Выбор места расположения лунной базы

Для каждого из рассмотренных научно-технических направлений существуют свои требования к выбору расположения ЛБ с учетом этапа освоения или режима функционирования базы. В любом случае необходимо стремиться к тому, чтобы наибольшее число условий выполнялось или было согласовано между собой с целью выбора оптимального варианта расположения ЛБ.

Для ЛБ первого поколения (начальный этап, ограниченное количество задач при минимальных расходах, предпочтение автоматических режимов работ и т.п.) наиболее целесообразно размещение одной базы в экваториальной области видимой части Луны, что обеспечит выполнение наибольшего количества научных, производственных и транспортных задач. В этом случае, имеется достаточно преимуществ: доставка грузов на Луну выполняется с минимальными энергетическими затратами на взлет - посадку транспортных ракетных систем; для проведения некоторых технологических процессов, требующих нагрева до высоких температур можно использовать эффект нагрева лунной поверхности солнечным излучением; прямая видимость ЛБ с Земли обеспечивает постоянную связь между ними, изучение района ЛБ наземными средствами и наоборот, земной мониторинг Земли с ЛБ.

Для выполнения астрономических наблюдений критерии выбора места расположения лунной обсерватории (ЛО) более жесткие и зачастую противоположные для разных областей астрономии. Для наблюдения как можно большей части небесной сферы подходит расположение ЛО по широте на лунном экваторе. А ее размещение в зоне 8-10 градусов по долготе рядом с лимбом, когда изображение Земли находится близко к лунному горизонту существенно ослабляет влияние ее излучения (температура, около, 30^ОС) на телескопы, а также позволяет на доступном расстоянии (около 600 км) на обратной стороне Луны расположить радиотелескопы. Дело в том, что в этом случае радиотелескопы полностью экранированы от разного вида электромагнитных излучений Земли. В этом смысле обратная сторона Луна является уникальным местом во всей внутренней Солнечной системе для радиоастрономических исследований.

В целом, потребности ЛО должны обеспечиваться возможностями лунной базы и ЛО должна располагаться достаточно близко к лунной базе, чтобы использовать ее инфраструктуру. Вместе с тем ЛО должна находиться на удалении по крайней мере нескольких километров от лунной базы для избежания влияния пыли, освещения и вибраций на астрономические наблюдения. Необходимо размещать ЛО на ровной площадке (плоские поверхности кратеров) для осуществления взаимного визирования телескопов - в случае использования схемы интерферометра с базой - в оптическом диапазоне до нескольких километров, в радиодиапазоне до 100-200 километров. Реально, кривизна лунной поверхности обеспечивает прямую видимость телескопов до 3-5 км, для связи на больших расстояниях необходимо использовать ретрансляторы.

Имеет существенное преимущество и расположение ЛО в полярных областях. В этом случае размещение телескопов в постоянной тени кратеров создает стабильный температурный режим пассивного охлаждения, порядка 40^ОК. Это особенно важно для исследований в области инфракрасной/субмиллиметровой астрономии. Кроме того, по последним данным в полярных областях обнаружены запасы водяного льда, что представляет дополнительный интерес для создания там лунной базы.

В общем, для астрономического мониторинга всей небесной сферы с поверхности Луны необходимо иметь две ЛО, расположенные в северной и южной полярных областях, либо одну ЛО на экваторе. Оба варианта имеют свои преимущества, но если учесть дополнительные требования еще и для осуществления мониторинга Солнца, Земли, решения задач планетной (астероидной) астрономии, а также и других научных и производственных проблем приходим к варианту нескольких (минимум 5) ЛО, расположенных в полярных областях, на экваторе, видимой и обратной сторонах Луны.

Структура лунной базы

Идеи создания многоцелевой лунной базы (ЛБ) высказывались еще К.Э.Циолковским, позднее С.П.Королевым и В.П.Глушко, позднее велись разработки в космических агенствах разных стран: РФ,США, КНР, ЕС и др. Создание долговременной ЛБ на поверхности Луны является одним из основных этапов освоения Луны. Ему предшествует начальный период освоения Луны с опорой главным образом на автоматические устройства, роботы или дистанционно управляемые механизмы. В качестве первоначальной стадии можно выделить создание космической станции на окололунной орбите. Задачи лунной орбитальной станции достаточно обширны - исследование Луны (картографирование, изучение лунных ресурсов, выбор мест для ЛБ и пр.), использование станции в качестве промежуточной платформы для запусков КА к другим телам Солнечной системы и др.

Созданию постоянно действующей ЛБ должна предшествовать также стадия временных, автоматических баз в избранных районах Луны. Начальный опыт работы таких станций уже накоплен в 70-80х годах в программах Луна и Аполлон. Назначение автоматических лунных станций - тщательное изучение районов будущих ЛБ, изучение Луны, астрономические наблюдения в автоматическом режиме или с дистанционным управлением, выполнение некоторых автоматических технологических производств.

