2013-12-28
691
Дальнейшее расширение работ на Луне и создание обитаемой лунной базы (или баз) по широкому диапазону исследований Луны, выполнения астрономических наблюдений с Луны, проведения научных исследований на Луне (Science of the Moon, from the Moon, on the Moon) просматривается в перспективе ближайших 50 и более лет.
В целом, Луну можно считать идеальным местом для решения многих современных и будущих астрономических программ. Реализация этих программ связана с созданием на Луне долговременной базы, обеспечивающей работу обсерватории, оснащенной астрономическими инструментами. По самой предварительной оценке обьем астрономических данных с Лунной обсерватории может быть сопоставим с наиболее крупной обсерваторией ESO, прирост обьема научного архива которой за один год в эпоху VLTI (2002) оценивается величиной в 50 ТБ.
Рис.5.14 Посадочный модуль Аполлона -16 на Луне
Рис. 5. 13 КА Аполлон-16
В общем, для астрономического мониторинга всей небесной сферы с поверхности Луны необходимо иметь две ЛО, расположенные в северной и южной полярных областях, либо две ЛО на экваторе (видимой и обратной сторонах Луны). Оба варианта имеют свои преимущества, но если учесть дополнительные требования еще и для осуществления мониторинга Солнца, Земли, решения задач планетной (астероидной) астрономии, а также и других научных и производственных проблем приходим к варианту нескольких (минимум 4) ЛО, расположенных в полярных областях, на экваторе, видимой и обратной сторонах Луны.
Структура лунной базы
Идеи создания многоцелевой лунной базы (ЛБ) высказывались еще К.Э.Циолковским, позднее С.П.Королевым и В.П.Глушко, в последнее ведутся разработки космическими агенствами разных стран: США, РФ, ЕС, КНР и др. Создание долговременной ЛБ на поверхности Луны является одним из основных этапов освоения Луны. Ему предшествует начальный период освоения Луны с опорой главным образом на автоматические устройства, роботы или дистанционно управляемые механизмы. В качестве первоначальной стадии можно выделить создание космической станции на окололунной орбите. Задачи лунной орбитальной станции достаточно обширны - исследование Луны (картографирование, изучение лунных ресурсов, выбор мест для ЛБ и пр.), использование станции в качестве промежуточной платформы для запусков КА к другим телам Солнечной системы и др.
Созданию постоянно действующей ЛБ должна предшествовать также стадия временных, автоматических баз в избранных районах Луны. Начальный опыт работы таких станций уже накоплен в 70-80х годах в программах Луна и Аполлон. Назначение автоматических лунных станций - тщательное изучение районов будущих ЛБ, изучение Луны, астрономические наблюдения в автоматическом режиме или с дистанционным управлением, выполнение некоторых автоматических технологических производств.
Первая и до сих пор единственная в истории астрономическая обсерватория на Луне была развернута в апреле 1972 году экипажем космического корабля Аполлон 16. С помощью камеры-спектрографа далекого ультрафиолета, установленной на телескопе системы Шмидта с трехдюймовым объективом был выполнен ряд фотографических наблюдений Земли, туманностей, звездных скоплений и Большого Магелланового Облака. Как видно на снимке (рис.5.13), сделанном Чарльзом Дьюком во избежание перегрева астрономические инструменты размещены на треноге, расположенной в тени лунного модуля (справа). Там же находился астронавт Джон Янг, а чуть подальше - лунный джип, на котором было осмотрено 13 км в окрестностях посадки. Камера далекого ультрафиолета использовалась для съемок неба в ультрафиолетовых лучах, которые обычно поглощаются земной атмосферой и поэтому невидимы с поверхности нашей планеты. Камера имела поле зрения размером 20 угловых градусов и могла наблюдать астрономические объекты до 11-й звездной величины. Всего на пленке, которую астронавты привезли на Землю, было запечатлено 178 изображений. Эта первая лунная обсерватория сейчас стоит на поверхности Луны.
(габариты лунного джипа (Lunar Roving Vehicle):ширина 2м, длина 3м, масса: 283 кг.; время работы на Луне 3 дня в апреле 1972г.)
