Небольшая научно-исследовательская станция для отработки мягкой посадки в полярную область Луны

«Луна-25», также известная как «Луна-Глоб», должна стать первой отечественной станцией, севшей на поверхность Луны, после запущенной в 1976 году «Луны-24». Основная задача космического аппарата является не научной. Разработчики ставят перед собой цель разработать и испытать технологию мягкой посадки в приполярную область Луны. Дополнительная задача – исследования свойств лунного реголита в этой области.

Работа над исследовательской программой «Луна-Глоб» началась еще в 2005 году, и концепция проекта многократно менялась. В конце 2011 года, когда потерпела аварию автоматическая станция «Фобос-Грунт», вся российская научная программа Роскосмоса (впрочем, состоящая по большей части только из «Лун» и «Спектров») была пересмотрена. Поскольку аппарат «Луна-Глоб» разрабатывался на платформе «Фобос-Грунта», было принято решение полностью переделать проект.

В 2012 году аппарат, внешне почти не изменившийся, получил новый бортовой компьютер, задачи и дополнительное номерное название – «Луна-25». Несмотря на это, его судьба мало изменилась. Планируемая дата запуска переносилась с 2014, 2015, 2016, 2017 года и т.д. По данным на май 2017 года, запуск должен состояться в конце 2019 года, но разработчики космического аппарата отмечают наличие в проекте «нерешенных проблем по массе и энергетике».

Как и другие отечественные научно-исследовательский станции, включая большую часть советских номерных «Лун», «Луну-Глоб» разрабатывает НПО им. Лавочкина. В Вестнике НПО им. Лавочкина за 4 квартал 2016 года опубликована подробная статья об устройстве разрабатываемого научно-исследовательского комплекса. Ниже информация из этой статьи представлена с небольшими сокращениями.

Общее описание и план полета

Миссия состоит из четырех составляющих: космический аппарат «Луна-25», ракетно-космический комплекс, наземный комплекс управления и наземный научный комплекс. Ниже речь идет о космическом аппарате. Его основные характеристики приведены в таблице.

Общая масса Масса научной аппаратуры* Скорость приема данных Скорость исходящих данных Максимальная дальность связи Срок службы
1540 кг 30 кг не менее 128 кбит/с не менее 64 кбит/с до 410 000 км 1 год

* – включая руку-манипулятор и служебную телесистему

Космический аппарат будет запущен с космодрома Байконур на ракете-носителе Союз-2.1б с разгонным блоком «Фрегат». Ракета выведет аппарат на незамкнутую опорную орбиту. После краткой фразы пассивного полета разгонный блок двумя включениями двигательной установки направит спутник на траекторию перелета к Луне и отделится.

Этап полета от старта до прибытия к Луне займет 5 суток. Прибыв к спутнику Земли, аппарат затормозит при помощи собственной двигательной установки и выйдет на круговую околополярную орбиту высотой 100 км. После этого он проведет измерение фактических параметров орбиты и выполнит один или два маневра для формирования посадочной орбиты с перицентром высотой 12-18 км и апоцентром высотой 90-110 км. Перицентр должен находиться над местом будущей посадки с погрешностью не более 7° по истинной аномалии. По техническим причинам допускается существование аппарата на орбите искусственного спутника Луны сроком от 4 до 7 суток.

На восьми витках посадочной орбиты планируется серия измерений (4-6 интервалов) для уточнения орбитальных параметров и расчета полетного задания.

На конец декабря 2016 года выбрано одно основное и два резервных места посадки, а точный район должен быть утвержден учеными (т. е. ИКИ РАН) в 2017 году. Тем не менее, есть свои требования и у разработчиков посадочного аппарата. В частности, имеет значение высота Солнца над горизонтом, поскольку основным источником энергии для аппарата являются солнечные батареи, и наклон площадки. Не допускается угол наклона поверхности в месте посадки более 10°.

