Луна после "Аполлона": кто летает и как изучает

Блог ZELENYIKOT

После старта возвращаемого модуля АМС "Луна-24" и доставки последней щепотки реголита между Землей и Луной остался только вакуум. Лишь спустя 14 лет космонавтика стала возвращаться к Луне. Правда о пилотируемых путешествиях пока забыли - слишком невыгодное соотношение между затратами и научно-практической пользой от полета. Поэтому сейчас летают, в основном, спутники, слетал один луноходик, и готовятся другие посадочные аппараты.

В 90-е годы первыми к Луне вернулись японцы, снарядившие миссию Hiten.

Спутник, по большей части, предназначался только для отработки технологии перелетов, гравитационных маневров, аэродинамического торможения в атмосфере Земли, то есть учились летать между Землей и Луной. На борту у него был микроспутник, который хотели выбросить на окололунной орбите, но аппарат не включился.

В 1994-м году к Луне отправился американский исследовательский аппарат Clementine.

Ее тоже использовали для тестов и изучения влияния дальнего космоса на электронику, но к этому добавили еще и несколько приборов: ультрафиолетовый и инфракрасные спектрометры и камеру высокого разрешения с шестью цветными фильтрами на колесе (подробнее о том, как изучаются планеты c помощью оптики). Благодаря им удалось начать геологическое картографирование Луны.

Был еще лазерный высотомер для создания трехмерной карты лунной местности. На основе данных Clementine удалось создать приложение Google Moon, которое потом дополнили снимками с орбитальных модулей Apollo и японской автоматической Kaguya.

Снимки камеры высокого разрешения Clementine оказались не особо-то высокого разрешения - от 7 до 20 метров, так как спутник летал на высоте около 400 км - с такого расстояния много не рассмотришь.

Снимок в расширенных цветах, позволяющий увидеть различия геологических пород.

Зато благодаря Clementine ученые получили первые косвенные данные о наличии на полюсах Луны воды в повышенной концентрации.

Следом, в 1998 году, полетел Lunar Prospector, тоже от NASA.

Его камерами вообще не оборудовали, и устроен он был довольно примитивно, но он смог провести первое геологическое картографирование Луны при помощи нейтронного датчика и гамма-спектрометра. Спутнику удалось определить, что на полюсах Луны вода может достигать концентрации 10% в грунте.

Применение гамма-спектрометра (подробнее о том, как изучают планеты с помощью радиации) позволило определить распределение по поверхности кремния, железа, титана, алюминия, фосфора и калия. Проведены более точные измерения гравитационного поля, выявлены новые неоднородности - масконы.

В 2000-х к "лунному клубу" стали присоединяться новые участники. В 2003 году Европейское космической агентство запустило экспериментальную миссию Smart-1. Задачи полета тоже были по большей части технологические - Европа училась использовать плазменный двигатель для перелетов в дальнем космосе. Но кроме этого имелись и бортовые камеры: для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах.

Камера у Smart -1 была небольшая, а орбита высокая: от 400 до 3000 км, поэтому кадры получались в основном широкоугольные и низкого разрешения. Наиболее детальные кадры были всего 50 м на пиксель, а глобальную карту удалось построить только из кадров в 250 м на пиксель. Хотя вначале миссии ставились цели рассмотреть Apollo и Луноходы, но не сложилось - для них нужно разрешение менее метра. Зато рассмотрели пики вечного света на полюсах.

Smart-1 опробовал лазерную связь с Землей еще когда летел к Луне. Передавать данные по лучу тогда не предполагали, только попытались пострелять в однометровый телескоп обсерватории на острове Тенерифе. Цель была - изучить влияние земной атмосферы на луч. Попытка оказалась удачной - в телескоп попали, но развивать технологию не стали - радио показалось надежнее.

Тут надо отвлечься и ответить на вопрос, который наверняка уже у многих возникал: почему нельзя спуститься пониже, чтобы снимки поверхности были качественнее? Вроде бы атмосферы нет, летай хоть на 10 метров! Но с Луной не все так просто. И атмосфера с пылью там какая-никакая есть, но ей можно пренебречь, а пренебрегать нельзя масконами. Маскон - это локальное увеличение гравитационного поля.

Гравитационное поле Луны неоднородно.

