Искусственный интеллект и посадка с ретроградной орбиты: чем уникальна «Чанъэ-6»?
Завтра, 6 июня на окололунной орбите планируется стыковка взлетного модуля китайской автоматической межпланетной станции «Чанъэ-6» с ее служебным модулем. В конце текущего месяца он должен впервые в истории космонавтики доставить на Землю образцы грунта, собранные на обратной стороне Луны. Китайские специалисты надеются найти в них материал, исторгнутый из лунной мантии, с помощью которого учёные предполагают составить впечатление об истории Луны, Земли и Солнечной системы. О самом амбициозном на сегодняшний день космическом проекте Китая - в нашем материале.
Первый космический аппарат под управлением ИИ
«Чаньэ-6» — это проект по исследованию Луны, осуществляемый Национальным космическим управлением Китая (CNSA) с целью достижения района бассейна «Южный полюс — Эйткен» на обратной стороне Луны и сбора образцов реголита и камней. Научные цели экспедиции включают:
анализ зоны посадки;
изучение топографии и геоморфологии района;
сбор геологических образцов.
Инженерные:
создание аппарата, способного совершить посадку на невидимой с Земли стороне другого небесного тела с ретроградной орбиты;
проверку технологии искусственного интеллекта при прилунении, отборе проб, а также взлете, выходе на окололунную орбиту, автоматической стыковки и возвращении на Землю.
Таким образом, «Чаньэ-6» - это первый космический аппарат, который в значительной степени управляется ИИ. Проект требует четкой координации работы зонда, ракеты-носителя, наземных служб, сети измерения и управления и системы поиска и спасения. Весь полет, от запуска до возвращения образцов на Землю, занимает 53 дня.
Изначально «Чанъэ-6» был построен как дублер станции «Чанъэ-5». В определенной степени оба должны были повторить результаты советских станций «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24», достигнутые полвека назад, выполняя полет по другой схеме, больше напоминающей архитектуру пилотируемых американских полетов на Луну Saturn–Apollo.
Как и исходная станция, которая решила свои задачи 23 ноября — 16 декабря 2020 года, «Чанъэ-6» стартовой массой 8350 кг состоял из четырех модулей: перелетного, посадочного, взлетного и возвратного. Основные отличия между прототипом и новой станцией — в составе научной аппаратуры.
Китайский аппарат с европейской и пакистанской "начинкой"
Полет «Чанъэ-6» начался 3 мая 2024 года со старта тяжелой ракеты-носителя «Чанчжэн-5» с космодрома Вэньчан на острове Хайнань, которая вывела станцию на высокий эллипс с апогеем в районе орбиты Луны.
8 мая двигатель перелетного модуля перевел «Чанъэ-6» на начальную эллиптическую окололунную орбиту. Ни один из этапов экспедиции не был рутинным.
Процедура первого торможения определяла будущий успех (или неуспех): в случае промаха зонд не смог бы выйти на окололунную орбиту и решать последующие задачи, такие как посадка, отбор проб и взлет.
С этого момента начался этап окололунного полета. В отличие от «Чанъэ-5», «Чанъэ-6» двигалась по ретроградной орбите. В Солнечной системе крупные планеты вращаются вокруг центральной звезды в направлении ее вращения; также поступают их естественные спутники. Такие орбиты называются прямыми.
Направление полета «Чанъэ-6» было противоположно направлению вращения Луны, что увеличивало относительную скорость между зондом и небесным телом, обеспечивая лучшую устойчивость окололунной орбиты.
В это время от зонда отделилась одна из иностранных полезных нагрузок — пакистанский наноспутник ICUBE—Q. Второе название кубсата — «Камар», в честь профессора Камар-уль-Ислама, возглавившего международную команду разработчиков из Пакистанского института космической техники PIST в Исламабаде и Центра интеллектуальных спутниковых технологий Шанхайского университета Цзяо Тун под эгидой и при финансовой поддержке Азиатско-Тихоокеанской организации космического сотрудничества, куда входят и Китай, и Пакистан. С помощью бортовой камеры наноспутник выполнил съемку процесса отделения от материнского аппарата для проверки технологии определения орбиты искусственного спутника Луны.
