Седьмая «Богиня Луны» с шестым номером / Offсянка

⇡#Выбор цели

О китайской программе изучения Луны космическими аппаратами, длящейся уже четверть века, разделенной на этапы по принципу «от простого – к сложному» и включающей пилотируемую компоненту, мы писали год назад. С 2004 года работу выполняют зонды серии «Чанъэ» (имя лунной богини из даосской мифологии).

Экспедиция «Чанъэ-6» открывает четвёртый этап лунной программы. Третий завершился в декабре 2020 года, когда «Чанъэ-5» доставила на Землю 1731 грамм лунного вещества – рекорд за время исследований Селены автоматами. «Чанъэ-6» стала четвёртой посадочной и седьмой лунной станцией в списке китайских полётов к Луне: нумерацию сбил экспериментальный полет «Чанъэ-5-Е1», проведенный для отработки матчасти «Чанъэ-5».

«Чанъэ-6» строили в качестве дублёра на случай неуспеха «Чанъэ-5», и после блестящего выполнения целевой миссии в руках китайских учёных и инженеров оказался уже готовый комплекс, способный привезти на Землю образцы грунта из любого района нашего естественного спутника.

Посадочный модуль с переходным конусом монтируют на орбитальный модуль. Фото CNSA

Первоначально предполагалось направить «Чанъэ-6» в южную полярную область, но затем экспедицию переориентировали на забор грунта на обратной стороне Луны. «Затылок» нашего ночного светила, всегда повернутого к Земле лицом, в значительной степени terra incognita. Дистанционные исследования показывают заметное отличие «темной», невидимой стороны от «светлой», видимой: первая сильно побита частыми ударами метеоритов и покрыта «оспинами» разных размеров, в то время как вторая сравнительно ровная. К тому же ученые предполагают, что кора обратной стороны ощутимо толще, но почему – не знают.

Пока что первым и единственным аппаратом, севшим на невидимой стороне, был «Чанъэ-4», доставивший в 2019 году ровер «Юйту-2». Посадочная ступень и луноход работают до сих пор. Успех этой миссии предопределил выбор места посадки «Чанъэ-6».

«Сбор и возврат образцов с обратной стороны Луны – это беспрецедентный подвиг, – отметил генеральный конструктор китайской лунной программы академик Инженерной академии КНР У Вэйжэнь. – Сейчас мы очень мало знаем об обратной стороне Луны. Если миссия «Чанъэ-6» достигнет цели, ученые впервые получат непосредственные доказательства для понимания среды и материального состава обратной стороны Луны. Это имеет огромное значение».

В апреле 2021 года главный конструктор третьего этапа лунной программы Ху Хао сообщил, что для миссии «Чанъэ-6» выбран район бассейна «Южный полюс – Эйткен»: гигантская астроблема диаметром 2500 км и глубиной 13 км с южной границей у полюса и северной – у края кратера Эйткен на 17° ю. ш. Это самый старый и крупный ударный кратер на Луне и в Солнечной системе: четыре миллиарда лет назад его оставил упавший здесь астероид. Предполагается, что собранные здесь образцы смогут дать информацию о начальном периоде жизни системы «Земля – Луна».

Бассейн «Южный полюс – Эйткен». NASA/GSFC/Arizona State University

В 2023 году район посадки уточнили – «Чанъэ-6» должен был сесть в 600 км от места прилунения «Чанъэ-4», в «пятне» с координатами 43°±2° ю. ш. 154°±4° з. д. Это южная часть кратера Аполлона в пределах бассейна «Южный полюс – Эйткен».

⇡#Зонд и план миссии

«Чанъэ-6» является конструктивным аналогом «Чанъэ-5», имеет стартовую массу 8350 кг и состоит из четырёх модулей: орбитального, посадочного, взлетного и возвращаемого. По сравнению с предшественником новый лунный комплекс тяжелее на полтора центнера за счёт оснащения дополнительной научной аппаратурой и соответственного увеличения массы требуемого топлива.

