В апреле 2023 года японское космическое агентство предприняло попытку посадки автоматического зонда "Hakuto-R" на поверхность Луны. К сожалению, миссия аппарата окончилась неудачей.
В сентябре 2019 Индия пыталась провести подобную операцию со своим лунным зондом "Vikram", но так же не достигла успеха.
Так почему же спустя 70 лет после начала космической эры мягкая посадка беспилотного аппарата на поверхность ближайшего небесного тела остается столь трудной задачей?
Как посадить беспилотный зонд на поверхность Луны.
С появлением современных технологий возможность исследования космоса с помощью беспилотных зондов стала реальностью. Одна из наиболее сложных и важных операций во время такой миссии - посадка на поверхность другого небесного тела, а ближайшее из них - Луна.
На Земле сегодня функционируют тысячи и десятки тысяч летательных аппаратов, многие из них - беспилотные, и большинство из них благополучно приземляются. Луна же достаточно сильно отличается от земных условий с точки зрения управления полетами.
На ней нет сколько-нибудь заметной атмосферы, сила притяжения в 6 раз меньше, чем на Земле. Но главное - там отсутствует привычная для Земли инфраструктура - нет ни посадочных площадок, ни мощных радаров, способных вблизи отслеживать перемещения окололунных аппаратов, ни средств визуального наблюдения. Ближайший диспетчер для любого лунного беспилотника находится на Земле, и сигнал до него идет больше одной секунды.
Так каким же образом автоматический зонд может мягко коснуться Луны?
Рассмотрим основные элементы космического аппарата, необходимые для решения этой задачи.
Система навигации:
Система навигации критически важна для корректного определения и контроля траектории зонда. Она включает в себя инерциальные навигационные системы, высотометры, системы определения звездного положения и радиометрическую систему для отслеживания положения зонда относительно Земли.
Начнем с рассмотрения инерциальных навигационных систем (ИНС).
Это устройства, которые измеряют скорость, ориентацию и, в некоторых случаях, гравитационное ускорение объекта, к которому они прикреплены, используя различные типы датчиков. Их основное преимущество в том, что они могут работать полностью автономно, так как они не требуют внешних сигналов или данных (например, сигналов GPS).
ИНС обычно включают в себя два основных типа датчиков:
акселерометры и гироскопы.
- Акселерометры измеряют линейное ускорение. Когда космический аппарат ускоряется или замедляется, акселерометр регистрирует эти изменения.
- Гироскопы измеряют угловую скорость вращения. Это позволяет определить, когда и насколько космический аппарат вращается.
Данные, полученные от акселерометров и гироскопов, обрабатываются и используются для определения текущего состояния движения космического аппарата, включая его скорость, положение и ориентацию.
Однако важно отметить, что ИНС страдают от ошибок накопления дрейфа. С течением времени малые ошибки в измерениях угловых и линейных скоростей могут интегрироваться, ведя к значительным ошибкам в определении положения и ориентации.
Понять, почему возникает дрейф, довольно просто. Представьте, что вы измеряете длину доски одной рулеткой длиной 5 м. Если точность этих измерений при этом составляет 1 мм, то вы можете легко заявить, что этот кусок дерева имеет длину 4 метра ± 1 мм. Если же единственная рулетка, которую вы можете найти, имеет длину 0,5 метра, и вы все еще можете читать ее показания с точностью до 1 мм, то к тому времени, когда вы измерите и переместите рулетку восемь раз, вы сможете сказать, что доска имеет длину 4 метра ± 8 мм. Такая же проблема лежит и в основе ошибок инерциальных навигационных систем.
Для коррекции этих ошибок часто используются другие датчики или системы, такие как GPS, звездные датчики или радиометрические данные.
Датчики звездного положения, являются другим ключевым элементом в системах ориентации космических аппаратов. Они работают путем наблюдения за звездами и их позициями для определения абсолютного положения и ориентации космического аппарата в пространстве. Вот основные принципы их работы:
- Наблюдение за звездами: Звездные датчики содержат оптическую систему (обычно телескоп) и детектор изображения, который используется для наблюдения за звездами. Они создают изображения неба, на которых видны отдельные звезды.
- Идентификация звезд: Затем звездные трекеры используют алгоритмы обработки изображений для определения координат звезд на изображении и идентификации этих звезд. Это делается путем сравнения наблюдаемых звезд с каталогом звезд, который хранится в памяти датчика.
