Триумф Китайской лунной программы: научное оборудование ровера “Юйту-2” и модуля “Чанъэ-4”

На фоне данных о путешествии ровера «Юйту-2» по лунной поверхности, интерес к событиям и экспериментам, происходящим на стационарном посадочном модуле «Чанъэ-4», проявляется намного меньше, а ведь там установлено научное оборудование для изучения космической среды, с помощью которого тоже выполняются сложные эксперименты. Но уже сейчас, на Земле, в производственных цехах и лабораториях Китайской академии космических технологий кипит работа по изготовлению, тестированию и подготовке к запуску новых лунных модулей, каждый из которых приближает реальность высадки на Луну живого экипажа, а не только управляемых роботизированных станций и роверов.

Воспользуйтесь нашими услугами

Следы на обратной стороне Луны ровера «Юйту-2» — траектория первого лунного дня:

На каком же этапе сейчас находится Китайская программа по исследованию Луны и что будет дальше? Вот это можно узнать из этих замечательных слайдов о миссии «Чанъэ-4»:

На самом деле, если идти в гору по ступенькам, которые сам делаешь, то можно добраться до ее вершины, хоть и медленно, но зато теперь можно привести на ее вершину еще за собой новых людей, которые потратят намного меньше времени на первые шаги вверх.

Так поступили и китайские ученые и инженеры, разбив лунную исследовательскую программу на несколько этапов-ступенек. Причем, весь опыт, полученный в процессе реализации решений каждого этапа они далее транслировали для разработки нового этапа. И сейчас это уже четвертая итерация по освоению Луны идет. Скоро пятая — автономная экспедиция с возвращением на Землю.

А когда есть своя ракета-носитель (серия «Чанчжэн» (Long March)), свои космодромы, высококвалифицированный инженерный персонал, который работает круглосуточно и гордится своими трудами, то с каждым годом техногенный «ком» космических лунных разработок все более и более становится интенсивно-скоростным, набирая ход и открывая для его создателей новые горизонты и возможности.

Но именно на четвертой миссии пришлось использовать весь функционал прежних решений и получить возможность впервые реализовать на обратной стороне Луны:

организовать канал передачи данных «обратная сторона Луны-Земля» с помощью спутника-ретранслятора;
полноценное управление спускаемыми на поверхность аппаратами (TT&C — tracking, telemetry and command subsystem), используя подсистему слежения, телеметрии и передачи команд управления.

Одной из основных проблем при исследовании дальней стороны Луны является проблема, связанная с организацией связи, поскольку устройства на обратной стороне Луны не доступны для связи напрямую с Земли, поэтому для ретрансляции сигналов необходим отдельный спутник связи.

Cпутник-ретранслятор «Цэюцяо» (сорочий мост), запущенный в 21 мая 2018 года, работает на гало-орбите вокруг особой гравитационно стабильной точки Лагранжа Земля-Луна L2, из которой он может поддерживать прямую видимость с Землей и лунной обратной стороной в любое время для обмена данными между ЦУП и модулями проекта «Чанъэ-4».

Так же на спутнике-ретрансляторе «Цэюцяо» установлен низкочастотный спектрометр (relay LFS) с тремя пятиметровыми антеннами, с помощью которого регистрируется низкочастотное радиоизлучение ранней Вселенной, позволяющее изучить ее структуру.

Схема организации связи Земля-обратная сторона Луны:

Схема полета миссии «Чанъэ-4» до Луны:

Обратная сторона Луны чаще подвержена падению метеоритов, поэтому рельеф там очень сложный, что создает высокий риск для нештатной посадки, которая может привести к опрокидыванию или полной потери посадочного модуля в процессе прилунения.

Для миссии «Чанъэ-4» была выбрана относительно безопасная расчетная площадка для посадки в кратере Кармана, внутри которого есть обширные плоские участки на поверхности.

На стадии проектирования в бортовые компьютерные системы посадочного аппарата «Чанъэ-4» внедрены технологии искусственного интеллекта, что позволило разным модулям проекта стать намного умнее и автономнее, чем ранее запускаемые.

