Лунный посадочный модуль или Moon Lander — космический корабль , предназначенный для посадки на поверхность Луны . По состоянию на 2023 год лунный модуль «Аполлон» является единственным лунным посадочным модулем, который когда-либо использовался в пилотируемых космических полетах: с 1969 по 1972 год он совершил шесть высадок на Луну в рамках американской программы «Аполлон» . Несколько автоматических спускаемых аппаратов достигли поверхности, а некоторые доставили образцы на Землю.
Требования к конструкции этих посадочных модулей зависят от факторов, налагаемых полезной нагрузкой , скоростью полета, требованиями к движителю и ограничениями конфигурации. [1] Другие важные факторы проектирования включают общие потребности в энергии, продолжительность миссии, тип операций миссии на поверхности Луны и систему жизнеобеспечения , если есть экипаж. Относительно высокая гравитация (выше, чем у всех известных астероидов, но ниже, чем у всех планет Солнечной системы) и отсутствие лунной атмосферы сводят на нет использование аэроторможения , поэтому посадочный модуль должен использовать двигательную установку для замедления и достижения мягкой посадки .
Программа «Луна» представляла собой серию роботов-ударников, облетов, орбитальных аппаратов и посадочных аппаратов, которыми управлял Советский Союз в период с 1958 по 1976 год . «Луна-9» была первым космическим кораблем, совершившим мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 года после 11 неудачных попыток. . Три космических корабля «Луна» доставили на Землю образцы лунного грунта в период с 1972 по 1976 год. Два других космических корабля «Луна» осуществили мягкую посадку роботизированного лунохода «Луноход» в 1970 и 1973 годах. В общей сложности «Луна» совершила семь успешных мягких посадок из 27 попыток приземления.
В рамках программы Surveyor США первая мягкая посадка Surveyor 1 состоялась 2 июня 1966 года. За этим первоначальным успехом последовали еще четыре успешных мягких посадки, последняя из которых произошла 10 января 1968 года. Всего в рамках программы Surveyor было выполнено пять успешных мягких посадок. приземлений из семи попыток приземления до 10 января 1968 года. Сервейер 6 даже совершил короткий прыжок с поверхности Луны.
Лунный модуль «Аполлон» — лунный модуль американской программы «Аполлон» . По состоянию на 2024 год это единственный лунный корабль с экипажем. Программа «Аполлон» совершила шесть успешных мягких посадок на Луну с 1969 по 1972 год; Седьмая попытка высадки на Луну в рамках программы «Аполлон» была прервана, когда в служебном модуле «Аполлона-13 » произошла взрывная утечка кислорода из кислородных баллонов.
Лунный модуль ЛК — лунный посадочный модуль, разработанный Советским Союзом в рамках нескольких советских пилотируемых лунных программ . Несколько лунных модулей ЛК были запущены без экипажа на низкую околоземную орбиту , однако лунный модуль ЛК так и не долетел до Луны, поскольку разработка необходимой для лунного полета ракеты-носителя Н1 терпела неудачи (в том числе несколько неудачных запусков), а после Первые высадки людей на Луну были осуществлены Соединенными Штатами , Советский Союз отменил программы «Ракета Н1» и «Лунный модуль ЛК» без какого-либо дальнейшего развития.
Китайская программа исследования Луны (также известная как проект Чанъэ) включает в себя автоматический спускаемый аппарат, вездеход и компоненты для возврата проб; В рамках программы была осуществлена первая успешная мягкая посадка на Луну с помощью космического корабля «Чанъэ-3» 14 декабря 2013 года. По состоянию на 2023 год CLEP совершил три успешных мягких посадки из трех попыток приземления, а именно « Чанъэ-3» , «Чанъэ» . 4 и Чанъэ 5 . «Чанъэ-4» вошел в историю, совершив первую в истории человечества мягкую посадку на обратной стороне Луны.
Израильская компания SpaceIL предприняла попытку роботизированной посадки на Луну своего посадочного модуля Beresheet 4 апреля 2019 года; попытка не удалась. К 2023 году SpaceIL планирует провести еще одну попытку мягкой посадки с использованием последующего роботизированного спускаемого аппарата под названием Beresheet 2 .
Индийская программа «Чандраяан» предприняла неудачную попытку автоматической мягкой посадки на Луну 6 сентября 2019 года в составе своего космического корабля «Чандраяан-2» , при этом спускаемый аппарат разбился о поверхность Луны. [2] 23 августа 2023 года последующий посадочный модуль программы « Чандраяан-3» совершил первую в Индии роботизированную мягкую посадку, а затем 3 сентября 2023 года совершил короткий прыжок для проверки технологий, необходимых для индийской миссии по возвращению образцов с Луны под названием «Чандраяан-4» . [3]
Японская компания ispace (не путать с китайской i-Space ) 25 апреля 2023 года предприняла попытку мягкой посадки на Луну своего роботизированного посадочного модуля Hakuto-R Mission 1. Попытка оказалась неудачной, и посадочный модуль врезался в поверхность Луны. У компании есть планы на еще одну попытку посадки в 2024 году.