Первая и до сих пор единственная в истории астрономическая обсерватория на Луне была развернута в апреле 1972 году экипажем космического корабля Аполлон 16. С помощью камеры-спектрографа далекого ультрафиолета, установленной на телескопе системы Шмидта с трехдюймовым объективом был выполнен ряд фотографических наблюдений Земли, туманностей, звездных скоплений и Большого Магелланового Облака. Как видно на снимке (рис.5.13), сделанном Чарльзом Дьюком во избежание перегрева астрономические инструменты размещены на треноге, расположенной в тени лунного модуля (справа). Там же находился астронавт Джон Янг, а чуть подальше - лунный джип, на котором было осмотрено 13 км в окрестностях посадки. Камера далекого ультрафиолета использовалась для съемок неба в ультрафиолетовых лучах, которые обычно поглощаются земной атмосферой и поэтому невидимы с поверхности нашей планеты. Камера имела поле зрения размером 20 угловых градусов и могла наблюдать астрономические объекты до 11-й звездной величины. Всего на пленке, которую астронавты привезли на Землю, было запечатлено 178 изображений. Эта первая лунная обсерватория сейчас стоит на поверхности Луны.

Рис. 5. 13 КА Аполлон-16

 

 

 

Рис.5.14 Посадочный модуль Аполлона -16 на Луне

(габариты лунного джипа (Lunar Roving Vehicle): ширина 2м, длина 3м, масса: 283 кг.; время работы на Луне 3 дня в апреле 1972г.)

Лунная база и обсерватория) с помощью АМС "Луна-21" доставившего на Луну передвигающаяся станцию Луноход-2 (СССР) провела изучение механических свойств лунной поверхности на трассе 37 км (рекорд!), выполнила панорамную фото и телесъемку окружающей местности, эксперименты с наземным лазерным дальномером, наблюдения за солнечным излучением и прочие исследования (рис.5.14). Использовался режим дистанционного управления с Земли. Эта первая лунная база сейчас также стоит на Луне.

Рис. 5. 14 Общий вид Лунохода-2 ( габариты Лунохода-2: ширина 2.15 м, высота 1.92 м.; масса: 840 кг. Начало работ: 16.01.1973. Окончание работ: 20.05.1973.)

Структура лунной базы во втором периоде в значительной мере определяется условиями окружающей среды, также зависит от этапов развития ЛБ. Обычно выделяют начальный этап с кратковременным пребыванием 2-4 космонавтов на Луне во время лунного дня и их размещением в посадочном модуле космического аппарата. Задачей этого этапа является выбор конкретной площадки для ЛБ, оценка ее характеристик; на втором этапе ЛБ 4-10 космонавтов находятся на Луне уже в течение месяца с целью подготовки постоянных модулей и средств жизнеобеспечения, проводят первые исследования лунных ресурсов в районе ЛБ; этап аванпост предполагает нахождение 10-20 космонавтов в течение 1-6 месяцев на ЛБ. Задачей этого этапа является создание инфраструктуры постоянно-действующей ЛБ с полной и самостоятельной системой жизнеобеспечения, продолжение работ по подготовке добычи лунных ресурсов, подготовка создания астрономической обсерватории, в том числе и на обратной стороне Луны; завершающая стадия позволяет работать на ЛБ 20-50 космонавтам в течение 6-12 месяцев вахтовым методом. Должно быть запущено производство материалов с использованием лунных ресурсов, развернуты по полной программе научные исследования, включая астрономические наблюдения. На этом этапе выполняется подготовка к развертыванию ЛБ и в других местах, исходя из научных и производственных задач. Разумеется, реально вряд ли будет соблюдаться четкая граница между двумя периодами, скорее всего использование автоматов-роботов и дистанционного управления будет осуществляться и в период обитаемой ЛБ.

На начальных этапах создания первой ЛБ ее инфраструктура должна включать: систему обеспечения жизнедеятельности персонала ЛБ; энергообеспечение; систему транспортировки грузов с Земли на Луну и обратно; механизмы перевозки грузов и людей на расстояния до 10 километров по лунной поверхности; связь; строительное и промышленное оборудование для создания ЛБ и добычи кислорода, гелия-3, минералов из лунного грунта; научные приборы и оборудование; и пр. Анализ показывает, что реальное создание и эффективная работа ЛБ возможна при использовании лунных ресурсов. Прежде всего это касается системы жизнеобеспечения и энергопитания, строительства и производства материалов и изделий из лунного сырья. При таких условиях для первой очереди ЛБ потребуется доставить на Луну с Земли всего около 125 тонн полезного груза, что вполне достижимо посредством существующих в настоящее время ракет-носителей, типа Энергия.

