«Самочувствие» японских кубсатов миссии Artemis I

Как мы можем наблюдать на примере лунного посадочного аппарата (ЛПА) «Белый заяц-R» частной японской компании ispace (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/85929.html), мало быть просто отправленным в направлении Луны, надо еще и достичь ее.

Про выведенный в космос на SLS (Space Launch System) кубсат NASA NEA Scout мы писали (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/85215/), однако еще в декабре прошлого года «Скаут» признали негодным для исследования околоземного астероида 2020 GE, так как с аппаратом не смогли установить связь, а его солнечные панели не раскрылись.

Мы надеялись, что этим летом также запущенный SLS «проблемный» японский кубсат OMOTENASHI нарушит «режим молчания» (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/85929/), и благодаря этому радостному событию мы сможем дать его описание, но 27 июня 2023 г. на 76-м заседании подкомитета по использованию космических разработок Японское агентство аэрокосмических исследований JAXA раскрыло текущий статус кубсатов OMOTENASHI и EQUULEUS. Наконец, наше перо дошло до них…

Начнем с того, что 16 ноября 2022 г. в рамках миссии Artemis I гостеприимный борт новейшей американской ракеты SLS, которая будет выступать на мировом «пусковом ринге» в «супертяжелом весе», принял в качестве попутной нагрузки 10 кубсатов для проведения технологической демонстрации и научных наблюдений.

Так уж приключилось, что среди других зайчиков в американском трамвайчике «затесались» целых два 6U-кубсата японского «происхождения»: EQUULEUS (EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U Spacecraft) и OMOTENASHI (Outstanding MOon exploration TEchnologies demonstrated by NAno Semi-Hard Impactor).

Как они попали на борт «супертяжа»? Дело в том, что в августе 2015 г. NASA попросило другие космические агентства прислать свои предложения по размещению кубсатов в качестве попутной нагрузки на первой SLS.

И Япония приcлала несколько вариантов, а в апреле 2016 г. NASA одобрило понравившиеся проекты EQUULEUS и OMOTENASHI. JAXA отдало проект в руки Института космических и астронавтических наук ISAS, который с сентября и приступил к соответствующим работам. Первый проект начал разрабатываться молодыми специалистами Японского агентства и Токийского университета (東京大学), а вторым занималась в основном молодежь JAXA.

По самому первому графику дебют SLS должен был состояться осенью 2018 г., и по сей причине кубсаты было необходимо доставить в США к началу года запуска, но разработка нового носителя неоднократно задерживалась.

Тем временем к концу 2019 г. «японцев» полностью подготовили к полету на SLS, а затем отправили в Америку отчет экспертизы по безопасности. В июле 2021 г. кубсаты «вручили» NASA, но многочисленные отсрочки привели к тому, что первая беспилотная SLS стартовала с пусковой площадки LC-39B Космического центра им. Джона Кеннеди лишь осенью 2022 г…

Equ. LC-39B – EML₂

EQUULEUS (EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U Spacecraft) разрабатывался с целью отработки технических задач: управления аппаратом в дальнем космосе и демонстрации работы экспериментальной двигательной установки. Габариты кубсата таковы: длина, ширина и высота составляют 37×24×11 см, масса равна 10.5 кг.

EQUULEUS

EQUULEUS, как на латинском языке называют созвездие Малый Конь северного полушария неба, оснащен восемью солнечными панелями размером 30×6 см (суммарная мощность) 50 Вт, имеет трехосную систему управления ориентацией и транспондер Х-диапазона. Малый Конь, сокращенно Equ, – второй в списке наименьших по площади созвездий после Южного креста (Crux).

Главная цель «Малого Коня» состоит в достижении точки Лагранжа системы Земля-Луна EML₂ (Earth-moon Lagrange point 2). В немного похожей по названию точке L₂ системы Солнце-Земля «поставлен» американский космический ИК-телескоп «Джеймс Уэбб» или JWST (James Webb Space Telescope), и ее же ранее в качестве «наблюдательного плацдарма» использовали для измерения перепадов температур реликтового излучения аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) (2001-2010; NASA) и спутник Planck, созданный для изучения вариаций все того же космического сверхвысокочастотного фона (2009-2013; ESA). EQUULEUS же «метил» в точку L₂ системы Земля-Луна, откуда можно легко отправиться к Марсу или даже Юпитеру.

