24 ноября в 04:30:21.806 пекинского времени (23 ноября в 20:30:22 UTC) со стартового комплекса №101 космодрома Вэньчан был произведен пуск тяжелого носителя «Чанчжэн-5» (CZ-5 №Y5) с лунным комплексом «Чанъэ-5» (嫦娥五号), имеющим задачей доставку примерно 2 кг лунного грунта.
Этот старт имел внутреннее обозначение «операция 07-W7». Выведение по схеме с двумя включениями двигателей второй ступени – для выхода на опорную орбиту высотой около 270 км и для набора отлетной скорости – прошло успешно. На 2184-й секунде полета лунный комплекс отделился от носителя, на орбитальном модуле и на посадочном аппарате прошло развертывание солнечных батарей. Измерения показали, что бортовые системы работают нормально, орбита близка к расчетной, высотой 200 км в перигее и около 400000 км в апогее.
Параметры орбиты КА, по данным Космического командования США, составили:
* наклонение – 21.3°;
* минимальная высота – 201 км;
* максимальная высота – 392981 км.
В американском каталоге космических объектов «Чанъэ-5» получил номер 47097 и международное обозначение 2020-087A.
История
Это было 1 ноября 2006 г. Еще оставался год до запуска к Луне первого китайского орбитального аппарата, а на аэрокосмическом салоне в Чжухае уже был представлен макет будущего китайского лунохода, и агентство Синьхуа со ссылкой на нескольких руководителей космической программы страны расписало программу изучения Луны беспилотными средствами на 15 лет вперед.
Программа включала три этапа: орбита, посадка, возвращение. На втором этапе, сообщил глава космического департамента Китайской исследовательской академии космической техники CAST Сунь Вэйган, на Луну будет доставлен луноход, и это будет сделано к 2012 году. На третьем, добавил тогдашний руководитель Китайской национальной космической администрации Сунь Лайянь, беспилотный аппарат совершит посадку на Луну с целью взятия образцов грунта и доставки их на Землю, и это будет сделано к 2020 году.
Сообщение было встречено тогда со здоровым скепсисом, но… кончается 2020 год, и мы являемся свидетелями полета за лунным грунтом. Опыт – критерий истины, и он свидетельствует о том, что руководители китайской космической программы умеют правильно планировать ее и осуществлять в соответствии с заявленным планом.
На самом деле реализация программы шла то с некоторым отставанием от заявленных дат, то с опережением, и «Чанъэ-5» имел шанс стартовать еще в 2017 году. Напомним основные вехи в ее реализации, подробно описывавшиеся в журнале «Новости космонавтики».
Первый этап лунной программы был утвержден Госсоветом КНР 23 января 2004 года, а 24 октября 2007 г. был запущен орбитальный аппарат «Чанъэ-1», названный именем лунной принцессы из китайских легенд и оснащенный камерой и другими приборами для изучения Луны с орбиты ее спутника. 7 ноября он вышел на рабочую орбиту высотой 200 км, с которой выполнил сплошную съемку Луны с разрешением 120 м. Помимо собственной лунной карты, китайские специалисты получили бесценный опыт управления дальним КА. В последние месяцы полета «Чанъэ-1» проводились незапланированные эксперименты, включая съемку с высоты 100 км и снижение перицентра до 15 км. Полет завершился 1 марта 2009 г. падением на лунную поверхность.
Второй этап был одобрен правительством страны 15 февраля 2008 г. «Чанъэ-2», первоначально изготовленный в качестве аппарата-дублера, запустили 1 октября 2010 г. с заданием съемки Луны с разрешением 7 м, а перспективных районов посадки – с метровым разрешением, а также для проведения технических экспериментов. 9 октября он сформировал рабочую орбиту высотой 100 км над Луной и в течение нескольких месяцев вел съемку. Завершив основную программу, 9 июня 2011 г. «Чанъэ-2» покинул окололунную орбиту, временно «завис» вблизи точки либрации L2 системы Земля – Луна и провел измерения параметров космической среды в этой области. Покинув ее 15 апреля 2012 г., 13 декабря китайский аппарат произвел успешный перехват и съемку астероида Тутатис. После этого «Чанъэ-2» использовался для тестирования средств вновь созданного комплекса дальней космической связи на межпланетных расстояниях.
2 декабря 2013 г. стартовал первый посадочный аппарат «Чанъэ-3». 6 декабря он вышел на окололунную орбиту, а 14 декабря выполнил успешную посадку в Заливе Радуги в точке 44.12°с.ш., 19.50°з.д. Луноход «Юйту» сошел на поверхность Луны и перемещался по ней до 15 января, когда потерял подвижность из-за повреждения кабельной сети. Пройденная дистанция составила всего 114 метров – полетное задание было выполнено не полностью, хотя удалось получить ценный опыт и интересные научные данные. На протяжении нескольких следующих лет и лэндер, и ровер использовались в качестве стационарных исследовательских станций.
