Лунные тайны: история исследования спутника Земли
Как образовалась Луна?
Согласно теории «гигантского столкновения» (или модели ударного формирования), у молодой Земли не было Луны. В какой-то момент в ранней истории нашей планеты гипотетическая планета Тейя, размером с Марс или чуть более, столкнулась с Землей. Мгновенно большая часть массы Тейи и значительная часть Земли испарились. Облако поднялось на высоту более 22 000 км, где сконденсировалось в неисчислимые твердые частицы, которые, вращаясь вокруг Земли, собирались во все более крупные объекты, и в итоге слились воедино в Луну.
Измеряя возраст образцов лунного грунта, мы знаем, что Луне около 4,6 миллиарда лет, или примерно столько же, сколько Земле.
Цифры и факты о Луне
Вращение Луны — время, необходимое для вращения вокруг своей оси — занимает столько же времени, сколько и вращение вокруг орбиты Земли — около 27,3 суток. Это означает, что вращение Луны синхронизировано таким образом, что Луна постоянно повернута к нам одной и той же своей стороной. Обратная сторона Луны (или темная сторона) была сфотографирована только с космического аппарата.
Луна вращается вокруг Земли со средней скоростью 3700 километров в час.
Гравитационное притяжение Луны на Земле является основной причиной приливов и отливов океанских вод. Вращение Земли вызывает два прилива и два отлива каждый день.
Безвоздушная лунная поверхность нагревается на солнце до 117 градусов по Цельсию в течение двух недель (лунный день длится около месяца). Затем, в течение такого же периода, пространство находится в темноте. Темная сторона охлаждается до −169 градусов по Цельсию.
История изучения Луны
В январе 1959 года небольшой советский аппарат «Луна-1» стал первым космическим кораблем, достигшим второй космической скорости. Он же стал первым искусственным спутником Солнца. Хотя «Луна-1» не достигла поверхности Луны, как предполагалось, космический корабль пролетел на расстоянии около 6500 километров от нее. Его набор научного оборудования впервые показал, что на Луне нет магнитного поля.
Позже, в 1959 году, «Луна-2» стала первым космическим кораблем, который достиг поверхности Луны. Третья лунная миссия впоследствии сделала первые размытые снимки обратной стороны нашего спутника.
Первое изображение, переданное АМС «Луна-3», показывающее обратную сторону Луны
В 1966 году советский космический корабль «Луна-9» стал первым аппаратом, благополучно совершившим мягкую посадку на поверхности спутника. Небольшой корабль был снабжен научным и коммуникационным оборудованием и сфотографировал лунную панораму. «Луна-10» была запущена позднее в том же году и стала первым космическим кораблем, который успешно облетел Луну.
В 1961 году Джон Ф. Кеннеди обязал Соединенные Штаты высадить человека на Луну до завершения десятилетия. Программа «Аполлон» была разработана для безопасной отправки людей на Луну и обратно.
В 1966 и 1967 годах НАСА запустило пять миссий «Лунный орбитер», которые были предназначены для облета Луны и составления карты ее поверхности для подготовки к последующим посадкам с экипажем. Эти орбитальные аппараты сфотографировали около 99 процентов поверхности Луны и предоставили фотографии потенциальных мест высадки.
Снимок кратера Уэбб , «Лунар орбитер-1», август 1966 г.
20 июля 1969 года Нил Армстронг и Эдвин «Базз» Олдрин стали первыми людьми, ступившими на поверхность Луны, когда их посадочный аппарат «Аполлон-11» приземлился в Море Спокойствия. Весь мир запомнил слова Армстронга: «Один маленький шаг для человека и огромный скачок для человечества».
Услышать знаменитые слова можно на сайте NASA.
Эдвин Олдрин на поверхности Луны в 1969 году
«Аполлон-16» и «Аполлон-17» в 1972 году были последними двумя полетами на Луну с экипажем, а советский космический корабль «Луна-24» в 1976 году был последним приземлившимся на лунную поверхность до следующего столетия. Образцы, собранные во время этих лунных исследований, дали нам огромное количество знаний о геологии и образовании лунной поверхности.
