Между низкой околоземной орбитой и Луной находится область космоса шириной 384 400 км (238 855 миль), известная как окололунное пространство. В ближайшие десятилетия многочисленные космические агентства направят миссии в этот регион для поддержки развития инфраструктуры, которая приведет к постоянному присутствию человека на Луне.
Это включает орбитальные и наземные среды обитания, посадочные площадки, наземные транспортные средства, технологии использования ресурсов на месте (ISRU) и другие элементы, которые позволят проводить долгосрочное исследование и освоение лунной поверхности.
Для всех заинтересованных сторон окололунное пространство обладает огромным потенциалом с точки зрения научных, коммерческих и военных применений. Значительно возросший уровень активности на Луне и вокруг нее придает первостепенное значение осведомленности о космической сфере (SDA) — знании обо всех операциях в космическом регионе.
Это также необходимо для обеспечения дальнейшего успеха и использования охватываемого региона. В недавней статье, опубликованной в журнале Progress in Aerospace Sciences, группа аэрокосмических инженеров рассмотрела миссии, запланированные на ближайшие десятилетия, и оценила состояние и недостатки своей осведомленности в космической области.
Исследованием руководил Брайан Бейкер-Макэвилли, аспирант аэрокосмической инженерии Авиационного университета Эмбри-Риддл (ERAU). К нему присоединились Дэвид Каналес, доцент кафедры аэрокосмической инженерии в ERAU, а также Сурабхи Бхадауриа и Каролин Фруэ, кандидаты наук и доцент Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью.
Знание космической тематики
SDA, также известное как "осведомленность о космической ситуации", имеет важное значение для операций в космосе. Как объяснил Бейкер-Макэвилли в интервью Universe Today по электронной почте:
"SDA - это, по сути, концепция получения всесторонних знаний обо всех объектах в определенном регионе без обязательного наличия прямой связи с этими объектами. Это важно для обеспечения безопасности космических аппаратов, поскольку предоставляет ценную информацию об объектах поблизости, которые потенциально могут повлиять на исход их полета.
"Некоторые общие примеры важности SDA заключаются в том, что информация помогает избежать столкновений, обеспечивает точное отслеживание и предоставляет знания о других видах космической деятельности".
Как заявляет НАСА, целью программы Artemis является "создание устойчивой программы исследования и освоения Луны". Аналогичным образом Китай, Роскосмос и ЕКА надеются создать лунную среду обитания и соответствующую инфраструктуру, которые позволят обеспечить постоянное присутствие человека на Луне.
Ключевым элементом этих программ является создание мест обитания в южной полярной области Луны (бассейн Южный полюс–Эйткен). Эти мероприятия потребуют значительной поддержки в виде доставки полезной нагрузки, а экспорт лунных ресурсов также потребует регулярных полетов на поверхность Луны и обратно. Учитывая такой уровень активности, SDA будут актуальны как никогда.
Много планов
В соответствии с программой Artemis, НАСА намерено совершить первый облет Луны на космическом корабле Orion с экипажем (Artemis II) не ранее сентября 2025 года. За этим в сентябре 2026 года последует полет Artemis III, первый полет с экипажем на поверхность Луны со времен "Аполлона-17" в 1972 году.
Это будет осуществлено путем запуска космического корабля Orion с экипажем на лунную орбиту с помощью системы космического запуска (SLS). Система посадки человека (HLS), предоставленная SpaceX, — Starship HLS — будет запущена отдельно, дозаправится на орбите, а затем встретится с космическим кораблем Orion вокруг Луны.
Как только передача двух астронавтов в HLS будет завершена, они отправятся на лунную поверхность и проведут около 30 дней, проводя эксперименты и собирая образцы. Помимо Artemis III, НАСА сосредоточится на развертывании основных элементов лунных врат, которые будут запущены в 2027 году на борту ракеты Falcon Heavy.
В сентябре 2028 года последует миссия Artemis IV, в ходе которой экипаж из четырех человек впервые пересядет с космического корабля Orion на Лунные врата. После этого НАСА намерено раз в год отправлять миссию на поверхность Луны и развертывать элементы базового лагеря Artemis. Они будут включать следующее:
- Лунный вездеход (LTV): марсоход, который будет перевозить экипаж по зоне посадки
- Обитаемая мобильная платформа (HMP): герметичный марсоход, который позволит экипажам совершать поездки по поверхности Луны продолжительностью до 45 дней.
- Наземная среда обитания Лунного фонда (LFSH): стационарная среда обитания, в которой могут проживать до четырех членов экипажа во время кратковременного пребывания на поверхности.
Кроме того, Китай и Россия объявили о своих намерениях создать Международную лунную исследовательскую станцию (ILRS), которая могла бы составить конкуренцию предлагаемой инфраструктуре НАСА.
Предлагаемый график включает в себя три этапа. Этап разведки завершится миссией "Чанъэ-7" (запуск запланирован на 2026 год), которая продолжит исследование лунной поверхности вокруг бассейна Южный полюс–Эйткен для поиска ресурсов и оценки возможных мест для будущей среды обитания.
Второй этап, строительство, будет осуществляться в период с 2026 по 2035 год и будет сопровождаться развертыванием элементов, составляющих ILRS.
