«Земля и Вселенная» 2003 №4, с. 18-28

Интенсивные исследования Луны — ближайшего небесного соседа Земли — с помощью автоматических межпланетных станций и экспедиций астронавтов по программе "Аполлон" позволили подробно изучить ее строение, химический и минералогический состав, структуру недр и показали перспективность разработки лунных природных ресурсов для пилотируемых полетов. Какие научные проблемы предстоит решать в недалеком будущем? Какие программы готовятся для изучения Луны? Об этом рассказывает в статье известный российский ученый, лауреат Ленинской и Государственной премий, заслуженный деятель науки и техники, академик Международной академии астронавтики, заместитель председателя Секции "Планеты и малые тела" Совета РАН по космосу, заведующий лабораторией планетных исследований Юрий Александрович Сурков. Им созданы приборы, установленные на посадочных и орбитальных станциях "Луна", впервые исследовавших свойства лунного грунта (Земля и Вселенная, 1967, № 6).

ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЛУННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полеты автоматических космических аппаратов и пилотируемых кораблей, запущенных к Луне в 1960-70-е гг. (Земля и Вселенная, 1998, № 4), выходивших на окололунные орбиты, садившихся на ее поверхность, доставивших на Землю образцы пород из разных районов Луны, обогатили нас принципиально новой информацией, недоступной при исследовании астрономическими методами. Оказалось, например, что поверхность Луны покрыта мелкозернистой слабосвязанной шлакообразной породой (реголитом), образовавшейся в результате постоянного воздействия на лунную поверхность космических лучей, солнечного ветра, микрометеоритов и метеоритов. Такая переработка первичной породы привела к созданию слоя реголита толщиной от нескольких сантиметров до десятков метров, в зависимости от района поверхности (Земля и Вселенная, 1968, №2; 1980, №4). Уникальное свойство реголита — шлакообразное сцепление: несмотря на мелкозернистую структуру, он не продавливается на большую глубину. Это зафиксировали первые советские станции, посаженные на Луну, отметили советские и американские луноходы, а также американские астронавты, перемещавшиеся по лунной поверхности в тяжелых скафандрах.

Такой мы впервые увидели поверхность Луны ("Луна-9", 1966г.). Фото.

Неожиданным стало еще одно обстоятельство: все образцы, доставленные из разных районов Луны, были абсолютно сухими, без каких-либо признаков воды. Между тем вода является основным природным ресурсом Луны, который мог бы обеспечить там жизнедеятельность человека. Неудача с поиском воды явилась одной из причин, заставивших ученых вернуться к исследованию Луны. Целью поиска стали летучие компоненты, но особенно — водяной лед в вечно затененных кратерах в полярных районах Луны. Как известно, вода состоит из атомов водорода, который может служить важным компонентом реактивного топлива для космических аппаратов, а входящий в состав воды кислород необходим человеку (Земля и Вселенная, 2001, № 4). Выяснилось, что природные ресурсы Луны еще более богаты. В течение многих миллионов лет Солнце облучало поверхность Луны и Земли солнечным ветром, имеющим в своем составе изотоп гелий-3 (Земля и Вселенная, 1967, № 1). Попавший на лунную поверхность Не³ практически весь сорбировался реголитом, поэтому концентрация его в поверхностном слое лунной породы значительно больше, чем на Земле, где поверхностный слой почвы постоянно подвергался воздействию атмосферы и процессов, формировавших кору Земли. По некоторым оценкам ученых, реголит на Луне содержит около 1 миллиона тонн Не³. Это имеет огромное значение для будущей термоядерной энергетики на Луне и Земле, прежде всего потому, что он участвует в чистых (т.е. безнейтронных) реакциях с большим выделением энергии:

В настоящее время проведена оценка работы передвижного лунного комплекса, рассчитанного на производство 100 кг гелия-3 в год. Согласно этим оценкам, за год нужно переработать трехметровый слой лунного грунта на площади 2.4 км². Энергетика производства гелия-3 может быть обеспечена при помощи ретрансляции солнечного излучения стационарным зеркалом на энергетический модуль комплекса. Нагрев добытого реголита планируется производить микроволновой техникой.

