7 сентября в 7:27 по московскому времени с космодрома Уоллопс в США на борту ракеты «Минотавр-V» был запущен аппарат LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). По плану аппарат проведет на орбите около 100 дней. За это время ученые планируют изучить атмосферу Луны, а также испытать систему лазерной связи. Впрочем, главной задачей, стоящей перед LADEE, является проверка концепции модульной компоновки космических аппаратов, которая в будущем позволит удешевить научные космические миссии.

Лунная атмосфера

У Луны действительно есть атмосфера. Она в триллион раз разреженнее нашей и соответствует атмосфере Земли примерно на уровне орбиты МКС. На каждый кубический метр такой атмосферы приходится около десяти триллионов частиц. С одной стороны, это крайне мало. С другой, на расстоянии в сто тысяч километров от Земли, то есть примерно в четверти пути до Луны, можно насчитать всего несколько миллионов частиц на кубометр. Кроме того, лунная атмосфера способна рассеивать свет — в этом убедились (причем невооруженным глазом) американские астронавты во время миссий «Аполлон».

При помощи установленного на LADEE масс-спектрографа и спектрографа, работающего в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне, астрономы рассчитывают определить химический состав атмосферы Луны. Прибор LDEX (Lunar Dust Experiment, «эксперимент "Лунная пыль"») в передней части аппарата измерит концентрацию пылевых частиц: работа этого прибора основана на эффекте электризации металлической мишени при столкновении с отдельными пылинками.

Новые приборы позволят прояснить пространственное распределение и соотношение концентраций различных веществ вокруг Луны. Такие данные, как надеются ученые, помогут в создании теорий для описания очень разреженной атмосферы вокруг разного рода небесных тел; таких, по подсчетам тех же ученых, в нашей Солнечной системе немало. Если быть точным, то за исключением семи планет (Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна ) и одного спутника (Титана) такого рода атмосферой обладает всякое мало-мальски серьезное небесное тело. Скажем, те же видимые вблизи Энцелада или Ио шлейфы вулканических выбросов больше похожи на ореолы газа и пыли вокруг Луны, чем на земные облака.

Прошлые наблюдения, в том числе проведенные при помощи российских нейтронных детекторов, показали наличие на Луне водяного льда и полученных при разложении воды ионов в лунном грунте. Есть ли вода в атмосфере Луны, в каком виде она там присутствует, каков ее круговорот в системе «лунный грунт — лунная атмосфера» — вопросы весьма актуальные и пока остающиеся без ответа; LADEE также позволит разобраться и с ними.

Оптика вместо радио

Аппарат LADEE нужен не только ученым, но и инженерам. Мало иметь исправный зонд где-нибудь на орбите Луны, Марса или на пути к Плутону: прием и передача сигнала требует не любительского оборудования, а специализированных узконаправленных антенн, установленных в разных точках планеты.

Гораздо проще (и дешевле) принимать от космического аппарата оптический сигнал (он к тому же будет нести больше информации, чем радиосигнал). Эта идея уже была проверена на практике — такого рода система связи уже успешно транслирует данные с МКС на Землю. Чтобы проверить, как эта система будет работать в условиях космического пространства, на борту аппарата LADEE установлена система Lunar Laser Communication Demonstration.

По словам разработчиков, их система обеспечит передачу данных к спутнику со скоростью 20 мегабит в секунду, что сопоставимо с приличным домашним интернет-каналом в большинстве развитых стран. Обратная скорость передачи данных еще выше: до 622 мегабит за секунду. То есть средней продолжительности фильм в HD-качестве со спутника можно было бы скачать на Землю всего за восемь минут. При этом та же задача для обычного радиоканала займет 639 часов.

Современная исследовательская аппаратура часто нуждается в передаче информации, по объему не уступающей фильму в HD-качестве. Для изучения поверхности небесных тел, например, применяются камеры высокого разрешения, которые делают сотни и тысячи снимков.

Как и в случае с изучением лунной атмосферы, опыты по созданию дальней лазерной связи интересны не только в контексте исследования Луны. Сейчас компания Laser Light Communications из США разрабатывает оптическую систему связи между спутниками на орбите вокруг Земли. Пропускная способность полученной таким образом сети, по утверждению разработчиков, будет сравнима с пропускной способностью подводных оптоволоконных кабелей связи. Лазерный луч, правда, блокируется облаками, но облачный покров редко охватывает территорию целых стран и континентов; кроме того, можно представить вынесенные на какие-нибудь высотные аэростаты приемо-передающие модули.

Конструктор

Еще одной особенностью LADEE, которой гордится NASA, является модульная схема компоновки. Аппарат, по сути, представляет собой несколько дисков, нанизанных на общий стержень. В основе пирамидки лежит общая шина, по которой происходит распределение электроэнергии, там же находится общий канал обмена данными; каждый диск может нести те приборы и устройства, которые нужны для решения конкретной задачи.

Такие сборные зонды могут стать намного дешевле, поскольку заказчик будет каждый раз собирать их из стандартных блоков, а не разрабатывать аппарат для конкретной задачи с нуля. Аналогичный подход уже использовали при создании так называемых наноспутников (собираемых на базе стандартных кубиков с ребром в 10 сантиметров) и модульных лабораторных систем для МКС NanoRacks. Как утверждают в NASA, этот опыт оказался чрезвычайно успешным. NanoRacks были названы лучшей разработкой в прошлом году: стандартизированные контейнеры, которые экипажу остается только подключить к стандартной же бортовой установке, позволили резко снизить стоимость исследований на орбите.

Справедливости ради отметим, что конструкторы во всем мире стремились использовать прошлые наработки всегда, а коммерческие спутники связи давно делаются на унифицированных платформах, но все-таки для научных зондов, посылаемых в дальний космос, модульный подход скорее в новинку. Российские конструкторы, разрабатывавшие «Фобос-грунт», рассчитывали на его основе сделать целое семейство аппаратов («Венера-Д», «MetNet»), однако авария «Фобос-грунта» привела к переносу планов по постройке этих аппаратов на начало 2020-х годов.

* * *

Работа LADEE продлится 100 дней. Потом у спутника закончится топливо, без которого он не сможет поддерживать заданную орбиту (высота его траектории во время сбора данных составит всего 50 километров). Через несколько дней аппарат врежется в Луну: к сожалению, использовать это событие для каких-то дополнительных наблюдений (как было сделано в случае с LCROSS) вряд ли получится. Точно предсказать место падения нельзя, поэтому заранее навести туда телескопы и посмотреть на спектр вспышки не выйдет.