Другие иностранные научные приборы монтировались на посадочном модуле:
французский детектор радона DORN (Detection of Outgassing RadoN) от Института астрофизики и планетологии и Национального центра космических исследований, который регистрирует выход газа из лунного реголита с целью изучение происхождения и динамики крайне разреженной лунной атмосферы, а также тепловых и физических характеристик грунта;
итальянский лазерный отражатель INRRI (INstrument for landing-Roving laser Retroreflector Investigations), изготовленный Национальным институтом ядерной физики для высокоточного определения расстояния, лазерной и квантовой связи;
прибор для регистрации отрицательных ионов NILS (Negative Ions on Lunar Surface) Шведского института космической физики, созданный при поддержке ЕКА, измеряющий концентрацию ионов во время спуска с орбиты на поверхность, а также в течение 30 минут после посадки.
Китайский ИИ обеспечил мягкую посадку на обратную сторону Луны
При поддержке спутника-ретранслятора «Цюэцяо-2» («Сорочий мост-2»), обеспечивающего радиосвязь с аппаратами на обратной стороне Луны, «Чанъэ-6» дважды скорректировал высоту и наклонение своей орбиты в рамках подготовки к спуску.
Как и большинство космических аппаратов, китайский зонд получает электроэнергию от солнечных батарей. По этому крайне важно было тщательно оценить будущее место посадки с учетом таких аспектов, как освещенность, связь и возможность дистанционного управления.
Потенциальные районы посадки выбирались заранее, по результатам съемки с окололунной орбиты. По словам Хуан Хао, эксперта из Китайской корпорации аэрокосмической науки и технологий (CASC), «рельеф на обратной стороне Луны более пересечённый, чем на видимой, с меньшим количеством ровных участков. Однако кратер Аполлон в бассейне "Южный полюс — Эйткен" относительно ровный, что делает его более подходящим для посадки». В течение трех недель работы на орбите места прилунения уточнялись.
1 июня от орбитального модуля, внутри которого оставался возвратный отсек, отделилась комбинация посадочного и взлетного модулей, и пошла на снижение. В периселении орбиты высотой 15 х 200 км включился основной двигатель посадочной ступени. Он снизил скорость полета с первой космической для Луны (примерно 1.7 км/с) почти до нуля, и «Чанъэ-6» приблизился к району посадки.
На небольшой высоте система управления переключилась на режим автоматического обхода препятствий. Искусственный интеллект выбрал точку посадки и повел к ней аппарат, маневрами избегая столкновений с неровностями. Безопасная точка выбиралась с использованием камеры видимого света на основе анализа яркости и темноты на поверхности Луны.
На высоте 100 метров аппарат завис, используя лазерный дальномер трехмерного сканирования, получающий точную карту рельефа места прилунения, а затем стал медленно снижаться.
«Чтобы предотвратить помехи оптическим датчикам от лунной пыли во время посадки, посадочный модуль оснащен датчиками гамма-излучения для точного измерения высоты, гарантируя своевременное выключение двигателя и плавное прилунение», - добавил Хуан Хао.
В нужный момент основной двигатель выключился, и аппарат в свободном падении выполнил мягкое касание. Энергию удара погасили посадочные амортизаторы. Весь процесс спуска занял 15 минут. Желающие могли наблюдать посадку «Чанъэ-6» в прямом эфире.
По сообщению CNSA, посадочный аппарат «Чанъэ-6»прилунился в кратере Аполлон, расположенном в ударном бассейне "Южный полюс-Эйткин" на обратной стороне Луны.
Эксперты подчеркивали, что отклонение между расчетным и реальным местом прилунения в 16,7 км — «мизер, если вспомнить последние посадки на Луну». Преимущественно боковой дрейф связывают «скорее всего, с выбором посадочного витка».
Сверхпрочный бур и ИИ-сбор образцов
Вскоре после посадки и самодиагностики бортовой аппаратуры начался процесс забора образцов лунного грунта. Работы проводились тогда, когда ретранслятор «Цзюэцяо-2» прошел район периселения и начал двигаться в сторону высшей точки орбиты, располагавшейся в направлении Южного полюса Луны. В это время посадочный аппарат имел устойчивую связь с Землей.