Точки Лагранжа системы Земля-Луна

AQUARIUS (AQUAResIstojet propUlsion System) – установка на горячем газе, использующая воду в качестве горючего, и включающая два двигателя для изменения траектории полета (тяга 4,1 миллиньютон, удельный импульс 70 сек) и четыре движка управления ориентацией (0,6 мН, 60 сек). AQUARIUS (лат., большое зодиакальное созвездие Водолей), имел в своем распоряжении 1.2 л воды.

Вода, находясь в жидком состоянии при нормальной температуре, обладает низкой молекулярной массой, что позволило уменьшить объем и добиться высокого удельного импульса двигательной установки. Но, как предупредили японцы, это вовсе не «котел» высокого давления, так как вода в AQUARIUS испаряется при давлении всего лишь около 3/100 от атмосферного.

Помимо техзадач для кубсата-«многостаночника» разработали научно-исследовательскую программу, включающую изучение радиационной обстановки в плазмосфере (или внутренняя магнитосфера – область земной атмосферы, содержащая электроны и высокоэнергетические частицы/частицы высоких энергий) в экстремальном ультрафиолете, оценку размеров и распространения метеоритов на обратной стороне Луны, а также изучение пылевой обстановки на пути к Селене. Соответственно, на борту разместили три прибора.

Угол обзора PHOENIX

С помощью телескопа-рефлектора PHOENIX (Plasmaspheric Helium ion Observation by Enhanced New Imager in eXtreme ultraviolet) с диаметром тубуса объектива всего 60 мм планировалось провести первые в мире (для такой крохотной космической обсерватории) наблюдения космической плазмы в экстремальном ультрафиолете. «Феникс» работает на длине волны 30.4 нм.

В плазмосфере, благодаря электромагнитным возмущениям, доставляемым солнечным ветром, возникает множество интереснейших явлений. По числовой плотности легкие ионы водорода занимают в плазмосфере первое место (~90%), а оставшиеся 10% приходятся на ионы гелия и малочисленное «племя» ионов кислорода.

Электроны ионов гелия и кислорода (в ионах водорода электронов нет) приходят в возбужденное состояние, а потом выходят из него, и образуется невидимое глазу свечение – так называемый рассеянный свет солнечного резонанса (太陽共鳴散乱光). Благодаря его наблюдению PHOENIX может изучать происходящие в плазмосфере изменения.

Также на борту разместили CLOTH (Cis-Lunar Object Detector within Thermal Insulation) для изучения пылевой обстановки по ходу полета. CLOTH спроектирован для обнаружения пыли и мелкого космического мусора.

DELPHINUS

DELPHINUS (DEtection camera for Lunar impact PHenomena IN 6U Spacecraft) (лат., небольшое созвездие Дельфин из северного полушария неба) – прибор для «засекания» вспышек на Луне, рождающихся от падения метеоритов (Lunar Impact Flash), и наблюдения за астероидами.

«Дельфин» может обозревать около четверти лунной поверхности. В отличие от наземных телескопов, что могут изучать Луну лишь в темное время суток, «Малый Конь» мог бы, находясь на «якоре» за обратной стороной «ночной царицы», проводить длинные сеансы наблюдений (более суток за раз) и не «страдать» от свечения земной атмосферы и пепельного света Луны, когда наш спутник слабо освещается солнечными лучами, отраженными от нашей планеты.

Малый Конь в окружении Дельфина, Водолея и Пегаса

Старый конь борозды не испортит? Но это была и не «загнанная старая кляча», и не пышущий здоровьем «младой скакун», а просто «малый конь». С одной стороны японцы как нельзя угадали с названием, так как оно дает представление о миниатюрных размерах кубсата, и поначалу казалось, что лихой «жеребенок», незаметно для всех, быстренько «проскочит» расстояние до цели. Не тут-то было. Малоопытность не самого «коня», а скорее разработчиков и специалистов, сыграла злую шутку…

Снимки обратной стороны Луны, 22.11.2022

Поначалу, казалось, все шло хорошо. Сразу после отделения от SLS Мадридский комплекс дальней космической связи MDSCC (Madrid Deep Space Communication Complex), входящий в Сеть дальней космической связи NASA DSN (NASA Deep Space Network), принял сигнал от Equ, а позднее инженеры проверили функциональное состояние кубсата (были достигнуты минимальные рабочие параметры).

22 ноября 2022 г., после прохождения этапа орбитального управления, «Малый Конь» выполнил гравитационный маневр у нашего естественного спутника, во время которого даже сделал несколько снимков обратной стороны Селены с расстояния около 5550 км.