Массив специальных датчиков и камер, измеряющих различные параметры скоростей и расстояний, которые так же могут обрабатывать в режиме реального времени 3D-изображения, был установлены на элементах спускаемого модуля «Чанъэ-4», чтобы при выполнении процедуры посадки бортовые системы могли сами анализировать и корректировать параметры и данные по ситуации, включая информацию о текущем положении, углах и наклоне к поверхности, быстро идентифицировать нестабильные (опасные) элементы на поверхности (камни, мелкие кратеры) и смочь уклониться от таких препятствий до крайней точки невозврата в процессе посадки в автоматическом режиме без вмешательства оператора на Земле.

Видео процедуры посадки

4 января 2019 года, после окончания всех этапов процедуры успешной посадки и установки независимых каналов связи с аппаратами «Чанъэ-4» (посадочным модулем и ровером), началась эра исследования обратной стороны Луны.

Видео спуска ровера «Юйту-2»

Аппараты миссии «Чанъэ-4» начали присылать фотографии лунной поверхности:

Посадочный модуль «Чанъэ-4» и ровер «Юйту-2» оборудованы специальными камерами, спектрометрами, радарами, детекторами и дозиметрами, как Китайского, так и международного производства:

Международное научное оборудование:

Научные данные, собираемые с помощью аппаратов миссии «Чанъэ-4», передаются в специальный космический исследовательский центр и национальную астрономическую обсерваторию, где массивы полученных данных идентифицируются, каталогизируются по экспериментам, находятся на хранении, анализируются и передаются в исследовательские лаборатории и академии наук.

Что нас ждет в совсем скором будущем?

Миссия «Чанъэ-5» с возвращаемым модулем на Землю, который доставит несколько килограмм лунного грунта для новых исследований и открытий.

А далее… Полюса Луны будут новым направлением исследований – это уже миссии «Чанъэ-6 (7-8)», часть которых планируется реализовать до 2030 года.

И апогеем этих всех разработок, проектов и годов труда и полетов должна быть полноценная космическая Лунная станция (включая орбитальные модули и наземные сооружения и инфраструктуру):

Но до планируемых на следующее десятилетие событий нужно найти ответы на много сложных космических вопросов, а некоторые из них могут быть решены с помощью научных приборов, которые установлены на посадочном модуле «Чанъэ-4», ровере «Юйту-2» и спутнике-ретрансляторе «Цэюцяо».

Низкочастотный спектрометр (LFS) – установлен на посадочном модуле «Чанъэ-4» и спутнике-ретрансляторе «Цэюцяо».

Земля имеет ионосферу, которая затрудняет прием низкочастотных радиосигналов из космоса. Чтобы получить и проанализировать слабые сигналы, испускаемые многочисленными далекими небесными телами, такие радиоастрономические эксперименты должны проводиться в космическом пространстве, помогая нам изучать происхождение и эволюцию звезд, галактик и Вселенной.

Данные и результаты подобных экспериментов на околоземных орбитах оказываются так же чувствительны к электромагнитным помехам с Земной поверхности, но на обратной стороне Луны таких помех от Земли нет.

В миссии «Чанъэ-4» одновременно задействованы:

Китайский низкочастотный спектрометр LFS, установленный на посадочном модуле «Чанъэ-4»;
Голландско-китайский низкочастотный спектрометр LFS, установленный на спутнике-ретрансляторе «Цэюцяо» (Netherlands-China Low-Frequency Explorer (NCLE)).

Низкочастотный спектрометр LFS (Low Frequency Spectrometer), предназначенный для исследования солнечных вспышек и солнечной активности сейчас используется в миссии «Чанъэ-4» для проведения низкочастотных радиоастрономических наблюдений Вселенной, Солнца и других небесных тел.

Однако, эти наблюдения осложняются тем фактом, что модули «Чанъэ-4» также излучают много низкочастотных электромагнитных сигналов. Согласно данным, которые уже получили инженеры с посадочного модуля «Чанъэ-4», предстоит дополнительно проделать большую работу по удалению из них помех и выделению низкочастотных радиосигналов от Вселенной, особенно от Солнца.