Перелет по трассе Земля – Луна, выход на окололунную орбиту, окололунные операции и возвращение обеспечивает орбитальный модуль в форме низкого цилиндра. В нем размещены баки с топливом, двигательная установка, системы управления, электропитания (с двумя ориентируемыми панелями солнечных батарей), терморегулирования (с радиаторами на корпусе) и радиосвязи. Сверху, на коническом переходнике, крепится посадочный модуль, внутри переходника – возвращаемый аппарат.

Орбитальный модуль спроектирован и построен в Шанхайской исследовательской академии космической техники (SAST), система управления – в пекинской Китайской исследовательской академии космической техники (CAST). Обе организации входят в Китайскую корпорацию космической науки и техники (CASC). Для поиска, сближения и стыковки со взлётным модулем орбитальный аппарат измеряет параметры относительного движения, используя микроволновый радиолокатор от Института №25 корпорации CASIC и лидар от Института оптики и электроники Китайской АН в Чэнду.

Устройство станции «Чанъэ-6» (слева направо): орбитальный модуль, возвращаемый аппарат, силовая конструкция, опорный конус, посадочная ступень (посадочный модуль), взлётная ступень (взлетный модуль). Графика Джуниора Миранды

Посадочный модуль доставляет на лунную поверхность научную аппаратуру, инструменты для забора грунта и взлётный модуль. Посадочная ступень выполнена в форме восьмигранной призмы с четырьмя ногами-опорами, топливными баками и двигательной установкой. Дальность и скорость при спуске на Луну измеряют два прибора Шанхайского института технической физики (SITP) – лазерный дальномер и трехмерный лидар, снимающий поверхность во время зависания и выбора окончательной точки посадки.

Образцы грунта забирают буровое устройство (с глубины до 2,5 метров) и манипулятор с ковшом (с поверхности). Бур, притороченный сбоку посадочной ступени, разработан Заводом №529 CAST, манипулятор стал плодом работ Пекинского института системного проектирования космических аппаратов, Харбинского технологического института и Гонконгского политехнического университета. Второй манипулятор с камерой контролирует загрузку образцов в контейнер взлетного аппарата.

Взлётный модуль геометрически повторяет посадочный в масштабе 1 : 2. Восьмиугольный корпус вмещает баки с топливом, взлетный двигатель, системы управления и связи. Снаружи крепятся две солнечные батареи. Для снижение риска повреждения посадочной ступени струей ракетного двигателя взлетного аппарата последний отстреливается вверх пружинным толкателем. Только после этого запускается двигатель. После ухода взлетного аппарата посадочная ступень продолжает работать, ведя научные наблюдения на Луне.

После выхода на окололунную орбиту орбитальный и взлётный модули стыкуются, контейнер с образцами грунта перегружается из взлётного модуля в возвращаемый (уменьшенную копию спускаемого аппарата корабля «Шэньчжоу»). Затем взлетный модуль отстыковывается, а орбитер переходит на траекторию полета к Земле. При подлете к планете от него отделяется возвращаемый модуль, который входит в атмосферу со второй космической скоростью, реализуя управляемый спуск с двойным погружением и мягкую посадку на парашюте в заданном районе Китая.

«Чанъэ-6» в сборе перед установкой на ракету-носитель

⇡#Научные приборы

Избыточная энергетика носителя позволила установить на «Чанъэ-6» дополнительную полезную нагрузку. В октябре 2018 года китайцы предложили всем заинтересованным зарубежным организациям подавать заявки на размещение на орбитальном и посадочном модулях научных инструментов на конкурсной основе, правда, с ограничениями: масса приборов – не выше 10 кг.

Окончательный список устанавливаемых инструментов сформировали в ноябре 2022 года. На посадочную ступень ушли французский радоновый детектор DORN (Detection of Outgassing RadoN), который поставило космическое агентство CNES и Научно-исследовательский институт астрофизики и планетологии (IRAP), итальянский лазерный ретрорефлектор INRRI (INstrument for landing-Roving laser Retroreflector Investigations) Национального института ядерной физики Италии (INFN) и шведский датчик солнечного ветра NILS (Negative Ions on Lunar Surface), предоставленный Европейским космическим агентством (ЕКА). Французский инструмент регистрирует выход инертного газа из реголита в целях изучения теплофизических характеристик грунта, происхождения и динамики лунной атмосферы. Итальянский уголковый отражатель первоначально делался для европейской марсианской миссии ExoMars, но погиб вместе с посадочным аппаратом Schiaparelli в 2016 году. Пара таких отражателей может с высокой точностью измерять расстояние между объектами либо наладить квантовую связь между ними. Поэтому ретрорефлектору на обратной стороне Луны нужна пара, размещённая на каком-нибудь космическом аппарате, который пока ещё и не создан… Шведский масс-спектрометр регистрирует отрицательные ионы при спуске на лунную поверхность, а также в течение получаса после посадки.

