У НАСА есть программа Артемида, в рамках которой агентство планирует отправку на Луну «первой женщины и следующего мужчины» к 2024 году. Программа должна стать базовой ступенью для создания постоянно обитаемой базы на Луне, и к тому же создать фундамент для освоения Марса.
Для такой миссии просто необходима точная навигация: она как минимум понадобится для нахождения нужных кратеров, обнаруженных роботизированными зондами с орбиты. Астронавтам также нужно будет найти оборудование и транспорт, который доставят на Луну заранее. В миссиях Аполлонов это было не важно — астронавты не удалялись далеко от спускаемого модуля. Но теперь без точной навигации на лунной поверхности уже никак не обойтись.
Здесь, на Земле, для точного позиционирования мы используем спутниковые системы, такие как GPS и ГЛОНАСС. Принцип их работы достаточно прост — измеряется время, которое нужно сигналу для прохождения расстояния между спутником и приемником. Это расстояние дает сферу, на поверхности которой находится приемник. Для получения широты и долготы достаточно пересечения трех сфер (три спутника), четвертый спутник дает нам высоту над поверхностью. Иными словами, для точной геолокации необходимо, чтобы ваш смартфон ловил сигнал с не менее чем 4 спутников.
Принцип работы GPS.
Окей, с Землей все понятно. А можно ли как-то организовать аналогичную систему для Луны? Или вообще использовать существующие спутниковые системы навигации? Кар-Мин Ченг и Чарльз Ли из Лаборатории реактивного движения НАСА в Калифорнии провели необходимые расчеты и пришли к выводу, что ответ — да: сигналы от существующих навигационных спутников, летающих на высоте около 20 000 километров над поверхностью Земли, можно использовать для определения местоположения астронавтов на лунной орбите, находящейся на расстоянии 385 000 км. Исследователи представили свои результаты на конференции IEEE Aerospace Conference в Монтане в этом месяце.
«Кажется, мы сможем заставить GPS работать на Луне, что особенно важно в связи с большим потоком миссий в ближайшие несколько лет», — сказал Ченг. «У нас должна быть инфраструктура для позиционирования астронавтов».
Ченг и Ли построили точные модели орбит навигационных спутников GPS и двух ее коллег, европейской системы Галилео и российской системы ГЛОНАСС — всего получился 81 спутник. Но есть одна серьезная проблема: она заключается в том, что на большинстве аппаратов стоят направленные антенны, передающие сигнал, разумеется, в сторону поверхности Земли.
Однако все же часть сигналов излучаются в космос. И, по словам исследователей, эти сигналы достаточно сильны, чтобы их можно было принимать на космическом корабле с достаточно компактным приемником, летающим вблизи Луны. Ченг, Ли и их команда рассчитали, что космический корабль на лунной орбите сможет «видеть» от пяти до 13 спутников в любой момент времени — этого вполне достаточно, чтобы определить его положение в пространстве в пределах 200-300 метров.
Причина такой не самой высокой точности проста — расстояние от спутников до Луны почти в 20 раз больше, чем до Земли. Но самая главная проблема в том, что такой способ геолокации не подойдет для полярных областей Луны. Все дело в том, что в этих регионах Земля будет достаточно низко над горизонтом, и сигналы могут быть легко заблокированы холмами или краями кратеров.
Первая фаза проекта Артемида, запланированная на 2024 год.
Но команда Ли и Ченга, а также их коллеги из Центра космических полетов Годдарда в Мэриленде, просчитали эту проблему. Чтобы помочь астронавтам, ученые предложили использовать спутники-передатчики, расположенные намного ближе к ним, в качестве ориентиров. На старте вполне хватит двух штук: один ретранслятор на высокой лунной орбите, чтобы действовать как опорный маяк, а вторым может выступить зонд НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter, который проводит исследования Луны с 2009 года.
Эта мини-сеть не должна быть ужасно дорогой по стандартам космических программ. Спутник-ретранслятор может быть достаточно маленьким и базироваться на текущих GPS-зондах, а добраться до лунной орбиты он может на ракете, которая повезет припасы и технику для астронавтов.
На данный момент планы в отношении Артемиды постоянно меняются из-за споров о финансировании и архитектуре миссии. Изначально менеджеры НАСА делали ставку на планируемую базовую станцию на лунной орбите, известную как Шлюз (Gateway), чтобы существенно упростить будущие миссии. Однако Белый дом желает видеть астронавтов на поверхности Луны в 2024 году, поэтому постройка Шлюза будет скорее всего отложена до конца десятилетия.
Тем не менее, ученые говорят, что ранний задел под лунную навигацию будут полезен, независимо от того, как будут проходить пилотируемые полеты к нашему спутнику. «Это можно сделать», — сказал Ченг. «Это просто вопрос денег».