Баллистика
Успех «Чанъэ-3» открыл путь к реализации третьего этапа, утвержденного в январе 2011 г. За его осуществление отвечали главный конструктор программы У Вэйжэнь (吴伟仁), главный конструктор 3-го этапа Ху Хао (胡浩), руководитель и главный конструктор комплекса «Чанъэ-5» Ян Мэнфэй (杨孟飞).
Главной задачей этапа была доставка 1-2 кг лунного грунта, причем как с поверхности, так и с глубины до 2 метров. Идею и схему проекта впервые озвучил в марте 2011 года озвучил научный руководитель первых двух этапов академик Е Пэйцзянь. Говоря кратко, она состояла в повторении американской лунной экспедиции на «Аполлоне», но в беспилотном варианте.
Лунный комплекс, получивший наименование «Чанъэ-5», состоит из четырех компонентов. Основной и самый тяжелый орбитальный аппарат обеспечивает полет от Земли к Луне, работу на окололунной орбите высотой 200 км и возвращение к Земле. На нем на переходном конусе установлен посадочный аппарат, который отделяется на окололунной орбите и выполняет торможение и прилунение. Смонтированные на нем буровое устройство и манипулятор с ковшом обеспечивают взятие проб с глубины и с поверхности соответственно. Образцы загружаются в контейнер взлетного аппарата, который стартует и выходит на орбиту высотой 15×180 км. Орбитальный аппарат сближается и стыкуется с ним; производится перегрузка контейнера в возвращаемый аппарат, а взлетный аппарат отделяется. На подлете к Земле, на высоте около 5000 км, возвращаемый аппарат отделяется от орбитального, входит в атмосферу, выполняет двухэтапное торможение «с подскоком» и приземляется.
Конечно, китайская схема с 11 этапами полета, 23 коррекциями, шестью разделениями и одной стыковкой значительно сложнее, чем в советском проекте Е8-5, где вся межпланетная станция («изделие КТ») садилась на Луну, а взлетная ракета с ее поверхности шла непосредственно к Земле. Платой за простоту была малая масса доставляемого грунта – максимально 170 граммов – и ограниченный район посадки, из которого можно было попасть на Землю после неуправляемого вертикального старта взлетной ракеты.
Предельно допустимая масса доставляемых на китайском аппарате образцов – 10 кг, но планируется взять от 1 до 4 кг, а наиболее вероятно – 2 кг. Одна четвертая часть лунного вещества будет представлять собой двухметровую колонку грунта, а три четверти – реголит, собранный с поверхности.
Комплекс «Чанъэ-5» проектировался в расчете на новый носитель «Чанчжэн-5» и полностью использует его возможности по грузоподъемности на траекторию полета к Луне – 8200 кг. Отсутствие резерва накладывало весьма жесткие ограничения на баллистическую схему экспедиции.
Очевидно, что начальная масса всего комплекса определяется массой объекта после последнего маневра, то есть после старта с окололунной орбиты к Земле. Она задана конструкцией и загрузкой возвращаемого аппарата, так что последняя возможность для оптимизации – как можно более эффективный отлетный импульс. Так как единственным удобным местом для посадки и поиска возвращаемого аппарата являются степи Северного Китая, в момент старта к Земле Луна должна находиться как можно южнее относительно земного экватора. Таким образом, этот момент должен совпадать с минимумом склонения Луны.
Далее, операции по посадке и забору грунта оптимально проводить при низком утреннем Солнце, когда еще не слишком жарко, а предметы отбрасывают длинные тени. Как стало известно в октябре 2015 г., в качестве района посадки «Чанъэ-5» был выбран северо-восточный «угол» Океана Бурь. Солнце там восходит за 2-3 дня до полнолуния, так что садиться нужно как раз в полнолуние или чуть раньше.
Два этих требования не так просто совместить, поскольку склонение Луны идет с циклом в 27.3 сут (сидерический месяц), а лунные фазы – с циклом 29.5 сут (синодический месяц). В первом приближении можно сказать, что оптимальное сочетание имеет место примерно раз в год. Есть и другие баллистические соображения, которые в итоге продиктовали необходимость выбора для посадки на Луну последнего полнолуния перед зимним солнцестоянием, а для отлета к Земле – следующего за ним новолуния. Между ними остается достаточно времени для забора грунта, старта с Луны, поиска взлетного аппарата и перегрузки образцов, измерений орбиты и расчета отлетного импульса.