Пакистано-китайский кубсат ICUBE-Q

Поскольку посадочная ступень вряд ли переживет холод лунной ночи (она на это не рассчитана), научные приборы вместе со служебной аппаратурой прекратят работу (скорее всего, из-за замерзания и деградации аккумуляторов), за исключением пассивного ретрорефлектора.

Из-за различных проволочек на «Чанъэ-6» не попал китайско-российский детектор водного льда. Единственной зарубежной полезной нагрузкой, размещённой на орбитальном модуле, стал пакистанский наноспутник-кубсат ICUBE-Q, созданный Шанхайским университетом «Цзяотун» при финансовой поддержке Азиатско-Тихоокеанской организации космического сотрудничества APSCO, куда входят и Китай, и Пакистан. Одна из задач кубсата – обнаружение следов льда на Луне.

Для съемки окрестностей посадки, процесса бурения, а также видеофиксации старта взлётного модуля используется миниатюрный (всего в 5 кг массы) четырёхколёсный ровер. Его появление в составе экспедиции стало сюрпризом для экспертов и любителей: о нём не заявлялось заранее, он засветился на фото лишь при подготовке к пуску. Кроме видеокамер на нем установлен инфракрасный видовой спектрометр с чувствительным элементом на кристалле двуокиси теллура. Не исключено, что ровер задействован в поиске интересных образцов.

⇡#Подготовка

Наблюдатели отмечают чрезмерную, на первый взгляд, сложность китайских миссий возвращения лунного грунта, приводя в пример «Луну-16», которая впервые в мире в 1970 году в автоматическом режиме привезла реголит на Землю: советская станция не разделялась на отдельные модули, полностью села на Луну и доставила образцы в миниатюрной сферической капсуле, запущенной вертикально с лунной поверхности. Китайский проект, больше напоминающий схему американской пилотируемой экспедиции Apollo, включает целых 11 этапов! Однако сложная схема экспедиции со стыковкой на окололунной орбите позволяет выполнять забор образцов грунта практически из любой точки нашего естественного спутника, чего не могли сделать ни советские автоматические станции, ни американские пилотируемые корабли.

Зонд «Чанъэ-6» в сборе при полете к Луне. Графика Джуниора Миранды

Миссия по доставке грунта с невидимой стороны Луны тщательно продумывалась заранее. Так, для связи аппарата с Землёй запустили спутник-ретранслятор «Цюэцяо-2» («Сорочий мост» — так в Китае называют Млечный Путь), который весной 2024 года вышел на высокоэллиптическую окололунную орбиту с апогеем, расположенным над возможным районом высадки. «Цюэцяо-2» представляет собой продвинутую версию «Цюэцяо-1», запущенного в 2018 году в поддержку миссии «Чанъэ-4», и несет параболическую антенну диаметром свыше 4 м. Аппарат с длительным сроком эксплуатации будет работать не только с «Чанъэ-6», но и с последующими китайскими лунными зондами, а также обеспечит функционирование Международной научной лунной базы ILRS (International Lunar Research Station).

Вместе с «Цюэцяо-2» на окололунную орбиту запущены два малых спутника – «Тяньду-1» и «Тяньду-2» – предназначенные для проверки навигационных и коммуникационных технологий. Это прототипы будущей окололунной орбитальной группировки навигации и связи для обслуживания китайских лунных исследований.