Предположим, мы летим на высоте 10 км над однородной равниной. Сила притяжения, действующая на аппарат, имеет одно неизменное значение. Мы его компенсируем ускорением двигательной установки, набираем первую космическую скорость и можем летать на этой высоте бесконечно, если нам ничто не помешает. Но если мы будем летать не вокруг гигантского бильярдного шара, а вокруг, к примеру, Луны, то равнина быстро кончится. И встретится нам, к примеру, горный хребет высотой 5 км. Что будет с гравитационным полем? Правильно: притяжение аппарата возрастет. Этакая гравитационная выбоина на орбите спутника. И чем ниже спутник прижимается к поверхности, тем более мелкие "выбоины" начинают на него оказывать воздействие.

Луна же еще сложнее. Когда-то на нее падали огромные астероиды, которые пробивали кору и вызывали поднятие более плотной мантийной породы к дневной поверхности. А дневная поверхность сложена из более рыхлых вулканических пород. В результате мы получаем относительно гладкую равнину с разнородным гравитационным полем. Мантийное вещество более плотное и массивное, то есть притягивает сильнее и получается эквивалент гравитационной "горы". Это, собственно, и называется маскон - концентратор массы.

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 тонн - проект назвали "самой масштабной лунной программой после Аполлона".

На борту были установлены два инфракрасных, рентгеновский и гамма-спектрометр для изучения геологии. Заглянуть глубже в недра должен был прибор Lunar Radar Sounder.

Kaguya сопровождалась двумя малыми спутниками-ретрансляторами Okina и Ouna, каждый массой по 53 кг. Благодаря им удалось исследовать неоднородности гравитационного поля на обратной стороне - составить более подробную карту масконов. Kaguya сначала летала на высоте 100 км, потом снизилась до 50 км, наснимала шикарные кадры лунных пейзажей и прекрасный закат Земли, но увидеть Apollo или Луноходы не смогла - разрешения камеры не хватило.

За два года работы Kaguya аппарат смог получить богатый набор данных со своих приборов, желающие могут посмотреть фоточки и видео с лунной орбиты. Открыт для всех и архив научной информации - бери не хочу.

Вслед за Kaguya к Луне отправились новички: индийцы и китайцы. У них сейчас разворачивается целая лунная гонка, в беспилотном режиме.

В 2008 году к Луне стартовала первая в дальнем космосе автоматическая миссия Индии - Chandrayaan-1.

Аппарат нес несколько индийских и несколько иностранных приборов, среди которых были инфракрасные и рентгеновские спектрометры. На борту была установлена стереокамера, которая снимала поверхность с детализацией до 5 метров.

Интересное исследование было проведено американским прибором - небольшим радаром с синтезированной апертурной решеткой. Ученые хотели выяснить запасы льда на лунных полюсах. После нескольких месяцев работы полюса были как следует осмотрены, и первые отчеты были весьма оптимистичны.

Радар определял рассеяние радиоволн на различных элементах рельефа. Повышенный коэффициент рассеяния мог возникать на раздробленных элементах породы, как писалось в отчетах “roughness” - шероховатостях. 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, то есть на породе, которая была выброшена при падении астероида. Другой тип кратера - "аномальный", рассеивали сигналы 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 подтверждали оценки нейтронного детектора Lunar Prospector - 600 млн тонн.

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 отличаются по коэффициенту рассеяния ни у полюсов, ни у экватора, где льда не ожидается. Они же напомнили, что исследование 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 в высоком разрешении. Он тоже дал противоречивые результаты. Во-первых, в очередной раз подтвердил повышенное содержание воды или водородсодержащих минералов в приполярных регионах. Во-вторых, нашел признаки воды и гидроксила 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 та вода, которую он нашел, может быть результатом воздействия солнечного ветра на лунный реголит, а не указывает на богатые залежи в недрах.

К сожалению, миссия Chandrayaan-1 прекратилась раньше запланированного из-за технической неисправности на аппарате - он не проработал и года. Сейчас Индия готовится осуществить посадочную миссию и высадить мини-луноход.

Дальше всех из "новичков" в изучении Луны продвинулся Китай. На его счету два спутника, один луноход и один технологический облет Луны с возвращением капсулы - так они готовятся к доставке лунного грунта, а в перспективе и к пилотируемому полету. Об их достижениях и планах, а также об американской лунной программе XXI века мы поговорим отдельно.