НаноЛуна
«НаноЛуна» - это программа исследования Луны с помощью миниатюрных сверхдешевых автоматических аппаратов.
Предпосылки
Предпосылками к появлению программы стали работы по миниатюризации и удешевлению автоматических космических аппаратов(КА):
Массовые работы по наноспутникам формата CubeSat;
Работы NASA по сверхдешевым спутникам PhonеSat и open-source спутники ArduSat;
Работы Draper Laboratory по «чип-сатам» - «спутник-как-микросхема»;
Работы по малым лунным автоматам в рамках кампании Google Lunar X Prize.
Формат CubeSat для сверхмалых спутников Земли (массой в единицы килограмм, также называются наноспутниками) появился в 1999 году. Формат подразумевает объем спутника 1 литр (кубический дециметр) и массу не более 1,33 кг(1 Unit), а также допускает соединение таких «кубов» до 6 единиц (6 Units). При оснащении спутника используются доступные в продаже серийные комплектующие, что даёт цену одного юнита около 40 тысяч $. Примерно столько же стоит его выведение на низкую околоземную орбиту. За прошедшие с момента выхода формата 15 лет было запущено более 100 КубСатов, более половины которых запущено в 2013-2014.
Спутники CubeSat серии PhoneSat используют в качестве основных бортовых компьютеров cерийные потребительские смартфоны - это позволило снизить цену на комплектующие спутника до 3,5 тысяч $ (первая серия) - 7 тысяч $ (вторая серия). Спутники ArduSat же использовали бортовые компьютеры на базе популярных микроконтроллерных платформ Arduino.
Работы по «спутникам-микросхемам» показывают теоретическую возможность создания работоспособных спутников и межпланетных аппаратов, имеющих размеры в единицы сантиметров, массу в единицы-десятки грамм и располагаемой электрической мощностью в милливатты.
Google Lunar X Prize же занимается популяризацией частной космонавтики и её продвижением за пределы околоземной орбиты. Вполне успешно.
Концепция
Концепция программы заключается в создании, серийном производстве и применении класса(классов) автоматических межпланетных станций(АМС), обладающих минимальной массой, минимальной стоимостью и при этом имеющих некоторые возможности для проведения исследования и, если это возможно, освоения Луны. Как показывает предпосылка №3, теоретически это возможно.
Преимущество концепции в части серийности заключается в следующем.
Стоимость автоматического космического аппарата складывается из стоимости комплектующих и приборов, стоимости разработки и производства, стоимости доводки до надлежащей надежности, стоимости выведения в космос и стоимости обеспечения работы КА в космосе.
Комплектующие высшего класса и уникальные приборы являлись до недавнего времени неотъемлемой частью космических аппаратов. Но как показывает опыт проектов CubeSat, и более того PhoneSat и ArduSat, сейчас такое условие не являются безусловно необходимым - вполне возможно обойтись более дешевыми потребительскими комплектующими и, как следствие, получить наименьшее соотношение цена/вес аппарата при сохранении какого-никакого резервирования и возможности размещения научных/прикладных приборов.
Кроме того, такая высокая цена комплектующих высшего класса (к примеру, практически всех БЦВМ для космических аппаратов) возникает из-за их малой серийности. Если увеличить их серийность, например, для применения на крупной серии АМС этой концепции, то цену вполне возможно снизить до потребительского уровня.
Стоимость разработки для КА, особенно для АМС, так же является высокой из-за практической уникальности аппаратов. При наличии большого количества однотипных аппаратов даже при сохранении высокой цены разработки на стоимость отдельной станции это повлияет очень слабо. Аналогично и стоимость доводки.
Что же касается стоимости выведения, то, как показывает опыт, она падает с увеличением числа запусков, и, в удельном исчислении, с увеличением массы полезного груза на орбите. Т.е. стоимость одного кг полезного груза на НОО, выведенного тяжелой РН Протон-М, в два раза дешевле 1 кг ПГ на НОО, выведенного легкой РН Союз-2.1в.
Для обеспечения работы КА в космосе наличие ряда миниатюрных АМС у одной цели и наличие одной большой сложной АМС принципиальной разницы не несёт.
Кроме того, применение большого числа серийных АМС позволяет значительно повысить надежность программы в целом.
Преимущества же минимизация массы и цены отдельной наноАМС, помимо безусловного сокращения затрат на программу и повышения общей надежности по сравнению с применением больших АМС, имеет следующие.