Тем временем Европейское космическое агентство (ЕКА) провело многочисленные исследования и подготовило предложения по созданию международной лунной базы, которая служила бы той же цели, что и Международная космическая станция (МКС). Предыдущие предложения включали Лунную деревню ЕКА, которая состояла из объекта, расположенного под поверхностью, и купола, покрытого реголитом, который обеспечивал бы доступ к поверхности.
В 2019 году ЕКА и международная архитектурная фирма Skidmore, Owings & Merrill (SOM) предложили серию полу-надувных модулей, размещенных вдоль края лунного кратера.
Новейшая концепция стала еще одним результатом сотрудничества ЕКА и международной архитектурной фирмы Hassel. Их предложение, Генеральный план лунной среды обитания, состоит из модульной масштабируемой системы обитания, в которой может разместиться поселение численностью до 144 человек. В рамках своего исследования Бейкер-Макэвилли и его коллеги проанализировали эти планы и выявили две основные тенденции. Как он рассказал:
"При рассмотрении этих миссий выявляются две ключевые тенденции: важность организации устойчивых операций и стратегическая ценность Южного полюса Луны. Многие будущие миссии нацелены на тестирование новых технологий, обеспечивающих устойчивую работу на Луне, таких как методы сбора воды из лунного реголита для астронавтов, эффективные методы посадки, обеспечивающие постоянное перемещение к поверхности Луны и обратно, или использование орбитальных траекторий, для поддержания которых требуется мало топлива.
"Южный полюс Луны является ключевым участком окололунного пространства, поскольку он является эффективным географическим местоположением для этих устойчивых операций. На Южном полюсе есть постоянно затененные кратеры, которые содержат большое количество воды в реголите. Кроме того, почти прямолинейная гало-орбита (NRHO), на которой будет находиться Gateway, проходит большую часть своей траектории в пределах прямой видимости Южного полюса и требует очень мало топлива для поддержания в условиях внешних возмущений."
Как добраться
Другим ключевым аспектом их исследования была динамика окололунной среды и проблемы, связанные с отправкой космических аппаратов с Земли на Луну. Эти проблемы хорошо известны благодаря десятилетиям отправки туда роботизированных миссий, не говоря уже о миссиях с экипажами в рамках программы "Аполлон".
Ожидается, что в ближайшие десятилетия этот регион будет переполнен спутниками, космическими аппаратами, лунными воротами и другими орбитальными объектами. Ситуация осложняется тем фактом, что любому объекту в окололунном пространстве придется столкнуться с проблемой трех тел. Сказал Бейкер-Макэвилли:
"Динамика окололунной сферы становится сложной из-за введения третьего тела в задачу орбитальной механики. На данный момент задача о трех телах не имеет решения в замкнутой форме, и космический корабль, находящийся под воздействием как Земли, так и Луны, больше не движется в традиционном кеплеровском смысле слова с двумя телами, с которым знакомы многие. Это приводит к разрушению многих традиционных методов астродинамики, что требует новых моделей и методов для решения проблем".
В итоге они определили несколько семейств орбит, которые подчеркивают уникальную геометрию периодических траекторий в задаче о трех телах, а также орбиты, которые могут иметь стратегическое применение в будущем. Однако, как добавила Бейкер-Макэвилли, эти траектории не являются всеобъемлющими, и существует еще много других, которые были хорошо задокументированы.
Недостатки
Проанализировав существующие и ожидаемые миссии, которые отправятся на Луну в ближайшие десятилетия, Бейкер-Макэвилли и его коллеги выявили несколько недостатков, связанных с SDA. Они также дают рекомендации о том, как их можно устранить. Как он указал:
"Методы SDA, используемые для мониторинга объектов вокруг Земли, которые основаны на наземных датчиках, напрямую не позволяют видеть объекты в окололунном пространстве. Значительное расстояние, которое должен преодолеть наземный датчик, чтобы достичь областей окололунного пространства, находится за пределами возможностей многих датчиков, особенно радарных систем.
"Что касается датчиков, способных преодолевать такое расстояние, таких как Deep Space Network, то они часто уже перегружены и являются слишком ценными, чтобы использовать их только для SDA.
"Еще одним недостатком являются сложные условия освещения, которые оптические датчики должны преодолевать, чтобы видеть объекты глубоко в окололунном пространстве. Такие проблемы, как то, что Луна физически блокирует обзор миссий на дальней стороне, или свет, отраженный от Луны, размывает свет, отраженный от космического аппарата, что ограничивает возможности оптических датчиков.
- В результате в окололунном пространстве существуют важные области, которые не всегда видны существующим сенсорным сетям".
Как отметил Бейкер-Макэвилли, исследователи изучают множество подходов для устранения разрыва в возможностях Cislunar SDA. Некоторые возможности включают размещение датчиков на Луне, совершенствование сети наземных датчиков или внедрение групп спутниковых датчиков по всему окололунному пространству.
По его мнению, некоторая комбинация этих решений лучше всего подходит для устранения пробелов в SDA. Он также надеется, что их исследование даст исследователям, студентам и всем, кто интересуется исследованиями Луны, представление о текущем состоянии окололунного пространства и проблемах, с которыми оно сталкивается.
"Ключевые проблемы, выявленные в ходе анализа в Cislunar exploration и SDA, могут побудить некоторых читателей обратить больше внимания на эти моменты и предложить свою собственную работу, которая поможет найти решение или предотвратит повторение подобных сбоев", - сказал он.
