Почему места посадок Apollo лучше всего сняли американцы?

Краткий ответ: В NASA сделали космический аппарат с самой совершенной камерой, по сравнению с камерами всех лунных аппаратов на момент запуска в 2009 году, и выбрали самую низкую орбиту.

Начиная со старта в 2009 году, космический аппарат NASA LRO несколько лет составлял практически полную карту Луны разрешением 0,5 м. Это на порядок превосходит лунные картографические успехи Японии, Индии и Китая и соответствует разрешению лучших космических снимков Земли, используемых в сервисах Google и «Яндекс». Некоторые снимки LRO достигают разрешения 0,3–0,4 м — с таким высоким качеством американские ученые снимали советский «Луноход-2» и место высадки экипажа Apollo 17. Более того, LRO проводил многократную съемку всех мест посадок программы Apollo, что позволяет рассмотреть лунную местность в разное время суток, в зависимости от угла солнечного освещения.

Кому-то может показаться странным, что единственные убедительные снимки следов американцев на Луне удалось получить только американскому орбитальному аппарату. На то есть вполне объективные причины, связанные как с научной программой, так и с богатым опытом NASA в разработке и создании космической техники.

Европа, Китай, Индия и Япония в 2000-х годах были новичками в межпланетной космонавтике. Лунные запуски этих стран во многом носили экспериментальный характер, они учились и поэтому не предполагали, что их окололунные станции смогут работать долгие годы. Действительно, запущенные аппараты проработали около года, это довольно солидный срок для первого раза, но недостаточный для получения полных данных высокого качества по всей Луне. С другой стороны, межпланетная космонавтика выполняет не только научные задачи, но и должна способствовать повышению государственного престижа. Аппаратам требовалось не просто долететь, но и продемонстрировать какие-либо значимые достижения или открытия в течение короткого промежутка времени. К сожалению для новичков, практически все заметные лунные успехи уже достигнуты космонавтикой Советского Союза и США в 1950–1970-х годах. Нынешним исследователям осталось только составить полную карту Луны и провести более углубленные картографические исследования, которые не успели осуществить ранее.

Практически каждый аппарат вышеперечисленных стран выполнял задачу: получить полную карту поверхности Луны с максимально возможным разрешением. Для этой цели программа полета делилась на несколько этапов по высоте орбиты. С достаточно высокой полярной орбиты широкоугольной фотокамерой сделать полную карту Луну можно примерно за четыре земных недели — одни лунные сутки. Снизив орбиту вдвое, можно также вдвое увеличить разрешение снимков поверхности. Но если мы используем ту же фотокамеру, то ширина видимой полосы съемки сократится вдвое, т.е. для получения полного лунного глобуса летать придется дольше — месяцы и годы.

На Луне нет достаточно плотной атмосферы, которая мешала бы полету космического аппарата на низкой высоте. Но по мере приближения к лунной поверхности начинают сильнее действовать неоднородности лунного гравитационного поля — так называемые масконы, или концентрации массы. Если орбита окололунного аппарата ниже 100 км от поверхности Луны, то масконы могут привести к быстрой деградации орбиты и падению зонда за считанные недели или месяцы. Чтобы предотвратить столкновение, окололунному аппарату приходится корректировать орбиту и расходовать на это топливо. После исчерпания запасов топлива низкоорбитальный полет вокруг Луны также длится недолго.

Работа SMART-1, Chang'e 1, Chandrayaan-1 и Kaguya примерно так и проходила: успешная картография и другие исследования на орбитах 100 км и выше; снижение и частичная картография с более высоким разрешением; непродолжительная работа на низкой орбите около 50 км и выход из строя или падение. Исключением стала только автоматическая межпланетная станция Chang'e 2, которая сначала вышла на эллиптическую орбиту 15–100 км, проработала там менее года и покинула ее, вообще улетев от Луны. Орбита американского LRO вытянута, в обычном режиме максимальное сближение с поверхностью Луны составляет 20 км в районе южного полюса, а удаление — 160 км.

Все эти подробности необходимо знать, чтобы понять, почему этим космическим аппаратам не удалось увидеть отчетливо следы людей. Аппарат NASA LRO создавался на предприятиях, которые имеют богатый опыт разработки и производства межпланетных космических аппаратов и научных приборов к ним. Научная программа LRO была рассчитана на три года, хотя он успешно проработал уже десять лет. За последние 20 лет NASA успешно запустило к Луне пять космических аппаратов, а к Марсу шесть. Часть технологий использовалась в обоих направлениях, в том числе и камеры.

