Лунный модуль или лунный модуль — космический аппарат , предназначенный для посадки на поверхность Луны . По состоянию на 2024 год лунный модуль Apollo является единственным лунным модулем, который когда-либо использовался в пилотируемых космических полетах, совершив шесть посадок на Луну с 1969 по 1972 год в рамках американской программы Apollo . Несколько роботизированных модулей достигли поверхности, и некоторые из них доставили образцы на Землю.
Требования к конструкции этих посадочных модулей зависят от факторов, налагаемых полезной нагрузкой , скоростью полета, требованиями к движению и ограничениями конфигурации. [1] Другие важные факторы конструкции включают общие энергетические требования, продолжительность миссии, тип операций миссии на поверхности Луны и систему жизнеобеспечения , если она пилотируемая. 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 движение для замедления и достижения мягкой посадки .
Программа «Луна» представляла собой серию роботизированных ударных аппаратов, пролетов, орбитальных аппаратов и посадочных модулей, запущенных Советским Союзом в период с 1958 по 1976 год . «Луна-9» была первым космическим аппаратом, совершившим мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 года после 11 неудачных попыток. Три космических аппарата «Луна» доставили образцы лунного грунта на Землю с 1972 по 1976 год. Два других космических аппарата «Луна» совершили мягкую посадку лунного робота-лунохода в 1970 и 1973 годах. Всего «Луна» совершила семь успешных мягких посадок из 27 попыток посадки.
В рамках американской программы Surveyor 2 июня 1966 года впервые была осуществлена мягкая посадка Surveyor 1. За этим первоначальным успехом последовали четыре дополнительных успешных мягких посадки, последняя из которых состоялась 10 января 1968 года. В рамках программы Surveyor было осуществлено в общей сложности пять успешных мягких посадок из семи попыток посадки до 10 января 1968 года. Surveyor 6 даже совершил короткий прыжок с поверхности Луны.
Лунный модуль «Аполлон» был лунным посадочным модулем для американской программы «Аполлон» . По состоянию на 2024 год это единственный пилотируемый лунный посадочный модуль. Программа «Аполлон» выполнила шесть успешных мягких посадок на Луну с 1969 по 1972 год; седьмая попытка посадки на Луну в рамках программы «Аполлон» была прервана, когда в сервисном модуле «Аполлона-13 » произошел взрывной выброс кислорода из баков.
Лунный модуль ЛК был лунным посадочным модулем, разработанным Советским Союзом как часть нескольких советских пилотируемых лунных программ . Несколько лунных модулей ЛК были запущены без экипажа на низкую околоземную орбиту , но лунный модуль ЛК так и не полетел на Луну, поскольку разработка ракеты -носителя Н1 , необходимой для лунного полета, потерпела неудачу (включая несколько неудачных запусков), и после того, как США осуществили первую высадку человека на Луну , Советский Союз отменил как программу Н1, так и программу лунного модуля ЛК без дальнейшего развития.
Китайская программа исследования Луны (также известная как проект «Чанъэ») включает в себя роботизированный посадочный модуль, луноход и компоненты для возврата образцов; программа осуществила первую успешную мягкую посадку на Луну с космическим аппаратом «Чанъэ-3» 14 декабря 2013 года. По состоянию на 2023 год CLEP осуществил три успешных мягких посадки из трех попыток посадки, 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 автоматической посадки на Луну с помощью своего посадочного модуля Beresheet 4 апреля 2019 года; попытка не удалась. По состоянию на 2023 год у SpaceIL есть планы на еще одну попытку мягкой посадки с использованием следующего посадочного модуля Beresheet 2 .
Индийская программа «Чандраян» провела неудачную попытку мягкой посадки робота на Луну 6 сентября 2019 года в рамках своего космического корабля «Чандраян-2» , в результате чего посадочный модуль потерпел крушение на поверхности Луны. [2] 23 августа 2023 года последующий за программой посадочный модуль «Чандраян-3» совершил первую в Индии мягкую посадку робота, а затем совершил короткий прыжок 3 сентября 2023 года для проверки технологий, необходимых для индийской миссии по возвращению лунных образцов под названием «Чандраян-4» . [3]
Японская ispace (не путать с китайской i-Space ) предприняла попытку мягкой посадки на Луну с помощью своего роботизированного посадочного модуля Hakuto-R Mission 1 25 апреля 2023 года. Попытка оказалась неудачной, и посадочный модуль врезался в лунную поверхность. Компания планирует еще одну попытку посадки в 2024 году.
