Зачем Китаю Луна?

Мы уже дважды обращались к теме будущих экспедиций людей на Луну, почти создав на страницах «Коммерсантъ Науки» лунный клуб. И новый тип орбит для пилотируемых полетов, и средства посадки рассматривались лишь в рамках американской программы «Артемида». Но сегодня реализуется еще одна программа высадки людей на Луну. Технологически, организационно и финансово соответствуя этой цели. И развивающаяся с методичной бульдозерной неукротимостью. Это лунная программа Китая.

Зачем Китаю Луна? Разогнав за последние десятилетия экономику, Китай может теперь обратиться к технологическим вершинам, из которых высадка человека на Луну — несомненный Эверест. Стало ясно, кто соперники во второй лунной гонке, а не просто массовка участия. Считается, что за лунными программами большое будущее. Полеты людей и базы на Луне дадут новый технологический уровень, меняющий многие сферы жизни. Эта концепция не раз проверена практикой — от автомобилей и реактивной авиации до ракетной и космической техники.

Пилигримы Чанъэ

Космическая деятельность Китая сильно расширилась за последние годы. К Луне полетели автоматические станции, названные «Чанъэ» в честь китайской богини Луны. «Чанъэ-1» (2007, здесь и далее год запуска) и «Чанъэ-2» (2010) — чисто орбитальные станции, успешно отработавшие на окололунных орбитах. «Чанъэ-3» (2014) успешно выполнила мягкую посадку на Луну — впервые для Китая и первую за 37 лет с посадки советской «Луны-24» в 1976 году. Так Китай стал третьей страной Земли, посадившей аппарат на Луну. «Чанъэ-3» не только начала китайские прилунения, но и привезла луноход «Юйту».

Следующая «Чанъэ-4» (2018) принесла результаты класса «впервые в истории»: она села на обратной стороне Луны, доставив туда луноход «Юйту-2». В эту экспедицию вошел и ретрансляционный спутник «Цюэцяо», запущенный отдельной ракетой на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы Земля—Луна в 65 тыс. км за Луной. Отметим этот новый элемент китайских лунных запусков: миссия отправилась двумя ракетами. Такая баллистическая схема полета к Луне ранее не применялась; она легла в основу пилотируемой лунной программы.

Так Китай отработал комплексное трехэлементное присутствие на Луне: орбитальная станция, посадочный модуль и луноход, составляющие одну экспедицию. Этот формат выбран и японской программой с эмиратским луноходом; но от него осталась лишь орбитальная часть: посадочная разбилась в ходе прилунения.

На этом Китай не остановился: «Чанъэ-5» (2020) после посадки собрала (в том числе бурением) 1,7 кг лунного грунта и доставила его на Землю. Миссия стала самой сложной композиционно: на орбите ожидали орбитальный и возвращаемый на Землю модуль, а на Луну опустились посадочный и взлетный модули. Последний поднялся с Луны с образцами грунта и впервые на окололунной орбите автоматически состыковался с орбитальным сегментом. Грунт был перемещен в возвращаемый модуль, который отделился от орбитального и отправился к Земле, позже войдя в атмосферу и выполнив мягкое приземление. Так Китай стал третьей страной, доставившей лунный грунт на Землю.

Главная лунная гонка

Она разворачивается в другом формате, с главным элементом — человеком. Это иной уровень, требующий обитаемой космической техники, лунных скафандров и транспорта, сверхтяжелых ракет и особой надежности всей программы. А также сильного национального космического агентства, дееспособной космической отрасли и мощного многолетнего финансирования. Китай заявил о своем участии в этой высшей категории, озвучив пилотируемую программу высадки на Луну.

Освоение Луны включает не только технологические направления. Правовые аспекты поселений на Луне и разработки ее ресурсов будут развиваться вместе с защитой этих прав, в том числе силовыми средствами. Это вопросы размещения и эффективности работы, например, оружейных систем. Здесь тема освоения Луны разливается в возможных приложениях так широко, что проще пока отложить обзор этих направлений.

О начале китайской программы отправки людей на Луну до конца десятилетия заявил заместитель директора Китайского пилотируемого космического агентства (CMSA) Линь Сицян. Он озвучил это 29 мая на главном китайском космодроме Цзюцюань («китайском Байконуре», откуда уходят в космос все пилотируемые полеты Китая) перед запуском пилотируемого корабля «Шэньчжоу-16» на космическую станцию «Тяньгун».

«Для достижения этой цели CMSA приступило к планированию, исследованиям и строительным работам на базе предыдущих ключевых технических достижений и проверок решений. Лунная программа включает проведение научных исследований Луны и связанных с ними технологических экспериментов, освоение ключевых технологий полетов экипажей на Луну и обратно, краткосрочное пребывание на поверхности Луны и совместные исследования человека и робота. А также выполнение таких элементов, как посадка, передвижение, отбор проб, исследования и возвращение, чтобы иметь независимую возможность исследования Луны людьми,— сказал Линь.— Это включает разработку пилотируемой ракеты-носителя нового поколения “Чанчжэн-10”, пилотируемого космического корабля нового поколения, лунного посадочного модуля, лунного скафандра и других космических средств. Также ведутся работы по созданию новой стартовой площадки и испытаниям стартового комплекса».

Линь Сицян озвучил и схематичный план посадки с экипажем: шестичасовое пребывание двух тайконавтов на поверхности Луны, еще один член экипажа остается на окололунной орбите. В этом легко узнается отработанная схема лунных экспедиций программы «Аполлон».

Предварительный план отправки двух китайских космонавтов на Луну для выполнения научных задач и сбора образцов представил заместитель главного конструктора CMSA Чжан Хайлянь в июле на 9-м международном коммерческом аэрокосмическом форуме в городе Ухань. План включает запуск пилотируемого корабля и лунного посадочного сегмента новыми ракетами «Чанчжэн-10». Корабль с экипажем из трех человек и посадочный модуль сближаются и стыкуются на окололунной орбите перед посадкой на Луну.

Далее повторяется схема «Аполлонов»: двое спускаются на Луну, один остается в орбитальном модуле. Посещение завершается взлетом тайконавтов с Луны, стыковкой с орбитальным модулем и стартом всего экипажа с окололунной орбиты к Земле. Прибытие домой тоже повторяет полеты «Аполлонов» — вход в атмосферу сразу с траектории возвращения с большой скоростью.

Лунный космический корабль

Это будет аппарат нового поколения, он создается специально для полетов в дальний космос и заменит сегодняшний пилотируемый «Шеньчжоу», сделанный на базе советского «Союза». Он станет первым многоразовым пилотируемым космическим кораблем Китая. Весь корабль, очень похожий на американский «Аполлон», в сборе имеет длину около 9 м и массу с полной заправкой и снаряжением 22 тонны. Его конструктивная схема позволяет создавать модификации для выбранной специфики полетов; самый тяжелый вариант для Луны будет достигать 26 тонн.

Компоновка состоит из двух модулей: многоразовый обитаемый модуль конической формы с диаметром основания 4,5 м и массой 5,6 тонны. Он вмещает до семи человек (вариант для лунных экспедиций — три человека плюс полтонны груза). Служебный, или сервисный модуль цилиндрической формы одноразовый. Он содержит системы жизнеобеспечения экипажа и обеспечения энергией, запасы топлива и двигатели для орбитальных маневров.

Летом 2016 года Китай запустил на околоземную орбиту уменьшенный прототип корабля, названный «уменьшенная возвращаемая капсула многоцелевого космического корабля». После почти двухсуточного полета он успешно приземлился в заданном районе на севере китайской Внутренней Монголии. Полноразмерный прототип нового корабля под названием «Шэньлун» выполнил первый беспилотный полет в мае 2020 года. В ходе почти трехсуточного полета корабль за несколько включений двигателя поднял высоту орбиты до 8 тыс. км в верхней точке. Снижение с такой высоты апогея дает большую скорость в перигее, особенно если гравитационному разгону помочь двигателем. Скорость «Шэньлуна» при входе в атмосферу превысила 9 км/с. Перед атмосферой служебный и пилотируемый модули разделились; последний (он же спускаемый аппарат) после аэродинамического маневра для смягчения пиковой перегрузки и нагрева выпустил парашюты и успешно приземлился.