График полета «Чанъэ-6» озвучили год назад. 3 мая 2024 года – старт. Пусковое окно длится всего 50 минут в основной и резервные стартовые дни, поэтому баллистики Китайского национального космического агентства (CNSA) проработали 10 разных траекторий полета к цели. Выход на окололунную орбиту планировался на 7 мая. Две недели проводится формирование рабочей орбиты, мониторинг и уточнение места посадки. 1 июня от орбитального модуля отделяется посадочный, который на следующий день прилуняется. Сразу же после посадки 2 июня начнётся сбор образцов: в течение 48 часов роботизированный манипулятор соберёт камни и грунт с поверхности Луны, а бур извлечёт колонки с образцами реголита. Одновременно с этим будут проводиться научные исследования. Взлётный модуль, загруженный образцами, стартует 4 июня, стыковка с орбитальным аппаратом намечена двумя днями позже. Отлёт с окололунной орбиты запланирован на 20 июня, а возвращение на Землю – 25 июня.

Станция «Чанъэ-6» под головным обтекателем ракеты-носителя «Чанчжэн-5». Графика Джуниора Миранды

Общая продолжительность миссии «Чанъэ-6» составляет 53 дня, что на месяц больше, чем длился полёт «Чанъэ-5». Разница обусловлена как баллистическими нюансами возвращения на территорию Китая, условиями освещённости на Луне при выполнении работ, так и другими соображениями. В частности, эксперт Игорь Лисов отмечает, что единственным удобным местом для посадки и поиска возвращаемого аппарата являются степи Внутренней Монголии. По баллистическим условиям в момент старта взлётного модуля Луна должна находиться как можно южнее относительно земного экватора. Такие условия складываются дважды в год – в новолуние вблизи зимнего солнцестояния и в полнолуние вблизи летнего солнцестояния, то есть примерно в начале 20-х чисел июня. Первый вариант идеально подходил для «Чанъэ-5», а второй – для «Чанъэ-6».

⇡#Земля – Луна

Надо отдать должное китайцам, которые смогли выдержать сроки. 3 мая старт тяжелого носителя «Чанчжэн-5» («Великий поход — 5», бортовой номер Y8) с космодрома Вэньчан на острове Хайнань прошёл чётко, и уже через 37 минут после отрыва ракеты от пускового устройства зонд «Чанъэ-6» отделился от верхней ступени, выйдя на траекторию полета к Луне. В ночь с 7 на 8 мая он включил двигатель орбитального модуля и перешел на окололунную орбиту. Затем в свободное плаванье отправился пакистанский наноспутник ICUBE-Q – его камера зафиксировала процесс отделения от материнского аппарата, а чуть позже передала первые снимки лунной поверхности.

«Чанъэ-6» связывался с Землей как напрямую, так и через ретранслятор «Цюэцяо-2». В рамках подготовки к спуску зонд два раза скорректировал высоту и наклонение орбиты.

Схема обеспечения связи посадочных аппаратов, работающих на обратной стороне Луны, через спутник-ретранслятор «Цюэцяо-2»

27 мая китайское телевидение передало репортаж о предстоящей посадке, «засветив» координаты расчетной точки (42,1° ю. ш. 154,4° з. д.) к югу от кратера Чаффи на внутреннем вале кратера Аполлон. Сообщалось, что для выбора точки посадки использовалась глобальная карта Луны с 7-метровым разрешением, отснятая спутником «Чанъэ-2», и цифровая модель рельефа с 20-метровым разрешением.

1 июня от орбитального модуля отделился посадочный: на следующий день в периселении орбиты на высоте 15 км он включил двигатель на торможение и, изменяя тягу, снизил скорость с первой космической для Луны (примерно 1,7 км/с) до нуля. За это время модуль снизился до высоты 1,6 км, развернулся в вертикальное положение и провел поиск препятствий в зоне посадки (работали оптические датчики) в целях ухода от столкновения. На стометровой высоте дросселируемый двигатель обеспечил «парашютирование», а трехмерный лидар выбрал безопасную площадку для посадки непосредственно под аппаратом (за четверть секунды построил карту рельефа с погрешностью 5 см). Над самой поверхностью двигатель выключился, и посадочный модуль мягко прилунился на четыре опоры. Весь процесс спуска занял 15 минут.