Российская программа «Луна-Глоб» , преемница советской программы «Луна» , запустила лунный модуль «Луна-25» 10 августа 2023 года; предполагаемая цель зонда находилась вблизи южного полюса Луны, но 19 августа 2023 года модуль потерпел крушение на поверхности Луны. [4]
Японский интеллектуальный посадочный модуль для исследования Луны совершил успешную посадку на Луну с неправильной ориентацией, слабой полосой пропускания сигнала и даже после потери одного из двигателей во время спуска, но в пределах 100 м (330 футов) от места посадки 19 января 2024 года. На его борту было два небольших марсохода LEV, развернутых по отдельности, как раз перед приземлением SLIM. [5] Его посадка сделала Японию пятой страной, совершившей мягкую посадку на Луну. [6] [7] [8]
В январе 2024 года первая миссия финансируемой НАСА программы CLPS , Peregrine Mission One , столкнулась с утечкой топлива через несколько часов после запуска, что привело к потере возможности поддерживать ориентацию и заряжать аккумулятор, тем самым помешав ему выйти на лунную орбиту и исключив попытку посадки. [9] Впоследствии зонд сгорел в атмосфере Земли.
Второй зонд CLPS Odysseus успешно приземлился 22 февраля 2024 года [10] на Луне, что стало первой беспилотной мягкой посадкой США на Луну за более чем 50 лет. Эта миссия является первой частной и NASA-совместной высадкой на Луну и первой посадкой с использованием криогенного топлива . [11] [12] Однако в ходе миссии возникли некоторые аномалии, включая опрокидывание на одну сторону на лунной поверхности; нештатную начальную лунную орбиту, неработающий посадочный LIDAR и, по-видимому, низкую пропускную способность связи . [13] Позже выяснилось, что, хотя он приземлился успешно, одна из опор посадочного модуля сломалась при посадке, и он наклонился на другую сторону на 18° из-за посадки на склоне, но посадочный модуль выжил, и полезные нагрузки функционируют, как и ожидалось. [14] EagleCam не был выброшен перед посадкой. Позднее, 28 февраля, он был выброшен, но частично потерпел неудачу, поскольку вернул все типы данных, за исключением изображений после посадки IM-1, которые были главной целью его миссии. [15]
Китай запустил зонд «Чанъэ-6» с китайского острова Хайнань 3 мая 2024 года. Целью этой миссии является первая доставка образцов лунного грунта с обратной стороны Луны . [16] Это вторая китайская миссия по возвращению лунных образцов, первая была успешно завершена Chang'e 5 , когда он вернул 1,731 кг лунного материала с ближней стороны на Землю 16 декабря 2020 года. [17] Посадочный модуль Chang'e 6 успешно приземлился в бассейне Южный полюс-Эйткен на дальней стороне Луны в 22:23 UTC 1 июня 2024 года. [18] После завершения сбора образцов и размещения образца на подъемном модуле с помощью роботизированной дрели и роботизированной руки зонда, подъемный модуль успешно взлетел с верхней части посадочной части зонда в 23:38 UTC 3 июня 2024 года. [19] [20] Подъемный модуль состыковался с сервисным модулем Chang'e 6 (орбитальным аппаратом) на лунной орбите в 06:48 UTC 6 июня 2024 года и впоследствии завершил передачу контейнера с образцами в модуль аренды на Земле в 07:24 UTC того же дня. [21] Затем 20 июня 2024 года орбитальный аппарат покинул лунную орбиту вместе с возвращаемым аппаратом, который приземлился во Внутренней Монголии 25 июня 2024 года, завершив тем самым китайскую миссию по возвращению образцов с обратной стороны Луны.
В следующей таблице приведены показатели успешности прошлых и текущих попыток мягкой посадки на Луну с помощью роботизированных и пилотируемых программ посадки на Луну. Программы посадки, в которых не было запущено ни одного зонда, не включены в таблицу; они добавляются по мере запуска их первоначальных роботизированных и/или пилотируемых посадочных модулей с Земли.
Термин «попытка посадки» , используемый здесь, включает любую миссию, которая была запущена с намерением приземлиться на Луну, включая все миссии, которые не смогли достичь лунной орбиты по какой-либо причине. Попытка посадки космического корабля классифицируется как полный успех, если он приземляется на Луну неповрежденным и находится в своей проектной ориентации/положении и полностью функционален, в то время как частичный успех имеет место, когда космический корабль приземляется на Луну неповрежденным, но его операции на месте по какой-либо причине скомпрометированы в результате процесса посадки.
Посадка на любое тело Солнечной системы сопряжена с трудностями, присущими только этому телу. Луна имеет относительно высокую гравитацию по сравнению с астероидами или кометами — и некоторыми другими планетарными спутниками — и не имеет значительной атмосферы. На практике это означает, что единственный метод спуска и посадки, который может обеспечить достаточную тягу при современных технологиях, основан на химических ракетах . [26] Кроме того, на Луне длинный солнечный день . Посадочные аппараты будут находиться под прямыми солнечными лучами более двух недель подряд, а затем в полной темноте еще две недели. Это создает значительные проблемы для терморегулирования. [27]
По состоянию на 2019 год [обновлять]космические зонды приземлились на всех трех телах, кроме Земли, которые имеют твердые поверхности и достаточно толстую атмосферу, чтобы сделать возможным аэродинамическое торможение: Марс , Венера и спутник Сатурна Титан . Эти зонды смогли использовать атмосферы тел, на которые они приземлились, чтобы замедлить свой спуск с помощью парашютов, уменьшая количество топлива, которое им требовалось нести. Это, в свою очередь, позволило высаживать на эти тела более крупные полезные грузы при заданном количестве топлива. Например, 900-килограммовый марсоход Curiosity был высажен на Марс аппаратом , имеющим массу (на момент входа в атмосферу Марса) 2400 кг, [28] из которых только 390 кг приходилось на топливо. Для сравнения, гораздо более легкий (292 кг) Surveyor 3 приземлился на Луне в 1967 году, используя почти 700 кг топлива. [29] Однако отсутствие атмосферы устраняет необходимость в тепловом щите лунного модуля, а также позволяет игнорировать аэродинамику при проектировании корабля.
