Поточна космічна ситуація навколо Місяця – оцінка від ISRO

Дослідження космосу за межами навколоземного режиму було одним із найскладніших і захоплюючих починань людства, яке продовжує захоплювати уяву поколінь.

Протягом багатьох століть кілька космічних держав виконували численні місії для дослідження більшості планет Сонячної системи, їхніх природних супутників, різних малих планет/астероїдів, комет і навіть міжпланетних подорожей. Місяць і Марс є найбільш дослідженими, а також відносно більш переповненими планетними тілами в даний час. У найближчі кілька років очікується більш інтенсивна діяльність навколо Місяця через відновлення інтересу до дослідження Місяця, проголошене місіями Artemis для повернення на Місяць і підготовкою до колонізації Марса. У той час як попередні місії були в основному спрямовані на наукові дослідження, майбутні місії, ймовірно, залучатимуть багатьох учасників з різними інтересами, включно з тими, які головним чином керуються використанням ресурсів у комерційних цілях. Необхідно краще розуміння навколишнього середовища, щоб сформулювати розумні методи пом’якшення наслідків, щоб уникнути загрози близького зближення на планетарних орбітах.

Поточні Керівні принципи запобігання утворенню космічного сміття ООН та Міжагентського координаційного комітету з космічного сміття (IADC) застосовуються до космічних кораблів і орбітальних ступенів, «які будуть виведені на орбіту Землі». Наразі космічне сміття становить серйозну загрозу для довгострокової стійкості космічної діяльності на дедалі більш завантажених навколоземних орбітах. Тому, ґрунтуючись на уроках, засвоєних під час роботи в навколоземному режимі, цікаво і бажано проводити дослідження, пов’язані з близькими зближеннями з огляду на збільшення кількості об’єктів на місячних орбітах.

Відстеження об'єктів далекого космосу

Спостереження та відстеження глибококосмічних об’єктів за своєю суттю є складнішими, ніж у навколоземному режимі, головним чином через величезну відстань між об’єктом і спостерігачем, що вносить значну затримку, ослаблення сигналу та пов’язані з цим ускладнення. Функціональні активи, такі як космічні кораблі/посадкові апарати/марсоходи, відстежуються активними та пасивними засобами. Типові активні методи включають вимірювання дальності та доплерівське вимірювання, інтерферометрію з дуже довгою базовою лінією (VLBI)/дельта-диференціальну односторонню локацію (DOR) і лазерну локацію за допомогою ретрорефлекторів. Оптичні транспондери також були продемонстровані для таких місій, як Messenger, Mars Global Surveyor і Hyabusa-2, які можуть забезпечити кращу точність.

Місячні орбіти

На орбітальну еволюцію на орбіті Місяця в першу чергу впливають місячна гравітація, гравітація Сонця та Землі та тиск сонячної радіації. Для орбіт нижче 500 км домінує нерівномірність місячної гравітації через концентрацію маси, що поряд із збуреннями третього тіла Землею та Сонцем викликає збільшення ексцентриситету орбіти. У результаті перилунна висота поступово знижується, що призводить до можливого зіткнення з місячною поверхнею. Наприклад, очікуваний час життя космічного корабля на круговій орбіті 100 км становить близько 160 днів.

Основні типи місячних орбіт включають гало-орбіту навколо точки Лагранжа, майже прямолінійну гало-орбіту (NRHO), низьку місячну орбіту (LLO) і віддалену ретроградну орбіту (DRO). Орбіти NRHO пропонують такі переваги, як стабільність і потреба в меншому обслуговуванні орбіти, підтримці безперервного зв’язку із Землею та іншими кораблями на орбіті Місяця, уникнення затемнень тощо, і дуже підходять для розміщення місячних шлюзів. Кілька майбутніх місій також можуть бути розміщені на подібних орбітах, але, враховуючи величезну просторову протяжність таких орбіт (набагато більшу, ніж пояс GEO), у найближчому майбутньому не очікується скупчення. Більшість місячних зондів, які зараз знаходяться на орбіті, працюють в LLO.

Поточна ситуація навколо Місяця

Станом на липень 2023 року існує 6 активних навколомісячних апаратів. Два з п’яти зондів місії NASA THEMIS були перепрофільовані в рамках ARTEMIS (прискорення, повторне з’єднання, турбулентність і електродинаміка взаємодії Місяця з Сонцем) як ARTEMIS P1 і ARTEMIS P2, обидва працюють на ексцентричних орбітах з низьким нахилом. NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) обертається навколо Місяця по майже полярній, злегка еліптичній орбіті. Chandrayaan-2 (CH2O), друга місячна місія ISRO, і Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO) також працюють на полярних орбітах на висоті 100 км. NASA Capstone працює в резонансному південному L2 NRHO 9:2, його перилун проходить над північним полюсом Місяця на висоті 1500-1600 км, тоді як аполун знаходиться над південним полюсом на відстані майже 70 000 км.

Японський космічний корабель Ouna, який був виведений на орбіту Місяця в рамках місії Kaguya/SELENE в 2009 році, і Chandrayaan-1, запущений в 2008 році, є двома недіючими космічними апаратами. Усі інші орбітальні апарати були або виведені з орбітального режиму, пов’язаного з Місяцем, або здійснили посадку/зіткнення з поверхнею Місяця, або навмисно, або через те, що вони не здійснили м’яку посадку. Наприклад, супутник ретрансляції даних Queqiao місії Chang’e 4, запущений Китаєм у травні 2018 року, пізніше був переведений на гало-орбіту поблизу точки L2 Земля-Місяць.

Наразі єдиним робочим місяцеходом є китайський апарат Yutu-2, випущений Chang’e 4. За наявними джерелами ЗМІ, очікується, що російський «Луна-25» з посадковим модулем і марсоходом виявиться на місячній орбіті 100 км до 16 серпня 2023 року і здійснить посадку на південному полюсі Місяця до 21-23 серпня 2023 року.

Ризик близького зближення на місячних орбітах та його зменшення

Навіть з невеликою кількістю орбітальних космічних апаратів, LRO, KPLO та CH2O, їхні орбітальні режими в LLO часто зближуються. Іноді такі зближення навіть вимагають виконання маневрів для уникнення зіткнень, щоб бути більш безпечними через невизначеність, пов’язану з оцінками орбіти. До липня 2023 року Чандраян-2 виконав 3 маневри уникнення зіткнень, щоб пом'якшити критичні близькі зближення з LRO і KPLO. Примітно, що між агентствами відбувається ефективна координація, щоб уникнути критичних з’єднань на орбіті Місяця. Очікується, що для місії Chandryaan-3 (CH3) руховий модуль обертатиметься навколо Місяця по круговій LLO на висоті близько 150 км протягом багатьох наступних років. Більшість посадочних апаратів на Місяць також, ймовірно, тимчасово перебуватиме в LLO (зазвичай протягом кількох днів або тижнів) перед посадкою.

У рамках Системи ISRO для безпечного та сталого управління космічними операціями (IS4OM) виконується критичний аналіз кожного з місячних маневрів для зниження орбіти, щоб оцінити потенційні ризики близького зближення з іншими місячними орбітальними апаратами перед виконанням маневрів.