В прошедшие выходные межпланетная автоматическая станция «Луна-25» разбилась о лунную поверхность. Россия отправила станцию к Луне впервые после советского запуска 1976 года. Планировалось, что 21 августа она совершит посадку в районе южной полярной области Луны и начнет собирать там научные данные. «Холод» рассказывает, почему люди так стремятся на Луну и какие успехи и неудачи были у человечества во время лунной гонки.
Для начала простой геометрический факт: ось вращения Луны наклонена всего лишь на 1,5 градуса (для сравнения: наклон земной оси — 23,4 градуса). Именно поэтому космические агентства и инженеры разрабатывают планы возвращения — спустя больше 40 лет после эпохи «Аполлонов» — на Луну, строительства там баз для людей и роботов, именно поэтому сейчас к Луне летят индийский зонд «Чандраян-3» и российская «Луна-25», и поэтому сейчас Илон Маск и НАСА строят и испытывают самые большие в истории ракеты. Объясним, как именно связаны лунная гонка и угол наклона оси.
Холодные ловушки
Вывод из этого геометрического факта первым сделал американский физик и участник «Манхэттенского проекта» Гарольд Юри. В 1951 году в книге о происхождении планет он вскользь заметил, что благодаря такой ориентации оси вращения Луны у ее полюсов могут быть понижения, куда никогда не заглядывают лучи солнца, и в таких холодных областях могут скапливаться летучие вещества. Это был первый логический шаг, однако Юри не сделал следующего шага. «Вода ни в жидкой, ни в твердой форме не могла бы присутствовать на Луне дольше, чем очень короткий промежуток времени», — писал он.
Через 10 лет, уже после начала космической эры, второй шаг сделали Кеннет Уотсон, Брюс Мюррей и Харрисон Браун из Калифорнийского института технологий. Они соотнесли возможную температуру в постоянно затененных областях (не выше, чем 153 градуса ниже нуля), их площадь, скорость испарения льда в этих зонах, напомнили, что метеориты, падающие на Луну, содержат воду (около 0,1% по массе) и могут пополнять запасы воды на Луне, и пришли к выводу, что именно водяной лед в первую очередь должен накапливаться и сохраняться в лунных областях вечной тьмы, для которых эти трое придумали термин «холодные ловушки».
Однако теоретические изыскания ученых шли своим чередом, а лунная гонка двух сверхдержав — своим. Научные задачи в этой гонке имели второстепенное значение, даже третьестепенное — после политических и инженерных. Главными были задачи политические: добраться до Луны, установить флаг, показать, кто технологически и экономически сильнее. И в эту эпоху в первую очередь необходимо было решить инженерные задачи: построить ракету, способную отправить зонд к Луне, суметь попасть в Луну (то есть просто не промахнуться — советская «Луна-1», например, не попала, попала только «Луна-2»), совершить мягкую посадку. Скажем, места посадок «Аполлонов» выбирали близко к экватору: так можно было использовать более простую и безопасную траекторию свободного возвращения, то есть траекторию, которая не требует включений двигателя для гарантированного возвращения к Земле. И когда победитель лунной гонки определился, продолжать ее казалось незачем.
В августе 1976 года «Луна-24» доставила на Землю 170 граммов лунного грунта из Моря Кризисов на северо-восточной части лунного диска. В этих образцах советский геохимик Майя Ахманова и ее коллеги нашли воду — от 0,1 до 0,2% по массе, но их статья осталась незамеченной, и еще много лет Луну считали «сухой как кость»: в составе проб, привезенных «Аполлонами» в 1969–1972 годах, не обнаруживалось даже ничтожных количеств влаги.
