Нижняя часть «Артемиды» глазами баллистика
Посадки на Луну бывали разные. Но готовящиеся прилунения экипажей станут самыми масштабными. Именно они определят успешность нового освоения Луны человеком.
Масштабный проект НАСА «Артемида» с обитаемой базой на Луне слеплен из баллистических этапов. Старт с Земли, перелет к Луне, базовая гало-орбита, посадка на поверхность, возвращение на орбиту. Баллистика посадки, маловысотная нижняя часть лунной баллистики «Артемиды», своеобразна и критична. При стартах и на орбитах ошибка в полкилометра легко исправима. Но вниз — не орбита, здесь климат иной, идут потери одна за одной, и вновь за аппаратом разбит аппарат. Внизу посадочной траектории ошибка и в 50 м может стать критической.
Интерес к Луне
Не только полет, но и высадка на Луну интересует человечество с новой силой. Найденные орбитальными станциями залежи водяного льда на полюсах Луны могут питать экипажи, теплицы и давать топливо для кораблей. Обитаемая база на Луне станет новым и большим шагом вперед в пилотируемой космонавтике. Это не одни и те же низкие околоземные орбиты, обжитые уже полвека. И если людям лететь на Марс, то набраться опыта стоит сперва на Луне — другой планете всего в трех днях полета от Земли.
НАСА хочет строить лунную базу в районе Южного полюса Луны, в силу плюсов этого места. База будет расположена в кратере Шеклтон диаметром 19 км, на кольцевом валу которого находится точка полюса, а в чаше дна лежат запасы льда. Оборудование ретрансляторов на возвышениях рельефа обеспечит каналы связи с Землей, всегда висящей в местном горизонте. Представлены и планы создания нескольких баз, связанных между собой, а сетевые структуры эффективнее. Транспортные средства проложат дороги к объектам исследования, техническим площадкам и другим базам. Для всех этих задач нужна доставка на поверхность Луны сотен тонн конструкций и самих обитателей лунных баз. Экипажи надо еще вывозить с Луны обратно, как и разные грузы. Дорога на Луну и обратно, в оба конца, будет баллистической и поэтому потребует баллистического обеспечения.
Что такое баллистическое обеспечение? Это решение баллистических задач, приводящих к достижению цели. Баллистика связана с любыми полетами в гравитационных полях, на которых она и взросла, и появилась. В облетах планеты можно поставить разные цели. Наблюдение высокого разрешения вблизи с низких высот или большой охват с высокоэллиптических орбит, с обзором трети планеты. Полет в непрерывном солнечном освещении, или над одним и тем же местным временем, или внутри одной трубки магнитного поля. Любая синхронизация любых пространственных движений, формы орбит, высот, времени, задач происходит в баллистическом мире. Поэтому, управляя гравитационным движением с нужными параметрами, можно обеспечить инженерные задачи высадки на поверхность и подготовки конструкции. Ведь это борт будет решать баллистические задачи посадки и взлета.
Основа баллистического обеспечения
Для полета к лунной базе выбрана своеобразная орбита NRHO для космической обитаемой станции - пересадочной базы Gateway. Мы рассказывали о ней подробнее в материале «Гало-орбита: в ожидании полета человека». В бесконечных вариантах околоземных орбит можно взять идущие вокруг Земли почти так же, как орбита Луны, с похожим удалением и скоростями. Можно выбрать орбиту, на которой тело будет видно в земном небе то чуть севернее Луны, то немного южнее. Иногда слегка обгоняя Луну, иногда отставая. Эти положения вокруг Луны чередуются, и с Земли видны как циркуляция тела по контуру вокруг Луны.
Так видится гало-орбита, пространственная кривая перемещений вокруг Луны, но не под действием лунной гравитации. Это не оборот вокруг центра поля тяготения, не кеплеров эллипс, хотя близкая Луна оказывает свое гравитационное воздействие на тело. Это лишь складывающиеся взаимные положения в пространстве, гонки наперегонки по соседним околоземным орбитам, однако геометрически реально формирующие орбиту вокруг Луны. Она не имеет условностей гравитационных орбит. Ей незачем быть в плоскости; ее линия может не замыкаться, рисуя меняющиеся с каждым витком петли. Орбита положений, в отличие от гравитационной орбиты, имеет другую природу, тем не менее создавая реальный облет Луны. Похожим образом космический корабль «Союз» делает облет МКС — станцию он облетает именно по орбите взаимных положений. Разница лишь в том, что МКС не притягивает «Союз» (гравитация МКС исчезающе мала), формируя его орбиту облета вокруг; Луна же искривляет своим притяжением околоземную орбиту близкого к ней спутника, внося в его движение свое гравитационное влияние.
Можно подобрать и выполнить орбиту околоземного спутника, который в ходе полета будет занимать нужные удаления от Луны. Запуск на орбиту вокруг Земли с такими параметрами будет и запуском на орбиту положений вокруг Луны. Ее назвали гало-орбита от слова «гало» — круг, который образуют петли этой орбиты. Средняя орбитальная скорость Луны около 1020 м/с. Близкая скорость и у аппарата на околоземной орбите рядом с Луной. Мелкие особенности ее формы, эллиптическая вытянутость и другие детали то отводят его от Луны, то приближают к ней. Аппарат рисует в пространстве вытянутую, почти ровную полосу, непохожую на округлый кеплеров эллипс. Эту орбиту назвали NRHO, Near Rectal Halo Orbit, «почти прямолинейная галоорбита». Одним концом она обходит Луну с полярным перицентром (нижняя точка, для Луны периселений), на высоте 1500 км над Северным полюсом. А потом уходит почти вертикально вверх над Южным полюсом на 70 000 км. Там разворачивается и возвращается к Луне длинным узким лепестком; станция делает на ней оборот за семь земных суток.
«То взлет, то посадка, то снег, то дожди»
Энергия полета на орбиту NRHO — это, по сути, энергия для выхода на орбиту Луны вокруг Земли. Изменение скорости аппарата (а значит, и необходимое количество топлива на борту) для перехода с NRHO в гравитационное руководство Луны вполне посильно для реальных конструкций. И высаживать на Луну с гало-орбиты удобно, это тоже часть баллистического обеспечения проекта. Ближняя к Луне точка гало-орбиты — не кеплеров перицентр. Поэтому скорость в нижней точке гало-орбиты будет не такой большой и меньше скорости круговой орбиты на этой высоте. Что упростит торможение для перехода на траекторию посадки. Построив перицентр гало-орбиты над Северным полюсом, можно перейти с него уже на гравитационный кеплеров эллипс с низким, высотой 15–20 км, перицентром возле Южного полюса Луны в районе посадки. И с этого низкого перицентра съехать к прилунению на полюс.