Между низкой околоземной орбитой (LEO) и Луной находится область пространства шириной 384 400 км (238 855 миль), известная как цислунарное пространство. В ближайшие десятилетия многочисленные космические агентства отправят миссии в этот регион для поддержки развития инфраструктуры, которая приведет к постоянному присутствию человека на Луне. Это включает орбитальные и поверхностные среды обитания, посадочные площадки, наземные транспортные средства, технологии использования ресурсов на месте (ISRU) и другие элементы, которые позволят проводить долгосрочное исследование и разработку лунной поверхности.
Для всех заинтересованных сторон цислунарное пространство имеет огромный потенциал с точки зрения научных, коммерческих и военных приложений. Значительно возросший уровень активности на Луне и вокруг нее делает осведомлённость о космической области (SDA) — знание всех операций в регионе космоса — первостепенной задачей. Также необходимо обеспечить непрерывный успех и использование охваченного региона. В недавней статье группа инженеров аэрокосмической отрасли рассмотрела миссии, запланированные на ближайшие десятилетия, и оценила состояние и недостатки своей осведомлённости о космической области.
Исследование было проведено под руководством Брайана Бейкера-МакЭвилли, аспиранта по аэрокосмической инженерии в Университете аэронавтики Эмбри-Риддла (ERAU). К нему присоединились Дэвид Каналес, доцент по аэрокосмической инженерии в ERAU, а также Сурабхи Бхадаурия и Кэролин Фру, кандидат наук и доцент Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью. Статья, описывающая их выводы, недавно появилась в сети и рассматривается для публикации
Осведомленность о космической сфере
Также известная как «космическая ситуационная осведомленность», SDA имеет важное значение для операций в космосе. Как Бейкер-МакЭвилли объяснил Universe Today по электронной почте:
«SDA по сути является концепцией наличия всеобъемлющих знаний обо всех объектах в определенном регионе без необходимости прямого общения с этими объектами. Это необходимо для безопасности и защиты космических аппаратов, поскольку предоставляет ценную информацию об объектах в их окрестностях, которые могут повлиять на исход их миссии. Некоторые общие примеры важности SDA: информация помогает избегать столкновений, обеспечивает точную информацию о слежении и предоставляет знания о других видах космической деятельности».
Как заявляет НАСА, цель программы Artemis — «создать устойчивую программу исследования и освоения Луны». Аналогичным образом Китай, Роскосмос и ЕКА надеются создать лунные среды обитания и соответствующую инфраструктуру, чтобы обеспечить постоянное присутствие человека на Луне. Ключевым элементом этих программ является создание среды обитания в южной полярной области Луны (бассейн Южный полюс — Эйткен). Эти мероприятия потребуют значительной поддержки в виде поставок полезной нагрузки, а экспорт лунных ресурсов также потребует регулярных миссий на лунную поверхность и с нее. Учитывая этот уровень активности, SDA будет важнее, чем когда-либо.
Много планов
В рамках программы «Артемида» НАСА намерено осуществить первый полет вокруг Луны на пилотируемом космическом корабле «Орион» (Артемида II) не ранее сентября 2025 года. За этим последует Артемида III в сентябре 2026 года, первая пилотируемая миссия на поверхность Луны после Аполлона-17 в 1972 году. Это будет достигнуто путем запуска пилотируемого космического корабля Orion с использованием Space Launch System (SLS) на лунную орбиту. Система посадки человека (HLS), предоставленная SpaceX – Звездолет HLS – запустится отдельно, дозаправится на орбите, а затем встретится с космическим кораблем «Орион» около Луны.
После завершения перевода двух астронавтов на HLS они спустятся на поверхность Луны и проведут около 30 дней, проводя эксперименты и извлекая образцы. После Artemis III NASA начнет концентрироваться на развертывании основных элементов Lunar Gateway, который будет запущен в 2027 году на борту ракеты Falcon Heavy. Миссия Artemis IV последует в сентябре 2028 года и впервые покажет переход экипажа из четырех человек с космического корабля Orion на Lunar Gateway. После этого NASA намерено отправлять миссию в год на поверхность Луны и развертывать элементы базового лагеря Artemis. Они будут включать следующее:
Кроме того, Китай и Россия объявили о своих намерениях создать Международную лунную исследовательскую станцию (ILRS), которая будет конкурировать с предлагаемой инфраструктурой NASA. Предлагаемый график включает три этапа. Фаза разведки завершится Чанъэ-7 миссия (запуск в 2026 году), которая продолжит исследование лунной поверхности вокруг бассейна Южный полюс-Эйткен для разведки ресурсов и оценки возможных мест для будущего обитания. Вторая фаза, строительство, будет проходить между 2026 и 2035 годами и будет включать развертывание элементов, составляющих ILRS.
Тем временем Европейское космическое агентство (ЕКА) провело несколько исследований и предложений по международной лунной базе, которая будет служить той же цели, что и Международная космическая станция (МКС). Предыдущие предложения включают Moon Village ЕКА, которая состояла из сооружения, простирающегося под поверхностью, и купола, покрытого реголитом, который обеспечивал бы доступ к поверхности. За этим последовало в 2019 году, когда ЕКА и международная архитектурная фирма Skidmore, Owings & Merrill (SOM) предложили серию полунадувных модулей, развернутых вдоль края лунного кратера.