Именно поэтому «Чанъэ-5» оказался так чувствителен к проблемам носителя CZ-5. Разработка самого лунного комплекса шла по плану. Еще в марте 2011 г. Е Пэйцзянь заявил, что полет состоится «примерно в 2017 году», и этот срок все время оставался в силе. В декабре 2012 г. после защиты проект вступил в стадию изготовления опытных изделий, В июле 2015 г. его перевели на этап полномасштабной разработки, и в декабре 2015 г. началось изготовление летного экземпляра. После того, как 3 ноября 2016 г. первая CZ-5 выполнила успешный испытательный полет, руководители программы подтвердили, что полет за грунтом состоится в конце ноября 2017 г. Действительно, «посадочное» полнолуние в этом году было 3 декабря, а «отлетное» новолуние – 18 декабря.
По состоянию на 1 марта 2017 г. планировалось в августе доставить «Чанъэ-5» на космодром, чтобы уже там провести испытания четырех компонентов комплекса по отдельности, попарно и в целом. В апреле началась финальная сборка носителя с номером Y3, а в июне было объявлено, что подготовка его на космодроме начнется в конце сентября.
Итак, уже три года назад «Чанъэ-5» находился на финишной прямой к старту, но… 2 июля 2017 г. из-за отказа одного двигателя YF-77 на центральном блоке погибла CZ-5 №Y2. И как только стал понятен масштаб проблемы, очередной старт к Луне сразу «съехал» на два года – на 5 декабря 2019 г. Но и эта дата оказалась нереальной, так как «лечение» ракеты затянулось более чем на два года, и CZ-5 реабилитировала себя лишь 27 декабря 2019 г. пуском носителя Y3. Это позволило провести затем два важнейших межпланетных старта подряд – марсианского комплекса «Тяньвэнь-1» на ракете Y4 23 июля 2020 г. и лунного «Чанъэ-5» на пятом летном носителе 24 ноября 2020 г.
К счастью, с каждым сдвигом баллистические условия старта к Земле улучшались: если в 2017 г. минимальное склонение Луны составляло -20°, то в 2019 г. оно достигло -23°, а в 2020 г. составит -25°.
План полета «Чанъэ-5» официально не опубликован, но баллистические соображения диктуют выход на окололунную орбиту 28 ноября и посадку на Луну в полнолуние 30 ноября. Старт взлетного аппарата ожидается 2 декабря, отлет к Земле – 13 декабря, незадолго до минимального склонения Луны, посадка возвращаемого аппарата – 17 декабря. Таким образом, вся экспедиция продлится 23 дня.
Место посадки выбрано вблизи горы Рюмкера, расположенной в северо-восточной части Океана Бурь в координатах 41°с.ш., 58°з.д. Эта формация диаметром 70 км и высотой до 1300 м представляет собой комплекс из примерно 20 древних вулканов, окруженных полями молодой по лунным меркам лавы – ее возраст составляет 1.2 и 1.5 млрд лет. Столь молодые образцы представляют собой большую ценность, так как не доставлялись ни американскими «Аполлонами», ни советскими «Лунами».
Китайские специалисты опубликовали границы посадочной зоны в Океане Бурь – от 41° до 45° по широте и от 49° до 79° по долготе, в пределах которой назывались многие потенциальные точки. О выборе окончательного варианта, однако, не сообщалось.
Трехлетняя задержка с осуществлением проекта «Чанъэ-5» привела к тому, что стоявший в планах после него полет «Чанъэ-4» состоялся раньше. Как и в первой паре, «Чанъэ-4» был изготовлен как дублер «Чанъэ-3», и после первой успешной посадки получил новое назначение в рамках третьего этапа лунной программы. Он был запущен 7 декабря 2018 г., вышел на окололунную орбиту 12 декабря, а 3 января произвел успешную посадку на обратной стороне Луны, в пределах бассейна «Южный полюс – Айткен», в кратере фон Карман, в точке 45.46°ю.ш., 177.59°в.д.
Так как Луна непроницаема для радиосигналов, для посадки и исследований на обратной стороне требовался ретранслятор. Специализированный аппарат «Цюэцяо» был запущен 21 мая 2018 г., 14 июня он вышел на орбиту вокруг точки L2, и с декабря в течение уже двух лет обеспечивает работу лэндера «Чанъэ-4» и ровера «Юйту-2» в кратере фон Карман.