Наименование района посадкиКоординаты
Юг 1 (кратер Манцини, резервный) 76,80° ю.ш. 26,50° в.д.
Юг 2 (кратер Богоуславского, основной) 73,30° ю.ш. 43,90° в.д.
Юг 3 (кратер Богоуславского, основной) 72,90° ю.ш. 41,30° в.д.

Посадка должна произойти с вертикальной скоростью от 1,5 до 3 м/с, горизонтальной скоростью не более 1 м/с и углом отклонения продольной оси от гравитационной вертикали не более 7°. Планируемая точность посадки – эллипс размером 30x15 км.

1. Подготовительный участок. Ориентация аппарата по звездным датчикам с использованием бесплатформенных инерциальных блоков.
2. Участок управления КА с проведением калибровки нулевых сигналов углоизмерительных и акселерометрических каналов измерений.
3. Участок переориентации с калибровкой масштабных коэффициентов углоизмерительных каналов.
4. Участок успокоения космического аппарата.
5. Участок переориентации аппарата в положение, соответствующее включению корректирующего тормозного двигателя.
6. Участок включения доплеровского измерителя скорости и дальности, проверки его работоспособности и работоспособности других бортовых систем.
7. Участок последовательного выполнения участков основного торможения, свободного падения, повторного торможения и участка спуска с постоянной скоростью.

Двигательная установка отключится после получения сигнала о касании поверхности от одного из датчиков, установленных на четырех посадочных опорах.

Устройство космического аппарата

Функционирование «Луны-Глоб» на поверхности будет подчинено периодам лунного дня, который продолжается 14,5 земных суток и сменяется ночью аналогичной продолжительности. В дневное время посадочный аппарат будет поддерживать связь с Землей, проводить съемку поверхности, использовать руку-манипулятор для отбора проб грунта и проводить научные эксперименты. Ночью же вся аппаратура за исключением часов реального времени будет выключена, а за поддержание теплового режима будет отвечать радиоизотопный генератор. Предназначение этих часов – включение питания аппарата на восходе Солнца.

НаименованиеМасса (кг)
Двигательная установка 265,5
Бортовой комплекс управления 27
Блок управления 10,7
Блок управления и подрыва пиротехники 6
Радиокомплекс 10
Блок формирования кодов 0,5
Телеметрическая система 4
Антенно-фидерная система 11
Система электроснабжения 45,5
Радиоизотопный термоэлектрический генератор 6,7
Конструкция и механизмы 55,5
Система контроля и электризации 1
Научная аппаратура 30
Панель уголковых отражателей 1
Система световых маяков 1
Система обеспечения теплового режима 33
Бортовая кабельная сеть 30
Адаптер с системой отделения 34
Резерв 27,1
Сухая масса космического аппарата 590
Максимальная заправка 950
Масса заправленного космического аппарата 1540

Космический аппарат «Луна-25» можно разделить на две половины. Сверху находится «платформа» – силовая конструкция, к которой прикреплена сотовая панель со служебной аппаратурой и научными приборами. Сверху же находятся солнечные батареи. Нижняя половина – топливные баки с двигательной установкой и посадочными опорами.

Посадочное устройство

Посадочное устройство предназначено для поглощения кинетической энергии в момент посадки на Луну. Оно состоит из четырех стоек, по одной на каждом топливном баке. Каждая стойка, в свою очередь, состоит из амортизатора, V-образного подкоса и опоры. В амортизаторе находится деформируемая лента, которая растягивается при продвижении штока амортизатора внутрь. Максимальная длина амортизатора составляет 914 мм, ход штока – 161 мм, максимальная сила – 750 кг, клиренс – 260 мм. Для уменьшения клиренса до заданного значения производится срабатывание пирочек, которые фиксируют ленту в штоке. После этого происходит перемещение штока, ленты и втулки, удерживающей ленту.

