вівторок, 10 грудня 2013 р.

Chang'e 3 -- китайці на Місяці

Останнім часом подій багато. Говорячи про космос --- американський MAVEN та індійський Mars Orbiter Mission летять до Марсу. Китайський Chang'e-3 -- до Місяця. Марсіанським місіям ще летіти і летіти, а ось "китаєць" вже майже на місці. Буде перша спроба посадки за чотири десятиліття. Спроба, тому що в космосі безліч речей можуть піти не так. Попередні місії Chang'e-1 і Chang'e-2 пройшли чудово, але досвіду посадок на інші небесні тіла в Китаю немає, а задача ця помітно складніша від виведення апаратів на орбіту.

 В рамках боротьби із забобонністю, напишу про те, що нас чекає. Інформації не дуже багато --- Китай далеко не такий відкритий, як НАСА, але трішки назбиралося. Інформація, місцями, не перевірена. Повний список використаних джерел -- внизу.

UPDATE: деякі доповнення інформації про апаратуру тут.

Будова спускного апарату

Називається апарат Chang'e-3 --- Чаньє-3. Чаньє -- китайська богиня Місяця. Взагалі, та ще кобіта. :-)
  • "Суха" вага --- 1200 кг.
  • Повна вага -- з паливом і місяцеходом, десь між 3700 і 3780 кг. Обмежується можливостями ракети, Long March 3B.
  • Найбільша віддаль між опорами -  4.76м.
  • Опор -- 4, кожна із яких обладнана "стопою", щоб не втонути в реголіті. 
  • Запланований час роботи -- мінімум один рік для спускного апарату, 3 місяці для місяцеходу.
Підготовка до запуску. (c) China Space News, взято тут.
Спускний апарат обладнаний всім необхідним для перельоту Земля-Місяць, окремої "перелітної" ступені не передбачено. (І правильно -- скільки там до того Місяця.)

Відео польоту, посадки та функціонування:


Енергопостачання: Сонячні батареї та RTG. Судячи по всьому, батареї розкриті в польоті, закриваються під час посадки і знову розкриваються на поверхні. (Стопроцентної гарантії, що RTG використовується для електропостачання, а не лише для обігріву, немає). Основна роль RTG -- забезпечити виживання місячними ночами.

Система терморегуляції:  окрім пасивних компонент (термоізоляція) та активних (обігрівачі), ходять чутки про гравітаційно-стимульовану систему передачі тепла від RTG до систем, які потребують обігріву. Рідина нагрівається, випаровується, піднімається до холодних компонент, конденсується, віддаючи тепло і стікає назад. Оригінальне рішення! (Якщо воно справді використовується).

Двигуни. Та ж сама система двигунів використовується під час перельоту, виходу на орбіту, гальмування і посадки. Для виконання всіх цих, доволі різноманітних, функцій, двигуни повинні вміти змінювати зусилля та запускатися багато раз (повторний запуск -- річ, для космічних двигунів, нетривіальна). Паливо -- невідоме, ймовірно бінарне, несиметричний диметилгідразин та тетраоксид азоту.

Головний двигун один -- перший китайський космічний двигун із змінним зусиллям. Діаметр сопла --- приблизно 60 см. Охолодження -- активне. Зусилля --- від 1500 до 7500Н. Крок зміни -- 7.5Н!

 Крім того є 28 допоміжних двигунів двох типів, на 150Н і 10Н. Є 8 платформ двигунів, кожна із яких містить два 150Н і один 10Н двигун. Решту 4 10Н розташовані окремо, з кожного боку апарату. 8 потужніших, із зусиллям 150Н, двигунів направлені в ту ж сторону, куди головний двигун. Можливо, вони призначені для невеликих корекцій траєкторії -- щоб не запускати зайвий раз головний двигун. Для орієнтації призначені 10Н двигуни, хоча використання 150Н може бути потрібним для досягнення швидкого відгуку. 

 Навігаційні системи. Навігаційні дані обробляються комп'ютером станції. Постачають ці дані ряд приладів. Найважливіший -- інерційна платформа, вимірює прискорення/зміну швидкості. Також, для вимірювання віддалі до поверхні і швидкості відносно неї, на великих відстанях використовується лазерний далекомір. На  малих --- підключається мікрохвильовий далекомір. Коли висота стає менше 100м, до них приєднується оптична система розпізнавання перешкод -- вона постійно фотографує поверхню за допомогою спеціальної камери, будує 3D моделі поверхні та визначає небезпечні перешкоди, в горизонтальному польоті уникаючи їх.

Нарешті, гамма-променевий альтиметр повідомляє, коли висота стане рівною 4м, і пора вимикати двигуни -- з цієї висота апарат падатиме вільно. Енергія падіння поглинається спеціальними руйнівними елементами опор. 

Система спуску місяцеходу на поверхню доволі оригінальна. Під час польоту місяцехід зафіксовано на даху спускного апарату. Після приземлення спускний апарат відкидає спеціальні рампи, місяцехід заїжджає на них, тоді вони акуратно опускаються на поверхню, підтримуючи такий кут до неї, щоб місяцехід міг успішно з'їхати. Щоб уявити собі всі ці процеси -- див. відео вище.

Телеметрія. Жодна інформація мені не траплялася. Варто хіба відмітити, що роботу станції забезпечуватимуть, окрім китайських наземних станцій, також станції європейського космічного агентства ESA.


Наукові прилади


Ультрафіолетовий телескоп. (Lunar-Based Ultraviolet Telescope --- LUT). Системи  Річі-Крет'єна (Ritchey-Chretien). Апертура --- 150 мм. Зображення фіксується CDD-матрицею, чутливою до ультрафіолетового світла в діапазоні 245-340 нм. Здатен фіксувати зорі до 13 зоряної величини.

Призначення --- спостереження за галактиками, їх активними ядрами, подвійними та змінними зірками, тощо. Очевидно, одне із призначень -- показати придатність Місяця в ролі платформи для астрономічних спостережень? (про що фантасти та вчені пишуть вже років сто, як не більше :-). Справді, атмосфери майже немає, але поверхня стабільна -- не те що верткі космічні телескопи. Мінуси теж є -- оце "майже", екзосфера таки присутня; пилюка; Місяць дрижить -- падіння метеоритів, залишкові напруження в породах, припливи, тощо.

Місячна камера далекого ультрафіолету (Moon-Based Extreme Ultraviolet band Camera). Призначення --- спостереження за плазмосферою Землі, оболонкою із низькотемпературної плазми, що знаходиться над іоносферою. Щоб зафіксувати цю, неймовірно тендітну, оболонку, камера реєструватиме випромінювання йонів He+, з довжиною хвилі 30.4нм. Такі йони складають 15% від загальної кількості іонізованих часток в ній, тому цілком репрезентативні -- дозволяють, по їх поведінці, судити про всю плазмосферу.

Поле зору камери - 16 градусів, роздільна здатність -- 0.1 градус, часова роздільна здатність -- 10 хвилин (?! Чому так багато?). З віддалі Місяця камера бачитиме всю плазмосферу одночасно.

Камери. На спускному апараті встановлено три панорамних камери, для фотографування околиць, місяцехода, тощо. Більш детальної інформації про них поки не маю. Про "десантну" камеру (descent camera) вже згадувалося раніше. Її призначення --- вибрати безпечне місце для посадки. Кількість пікселів --- 1024x1024, іншої інформації теж поки немає. Не виключеною є  наявність якихось інженерних камер.

Можливо, також присутній прилад для дослідження властивостей ґрунту, про який поки не маю жодної інформації.

Будова  місяцехода

Називається місяцехід Yutu --- "Місячний зайчик", тваринка богині Чаньє.