В объектив попала область, расположенная примерно на 110-160° восточной долготы (граница обратной стороны «идет» выше 90° в.д.). На первое фото попал лунный терминатор, то есть линия светораздела дня и ночи, а на втором видно Море Москвы (Mare Moscoviense). За последнее отдельное спасибо нашим японским коллегам.

Далее, до 27 апреля 2023 г. специалисты три раза планово изменяли траекторию полета кубсата и еще одиннадцать раз корректировали ее (итого 14 маневров), и в итоге аппарат взял верный курс, чтобы благополучно достичь EML₂ к концу года.

12 февраля 2023 г., спустя три месяца после доставки кубсата в космос, была даже совершена ранее непредусмотренная съемка «Дельфином» долгопериодической кометы C/2022 E3, которую обнаружили относительно недавно (2 марта 2022 г.) с помощью Установки для поиска транзиентов им. Цвикки ZTF (Zwicky Transient Facility). Тогда Equ находился на расстоянии около 69.45 млн км от кометы и 340 тыс км от Земли.

К концу апреля было подтверждено, что вся научная аппаратура пребывает в исправном состоянии, и даже получены данные о плазме магнитосферы Земли (планируется опубликовать соответствующую статью в научном журнале позднее). Также периодически проводились коррекции траектории полета. Получается, что до конца апреля все было отлично…

Однако 18 мая, начиная с 21:00 по токийскому времени Станция дальней космической связи Мисаса MDSS (深宇宙探査用地上局; Misasa Deep Space Station), расположенная в г. Саку (преф. Нагано, регион Тюбу), предприняла несколько попыток связаться с кубсатом, но тот молчал. Это было более чем странно, так как двумя днями ранее схожих проблем не было, и это заставило всерьез потревожиться о будущем «непарнокопытного».

ISAS начал искать источник проблемы, и определил, что с наземной станцией MDSS все в порядке, а вот на другом конце «провода» определенно что-то не так. Специалисты попробовали решить проблему удаленно, включив и перезагрузив бортовой передатчик, но весточки от «Малого Коня» так и не получили.

Позднее, 23-25 мая, пользуясь тем, что Equ, направляясь в EML₂, в последний раз приблизится к Земле, ISAS, не мешкая, прибег к помощи крупнейших наземных средств, чтобы понять, можно ли его еще спасти. В их числе находящийся на Гавайях японский телескоп Субару (すばる望遠鏡; Subaru Telescope), обсерватория Окаяма Киотского университета (京都大学岡山天文台; 京都大学岡山天文台), базирующаяся в г. Флагстафф (штат Аризона) обсерватория Лоуэлла (Lowell Observatory) и другие.

В результате оптических наблюдений стало ясно, что батареи разрядились, и кубсат вращается бесконтрольно. Почему так сталось, предстоит еще разобраться спецкомиссии…

Однако, благодаря Equ Япония уже смогла выделиться среди остальных космических государств. Во-первых, при пролете Луны впервые в мире двигательная установка, использующая воду в качестве горючего (AQUARIUS), успешно отработала за пределами низкой околоземной орбиты. А во-вторых, EQUULEUS – единственный из десяти запущенных на SLS кубсатов, которым успешно управляли в космосе согласно ранее составленному плану.

Более того, JAXA пока не отреклось от своего «коня», и ждет благоприятного случая, когда солнечные лучи попадут на батареи и зарядят их.

В июльском номере журнала ISAS News, выложенным на сайте Института 27 июля, повторяется информация, изложенная в документе JAXA от 27 июня, так что на конец июля 2023 г. связь со спутником еще не налажена.

Если питание получится восстановить, то специалисты подкорректируют полетную траекторию кубсата и направят его в желанную EML₂. И тогда EQUULEUS может стать самым малым КА, достигшим данной точки…

OMOTENASHI. Спящий пробудится ли?

OMOTENASHI (Outstanding MOon exploration TEchnologies demonstrated by NAno Semi-Hard Impactor) разработан для отработки технологии «полужесткого» прилунения, а соответственно работы твердотопливного двигателя, механизма отделения и смягчения удара при касании, а также исследования радиационной среды в окрестностях Земля-Луна.

«Омотэнаси» (おもてなし) можно перевести как «угощение» или (хороший) «прием» (кого-либо), (хорошее) «обращение» (с кем-либо). Длина, ширина и высота кубсата составляют 37×24×11 см, масса – 12,6 кг.

В противоположность EQUULEUS, полет OMOTENASHI не задался почти с самого начала. После «сброса» с SLS Мадридский комплекс MDSCC установил связь с «Омотэнаси», но последующие повторные попытки ни к чему не привели…

Ситуация обострялась тем, что выполнить корректирующий орбитальный маневр перед прилунением было необходимо до 22 ноября 2022 г. Как мы понимаем, из-за означенной проблемы никакой «полужесткой» посадки на Луну произведено не было.

Причиной неполадки, как Японское агентство сообщило еще 20 декабря 2022 г., стало по какой-то причине неполное закрытие клапана газоструйного двигателя, и, как следствие, выход всего топлива из газовой емкости, что привело к потере ориентации.

Испытание твердотопливного двигателя на вакуумное горение в установке для полевых экспериментов Акиру (あきる野実験施設)

Причем, в наземных испытаниях такого сбоя зафиксировано не было. Среди вероятных причин инженеры называют износ уплотнения клапана или его загрязнение из-за вынужденного пребывания на земле в течение более чем трех лет от закупоривания данного клапана и до начала управления аппаратом в космосе.

Далее. Так как солнечные панели были повернуты от светила, они не «запитывались», поэтому очевидно, что аккумуляторы начали потихоньку изнашиваться и постепенно исчерпали свой ресурс.

Японцы всё ждали, сначала весной, а потом и летом, что «молчащий» изречет первые слова в космосе после продолжительного затишья – с марта 2023 г. JAXA пытается наладить связь с кубсатом и подзарядить его батареи. Но так как не была выполнена орбитальная коррекция, и сила гравитации Селены очень сильно изменила траекторию полета, поймать кубсат в космосе лучами антенн наземных станций непросто. Однако специалисты рассчитали возможные точки его местонахождения в космическом пространстве, и ведут поиски.

Когда и если объект будет найден – японцы отвели себе срок установления «контакта» до 01.10.2023 – сесть на Луну уже будет невозможно, но можно отправить команду на борт и попробовать провести замеры уровня радиации по трассе полета.

Кстати, согласно телеметрическим данным, полученным с кубсата до того, как он отключился, «Омотэнаси» успел провести замеры радиационной среды вне атмосферы Земли (данные пока анализируются).

К сожалению, бедняге не суждено стать самым миниатюрным аппаратом, осуществившим прилунение, а Японии – четвертой организацией или страной после СССР, США и Китая, выполнившей мягкую посадку на Селену.

Но тут тоже вопрос – зачли бы японцам эту посадку как «мягкую»? Ведь OMOTENASHI предназначался для с большой натяжкой «хорошего обращения» с ночным светилом – осуществления «полужёсткого» прилунения… Сомнительно, что засчитали бы, но теперь это и не важно. На 23-24 августа намечено прилунение «Чандрааян-3», а 11 августа должна быть запущена российская станция «Луна-25», которая может совершить посадку на Селену даже быстрее индийского аппарата. Возможно, кому-то из них повезет больше, чем японскому кубсату…

Другие японские ЛПА

Можно, конечно, задаться вопросом, а стоит ли продолжать лунные исследования аппаратами, раз неудачам, как кажется, нет конца?

И все же унывать не стоит – чтобы не омрачать наши надежды на межпланетные японские изыскания, самое время сообщить, что уже на пороге запуска к Луне находится «Меткий стрелок» SLIM (Smart Lander for Investigating Moon), вместе с которым в космос будет доставлена орбитальная обсерватория XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission).

Анонс запуска SLIM и XRISM

11 июля JAXA анонсировала пуск с КЦ Танэгасима ракеты H-IIA со SLIM/XRISM на борту, запланированный предварительно на 26 августа (резервный период: 27.08-15.09). А после 2026 г. должна быть реализована совместная индийско-японская миссия LUPEX (Lunar Polar Exploration mission). ЛПА сделает ISRO, а ровер – JAXA.

Японский луноход (миссия LUPEX)

В качестве последнего штриха к статье спешим сообщить, что 19 мая Международный центр изучения космоса автоматическими межпланетными станциями (JAXA国際宇宙探査センター), открывшийся в июле 2018 г., представил новый логотип «От Земли к Луне и Марсу», символизирующий будущие межпланетные проекты Японии. А значит, новые миссии не за горами.