Возвращение на Луну не стояло на переднем крае космических программ на протяжении десятилетий. По словам эксперта по космической политике Джона Логсдона, нет никаких научных причин возвращаться на Луну — миссии Аполлона уже собрали 382 килограмма лунных камней, некоторые из которых до сих пор не проанализированы.
Недавний и будущий статус исследования Луны
Недавние достижения в изучении Луны связаны с китайскими и израильскими космическими программами.
В 2013 году, спустя 37 лет после последнего успешного прилунения, китайский луноход Юйту достиг поверхности Луны.
В январе 2019 года китайский посадочный аппарат Chang’e-4 приземлился на противоположной стороне Луны, став первым космическим кораблем, который когда-либо сделал это.
В апреле 2019 года израильский космический корабль «Берешит» облетел вокруг Луны, но потерпел крушение при попытке приземлиться. Несмотря на то, что он потерпел неудачу при посадке, его успешный запуск с частной ракеты SpaceX считается значительным достижением.
Если говорить о будущем лунных экспедиций, то Генеральный директор Amazon Джефф Безос и его космическая компания Blue Origin объявили о проекте создания лунной базы, где люди будут работать и жить. Ракета New Glenn может совершить свой первый полет уже в 2021 году, поддерживая цель НАСА по возвращению человека на Луну к 2024 году.
История исследования Луны автоматическими аппаратами — часть 1
От запуска первого спутника Земли до начала исследования Луны космическими аппаратами прошёл срок меньше полутора лет. И в этом нет ничего удивительного так как Луна является ближайшим к Земле объектом и весьма необычным для Солнечной системы объектом: соотношение масс Земля/Луна превосходит все остальные спутники планет и составляет 81/1 – ближайший таким показателем является всего лишь 4226/1 у связки Сатурн/Титан.
За счёт того что вулканическая активность на Луне быстро сошла на нет (из-за её относительно малой массы) её поверхность является очень древней и оценивается в почти 4,5 млрд лет, а отсутствие атмосферы приводит к накапливанию на поверхности метеоритов возраст и состав которых может достигать и даже превосходить возраст самой Солнечной системы. Всё это, помимо самой близости к нам Луны, вызывало активный научный интерес у людей и желание её исследовать: общее число космических аппаратов отправленных для её исследования (включая не удавшиеся миссии) уже переваливает за 90 штук. И именно обо всём их разнообразии и пойдёт сегодня речь.
Первые шаги
Первые исследования Луны начинались довольно плохо как у СССР, так и у США: даже частично успешными являлись только четвёртые из серии запускаемых к Луне аппаратов (Луна-1 и Пионер-3 соответственно). Это было не удивительно так как исследования Луны стартовали в момент когда и у них, и у нас было на счету по паре успешных запусков спутников так что об условиях открытого космоса было известно очень мало. Добавив к этому ограниченные технические сложности не позволявшие в то время напичкать космические аппараты кучами датчиков как это можно сделать сейчас (так что о причинах аварии можно было порою только гадать) — и можно себе представить в каких условиях приходилось порою работать конструкторам космических аппаратов.
Обсуждение неудачи станции «Луна-8» из книги «Королёв: факты и мифы» Я. К. Голованова — журналиста, чуть не ставшего космонавтом:
– Видите ли в чем дело, товарищи. – начал Сергей Павлович голосом доброго сказочника, в котором проскальзывали лукавые нотки. – Черток сейчас будет вам все долго и мутно объяснять, как оно было и почему не получилось. Но это все не важно. Поэтому я не хочу даже, чтобы он разворачивал свои плакаты. Поймите главное: идет процесс познания. Да, мы ошибаемся, делаем глупости, иногда случаются неудачи серьезные. Поймите, мы сейчас ворвались в область, нам неизвестную, никому неизвестную. Но от пуска к пуску мы приближаемся к успеху. Я верю в него. Мы настолько близки к победе, что я могу гарантировать: следующая попытка будет удачной. Идет процесс познания, – еще раз повторил Королев, сделал короткую паузу и добавил: – И мне кажется, нет нужды всем нам тратить время и слушать Чертока.
