Астрономический вестник, 2021, T. 55, № 6, стр. 509-521

ВВЕДЕНИЕ

С 9 августа 1976 г., когда была запущена советская автоматическая межпланетная станция “Луна-24”, которая 18 августа совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Кризисов, Россия не отправляла к Луне космические аппараты (КА) (Ширшаков и др., 2019). КА “Луна-25”, который разрабатывается АО “НПО Лавочкина” в рамках опытно-конструкторской работы “Создание космического комплекса для исследований Луны” (ОКР “Луна-Глоб”) (Федеральная космическая программа, 2016; Хартов, 2015; Khartov и др., 2011), станет первым автоматическим КА, который отправится к Луне для осуществления мягкой посадки в районе Южного полюса после более чем сорокалетнего перерыва и ознаменует начало российской программы исследования и освоения Луны. Выбор для посадки КА полярного района Луны определен многими исследованиями, включая дистанционные наблюдения с орбитальных лунных космических аппаратов и обусловлен возможным существованием там водяного льда и летучих соединений.

Основными задачами КА “Луна-25” являются:

– отработка технологии перелета и мягкой посадки в приполярный район Луны;

– проведение комплексных научных исследований в районе Южного полюса Луны.

КА “Луна-25” создается с использованием последних достижений в области космического приборостроения и с учетом опыта предыдущих лунных экспедиций АО “НПО Лавочкина”.

Запуск КА “Луна-25” запланирован на конец 2021 г. В АО “НПО Лавочкина” ведутся интенсивные работы по наземной экспериментальной отработке бортовых систем и макетов КА.

СТРУКТУРА ЭКСПЕДИЦИИ КА “ЛУНА-25”

Экспедиция КА “Луна-25” состоит из следующих основных этапов:

– старт ракеты “Союз-2” с космодрома Восточный и выведение головного блока (ГБ), состоящего из разгонного блока (РБ) “Фрегат” и КА “Луна-25” на незамкнутую траекторию;

– довыведение разгонным блоком “Фрегат” ГБ на опорную орбиту искусственного спутника Земли (ИСЗ) с наклонением ~51.7° и высотой 200 км;

– перевод КА на траекторию перелета к Луне при помощи одного включения РБ “Фрегат”;

– перелет Земля–Луна с проведением траекторных измерений и двух коррекций;

– торможение у Луны и выход КА на круговую околополярную орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ) высотой 100 км;

– проведение на орбите ИСЛ серии траекторных измерений и определение ее фактических параметров;

– проведение связанной коррекций орбиты для устранения ошибок и приведения параметров орбиты к номинальным значениям;

– проведение на орбите ИСЛ серии траекторных измерений и уточнение ее фактических параметров; на этом этапе должен быть выбран район посадки (основной или резервный);

– проведение маневра по формированию посадочной орбиты с высотой периселения 18 км, располагающегося над районом предстоящей посадки;

– проведение на посадочной орбите ИСЛ с низким перицентром серии траекторных измерений, уточнение параметров орбиты ИСЛ, расчет и ввод полетного задания на программу торможения;

– включение двигательной установки КА для перевода на траекторию спуска и осуществление мягкой посадки на поверхность Луны.

Время полета от старта до выхода на орбиту ИСЛ по энергетически оптимальным траекториям перелета составляет от 4.5 до 5.5 сут, время нахождения на орбите ИСЛ по технологическим причинам органично и составляет не более 7 сут.

Схема полета КА “Луна-25” представлена на рис. 1.

Посадка будет производиться в один из двух районов Южного полюса со следующими селенографическими координатами (см. табл. 1).

Схема посадки КА “Луна-25” представлена на рис. 2. Программа ориентации КА в сеансе “Посадка” предполагает наличие следующих участков:

– подготовительного участка, с использованием звездных приборов ориентации, бесплатформенных инерциальных блоков;

– участка управления КА с проведением калибровки нулевых сигналов углоизмерительных и акселерометрических каналов измерений;

– участка переориентации КА с калибровкой масштабных коэффициентов углоизмерительных каналов;

– участка успокоения КА;

– участка переориентации КА в положение, соответствующее включению корректирующего тормозного двигателя (КТД);

– участка включения доплеровского измерителя скорости и дальности, проверки его работоспособности и других бортовых систем;

– последовательного выполнения участков основного торможения, свободного падения, повторного торможения и участка спуска с постоянной скоростью.

В момент касания одного из датчиков посадочных опор с поверхностью выдается команда на выключение всей двигательной установки и КА опускается на поверхность Луны с вертикальной скоростью от 1.5 до 3 м/с, остаточной горизонтальной скоростью не более 1 м/с и углом отклонения продольной оси от гравитационной вертикали не более 7°.