После того как победитель лунной гонки определился, США свернули лунную программу; планы по новым полетам, строительству лунных орбитальных станций остались на бумаге. Советский Союз тоже потерял интерес к продолжению лунной программы. «Луна-24» стала последним аппаратом эпохи лунной гонки, который побывал на лунной поверхности. Исследования Луны замерли почти на 15 лет. Уже построенная станция «Луна-25» с «Луноходом-3», запуск которой планировался на 1977 год и которую после отмены миссии переименовали в «Луна-25А», осталась на Земле и теперь украшает музей НПО Лавочкина: ракеты нужны были более многообещающим миссиям к Венере и Марсу.
Луна на паузе
Нельзя сказать, что Луна была совсем забыта. В 1989 году, через 20 лет после посадки «Аполлона-11», президент США Джордж Буш — старший объявил об Инициативе исследования космоса, которая включала возобновление строительства орбитальной станции Freedom (о строительстве Freedom впервые объявил Рейган в 1984 году), возвращение людей на Луну и строительство там станции, а также полет на Марс. Но уже в 1992 году Буш проиграл выборы, а конгресс пустил план под нож. В итоге на базе проекта Freedom после урезаний бюджета создали американский модуль МКС.
В 1990 году, после долгой паузы, к Луне отправилась японская станция «Хитэн», но ее задачи были в основном технологические и инженерные: Япония нагоняла лидеров космической гонки, научная программа аппарата ограничивалась изучением микрометеоритной пыли в лунных окрестностях.
Пауза закончилась отчасти благодаря военным исследованиям. Лунная миссия «Клементина», стартовавшая в 1994 году, была совместным проектом НАСА и Пентагона, целью которого была проверка и отработка в ходе наблюдений Луны и астероида Географ новых сенсоров и камер, которые потом планировалось использовать, в частности, в программах противоракетной обороны.
За 71 день на окололунной орбите «Клементина» получила около миллиона цветных снимков Луны в видимой и инфракрасной области спектра, создав таким образом первый цветной атлас Луны — и он нужен был не просто для красоты: цвет поверхности позволил геологам сделать выводы о минеральном составе в разных регионах.
Зонд также уточнил данные о лунном гравитационном поле, а главное — благодаря особенностям орбиты впервые смог заснять в деталях полярные области Луны, в том числе заглянуть в те самые холодные ловушки — кратеры, где за миллиарды лет вечной тьмы могли скопиться запасы водяного льда, например от падений комет, которые в основном изо льда и состоят.
На оптических снимках в холодных ловушках ничего, кроме теней, видно не было, но у «Клементины» был в запасе козырь: ученые нацелили антенну аппарата на лунный полюс, она транслировала радиоволны под определенным углом к поверхности, а отраженный сигнал ловила антенна станции дальней космической связи на Земле. Изучение этого эха позволило ученым предположить, что в полярных холодных ловушках действительно может присутствовать водяной лед. Позже, уже в 2001 году, собрав данные радиозондирования Луны с Земли, эта же группа ученых сделала вывод, что у одной из стен кратера Шеклтон может простираться поле из 10 квадратных километров льда.
Впрочем, к тому моменту у гипотезы лунной мерзлоты появилось новое подтверждение: в 1997 году американский аппарат «Лунар Проспектор», измеряя поток нейтронов от поверхности Луны, обнаружил, что в полярных областях этот поток сильно проседает. Нейтроны хорошо поглощает вещество, богатое водородом, а значит, у лунных полюсов много воды — как заявили ученые, до нескольких миллиардов тонн водяного льда.
Этих намеков, а также косвенных данных с НАСАвского зонда Deep Impact и японского зонда «Кагуя» оказалось достаточно, чтобы ученые начали наконец планировать эксперименты и миссии, которые должны были дать точный ответ, есть ли на Луне вода.
Есть зачем лететь
Однако почему это вообще важно? Мы так много говорим о водяном льде на Луне, а что изменится, если мы его найдем? В первую очередь, это сильно облегчит задачу создания обитаемой базы. Человеку требуется от 6 до 20 литров воды в день — в зависимости от того, собираетесь ли вы принимать душ и смывать за собой в туалете или готовы обойтись без этого. Если можно добыть воду на месте, задача снабжения обитаемой лунной базы сильно упрощается.
