от поступающих данных.

«Вы можете запрограммировать и обеспечить возможности достаточно сложных алгоритмов работы научного прибора, предусмотреть функции предварительной обработки данных непосредственно в приборе для выбора оптимального режима измерений», — говорит Митрофанов.

Проще всего описать преимущества ПЛИСов на примере работы одного из основных устройств аппарата «Луна-25», а именно манипулятора, которому предстоит забирать пробы из подповерхностного слоя лунного грунта — с глубины примерно в 20-30 сантиметров — и загружать их в прибор «ЛАЗМА» для масс-спектрального анализа. Сейчас ученые не могут предсказать, каким именно является грунт лунной вечной мерзлоты. Возможно, он будет «мерзлым» и довольно твердым, а возможно — сыпучим, как песок.

Программируемая микросхема, опираясь на электрические параметры усилий в моторах манипулятора, сможет «сообразить», какой грунт он пытается зачерпнуть, и переключит систему в наиболее оптимальный режим.

Когда зонд будет на Луне, исследователи смогут в зависимости от условий изменять режимы работы приборов и даже перепрограммировать их для применения ранее не предусмотренных режимов. Чтобы не потерять космический аппарат из-за случайной программной ошибки, новые коды предварительно тестируют на «зеркальном» аналоге космического аппарата на Земле. Но даже после такой проверки новая программа обычно загружается сначала на дублирующий комплект бортовой аппаратуры, поясняет Митрофанов. Эти комплекты обычно называют «сторона А» и «сторона Б». Каждая из них способна полноценно обеспечивать работу аппарата.

Новую программу проверяют и в случае необходимости дополнительно отлаживают на дублирующей «стороне». Если все в порядке, то ей передаются права управления. В прошлом дублирование бортовой аппаратуры на «сторону А» и «сторону Б» проводилось для повышения надежности. «Стороны» были отдельными устройствами, двумя независимыми бортовыми машинами. Сейчас во многих случаях «стороны» являются «виртуальными машинами». Например, в системах управления научной аппаратурой «сторона» может быть отдельным сегментом ПЛИС с отдельной ячейкой памяти.

«Мы можем в процессе эксперимента на другой планете обнаружить, что у нашего прибора есть возможность выполнить какое-то уникальное измерение в режиме, который сейчас не задействован, но который может быть задействован, если мы поменяем логику работы прибора. — объясняет Митрофанов. — И мы можем перепрограммировать “сторону Б”, выполнить ее тестирование, убедиться, что все работает как задумано, и провести эксперимент в новом режиме. В этом состоит ключевое отличие современных космических научных приборов от той аппаратуры, с который работали наши предшественники в прошлом веке».

На чем мы остановились?

Сравнивать «в лоб» советские «Луны» и «Луну-25» почти невозможно. Не только потому, что в области технологий прошла целая эпоха, но также и потому, что изменились наши представления о Луне. Станции времен СССР создавались для других задач.

Последняя советская лунная станция, «Луна-24», относившаяся к серии Е-8-5, стартовала с Земли в августе 1976 года и была гигантской: масса аппарата составляла почти шесть тонн (5725 килограммов) и для ее запуска потребовалась тяжелая ракета-носитель «Протон-К». Из этой массы больше четырех тонн приходилось на топливо в посадочной ступени и в возвратной ракете, которая должная была доставить на Землю пробы — 170 граммов лунного грунта.

На поверхности Луны станция оказывалась уже изрядно «похудевшей». Она весила 1880 килограммов, из которых 512 килограммов — это стартовая масса возвратного модуля (в котором 274 килограмма тоже приходилось на топливо). Масса единственного научного прибора, буровой установки, составляла всего лишь 13,6 килограмма.

Безусловно, игра стоила свеч: доставка лунного грунта, в сущности, равнозначна работе на Луне огромной химической лаборатории по исследованию вещества, причем с постоянно растущими возможностями. В случае с Венерой и Марсом такой опции не было и ученым приходилось довольствоваться скромными приборами на борту посадочных аппаратов.

По смыслу миссии «Луна-25» ближе к предыдущему поколению советских аппаратов — станциям серии Е-6, которые впервые совершили мягкую посадку на Луну. Они не должны были доставлять на Землю грунт. Их задачей было сесть и исследовать лунную поверхность на месте — точно так же, как предстоит «Луне-25». Но устройство этих станций и сценарий миссий радикально отличались.

Первой после серии неудач до поверхности спутника добралась станция «Луна-9». Масса этого аппарата после отделения от носителя была сопоставима с массой «Луны-25» (1583 килограмма против 1540 килограммов). Из них на долю топлива приходилось 780 килограммов. Для запуска девятой «Луны» использовался по сути тот же носитель, что и для 25-й — носитель из семейства Р-7 со сходными характеристиками.

На этом сходство заканчивается: на высоте около 75 километров от «Луны-9» отделялись два более не нужных блока астроориентации весом 312 килограммов. Затем станция, работая двигателем на торможение, выдвигала пятиметровый щуп и, когда он касался грунта, отстреливала вверх «шарик» автоматической лунной станции (АЛС), масса которого составляла 100,5 килограмма. «Шарик», снабженный надувными резиновыми амортизаторами, прыгал по лунной поверхности, успокаивался, а затем раскрывал лепестки антенн и начинал работать. Вся «остальная» станция массой около 370 килограммов падала по соседству — ее задача была выполнена. Таким образом «в живых» на поверхности Луны оставался только 100-килограммовый аппарат — из изначально запущенных в космос почти полутора тонн.

