Космический аппарат «Перегрин» должен был высадить на Луну новый луноход и много другого полезного груза, но по пути растерял топливо — и не добрался до цели Тем не менее модуль все еще «жив» и может стать спутником спутника Земли
8 января с космодрома Канаверал во Флориде стартовала новая американская тяжелая ракета «Вулкан». Она несла малый лунный посадочный модуль «Перегрин» (Peregrin, в переводе с английского — «сапсан») частной компании Astrobotic. Запуск прошел успешно, боковые ускорители ракеты, центральный блок первой ступени и верхняя ступень отработали штатно. Однако уже через несколько часов после отделения космического аппарата в компании сообщили о технических проблемах, и довольно скоро стало ясно, что посадка аппарата на Луну не состоится. «Медуза» разбирает причины нештатной ситуации и то, как нынешняя авария может повлиять на амбициозные планы американской космонавтики.
Astrobotic полтора десятка лет разрабатывала средства посадки на Луну. Но полет «Перегрина» был лишь полезной нагрузкой к основной цели миссии NASA — тесту ракеты «Вулкан»
Astrobotic относится к ряду компаний, созданных для участия в технологическом конкурсе Google Lunar X PRIZE. Ее основали в 2007 году специально под условия соревнования, то есть для разработки средства мягкой посадки на Луну и лунохода. Последний должен был удовлетворять базовым требованиям конкурса: способен пройти минимум 500 метров и передать не менее 500 мегабайт данных на Землю. Параллельно компания участвовала в конкурсах NASA и выполняла разработки, связанные с проектами доставки лунного грунта.
Конкурс Google в 2018 году в итоге завершился без победителя, но лунные наработки Astrobotic не пропали зря. Примерно тогда же возможностями этой и других частных коммерческих компаний заинтересовалось NASA, открыв уже собственную, государственную программу доставки на Луну полезной нагрузки. Именно в рамках этой программы Astrobotic получила несколько контрактов, в том числе 79,5 миллиона долларов на испытательный запуск малого посадочного модуля «Перегрин» и 199,5 миллиона — на доставку на Луну более крупного исследовательского лунохода «Вайпер» (VIPER).
Поначалу «Перегрин» предполагалось запускать ракетой «Атлас V», в качестве попутной полезной нагрузки. Но в 2019 году в NASA решили заменить носитель — и выбрали проектируемую ракету «Вулкан», которая разрабатывалась в США взамен «Атлас V». На тот момент старт ракеты планировался на 2021 год, но разработка затягивалась, и старт неоднократно переносился. В 2023 году верхняя ступень «Вулкана» взорвалась на наземных испытаниях, и старт пришлось перенести на 2024-й.
Важно отметить, что для NASA, которое выступало заказчиком и «Вулкана», и лунного аппарата «Перегрин», ракета имела существенно больший приоритет. «Перегрин» же фактически выполнял функцию макета полезной нагрузки. Например, на испытаниях ракеты «Фалькон Хеви» компания SpaceX в такой же роли использовала автомобиль Tesla Roadster, а на всех пусках ракеты «Ангара-А5» запускались «габаритно-массовые макеты полезной нагрузки». Для компании Astrobotic полет на еще не испытанной ракете был способом экономии на запуске, поскольку на подобных испытательных стартах можно получить существенную скидку за риск.
Авария случилась из-за мелкой неисправности в топливной системе «Перегрина». Тем не менее аппарат «выжил» и продолжает полет — правда, уже не на Луну
8 января 2024 года ракета «Вулкан» успешно выполнила свою задачу, отправив «Перегрин» на лунопереходную орбиту. Однако сам аппарат сразу же столкнулся с проблемами. Astrobotic установила контакт с аппаратом, но после выполнения команды разворота солнечной батареи к Солнцу связь прервалась. Для разворотов в условиях невесомости «Перегрин» в итоге задействовал двигательную установку, однако ее активация привела к техническому сбою и уходу бортового компьютера в «безопасный режим». Позже связь с аппаратом все-таки удалось восстановить (и даже совершить разворот к Солнцу), но датчики показали значительную потерю топлива, которая уже не позволяла надеяться на посадку на Луну.