Поэтому, анализ и сравнение данных спектрометра с лунной поверхности с данными спектрометра на спутника-ретранслятора, позволяют получить более понятную научную картину по этой задаче. Внешняя часть низкочастотного спектрометра LFS — это три пятиметровые антенны.

Основные характеристики и схема низкочастотного спектрометра LFS:

Основные характеристики и схема низкочастотного спектрометра на спутнике-ретрансляторе «Цэюцяо»:

Немецкий нейтронный дозиметр (LND), созданный учеными Кильского университета — установлен на посадочном модуле «Чанъэ-4».

Ведь на Луне нет атмосферы, и космическое излучение напрямую бомбардирует лунную поверхность. В следствии реакций между частицами космических лучей и материалом лунной поверхности образуется гамма-излучение и нейтроны, коэффициент излучения у которых выше, чем у протонов, электронов и фотонов, и их излучение очень вредно для живых организмов на поверхности (экипажей будущих лунных станций).

С помощью дозиметра LND проекта «Чанъэ-4» планируется исследовать лунную радиационную обстановку и собирать данные, которые можно использовать для будущей радиационной защиты обитаемых лунных баз. Основные характеристики дозиметра LND:

На ровере «Юйту-2» установлен Шведский научный прибор ASAN (Advanced Small Analyzer for Neutrals) — малый анализатор нейтральных частиц.

Протоны и ионы солнечного ветра напрямую без помех оказывают воздействуют на лунную поверхность, сталкиваясь с ней, отражаясь от нее, создавая энергические нейтральные атомы (ЭНА) и другие частицы.

Energetic Neutral Atom (ENA) — энергетический нейтральный атом (образуются, когда «случайные» атомы из межзвездного пространства сталкиваются с положительно заряженными ионами, которые с высокой скоростью движутся вокруг Солнечной системы. При столкновении активные ионы «отбирают» у атомов недостающие электроны и превращаются в энергетические нейтральные атомы).

В то же время, солнечный свет приводит к положительному заряду одной стороны Луны, а плазма — к отрицательному заряду другой стороны Луны. На стыке этих воздействий электростатическая сила выбрасывает лунную пыль в космос.

Таким образом, распыленные и отраженные зарядами частички лунного грунта покидают поверхность Луны. Изучение этого процесса имеет большое значение для понимания различных механизмов в формировании лунного слоя, как и подобных слоев на других космических объектах (астероидах и тому подобное)

Основные характеристики прибора ASAN:

А как же эти все научные приборы управляются, передают данные, получают электропитание?

Схемы связи и передачи данных научного оборудования на посадочном модуле «Чанъэ-4»:

где:

LFS — Low Frequency Spectrometer;
LND — Lunar Lander Neutrons and Dosimetry;
TCAM — Terrain Camera;
LCAM — Landing Camera.

Схемы связи и передачи данных научного оборудования на ровере «Юйту-2»:

где:

LPR — Lunar Penetrating Radar;
ASAN — Advanced Small Analyzer for Neutrals;
VNIS — Visible and Near-Infrared Imaging Spectrometer;
PCAM — Panoramic Camera.

Сравнительные фотографии, сделанные аппаратом LRO (Лунный орбитальный зонд NASA) места посадки миссии «Чанъэ-4» на обратной стороне Луны в разное время (видны на фото спускаемый модуль и ровер, который передвигается все дальше от места посадки):

Новые данные из ЦУПа миссии «Чанъэ-4» по фактической траектории ровера «Юйту-2» – на карте отмечены впадины и кратеры с уклоном, которые ровер старательно избегает.

Колеи и отметки на поверхности Луны от колес ровера «Юйту-2» останутся там нетронутыми, как минимум, на сотни тысяч лет.

Многие проблемы, которые уже сегодня были решены на Земле на стадии проектирования аппаратов для лунных миссий, могли бы стать очень сложными и фатальными, если они мешали работе оборудования на Луне.

И только увлеченные космосом люди смогли предвидеть и понять, что еще нужно сделать для спускаемого аппарата и ровера, чтобы они работали в сложных лунных условиях без критических поломок, особенно в самые ответственные моменты миссии.

Команда инженеров и сотрудников Китайской академии космических технологий, принимающих участие в миссии «Чанъэ-4»: