Посадочные аппараты: история и современные миссии.

Введение

Тип космического аппарата

Лендер – это космический аппарат, предназначенный для спуска и последующей остановки на поверхности небесного тела, отличного от Земли. В отличие от ударного зонда, который совершает жёсткую посадку, приводящую к повреждению или разрушению аппарата при контакте с поверхностью, лендер осуществляет мягкую посадку, после которой аппарат остаётся работоспособным. Для небесных тел, обладающих атмосферой, посадка происходит после входа в атмосферу. В таких случаях лендеры могут использовать парашюты для снижения скорости до безопасной величины. В некоторых случаях непосредственно перед посадкой включаются небольшие посадочные двигатели для дополнительного уменьшения скорости. Посадка может осуществляться посредством управляемого спуска и установки на шасси, с возможным использованием механизма фиксации после посадки (например, как у Philae) для небесных тел с низкой гравитацией. В ряде миссий (например, Luna 9 и Mars Pathfinder) для смягчения удара использовались надувные амортизаторы вместо традиционного шасси. Если преднамеренно планируется высокоскоростное столкновение для изучения его последствий, космический аппарат называется импактором. Исследования с помощью лендеров или импакторов проводились на различных небесных телах, включая Луну Земли, планеты Венеру, Марс и Меркурий, спутник Сатурна Титан, астероиды и кометы.

Лунный

Начиная с "Луны-2" в 1959 году, первые космические аппараты, достигшие лунной поверхности, были аппаратами, предназначенными для жесткой посадки, а не для мягкой посадки. Они были частью советской программы "Луна" или американской программы "Рейнджер". В 1966 году советский аппарат "Луна-9" стал первым космическим аппаратом, совершившим мягкую посадку на Луну и передавшим фотоданные на Землю. Американская программа "Surveyor" (1966–1968 гг.) была разработана для определения безопасных мест посадки для "Аполлона". В результате, для этих роботизированных миссий потребовались мягкие посадочные аппараты для отбора проб лунного грунта и определения толщины пылевого слоя, который был неизвестен до "Surveyor". Американские пилотируемые лунные модули "Аполлон" (1969–1972) с луноходами (1971–1972), а также поздние советские крупные роботизированные посадочные аппараты (1969–), "Луноходы" (1970–1973) и миссии по возвращению образцов (1970–1976) использовали ракетный двигатель для мягкой посадки астронавтов и лунных роверов на Луну. Китайская миссия "Чанъэ-3" и ее луноход "Юту" ("Нефритовый кролик") совершили посадку 14 декабря 2013 года. В 2019 году китайская миссия "Чанъэ-4" успешно посадила луноход "Юту-2" на обратную сторону Луны. "Чанъэ-5" и "Чанъэ-6" предназначены для миссий по возвращению образцов. Запуск "Чанъэ-5" запланирован на 2020 год, а "Чанъэ-6" – на 2023 или 2024 год. Примерно через 4 года, 23 августа 2023 года, посадочный модуль "Викрам" в составе "Чандраян-3" успешно совершил посадку на южном полюсе Луны, вблизи кратера Манзинус U. Это сделало его первым аппаратом, совершившим мягкую посадку на южном полюсе Луны. Япония стала пятой страной, успешно посадившей лунный зонд 19 января 2024 года, благодаря успешной посадке своего аппарата SLIM. 22 февраля 2024 года "Одиссей" компании Intuitive Machines успешно приземлился на Луне после запуска на ракете SpaceX Falcon 9. Это была первая успешная посадка частного космического аппарата на Луну. Китай отправил "Чанъэ-6" 3 мая, который проведет первое возвращение образцов с обратной стороны Луны. Это вторая миссия Китая по возвращению образцов с Луны, первая была выполнена "Чанъэ-5" с ближней стороны Луны в 2020 году.