Для того чтобы понять, куда делось топливо, нужно сказать пару слов о двигательной установке «Перегрина». Она имеет классическую конструкцию, в том числе распространенную среди лунных аппаратов. Двигатель использует два компонента, не требующих глубокого охлаждения. В качестве горючего выступает монометилгидразин, а окислителя — смесь тетраоксида азота с монооксидом азота. Такое сочетание, хотя и чрезвычайно токсично, в космосе удобно тем, что не требует системы зажигания, так как воспламенение происходит сразу же при контакте между двумя компонентами. Кроме того, такие компоненты можно хранить практически в условиях комнатной температуры, в отличие от криогенных компонентов вроде жидкого водорода или жидкого кислорода, которым нужна толстая теплоизоляция топливных баков.
У «Перегрина» есть по два бака окислителя и горючего и один баллон со сжатым гелием — для давления на компоненты топлива и подачи их в камеру сгорания. В гелиевом баллоне поддерживается высокое давление в десятки атмосфер, а топливным бакам достаточно удерживать небольшое давление до 10 атмосфер, как и в камере сгорания. Давление в топливных баках регулировалось клапанами между каждым баком и гелиевым баллоном. По предположению Astrobotic, один из клапанов заело в открытом положении при первом включении двигателя. Не выдержав давления, один из баков окислителя лопнул. Уже в этот момент стало понятно, что запланированная программа полета невыполнима, но команде потребовалось еще несколько часов, чтобы определить, что именно произошло, как компенсировать потери и что делать дальше.
Несмотря на серьезный отказ и частичное разрушение двигательной установки, аппарат все-таки удалось ориентировать на солнце, зарядить аккумуляторы, наладить устойчивую связь и даже передавать по ней снимки с бортовых камер. Это означает, что система подачи горючего все еще работает, давление в гелиевом баллоне сохраняется, а двигательная установка справляется с задачами ориентации в пространстве. Поскольку у аппарата имеется второй бак окислителя, какой-то «запас хода» у него еще есть. Теперь все зависит от запасов гелия: даже если окислитель будет исчерпан полностью, а горючее и гелий еще сохранятся, аппарат можно будет превратить в своеобразную «водяную ракету», просто выбрасывая невоспламенившееся горючее из сопел.
Astrobotic рассматривает возможность перевода «Перегрина» с лунопереходной орбиты на окололунную. Лунопереходная орбита — это фактически околоземная, но очень вытянутая орбита, которая заходит за орбиту Луны. Чтобы с нее перейти на окололунную, потребуется произвести торможение двигателем, когда аппарат окажется за Луной.
В ближайшие дни «Перегрин» должен подняться до наивысшей точки своей орбиты, но в тот момент Луны поблизости еще не будет, поэтому он начнет «падение» в сторону Земли. Затем аппарат завершит свой первый оборот, пролетев на расстоянии нескольких сотен километров от Земли, и снова направится в сторону лунной орбиты. Только на втором витке пройдет сближение с Луной — в этот момент специалисты должны будут активировать главную двигательную установку, чтобы «Перегрин» затормозился настолько, что сила притяжения Луны могла бы его захватить. После этого аппарат станет ее искусственным спутником. По плану это произойдет примерно 22 января.
Если же топлива для торможения не хватит или произойдут еще какие-то отказы, то «Перегрин» на неопределенно долгое время (возможно, на десятки или даже сотни лет) останется на своей нынешней орбите между Землей и Луной. Примерно так же между Землей и Марсом сейчас перемещается Tesla Илона Маска.
