Танец в поле двух гравитаций: NASA отправляет два зонда осваивать «трехтельные орбиты» у Луны

NASA планирует отправить на лунную орбиту два маневренных зонда, чтобы изучить, как космические аппараты подвержены воздействию сложной гравитационной среды вблизи Луны.

Миссия, получившая название CAPSTONE 02, в настоящее время нацелена на запуск в 2027 году. Два зонда будут маневрировать в непосредственной близости друг от друга и летать «строем», чтобы операторы миссии могли лучше понять гравитационные эффекты, которые испытывают космические аппараты в цислунном пространстве. Эта область космоса находится под одновременным влиянием гравитации Земли и Луны, а это означает, что работающим там аппаратам придется прокладывать курс в так называемых «трехтельных орбитах».

Одновременно с тестированием маневренности в этих сложных орбитах CAPSTONE 02 будет изучать системы связи и навигации, которые будут использоваться в запланированных NASA миссиях «Артемида» по освоению Луны и строительству лунной базы. «Эта миссия представляет собой важный шаг в развитии цислунных возможностей», — заявил Шон Фуллер, менеджер NASA по программе Moon Base CAPSTONE, в официальном сообщении агентства. «CAPSTONE 02 закладывает основу для лунной инфраструктуры и коммерческих услуг, которые будут поддерживать "Артемиду", Лунную базу и будущие миссии в дальний космос».

Два зонда CAPSTONE 02 строятся компанией Terran Orbital Systems, Inc. Оказавшись в космосе, они будут чередовать задачи, летая строем и переключаясь между тем, что NASA называет ролями «преследователя» и «цели».

В ходе этих маневров пара аппаратов будет использовать астронавигацию, оптические датчики и данные, собранные наземными телескопами. Подобным образом NASA будет задействовать целый спектр данных, чтобы помочь своему кораблю Orion встретиться с лунным посадочным модулем на пути к Луне.

В предстоящей миссии «Артемида III», в настоящее время запланированной на 2027 год, NASA протестирует некоторые из этих методов: Orion должен будет состыковаться как с посадочным модулем Blue Moon компании Blue Origin, так и с кораблем Starship от SpaceX, если все пойдет согласно плану.

«Доставка экипажа на лунную поверхность с цислунной орбиты зависит от того, насколько хорошо навигационные системы будут работать во время этих операций. Поскольку эти условия невозможно полностью воссоздать на Земле, их необходимо тестировать в космосе», — говорится в заявлении NASA с описанием миссии CAPSTONE 02.

Как следует из названия, это будет вторая миссия в рамках программы NASA CAPSTONE — Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment (Эксперимент по эксплуатации и навигации с применением технологий цислунной автономной системы позиционирования). Первый зонд CAPSTONE был запущен в 2022 году и проработал четыре года, прежде чем NASA официально завершило его миссию в июне 2026 года.

Тот аппарат размером с микроволновку протестировал коммуникационные технологии и стал первым космическим аппаратом, испытавшим трехтельные орбиты вокруг Луны.

CAPSTONE испытывался на так называемой почти прямолинейной гало-орбите. Это относительно гравитационно стабильная орбита благодаря почти равному притяжению со стороны Земли и Луны.

Почему трехтельные орбиты — это головоломка для космонавтики

Цислунное пространство — гравитационное «перетягивание каната» между Землей и Луной — долгое время оставалось теоретической абстракцией. Первый CAPSTONE доказал, что там можно летать. Теперь CAPSTONE 02 должен ответить на более сложный вопрос: можно ли там маневрировать с достаточной точностью, чтобы два корабля встретились, состыковались или обменялись грузом.

Проблема в том, что в трехтельных орбитах не работают привычные законы Кеплера, которыми пользуются для расчета траекторий на околоземной орбите. Гравитационные поля Земли и Луны создают постоянно меняющийся ландшафт: сегодняшняя стабильная траектория через месяц может превратиться в хаотическую. Для пилотируемой «Артемиды» и будущей Лунной базы это вопрос жизни и смерти: если Orion не сможет гарантированно встретиться с посадочным модулем в нужной точке с нужной скоростью, миссия с экипажем на борту окажется под угрозой срыва в сотнях тысяч километров от Земли.

Именно поэтому CAPSTONE 02 будет гонять два аппарата строем, заставляя их меняться ролями. Схема «охотник-цель» имитирует реальную задачу: один корабль наводится на другой по данным оптических сенсоров и астронавигации, без постоянной поддержки с Земли. Если эксперимент удастся, NASA получит проверенную методику для стыковок и пролетов в цислунной зоне — а это ключевой недостающий элемент для превращения лунной орбиты из полигона в рабочую транспортную артерию.

Источники: заявление NASA о миссии CAPSTONE 02; комментарии Шона Фуллера, менеджера программы Moon Base CAPSTONE; данные о завершении миссии CAPSTONE (2022–2026).