Beginning with Luna 2 in 1959, the first few spacecraft to reach the lunar surface were impactors, not landers. They were part of the Soviet Luna program or the American Ranger program. In 1966, the Soviet Luna 9 became the first spacecraft to achieve a lunar soft landing and to transmit photographic data to Earth. The American Surveyor program (1966–1968) was designed to determine where Apollo could land safely. As a result, these robotic missions required soft landers to sample the lunar soil and determine the thickness of the dust layer, which was unknown before Surveyor. The U. S. crewed Apollo Lunar Modules (1969–1972) with rovers (1971–1972) and late Soviet large robotic landers (1969–), Lunokhods (1970–1973) and sample return missions (1970–1976) used a rocket descent engine for a soft landing of astronauts and lunar rovers on the Moon. The Chinese Chang'e 3 mission and its Yutu ('Jade Rabbit') rover landed on 14 December 2013. In 2019, China's Chang'e 4 mission successfully landed the Yutu 2 rover on the far side of the Moon. Chang'e 5 and Chang'e 6 are designed to be sample return missions. Chang'e 5 is currently scheduled for 2020, while Chang'e 6 is planned for 2023 or 2024. About 4 years later, on 23 August 2023, the lander Vikram on Chandrayaan 3 successfully touched down on the lunar south pole, close to the crater Manzinus U. This made it the first lander to soft land at the south pole of the Moon. Japan became the fifth country to land a lunar probe on 19 January 2024, by successfully landing its SLIM lander. On 22 February 2024, Intuitive Machine's Odysseus successfully landed on the Moon after taking off on a SpaceX Falcon 9. This was the first successful landing of a privately owned spacecraft on the Moon. China sent Chang'e 6 on 3 May, which will conduct the first lunar sample return from the far side of the Moon. This is China's second lunar sample return mission, the first being achieved by Chang'e 5 from the lunar near side in 2020.

Венера

Советская программа "Венера" включала в себя ряд посадочных аппаратов на Венеру, некоторые из которых были раздавлены при спуске, подобно тому, как аппарат Галилея потерпел крушение при "посадке" на Юпитер, а другие успешно совершили посадку. Venera 3 в 1966 году и Venera 7 в 1970 году стали первыми аппаратами, совершившими жесткую посадку и мягкую посадку на Венеру соответственно. Советская программа "Вега" также спустила в атмосферу Венеры два аэростата в 1985 году, которые стали первыми летательными аппаратами на других планетах.

Марс

Советский аппарат 1962B стал первой миссией, предназначенной для столкновения с Марсом в 1962 году. В 1971 году посадочный модуль зонда Mars 3 осуществил первую мягкую посадку на Марс, но связь была потеряна в течение минуты после приземления, произошедшего во время одной из сильнейших глобальных пылевых бурь с начала телескопических наблюдений Красной планеты. Три других посадочных модуля – Mars 2 в 1971 году и Mars 5 и Mars 6 в 1973 году – либо потерпели крушение, либо не смогли войти в атмосферу планеты. Все четыре модуля использовали аэродинамический щит при входе в атмосферу. Посадочные модули Mars 2 и Mars 3 несли первые небольшие марсоходы на лыжах, PrOP M, которые не смогли функционировать на планете. Советский Союз планировал создание тяжёлого марсохода Marsokhod Mars 4NM в 1973 году и миссию Mars 5NM по возвращению образцов с Марса в 1975 году, но ни одна из них не была реализована из-за необходимости в сверхтяжёлой ракете-носителе N1, запуск которой так и не был осуществлён успешно. В 1979 году планировалась двойная миссия советского аппарата Mars 5M (Mars 79) по возвращению образцов, но она была отменена из-за сложности и технических проблем. Аппараты Viking 1 и Viking 2 были запущены NASA в августе и сентябре 1975 года соответственно, каждый из них включал орбитальный модуль и посадочный модуль. Viking 1 приземлился в июле 1976 года, Viking 2 – в сентябре 1976 года. Марсоходы программы Viking стали первыми успешными и функционирующими посадочными аппаратами на Марсе. Миссия завершилась в мае 1983 года, после прекращения работы обоих посадочных модулей. Mars 96 стала первой сложной постсоветской российской миссией, включавшей орбитальный модуль, посадочный модуль и проникающие зонды. Запуск планировался на 1996 год, но он оказался неудачным. Планировался повторный запуск этой миссии, Mars 98, но он был отменён из-за недостатка финансирования. Марсоход Mars Pathfinder был запущен США в декабре 1996 года и выпустил на поверхность Марса первый функционирующий марсоход Sojourner в июле 1997 года. Он работал до сентября 1997 года. Связь с Mars Polar Lander была потеряна 3 декабря 1999 года до достижения поверхности, и предполагается, что он потерпел крушение. Европейский посадочный модуль Beagle 2 успешно отделился от космического аппарата Mars Express, но сигнал, подтверждающий посадку, который должен был поступить 25 декабря 2003 года, так и не был получен. Связь установить не удалось, и Beagle 2 был объявлен пропавшим без вести 6 февраля 2004 года. Предложенная британская миссия Beagle 3 в 2009 году для поиска жизни, существующей или существовавшей в прошлом, не была одобрена. Американские марсоходы Spirit и Opportunity были запущены в июне и июле 2003 года. Они достигли поверхности Марса в январе 2004 года, используя посадочные модули с подушками безопасности и парашютами для смягчения удара. Spirit прекратил функционировать в 2010 году, проработав более пяти лет сверх запланированного срока службы. По состоянию на 13 февраля 2019 года Opportunity был признан фактически неработоспособным, превысив свой трёхмесячный срок службы более чем на десять лет. Американский космический аппарат Phoenix успешно совершил мягкую посадку на поверхность Марса 25 мая 2008 года, используя комбинацию парашютов и ракетных двигателей для снижения скорости. Mars Science Laboratory, перевозивший марсоход Curiosity, был запущен NASA 26 ноября 2011 года. Он приземлился в районе Эолис Палус кратера Гейл на Марсе 6 августа 2012 года. Китай запустил миссию Tianwen 1 23 июля 2020 года. Она включает в себя орбитальный модуль, посадочный модуль и марсоход весом 240 килограммов. Орбитальный модуль был выведен на орбиту 10 февраля 2021 года. "Чжужун" успешно совершил мягкую посадку 14 мая 2021 года и был развёрнут 22 мая 2021 года.