- Определение ориентации и положения: После идентификации звезд звездные устройства могут определить ориентацию и местонахождение космического аппарата в пространстве. Это достигается путем сравнения текущего положения идентифицированных звезд с их известными положениями в каталоге звезд.
Звездные датчики постоянно обновляют данные об ориентации космического аппарата, следя за изменениями в положении звезд с течением времени. Это позволяет они обеспечить в реальном времени точные данные о положении, которые затем могут быть использованы для управления космическим аппаратом.
Современные устройства этого типа способны автоматически отслеживать тысячи звезд и обеспечивать очень точные данные об ориентации. Они являются важной частью системы управления большинства космических аппаратов, от спутников до межпланетных зондов.
Наконец, точная и мягкая посадка невозможно без датчиков высоты. Альтиметры, или по-другому высотометры используются для определения высоты над поверхностью. Это могут быть радиоальтиметры, которые излучают радиоволны и измеряют время их возврата после отражения от поверхности, или лазерные приборы, работающие по схожему принципу, но использующие лазерные лучи.
На основании показаний альтиметра, можно рассчитать и вертикальную скорость аппарата, замеряя как изменяется высота со временем.
Системы контроля и движения:
В предыдущем разделе мы рассмотрели работу устройств, которые позволяют аппарату "понять" свое текущее местоположение и ориентацию в пространстве. Но как зонд изменяет свое текущее положение?
В первую очередь, аппарат должен иметь собственные двигатели для передвижения. Беспилотный зонд должен быть оснащен эффективной двигательной установкой, способной контролировать скорость и направление зонда, и в конечном итоге выполнить тормозной маневр для посадки на Луну. Обычно для этого используются жидкостные ракетные двигатели, способные к многократному включению и выключению, которые также способны регулировать уровень тяги.
Никакого способа посадки на Луну, кроме как за счет реактивной тяги человечество еще не изобрело. На Земле мы можем взаимодействовать с атмосферным воздухом - для безопасного возвращения с высоты на землю можно использовать парашют, крылья или несущий винт как у вертолета. Но в условиях отсутствия атмосферы аппарат вынужден садиться на поверхность так же, как взлетают ракеты на Земле, но в обратном порядке. Зонд должен развернуться двигателем по направлению движения, включить зажигание и погасить скорость, с которой он приближается к поверхности планеты за счет выброса реактивной струи.
Однако зонд нуждается не только в ускорении или замедлении в ходе полета на своей траектории. Если аппарат не развернут куда требуется - не будет смысла во включении двигателей, поскольку прежде чем двигаться, нужно повернуться в нужном направлении.
Проблема в том, что в безвоздушном пространстве космоса нет точки опоры, которая позволила бы вам совершить разворот и сориентировать свое положение. Тем не менее эта задача решается двумя основными способами:
- Реактивные системы управления (РСУ), которые используют малые ракетные двигатели, для управления ориентацией и для маневрирования. Эти системы состоят из группы маломощных двигателей, которые могут включаться и выключаться по мере необходимости. Вектор тяги при этом должен быть направлен "мимо" центра тяжести аппарата, что бы придать ему именно вращение, а не просто ускорить в определенном направлении.
Бортовой компьютер рассчитывает необходимый угол поворота и определяет, какие из двигателей РСУ нужно активировать, чтобы выполнить этот маневр. Необходимые двигатели активируются, это приводит к изменению вектора углового момента спутника и, следовательно, к повороту. Когда достигнуто требуемое положение, другие двигатели РСУ активируются в противоположном направлении, чтобы остановить вращение и стабилизировать ориентацию спутника.
- Гиродин или гиростабилизатор - разновидности механических вращающихся устройств, которые используют принцип сохранения углового момента. Во время работы диски гиродина вращаются, что придает им собственный угловой момент.
Если мы попытаемся изменить ось вращения гироскопического устройства, на его корпус будут действовать крутящие моменты, вызванные действием сил инерции. Эти моменты вызовут изменение ориентации оси вращения - явление, известное как прецессия.
При активации механизма, изменяющего ось вращения гиродина, вызывается прецессия, которая в свою очередь приводит к изменению ориентации всего космического аппарата. Поскольку в космосе отсутствуют внешние силы трения, даже небольшие изменения в ориентации могут привести к значительным поворотам аппарата.
Стоит отметить, что использование гиродинов для управления ориентацией космического аппарата требует сложного электронного управления, а также электроэнергии для поддержания вращения устройства.