Первым космическим аппаратом, который смог провести прямые исследования Луны и набрать вторую космическую скорость – стала станция «Луна-1» запущенная 2 января 1959 года. Внешне она сильно напоминала Спутник-1:
Первый искусственный спутник Земли (слева), и станция Луна-1 (справа)
Та же шарообразная форма, те же четыре антенны… но на самом деле между этими двумя спутниками было мало общего: Спутник-1 имел только радиопередатчик в то время как на Луне-1 уже было установлено несколько научных приборов. С помощью них впервые было установлено что Луна не имеет магнитного поля и впервые был зафиксирован солнечный ветер. Также в ходе её полёта был проведён эксперимент по созданию искусственной кометы: на расстоянии около 120 тыс. км от Земли из станции было выпущено облако паров натрия весом около 1 кг которое фиксировалось как объект 6-й звёздной величины.
Станция Луна-1 в сборе с блоком «Е» — третьей ступенью ракета-носителя «Восток-Л», с помощью которого также были выведены станции Луна-2 и Луна-3.
Фильм, посвящённый станции Луна-1
Изначально Луну-1 предполагалось разбить об её поверхность, однако в ходе подготовки полёта не было учтено запаздывание сигнала от ЦУПа до аппарата (в то время применялось радиокомандное управление с земли) и сработавшие чуть позже необходимого двигатели привели к промаху в 6 тыс. км — что ж, «rocket science» никогда не была простым делом…
3 марта 1959 года по такой же пролётной траектории с набором второй космической скорости был отправлен американский аппарат Пионер-4. Его целью было изучение Луны с пролётной траектории, но промах в целых 60 тыс. км привёл к тому что фотоэлектрический датчик не смог зафиксировать Луну и провести её фотографирование не получилось, однако счётчик Гейгера установил что лунные окрестности не отличаются уровнем радиации от межпланетной среды.
Сборка аппарата Пионер-3 — полного аналога Пионера-4
2) Другое решение предусматривало использование алюминиевой ленты длиной 25 см на которой были нанесены надписи. Сама лента помещалась в прочный корпус заполненный жидкостью с плотностью как у ленты, а уже этот корпус в свою очередь помещался в менее прочный. В момент удара внешний корпус сминался и гасил энергию удара. Жидкость служила дополнительным амортизатором и позволяла быть уверенными в сохранности ленты. Вся эта конструкция размещалась на третьей ступени ракеты выводившей станцию на траекторию отлёта к Луне. Факт попадания в Луну станции и последней ступени был зафиксирован, но о том сколь хорошо сохранились вымпелы — ничего не известно. Возможно в будущем экспедиция историков космонавтики сможет ответить на этот вопрос.
К 7 октября 1959 года были получены первые снимки обратной стороны Луны с помощью станции Луна-3, стартовавшей 4 октября как и все остальные миссии программы «Луна» с Байконура. Она весила 287 килограммов и на ней уже была установлена полноценная система ориентации по Солнцу и Луне обеспечивающая точность в 0,5 градуса при съёмке. Станция впервые использовала гравитационный манёвр:
Траектория полёта станции Луна-3 — эта траектория была рассчитана при руководстве Келдыша для того чтобы обеспечить пролёт станции над территорией СССР когда она будет возвращаться к Земле. Следующий гравитационный манёвр выполнит только Маринер-10 пролетая вблизи Венеры 5 февраля 1974 года.
Интересен был способ с помощью которого осуществлялась съёмка: сначала снимки делались с помощью фотоаппаратуры, затем плёнка проявлялась и оцифровывалась с помощью камеры бегущего луча, после чего уже передавалась на Землю. Чтобы избежать риска выхода аппарата из строя до возврата к Земле (полёт к Луне и обратно занимал более недели) было предусмотрено два режима связи: медленный (когда аппарат находился у Луны, вдалеке от принимающей станции) и быстрый (для связи в моменты когда аппарат пролетал над СССР). Решение дублировать системы связи оказалось абсолютно правильным — станция смогла передать только 17 из сделанных ею 29 снимков, после чего связь с ней прервалась и восстановить её уже не получилось.