Кроме того, вода — это источник горючего и окислителя — водорода и кислорода, которые можно получить путем электролиза (а электричество можно будет получать с помощью солнечных батарей, тем более что у лунных полюсов есть не только постоянно затененные зоны, но и, наоборот, постоянно освещенные).
Наконец, если людям удастся воспользоваться лунными запасами воды, это может означать, что мы сможем обзавестись космическими заправками с кислородно-водородным топливом не только на Луне: постоянно затененные зоны, где может быть лед, есть и на других телах Солнечной системы, например на Церере (и 10 лет назад коммерческие компании всерьез строили планы по добыче льда на астероидах, причем сама добыча льда была не конечной целью: из воды собирались делать топливо для ракет, чтобы вывозить с астероидов на Землю платиновые металлы).
Орбитальный разведчик и M3
В 2008 и 2009 годах ученые наконец смогли получить определенные данные. Первым их принес индийский зонд «Чандраян-1»: отделившийся от него небольшой ударный зонд упал на Луну, но перед падением передал ясные данные, свидетельствующие о присутствии там воды. Прибор НАСА на «Чандраяне», спектрометр Moon Mineralogy Mapper (M3), тоже увидел воду на поверхности Луны (правда, в довольно низкой концентрации). Радар на борту «Чандраяна» позволил собрать данные о топографии постоянно затененных зон — и запасы льда в них оценили в 600 миллионов тонн.
В июне 2009 года к Луне отправились два зонда — орбитальный аппарат LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) и его напарник LCROSS. LCROSS и отработавший разгонный блок «Центавр» намеренно были отправлены в затененную область кратера Кабеус у Южного полюса. 9 октября 2009 года там упал «Центавр». Поднявшееся при падении газопылевое облако наблюдали LCROSS и LRO. За несколько минут до того, как сам LCROSS упал, он сумел исследовать химический состав облака — в его поле зрения попало около 155 килограммов водяного пара и льда. Подсчеты показали, что в этом районе в реголите — верхнем слое лунной поверхности — доля водяного льда может достигать 5–6% по массе. Кроме воды, в облаке оказались аммиак, водород, метан и некоторые другие вещества, которые, по мнению ученых, указывали на кометное происхождение этих отложений.
Еще один прибор на борту LRO — российский нейтронный телескоп LEND, созданный в Институте космических исследований РАН — составил подробную нейтронную карту Луны и смог показать области, богатые водородом (а следовательно, и водой).
Лунная гонка — 2
Аппараты разных стран, запущенные к Луне в XXI веке, можно разве что перечислить. Зонды отправляли европейцы, индийцы и китайцы. В 2019 году аппарат на Луну пытались посадить израильтяне, но зонд «Берешит», созданный частной компанией в рамках соревнования Lunar X-Prize и затем получивший поддержку государства, разбился. Уже в этом году посадочный аппарат японской компании ispace Hakuto-R также разбился. Индийский посадочный аппарат «Викрам», который отправился к Луне в 2019 году вместе с орбитальным аппаратом «Чандраян-2», тоже не смог прилуниться благополучно.
На этом фоне сногсшибательными выглядят успехи лунной программы Китая, который смог высадить на Луне уже три посадочных зонда, два из них — с луноходами, и один из них впервые в истории совершил посадку на обратной стороне. Кроме того, Китай впервые с 1970-х годов смог доставить на Землю образцы лунного грунта. Таким образом, Китай с 2007 года смог повторить все достижения эпохи лунной гонки — за исключением пилотируемой программы (то есть когда в космос отправляют человека).
Пилотируемые полеты на Луну готовят США — уже совершила полет новая лунная ракета SLS с кораблем «Орион», — но пока без экипажа. Астронавты должны отправиться в полет вокруг Луны в ноябре 2024 года, а высадка планируется на конец 2025 года. Правда, неясно, будет ли готов к этому моменту посадочный модуль Starship, который строит компания Илона Маска SpaceX. Первый полет «Старшипа» и возвращаемой ступени Super Heavy, как мы помним, закончился неудачей.