Вскоре после прилунения китайское телевидение продемонстрировало полную и подробную видеозапись с камер аппарата, которая позволила определить, что «Чанъэ-6» сел довольно далеко (в 17 км на северо-восток) от точки, заявленной 27 мая. Эксперты полагают, что причиной отклонения стал сознательный выбор другого посадочного витка по сравнению с предварительным планом или наклонение посадочной орбиты, которое отличалось от заложенного в расчеты.

Игорь Лисов отмечает, что «прилунение произошло в 707 км от места посадки «Чанъэ-4» в декабре 2018 года в кратере фон Карман в пределах того же бассейна «Южный полюс – Эйткен». Никакие другие земные аппараты на обратную сторону Луны не садились».

Сравнение «Чанъэ-3», «Чанъэ-4» и «Чанъэ-6». Фото CNSA

⇡#На поверхности

Поскольку посадка и забор грунта должны были производиться в зоне действий «Цзюэцяо-2», следовало спешить: пока спутник-ретранслятор двигался к апоселению (над южным полюсом Луны) и обратно, к переселению, посадочный аппарат имел непрерывную связь с Землей. Из-за экранирования спутника-ретранслятора Луной период связи был все равно короче, чем если бы зонд работал на видимой стороне: время для сбора образцов «Чанъэ-6» сократилось примерно до 14 часов по сравнению с 22 часами, которые потратил «Чанъэ-5».

Ученые хотели бы собрать образцы из разных точек в месте посадки, но зонд стоял неподвижно, и зона досягаемости определялась возможностями манипулятора и бура. Для повышения эффективности процесса специалисты позволили «Чанъэ-6» самостоятельно оценивать пригодность грунта и камней, по-видимому, используя встроенные алгоритмы AI, панорамы, снятые бортовой камерой высокого разрешения, и минеральный масс-спектрометр.

С учетом опыта «Чанъэ-5» (который смог углубиться лишь на метр с небольшим), бур упрочнили: режущей кромке «по зубам» минералы восьмого класса твердости, от гранита до кварца. Затупить инструмент могли лишь топаз, корунд и алмаз. После того как бур прошел на полную длину, керн оказался в гибкой колонке, которая наматывалась на специальный барабан.

Затем проводился отбор поверхностных проб. Роботизированный манипулятор с черпаком выдвинулся на 3,5 метра в сторону и начал сбор камешков и пыли. Рука двигалась автоматически, без коррекции с Земли.

Иероглиф «Чжун», отпечатанный на реголите манипулятором «Чанъэ-6». Фото CNSA

Для видео- и фотофиксации события использовался указанный выше четырехколесный ровер с бортовой видеокамерой. В некоторых источниках его называют просто «передвижной камерой». Микролуноход, в полете расположенный на одной стороне посадочной ступени, опустился на грунт, отъехал на несколько метров и отснял посадочный аппарат, стоящей на поверхности, с отведенной в сторону рукой-манипулятором. Эта операция напоминала действия японского зонда SLIM, который 19 января 2024 года сел на северо-западном побережье Моря Нектара на видимой стороне Луны, сбросив перед прилунением небольшой субзонд LEV-2, сфотографировавший основной аппарат, лежащий на поверхности.

Манипулятор «Чанъэ-6» не только собирал образцы, но и написал на реголите элементарный иероглиф 中(чжун), название Китая на китайском языке (中国, Чжунго). Наблюдатели отмечают «хорошую идею, но слабое осуществление» (отпечаток не слишком похож на иероглиф).

3 июня, после того как образцы были собраны в контейнер, герметично запечатаны и перегружены манипулятором во взлетную ступень, «Чанъэ-6» выполнил символическое действие, развернув в зоне обзора видеокамеры небольшой флаг КНР, изготовленный из базальтового волокна. «Передвижная камера», отошедшая в сторону, сняла посадочный и взлетный модули с полураскрытым манипулятором и флагом на обратной стороне Луны.