Последняя концепция стала еще одним совместным проектом ЕКА и международной архитектурной фирмы Hassel. Их предложение, Lunar Habitat Master Plan, состоит из модульной, масштабируемой системы обитания, которая может вместить поселение до 144 человек. В рамках своего исследования Бейкер-МакЭвилли и его коллеги рассмотрели эти планы и определили две основные тенденции. Как он рассказал.
«При рассмотрении этих миссий выявляются две ключевые тенденции: важность создания устойчивых операций и стратегическая ценность Южного полюса Луны. Многие будущие миссии имеют целью тестирование новых технологий, которые поддерживают устойчивые операции на Луне, таких как методы сбора воды из лунного реголита для астронавтов, эффективные методы посадки для поддержки постоянного движения к поверхности Луны и с нее или использование орбитальных траекторий, требующих мало топлива для пребывания внутри.
«Южный полюс Луны является ключевой частью цислунарного пространства, поскольку это эффективное географическое положение для этих устойчивых операций. Южный полюс обладает постоянно затененными кратерами, которые содержат концентрации воды в реголите. Кроме того, почти прямолинейная гало-орбита (NRHO), на которой будет размещен Gateway, проводит большую часть своей траектории в пределах прямой видимости Южного полюса и требует очень мало топлива для поддержания при внешних возмущениях».
Как добраться туда
Другим ключевым аспектом их исследования была динамика цислунарной среды и проблемы отправки космических аппаратов с Земли на Луну. Эти проблемы хорошо известны благодаря десятилетиям отправки туда роботизированных миссий, не говоря уже о пилотируемых миссиях в форме программы «Аполлон». Ожидается, что в ближайшие десятилетия этот регион станет довольно переполненным спутниками, космическими аппаратами, Lunar Gateway и другими орбитальными объектами. Ситуация усложняется тем фактом, что любому объекту в цислунарном пространстве придется бороться с задачей трех тел. Бейкер-МакЭвилли сказал:
«[The] Динамика цислунарной области становится сложной из-за введения третьего тела в задачу орбитальной механики. На данный момент задача трех тел не имеет замкнутого решения, и космический корабль под влиянием как Земли, так и Луны больше не движется в традиционном двухтельном кеплеровском смысле, с которым многие знакомы. Это приводит к тому, что многие традиционные методы в астродинамике ломаются, требуя новых моделей и методов для решения проблем».
В конце концов, они определили несколько семейств орбит, которые подчеркивают уникальную геометрию периодических траекторий в задаче трех тел, а также орбиты, которые могут иметь стратегическое применение в будущем. Однако, как добавил Бейкер-МакЭвилли, эти траектории не являются всеобъемлющими, и существует множество других, которые были хорошо документированы.
Недостатки
Рассмотрев существующие и ожидаемые миссии, которые будут отправлены на Луну в ближайшие десятилетия, Бейкер-МакЭвилли и его коллеги выявили несколько недостатков, касающихся SDA. Они также дают рекомендации о том, как их можно устранить. Как он указал:
«Методы SDA, используемые для мониторинга объектов вокруг Земли, которые полагаются на наземные датчики, напрямую не транслируются в возможность наблюдения за объектами в цислунарном пространстве. Значительное расстояние, которое наземный датчик должен преодолеть, чтобы достичь областей цислунарного пространства, находится за пределами возможностей многих датчиков, особенно радиолокационных систем. Датчики, способные охватывать такое расстояние, такие как Deep Space Network, часто уже перегружены и слишком ценны, чтобы быть предназначенными только для SDA.
«Еще один недостаток — сложные условия освещенности, которые оптические датчики должны преодолеть, чтобы увидеть объекты в глубине цислунного пространства. Такие проблемы, как физическое блокирование Луной обзора миссий на дальней стороне или размывание отраженного от Луны света космическим аппаратом, затрудняют возможности оптических датчиков. В результате есть важные регионы цислунного пространства, которые не всегда видны текущим сетям датчиков».
Как отметил Бейкер-МакЭвилли, исследователи изучают множество подходов к устранению пробела в возможностях цислунарного SDA. Некоторые возможности включают размещение датчиков на Луне, улучшение сети наземных датчиков или внедрение созвездий спутниковых датчиков по всему цислунарному пространству. По его мнению, некоторая комбинация этих решений лучше всего подходит для устранения пробела в SDA. Он также надеется, что их исследование предоставит исследователям, студентам и тем, кто интересуется исследованием Луны, основу для текущего состояния цислунарного пространства и проблем, с которыми оно сталкивается.
«Ключевые вопросы, выявленные в ходе анализа исследований Цислунара и SDA, могут побудить некоторых читателей обратить больше внимания на эти моменты и предложить свою собственную работу, которая будет способствовать решению проблемы или предотвращению повторения подобных неудач», — сказал он.
Дальнейшее чтение: arXiv