А что же Россия?
От 24 до 25 — полвека
Первые упоминания о российских планах отправить к Луне автоматические посадочные зонды относятся к 1997 году. Тогда предполагаемый облик аппаратов радикально отличался от того, который реализовался на практике.
В частности, планировалось, что к Луне полетят сразу орбитальный и посадочный зонды — они получили название «Луна-Глоб». Фишкой тогдашнего проекта были пенетраторы — сбрасываемые зонды, которые должны были на высокой скорости упасть на Луну, погрузиться в грунт и сыграть роль сети сейсмических исследовательских станций. Подобные зонды стояли на станции «Марс-96», которая потерпела аварию из-за сбоя разгонного блока, однако эта экзотика очень быстро исчезла из проекта.
Собственно посадочный аппарат предполагался довольно скромным и напоминал советскую «Луну-9»: это был шар, который при посадке раскладывал «лапы» и выпускал антенны. Солнечных батарей ему не полагалось, по плану зонд не должен был пережить лунную ночь.
На тот момент уже была проработана целая линейка лунных аппаратов, которая включала в себя новый луноход, миссию по доставке лунного грунта на Землю и, как венец этой беспилотной программы, проект «Лунный полигон» — своего рода деревню лунных роботов, состоящая из взаимодействующих между собой научно-исследовательских установок, служебных аппаратов, энергетического комплекса.
В 2021 году «Роскосмос» планировал создавать такую «деревню роботов» совместно с КНР — этот проект получил название Международной лунной исследовательской станции, и «Луна-25» входила в самый первый — разведывательный — этап создания этой станции, то есть можно предположить, что будущая станция будет находиться в том же районе.
Однако в 2000-е годы главным российским межпланетным проектом был «Фобос-Грунт» — станция предназначалась для доставки образцов грунта со спутника Марса, Фобоса, на Землю. В 2011 году запуск «Фобос-Грунта», как и «Марса-96» за полтора десятилетия до этого, закончился неудачей. Это имело большие последствия для всей российской межпланетной программы, в особенности для лунной, поскольку в проектах лунных станций широко использовались узлы и наработки, сделанные для «Фобос-Грунта». После неудачи необходимо было переконструировать и все лунные зонды, чтобы убрать оттуда потенциально уязвимые узлы.
Вслед за «Луной-Глоб» должна была отправиться «Луна-Ресурс», причем это была уже совместная с Индией программа.
Однако в 2013 году индийцы вышли из проекта, и российская лунная программа продолжила эволюционировать самостоятельно — примерно тогда же произошло возвращение к советской традиции называния межпланетных станций: на место «Луны-Глоб» и «Луны-Ресурса» пришли «Луна-25», «Луна-26» и «Луна-27». (Нужно заметить в скобках, что названия советские АМС получали только в случае успеха миссии. О станциях, потерянных при пуске или не вышедших на орбиту, не сообщали вовсе; если аппарат выходил на околоземную орбиту, но не отправлялся к Луне, он становился номерным «Космосом» — и никто не узнавал о его межпланетном назначении. И только если станция добиралась до Луны, у нее появлялось официальное название «Луна». Только после перестройки общество узнало, что иногда на один успешный пуск приходился десяток неудачных.)
В нынешнем виде российский план выглядел так: первой должна была лететь посадочная «Луна-25». Ее главная задача не столько исследовательская, сколько инженерная. Миссия должна была продемонстрировать, что у России есть все необходимые технологии, чтобы успешно посадить аппарат на Луну, причем в приполярных широтах, а не у экватора.