Лунная база и обсерватория) с помощью АМС "Луна-21" доставившего на Луну передвигающаяся станцию Луноход-2 (СССР) провела изучение механических свойств лунной поверхности на трассе 37 км (рекорд!), выполнила панорамную фото и телесъемку окружающей местности, эксперименты с наземным лазерным дальномером, наблюдения за солнечным излучением и прочие исследования (рис.5.14). Использовался режим дистанционного управления с Земли. Эта первая (автоматическая)лунная база сейчас также стоит на Луне.
Рис. 5. 14 Общий вид Лунохода-2 ( габариты Лунохода-2: ширина 2.15 м, высота 1.92 м.; масса: 840 кг. Начало работ: 16.01.1973. Окончание работ: 20.05.1973.)
Отметим также, что станции Луна в автоматическом режиме трижды доставляли грунт с поверхности Луны и бурением с 2-х метровой глубины.
1. Из истории достижения советской космической программы "Луна":
2. - "Луна-2" (запуск в 1959 году) - первая в мире межпланетная станция, достигшая поверхности Луны.
3. -"Луна-3" (1959 год) впервые передала изображения обратной стороны Луны.
4. -"Луна-9" (1966 год) впервые в мире совершила мягкую посадку на поверхности Луны.
5. -"Луна-10" (1966 год) впервые в мире вышла на орбиту вокруг Луны.
6. -"Луна-16" (1970 год) - первый аппарат, доставивший лунный грунт на Землю.
7. -"Луна-17" (1970 год) доставил на лунную поверхность самоходный аппарат "Луноход-1".
В дальнейшем структура лунной базы в значительной мере будет определяться условиями окружающей среды, а также зависит от общего развития ЛБ. Обычно выделяют начальный этап с кратковременным пребыванием 2-4 космонавтов на Луне во время лунного дня и их размещением в посадочном модуле космического аппарата. Задачей этого этапа является выбор конкретной площадки для ЛБ, оценка ее характеристик; на втором этапе ЛБ 4-10 космонавтов находятся на Луне уже в течение месяца с целью подготовки постоянных модулей и средств жизнеобеспечения, проводят первые исследования лунных ресурсов в районе ЛБ; этап аванпост предполагает нахождение 10-20 космонавтов в течение 1-6 месяцев на ЛБ. Задачей этого этапа является создание инфраструктуры постоянно-действующей ЛБ с полной и самостоятельной системой жизнеобеспечения, продолжение работ по подготовке добычи лунных ресурсов, подготовка создания астрономической обсерватории, в том числе и на обратной стороне Луны; завершающая стадия позволяет работать на ЛБ 20-50 космонавтам в течение 6-12 месяцев вахтовым методом. Должно быть запущено производство материалов с использованием лунных ресурсов, развернуты по полной программе научные исследования, включая астрономические наблюдения. На этом этапе выполняется подготовка к развертыванию ЛБ и в других местах, исходя из научных и производственных задач. Разумеется, реально вряд ли будет соблюдаться четкая граница между двумя периодами, скорее всего использование автоматов-роботов и дистанционного управления будет осуществляться и в период обитаемой ЛБ.
На начальных этапах создания первой ЛБ ее инфраструктура должна включать: систему обеспечения жизнедеятельности персонала ЛБ; энергообеспечение; систему транспортировки грузов с Земли на Луну и обратно; механизмы перевозки грузов и людей на расстояния до 10 километров по лунной поверхности; связь; строительное и промышленное оборудование для создания ЛБ и добычи кислорода, гелия-3, минералов из лунного грунта; научные приборы и оборудование; и пр. Анализ показывает, что реальное создание и эффективная работа ЛБ возможна при использовании лунных ресурсов. Прежде всего, это касается системы жизнеобеспечения и энергопитания, строительства и производства материалов и изделий из лунного сырья. При таких условиях для первой очереди ЛБ потребуется доставить на Луну с Земли всего около 125 тонн полезного груза, что вполне достижимо посредством существующих в настоящее время ракет-носителей, типа Энергия. Сейчас создаются более мощные двигатели (с использованием ядерного реактора, солнечных батарей…)
Лунная обсерватория (один из первых проектов NASA)
Проект телескопа LLT (Lunar Large optical Telescope) – полноапертурного телескопа с зеркалом диаметром 16 метров и более, работающим в диапазоне длин волн 0.1 - 10 микрон (мкм) предложен NASA и включает первичное зеркало, составленное из отдельных элементов с активным контролем их положения (адаптивная оптика). Задачи телескопа LLT аналогичны задачам, сформулированным для космического телескопа Хаббла (HST): исследование структуры Нашей и других галактик; изучение масс и эволюции звезд и их скоплений; изучение Солнечной системы, а также обнаружение и изучение новых планетных систем; изучение квазизвездных обьектов и ядер галактик; уточнение шкалы расстояний и пространственной системы координат и др
Возможности лунной обсерватории при установке телескопа (LOVLA - интерферометра изображений (яркость наблюдаемых обьектов 17-20 звездных величин, угловое разрешение 1-0.001 мсек) обеспечивают прямые наблюдения тел Солнечной и других планетных систем, изучение вопросов происхождения и формирования планетных систем, изучение поверхности и оболочек звезд (уровень углового разрешения грануляции пятен 5-10 мксек, протяженных обьектов около 1 мсек), структуры пульсаров и эффекта аккреции вокруг отдельных обьектов (достаточно разрешения в несколько мксек), структуры активных галактик с разрешением их ядер, квазаров (уровень разрешения 0.1 - 30 мксек), наконец, поиск темной материи путем изучения дифракционных эффектов от гравитационного линзирования, открытие гравитационных волн (величина эффекта от одной мсек до одной мксек) - что позволит понять распределение массы и структуры ранней Вселенной.
Основными задачами субмиллиметровой лунной астрономии является изучение распределения молекул в атмосферах планет и их спутников Солнечной системы (достаточно углового разрешения на уровне 1”), изучение структуры молекулярных облаков и звездоформирующих областей в межзвездном пространстве Млечного пути (Нашей галактики), исследования в области внегалактической астрономии (появление молодых галактик, происхождение протогалактик и пр.)
 |
Рис.5.14 Расположение группы лунных телескопов на ЛО
(Лунный оптический интерферометр LOI с расположении трех телескопов на Y-базе размером до нескольких километров, лунный субмиллиметровый интеферометр LSI с расположением радио телескопов диаметром 4 - 5 метров на многокилометровой Y-базе, неподвижный лунный пассажный телескоп LTT диаметром 1-2 метра); (проект NASA, 1989год)
Рис.5.15 Лунная база (в представлении художников-фантастов)
С общих позиций, Луна является закономерным, неизбежным этапом освоения человечеством космического пространства. Динамика этого процесса определяется уровнем развития земной цивилизации, ее научного и технологического уровня. Прогнозы показывают, что начальная стадия освоения Луны автоматическими устройствами (в том числе программно-управляемыми телескопами) может быть реализована в ближайшие 20 лет.
Луна - это идеальное место для сверхгигантских телескопов - уже в настоящее время возможно при помощи роботов построить и обслуживать на Луне 2-метровый телескоп, а в перспективе размеры увеличивать до 20, а потом и до 100 метров. Другая идея, состоит в строительстве Международной Лунной Обсерватории - целого комплекса управляемых роботами телескопов, работающих в различных областях спектра. Здесь Луна рассматривается как рубеж в развитии астрономии после Земли и открытого космоса.
С начала 21 века программы освоения Луны начали вновь выдвигаться в число первоочередных. В качестве примера можно привести последние данные по лунной программе США: 2008г. – начало создания ЛБ автоматическими КА, к 2010г – разработка нового пилотируемого КА для полетов на Луну, с 2015г.- создание действующей ЛБ, с 2020г. – использование ЛБ как космодрома для полетов на Марс и другие планеты солнечной системы. Эти планы в последние годы были скорректированы.
Финансирование российской "лунной программы (Луна-Глоб)" ведется уже несколько лет в нормальном режиме и объеме. Планируется вначале отправить посадочный модуль на Луну, затем к Луне поочередно будут отправлены несколько аппаратов, в задачу которых войдет сбор льда и образцов грунта с лунной поверхности и доставка их на Землю.
Планируется после 2020 года отправить на Луну два лунохода, а после 2022 года - несколько посадочных станций, которые составят основу лунного полигона - ядра будущей российской обитаемой лунной базы, говорится в проекте программы исследований Солнечной системы до 2025 года, составленном РАН.
Согласно документу, который имеется в распоряжении РИА Новости, главными целями лунных исследований российские ученые считают исследования полярных областей, где ранее был обнаружен лед и летучие вещества, а также газопылевой экзосферы спутника.
Кроме того, планируется доставить на Землю образцы вещества из полярных областей Луны для детальных исследований, в том числе тонкой структуры и изотопного состава, а также выбрать лунные районы, наиболее благоприятные для размещения полярного полигона, где будут проводиться исследования.
На первом этапе, который начнется в 2015 году, Луну будут исследовать зонды "Луна-Ресурс" и "Луна-Глоб". Один из них будет изучать южный полюс, куда планируется высадить российский посадочный зонд с индийским мини-ровером. Отправка лунохода "Луна-Ресурс-2" предварительно намечена на 2017 год.
Зонд "Луна-Глоб", который будет аналогичен "Ресурсу", станет исследовать северный полюс. На его посадочном модуле появится бурильная установка для криогенного забора грунта с глубины до двух метров для изучения непосредственно на борту станции.
На втором этапе на поверхности Луны будут работать новые луноходы - "Луноход-3" и "Луноход-4". Они будут отличаться от советских луноходов значительно меньшими размерами и при этом большим ресурсом. Планируется, что новые луноходы смогут работать в полярных районах Луны до пяти лет и удаляться от места посадки на расстояние до 30 километров.
"Луноход-3" должен начать работу на поверхности Луны ориентировочно после 2020 года. Он будет собирать образцы лунного вещества, в том числе с глубины до двух метров - с использованием бурильной установки. "Луноход-3" также будет участвовать в технологических и научных экспериментах с посадочными аппаратами других стран. Предполагается провести стыковку и расстыковку аппаратов для испытаний объединенной системы обеспечения теплового режима, а также эксперимента по активному зондированию слоев реголита.
На заключительной фазе экспедиции "Луноход-3" доставит образцы в район посадки спускаемого аппарата с "Луноходом-4" (ориентировочно в 2022 году). При посадке спускаемого аппарата с "Луноходом-4" должна быть отработана технология высокоточной посадки в непосредственной окрестности "Лунохода-3" по пеленгу с его борта. В 2023 году на Луну отправится спускаемый аппарат с возвратной ракетой, который сядет поблизости от "Луноходов-3 и- 4". Затем шесть-семь капсул с лунным веществом будут перегружены с луноходов в возвратную ракету, которая вернет их на Землю.
Оставшиеся на поверхности Луны луноходы и посадочная станция составят первые элементы космической инфраструктуры лунного полигона с перспективой развертывания в этом районе будущей российской лунной базы". С этими аппаратами планируется провести технологические и научные эксперименты по созданию многомодульной автоматической станции с едиными системами обеспечения теплового режима, энергопитания и радиосвязи. По данным наземных исследований лунного вещества будут получены исходные данные для разработки и отправки на лунный полигон аппаратов для проведения технологических экспериментов по добыче воды, кислорода и водорода из вещества лунного реголита", - отмечается в проекте программы.
Лунные базы в «Лунной гонке» XXI века
В начале XXI века США инициировали новую «лунную гонку», в которую, как в «лунную гонку за второе место», объявили о вступлении ещё несколько передовых космических держав. Все эти программы предусматривают создание на Луне баз.
НАСА разрабатывала космическую программу «Созвездие», в рамках которой должна разрабатываться новая космическая техника и создаваться необходимая инфраструктура для обеспечения полётов нового космического корабля к МКС, а также полётов на Луну, создания постоянной базы на Луне и в перспективе полётов на Марс. Задачу картографирования возможных будущих мест посадок и базы решала в том числе станция Lunar Prospector ранее. Пилотируемые полёты на Луну планировались с 2019—2020 гг. Однако, по решению президента США Барака Обамы от 1 февраля 2010 года, финансирование программы в 2011 году прекращено[17].
В феврале 2010 года НАСА представило новый проект: «аватары» на Луне, который может быть реализован уже через 1000 дней. Суть его заключается в организации экспедиции на Луну с участием роботов-аватаров (представляющих собой устройство телеприсутствия) вместо людей. В этом случае инженеры, занимающиеся организацией полета, избавляют себя от необходимости использования важных систем жизнеобеспечения и благодаря этому, используется менее сложный и дорогой космический корабль. Для управления роботами-аватарами эксперты НАСА предлагают использовать высокотехнологичные костюмы дистанционного присутствия (наподобие костюма виртуальной реальности). Один и тот же костюм могут «надевать» несколько специалистов из разных областей науки поочередно. К примеру, в ходе изучения особенностей лунной поверхности, управлять «аватаром» может геолог, а затем в костюм телеприсутствия может облачиться физик.