Хотя гравитация у Луны намного меньше, чем у Земли, гравитация у нее достаточно высокая, поэтому спуск должен быть значительно замедлен. Это контрастирует с небольшим астероидом, у которого «посадка» чаще называется «стыковкой» и является вопросом рандеву и соответствия скорости, а не замедления быстрого спуска.
Поскольку для спуска и посадки используется ракетная техника, гравитация Луны требует использования большего количества топлива, чем требуется для посадки на астероид. Действительно, одним из центральных ограничений проекта посадки на Луну в рамках программы «Аполлон» была масса (поскольку большая масса требует большего количества топлива для посадки), необходимая для посадки и взлета с Луны. [30]
На термическую среду Луны 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 значения наблюдаются в течение четырнадцати земных дней каждый, поэтому системы терморегулирования должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать длительные периоды экстремального холода или жары. [31] Большинство приборов космического корабля должны поддерживаться в гораздо более строгом диапазоне от −40 до 50 °C (от −40 до 122 °F), [32] а для человеческого комфорта требуется диапазон от 20 до 24 °C (от 68 до 75 °F). Это означает, что посадочный модуль должен охлаждать и нагревать свои приборы или отсек экипажа.
Длительность лунной ночи затрудняет использование солнечной электроэнергии для обогрева приборов, поэтому часто применяются ядерные обогреватели. [27]
Достижение мягкой посадки является главной целью любого лунного посадочного модуля и отличает посадочные аппараты от импакторов, которые были первым типом космических аппаратов, достигших поверхности Луны.
Всем лунным посадочным модулям требуются ракетные двигатели для спуска. Орбитальная скорость вокруг Луны может, в зависимости от высоты, превышать 1500 м/с. Космические аппараты на траекториях столкновения могут иметь скорость, значительно превышающую эту. [33] В вакууме единственный способ замедлиться с этой скорости — использовать ракетный двигатель.
Этапы посадки могут включать: [34] [35]
Посадки на Луну обычно заканчиваются отключением двигателя, когда посадочный модуль находится на высоте нескольких футов над поверхностью Луны. Идея заключается в том, что выхлопные газы двигателя и лунный реголит могут вызвать проблемы, если их отбросит с поверхности на космический корабль, и, таким образом, двигатели отключатся непосредственно перед посадкой. Инженеры должны убедиться, что транспортное средство достаточно защищено, чтобы падение без тяги не привело к повреждениям.
Первая мягкая посадка на Луну, выполненная советским зондом Луна-9 , была достигнута путем замедления космического корабля до подходящей скорости и высоты, а затем выброса полезной нагрузки, содержащей научные эксперименты. Полезная нагрузка была остановлена на поверхности Луны с помощью воздушных подушек, которые обеспечивали амортизацию при падении. [36] Луна-13 использовала аналогичный метод. [37]
Методы подушек безопасности нетипичны. Например, зонд NASA Surveyor 1 , запущенный примерно в то же время, что и Luna 9, не использовал подушку безопасности для окончательного приземления. Вместо этого, после того как он остановил свою скорость на высоте 3,4 м, он просто упал на лунную поверхность. Чтобы выдержать падение, космический аппарат был оснащен разрушаемыми компонентами, которые смягчили бы удар и сохранили полезную нагрузку в безопасности. [33] Совсем недавно китайский посадочный модуль Chang'e 3 использовал похожую технику, упав с высоты 4 м после выключения двигателя. [38]
Возможно, самые известные лунные посадочные модули, программы «Аполлон» , были достаточно прочными, чтобы выдержать падение, как только их контактные зонды обнаружили, что посадка неизбежна. Посадочное устройство было спроектировано так, чтобы выдерживать посадки с выключением двигателя на высоте до 10 футов (3,0 м), хотя оно было предназначено для выключения двигателя спуска, когда один из 67-дюймовых (170 см) зондов касался поверхности. Однако во время миссии «Аполлон-11» Нил Армстронг приземлился очень мягко, включив двигатель до приземления; некоторые более поздние экипажи выключали двигатель перед приземлением и чувствовали заметные удары при посадке с большим сжатием посадочных стоек. [39] [40]