Вага --- 120 кг, з них 20 кг наукової апаратури.
Yutu  (c) Xinhua
Висота, разом із антеною -- 1.5м. (Див. рисунок вище).

Живлення: сонячні батареї. Вночі лише намагається вижити, за рахунок зарядженої днем батареї. Для обігріву, ймовірно, використовуються радіоізотопні обігрівачі, на тому ж плутонії, що і RTG.

Пересування. Шість коліс, кожне із своїм електродвигуном. Передня та задня пари вміють повертатися. Підвіска --- rocker-bogie, як і в Curiosity. 

Здатен долати схили до 20 градусів та перешкоди до 20 см висотою. "Гарантія виробника" --- 10 км. Взагалі, планується, що місяцехід проживе мінімум три місяці, три місячних ночі і три дні.

Навігація: обладнаний засобами автонавігації, схожими до тих, що використовуються в американських марсоходах. Комп'ютер обробляє інформацію з навігаційних камер та камер уникнення перешкод, будує 3D-модель поверхні та вміє прокладати маршрут до вказаної кінцевої точки і уникати перешкод по дорозі.

Також можливим є пряме керування з Землі -- затримка всього порядку 2.5 секунди.


Наукові прилади


Георадар (Ground Penetrating Radar), для вивчення структури верхніх шарів поверхні -- ґрунту та кори. Максимальна доступна глибина --- 100м. Такі прилади використовувалися на орбітальних станціях, які досліджували наш супутник, даючи глобальну картину. Здається, це --- перший аналогічний пристрій на поверхні. За його допомогою можна взнати багато цікавого про геологію та історію Місяця, перевірити моделі, що існують, тощо.

Частоти --- 450МГц і 60МГц, глибина --- 2-50м в "морських" регіонах, 100м і більше, в "гірських". Роздільна здатність, в залежності від частоти,  --- 20-25см і 2-2.5м, відповідно.

Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS). Прилад, що опромінює зразок альфа-частинками і детектує відбиті альфа-частинки та рентгенівське випромінювання яке виникає в результаті опромінення. Спектр відбитих частинок та рентгенівської флуоресценції дозволяє визначити, які хімічні елементи входять до складу мінералів. Дуже популярний пристрій в космічних дослідженнях поверхонь небесних тіл.

Для своєї роботи його слід розташувати на досліджуваному зразку, тому прилад знаходиться на спеціальній "руці". Відбитих назад частинок мало, щоб накопичити достатньо для виміру, потрібен час. Типово планується використовувати "інтеграції"  тривалістю 30 хвилин. Для калібрування використовується зразок, розташований на поверхні місяцеходу.

Спектрометр видимого та ближнього інфрачервоного діапазону із можливістю побудови зображень (Visible/Near-Infrared Imaging Spectrometer). Цінний інструмент для геологів --- дозволяє визначати, які ж мінерали присутні і скільки їх.
Діапазон довжин хвиль -- 0.45 - 2.4 мікрометри. Поле зору --- 6 на 6 градусів у видимому та 3 на 3 у інфрачервоному діапазоні. Спектральна роздільна здатність -- 8 нм в діапазоні 450-950нм, 12 нм в діапазоні 900-2400нм.
Базується на акустооптичних фільтрах (Acousto-Optic Tunable Filter), які дозволяють змінювати смугу пропускання чисто електрично, з використанням п'єзоелектричних перетворювачів, та без жодних механічних рухомих частин! Така конструкція значно більш живуча, крім того, її наукові параметри дрейфують значно слабше, ніж інші типові схеми. При чому, датчик швидкий -- час запису одного виміру складає всього лиш лічені секунди.

Панорамні камери. Дві штуки, розташовані на спеціальній щоглі.

Навігаційні камери. Дві штуки, розташовані на тій же щоглі. 

Інженерні камери. Мінімум дві штуки спереду корпусу. Можливо їх більше.

Більше детальної інформації про камери не маю.