После посадки и наведения направленной антенны на Землю начинается этап функционирования КА на поверхности Луны в течение одного года.

В процессе функционирования на поверхности Луны выполняются следующие задачи:

– наведение направленной антенны (НА) на Землю;

– обеспечение функционирования служебных систем при проведении сеансов работы с научной аппаратурой и пребывании в дежурном режиме;

– обеспечение функционирования научной аппаратуры;

– обеспечение двухсторонней связи с Землей через БА КИС для контроля основных операций, выполняемых на поверхности Луны;

– обеспечение передачи на Землю научной информации через РУ ПНИ;

– обеспечение панорамной съемки поверхности Луны, в том числе с помощью манипулятора в заданном направлении;

– выполнение манипулятором операций забора грунта и загрузки грунта для анализа в приемник научного прибора;

– панорамная съемка, забор грунта осуществляются в первый лунный день (14.5 земных сут).

Функционирование КА на поверхности Луны организуется по циклической программе, привязанной к лунному дню и лунной ночи.

На протяжении лунной ночи аппаратура КА полностью выключена с обеспечением требуемого теплового режима от радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ). На время лунной ночи остаются включенными часы реального времени, получающие питание от РИТЭГ. Выключение питания борта на заходе Солнца и включение на восходе происходит автоматически по логике взаимодействия настроенных по командно-программной информации (КПИ) часов реального времени и автоматики системы электроснабжения (СЭС).

Основные операции по работе комплекса научной аппаратуры (КНА) выполняются во время лунного дня. Длительность, энергетические возможности функционирования КА и возможность работы КНА после и перед заходом Солнца будут определяться с учетом реальной ориентации солнечных панелей КА на поверхности Луны, состояния аккумуляторной батареи (АБ) через три–пять лунных ночей, а также теплового режима.

В течение лунного дня (14.5 сут) с соблюдением суточного энергобаланса КА должен выполнить следующую программу:

– проведение сеансов научных исследований с записью научной информации в блок управления КНА;

– сеансы связи с воспроизведением информации научной аппаратуры и ввода КПИ (наведение направленной антенны на Землю осуществляется однократно в первом сеансе);

– нахождение в дежурном режиме с восполнением заряда аккумуляторной батареи.

В течение лунной ночи (14.5 сут) КА находится в режиме выживания с полностью выключенной аппаратурой.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КА “ЛУНА-25”

КА “Луна-25” является частью космического комплекса “Луна-25”, в состав которого также входят:

– ракетно-космический комплекс;

– наземный комплекс управления;

– наземный научный комплекс.

Основными характеристиками КА “Луна-25” являются следующие:

– масса КА 1750 кг;

– масса научной аппаратуры (научные приборы, лунный манипуляторный комплекс (ЛМК) и служебную телевизионную систему) 30 кг;

– скорость передачи служебной информации не менее 1 Кбит/с;

– скорость передачи с КА научной информации не менее 4 Мбит/с;

– максимальная дальность радиосвязи, обеспечиваемая наземными и бортовыми средствами, 410 тыс. км;

– срок активного существования 1 год.

Общий вид КА и основные системы представлены на рис. 3 и 4.

В табл. 2 представлен состав и массовая сводка КА “Луна-25”.

НАЗЕМНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА КА “ЛУНА-25”

В соответствии с комплексной программой экспериментальной отработки (КПЭО) КА предусмотрено создание 16 изделий, из них завершено испытание 11. Перечень экспериментальных изделий их назначение и статус отработки представлен в табл. 3.

КА “Луна-25” изготавливается по “протолетной” технологии – материальная часть изделия электрорадиотехнических испытаний после завершения ЭРТИ будет переведена в статус летного изделия и, пройдя наземные испытания по программе летного изделия, будет запущена в космос.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Реализация космической экспедиции “Луна-Глоб” (КА “Луна-25”) является важным шагом в освоении космического пространства, который позволит на качественно новом уровне взглянуть на перспективы освоения планет Солнечной системы, понять механизмы зарождения планет, появления воды и, следовательно, жизни на Земле. Проект “Луна-Глоб” важен, в том числе и для престижа России. Не секрет, что давно и успешно реализованы лунные проекты в США, Китае, Индии, странах Евросоюза. Более того, в настоящее время прорабатываются миссии к Луне на уровне частных компаний, с привлечением волонтеров из разных стран, включая студентов ВУЗов и аспирантов.

Успешная реализация российского проекта “Луна-Глоб” позволит:

– подтвердить технологический статус России, как государства, обладающего возможностями по доставке на Луну полезной нагрузки;

– создать технологический задел для реализации последующих лунных миссий;

– обеспечить гарантированный доступ России на поверхность Луны;

– начать исследования Луны с новым качеством;

– впервые в мире начать исследования грунта Луны в области Южного полюса.