Российская программа «Луна-Глоб» , преемница советской программы «Луна» , запустила лунный посадочный модуль «Луна-25» 10 августа 2023 года; Предполагаемый пункт назначения зонда находился недалеко от южного полюса Луны, но 19 августа 2023 года спускаемый аппарат разбился о поверхность Луны. [4]
Японский интеллектуальный посадочный модуль для исследования Луны совершил успешную посадку на Луну с неправильным положением, плохой полосой пропускания сигнала и даже после потери одного из двигателей во время спуска, но в пределах 100 м (330 футов) от места приземления 19 января 2024 года. Он нес два небольших LEV. Роверы на борту были развернуты отдельно, как раз перед приземлением SLIM. [5] Благодаря этой посадке Япония стала пятой страной, совершившей мягкую посадку на Луну. [6] [7] [8]
В январе 2024 года в первой миссии программы CLPS , финансируемой НАСА , Peregrine Mission One , через несколько часов после запуска произошла утечка топлива, в результате чего она потеряла способность поддерживать ориентацию и заряжать батарею, тем самым не позволяя ей достичь лунной орбиты и исключая попытку приземления. [9] Впоследствии зонд сгорел в атмосфере Земли.
Второй зонд CLPS «Одиссей» успешно приземлился 22 февраля 2024 года [10] на Луне, что ознаменовало первую беспилотную мягкую посадку США на Луну за более чем 50 лет. Эта миссия является первой частной совместной высадкой НАСА на Луну и первой высадкой с использованием криогенного топлива . [11] [12] Однако в ходе миссии произошли некоторые аномалии, в том числе опрокидывание на одну сторону лунной поверхности; нестандартная начальная лунная орбита, неработающий посадочный лидар и, очевидно, низкая пропускная способность связи . [13] Позже выяснилось, что, хотя он приземлился успешно, одна из опор посадочного модуля сломалась при приземлении и он наклонился вверх на другую сторону, на 18° из-за приземления на склон, но посадочный модуль выжил, и полезная нагрузка функционирует как положено. [14] EagleCam не катапультировался перед приземлением. Позже, 28 февраля, он был катапультирован, но произошел частичный сбой, поскольку он вернул все типы данных, за исключением изображений после приземления IM-1, которые были основной целью его миссии. [15]
В следующей таблице подробно описаны показатели успеха прошлых и текущих попыток мягкой посадки на Луну с помощью роботизированных программ и программ посадки на Луну с экипажем. В таблицу не включены десантные программы, не запускавшие зонды; они добавляются по мере запуска с Земли их первых роботизированных и/или пилотируемых посадочных модулей.
Используемый здесь термин «попытка приземления» включает любую миссию, которая была запущена с намерением приземлиться на Луну, включая все миссии, которые по какой-либо причине не смогли достичь лунной орбиты. Попытка приземления космического корабля классифицируется как полный успех , если он приземляется на Луну в целости и сохранности, находится в заданной ориентации/положении и полностью функционален, тогда как частичный успех имеет место, когда космический корабль приземляется на Луну в целости и сохранности, но его операции на месте скомпрометировано в результате процесса посадки по какой-либо причине.
Посадка на любое тело Солнечной системы сопряжена с трудностями, уникальными для этого тела. Луна имеет относительно высокую гравитацию по сравнению с гравитацией астероидов или комет, а также некоторых других спутников планет , и не имеет значительной атмосферы. Практически это означает, что единственный метод спуска и приземления, который может обеспечить достаточную тягу при нынешних технологиях, основан на химических ракетах . [20] Кроме того, на Луне длинный солнечный день . Посадочные аппараты будут находиться под прямыми солнечными лучами более двух недель, а затем еще две недели в полной темноте. Это вызывает значительные проблемы с терморегулированием. [21]
По состоянию на 2019 год [обновлять]космические зонды приземлились на всех трех телах, кроме Земли, которые имеют твердую поверхность и атмосферу, достаточно толстую, чтобы сделать возможным аэроторможение: Марс , Венера и спутник Сатурна Титан . Эти зонды смогли использовать атмосферу тел, на которые они приземлились, чтобы замедлить спуск с помощью парашютов, уменьшив количество топлива, которое им необходимо было нести. Это, в свою очередь, позволило посадить на эти корпуса более крупную полезную нагрузку при заданном количестве топлива. Например, 900-килограммовый марсоход «Кьюриосити» был посажен на Марс кораблем, имеющим массу (на момент входа в атмосферу Марса) 2400 кг, [22] из которых только 390 кг составляло топливо. Для сравнения, гораздо более легкий (292 кг) «Сервейер-3» приземлился на Луне в 1967 году, израсходовав почти 700 кг топлива. [23] Однако отсутствие атмосферы устраняет необходимость в теплозащитном экране для лунного корабля, а также позволяет пренебрегать аэродинамикой при проектировании корабля.