Многие СМИ писали, что это будет первый аппарат в приполярной зоне. Действительно, «Луна-25» должна была сесть в очень высоких широтах (где сложно прилуниться) — 69,5 градуса южной широты. На Земле на такой широте (только северной) находится Мурманск. Однако об исследовании непосредственно холодных ловушек, то есть постоянно затененных зон, речи пока не идет — ученые выбирали место для посадки, ориентируясь в первую очередь на его безопасность. В зоне посадочного эллипса не должно было быть слишком крутых склонов, крупных валунов, то есть ничего такого, что привело бы к опрокидыванию аппарата при посадке. И в этой зоне должна быть достаточно хорошая освещенность, иначе аппарат, получающий энергию от солнечных батарей, там просто не выживет. Однако и в этой зоне, согласно данным ЛЕНДа, присутствует около 0,1% воды, и приборы для изучения проб грунта на борту «Луны», возможно, могли бы ее обнаружить.
За ней должна была последовать орбитальная «Луна-26» (сейчас ее запуск планируется на 2027 год), которая, помимо выполнения научных задач, должна играть роль ретранслятора для следующих посадочных миссий. В первую очередь — для посадочного аппарата «Луна-27» (бывшая «Луна-Ресурс», в 2028 году), который должен был стать «“Луной-25” на стероидах» — с массой в 2,2 тонны вместо 1,6 тонны, с почти 20 научными приборами вместо семи.
Главной фишкой «Луны-27» должна была стать буровая криогенная установка — то есть устройство, способное не только пробурить скважину и получить образцы с глубины, но сделать при этом так, чтобы вода и другие летучие вещества не ускользнули из них и были зафиксированы сенсорами. Эту установку, получившую название PROSPECT, создали для Луны специалисты Европейского космического агентства. Именно с ее помощью ученые рассчитывали впервые на месте изучить лунную воду.
Конкуренты
Практически одновременно с «Луной-25», причем примерно в том же районе, должна совершить посадку индийская станция.
Индийское космическое агентство ISRO, в отличие от «Роскосмоса», может похвастаться успешными межпланетными миссиями за последние два десятилетия: после успешной лунной миссии «Чандраян-1» в 2008 году, обнаружившей свидетельства существования лунной воды, в 2014 году индийцы вывели автоматическую станцию MOM на околомарсианскую орбиту.
В 2019 году ISRO запустило новую лунную миссию «Чандраян-2», которую ранее предполагалось реализовывать совместно c Россией. Она состояла из орбитального модуля и посадочного аппарат «Викрам» с мини-луноходом «Прагъян». Орбитальный аппарат успешно вышел на окололунную орбиту, но «Викрам» 6 сентября разбился при посадке. Если бы посадка была успешной, он бы стал первым в истории аппаратом, совершившим посадку в лунной приполярной зоне, около 70 градусов южной широты.
Новая миссия «Чандраян-3» во многом повторяет предыдущую — это основа (посадочный аппарат с мини-луноходом) плюс перелетный модуль, главная задача которого — довезти посадочный аппарат до окололунной орбиты. Поскольку грузоподъемность носителя была ограниченна, индийским инженерам пришлось использовать схему долгого полета с постепенным увеличением высоты околоземной орбиты, а затем столь же постепенным снижением. Поэтому, хотя аппарат стартовал еще в середине июля 2023 года, он еще летит — посадка планировалась 23–24 августа.
Возможности индийского аппарата значительно скромнее, чем были у «Луны-25». На борту посадочного аппарата три научных прибора: сейсмометр, прибор для измерения температуры и электрических свойств поверхности и инструмент для изучения плазмы. На луноходе прибора два: альфа- и рентгеновский спектрометр, который позволит судить о минералогическом составе грунта, и лазерный спектроскоп для поиска ряда химических элементов в грунте.
Если «Луна-25» должна была прожить на Луне год, индийский луноход и посадочный аппарат рассчитаны на один лунный день — то есть на 14 земных суток. Однако, если посадка индийцам удастся, они станут четвертой страной в истории после СССР, США и Китая, которые смогли посадить аппарат на Луну.