Ян Ливэй, бывший летчик-истребитель, 20 лет назад первым в Китае полетевший в космос, сегодня заместитель главного конструктора китайской программы пилотируемых космических полетов. В ходе выступления в университете Пекина в июле он сказал, что испытания возвращаемого модуля нового космического корабля стали «очень успешными», и его первые полеты (вероятно, с экипажем), по сегодняшним оценкам, состоятся в 2027–2028 годах.

Посадочный лунный модуль

Китай спокойно создает его уже несколько лет, и в этом году представил его общую схему. Посадочный сегмент массой около 26 тонн (как и космический корабль) состоит из посадочного модуля и двигательной ступени, обеспечивающей выход на окололунную орбиту и спуск к лунной поверхности. Посадочный модуль (он же и взлетный) будет выполнять мягкую посадку на Луну и возвращать тайконавтов на окололунную орбиту.

Двигательная ступень выполняет основную часть торможения: обнуление орбитальной скорости и накопившейся энергии снижения. Перед самим прилунением опустевшая ступень отделится и выполнит жесткую посадку неподалеку — проще говоря, упадет и разобьется. При этом принимая меры по снижению опасности разлета обломков.

Посадочный модуль оснащен четырьмя двигателями с регулируемой тягой по 765 кг силы; они обеспечат мягкое прилунение и потом взлет с Луны. Этим он отличается от американской лунной ступени с отдельными посадочным и взлетным модулями. Китайский лунный аппарат имеет интегрированную, единую конструкцию. Ее общая геометрия и компоновка напоминает американскую и явно взяла ее отработанные элементы. Корпус многогранной формы, четыре широко расставленные посадочные опоры, люк в середине корпуса для выхода экипажа на поверхность Луны. Тот же круглый иллюминатор над люком (жизненная необходимость осмотреть местность перед выходом), та же длинная лестница к лунной поверхности.

Чжан Хайлянь отметил, что полет на Луну очень чувствителен к массовым ограничениям, поэтому нужны легкие материалы и интегрированные конструкции при строгом контроле массы лунного сегмента. Возможно, поэтому обитаемый модуль не разделяется на посадочную и взлетную части, выполняя прилунение и взлет с Луны одной конструкцией.

Прогулки по Луне

По словам Чжан Хайляня, сейчас разрабатывается скафандр для операций на поверхности Луны с рабочим временем не менее восьми часов. Он поможет китайским космонавтам ходить, лазать, управлять машинами на Луне и водить транспорт.

Перемещение тайконавтов по Луне в транспортном средстве входит в профиль пребывания на Луне. СMSA объявила в мае о планах создания лунохода для экипажа, с применением коммерческой модели разработки. Массой 200 кг и с дальностью поездки 10 км, он вместит двух человек. «Пилотируемый лунный вездеход будет выполнять такие функции, как пилотируемое вождение, движение по поверхности Луны, поддержку позиционирования и помощь в обеспечении безопасности, а также может предоставлять экипажу мобильность, связь и помощь в обнаружении». Эти основные черты озвучены в «объявлении о запросе плана разработки вездехода» китайского бюро пилотируемой космической техники, направленном потенциальным разработчикам, в том числе коммерческим.

Для отработки лунных конструкций и оборудования нужен стенд, чтобы проверить работу в лунных условиях. Харбинский технологический институт в Хэйлунцзяне недавно представил камеру моделирования Луны, которая, как считается, существенно поможет в подготовке к будущим лунным исследованиям.

Кроме этого, в июле CMSA объявило о приеме предложений по научной полезной нагрузке для лунного посадочного модуля. Приглашение открыто для НИИ, университетов и высокотехнологичных предприятий. Предложения должны быть нацелены на лунную геологию, физику, биологические наблюдения, использование лунных ресурсов.

Ракета: пара сверхтяжелых коней для поездки к Луне

Для пилотируемых экспедиций на базе массивных сегментов (по 26 тонн) требуется ракета-носитель сверхтяжелого класса. Она должна вывести сегмент на низкую околоземную орбиту и затем отправить его на траекторию перелета к Луне.

Сейчас у Китая есть тяжелая ракета-носитель «Чанчжэн-5». Центральный блок ее первой ступени длиной 33 м и диаметром 5 м оснащен кислородно-водородными двигателями YF-77. Замена их на более мощные кислород-керосиновые YF-100К с компоновкой семь двигателей в один корпус даст крупный ракетный блок с большой тягой (856 тонн на старте). Три блока объединяются в классический плоский «забор» первой ступени наподобие «Фалкон Хэви» или «Дельта Хэви». Вторую ступень можно взять тоже от «Чанчжэн-5». Третья ступень по выбору конструкторов завершит облик сверхтяжелой ракеты. Высота ее составит 90 м, стартовая масса 2200 тонн, взлетная тяга почти 2680 тонн.

Ожидается, что такая ракета с новым названием «Чанчжэн-10» выполнит испытательный полет в 2027 году. Пара ракет в лунной специализации (27 тонн на перелет к Луне) запустят одну экспедицию на Луну: одна ракета корабль с экипажем, вторая — посадочный сегмент со всей лунной техникой. Вспомним отмеченный выше запуск «Чанъэ-4» со спутником-ретранслятором «Цюэцяо» двумя ракетами как опробованную схему раздельного запуска двух частей одной экспедиции. Добавится лишь их стыковка возле Луны.

Готовится и место пусков лунной ракеты. Китайский космодром Вэньчан на берегу восточной оконечности острова Хайнань уже отправил на Луну самую сложную на сегодня миссию «Чанъэ-5». Следующие «Чанъэ», речь о которых ниже, тоже планируют запускать отсюда. Сегодня Вэньчан расширяется для коммерческих запусков, и не только для них. Предполагается, что он разместит у себя стартовые комплексы для ракеты «Чанчжэн-10» и будущей еще более крупной, полностью многоразовой сверхтяжелой ракеты «Чанчжэн-9», весьма похожей на «Старшип» от «СпейсХ». Можно сказать, что Вэньчан станет китайским «лунным космодромом», сосредоточив дальнейшие запуски по лунной программе Китая.

Баллистическое обеспечение: данные неизвестны

Не все ключевые элементы лунной программы обнародованы. Так, остается неизвестным баллистическое обеспечение высадки тайконавтов на Луну. Например, про баллистику американской «Артемиды» известно многое. Тип базовой орбиты для орбитальной станции (почти прямолинейная гало-орбита), ее параметры: 1500 км нижняя и 70 000 км верхняя точки над полюсами Луны, период обращения семь дней. Орбита все время перпендикулярна линии Земля—Луна, с непрерывной видимостью станции с Земли.

Баллистика — один из ключевых элементов лунной программы: она определяет энергозатраты на перелеты, а отсюда — требуемые запасы топлива на борту и конструкцию космических аппаратов. Какими будут базовая околополярная и предпосадочная орбиты, посадочная траектория? Какова баллистическая схема прибытия на базовую орбиту и отлета с нее на Землю? Сколько характеристической скорости (а значит, топлива) потребуется на путь с околоземной орбиты до окололунной и с окололунной до поверхности Луны? На взлет с Луны и выход на базовую орбиту?

Выбор баллистической концепции направлен на главные цели: низкие риски, низкие затраты (энергии и топлива), низкие нагрузки (на конструкцию и радиационные у Земли) и т. д. Какова баллистика китайской лунной программы, оценка ее оптимумов и конфигурации — остающаяся пока полной вопросов чисто баллистическая тема.

Главный план: международная исследовательская станция

Краткосрочные посещения Луны связаны с долгосрочной программой: высадка тайконавтов на Луну нацелена быть большим, чем кампания флагов и следов на реголите. Китай планирует создать в 2030-х годах постоянную, в первой фазе роботизированную лунную базу, названную Международная лунная исследовательская станция (ILRS). Согласно объявленной в 2021 году дорожной карте, ее намечено построить в 2031–2035 годах в ходе пяти миссий ILRS-1—ILRS-5.

В настоящее время Китай привлекает участников для присоединения к организации, созданной для координации усилий по лунной базе. Она называется Международная организация сотрудничества лунной исследовательской станции (ILRSCO). Только за октябрь её членами стали Пакистан, Азербайджан и Беларусь. Эта активность стала частью китайской лунной программы и развивается параллельно и альтернативно «Артемиде», возглавляемой и США, и соглашениям Artemis Accords, её политической основе. Здесь лунная гонка-2 принимает форму и уровень соперничества международных программ, с созданием пулов стран-партнёров для участия в лунной программе лидера. Вероятно, это приведет к появлению двух отдельных международных экосистем космической индустрии.