Авария вовсе не означает полного провала миссии «Перегрина» — часть научного оборудования сможет работать и на орбите. Но ЧП повлияло на более масштабные лунные проекты NASA
Кроме попыток вернуть управление, диагностики отказа и планирования полета, команда Astrobotic пытается извлечь максимальную научную выгоду из полезной нагрузки на борту «Перегрина». Ее символическая и мемориальная часть, о которой мы рассказывали ранее, свою задачу в некотором смысле уже выполнила. Даже если прах людей, рисунки, сувениры и рекламные образцы не окажутся на Луне, они уже отправились в практически вечный полет в межпланетном пространстве — не самый худший исход для клиентов компании.
Несколько приборов «Перегрина», в частности детектор заряженных частиц LETS от NASA или немецкий дозиметр M-42, смогут собирать данные о космической радиации и на нынешней орбите. Они должны были изучать радиационные условия на Луне, что важно для будущих долговременных пилотируемых запусков на спутник, но, перемещаясь между Землей и Луной, детекторы смогут собрать даже больше информации о межпланетном и околоземном пространстве. И, что более важно, об их границе, где происходит взаимодействие земной магнитосферы с солнечным ветром. Такие исследования проводятся даже реже, чем дозиметрия на Луне. Главное, «Перегрин» должен работать достаточно долго, чтобы ученые успели собрать много информации в разных точках орбиты и в разных условиях космической погоды. К счастью, сейчас Солнце подходит к максимуму своей активности, солнечные вспышки происходят часто, и у аппарата есть высокий шанс попасть в солнечный шторм и собрать важные данные.
Если же команда Astrobotic сможет вывести «Перегрин» на окололунную орбиту, то будет шанс проявить себя и нейтронному детектору NSS. Исходно в его задачу входило определение содержания воды в грунте в точке посадки, но с орбиты он сможет собрать данные со всей поверхности Луны. Они неизбежно будут существенно более грубыми, и аналогичные исследования у Луны уже проводились, но это все равно существенно лучше, чем ничего. Еще два научных прибора, спектрометры для исследования лунной поверхности и окружающей среды NIRVSS и PITMS, не будут собирать научную информацию, а пройдут только инженерные испытания в условиях космоса. Собственно, на их судьбе авария с топливом даже никак не скажется, так как эти испытания можно проходить и на орбите, а свою основную миссию они должны совершить на следующем луноходе «Вайпер», где их задачей станет изучение разных точек лунной поверхности.
По-настоящему большое сожаление авария «Перегрина» должна вызвать у разработчиков нескольких небольших луноходов, которые сейчас находятся на борту аппарата. В частности, разработчики из Университета Карнеги-Меллон надеялись, что их «Айрис» станет первым автоматическим луноходом американского производства на Луне. Часть команды этого проекта начинала свою работу еще в конкурсе Google Lunar X PRIZE, и, конечно, им тяжело принять потерю результатов 17 лет своей жизни.
Последствия аварии могут повлиять и на сроки запуска следующего аппарата компании Griffin, поскольку его полезная нагрузка уже важнее для NASA — первый «взрослый» американский автоматический луноход «Вайпер». Его запуск был намечен на ноябрь 2024 года, но теперь сроки могут быть сдвинуты, чтобы провести дополнительные проверки и избежать новых критических отказов.
Еще более важно то, что авария «Перегрина» неожиданно сказалась на лунной пилотируемой программе США Artemis. Ранее ожидалось, что пилотируемый полет корабля «Орион» к Луне и обратно состоится в 2024 году, и NASA уже даже представило его экипаж. На 2025 год агентство анонсировало посадку экипажа на Луну. Теперь же сроки сдвинуты: облет Луны планируется в 2025-м, а посадка — только в 2026-м. И если для облета у NASA есть уже практически все необходимое — сверхтяжелая ракета SLS и космический корабль «Орион», — то вероятность пилотируемой посадки на Луну что в 2025, что в 2026 году практически нулевая из-за неготовности посадочной системы. Можно ожидать, что до 2026 года произойдет какой-нибудь очередной отказ у начинающих частников вроде Astrobotic и он снова будет использован NASA как повод перенести посадку на 2027 или 2028 год.
«Медуза»