Лунная обсерватория

Проект телескопа LLT (Lunar Large optical Telescope) – полноапертурного телескопа с зеркалом диаметром 16 метров и более, работающим в диапазоне длин волн 0.1 - 10 микрон (мкм) предложен NASA и включает первичное зеркало, составленное из отдельных элементов с активным контролем их положения (адаптивная оптика). Задачи телескопа LLT аналогичны задачам, сформулированным для космического телескопа Хаббла (HST): исследование структуры Нашей и других галактик; изучение масс и эволюции звезд и их скоплений; изучение Солнечной системы, а также обнаружение и изучение новых планетных систем; изучение квазизвездных обьектов и ядер галактик; уточнение шкалы расстояний и пространственной системы координат и др

Возможности лунной обсерватории при установке телескопа (LOVLA - интерферометра изображений (яркость наблюдаемых обьектов 17-20 звездных величин, угловое разрешение 1-0.001 мсек) обеспечивают прямые наблюдения тел Солнечной и других планетных систем, изучение вопросов происхождения и формирования планетных систем, изучение поверхности и оболочек звезд (уровень углового разрешения грануляции пятен 5-10 мксек, протяженных обьектов около 1 мсек), структуры пульсаров и эффекта аккреции вокруг отдельных обьектов (достаточно разрешения в несколько мксек), структуры активных галактик с разрешением их ядер, квазаров (уровень разрешения 0.1 - 30 мксек), наконец, поиск темной материи путем изучения дифракционных эффектов от гравитационного линзирования, открытие гравитационных волн (величина эффекта от одной мсек до одной мксек) - что позволит понять распределение массы и структуры ранней Вселенной.

Основными задачами субмиллиметровой лунной астрономии является изучение распределения молекул в атмосферах планет и их спутников Солнечной системы (достаточно углового разрешения на уровне 1”), изучение структуры молекулярных облаков и звездоформирующих областей в межзвездном пространстве Нашей галактики, исследования в области внегалактической астрономии (появление молодых галактик, происхождение протогалактик и пр.)

 

 

В целом, Луну можно считать идеальным местом для решения многих современных и будущих астрономических программ. Реализация этих программ связана с созданием на Луне долговременной базы, обеспечивающей работу обсерватории, оснащенной астрономическими инструментами. По самой предварительной оценке обьем астрономических данных с Лунной обсерватории может быть сопоставим с наиболее крупной обсерваторией ESO, прирост обьема научного архива которой за один год в эпоху VLTI (2002) оценивается величиной в 50 ТБ.

 

 

Рис.5.14 Расположение группы лунных телескопов на ЛО

 

(Лунный оптический интерферометр LOI с расположении трех телескопов на Y-базе размером до нескольких километров, лунный субмиллиметровый интеферометр LSI с расположением радио телескопов диаметром 4 - 5 метров на многокилометровой Y-базе, неподвижный лунный пассажный телескоп LTT диаметром 1-2 метра); (проект NASA, 1989год)

 

 

Рис.5.15 Лунная база (в представлении художников-фантастов)

 

 

 

С общих позиций, Луна является закономерным, неизбежным этапом освоения человечеством космического пространства. Динамика этого процесса определяется уровнем развития земной цивилизации, ее научного и технологического уровня. Прогнозы показывают, что начальная стадия освоения Луны автоматическими устройствами (в том числе программно-управляемыми телескопами) может быть реализована в ближайшие 20 лет.

Луна - это идеальное место для сверхгигантских телескопов - уже в настоящее время возможно при помощи роботов построить и обслуживать на Луне 2-метровый телескоп, а в перспективе размеры увеличивать до 20, а потом и до 100 метров. Другая идея, состоит в строительстве Международной Лунной Обсерватории - целого комплекса управляемых роботами телескопов, работающих в различных областях спектра. Здесь Луна рассматривается как рубеж в развитии астрономии после Земли и открытого космоса.

Дальнейшее расширение работ на Луне и создание обитаемой лунной базы (или баз) по широкому диапазону исследований Луны, выполнения астрономических наблюдений с Луны, проведения научных исследований на Луне (Science of the Moon, from the Moon, on the Moon) просматривается в перспективе ближайших 50 и более лет.

С начала 21 века программы освоения Луны начали вновь выдвигаться в число первоочередных. В качестве примера можно привести последние данные по лунной программе США: 2008г. – начало создания ЛБ автоматическими КА, к 2010г – разработка нового пилотируемого КА для полетов на Луну, с 2015г.- создание действующей ЛБ, с 2020г. – использование ЛБ как космодрома для полетов на Марс и другие планеты солнечной системы.