Політ та посадка (оновлюється)

Запуск відбувся 1 грудня 2013, о 17:30 UTC, і через 19 хвилин станція вже була в дорозі до Місяця. Ракета, як вже згадувалося --- Long March 3B. Використовується опорна орбіта. Детальніше про запуск, з фото та відео, можна почитати тут: "Chang'e 3 departs for the Moon, with amazing images and video".

План перельоту. Перекладати лінь, все ніби очевидно, але якщо є потреба -- пишіть, організуємо! (c) Beijing Institute of Spacecraft System Engineering

В процесі перельоту виконано дві корекції, в третій потреби не було. (2 го грудня о 7:50 UTC і 5 грудня).

Через 112 годин і 20 хвилин після запуску, о 6-го грудня, о 09:47 UTC, розпочав гальмівний імпульс, тривалістю 361 секунду і о 9:53 вийшов на орбіту Місяця. Досягнуто заплановану полярну орбіту висотою 100 км.

10-го планується почати модифікувати орбіту до параметрів 15 на 100 км, з периселенієм над запланованою точкою посадки. Посадку заплановано на 15:22-15:35 UTC, 14 грудня. О 20:38-22:21 UTC того ж дня заплановано спуск місяцеходу. 15-го заплановано взаємне фотографування.

Схід сонця в місці посадки якраз відбудеться 13/14-го грудня. Це гарантуватиме, що станція матиме енергію для роботи, (від сонячних батарей).

Послідовність етапів посадки відображено на наступній схемі:
Послідовність посадки. 1. Підготовка до посадки. 2. Гальмування, схід з орбіти. 3. "Налаштування" висоти. 4. Наближення. 5. Ширяння, з оптичним уникненням великих перешкод. 6. Уникнення перешкод. 7. Спуск на постійній швидкості. На висоті 4м двигуни вимикаються. Час від запуску двигунів на гальмування до посадки --- 450-700 секунд. (с) Beijing Institute of Spacecraft System Engineering

Ще одне відео:

Update 1: Є дані, що станція сьогодні успішно знизила периселеній, і зараз рухається на орбіті 15 км/100 км.

Місце призначення


Заплановане місце посадки -- Sinus Iridum, "Затока Веселки". Великий, 249км діаметром,  залитий базальтовою лавою кратер, який знаходиться на північному заході моря Дощів. Це плоска рівнина, без великих кратерів, із середнім нахилом 2.2 градуси. Зручне місце для першої спроби висадитися на іншій планеті --- кожна нерівність є небезпекою для станції. Місце вибрано в результаті роботи Chang’e-1 і Chang’e-2, двох китайських орбітальних апаратів. Думаю, не без використання американських атласів, звичайно --- LRO і попередників згадуючи.

Власне, фото з LRO:
Затока Веселки. Стрілка показує місце, де знаходиться "Луноход-1". Ширина зображення 360 км. (c) NASA / LRO
Англійська вікі згадує наступні координати посадки: 44.1°N 31.5°W, очевидно по формальному розташуванню Sinus Iridum на картах. Відомий "міжпланетний" картограф, Phil Stooke, (часто мною згадуваний :), побудував наступну схему:

Ймовірний спускний "еліпс" Chang'e-3. Прямокутник --- очікувана область посадки. Довгі прямокутнички в ній -- області, сфотографовані Chang'e-2 з роздільною здатністю порядку 1.5м. (c) NASA / JPL / ASU / Phil Stooke
 Десь в тому прямокутнику (умовно прямокутнику, звичайно) станція і мала б опинитися.


Для повноти вражень, відео тих місць з Chang'e-2, яка пролітала на висоті 15км (CNSA / tv.people.com.cn):


Шикарні фото даної ділянки Місяця, які я посоромився передерти в повному обсязі, знаходяться тут: "Somewhere Over the Bay of Rainbows". Дуже рекомендую заглянути, навіть якщо ви не знаєте англійської!