К сожалению, пока неясны все детали устройства термоядерных реакторов. Известны только основополагающие принципы их работы. И тем не менее имеющихся знаний достаточно для вывода о том, что такой термоядерный реактор может дать выгоду даже в случае доставки термоядерного топлива с Луны на Землю.

Следует добавить, что исследование Луны имеет не только научное, но и прикладное значение: с этого ближайшего к Земле небесного тела можно наблюдать за процессами, происходящими в космическом пространстве. Например, при изучении во всем диапазоне спектра небесных объектов (включая сверхновые, нейтронные звезды, черные дыры, галактические ядра и квазары); при длительных наблюдениях Солнца в оптическом диапазоне в условиях глубокой затененности; в радиоастрономии, требующей низкой интерференции; при измерении галактических космических лучей; при слежении за астероидами и кометами. Преимущество использования Луны для решения научных задач определяется отсутствием у нее, в отличие от Земли, затрудняющих исследование слабых и удаленных объектов.

По тем же соображениям Луна может быть использована для дальней космической связи; слежения за полетом космических аппаратов; ретрансляции солнечной энергии на Землю; жизнеобеспечения обитаемых баз (эксперименты по выращиванию сельскохозяйственных растений) и проведения медико-биологических исследований; изучения залежей минералов на Земле; развития техники низкотемпературных производственных процессов на Земле, а также в качестве нового источника стимуляции жизни человека (тренировки космонавтов в условиях низкой гравитации).

Лишь два десятилетия спустя после завершения последней экспедиции АМС к Луне (1976 г.) ученые вновь обратили на нее внимание, чтобы понять ее происхождение, формирование недр и современное строение, а также ее роль и значение в изменении облика нашей планеты. Какие же главные научные проблемы предстоит решать? Перечислим: происхождение Луны; изменение химического и минералогического состава лунных пород на поверхности и в недрах; строение Луны и история формирования ее коры; термическая история; происхождение палеомагнетизма; природа масконов; формирование реголита; исследование замороженных летучих (Н₂О, Не³, ТiO₂, следовых элементов или примесей и др.). Решением этих научных и прикладных проблем человечество будет заниматься еще долгие годы. Каждая из них требует длительных исследований, применения новых методов и технологий.

Однако сегодня наиболее актуальны поиск и освоение природных ресурсов на Луне и планетах, т.к. совершенно очевидно, что некоторые природные ресурсы (нефть, газ, уголь, ядерная энергетика) на Земле будут в ближайшие столетия исчерпаны или придется их добывать из недосягаемых сегодня глубин нашей планеты.

Сегодня на Луне поиск и освоение природных ресурсов наиболее доступны. Поэтому приоритетными должны быть запуски на Луну космических аппаратов с целью поиска и добычи воды, гелия-3 и других летучих веществ, трансформации солнечной энергии на Землю, обеспечения жизнедеятельности обитаемых баз и экипажей космических кораблей, совершающих посадку на Луну.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУНЫ В США (1994-98 гг.)

Важным шагом в развитии представлений о Луне стал запуск в 1994 г. американской АМС "Clementine" (Земля и Вселенная, 1995, №5; 1997, №5), созданной совместно NASA и военным ведомством США. Основной целью полета было испытание аппарата нового типа (уменьшен вес конструкции, двигателей и служебных систем). Станция вышла на окололунную орбиту, картографировала поверхность Луны в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн с высокой разрешающей способностью (125-250 м/пиксель изображения). С помощью лазерного альтиметра исследовался рельеф поверхности. В результате эксперимента была создана первая топографическая карта Луны, определен химический и минералогический состав пород некоторых континентальных и материковых районов лунной коры.

Лунный космический аппарат "Clementine" (США, 1994 г.). Рисунок NASA.