Фото посадочного и взлетного модулей с полураскрытым манипулятором и флагом на обратной стороне Луны, сделанное «передвижной камерой». Фото CNSA

⇡#Возвращение

4 июня, в «час быка» по Москве, взлетная ступень «Чанъэ-6» отстрелилась от посадочного модуля и начала путь к орбите. Соединительные болты разорвались, пружины подбросили взлетный модуль вверх, и почти одновременно запустился маршевый двигатель. Первую секунду аппарат поднимался перпендикулярно плоскости разделения, не учитывая наклон посадочной ступени относительно горизонта. Затем положение было скорректировано, и ступень 10 секунд шла вертикально; в промежутке от 10-й до 30-й секунды она стала крениться, пока не оказалась под углом 60º к горизонту. На протяжении оставшейся части подъема, до 360-й секунды, наклон траектории постепенно уменьшался, пока ступень не легла строго в горизонт и не оказалась в периселении начальной орбиты высотой 15 × 180 км.

Таким образом, Китай уже второй раз запустил зонд с Луны. В одиннадцатый раз – после шести миссий Apollo, трех советских автоматических лунных станций программы Е-8-5 и старта взлетной ступени «Чанъэ-5» – с лунной поверхности поднимался рукотворный объект. Но в этот раз, ко всему прочему, он ушел с обратной стороны Луны, которая никогда не видна с Земли! Как и остальные операции зонда, телеметрия со взлетной ступени передавалась на Землю через спутник-ретранслятор «Цюэцяо-2».

Вскоре после подтверждения успешного завершения выхода на окололунную орбиту CNSA опубликовало ожидаемые изображения и видео, сделанные во время операций на Луне. Официально не сообщалось, сколько килограммов камешков, пыли и реголита собрано с поверхности и на какую глубину удалось уйти в недра. Цифры появятся, когда возвращаемый аппарат будет на Земле, но ожидается, что весь «улов» будет весить от 2 до 3 кг. Напомним: «Чанъэ-5» собрал 1731 грамм, потому что бур не достиг ожидаемой глубины в 2,5 метра.

Манипулятор «Чанъэ-6» укладывает пробы грунта в контейнер. Видео CCTV

Активный участок взлетной ступени окончился, она развернула солнечные батареи и замерла, ожидая точного определения параметров орбиты с Земли. В течение двух суток после взлета с Луны взлетная ступень и орбитальный аппарат в автономном режиме так скорректировали свои траектории, что оказались в расчетном районе стыковки.

С этого момента активную роль исполнял орбитальный модуль. Заключительные операции выполнялись с помощью радиолокационной, лидарной и оптической навигации. Два космических аппарата останавливались в разных точках орбиты – на расстоянии 5 км, 1 км, 100 м и 20 м друг от друга – определяя вектор движения и скорость. Затем они сблизились и соединились, используя оригинальную систему зажимов и стержней, разработанную для нивелирования большой разницы в массе стыкующихся объектов. Кроме того, эта система допускает значительные погрешности в позиционировании и скорости по сравнению с другими методами стыковки: три зажима, расположенные на орбитальном модуле, сомкнулись на трех стержнях, торчащих из взлетной ступени.

Стыковка состоялась 6 июня в 09:48 ДМВ. Примерно полминуты ушло на стягивание, затем контейнер для образцов был перемещен из взлетной ступени в возвращаемый аппарат на орбитальном модуле с помощью устройства переноса с механическим зажимом.

После отделения от ненужной уже взлетной ступени орбитальный модуль оставался на окололунной орбите в течение 14 дней, ожидая открытия «окна» для полета на Землю. Старт состоялся 20 июня. Вход капсулы в атмосферу и ее посадка во Внутренней Монголии запланированы на 25 июня.

Момент отделения взлетной ступени с силовой конструкцией от орбитального модуля. Графика Джуниора Миранды

Что будет с орбитальным модулем – пока неясно. Известно, что аналогичный блок станции «Чанъэ-5», отделив возвращаемый аппарат, отправился к точке Лагранжа L-1 в системе Солнце — Земля, на орбите вокруг которой работал с середины марта до августа 2021 года. Сманеврировав, он облетел Луну, в январе 2022 года покинул точку L1 и направился на далекую ретроградную орбиту Луны для проведения интерферометрических испытаний со сверхдлинной базой в рамках подготовки к следующему этапу китайской лунной программы.