Хотя гравитация на Луне гораздо меньше, чем на Земле, гравитация Луны достаточно велика, поэтому спуск необходимо значительно замедлить. В этом отличие от небольшого астероида, у которого «приземление» чаще называют «стыковкой» и представляет собой скорее вопрос сближения и согласования скорости, чем замедления быстрого спуска.
Поскольку для спуска и посадки используется ракетная техника, гравитация Луны требует использования большего количества топлива, чем необходимо для посадки на астероид. Действительно, одним из главных ограничений при проектировании посадки на Луну в рамках программы «Аполлон» была масса (поскольку большая масса требует больше топлива для приземления), необходимая для приземления и взлета с Луны. [24]
На лунную тепловую среду влияет продолжительность лунного дня. Температура может колебаться примерно от -250 до 120 ° C (от -418,0 до 248,0 ° F) (от лунной ночи до лунного дня). Эти экстремальные явления происходят в течение четырнадцати земных дней каждый, поэтому системы терморегулирования должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать длительные периоды экстремального холода или жары. [25] Большинство приборов космического корабля должны храниться в гораздо более строгом диапазоне от -40 до 50 °C (от -40 до 122 °F), [26] а для комфорта человека требуется диапазон от 20 до 24 °C (от 68 до 75 °F). °Ф). Это означает, что посадочный модуль должен охлаждать и обогревать свои приборы или боевой отсек.
Продолжительность лунной ночи затрудняет использование солнечной энергии для нагрева инструментов, поэтому часто используются ядерные обогреватели. [21]
Достижение мягкой посадки является главной целью любого лунного посадочного модуля и отличает посадочные аппараты от ударных аппаратов, которые были первым типом космических кораблей, достигших поверхности Луны.
Всем лунным кораблям для спуска требуются ракетные двигатели. Орбитальная скорость вокруг Луны может, в зависимости от высоты, превышать 1500 м/с. Космический корабль на ударных траекториях может иметь скорость, значительно превышающую эту. [27] В вакууме единственный способ снизить скорость с этой скорости — использовать ракетный двигатель.
Этапы посадки могут включать: [28] [29]
Посадка на Луну обычно заканчивается выключением двигателя, когда посадочный модуль находится в нескольких футах над поверхностью Луны. Идея состоит в том, что выхлопы двигателей и лунный реголит могут вызвать проблемы, если их отбросить с поверхности на космический корабль, и поэтому двигатели отключатся непосредственно перед приземлением. Инженеры должны обеспечить достаточную защиту транспортного средства, чтобы гарантировать, что падение без тяги не приведет к повреждению.
Первая мягкая посадка на Луну, осуществленная советским зондом «Луна-9 », была достигнута путем сначала замедления космического корабля до подходящей скорости и высоты, а затем выброса полезной нагрузки, содержащей научные эксперименты. Полезный груз был остановлен на поверхности Луны с помощью подушек безопасности, которые обеспечивали амортизацию при падении. [30] «Луна-13» использовала аналогичный метод. [31]
Методы подушек безопасности нетипичны. Например, зонд NASA Surveyor 1 , запущенный примерно в то же время, что и «Луна-9», не использовал подушку безопасности для окончательного приземления. Вместо этого, после того, как он остановил свою скорость на высоте 3,4 метра, он просто упал на поверхность Луны. Чтобы выдержать падение, космический корабль был оснащен разрушаемыми компонентами, которые смягчали удар и сохраняли полезную нагрузку в безопасности. [27] Совсем недавно китайский спускаемый аппарат «Чанъэ-3» использовал аналогичную технику, упав с высоты 4 м после выключения двигателя. [32]
Возможно, самые известные лунные посадочные аппараты программы «Аполлон» были достаточно прочными, чтобы выдержать падение, как только их контактные зонды обнаружили, что посадка неизбежна. Шасси было спроектировано так, чтобы выдерживать посадку с отключенным двигателем на высоте до 10 футов (3,0 м), хотя оно предназначалось для отключения спускаемого двигателя, которое начиналось при касании одного из 67-дюймовых (170 см) зондов поверхности. . Однако во время Аполлона-11 Нил Армстронг приземлился очень осторожно, запустив двигатель до приземления; некоторые более поздние экипажи выключали двигатель перед приземлением и ощущали заметные неровности при приземлении с большим сжатием посадочных стоек. [33] [34]