В 1998 г. был запущен к Луне КА "Lunar Prospector" (Земля и Вселенная, 1999, №3; 2000, №4; 2001, № 1), исследовавший ее с низкой полярной орбиты, чтобы получить с хорошим разрешением данные для картирования состава поверхности и поиска возможных отложений льда в полярных районах, а также провести магнитные и гравитационные измерения, обнаружить дегазацию поверхности Луны. На спутнике было установлено 6 научных приборов: гамма-спектрометр (определение элементного состава пород), нейтронный спектрометр (обнаружение воды на Луне), магнитометр и электронный рефлектометр (измерение дипольного и локальных магнитных полей), альфа-спектрометр (выявление дегазации лунной поверхности по обнаружению радона и продуктов его распада), допплеровский гравиметр (измерение гравитационного поля). Наконец, цель последнего эксперимента — преднамеренное падение спутника на лунную поверхность в районе Южного полюса, в один из вечно затененных кратеров, чтобы в результате взрыва можно было обнаружить следы воды в возникшем облаке пыли и, используя некоторые наземные и находящиеся в космосе обсерватории, доказать существование воды на Луне. Ученые предполагают, что на Луне должно быть около 100 млн. т воды (Земля и Вселенная, 2000, № 5). Однако убедительных доказательств существования воды на Луне в данном эксперименте получить не удалось. По результатам орбитальных исследований сделано заключение о вероятном содержании водяного льда в грунте (0.3-1.0%) в полярных районах Луны.

Вместе с тем 70-суточный полет КА "Lunar Prospector" на орбите спутника Луны позволил получить

Европейская малая лунная станция "Smart-1". Рисунок ESA.

В 2003 г. Европейское космическое агентство (ESA) в рамках программы "Горизонт-2000" планирует запустить малую АМС "Smart-1" для отработки технологии дальних полетов больших космических аппаратов в будущем, Предполагается вывести космический аппарат на орбиту спутника Луны высотой 200-400 км и в течение 6 месяцев проводить исследования Луны, маневры и пролеты около неизвестных малых небесных околоземных объектов (комет или астероидов). Масса космического аппарата — около 300 кг, в том числе примерно 10% — научная аппаратура, включая телевизионную камеру, датчики плазмы и космической пыли, рентгеновский спектрометр. Главная техническая задача — испытание солнечного электрического двигателя, вторая по важности — полет к двум небесным телам и третья — исследование среды околоземного и окололуннного пространства. Это первый лунный проект ESA, в нем принимают участие 6 европейских стран.

Советская автоматическая станция "Луна-9", первой в мире совершившая мягкую посадку на лунную поверхность в 1966 г. Показаны моменты торможения КА, отделения спускаемого аппарата с надувным амортизатором и прилунения станции. Рисунок НПО им. С. А. Лавочкина.

На декабрь 2005 г. Япония запланировала запуск к Луне космического аппарата "Selene-1" (селенологический и инженерный исследователь), состоящего из орбитального и посадочного аппаратов. Цель полета — всестороннее изучение Луны. На борту "Selene-1" установлено 13 научных приборов, в том числе телевизионные камеры для съемки поверхности в разных диапазонах длин волн (от видимого до инфракрасного); рентгенофлюоресцентный спектрометр и гамма-спектрометр, предназначенные определить элементный состав пород, чтобы решить проблемы происхождения, эволюции и тектоники Луны. Космический аппарат имеет стартовую массу 2 т. Через 5 сут после запуска он достигнет Луны и от него отделится спутник связи (транслирующий данные на Землю), который выйдет на эллиптическую орбиту высотой 2400 км в апогее. Помимо передачи информации спутник будет производить гравитационные измерения.

