Попадание в яблочко: что необычного в посадке японского зонда на Луну

19 января «Умный посадочный модуль для исследования Луны» (Smart Lander for Investigating Moon или SLIM) сел в Море Нектара в районе кратера Сиоли. Аппарат принадлежит японскому космическому агентству JAXA. Тем самым Япония стала пятой страной, чьи аппараты успешно работали на поверхности Луны, после СССР, США, Китая и Индии.

Согласно пресс-релизу JAXA, связь с зондом есть, но его солнечные батареи не вырабатывают электроэнергию, и аккумуляторы быстро разряжаются. По информации CNN, инженеры все еще надеются исправить ситуацию.

Также SLIM выпустил два миниатюрных лунохода, как минимум с одним из которых была установлена связь.

Скромный пилигрим

SLIM был запущен 6 сентября 2023 года на той же ракете, что и рентгеновский телескоп XRISM. Инженеры JAXA выбрали траекторию, экономящую топливо, а не время, поэтому зонд достиг Селены только в октябре. Сделав оборот по очень вытянутой окололунной орбите, аппарат вернулся к Луне в декабре и начал маневры для перехода на новую траекторию и посадки.

SLIM — небольшой зонд массой 190 кг (без топлива). Его научный арсенал отнюдь не поражает воображение. На борту зонда всего один измерительный прибор: многодиапазонная спектральная камера для изучения местных минералов. 

Такой выбор не случаен. Обычный лунный грунт миллиарды лет подвергался воздействию перепадов температур, космических лучей и микрометеоритов. Эта эрозия неизбежно отразилась на его свойствах. Однако сравнительно молодой кратер Сиоли окружен россыпями вещества, выбитого из него попаданием метеорита. Этот относительно свежий грунт должен быть больше похож на первозданный материал, из которого когда-то образовалась Луна. В связи с нештатной посадкой пока неизвестно, удастся ли собрать какие-то данные с помощью камеры. 

Кроме того, зонд привез на Луну два крошечных лунохода Lunar Excursion Vehicle (LEV-1 и LEV-2). Они немного отличаются конструкцией. LEV-1 передвигается прыжками, а LEV-2 катится по достаточно гладкой поверхности. Эта шарообразная машинка диаметром 8 см и массой 250 г может делать снимки на две миниатюрные камеры. На момент публикации известно только о связи с LEV-1.

Даже без всяких аварий SLIM и оба LEV проработали бы только до наступления местной ночи. После этого питание от солнечных батарей станет невозможным, а потом электроника выйдет из строя из-за космического мороза. Среди полезной нагрузки миссии долговечностью может похвастаться только система отражателей LRA. Это просто зеркала, на которые можно светить лазером с Земли, чтобы определить расстояние до Луны с высокой точностью. Такие измерения важны, но они не первые в своем роде: подобные приборы появились на Луне еще в эпоху «Аполлонов».

В общем, программа SLIM вызывающе минималистична. Это может показаться странным, учитывая, что в активе JAXA есть очень амбициозные миссии. Аппараты «Хаябуса-1» и «Хаябуса-2» детально изучили астероиды Итокава и Рюгу. Они даже доставили на Землю астероидный грунт, впервые в истории космонавтики.

На рубеже веков японцы предпочли астероидные программы лунным, чтобы быть первыми, а не третьими. С тех пор в «лунный клуб» вошли Китай и Индия, неудачную попытку предприняла Россия. Посадочные модули отправляли к Луне даже частные компании, в том числе и японские, но пока ни один частный аппарат не выполнил свою задачу. В такой ситуации демонстративное самоустранение одной из ведущих космических держав из лунной гонки перестало выглядеть респектабельно. Однако неужели в JAXA решили просто «отметиться» на Луне, не сделав почти ничего полезного?

Отнюдь нет. Миссия SLIM решает очень интересные задачи, но не научные, а технологические. Первая и самая важная из них — отработка технологии точной посадки.

В белое яблочко Луны

Типичное отклонение от запланированной точки прилунения — несколько километров, а иногда и десятки километров. Похожая ситуация с Марсом и Венерой. Посадка «Хаябусы-2» на Рюгу была довольно точной, но только благодаря тому, что слабая гравитация астероида позволяла маневрировать почти у самой поверхности.

С этими погрешностями можно было мириться, когда вся Луна была terra incognita. Первые измерения и фотографии с поверхности нашего спутника, первые образцы грунта были ценны именно тем, что они — первые. Конкретная точка не имела особого значения. Но с тех пор утекло много воды и ракетного топлива. На счету мировой космонавтики более 20 мягких посадок, в том числе шесть — с астронавтами. На Землю доставлены более 2000 образцов лунного грунта общей массой почти 400 кг. Не говоря уже о детальных снимках с окололунной орбиты.

Безусловно, ученые все еще рады каждому байту с лунной поверхности. Лунные экспедиции потеряют научный смысл, только когда Луна будет изучена не хуже Земли. Но чтобы получить качественно новые данные, не говоря о настоящих открытиях, уже недостаточно сесть «куда-нибудь на Луну». Нужно исследовать самые интересные геологические структуры, замеченные с орбиты. А для этого прежде всего нужно прилуниться рядом с ними.

Разработчики SLIM поставили амбициозную цель: посадку с погрешностью не более 100 метров. Для этого аппарат был оснащен инновационной системой навигации на основе компьютерного зрения. Она опирается на изображения с навигационной камеры вкупе с данными радара и лидара. Компьютер должен был не только вывести зонд к нужной точке, но и распознать препятствия, например, большие камни, чтобы увести аппарат от них. В пресс-релизе JAXA нет информации, на каком расстоянии от запланированной точки сел аппарат.

SLIM использовал инновационную систему торможения. Двигатели должны были выключиться на высоте трех метров над поверхностью. После этого модуль должен был буквально упасть на поверхность — на Луне с ее низкой гравитацией это не так страшно, как на Земле. Для смягчения падения использовалась алюминиевая решетка, сделанная на 3D-принтере. Она должна была разрушиться от удара, как шлем мотоциклиста, и поглотить его энергию.

Очевидно, при посадке что-то пошло не так. Возможно, аппарат упал на бок, и теперь солнечные лучи не достигают фотоэлементов. Для окончательных выводов пока недостаточно данных.

Легкие средства для трудных целей

Еще одна инновация японских инженеров — снижение массы аппарата. Несущий элемент конструкции — не корпус или рама, а топливный бак. Фактически SLIM — это обвешанная двигателями и электроникой бочка с топливом. При этом топливо и окислитель хранятся в одном баке, разделенные лишь тонкой переборкой. Кроме того, специалисты применили двигатели новой конструкции, сочетающие высокую тягу с небольшим собственным весом. Системы электропитания и бортовой компьютер тоже облегчены. 

Трудно сказать, какую массу в итоге сэкономили разработчики. Но пока доставка на Луну каждого килограмма груза оценивается в сотни тысяч долларов, идея облегчить конструкцию хотя бы на десяток-другой килограммов выглядит очень здравой. Однако еще вопрос, не снижают ли эти новшества надежности зонда. Например, нетрудно представить, что случится, если тонкая перегородка между топливом и окислителем даст течь.

В любом случае испытание новых конструкций — полезный опыт для развития космонавтики. Инженерам предстоит выяснить, что за сбой не позволил SLIM сесть штатно. Недостатки нужно будет устранить, а удачные решения — тиражировать.

Чтобы найти верный путь, иногда нужно рисковать. И если уж рисковать, то именно такими зондами, как SLIM: легкими, беспилотными и с минимальной научной программой.