Путь «Чанъэ»: посадки у южного полюса

Китай продолжит полеты автоматических станций к Луне до 2030 года в качестве предшественников ILRS. В 2025 году в район южного полюса Луны полетит вторая возвращаемая экспедиция «Чанъэ-6», с доставкой оттуда грунта на Землю. В создании научной полезной нагрузки для этой миссии участвует Франция.

Перед «Чанъэ-6» к Луне отправится новый спутник-ретранслятор «Цюэцяо-2» с параболической антенной диаметром 4,2 м для замены предшественника, срок службы которого истекает. В отличие от него, «Цюэцяо-2» будет двигаться по гало-орбите другого типа, дальней ретроградной орбите, огибающей первую и вторую точки Лагранжа системы Земля—Луна и лежащей в ее плоскости. Полет по такой орбите уже опробовал впервые в истории орбитальный модуль «Чанъэ-5» после расставания с возвращаемым на Землю модулем. Спутник будет нужен и для экспедиций «Чанъэ-7» и «Чанъэ-8», со сменой его орбиты на другой тип — кеплерову, наклонную высокоэллиптическую «замороженную» орбиту.

Продолжением станет в 2026 году «Чанъэ-7», запускаемая на южный полюс. Она будет включать четыре сегмента: орбитальный и посадочный модули, луноход ОАЭ «Рашид-2» и летающий мини-зонд для поиска воды в вечно затененных участках в районе посадки. Зонд взлетит с освещенного участка местности, опустится на теневой участок и пробурит грунт в поисках водного льда. Добытый керн будет доставлен к посадочному модулю и помещен в его бортовую печь для нагрева и анализа состава. В этой миссии планируется (пока об изменениях планов ничего не слышно) координированное взаимодействие с российскими станциями «Луна-26» и «Луна-27».

«Чанъэ-8» с посадочным модулем, запуск которой к южному полюсу Луны ожидается в 2028 году, будет миссией по использованию местных ресурсов и испытаний технологии 3D-печати из них. «Чанъэ-8» займется созданием прототипа станции; при этом планируется взаимодействие с российской «Луной-28». Ожидается, что после этого серия «Чанъэ» сменится миссиями ILRS для непосредственного сооружения лунной базы.

Главный соперник США

Полеты «Чанъэ» дают Китаю растущий опыт и системную подготовку высадки людей на Луну. Последовательно усложняемые, тщательно готовящиеся и поэтому пока безаварийные полеты складываются в ступени восхождения к пилотируемым полетам на Луну. Движение Китая по ним системное и выходит далеко за рамки просто экспедиций автоматов. Как видно из сегодняшней картины, идет планомерное движение к созданию обитаемой лунной базы: отработка посадок и их орбитального обеспечения, создание ключевых конструкций от ракеты до средств перелета, посадки и возвращения на Землю. Разрабатывается лунная часть: транспорт, скафандры, технологии строительства базы, связь, навигация, безопасность и множество других, не затронутых здесь аспектов.

Нет сомнений, что Китай стал полноценным соперником США в лунной гонке-2. Это соперничество направлено не на приоритет, исторически давно разыгранный и малоценный сегодня. В большой лунной гонке неважно, на год раньше или позже соперника получатся высадка людей на Луну, развертывание лунной базы и долгосрочное пребывание на Луне. Главное, чтобы это удалось реализовать в следующем десятилетии.

Хотя Луна в разы меньше Земли, ее полярный район достаточно обширный, чтобы разместить на нем несколько лунных программ. Присутствие — освоение — технологическое развитие: эта триада станет достойной наградой тем, кто дойдет до цели, неважно в каком порядке, кто за кем. Опыт постоянного присутствия на другом небесном теле — это опыт космической колонизации, путь к освоению других планет. Такую стратегическую перспективу трудно оценить сегодня в полной мере; каждый получивший к ней практический доступ будет победителем. И Китай имеет высокие шансы стать им, что демонстрирует сегодня его лунная программа и ее безостановочное и успешное развитие.

(Коммерсант)