Автоматическая лунная станция "Луна-24", доставившая на Землю образцы лунного грунта, взятые с глубины более 2 м (СССР, 1976 г.). Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

В августе 2003 г. Японское космическое агентство (ISAS) наметило старт к Луне космического аппарата "Lunar-A" массой 520 кг. Научные задачи КА следующие: картирование лунной поверхности; регистрация лунотрясений; измерение тепловых свойств подповерхностного грунта и теплового потока, идущего из недр Луны; изучение лунного ядра и внутреннего строения Луны. "Lunar-A" предполагается оснастить картирующей телевизионной камерой и двумя сбрасываемыми пенетраторами (Земля и Вселенная, 1995, № 4). Пенетраторы оснащаются сейсмометрами и устройствами для измерения теплового потока. Сейсмометры будут регистрировать лунотрясения в течение года, полученные данные помогут определить внутреннее строение Луны (Земля и Вселенная, 1965, № 6). Измерения теплового потока расширят представление о тепловой истории и эволюции Луны.

Отметим, что Китай и Индия также планируют в ближайшие годы осуществить запуски автоматических лунных станций, а до 2020 г. — и пилотируемые рал полеты на Луну.

Типовая схема попета КА, разработанная для проекта "Луна-Глоб" (Россия). Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

Как известно, в январе 1966 г. в Советском Союзе впервые в истории человечества осуществлен запуск космического аппарата, совершившего посадку на другое небесное тело Солнечной системы. АМС "Луна-9" тогда получила первые панорамные изображения поверхности, был определен характер породы в районе посадки в Океане Бурь (Земля и Вселенная, 1966, №2).

Последний космический аппарат, запущенный на Луну Советским Союзом, — АМС "Луна-24" (1976 г.). Она совершила посадку в районе Моря Кризисов и, с помощью бурового устройства взяв керн породы массой 170 г с глубины более 2 м, доставила его на Землю. Прием контейнера с лунным грунтом, вскрытие его в камере с инертной атмосферой и первичные исследования лунных образцов производились в ГЕОХИ им. В.И. Вернадского в лаборатории автора этой статьи (Земля и Вселенная, 1999, № 6). Заметим, что контейнеры с лунным грунтом, доставленные на Землю АМС "Луна-16" (1970 г.) и "Луна-20" (1972 г.), были вскрыты и предварительно исследованы в этой же лаборатории. Всего за десятилетие (1966-76 гг.) Луну исследовали 15 советских космических аппаратов.

Что предполагается делать дальше? Каким будет следующий космический аппарат, который сегодня разрабатывается в России?

Первый российский проект ("Луна-Глоб") нового этапа исследования Луны имеет две цели:

1. Исследование ее внутреннего строения, в частности определение размера ядра. Решение этой проблемы явится важным вкладом в развитие представлений о происхождении Луны.

2. Поиск природных ресурсов, например воды и других летучих, с целью их освоения и использования при решении прикладных задач на Луне и Земле.

В соответствии с техническим заданием ГЕОХИ им. В.И. Вернадского в НПО им. С.А. Лавочкина выполнены исследования по определению параметров и компоновке космического аппарата по проекту "Луна-Глоб", разработана схема полета (Земля и Вселенная, 1999, № 6).

Вид КА "Луна Глоб" сверху и сбоку. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина.

В проекте исследования Луны рассматривались два варианта космического аппарата с применением ракет-носителей среднего класса — "Союз" с разгонным блоком "Фрегат" и "Молния". Прорабатывались также схемы различной комплектации космического аппарата. При этом в базовом варианте КА учитывалась необходимость выведения на орбиту спутника Луны станции, предназначенной для дистанционного исследования поверхности Луны; обеспечения посадки аппаратов в заранее выбранные места и трансляции с них телеметрической информации на Землю; посадки полярной станции в затененный кратер; посадки двух малых аппаратов в экваториальном районе для развертывания сети сейсмометрических станций; посадки десяти скоростных пенетраторов.