Подготовка
Китай не пошел на реализацию «с нуля» столь сложной, никем еще в мире не осуществленной программы, какой является «Чанъэ-5»,– это было бы верхом самонадеянности. Поэтому главному старту третьего этапа предшествовал полет экспериментального изделия, известного под техническим обозначением CE5-T1 и личным именем «Сяофэй». Оно было запущено с космодрома Сичан 24 октября 2014 г. и имело в своем составе легкий орбитальный аппарат от «Чанъэ-2» и возвращаемый аппарат, представляющий собой копию спускаемого аппарата «Шэньчжоу» в масштабе 1:2. У них даже был один конструктор Чжун Вэй (荣伟), и добавим – общий прототип, спускаемый аппарат советского корабля «Союз».
В ходе недельного полета CE5-T1 были продемонстрированы:
* облет Луны 28 октября 2014 г. на расстоянии около 12000 км с гравитационным маневром и выходом на «правильную» подлетную траекторию;
* отделение возвращаемого аппарата на подлете и успешное приземление на территории Внутренней Монголии, в хошуне Сыцзыван – там же, где осуществлялись и все посадки космических кораблей «Шэньчжоу».
Сразу после отделения возвращаемого аппарата сам CE5-T1 выполнил маневр увода, прошел над Землей и оказался на эллиптической орбите с апогеем 540000 км. 27 ноября он вышел в район точки L2 системы Земля – Луна, находящейся в 65000 км за Луной по отношению к Земле, где имитировал работу спутника-ретранслятора «Цюэцяо». 4 января 2015 г. CE5-T1 был уведен из ее окрестностей, а 11 января выполнил маневр торможения и вышел на начальную орбиту вокруг Луны. В результате двух коррекций 13 января была сформирована круговая селеноцентрическая орбита наклонением 43.7° и высотой 200 км, аналогичная основной рабочей орбите «Чанъэ-5».
В феврале и марте 2015 г. CE-5T1 провел серию маневров, имитировавших снижение посадочного аппарата перед сходом с орбиты и встречу орбитального аппарата со взлетным аппаратом, несущим образцы лунного грунта. В апреле проводилась съемка предполагаемых районов забора лунного грунта с разрешением 0.97 м. Наконец, проверялась возможность навигации на окололунной орбите по сигналам земных навигационных спутников. Как оказалось, по ним можно определять местоположение лунного аппарата с ошибкой порядка 100 м по координатам и 0.05 м/с по скорости.
Комплекс
Подробное описание «Чанъэ-5» пока не опубликовано, поэтому попытаемся собрать его из деталей, разбросанных по многочисленным публикациям разных лет.
Орбитальный аппарат спроектирован и изготовлен в Шанхайской исследовательской академии космической техники SAST, а остальные части комплекса – в Китайской исследовательской академии космической техники CAST в Пекине. Оба учреждения входят в состав Китайской корпорации космической науки и техники CASC.
Орбитальный аппарат выполнен в форме плоского цилиндра («шайбы») диаметром около 3.1 м. Для установки его на 2-й ступени носителя пришлось разработать специальную систему фиксации и отделения. С нижней стороны слегка выступают четыре сферических бака компонентов топлива, между которыми расположен основной двигатель тягой 3000 Н. Система электропитания использует две ориентируемых панели солнечных батарей, развертываемых вдоль оси Y.
Для поиска взлетного аппарата и сближения с ним орбитер оснащен системой измерения параметров относительного движения с микроволновым радиолокатором, разработанным в 25-м институте Китайской корпорации космической науки и промышленности CASIC, и лидаром Института оптики и электроники Китайской АН в Чэнду.
Посадочный аппарат имеет большое сходство с использованным в проекте «Чанъэ-3», но несет более массивную полезную нагрузку. Суммарная масса посадочного и взлетного аппарата оценивается в 3100-3400 кг. Корпус лэндера выполнен в виде восьмиугольной призмы и оснащен четырьмя посадочными опорами, которые переводятся из стартового положения в рабочее уже в полете. Система электропитания использует две ориентируемые панели солнечных батарей, развертываемых вдоль оси Z. Запас топлива для спуска и посадки размещен в четырех сферических баках. Снизу вдоль осевой линии установлен ЖРД YF-150 с регулируемой тягой в пределах от 7500 до 1500 Н, сверху имеется посадочное место для взлетного аппарата. На одном из боковых ребер смонтирован кронштейн с государственным флагом КНР.
На верхней плоскости лэндера смонтированы манипулятор для забора грунта с поверхности, созданный совместными усилиями специалистов Института системного проектирования КА в Пекине, Харбинского технологического института и Гонконгского политехнического университета, и второй манипулятор с камерой для контроля загрузки образцов в контейнер взлетного аппарата. Буровое устройство в корпусе цилиндрической формы установлено на боковой поверхности аппарата. При скорости вращения рабочей части 12175 об/мин оно погружается в грунт со скоростью до 100 мм/мин.
