Виталий Егоров (Zelenyikot) - Делай космос!

• Название: Делай космос!
• Автор: Виталий Егоров (Zelenyikot)
• Жанр: Физика
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-17-109423-2

Покорители далеких планет часто становятся героями книг или фантастических фильмов. Они пересекают пояса астероидов, проносятся мимо живописных планет-гигантов, поднимаются на склоны инопланетных гор и любуются внеземными закатами… Будущее наступило, но не такое, как мы хотели. Теперь изучают и открывают космос настоящие покорители – роботы. Вместе с ними люди, не покидая Земли, пересекают миллионы километров пустоты, преодолевают трудности, находят решение в безвыходной ситуации и открывают нам загадки космоса. Предлагаем отправиться в путешествие с настоящими покорителями космоса: межпланетными зондами, луноходами и марсоходами.

Нашим проводником станет популяризатор и энтузиаст космонавтики Виталий Егоров (блогер Zelenyikot) – основатель сообщества в соцсетях «Curiosity-марсоход», администратор и редактор сообщества «Открытый космос», человек, нашедший на поверхности Марса советский спускаемый аппарат «Марс-3».

---

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

Его камерами вообще не оборудовали, и устроен он был довольно просто, но зато 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 позволило определить распределение по поверхности Луны кремния, железа, титана, алюминия, фосфора и калия. Были проведены более точные измерения гравитационного поля и выявлены новые неоднородности – масконы – места повышенной «концентрации массы», то есть повышенной плотности, которая увеличивала гравитацию.

В 2000-х к «лунному клубу» стали присоединяться новые участники. В 2003 году Европейское космическое 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 небольшой, а орбита – высокой: от 400 до 3000 километров, поэтому кадры получались в основном широкоугольными с низким разрешением. Наиболее детальные кадры были всего 50 м на пиксель, а глобальную карту удалось построить только из кадров в 250 м на пиксель.

Smart-1

Когда Smart-1 летел к Луне, он опробовал лазерную связь с Землей. Передавать данные по лучу тогда не предполагали, только пытались «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 – радиосвязь показалась тогда надежнее.

Здесь 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 метрах! 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, что мы летим на высоте 10 километров 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 километров. 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 и легких 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 тонны – проект назвали «самой масштабной лунной программой после программы Apollo».

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

Kaguya

Kaguya сопровождалась двумя малыми спутниками-ретрансляторами Okina и Ouna, каждый массой по 53 килограмма. Благодаря им удалось исследовать неоднородности гравитационного поля на обратной стороне – составить более подробную карту масконов. Kaguya сначала летала на высоте 100 километров, затем снизилась до 50 километров, сделала 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, в интернет-архивах можно найти фото и видео с лунной орбиты, сделанные аппаратом (http://wms.selene.darts.isas.jaxa.jp/selene_viewer/index_e.html). Открыт для всех и архив научной информации: http://l2db.selene.darts.isas.jaxa.jp/index.html.en.

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.

Chandrayaan-1

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

Интересное исследование было проведено американским прибором Mini-SAR – 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 оказались весьма оптимистичными. 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, которые рассеивали радиолуч не только на дне, но и вокруг себя, то есть на породе, которая была выброшена при падении астероида. Другой тип кратера – «аномальный», такие кратеры рассеивали сигналы только на дне. Причем отмечалось, что большинство эти кратеров находится в глубокой тени, куда никогда не попадают лучи Солнца. На дне одного из аномальных кратеров зарегистрировали температуру, вероятно, самую низкую на Луне: 25 Кельвинов или минус 248 градусов Цельсия. 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 миллионов 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 указывать на ее богатые залежи в недрах.

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

Дальше всех из «новичков» в изучении Луны продвинулся Китай. На его счету два спутника Chang’e 1 и 2, один луноход Yutu и один технологический облет Луны с возвращением капсулы – так они готовятся к доставке лунного грунта, а в перспективе и к пилотируемому полету.

3.2. GRAIL: как NASA бомбило Луну

Два лунных зонда-близнеца Ebb (GRAIL-A) и Flow (GRAIL-B), вошедшие в программу GRAIL, стартовали 10 сентября 2011 года. Всю работу зондам удалось выполнить практически за год, что достаточно быстро для межпланетных космических миссий. Главной задачей двух аппаратов размером со стиральную машину было подробное изучение гравитационного поля Луны.