Напомним, что ракета-носитель "Молния"состоит из четырех ступеней и имеет стартовую массу 320 т. Первые три ступени РН позволяют выводить космический аппарат массой около 7 т на круговую околоземную орбиту высотой 200 км. Разгонный блок (четвертая ступень) предназначен для перевода космического аппарата с промежуточной орбиты ИСЗ на расчетную межпланетную траекторию полета. Время перелета к Луне составляет примерно 4.5 сут. На трассе перелета вначале производится отделение от космического аппарата кассеты с десятью скоростными пенетраторами. Кассета, вращаясь вокруг оси, направленной в сторону Луны, продолжает самостоятельный полет. При достижении заданного расстояния до Луны от кассеты отделяются пять пенетраторов, которые продолжают полет к Луне и внедряются в ее поверхность по кругу диаметром около 10 км на равном расстоянии друг от друга. По мере приближения к Луне от кассеты отделяются остальные пять пенетраторов, которые внедряются в поверхность по кругу радиусом 5 км, расположенному внутри круга первых пенетраторов.

Схема посадки одного из пенетраторов на лунную поверхность. Рисунок НПО им. С. А. Лавочкина.

На следующем этапе полета космического аппарата происходит последовательное отделение двух малых посадочных станций, которые затем выполняют мягкую посадку на Луну. На заключительном этапе КА выходит на орбиту искусственного спутника Луны, а полярная станция осуществляет жесткую посадку в выбранный кратер.

На ИСЛ устанавливается комплекс научной аппаратуры для дистанционного зондирования поверхности с высокой разрешающей способностью (телевизионная съемка поверхности в видимом и ИК-диапазонах); определения физических характеристик и элементного состава пород в выбранных районах посадок станций; поиска воды в полярных районах и других исследований. На спутнике имеется также комплекс служебной аппаратуры, обеспечивающей длительное существование спутника на орбите.

Полярная станция несет восемь научных приборов. Впервые на Луне предполагается применить гамма-спектрометр с детектором из сверхчистого германия для определения элементного состава породы и масс-спектрометр для определения состава летучих веществ, сконденсировавшихся в кратере. Телевизионную съемку будут проводить при искусственных источниках освещения (осветительные ракеты, ламповые вспышки, спектрозональные световые диоды). Масса полярной станции с жесткой посадкой (наподобие пенетратора) составляет 250 кг, из них 180 кг приходится на тормозные двигатели. Скорость при внедрении — 80-100 км/с, перегрузка — до 500 единиц (1g = 1 ед.). При использовании полярной станции с мягкой посадкой (с применением надувных амортизаторов) перегрузки уменьшаются до 200 единиц.

Посадочные аппараты будут располагаться в экваториальных районах на расстоянии не менее 300 км друг от друга. На них установят широкополосные сейсмоприемники и телевизионные камеры. Аппараты имеют вид пенетраторов и внедряются с той же скоростью и перегрузкой, что и полярная станция, но обладают меньшей массой.

Высокоскоростные пенетраторы оборудуются сравнительно узкополосными сейсмоприемниками, составляющими малоапертурную сейсмическую группу. Они внедряются в поверхность Луны по внешнему кольцу диаметром 10 км (5 пенетраторов) и по внутреннему кольцу диаметром 5 км (5 пенетраторов). Масса высокоскоростных пенетраторов — 15 кг. Скорость их внедрения — 2.5 км/с с перегрузкой до 10 тыс. единиц. Глубина внедрения 10-15 м.

Мы рассмотрели проект "Луна-Глоб", который условно можно назвать базовым. Однако в рамках возможностей ракет-носителей среднего класса прорабатываются и другие варианты: сброс в кратер мини-лунохода вместо полярной станции; отбор образцов грунта в кратере и обстоятельное исследование их на поверхности Луны; расширение сейсмической сети за счет увеличения числа сейсмоприемников и доставка грунта из лунного кратера на Землю. Однако осуществление комплекса таких проектов требует больших финансовых затрат и длительной подготовки.

Запуск первого космического аппарата по проекту "Луна-Глоб" планируется осуществить после 2005 г. Ожидаемые результаты исследований станут важным шагом на пути к практическому освоению Луны.