Система обеспечения теплового режима

Эта система начинает функционировать еще на стартовой позиции, после установки радиоизотопного генератора. Она состоит из двух основных элементов. РИТЭГ отвечает за обогрев аппаратуры, а радиаторы с системой теплопроводов – за излучение избыточного тепла.

Радионуклидный термоэлектрический генератор предназначен для питания систем космического аппарата тепловой энергией. Единственным прибором, получающим от него электрическую энергию, являются часы реального времени, которые отвечают за пробуждение аппарата после лунной ночи. Электрическая мощность РИТЭГа составляет 6,5 Вт, напряжение – 3 В. Тепловая мощность – 125-145 Вт.

Для эффективного отвода тепла от приборов используются аксиальные тепловые трубы из профилированного алюминия (теплоноситель – аммиак). Система включает два радиатора площадью 0,7 кв. м каждый. В трубах, отвечающих за отвод тепла от сотопанели с приборами к радиаторам, теплоносителем является пропилен.

Двигательная установка

В двигательной системе «Луны-Глоб» применяются жидкостные двигатели разной тяги.

– двигатель траекторных коррекций (характеристическая скорость более 15 м/с) и торможения имеет регулируемую тягу от 400 до 480 кгс, подача топлива - турбонасосная

– два двигателя мягкой посадки имеют тягу 60 кгс (подача топлива – вытеснительная)

– двигатели стабилизации и ориентации: ДМТ1-8 тягой 0,6 кгс и ДМТ9-12 тягой 5 кгс (подача топлива – вытеснительная); эти же двигатели применяются для коррекции траектории с характеристической скоростью менее 15 м/с.

Бортовой комплекс управления

– бортовой интегрированный вычислительный комплекс БИВК-Р
– адаптер связи, обеспечивающий управление приводами антенны; приводом регулятора тяги двигателей; часами реального времени
– два блока определения координат звезд (звездных датчика)
– два бесплатформенных инерциальных блока
– два солнечных датчика (347 К)
– доплеровский измеритель скорости и расстояния

Роль центральной вычислительной машины играет бортовой интегрированный вычислительный комплекс БИВК-Р. Он отвечает за формирование программы работы бортовых систем и ее выполнение, принимает управляющие решения и проводит диагностику систем аппарата.

Система электроснабжения

«Луна-Глоб» должна стать первым космическим аппаратом, который совершит посадку в высоких широтах Луны. Максимальный угол Солнца над горизонтом при взгляде из кратера Богоуславского (точки Юг-2 и Юг-3) составляет 16,3°. При этом для посадочного аппарата допустимым является отклонение от вертикальной оси до 10°, что дополнительно может уменьшить освещенные интервалы. В резервной точке Юг-1, т. е. в кратере Манцини, Солнце не поднимается над горизонтом выше чем на 13°. Сложные условия накладывают дополнительные ограничения на варианты компоновки солнечных батарей, которые являются основным источником электрической энергии для «Луны-Глоб».

Система электроснабжения космического аппарата начинает работать сразу после получения сигнала об отделении от разгонного блока. Она состоит из фотоэлектрических панелей (т. е. солнечных батарей), литиево-ионной аккумуляторной батареи, блока автоматики и РИТЭГа. В таблице приведены основные характеристики системы.

Мощность для бортовой аппаратуры по шине стабилизированного питания 650 Вт
Напряжение по шине стабилизированного питания 27,5±0,3 В
Номинальная емкость аккумуляторной батареи 70 А∙ч
Удельная энергия аккумуляторной батареи 85 Вт∙ч/кг
Ток разряда аккумуляторной батареи 25 А
Ток заряда аккумуляторной батареи 10 А

Аккумуляторная батарея 8ЛИ-70 состоит из восьми соединенных последовательно Li-Ion аккумуляторов ЛИГП-70.