Первая в мире фотография обратной стороны Луны. Фотография была посредственного качества из-за помех при передаче сигнала. Но последующие фотографии были уже намного лучше:
В итоге с помощью этих 17 снимков удалось построить довольно подробную карту:
Фотографии видимой стороны Луны в высоком разрешении были получены Рейнджером-7 запущенным 28 июля 1964. Так как это являлось единственной целью данного аппарата, для неё на борту было установлено целых 6 телевизионных камер, которые за последние 17 минут полёта перед столкновением успели передать 4300 снимков Луны.
Процесс приближения к Луне (видео ускорено)
Съёмка велась вплоть до самого столкновения, но из-за высокой скорости станции относительно Луны последнее изображение была сделано с высоты примерно 488 метров и было передано не до конца:
С точно такой же целью были запущены Рейнджер-8 и Рейнджер-9 (17 февраля и 21 марта 1965 года соответственно).
Более качественные снимки обратной стороны Луны были получены станцией Зонд-3 запущенной 18 июля 1965 года. Изначально эта станция готовилась вместе с Зондом-2 для полёта к Марсу, но из-за проблем стартовое окно было упущено и Зонд-3 отправился в облёт Луны. Для тестирования новой системы связи фотографии полученные станцией передавались на Землю по несколько раз.
Фотография полученная Зондом-3
Мягкая посадка и доставка грунта
Задача мягкой посадки на Луну была намного более сложной и после целой серии неудач была осуществлена только 3 февраля 1966 года станцией Луна-9 стартовавшей 31 января. Аппарат имел довольно сложную конструкцию:
По причине того что о поверхности Луны не было ничего известно, процесс посадки был довольно замысловатым:
Сложность системы посадки не прошла бесследно: от садящейся станции в 1,5 тонны оставалась АЛС всего в 100 кг весом, которая на поверхности выглядела примерно так:
Так как освещённость на Луне меняется крайне медленно (Луна относительно Солнца поворачивается всего на 1° за 2 часа) было решено использовать оптико-механическую систему съёмки которая была намного надёжнее, легче и потребляла меньше энергии. Её медленная скорость работы оказывалась даже положительным фактором — для передачи данных было достаточно медленного канала связи, так АЛС могла обойтись ненаправленными антеннами.
Первая фотография лунной поверхности представляла собой круговую панораму с разрешением в 500 на 6000 пикселей для съёмки одной фотографии требовалось 100 минут. Телевизионная камера имела угол зрения 29° по вертикали, в дополнение к чему конструкцией аппарата было предусмотрено его наклонение на 16° относительно вертикали местности — для того чтобы можно она могла захватить и дальнюю панораму, и близлежащий микрорельеф поверхности:
По клику полная панорама Луны. Дополнительные фотографии устройства станции можно увидеть здесь, а сама камера ведущая съёмку выглядела так:
В данный момент энтузиасты из NASA собираются искать перелётный блок и остатки надувного амортизатора станции с помощью фотографий LRO (сам аппарат слишком мал для того чтобы его можно заметить — на снимках LRO он должен бы выглядеть как 2*2 пикселя).
Американцам удалось посадить спускаемый аппарат Сервейер-1 к 2 июня (спустя 4 месяца после нашей станции). На нём было установлено множество датчиков:
Аппарат сам осуществлял посадку с перелётной траектории поэтому на нём были установлены приборы для этой цели: основной двигатель (сбрасывался на высоте 10 км), рулевые двигатели и высотомер/датчик скорости. Посадочные опоры выполнялись из алюминиевых сот для смягчения удара при прилунении. Среди целевого оборудования аппаратов были телекамера, датчик для анализа отражённого от поверхности света (для определения химического состава грунта) и датчики для определения температуры поверхности. Начиная с третьего аппарата устанавливался также пробоотборник которым делались траншеи для определения свойств грунта. Из 7 отправленных на Луну Сервейеров до февраля 1968 года два разбились в процессе торможения у Луны, а 5 остальных сели и выполнили свои задачи по исследованию Луны.