Бортовой компьютер:
Важной частью любой космической миссии являются расчеты, которые должно выполнять бортовое вычислительное устройство. Они позволяют корректно управлять зондом и осуществить успешную посадку на Луну. Ниже представлены некоторые из ключевых параметров, которые необходимо рассчитать:
- Бортовой компьютер должен знать текущее положение и скорость зонда относительно Луны в любой момент времени. Это позволяет зонду корректно ориентироваться и совершать необходимые маневры.
- Компьютер должен рассчитать идеальную траекторию для посадки, а также скорость, с которой зонд должен приземлиться, чтобы избежать повреждений.
- Расчет времени до посадки позволяет зонду знать, когда нужно начать последний этап - тормозной маневр для посадки на Луну.
- Расчет тяги двигателей необходим для контроля скорости зонда и корректировки его траектории при необходимости.
- Расчет угла наклона необходимо учитывать для сохранения стабильности и контроля зонд должен знать свой угол наклона. Это особенно важно во время посадки, что бы избежать переворачивания аппарата.
На основе всех данных, зонд должен быть способен корректировать свою траекторию для обеспечения успешной посадки. Бортовой компьютер, как мозг зонда, играет важнейшую роль в каждой миссии, проводя сложные расчеты и обеспечивая функционирование всей аппаратуры. Он должен быть способен выполнять эти расчеты в реальном времени, и быть достаточно надежным, чтобы выдержать условия космического полета.
Системы связи:
Связь между лунными аппаратами и Землей осуществляется через радиоантенны, имеющие различные диапазоны частот. Обычно используются высокочастотные радиопередатчики и антенны. Большинство аппаратов работает в диапазоне X (8–12 ГГц) или в диапазоне S (2–4 ГГц) радиочастот. Диапазон X часто используется, поскольку он обеспечивает более высокие скорости передачи данных при допустимом уровне помех. В зависимости от миссии и конкретного аппарата, может быть использована и другая радиочастота.
Потребление энергии в системах связи существенно варьируется в зависимости от конкретной системы и модели аппарата. Приборы могут потреблять от нескольких ватт до нескольких сотен ватт энергии. Важным аспектом является необходимость экономии энергии, поскольку космические аппараты обычно получают энергию от солнечных панелей, и ограничены в вопросе емкости своих батарей.
Основными проблемами связи с лунными аппаратами являются расстояние между Землей и Луной, помехи и препятствия для сигнала, а также ограниченная энергия. Сигнал должен преодолеть расстояние в 384,400 км, что делает его очень слабым при достижении Земли. Кроме того, сигнал может быть нарушен солнечной радиацией или другими источниками радиошума. Наконец, лунный аппарат может быть не видим с Земли из-за его положения на Луне, что делает связь невозможной до тех пор, пока он снова не станет видимым. Все эти проблемы требуют тщательного планирования и проектирования системы связи для лунного аппарата. Это включает в себя выбор подходящей радиочастоты, проектирование антенны и системы питания, а также координацию с сетями наземных станций для приема сигнала.
Для примера, функционирующий ныне лунный орбитальный аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) от NASA оборудован и S-диапазонной и X-диапазонной антеннами:
- Одна из них является низкоскоростной антенной (S-band low gain antenna), которая обеспечивает двустороннюю связь между Землей и аппаратом для приема команд с Земли и отправки телеметрии.
- X-диапазонная антенна (X-band high gain antenna) используется для высокоскоростной передачи научных данных обратно на Землю. Она способна передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с.
В заключение отметим, что для успешного осуществления миссии лунной посадки, беспилотный зонд должен быть оснащен сложным комплексом электроники и современной аппаратурой. Этот комплекс состоит из различных устройств, каждое из которых играет важную роль в процессе посадки.
Каждый из этих элементов взаимосвязан с другими и важен для успешного выполнения миссии. Без точных показаний, предоставляемых системами определения положения, бортовой компьютер не сможет вычислить правильные команды для систем управления ориентацией. Без надежной связи с Землей команды не могут быть переданы, и информация о миссии не может быть передана обратно на Землю.
Таким образом, успешная посадка на Луну - это результат работы слаженной системы, в которой каждый компонент играет важную роль.
О том, как же все-таки осуществлялись успешные миссии в предыдущие десятилетия различными космическими агентствами, мы постараемся рассказать Вам в одной из следующих статей.
