Кратер, образованный ударом КА Луна-25

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

11 августа 2023 г. с космодрома Восточный стартовала автоматическая станция Луна-25 с задачей совершить посадку в южной полярной области Луны и провести поиск воды и других летучих соединений в полярном реголите, получить данные о его элементном и изотопном составе, а также провести исследования плазменной и пылевой компонент лунной приповерхностной экзосферы. Это была первая попытка российского полета на Луну после КА Луна-24 в 1976 г. Луна-25 благополучно долетела до окрестностей Луны и вышла на орбиту ее спутника. На 21 августа была запланирована посадка аппарата. В соответствии с программой полета 19 августа был выдан тормозной импульс для формирования предпосадочной эллиптической орбиты. Но тормозной двигатель проработал дольше, чем планировалось, и аппарат врезался в лунную поверхность (https://tass.ru/kosmos/18546219).

Команда телевизионной камеры LROC на Lunar Reconnaissance Orbiter, получив от Роскосмоса информацию о месте крушения Луны-25, провела съемку этого места и 24 августа получила снимок M1447547309R, на котором виден морфологически свежий кратер диаметром около 10 м, которого не было на предыдущих снимках этого места, последний из которых был сделан в июне 2022 г. (https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/lro-luna-25-impact). По-видимому, этот кратер образован в результате удара КА Луна-25. В данной статье будет кратко описано место удара и, примерно зная массу и скорость аппарата в момент удара и угол, под которым произошел удар, мы выполним оценку размера образованного кратера. Если оценка совпадет с наблюдаемым размером, это будет дополнительным аргументом в пользу того, что наблюдаемый на снимке M1447547309R кратер образован в результате удара Луны-25.

ВОЗМОЖНОЕ МЕСТО ПАДЕНИЯ

В заявлении NASA США от 31 августа 2023 г. сказано, что новый кратер находится в точке с координатами 57.865° ю. ш., 61.360° в. д. на крутом (>20°) внутреннем склоне кратера Понтекулан G (Pontécoulant G). Это примерно в 400 км северо-восточнее планировавшегося места посадки Луны-25 (рис. 1, 2, 3).

 

Рис. 1. Карта видимого полушария Луны: красная звездочка – предполагаемое место падения КА Луна-25; зеленая звездочка – планировавшееся место посадки. Фрагмент гипсометрической карты Луны (Гришакина, 2014).

 

Рис. 2. Геологическая карта южной полярной области Луны: красная звездочка – предполагаемое место падения КА Луна-25; зеленая звездочка – планировавшееся место посадки. Фрагмент геологической карты Луны (Fortezzo и др., 2020).

 

Рис. 3. Место падения КА Луна-25 (красная звездочка немного ниже центра рисунка) на фрагменте карты LAC128WAC; источник: NASA/GSFC/ASU.

 

На рис. 1–3 видно, что предполагаемое место падения Луны-25 находится в материковой области примерно в 35 км к западу от 90-километрового кратера Понтекулан на внутреннем юго-восточном склоне кратера Понтекулан G (Pontécoulant G) диаметром около 40 км. Fortezzo и др. (2020) считают этот кратер вторичным, образованным выбросами из ударных бассейнов нектарианского возраста (подразделение Nbsc). Этот кратер наложен на равнину, образованную выбросами из тоже нектарианских, но более древних бассейнов и кратеров (подразделение Ntp). Реголит в этом месте по составу должен быть типично материковым, похожим на таковой в местах посадки Луны-20 и Apollo-16 (см., например, Флоренский и др., 1981; McKay и др., 1991). Положение вновь образованного кратера на крутом (>20°) склоне предполагает, что за счет движения материала поверхности вниз по склону реголит этого места постоянно перемешивается и должен быть гранулометрически сравнительно незрелым (см., например, Флоренский и др., 1975). Планировавшееся место посадки Луны-25 находится юго-западнее места падения на холмистой местности, сложенной выбросами из кратеров донектарианского возраста (подразделение pNb). На рис. 4 показаны фрагменты LROCNAC-снимков места падения Луны-25.

 

Рис. 4. Предполагаемое место падения КА Луна-25: (а) – снимок, сделанный за три года до падения; (б) – снимок, сделанный через 5 дней после падения. Источник: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/lro-luna-25-impact.

 

На рис. 4 видно, что новообразованный кратер находится на пологоволнистой поверхности с небольшим количеством малых кратеров, что типично для сравнительно крутых лунных склонов. Диаметр наиболее крупного на этом участке поверхности кратера около 35 м. У этого кратера виден четкий, возвышающийся над окружающей поверхностью вал. Снимок M1347915665L, фрагмент которого представлен на рис. 4а, сделан при высоте Солнца над горизонтом около 25°. Верхняя часть внутренних склонов, ориентированных от Солнца, затенена, что означает, что их крутизна более 25°. На освещенной части внутренних склонов видны бугорки поперечником несколько метров, по-видимому, каменные блоки. Эти характеристики позволяют отнести данный кратер к морфологическому классу А-АВ, а его возраст оценить как не более 2.5 млн лет (Базилевский, 2015; Basilevsky, 1976).