Еще одно преимущество NASA, которое помогает получать больше данных с Луны, — система дальней космической связи (Deep Space Network, DSN). Антенны этой системы расположены в Калифорнии, Испании и Австралии, поэтому NASA может поддерживать связь со своими межпланетными аппаратами круглые сутки. У других же стран принимающие станции стоят на их территории, поэтому связь может длиться не более 8–10 часов в сутки. То есть один и тот же космический аппарат мог бы передать в два-три раза больше данных, в том числе фотоснимков, но не может это сделать из-за наземных ограничений.

LRO оснастили двумя наборами камер с разным типом оптики. Широкоугольная камера (Wide angle camera, WAC) охватывает поле зрения в 60 градусов, что с высоты 50 км позволяет получать снимки полосы поверхности шириной 100 км и разрешением 100 м. Это хорошо подходит для быстрой картографии нашего спутника, но не позволяет рассмотреть следы людей. LRO сумел получить полную карту Луны своей широкоугольной камерой примерно через год с начала научной программы.

Для самой высокодетальной съемки на LRO предусмотрена еще одна камера — узкоугольная (Narrow angle camera, NAC). А точнее, это две одинаковые камеры, которые совместили, чтобы они захватывали больше поверхности за один проход орбитального аппарата. Пара NAC с высоты 50 км захватывает полосу поверхности шириной всего 5 км, зато видит с разрешением 0,5 м. Несколько лет пришлось копить снимки камеры NAC, чтобы осмотреть практически всю Луну в высоком разрешении.

NAC LRO в процессе подготовки к полету к Луне. NASA

Конструкция камеры NAC LRO отличается от обычной фотокамеры. Как и многие околоземные спутники для съемки поверхности Земли, NAC использует технологию «пушбрум». С такой технологией космический аппарат не делает отдельные полноформатные кадры, к которым мы привыкли, а сканирует узкой линейкой светочувствительных элементов подобно тому, как обычные офисные сканеры проводят светочувствительной линейкой над бумагой. Сканирующая линейка — это длинная и узкая фотоматрица, делающая множество снимков с короткой выдержкой, которые потом объединяются в протяженные фотопанорамы, такие панорамы было бы сложно получить одним кадром привычной камеры.

В стремлении рассмотреть самые мелкие детали LRO несколько раз совершал орбитальные маневры, чтобы 20-километровая нижняя точка орбиты проходила над местами посадки Apollo 17 и «Лунохода-2». К сожалению, разрешение снимков удвоить не удалось, несмотря на сокращение расстояния. Кадры с низкой орбиты получились «сжаты» высокой скоростью проносящейся под камерой поверхности. После обработки кадры показали изделия человеческих рук на Луне с разрешением 0,35–0,40 м. Этого оказалось достаточно, чтобы рассмотреть лунный автомобиль LRV.

Сейчас LRO продолжает накапливать данные о Луне, уточняет прежние результаты, регистрирует немногочисленные изменения поверхности. Все современные аппараты, которые совершают посадку на Луну или разбиваются о ее поверхность, также удостаиваются внимания LRO. Запаса топлива должно хватить еще на несколько лет, поэтому он еще немало сможет рассказать о нашем естественном спутнике.

Место посадки Apollo 11 в разное время суток, снятое утром, в полдень и вечером камерой NAC LRO. NASA

Что особенно важно, все фотографии LRO имеются в открытом доступе, и любой желающий может их изучать через интернет. Так, например, российские ученые смогли рассмотреть следы советских луноходов и уточнить дальность пробега каждого из них. Также можно изучать и следы, оставленные людьми в ходе программы Apollo. Снимки LRO позволяют рассмотреть тропинки, протоптанные астронавтами, следы роверов LRV, оставленное оборудование и разбросанный мусор. Многократная съемка в разное время суток позволила рассмотреть тень установленных флагов, которые сохранились до настоящего времени. Астронавт Apollo 11 Эдвин Олдрин сообщал, что видел, как струя реактивных газов во время старта с Луны сбила установленный флаг, и NAC LRO смогла это подтвердить.

Похожие обнародованные архивы имеются и для европейских, японских, китайских и индийских данных по Луне, однако для их получения требуется регистрация на сайтах и специальное программное обеспечение для работы со снимками. В работе серверов с научными материалами индийцев и китайцев неоднократно замечены сбои: они бывают недоступны по несколько дней или недель.