Не зважаючи на (відносну) доступність, місцевість цікава і науково. Зокрема, там молодий кратер Лаплас А. Як відомо з попередніх досліджень, чим ближче були матеріали до поверхні, тим далі вони розлітаються після удару. З іншого боку, аналізуючи залягання порід "вниз" можна досліджувати геологічну історію. В результаті, подорожуючи в сторону кратера, місяцехід ніби буде занурюватися в його глибину, на більше ніж півтора кілометра, (значно глибше, ніж вдасться досягнути свердлінням в будь-якому реалістичному майбутньому).

Інші цікаві об'єкти --- wrinkle ridge (не знаю, який офіційний переклад українською). Виникають ці об'єкти внаслідок охолодження та стискання базальтової лави, але деталі їх будови невідомі. За допомогою георадару можна побудувати 3D-профілі внутрішньої структури. Це дозволить перевірити моделі геологічних процесів, говорити про які фахово мені бракує знань. 

Звичайно, попередні два абзаци -- лише припущення, тому що поки китайці не публікували свої наукові плани.

Цікаво, що "Луноход-1" приземлився (в 1970 р.) всього 250 км на південний захід від кратера Лаплас А. Правда, малоймовірно, що його китайський колега матиме шанс з ним зустрітися -- далеко, та й є більш пріоритетні задачі.

Детальніше про це все можна почитати тут: "A Great Place to Rove!".


Китайці і LADEE


Якраз в цей час біля Місяця працює LADEE, досліджуючи екзосферу --- тендітну газову оболонку, джерела її поповнення та способи втечі. Прибуття Чаньє-3, з одного боку -- проблема, бо доволі помітно збурює екзосферу. (Оцініть, наскільки вона тендітна, що така крихітка здатна збурити її в масштабах цілої планети.) З іншого --- це нагода. Можна оцінити, скільки і чого буде привнесено, а тоді спостерігати, як воно буде розповсюджуватися і "вивітрюватися" --- покидати Місяць під дією Сонячного вітру, і т.д. Навіть якщо китайці не дадуть точної інформації, знаючи масу апарату та його зміну швидкості, можна зробити достатньо точні оцінки. Зокрема, поміж продуктів горіння буде вода, і LADEE зможе спостерігати, як вона перерозподіляється, прояснюючи загадку місячного льоду в вічно темних кратерах.

Більше того, до прибуття "китайця" LADEE мав можливість місяць спостерігати за незбуреним середовищем. Станція успішно вийшла на орбіту Місяця 6 жовтня, виконала введення в експлуатацію, в два етапи, 11-го і 21-го листопада 2013. Зауважте, до того часу її власний гальмівний викид вже мав би "розсмоктатися". 21-го наукова фаза місії почалася на повну силу, але прилади робили виміри, починаючи з 11-го, коли періапсис було знижено до 75 км.

Наскільки відомо, таке співпадіння місій випадкове і не планувалося. Але, як кажуть науковці, швидше вдале, ніж навпаки.

Зрозуміло, що Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO, теж підключиться до  досліджень -- після посадки він цілком зможе роздивитися на поверхні як спускний апарат, так і місяцехід.

Місячні зайці...

В транскрипті Аполлона-11 знайшовся цікавий діалог:
Якщо комусь цікаво, але складно з англійською -- пишіть, перекладу. Поки, не маючи особливих надій, що сюди хтось дочитає, лінь.

Коротко кажучи, наземна команда (Michael Collins) питається, чи не знайшли вони випадково на Місяці Чаньє та її зайця. Правда, Армстронг та Олдрін були там зарано на 44 роки, тому нікого не зустріли...


Що ж, на цьому поки закінчимо, а нашим китайським колегам
Побажаємо успіху!


Посилання:


Опубліковано о
Мітки: , , ,

Немає коментарів:

Дописати коментар

Підписатися на: Дописати коментарі (Atom)