Взлетный аппарат массой 509 кг напоминает посадочный, но в масштабе 1:2. На восьмиугольном корпусе смонтированы две панели солнечных батарей, под ним – четыре сферических бака, между ними – двигатель тягой 3000 Н, аналогичный ЖРД орбитального аппарата. Интересно, что старт взлетного аппарата обеспечивает пружинный толкатель, его двигатель включается уже на подъеме, чтобы свести к минимуму повреждения лэндера и дать ему возможность продолжить работу на Луне после выполнения основной задачи миссии.
Найдя цель на орбите вокруг Луны, орбитер осуществляет ее захват и удержание четырьмя «лапками» за приемные штыри.
Возвращаемый аппарат выполнен в виде «фары» (коническая конструкция со сферическим днищем с теплозащитой) и имеет высоту 1236 мм при наибольшем диаметре 1258 мм. Контейнер с образцами загружается через люк в верхней части капсулы. Посадка производится на однокупольном парашюте, выводимого из контейнера на боковой поверхности изделия.
Всего на четырех компонентах комплекса имеется три маршевых двигателя и 74 двигателя ориентации и направленного перемещения. Все они разработаны и изготовлены на предприятиях Исследовательской академии ЖРД («6-я академия»).
В декабре 2013 г. сообщалось, что на «Чанъэ-5» будет установлен обширный комплект приборов, включая посадочную камеру, панорамную камеру для съемки лунной поверхности, спектрометр LMS для определения минерального состава, анализатор газовыделения лунной поверхности, инструмент для изучения структуры лунного грунта, измеритель профиля температуры образца. Позднее к этому списку добавили импульсный радар для изучения подповерхностных структур. Все ли перечисленные приборы имеются в действительности и как распределены между орбитальным и посадочным аппаратами, пока неизвестно.
Запуск
После испытаний осенью 2017 г. компоненты «Чанъэ-5» перевели в режим хранения. Испытания в Пекине возобновились в марте 2020 г., когда появилась определенность со сроком запуска. Тогда же в Тяньцзине началась сборка ракеты с номером Y5.
9 июля 2020 г. контейнеры с составными частями «Чанъэ-5» были доставлены самолетом Ан-124 российской компании «Волга–Днепр» в аэропорт Мэйлань на Хайнане, а оттуда – автотранспортом на космодром. 23 июля, в день старта экспедиции «Тяньвэнь-1» к Марсу, была названа точная дата запуска к Луне: 24 ноября.
Утром 6 сентября специализированные суда-ракетовозы «Юаньван-21» и «Юаньван-22» вышли из порта Цзянъинь и 9 сентября ошвартовались в Тяньцзине. 11 сентября состоялась погрузка контейнеров со ступенями CZ-5. Утром 15 сентября корабли вышли в море курсом на остров Хайнань. Поскольку пришлось пережидать непогоду на подходе к Гонконгу, на место они пришли 21 сентября с опозданием на двое суток. Подготовка носителя в монтажно-испытательном корпусе на Вэньчане началась 23 сентября.
17 ноября в торжественной обстановке ракета была вывезена на старт. Пуск был назначен на 24 ноября в пределах стартового окна с 04:30:12 до 05:15:07 пекинского времени. Он состоялся в заданное время и с первой попытки и был показан китайским телевидением в прямом эфире.
Расчетная и фактическая циклограмма запуска приведены в таблице.
|
Событие |
План, сек |
Факт, сек |
|
Пуск |
0.0 |
0.0 |
|
Отделение ускорителей |
177.6 |
179.0 |
|
Сброс головного обтекателя |
303.6 |
303.6 |
|
Отделение 1-й ступени |
483.4 |
486.2 |
|
Выключение ДУ 2-й ступени |
738.4 |
738.7 |
|
Второе включение ДУ 2-й ступени |
1675.9 |
… |
|
Выключение ДУ 2-й ступени |
2095.5 |
… |
|
Окончание терминальной коррекции |
2112.5 |
2114.0 |
|
Отделение КА |
2182.8 |
2184.0 |
За выведением КА наблюдали наземные станции китайского командно-измерительного комплекса, корабли «Юаньван-6» и «Юаньван-5» и спутник-ретранслятор «Тяньлянь-2» №01. Начальную фазу полета обеспечивала также наземная станция ЕКА в Куру, а за подлетом к Земле возвращаемого аппарата будет следить европейская станция Маспаломас на Канарских островах.
(продолжение следует)
Автор: Liss
