Миссия «Чанъэ-4» — научное оборудование на посадочном модуле и спутнике-ретрансляторе
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.
Ранее опубликованные материалы про миссию «Чанъэ-4»:
Следующее десятилетние будет временем расширенных исследований лунной поверхности, нас ждут интересные открытия, и человек снова будет ходить по Луне.
Пока что этим занимаются ученые и инженеры — вот так:
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.
Краткая Китайская история освоения Луны:
1991 год: специалисты Китайской космической отрасли предложили запустить свою собственную (в том числе, независимую от других стран) программу исследования Луны.
1998 год: Китайские ученые начинают планирование Лунной программы, обсуждение деталей исследований и подтверждают осуществимость космической миссии своими силами, преодолевают первые научно-технические проблемы, возникшие на начальной стадии.
Январь 2004 года: официально запущена Китайская программа исследования Луны, названная «Чанъэ» (в честь Китайской богини Луны). Первый автоматический спутник, который планируется вывести на орбиту Луны, получил название «Чанъэ-1». Амбициозный лунный проект страны включает три этапа: беспилотные исследования Луны, отправка людей на Луну и создание базы на Луне.
24 октября 2007 года: Ракета-носитель «Чанчжэн-3A» со спутником «Чанъэ-1» успешно запущена с Китайского космодрома «Сичан».
7 ноября 2007 года: спутник «Чанъэ-1» успешно вышел на 127-ми минутную Лунную орбиту на высоте 200 км.
Октябрь 2008: старт второго этапа программы «Чанъэ-2» официально одобрен в Госсовете КНР.
12 ноября 2008 года: Китай выпускает свою первую полную карту Лунной поверхности, созданную на основе данных, полученных с «Чанъэ-1».
1 марта 2009 года: пионер Китайской лунной миссии, спутник «Чанъэ-1», который в течении 16 месяцев совершал свой орбитальный полет, завершил свою работу контролируемым падением на лунную поверхность.
1 октября 2010 года: Ракета-носитель «Чанчжэн-3С» со спутником «Чанъэ-2» успешно запущена с Китайского космодрома «Сичан», далее спутник «Чанъэ-2» вышел на 118-ти минутную Лунную орбиту на высоте 100 км.
9 июля 2011 года: спутник «Чанъэ-2» ушел с лунной орбиты к точке Лагранжа L2 системы «Солнце-Земля» (в 1,5 миллионах километрах от Земли) для проведения научных экспериментов.
25 августа 2011 года: после 77-дневного путешествия, спутник «Чанъэ-2» вышел на орбиту вокруг точки L2.
6 февраля 2012 года: Китай выпустил обновленную более детализированную лунную карту, созданную по данным со спутника «Чанъэ-2».
14 июля 2013 года: спутник «Чанъэ-2», став искусственным астероидом Солнечной системы, отдалился на 50 миллионов километров от Земли.
3 декабря 2013 года: Ракета-носитель «Чанчжэн-3В» со станцией «Чанъэ-3» успешно запущена с Китайского космодрома «Сичан».
14 декабря 2013 года: спускаемый аппарат «Чанъэ-3» совершает посадку в кратере «Залив Радуги» на видимой стороне Луны. В составе посадочного аппарата «Чанъэ-3» находится первый Китайский лунный ровер «Юйту».
25 января 2014 года: ровер «Юйту» был технически обездвижен (поломка элементов в результате столкновения) после преодоления 114,8 метра по сложной лунной поверхности.
23 октября 2014 года: запущена автоматическая лунная станция «Чанъэ-5Т1» с помощью ракеты-носителя «Чанчжэн-3C» с космодрома «Сичан». Цель проекта — испытания возвращения на Землю спускаемого аппарата для дальнейшего использования данной технологии в миссии «Чанъэ-5».
31 октября 2014 года: спускаемый аппарат проекта «Чанъэ-5Т1» отделился от служебного модуля, вошёл в атмосферу Земли и совершил мягкую посадку в хошуне Сыцзыван автономного района Внутренняя Монголия.
18 февраля 2016 года: посадочный модуль «Чанъэ-3» продолжает работать в штатном режиме спустя 28 лунных дней, превысив расчетное и проектное аппаратное время жизни.
14 декабря 2016 года: посадочный модуль «Чанъэ-3» отработал на поверхности Луны три года, что является рекордным периодом для работы спускаемого аппарата на поверхности Луны.
21 мая 2018 года: с Китайского космодрома Сичан запущен спутник-ретранслятор «Цэюцяо» (сорочий мост), он необходим для организации связи между Землей и обратной стороной Луны.
14 июня 2018 года: Cпутник-ретранслятор «Цэюцяо» вышел на гало орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы «Земля-Луна», примерно в 65000 км от Луны, став первым в мире спутником связи, работающим на этой орбите.
8 декабря 2018 года: Ракета-носитель «Чанчжэн-3B» со станцией «Чанъэ-4» успешно запущена с Китайского космодрома «Сичан».
3 января 2019 года: спускаемый аппарат «Чанъэ-4» совершает посадку в кратере «Карман» на обратной стороне Луны. В составе посадочного аппарата «Чанъэ-4» находится второй Китайский лунный ровер «Юйту-2», модернизированный аналог ровера «Юйту». Аппараты миссии «Чанъэ-4» продолжают сейчас работать в штатном режиме.
2019–2020 год: Ожидается реализация миссии «Чанъэ-5», апофеозом которой является доставка на Землю не менее двух килограммов лунных образцов.
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.
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.
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»:
