Российские ученые планируют необычную экспедицию к Луне с целью создания ее трехмерной модели с беспрецедентно высоким разрешением.
Долететь до естественного спутника Земли уже через два года и создать 3D-модель его поверхности с рекордным разрешением — такую цель поставила перед собой группа российских ученых из пяти институтов. Каждый из них обладает ключевыми технологиями, необходимыми для этой миссии. Давайте разберемся в особенностях каждой из них, чтобы понять, какой значительный прорыв может совершить российская наука благодаря этому проекту.
Любопытно, что еще 1 апреля этого года один из научных центров шуточно сообщил в своем телеграм-канале об отправке небольших спутников на Луну. По стечению обстоятельств (или, возможно, так сошлись звезды) шутка обрела черты реального проекта. Примерно в то же время заведующий отделом Института прикладной математики им. Келдыша Михаил Овчинников всерьез рассказывал о возможности отправки небольших спутников к Луне с минимальными затратами, используя сложные баллистические расчеты и длинную траекторию. Да, полет займет не три дня, а несколько месяцев, но ученым, зачастую ожидающим реализации проектов десятилетиями, спешить некуда!
Таким образом, при участии журналистов ученые узнали о возможностях друг друга и провели «инвентаризацию» своих компетенций. Выяснилось, что объединив усилия, они смогут продемонстрировать всему миру пять (!) отечественных технологий освоения дальнего космоса, причем время до старта миссии потребуется совсем небольшое — всего два года!
Как известно, любая миссия, помимо отработки технологий и поддержания квалификации научных коллективов, нуждается в четко сформулированной цели. По словам инициаторов нового проекта, целью является составление 3D-модели Луны с рекордным разрешением в 25-30 сантиметров на пиксель. Существующие на данный момент карты имеют разрешение около полуметра. Такая высокоточная карта с детальным изображением лунных морей, долин и полюсов будет крайне полезна первым лунным поселенцам при выборе оптимального места для строительства жилой базы и планирования дорожной сети.
Трехмерная модель поверхности.
Трехмерная реконструкция обнажения Мон-Мерку на Марсе позволит улучшить ее геологический анализ.
Баллистика: Семь верст и крюк
Напомним о предложении ИПМ РАН отправлять космические аппараты (КА) по более протяженным траекториям. Концепция предполагает использование малых КА весом 100-160 килограмм (с учетом топлива). Они достигнут цели за полгода, но затраты на их доставку к Луне будут значительно ниже.
Как достигается экономия? Во-первых, малому спутнику не требуется отдельная ракета для запуска; его можно запустить попутно с более крупным аппаратом. Далее в действие вступает легкий электрореактивный двигатель (ЭРД), который доставит КА к выбранному небесному телу по сложной траектории. Россия является мировым лидером в разработке плазменных ЭРД с 1960-х годов. Эти двигатели используют плазму, разгоняемую до десятков километров в секунду. Центр им. Келдыша располагает целой линейкой таких двигателей.
Михаил Овчинников ранее пояснял, что согласно математическим расчетам, чтобы приблизиться к Луне на маневренном малом аппарате, необходимо сначала стартовать в направлении… Солнца. Расчет на то, что в определенный момент гравитация Солнца послужит дополнительным ускорителем, «подтолкнув» аппарат на лунную орбиту. Это будет довольно сложная, «обходная» траектория, напоминающая скрипичный ключ, но она гарантирует прибытие аппарата к Луне через полгода после старта.
Специалисты по баллистике утверждают, что такой подход позволит малым аппаратам с ЭРД достигать как Луны, так и Марса.
Трехмерная реконструкция кометы Чурюмова-Герасименко.
Астрономия: кто «поведет» аппараты с Земли
Для наблюдения за аппаратами, удаляющимися от Земли на расстояние до 1,5 миллиона километров (таково максимальное удаление на первом этапе полета), специалистам необходимо знать их положение в пространстве с точностью до километра и контролировать скорость с точностью до 1 миллиметра в секунду! Это кажется невероятным! Однако у наших ученых есть отработанные технологии для этого. Центр астрономических исследований обладает всеми необходимыми оптико-электронными средствами для слежения за небесными объектами на таких дистанциях. Площадки с телескопами, которые потенциально будут отслеживать межпланетные малые спутники, расположены в районе Кисловодска и Благовещенска. Владимир Агапов, руководитель центра, отмечает, что Благовещенск является одним из лучших мест в России по количеству ясного ночного неба для наблюдений, благодаря климату, обеспечивающему около 300 безоблачных дней в году.
На фоне звездного неба астрономы могут определить координаты объекта на низкой орбите с погрешностью до 0,1 угловой секунды. На расстоянии в 1,5 миллиона километров эта погрешность составит как раз 1 км. Задача состоит в том, чтобы увидеть сам аппарат, что весьма непросто. Но, по словам Агапова, ученые готовы принять этот вызов.
Есть ли следы на Луне?
Теперь о наиболее интересной части проекта – съемке поверхности Луны. Оказалось, что в России есть разработчики космических камер, способных получать снимки с разрешением 25-30 сантиметров как с высоты 60 километров, так и со 120-километровой лунной орбиты. Также существуют специалисты, создающие фотограмметрические модели поверхностей планет – это трехмерные модели, построенные с учетом формы, размеров и положения объектов по миллионам отдельных кадров.
Малый спутник. Такой можно отправить к луне по длинной траектории.
«Мало кто знает, что уже существующие 3D-модели небесных объектов созданы с использованием нашего программного обеспечения», – рассказывает Алексей Семенов, руководитель компании, занимающейся разработкой спутников. – «Создать сейчас улучшенную версию карты Луны, как говорится, сам бог велел».
Виталий Кохановский, один из разработчиков технологии фотограмметрии, приводит впечатляющий пример такой работы – трехмерную реконструкцию кометы Чурюмова-Герасименко.
По его словам, благодаря высокому разрешению, ученые впервые обнаружили подповерхностные полости этой кометы глубиной от 20 до 47 метров с признаками наличия водяного льда. Эти полости представляют большой интерес для будущих космических зондов, которые могли бы получить прямой доступ к подповерхностным структурам. Также, благодаря анализу снимков и 3D-модели в сочетании с тепловой моделью, была выявлена связь между выбросом струи плазмы из недр кометы и солнечным облучением на дне одной из этих ледяных полостей.
Как уже упоминалось, у Луны существует трехмерная модель поверхности с разрешением полметра. Российские ученые обещают, если их спутник с камерами успешно достигнет Луны благодаря баллистическим расчетам, создать еще более точную модель с разрешением 25-30 сантиметров. Для создания такого подробного глобуса потребуется 197 суток работы на орбите и будет получено более 42 миллионов снимков. При такой точности, отмечают собеседники, можно будет не только оказать неоценимую помощь будущим исследователям Луны, но и поставить точку в споре века – «Были ли американцы на Луне?». Снимки такой детализации отчетливо показали бы все следы, оставленные ими на лунном реголите.
А интересно, чьи следы увидели разработчики на трехмерной карте Подмосковья? Не так давно специалисты с помощью беспилотников создали подобную модель Московской области. За 134 дня была отснята территория площадью 35 тысяч квадратных километров, получено 5 миллионов снимков. Время работы было сравнимо со съемкой Луны. Разница, по словам специалистов, заключается в основном в расстоянии до объекта.
Кстати, Кохановский добавляет, что на Марсе работу, аналогичную лунной миссии, можно было бы выполнить быстрее – за 74 суток, получив около 4 миллионов снимков. И эффект от «марсианской» работы мог бы быть более впечатляющим. Дело в том, что текущая карта Красной планеты имеет разрешение всего 5 метров. Увеличение разрешения вдвое, до 2,5 метров, гораздо более заметно и легче достигается. Как вам такая точность, Илон Маск?
Еще одна ключевая технология, без которой работа на лунной (или марсианской) орбите невозможна, связана с передачей данных на Землю. Данные должны поступать с расстояния минимум 400 тысяч километров!
Когда организаторы проекта начали искать специалистов, имеющих опыт в подобной работе для американских миссий, они обнаружили своего соотечественника. Это Григорий Наумович Гольцман из Московского педагогического университета, который 11 лет назад создал лучший в мире приемник для канала передачи данных из космоса. Он основан на однофотонном детекторе, работающем при температуре жидкого гелия (4 Кельвина). С его помощью можно детектировать световые импульсы с лунной орбиты со скоростью 1 Гбит/с – так же быстро, как если бы источник находился на низкой околоземной орбите. Это еще одна важнейшая технология, и здорово, что она разработана в России.