Россия объявила о возможности в случае финансирования как собственной или международной программы организации полётов на Луну с 2025 года и дальнейшем создании на ней базы.
Амбициозный план Европейского Космического Агентства «Аврора», предусматривает в конечном итоге после 2030 года экспедиции и базы на Луне. Первая европейская лунная станция Смарт-1 в течение года и семи месяцев занималась картографированием поверхности Луны, а также построением карт залегания различных минералов.
О своих планах освоения Луны не раз заявлял и Китай. 24 октября 2007 года с космодрома Сичан был успешно запущен первый китайский спутник Луны Чанъэ-1. В его задачи входило получение стереоснимков, с помощью которых впоследствии изготовят объёмную карту лунной поверхности. В будущем КНР рассчитывает основать на Луне обитаемую научную базу. Согласно китайской программе, освоение естественного спутника Земли намечено на 2040—2060 годы.
Японское агентство по космическим исследованиям планировало к 2030 году ввести в строй обитаемую станцию на Луне — на пять лет позже предполагавшихся ранее сроков. В 2007 году космической станцией «Кагуя» Япония начала орбитальные исследования Луны. В марте 2010 года Япония решила отказаться от пилотируемой лунной программы из-за её чрезмерной затратности в пользу роботизированных поселений.
Индия в 2008 году послала к Луне первую АМС «Чандраян-1» с целью трёхмерного топографирования и радиозондирования для составления карты химических элементов поверхности в поисках металлов, воды и гелия-3. Индийская организация космических исследований представила планы по скорой отправке лунохода и совместных или независимых пилотируемых полётов к Луне в отдалённом будущем (после 2025—2030 г.).
Проблемы Длительное присутствие человека на Луне будет требовать решения ряда проблем. Так, атмосфера Земли и магнитное поле задерживает бо́льшую часть солнечной радиации. В атмосфере также сгорает множество микрометеоритов. На Луне без решения радиационной и метеоритной проблем невозможно создание условий для нормальной колонизации. Во время солнечных вспышек создаётся поток протонов и других частиц, способных представлять угрозу для космонавтов. Однако эти частицы обладают не слишком большой проникающей способностью, и защита от них является решаемой проблемой. Кроме того, данные частицы обладают низкой скоростью, а значит, есть время для того чтобы укрыться в антирадиационные укрытия. Гораздо большую проблему представляет жёсткое рентгеновское излучение. Расчёты показали[22], что астронавт после 100 часов на поверхности Луны с вероятностью 10 % получит опасную для здоровья дозу (0,1 Грея). В случае же солнечной вспышки опасную дозу можно получить в течение нескольких минут.
Отдельную проблему представляет лунная пыль. Лунная пыль состоит из острых частиц (поскольку нет сглаживающего влияния эрозии), а также обладает электростатическим зарядом. В результате лунная пыль проникает везде и, обладая абразивным действием, уменьшает срок работы механизмов. А попадая в лёгкие, становится угрозой здоровью человека.
Коммерциализация также не очевидна. Необходимость в больших количествах гелия-3 пока отсутствует. Наука ещё не смогла достичь контроля над термоядерной реакцией. Самым многообещающим проектом в этом отношении на данный момент (конец 2011 года) является масштабный международный экспериментальный реактор - ИТЭР, строительство которого предполагается закончить в 2018 году. После этого последует порядка двадцати лет экспериментов. Промышленное использование термоядерного синтеза ожидается не ранее 2050 года по самым оптимистическим прогнозам. В связи с этим, до этого времени добыча гелия-3 не будет представлять промышленного интереса. Космический туризм также нельзя назвать движущей силой освоения Луны, поскольку требуемые на данном этапе вложения не смогут окупиться в разумное время за счёт туризма, что показывает опыт космического туризма на МКС, доходы от которого не покрывают и малой доли затрат на содержание станции.
Данное положение вещей приводит к тому, что высказываются предложения (см. Роберт Забрин «A Case for Mars») освоение космоса сразу начинать с Марса.