Во-первых, производство каждой отдельной наноАМС не требует серийности при использовании массовых электронных компонентов и приборов. Т.е. возможна реализация отдельных наноАМС для решения узких задач и проверки концепций. Прикидочная стоимость такой АМС вместе с выведением на РН сверхмалого класса Таймыр обойдется в 30 тысяч $ (для сравнения, стоимость большой АМС, очень дешевого индийского Mars Orbiter, составляет 80 миллионов $).
Во-вторых, с ними возможна реализация проектов, использование для которых больших АМС является неоправданно дорогим и сложным. Например, покрытие сплошной сетью простых наноАМС значительной площади поверхности Луны. При этом выведение может вестись большими РН - например, РН Протон-М/Бриз-М способна вывести на отлетную орбиту около 6 тонн полезного груза, т. н. до нескольких тысяч наноАМС одновременно. Стоит отметить, что в этом случае стоимость всего набора наноАМС в «дорогом» случае с использованием специальных космических комплектующих окажется примерно равной стоимости одного запуска РН с разгонным блоком, в отличие от больших АМС, когда стоимость АМС многократно, порой - на порядки, превосходит стоимость запуска.
Недостатки этой концепции заключаются в следующих технических деталях.
Во-первых, наноАМС физически невозможно поместить крупные приборы и мощную энергосистему. Это автоматом влечет за собой отказ от энергоемких и просто массивных приборов и приносит некоторые проблемы с дальней связью, впрочем, решаемые.
Во-вторых, обеспечить при использовании массовых комплектующих достаточную надежность сложно, а долговременную надежность практически невозможно. Это вынуждает к ограничению запланированного времени действия наноАМС и/или к использованию одновременно большого числа наноАМС. А ограничение времени запланированного существования АМС автоматом приводит, в частности, к отказу от медленных траекторий и малотяговых высокоэффективных двигателей.
Технические задачи
Для того, чтобы эта концепция могла быть реализована, должны быть решены следующие технические проблемы:
Система запуска одиночных наноАМС на околоземную и отлётную орбиту. Например, наноРН Таймыр и разгонный блок по аналогичным примененных в ней технологиям.
Системы дальней связи, позволяющие связь между АМС и Землей. Таких способов существует несколько - например, радиосвязь(например, с линзовой сферической антенной), лазерная связь (технология проверена на лунном зонде LADEE). Так же возможно построение каскадной связи между несколькими спутниками-ретрансляторами.
Система мягкой посадки наноАМС на поверхность Луны. С учетом ограничений на время и массу остаются только траектории прямого полёта и твердотопливные тормозные двигатели, например, цельносгораемые торцевого горения.
Формат и платформа стационарной лунной АМС, способной выдержать работу системы мягкой посадки и условия на поверхности Луны в течение некоторого срока.
Теоретические предложения
Теоретические изыскания по возможностям наноАМС привели к следующим направлениям, которые предлагается исследовать с применением наноАМС:
Концепция энергетической системы спутников Солнца Дайсона-Харропа. Спутники Дайсона-Харропа используют для энергопитания солнечный ветер и энергию межпланетного магнитного поля.
Мониторинг больших площадей Луны при помощи рассеянных по поверхности Луны наноАМС, связанных между собой и при необходимости с ретрансляторами проводной или радиосвязью. Например, сейсмический мониторинг.
Электрические методы исследования Луны, а именно: околоповерхностного электрического поля Луны, поверхностного и подповерхностных слов реголита.
Исследования возможности создания и использования мобильных наноАМС-ионолетов, перемещающихся над лунной поверхностью с использованием электростатических сил - в частности, эффекта Бифельда-Брауна.
Взаимодействие наноАМС с верхним, сыпучим и хрупким слоем реголита. Вполне возможно, что он может быть вполне доступным для использования с помощью наноАМС конструкционным материалом.
Также, возможно, существуют и другие варианты.
Исследование схемы Дайсона-Харропа и систем дальней связи вполне возможно проводить с использованием аппаратов почти стандартного формата КубСат. Для остальных потребуются стационарные и мобильные лунные платформы.
Сроки работ по программе
Средний срок разработки наноспутника типа КубСат - около года.
Оценить время разработки и испытаний систем дальней связи для наноАМС и транспортных технологий можно в несколько лет.
Срок разработки первых наноАМС для работы на орбите и на поверхности Луны с учетом разработки платформ будет несколько выше сроков разработки стандартного КубСата, порядка 3-4 лет. После этого можно ожидать сокращения срока разработки новых, оригинальных АМС до одного года-двух лет.