Конструкторы отказались от мысли посадить весь зонд «целиком» — отчасти потому, что на тот момент еще не была отвергнута гипотеза пылевых океанов на Луне, где мог утонуть посадочный аппарат. Относительно легкая АЛС с выдвижными лепестками не должна была утонуть.

Главный итог миссии «Луны-9» состоял именно в этом: первая в мире мягкая посадка подтвердила, что лунная поверхность твердая и пригодна для этой цели.

На борту самой АЛС, в ее герметичном сферическом корпусе, было установлено несколько приборов. Прежде всего, панорамная «механическая» телекамера (о том, как работали такие приборы, читайте в нашем материале «Теплый ламповый пиксель»). Кроме того, на борту находился датчик радиации — он показал, что уровень излучения на Луне не такой и большой — а также гамма спектрометр, который не работал. В поздних версиях АЛС, на «Луне-13», появились еще и приборы для измерения плотности грунта.

Никаких солнечных батарей на станциях Е-6 не было, поэтому срок работы их был ограничен. «Луна-9» работала с 3 по 6 февраля 1966 года и передала четыре полных телевизионных панорамы, прежде чем вся вода из системы терморегулирования испарилась и станция перестала работать из-за перегрева.

В дальнейшем советские ученые смогли отправить на Луну луноходы, первый из которых смог прожить десять с половиной месяцев. Однако сегодня мы вновь начинаем исследовать Луну совсем не с той точки, на которой остановились 45 лет назад.

Закончить начатое

Академик Михаил Маров сетует, что от первоначального размаха проекта «Луна-Глоб» осталось не слишком много. Многие научные задачи отложены до следующих миссий, а сама «Луна-25» — в сущности, технологический демонстратор, главная задача которого — проверить, умеем ли мы садиться на Луну. Впрочем, в сравнении становится понятно, что возможности «Луны-25» сильно отличаются от предшественников.

Во-первых, это действительно большая станция массой около 590 килограммов — если при посадке она сожжет все 950 килограммов топлива. Во-вторых, благодаря солнечным батареям (мощность 650 ватт) и РИТЭГам аппарат должен поставить национальный рекорд по сроку жизни на Луне. Как ожидается, «Луна-25» проработает год. В-третьих, аппарат должен исследовать регион, где не побывал еще никто, — полярную Луну.

Он отправится туда с таким набором научных приборов, который не идет ни в какое сравнение с советскими зондами. Масса приборов на борту 25-й сопоставима с массой АЛС и составит 30 килограммов. По словам Митрофанова, на борту будет восемь научных приборов.

Прежде всего, это манипуляторный комплекс ЛМК, который заберет образцы лунной породы ковшом с глубины 20-30 сантиметров и доставит их в лазерный масс-анализатор «ЛАЗМА».

За год предполагается отобрать и проанализировать 11 проб полярного реголита объемом двух кубических сантиметров каждая с глубины до 20 — 30 см. Радиус действия манипулятора составляет 1,5 метра, а значит ученые смогут проверить почти все наиболее перспективные места в рабочем поле на поверхности вблизи станции. Контролировать процесс сбора образцов и следить за посадкой будет система телекамер СТС-Л.

Перекопанный ковшом грунт рабочего поля, кроме ЛАЗМы, будут изучать стереокамеры и инфракрасный спектрометр ЛИС-ТВ-РПМ. Эти приборы установлены вблизи локтевого сустава манипулятора, и он будет нацеливать их объективы на различные участки грунта, вынутого на поверхность.

Элементный состав и содержание водорода в реголите будет исследовать детектор нейтронов и гамма-лучей АДРОН-ЛР, подобный российскому прибору ДАН, который сегодня работает на марсоходе «Кьюриосити». Он «просветит» импульсами нейтронов грунт на месте посадки станции на глубину до 60 сантиметров. Если в реголите будет обнаружен водород, это станет прямым подтверждением присутствия водяного льда в грунте вблизи южного полюса. Анализ данных активного нейтронного зондирования позволит оценить количество льда в грунте.

Кроме грунта, «Луна-25» будут изучать экзосферу Луны — тонкую газо-пылевую атмосферу спутника. Этим будут заниматься энергомасспектрометр АРИЕС-Л и детектор пылевых частиц ПмЛ.

Наконец, на «Луне-25» по просьбе Европейского космического агентства установят телекамеру-демонстратор «Пилот-Д». На будущих лунных аппаратах она будет включена в контур управления посадкой. Пока же она в тестовом режиме осуществит съемку поверхности Луны во время нахождения станции на лунной орбите и при посадке. Контролировать и управлять процессом работы научной аппаратуры будет девятый прибор — служебный прибор БУНИ.

Сейчас «Луна-25» (а именно летный экземпляр — так называют аппарат, который действительно полетит в космос, чтобы отличить его от многочисленных испытательных макетов) находится в НПО имени Лавочкина, где проходит финальные испытания. Тем временем заправочный макет космического аппарата несколько дней назад прибыл на космодром «Восточный». Там специалисты будут тестировать его установку в качестве полезной нагрузки ракеты «Союз-2».

Уже в ближайшем будущем «Луна-25» должна отправиться на Луну, чтобы наконец продолжить прерванную более 40 лет назад программу изучения спутника Земли.

Михаил Котов, Илья Ферапонтов. При участии Павла Шубина.