Наноспутник CAPSTONE начинает международную лунную программу Artemis

28 июня 2022 года произошло знаковое событие в истории мировой космонавтики. Наконец-то, после долгой подготовки, начала осуществляться международная программа "Артемида" (Artemis) по возвращению человечества на Луну. Стартовала эта грандиозная по масштабам и затратам программа с запуска наноспутника CAPSTONE, который выведен на орбиту сверхмалой ракетой-носителем "Электрон" (Electron) с космодрома Махия в Новой Зеландии. Это второй в истории космонавтики запуск лунного аппарата на частной ракете-носителе.

Вряд ли новость о запуске CAPSTONE попадет в топ мировых агентств - причина этого состоит в малых размерах самого космического аппарата и его ракеты. Старт настоящих лунных ракет сверхтяжелого класса мы скоро увидим, и тогда о нем напишут большими буквами. А пока в Луне отправился маленький аппарат, предназначенный для разведки траектории.

На Автомалиновке можно купить бу автомобиль в Минске в автосалоне.

Содержание

1. Аппарат CAPSTONE и программа Artemis
2. Характеристики лунного аппарата CAPSTONE
3. Ракета-носитель сверхлегкого класса "Электрон"
4. Разгонный блок "Фотон"
5. Выведение аппарата CAPSTONE на окололунную орбиту
6. Видео запуска ракеты-носителя Electron со спутником CAPSTONE
7. Видео процесса выведения Photon-CAPSTONE

Аппарат CAPSTONE и программа Artemis

О программе "Артемида" (Artemis) написана наша статья 2020 года:
Космические гонки XX и XXI века, часть 6: возвращение на Луну

Добавить к ней можно немного, поскольку подготовка к возвращению на Луну идет неспешно. В августе 2022 года должен состояться первый тестовый запуск сверхтяжелой и сверхдорогой ракеты SLS с беспилотным лунным кораблем "Орион". Но основной упор в лунной программе делается на активно развивающуюся частную космонавтику, которая позволяет уложиться в разумный бюджет.

Название наноспутника CAPSTONE переводится как "Замковый камень" и расшифровывается так: Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment - Технологические операции и навигационный эксперимент с лунной автономной системой позиционирования. Аппарат предназначен для изучения гало-орбиты NRHO (Near-Rectilinear Halo Orbit - почти прямолинейная гало-орбита), на которую предполагается вывести будущую лунную орбитальную станцию LOP-G (Lunar Orbital Platform - Gateway).

Орбита NRHO характеризуется невысоким периселением в наиболее интересной околополярной области Луны (1500 км) и высоким апоселением (70000 км). Почти вся орбита NRHO, как видно на рисунке, проходит ниже плоскости лунной орбиты.

С лунными орбитами есть трудность, связанная с тем, что низкие орбиты испытывают возмущения из-за высокой неоднородности гравитационного поля Луны (т.н. масконов), а высокие орбиты рассчитываются под влиянием трех тел Солнце-Земля-Луна, из которых Луна является самым легким. Поэтому найти относительно стабильную окололунную орбиту - непростая математическая задача и NRHO как раз является одной из таких квазистабильных окололунных орбит.

CAPSTONE станет первым искусственным аппаратом на орбите NRHO и его задача - показать, что на ней можно удержаться с небольшим расходом рабочего тела на коррекцию траектории. Он потратит 4 месяца на перелет к своей лунной орбите, и 6 месяцев будет находиться на ней, собирая научные данные.

Для навигации аппарат CAPSTONE будет использовать систему CAPS (Cislunar Autonomous Positioning System - лунную автономную систему позиционирования), опирающуюся на спутник LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter - лунный разведывательный аппарат), работающий в 2009 года. Наземные станции использоваться не будут.

Характеристики лунного аппарата CAPSTONE

Мы увидели, насколько важная задача поставлены перед аппаратом CAPSTONE. А теперь удивимся тому, насколько он маленький! CAPSTONE относится к классу наноспутников CubeSAT 12U - это значит, что его объем составляет около 12 куб. дм. Точные размеры по стандарту - 20 x 20 x 34.05 см. Масса спутника со всей аппаратурой - 25 кг. Электропитание осуществляется от солнечных батарей.

Ракета-носитель сверхлегкого класса "Электрон"

Как мы уже напоминали, запуск CAPSTONE осуществлен новозеландской ракетой Electron. Двухступенчатый носитель из углепластика с напечатанными на 3D принтере ракетными двигателями предназначен для вывода аппаратов массой 200-300 кг на околоземные орбиты. Об этой интереснейшей ракете-носителе (РН) написано в нашем обзоре:
12 запусков новозеландской ракеты-носителя Electron

Со времени написания обзора в 2020 году число запусков "Электрона" увеличилось до 27. Из них 24 прошли удачно, исключая первый тестовый полет и два запуска с потерей спутников. На орбиту выведено около 150 спутников различных размеров, поскольку они обычно выводятся по несколько штук за один раз. Рекорд был установлен в предпоследнем запуске Electron - 2 мая на орбиту было одним махом было доставлено 34 спутника! И в этом же запуске была предпринята частично удачная попытка поймать первую ступень вертолетом. Спускающуюся на парашюте 950-килограммовую ступень зацепили крюком, но потом все-таки пришлось сбросить ее в океан.

Ракеты Electron производится на высокоавтоматизированном предприятии в Окленде, мощности которого позволяет выполнять 50 запусков в год без учета планируемой возможности возвращения и повторного использования первой ступени. Действуют две стартовые площадки на местном космодроме Махия, и еще одна вводится в действие в США. Стоимость запуска "Электрона" - на данный момент 7.5 тыс. долларов США является рекордно низкой среди всех ракет-носителей.

Разгонный блок "Фотон"

История успеха создателя ракеты, Питера Бека, продолжилась 28 июня, когда "Электрон" стартовал к Луне со спутником CAPSTONE. Планы межпланетных полетов вынашивались новозеландцами давно, но не было подходящей полезной нагрузки. Поскольку сама ракета "Электрон" - околоземная, то для выведения CAPSTONE к Луне был применен новый разгонный блок "Фотон" (Photon), созданный на основе штатного блока выведения "Кюри" (Curie).

"Фотон" задуман не только как разгонный блок (РБ), но и как платформа для упрощенного создания маневрирующих спутников. С ним можно выводить до 170 кг сателлитов на орбиту с наклонением 37 град (широта космодрома Махия) или 130 кг на солнечно-синхронную орбиту. Его межпланетная модификация имеет увеличенный запас топлива и новый ракетный двигатель HyperCurie с традиционным для Rocket Lab электронасосным агрегатом (ЭНА). "Гипер-Фотон" использует двухкомпонентное самовоспламеняющееся топливо для многократного включения своего РД. Он может выводить на межпланетную траекторию аппараты массой до 40 кг и рассчитан на многолетнюю работу вместе со своей полезной нагрузкой.

Выведение аппарата CAPSTONE на окололунную орбиту

Ракета-носитель Electron доставила Photon со спутником CAPSTONE на опорную орбиту с высотой 174 км и наклонением 37", после чего вступил в работу разгонный блок. Первым импульсом Photon перевел себя и CAPSTONE на орбиту c апогеем 1045 км, после чего прошел подъем перигея до 220 км и 250 км. Программа выведения CAPSTONE предусматривает долгое, четырехмесячное маневрирование для перехода с орбиты Земли на орбиту Луны. Оптимальная траектория выведения CAPSTONE будет чем-то напоминать фазирующие орбиты спутника IBEX (Interstellar Boundary Explorer - межзвездный пограничный исследователь) 2008 года.

IBEX сейчас обращается по лунной резонансной орбите 3:1 с апогеем 220 тыс. км, стабильной во вращающейся системе координат Земля-Луна. CAPSTONE не станет оставаться на орбите Земли, а в верхней части своей траектории перейдет на орбиту Луны NRHO (см. выше), для чего у аппарата есть собственная двигательная установка. На орбите NRHO он будет работать в течение 6 месяцев, собирая баллистическую информацию. Что касается Photon, то уже через шесть дней, выполнив свою часть баллистической задачи вместе c CAPSTONE, он отпустит спутник в самостоятельный полет и сам направится к Луне для ее облета на низкой высоте с целью фотографирования.

Дополнение: апогей орбиты, на которую Photon должен доставить CASPTONE, составит 1.3 млн км от Земли, откуда спутник направится к лунной орбите, используя гравитацию Солнца. По расчетам, на целевую гала-орбиту NRHO он перейдет с помощью своей двигательной установки 13 ноября 2022 года. Управление аппаратом CAPSTONE, созданного Tyvak Nano-Satellite Systems и Stellar Exploration (двигательная установка) осуществляется частной американской компанией Advanced Space, а вся миссия финансируется NASA.

После четвертого включения двигательной установки 30 июня апогей орбиты "Фотона" поднялся до 12.8 тыс. км, после пятого и шестого включений 1 июля - до 69.7 тыс. км, на 3 июля - 70.2 тыс. км. Последний для связки Photon-CAPSTONE маневр состоялся 4 июля, после чего космические аппараты начнут работать по самостоятельным программам.

После отделения от разгонного блока наноспутник CAPSTONE связался с Землей только два раза и замолчал. Из-за неполадки специалистам Advanced Space пришлось пропустить намеченную на 5 июля коррекцию траектории. 6 июля связь с космическим аппаратом была восстановлена.

Следующая неполадка произошла 8 сентября во время выполнения коррекции траектории на расстоянии около 1.25 млн км от Земли. Клапан, управляющий тягой одного из 8 двигателей, остался в частично открытом положении и аппарат начал вращаться, теряя ориентацию солнечных батарей  - стабилизировать его удалось только через месяц. Программное обеспечение наноспутника скорректировали для учета неисправности клапана.

Целевой орбиту NRHO наноспутник вышел 13 ноября 2022 года, а 22 ноября НАСА сообщила о завершении всех маневров по коррекции орбиты.

Несмотря на определенные проблемы с CAPSTONE, остается только удивляться сложности маневров, выполняются сверхмалыми космическими аппаратами и совершенству современной космической техники. После завершения лунной миссии, Питер Бек собирается в 2023 году отправить свой мини-зонд в атмосферу Венеры. Сверхмалый аппарат будет в течении примерно пяти минут изучать состав атмосферы с помощью установленного на борту лазерного масс-спектрометра.

Бек надеется, что с помощью ракет-носителей и космических аппаратов Rocket Lab изучение планет Солнечной системы станет более частым и более доступным для энтузиастов занятием. Вслед за Беком мы думаем, что когда-нибудь межпланетный зонд можно будет собрать из конструктора в гараже и по сходной цене отправить в полет по Солнечной системе, обновляя "на лету" его программное обеспечение. Примерно так, как сейчас можно собирать любительские кубсаты для околоземной орбиты. И тогда каждый любитель техники сможет стать исследователем дальнего космоса.

Видео запуска ракеты-носителя Electron со спутником CAPSTONE

Видео процесса выведения Photon-CAPSTONE

Сокращения:
РД - ракетный двигатель
РН - ракета-носитель
РБ - разгонный блок
ПН - полезная нагрузка
ЭНА - электронасосный агрегат
НОО - низкая околоземная орбита
ССО - солнечно-синхронная орбита
NRHO (Near-Rectilinear Halo Orbit

Все материалы на космическую тематику