The Soviet Union's Mars 1962B became the first mission intended to impact on Mars in 1962. In 1971, the lander of the Mars 3 probe conducted the first soft landing on Mars, but communication was lost within a minute after touchdown, which occurred during one of the worst global dust storms since the beginning of telescopic observations of the Red Planet. Three other landers, Mars 2 in 1971 and Mars 5 and Mars 6 in 1973, either crashed or failed to even enter the planet's atmosphere. All four landers used an aeroshell like heat shield during atmospheric entry. Mars 2 and Mars 3 landers carried the first small skis walking Mars rovers, PrOP M, that did not work on the planet. The Soviet Union planned the heavy Marsokhod Mars 4NM mission in 1973 and the Mars sample return Mars 5NM mission in 1975, but neither occurred due to needing the N1 super launcher that was never flown successfully. A double launching Soviet Mars 5M (Mars 79) sample return mission was planned for 1979 but cancelled due to complexity and technical problems. NASA's Viking 1 and Viking 2 were launched respectively in August and September 1975, each comprising an orbiter vehicle and a lander. Viking 1 landed in July 1976 Viking 2 in September 1976. The Viking program rovers were the first successful, functioning Mars landers. The mission ended in May 1983, after both landers had stopped working. Mars 96 was the first complex post Soviet Russian mission with an orbiter, lander, penetrators. Planned for 1996, it failed at launch. A planned repeat of this mission, Mars 98, was cancelled due to lack of funding. The U. S. Mars Pathfinder was launched in December 1996 and released the first acting rover on Mars, Sojourner, in July 1997. It worked until September 1997. The Mars Polar Lander ceased communication on 3 December 1999 prior to reaching the surface and is presumed to have crashed. The European Beagle 2 lander deployed successfully from the Mars Express spacecraft but the signal confirming a landing which should have come on 25 December 2003 was not received. No communication was ever established and Beagle 2 was declared lost on 6 February 2004. The proposed 2009 British Beagle 3 lander mission to search for life, past or present, was not adopted. The American Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity were launched in June and July 2003. They reached the Martian surface in January 2004 using landers featuring airbags and parachutes to soften impact. Spirit ceased functioning in 2010, more than five years past its design lifetime. As of 13 February 2019, Opportunity was declared effectively dead, having exceeded its three month design lifetime by well over a decade. The U. S. spacecraft Phoenix successfully achieved soft landing on the surface of Mars on 25 May 2008, using a combination of parachutes and rocket descent engines. Mars Science Laboratory, which carried the rover Curiosity, was launched by NASA on 26 November 2011. It landed in the Aeolis Palus region of Gale Crater on Mars on 6 August 2012. China launched the Tianwen 1 mission, on 23 July 2020. It includes an orbiter, a lander and a 240 kilograms rover. The orbiter was placed into orbit on 10 February 2021. The Zhurong successfully soft landed on 14 May 2021 and deployed on 22 May 2021.