31 марта 1966 года была запущена станция Луна-10 которая к 3 апреля впервые в истории вышла на орбиту нашего спутника. Она имела гамма-спектрометр, магнитометр, детектор метеоритов, прибор для исследования солнечного ветра и инфракрасного излучения Луны. Так же проводились исследования гравитационных аномалий Луны (масконов). Общая продолжительность миссии составила около 3 месяцев. С той же целью были запущены станции Луна-11 и Луна-12 (24 августа и 22 октября соответственно).
Общий вид станции с перелётной ступенью и её конструкция. Данная перелётная ступень также использовалась в станциях с Луна-4 по Луна-9 включительно.
С 10 августа 1966 года к Луне были отправлены пять аппаратов серии «Лунар орбитер». Как и советские станции они использовали для съёмок фотоплёнку. Так как они запускались уже в рамках подготовки программы «Аполлон» — картография Луны в первую очередь включала в себя снимки будущих мест посадки Лунных модулей. Время их работы составляло менее двух недель, снимки имели разрешение до 20 метров и покрывали 99% всей лунной поверхности, а для 36 потенциальных мест посадки были сделаны снимки с разрешением в 2 метра.
Сам аппарат был довольно большим: при общем весе конструкции всего в 385,6 кг размах солнечных батарей имел 3,72 метра, а направленная антенна имела 1,32 метра в диаметре. Фотоаппаратура имела два объектива для одновременных широкоугольных снимков и снимков в высоком разрешении. Эта система разрабатывалась фирмой Kodak на основе систем оптической разведки самолётов U-2 и SR-71.
Дополнительно они имели детекторы микрометеоритов и радиомаяк для измерения гравитационных условий вблизи Луны (с помощью которого также были замечены масконы). Они угрожали безопасности астронавтов, так как посадка без их учёта по расчётам могла привести к отклонению в 2 км вместо штатных 200 м. Кропотливое исследование орбит аппаратов позволило измерить влияние масконов и повысить точность посадки — уже Аполлон-12 смог сесть с отклонением всего в 163 метра от своей цели.
19 июля 1967 года параллельно с программами «Сервейер» и «Лунар орбитер» был запущен аппарат Эксплорер-35 который проработал на орбите Луны целых 6 лет — вплоть до 24 июня 1973 года. Аппарат был предназначен для исследования магнитного поля, состава поверхностных слоёв Луны (по отражённому электромагнитному сигналу), регистрации ионизирующих частиц, измерению характеристик микрометеоритов (по скорости, направлению и вращательному моменту) а также исследования солнечного ветра.
Следующим советским аппаратом направленным к Луне был Зонд-5 запущенный 15 сентября 1968 года. Аппарат представлял из себя корабль «Союз 7К-Л1» запускаемый ракета-носителем «Протон» и предназначался для облёта Луны. Кроме тестирования самого корабля у него была и научная цель: на нём летели первые живые существа совершившие облёт Луны за 3 месяца до Аполлона-8 — это были две черепахи, дрозофилы, а также несколько видов растений. После облёта Луны спускаемый аппарат приводнился в водах Индийского океана:
Не считая проблем с перегрузками при посадке полёт прошёл нормально, так что следующий аппарат Зонд-6 (запущенный 10 ноября 1968 года) садился уже не в море а в штатный район посадки на территории СССР. Н к сожалению он потерпел аварию на этапе спуска на парашютах: они были отстрелены на высоте около 5 км вместо расчётного момента прямо перед касанием земли и все биологические объекты на борту (которые отправляли в облёт Луны и в этом полёте) погибли. Однако плёнка с чёрно-белыми и цветными фотографиями Луны сохранилась.
Были произведены ещё два удачных запуска этого корабля: Зонд-7 и Зонд 8 (8 августа 1969 и 20 октября 1970 года соответственно) с успешными возвращениями спускаемых аппаратов.