Процесс отбора проб кажется простым: ковш манипулятора копает ямки, а бур сверлит отверстия. Однако посадочный аппарат неподвижно стоит на поверхности, а пробы надо отобрать в нескольких местах, отмаркировать и автономно «запечатать». Эксперты сравнивают работу с хирургической операцией, проводимой в вакууме, при высокой температуре и силе тяжести в 1/6 земной.
После детального изучения окружающей обстановки принимается решение, в каких точках следует проводить отбор проб и куда опускать глубинный бур. С учетом информации, полученной в полете «Чанъэ-5», этот инструмент теперь изготовили из высокопрочного материала, который позволяет сверлить породы 8 класса твердости.
Бур легко может справиться с гранитом, песчаником, известняком, может сверлить кварц. Только топаз, корунд и алмаз способны остановить этот инструмент.
После того, как закончилось бурение, проводился отбор поверхностных проб. Механизм типа экскаваторного ковша представляет собой роботизированный манипулятор, который перемещается к участку раскопок с помощью 7-8 сложных движений, причем весь процесс выполняется за счет подвижности самой «руки», без коррекции датчиков.
После посадки «Чанъэ-6» в течение двух дней завершил отбор образцов. По словам Цзинь Шэнъи, другого эксперта из CASC, команда разработчиков зонда заранее построила лабораторию по моделированию, чтобы обеспечить бесперебойный процесс сбора. На основе результатов съемки, проведенной после посадки «Чанъэ-6», на Земле воссоздается «полномасштабная копия зоны сбора образцов с распределением каменных обломков и состояния лунного грунта вокруг места посадки». Таким образом специалисты обеспечивают точность инструкций, передаваемых на борт.
Из-за экранирования Луной даже при поддержке спутника-ретранслятора «Цюэцяо-2» период связи с Землей все равно короче, чем на видимой стороне. Таким образом, время для сбора образцов «Чанъэ-6» сократится примерно до 14 часов по сравнению с 22 часами, которые тратил «Чанъэ-5».
Чтобы сэкономить время и повысить эффективность, разработчики сделали процесс сбора образцов более "интеллектуальным", позволив искусственному интеллекту «Чанъэ-6» выполнять инструкции и давать оценки автономно, добавил Цзинь Шэнъи. Число инструкций, передаваемых на борт с Земли, сократилось в 2.5 раза — с 1000 у «Чанъэ-5», до 400.
После того, как бур прошел полную глубину, собрал гибкую колонку с породой и намотал ее на специальный барабан, ковш-манипулятор несколько раз поднял камешки и пыль с поверхности и положил их в контейнеры.
Взлет
Когда все было сделано, завершив сбор и упаковав образцы, посадочная ступень с помощью пружинных толкателей отстрелила вверх взлетную ступень с контейнером, заполненным пробами грунта, развернув перед этим в зоне обзора камеры китайский флаг. Двигатель взлетной ступени включился уже в полете, чтобы не повредить выхлопными газами посадочную платформу с научными инструментами, которая осталась работать на Луне.
Во время взлета необходимо учитывать несколько факторов, например, массу взлетной ступени и то, что она может быть не расположена вертикально по отношению к лунной поверхности. Всего через секунду после взлета положение модуля автоматически корректируется. Из-за необходимости стыковки с орбитальным аппаратом время старта должно быть чрезвычайно точным (баллистики говорят о «нулевом баллистическом окне»).
Посредством нескольких маневров и использования многопетлевой, многоимпульсной копланарной эллиптической стратегии сближения взлетный модуль перешел на круговую орбиту высотой 210 км, где завтра с ним встретится и стыкуется орбитальный модуль с возвратным отсеком. Первый на этапе сближения играет активную роль. После стыковки образцы лунного грунта переместят в возвратный отсек, а взлетная ступень будет сброшена. Ориентировочно 20 июня орбитальный аппарат включит двигатель, покинет окололунную орбиту и начинает путь к Земле.