Марсианские луны

Несколько пролётов мимо Марса, выполненных орбитальными аппаратами, предоставили изображения и другие данные о марсианских спутниках Фобосе и Деймосе, однако лишь немногие из них были предназначены для посадки на поверхность этих спутников. В 1988 году в рамках советской программы "Фобос" были успешно запущены два зонда, но в 1989 году запланированные посадки на Фобос и Деймос не состоялись из-за неисправностей в системе космических аппаратов. Постсоветский российский зонд "Фобос-Грунт" планировался как миссия по возвращению образцов с Фобоса в 2012 году, но потерпел неудачу после запуска в 2011 году. В 2007 году Европейское космическое агентство и EADS Astrium предложили и разработали миссию к Фобосу, запланированную на 2016 год, с посадочным модулем и возвратом образцов, но она так и осталась на стадии проекта. С 2007 года Канадское космическое агентство рассматривает миссию к Фобосу под названием "Разведка Фобоса и международное исследование Марса" (PRIME), которая включала бы орбитальный аппарат и посадочный модуль. Среди недавних предложений – миссия по возвращению образцов Фобоса и Деймоса, предложенная Исследовательским центром NASA Гленна в 2008 году, проект Surveyor Phobos 2013 года и концепция миссии OSIRIS-REx II. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) планирует запустить миссию по исследованию марсианских лун (MMX) в 2024 году – миссию по возвращению образцов с Фобоса. MMX совершит несколько посадок и возьмёт образцы с Фобоса, а также развернёт марсоход, разработанный совместно CNES и Немецким аэрокосмическим центром (DLR). Используя механизм отбора кернов, космический аппарат стремится получить минимум 10 г образцов. MMX вернётся на Землю в 2029 году.

Титан

Зонд "Гюйгенс", доставленный на спутник Сатурна Титан аппаратом "Кассини", был специально разработан для выживания при посадке как на сушу, так и в жидкость. Он подвергся тщательным испытаниям на падение, чтобы убедиться в его способности выдержать удар и продолжать функционировать не менее трех минут. Однако, благодаря низкой скорости посадки, он продолжал передавать данные более двух часов после приземления. Посадка на Титан в 2005 году стала первым случаем посадки на спутник планеты за пределами Луны. В рамках предлагаемой американской миссии "Titan Mare Explorer" (TiME) рассматривался посадочный модуль, который должен был войти в озеро в северном полушарии Титана и дрейфовать по его поверхности в течение нескольких месяцев. Предлагаемая Испанией миссия "Titan Lake In situ Sampling Propelled Explorer" (TALISE) аналогична посадочному модулю TiME, но оснащена собственной системой двигателей для управления движением.

Кометы и астероиды

В 1991–1994 годах планировалась многоцелевая советская миссия "Веста", разработанная в сотрудничестве с европейскими странами, но отмененная из-за распада Советского Союза. Она предусматривала пролет мимо Марса, где "Веста" должна была доставить аэростат (воздушный шар или дирижабль) и небольшие посадочные аппараты или проникатели, а затем – пролет мимо Цереры или астероида 4 Веста и других астероидов с последующим ударом крупного проникателя об один из них. Первая посадка на небольшое тело Солнечной системы (объект в Солнечной системе, не являющийся луной, планетой или карликовой планетой) была осуществлена в 2001 году зондом NEAR Shoemaker на астероиде 433 Эрос, несмотря на то, что NEAR изначально не был предназначен для посадки. Японский зонд "Хаябуса" предпринял несколько попыток посадки на астероид 25143 Итокава в 2005 году с переменным успехом, включая неудачную попытку развертывания марсохода. Разработанный для сближения и посадки на тела с низкой гравитацией, "Хаябуса" стал вторым космическим аппаратом, совершившим посадку на астероид, а в 2010 году – первой миссией по доставке образцов с астероида. Зонд Rosetta, запущенный 2 марта 2004 года, 12 ноября 2014 года доставил первый роботизированный посадочный аппарат Philae на комету Чурюмова — Герасименко. В связи с крайне низкой гравитацией таких тел, система посадки включала в себя пусковую установку для гарпуна, предназначенного для закрепления троса на поверхности кометы и опускания посадочного аппарата. JAXA запустила космический зонд Hayabusa2 в 2014 году для доставки нескольких посадочных модулей (включая посадочные аппараты Minerva II и German Mobile Asteroid Surface Scout (MASCOT), а также проникатель Small Carry-on Impactor (SCI)) в 2018–2019 годах с целью возвращения образцов на Землю к 2020 году. Китайское космическое агентство разрабатывает миссию по сбору образцов с Цереры, запланированную на 2020-е годы.