13 июля 1969 года (за три дня до старта Аполлона-11) была запущена станция Луна-15 которая должна была доставить образцы лунного грунта на Землю до того как это должны были успеть сделать американцы. Однако в процессе торможения у Луны с ней была потеряна связь. В итоге первой автоматической станцией доставившей образцы лунного грунта стала Луна-16 запущенная 12 сентября 1970 года:
20 сентября посадочный аппарат весом в 1880 килограмм достигла поверхности Луны. Образец был получен с помощью дрели которая в течении 7 минут достигла 35 см глубины и забрала 101 грамм лунного грунта. Затем возвращаемый аппарат весом 512 кг стартовал с Луны и уже 24 сентября образцы на 35-килограммовом спускаемом аппарате приземлились на территории Казахстана.
Так же, с целями доставки лунного грунта были отправлены станции Луна-20 и Луна 24 (стартовавшие 14 февраля 1972 и 9 августа 1976 года, доставившие по 30 и 170 граммов грунта соответственно). Луне-24 удалось получить пробы грунта с глубины 1,6 м. Небольшая порция лунного грунта была передана NASA в декабре 1976 года. Станция Луна-24 стала последним на последующие 37 лет аппаратом осуществившим мягкую посадку на Луну — вплоть до посадки китайского «Нефритового зайца».
Луноходы и финал первого этапа исследований
Стартовавшей 10 ноября 1970 года станцией Луна-17 был доставлен первый в мире планетоход: «Луноход-1» который проработал на поверхности 301 день. На нём были установлены две телекамеры, 4 телефотометра, рентгеновский спектрометр и рентгеновский телескоп, одометр-пенетрометр, детектор радиации и лазерный рефлектор.
За время своей работы он проехал более 10 км, передал на землю около 25 тыс. фотографий, было произведено 537 измерений физико-механических свойств лунного грунта, и 25 раз — химических.
Пульт дистанционного управления Луноходом
8 января 1973 года был запущен Луноход-2 который имел туже конструкцию. Не смотря на поломку системы навигации ему удалось проехать больше 42 км что являлось рекордом для планетоходов вплоть до 2015 года, когда этот рекорд был побит марсоходом «Оппортьюнити». Полёт Лунохода-3 запланированный на 1977 год — к сожалению был отменён.
Фотографии Лунохода-3 в музее НПО имени С. А. Лавочкина
3 октября 1971 года на орбиту Луны ракетой «Протон-К» была выведена автоматическая межпланетная станция Луна-19, которая проработала 388 дней. Её вес составлял 5,6 тонн и она была построена на базе конструкции предыдущей станции Луна-17:
В состав научной аппаратуры входил дозиметр, радиометрическая лаборатория, магнитометр установленный на 2 метровой штанге, аппаратура для определения плотности метеоритного вещества а также камеры для съёмки поверхности Луны. Одной из основных задач аппарата было изучение масконов. Из-за отказа системы управления и выхода на не расчётную орбиту от задачи картографии Луны решено было отказаться. В ходе полёта были получены дополнительные данные о магнитном поле Луны и установлено что плотность метеоритных частиц вблизи Луны не отличается от их концентрации в диапазоне 0,8-1,2 а.е. от Солнца.
29 мая 1974 года был осуществлён запуск станции Луна-22 с той же научной программой, станция проработала 521 день. Эти станции позволили уточнить гравитационные поля Луны, и упростить посадку станциям Луна-20 и Луна-24 для отбора грунта.
Довольно примечательным был спутник «Эксплорер-49», который был запущен 10 июня 1973 года. Его огромная антенна состояла из 4 элементов длинной по 230 метров. Но хотя он и был запущен на орбиту Луны, для её исследований он не предназначался — он изучал галактическое радиоизлучение на частотах 25 кГц и 13,1 МГц (с такими же целями ранее был запущен спутник «Эксплорер-38»).
На этом завершился первый этап исследований Луны в котором фактически было только два участника — США и СССР. Продолжение следует.