Солнечная батарея состоит из пяти панелей арсенид-галиевых фотоэлектронных преобразователей размерами 740x1220 мм. Их суммарная площадь – 4,515 кв. м. Четыре панели расположены на гранях прямоугольного параллелепипеда вокруг платформы с аппаратурой. Пятая панель развернута «горизонтально» и расположена сбоку от топливных баков. В режиме постоянной солнечной ориентации батареи генерируют мощность в 529 Вт. Ожидается, что к началу посадочных операций они обеспечат полную зарядку аккумулятора.

Система связи

Радиокомплекс аппарата «Луна-Глоб» работает вместе с антенной системой в X-диапазоне. Характеристики системы не зависят от ориентации космического аппарата. В задачи радиокомплекса входит
– прием, дешифровка и передача бортовому компьютеру команд с Земли
– проведение измерений траектории совместно с наземными станциями
– сбор собственной диагностической информации и отправка ее на Землю (в общем потоке)
– прием телеметрической информации от научной аппаратуры и телеметрической системы, формирование общего потока передачи на Землю, разделение информации на кадры и передача их наземным станциям.

Антенно-фидерная система состоит из двух приемных малонаправленных антенн, двух передающих малонаправленных антенн, одной направленной передающей антенны и трех волноводных переключателей.

Диапазон рабочих частот приемника/передатчика 7145–7235 МГц / 8400–8500 МГц
Дальность радиосвязи от 200 до 420 000 км
Скорость передачи при вероятной ошибке не более 10-5 на бит 128-512 кбит/с
Точность траекторных измерений совместно с наземными станциями по дальности/по скорости не хуже 10 м / не хуже 0,5 мм/с
Мощность передатчика не менее 5 Вт

Научная аппаратура

 

Список научных приборов с кратким описанием:

НаименованиеЗадачаМассаПроизводитель
АДРОН-ЛР Дистанционный анализатор гамма-излучения и активных нейтронов в реголите 6,7 кг ИКИ РАН
АРИЕС-Л Изучение лунного реголита по измерению вторичных ионов и нейтральных частиц, выбитых из реголита потоком солнечного ветра, а также изучение состава и динамики плазменной и нейтральной составляющих экзосферы 4,6 кг ИКИ РАН
ЛАЗМА-ЛР Лазерный масс-спектрометр для прямых контактных исследований состава образцов лунного грунта 2,7 кг ИКИ/Университет Берна
ЛИС-ТВ-РПМ Дистанционное исследование минералогического состава реголита в видимом и инфракрасном диапазонах (оптический блок устанавливается на манипуляторе ЛМК) 2,0 кг ИКИ РАН
ЛИНА-XSAN Детектор низкоэнергетических нейтральных частиц и ионов в экзосфере Луны 0,7 кг ISP (Швеция)
ПмЛ Изучение состава и динамики пыли, микрометеоритов и электрических полей в окрестностях космического аппарата 0,9 кг ИКИ РАН
ТЕРМО-Л Прямое измерение тепло-физических свойств реголита 1,2 кг ГЕОХИ
ЛМК Манипулятор с грунтозаборным устройством для доставки в прибор ЛАЗМА-ЛР образцов реголита и для наведения оптического блока камеры ЛИС-ТВ-РПМ 5,5 кг ИКИ РАН
БУНИ Система контроля электропитания, хранения данных научного оборудования и передачи управляющих команд 2,3 кг ИКИ РАН
СТС-Л Система для проведения видеосъемки (в т. ч. стерео) поверхности вокруг аппарата для построения трехмерной модели участка 4,6 кг ИКИ РАН
Лазерный уголковый отражатель Измерения расстояния до аппарата 1,0 кг НПО СПП

Рука-манипулятор ЛМК сможет отбирать реголит с размером частиц до 2,8 мм. За период эксплуатации она должна будет отобрать не менее 30 проб объемом до 2 куб. см каждая. Радиус действия манипулятора составляет 1,5 метра.

Дополнительная информация