Ртуть

Запущенная в октябре 2018 года и ожидаемая к прибытию к Меркурию в декабре 2025 года, миссия ESA BepiColombo к Меркурию изначально планировалась с включением Меркурианского поверхностного модуля (MSE). Этот посадочный модуль должен был нести полезную нагрузку весом 7 кг, состоящую из системы визуализации (включающей камеру спуска и камеру для работы на поверхности), комплекта для измерения теплового потока и физических свойств, альфа-рентгеновского спектрометра, магнитометра, сейсмометра, устройства для проникновения в грунт (крота) и микроровера. Проект MSE был отменен в 2003 году из-за бюджетных ограничений.

Луны Юпитера

Несколько зондов, исследовавших Юпитер, предоставили множество изображений и других данных о его спутниках. Некоторые предложенные миссии с посадкой на спутники Юпитера были отменены или не были реализованы. Был предложен небольшой ядерный посадочный модуль для Европы в рамках миссии NASA "Jupiter Icy Moons Orbiter" (JIMO), которая была отменена в 2006 году. ESA запустила миссию "Jupiter Icy Moon Explorer" (JUICE) в 2023 году. Кроме того, NASA предложило ESA разработать посадочный модуль или аппарат для ударного спуска, который мог бы сопровождать предлагаемый NASA орбитальный аппарат в миссии Europa Clipper, запланированной на 2025 год. Поскольку предполагается наличие воды под ледяной поверхностью Европы, миссии направлены на изучение её обитаемости и оценку астробиологического потенциала, путем подтверждения существования воды на спутнике и определения её характеристик.

Глубокий космос 2

Зонд Deep Space 2 должен был стать первым космическим аппаратом, проникшим под поверхность другой планеты. Однако миссия завершилась неудачей с потерей корабля-носителя, посадочного модуля "Mars Polar Lander", который потерял связь с Землей при входе в атмосферу Марса 3 декабря 1999 года.

Глубокое воздействие

Комета Темпель 1 была посещена зондом NASA Deep Impact 4 июля 2005 года. Образовавшийся ударный кратер имел ширину около 200 метров и глубину 30–50 метров, и ученые обнаружили наличие силикатов, карбонатов, смектита, аморфного углерода и полициклических ароматических углеводородов.

Зонд воздействия на Луну

Лунный ударный зонд (МИП), разработанный Индийской организацией космических исследований (ISRO), национальным космическим агентством Индии, являлся лунным зондом, который был отделён 14 ноября 2008 года от лунного орбитального аппарата «Чандраян-1» ISRO. «Чандраян-1» был запущен 22 октября 2008 года и привёл к открытию воды на Луне.

LCROSS

Лунный спутник наблюдения и зондирования кратеров (LCROSS) был роботизированным космическим аппаратом, разработанным NASA для более экономичного определения природы водорода, обнаруженного в полярных областях Луны. Основной целью миссии LCROSS было исследование наличия водяного льда в постоянно затенённом кратере вблизи лунного полюса. LCROSS был запущен вместе с Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) 18 июня 2009 года в рамках совместной программы роботизированных аппаратов-предшественников для исследования Луны. LCROSS был спроектирован для сбора и передачи данных, полученных в результате удара и выброса обломков, образовавшихся при столкновении отработанной верхней ступени ракеты-носителя Centaur с кратером Cabeus вблизи южного полюса Луны. Centaur успешно столкнулся с поверхностью 9 октября 2009 года в 11:31 UTC. "Сопровождающий аппарат" (несущий полезную нагрузку миссии LCROSS) вошел в шлейф обломков Centaur, собрал и передал данные, а затем столкнулся с поверхностью через шесть минут, в 11:37 UTC. Проект успешно обнаружил воду в кратере Cabeus.

МЕССЕНДЖЕР

Миссия NASA MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging) к Меркурию была запущена 3 августа 2004 года и вышла на орбиту вокруг планеты 18 марта 2011 года. После завершения картографической миссии, MESSENGER был направлен для управляемого столкновения с поверхностью Меркурия 30 апреля 2015 года. Столкновение космического аппарата с Меркурием произошло около 15:26 по восточному времени 30 апреля 2015 года, образовав кратер диаметром около 16 метров.

Аида

Концепция миссии AIDA Европейского космического агентства (ESA) предполагает исследование последствий намеренного столкновения космического аппарата с астероидом. В 2022 году космический аппарат DART столкнулся с луной астероида 65803 Дидим, Диморфосом, а космический аппарат Hera прибудет в 2027 году для изучения результатов этого столкновения.