Новообразованный кратер виден на рис. 4б, в основе которого снимок M1447547309R. Диаметр этого кратера около 10 м. Данные о характеристиках снимка M1447547309R еще не опубликованы. Но очевидно, что Солнце в момент съемки M1447547309R было несколько выше, чем при съемке M1347915665L. Это следует из того, что тень внутри 35-метрового кратера на рис. 4б немного короче, чем на рис 4а, а светлый ореол выбросов вокруг 10-метрового кратера в северо-западном углу рассматриваемого участка на рис. 4б ярче и больше, чем на рис. 4а. Важно отметить, что у кратера, который, возможно, образован в результате удара Луны-25 и который, конечно, моложе упомянутого кратера, в северо-западном углу рассматриваемого участка светлого ореола почти нет. Виден лишь светлый выброс с юго-западной стороны кратера – примерно вниз по склону.

ОЦЕНКА РАЗМЕРОВ КРАТЕРА, ОБРАЗОВАННОГО УДАРОМ КА ЛУНА-25

Общая теория оценок размеров кратера в лунном реголите по параметрам удара описана в обзоре (Werner and Ivanov, 2015). В этом обзоре на рис. 2а собраны основные данные по лабораторным ударным кратерам в сухом песке (хороший аналог лунного реголита для кратеров больше ~5 м в диаметре). Там же даны ссылки на основные публикации по законам подобия. Для построения приведенных размеров кратеров мы должны предположить скорость удара, наклон траектории, массу и плотность (массу и объем) ударника.

По данным НПО им. С.А. Лавочкина, посадочный блок КА Луна-25 имел массу 1605 кг в заправленном виде (1000 кг из них – топливо), а удар произошел под углом 45°. Если аппарат до удара израсходовал лишь часть топлива, то, по экспертным оценкам НПО, его масса снизилась до 800–1000 кг, если допустить полное расходование – масса при ударе может быть всего ~600 кг. Размеры (“средняя плотность”) аппарата могут быть оценены по фотографии ТАСС, сделанной в сборочном цехе (рис. 5). Максимальную скорость удара можно считать такой же, как для взлетных моделей КА Apollo-12, –14, –15, и приблизительно равной 1.7 км/с (Whitaker, 1972). Минимально возможную скорость примем равной 1 км/с.

 

Рис. 5. КА Луна-25 в сборочном цехе. Снимок Роскосмоса. Источник: https://www.aex.ru/news/2023/7/18/259700/.

 

Считая рост человека за 1.8 м, получим грубую оценку формы аппарата как цилиндра диаметром 1.8 м и высотой 2 м (объем ~5 м³). При таком объеме средняя плотность конструкции оценивается в 0.16–0.2 г/см³. Для сравнения средняя плотность других КА, образовавших кратеры в реголите Луны, оцениваются как: КА Ranger – 0.2 г/см³, ракета Saturn SIVB – 0.027 г/см³, взлетный модуль КА Apollo (–12, –14, –15) – 0.05 г/см³, КА GRAIL – 0.13–0.16 г/см³.

Тогда можно нанести оценки параметров подобия π₂ и π_D на единый график, на который нанесены и оценки по Луне-25, считая, что диаметр кратера, образованный в результате ее удара, равен 10 м (рис. 6).

 

Рис. 6. Приведенные параметры кратеров в лунном реголите, образованных в результате падения КА, в сравнении с лабораторными опытами в сухом песке. Два фиолетовых значка для Луны-25 означают две комбинации величин массы и скорости удара: 1–600 кг и 1 км/с; 2–1000 кг и 1.7 км/с). Данные по искусственным кратерам взяты из (Whitaker, 1972; Plescia и др., 2016) и c сайта NASA (https://moon.nasa.gov/resources/32/grail-impact-sites/; https://www.nasa.gov/content/goddard/nasa-s-lro-spacecraft-captures-images-of-ladee-s-impact-crater).

 

Таким образом, приведенный в сообщении NASA и измеренный на снимке M1447547309R размер кратера (около 10 м) близок к тренду для кратеров, образованных другими КА со схожей “пустотелой” структурой (Rajšić и др., 2021). Судя по соответствию ранее опубликованным данным о кратерах от падения на Луну пустотелых фрагментов космических аппаратов, наиболее подходящим представляется образование кратера значительно заторможенным КА с полностью израсходованным запасом топлива. Подтвердить или отвергнуть такой вывод можно будет после опубликования более полных данных телеметрии и проведения дополнительных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из приведенного выше рассмотрения следует, что описанный в сообщении NASA от 31 августа 10-метровый кратер, показанный на рис 4б, может быть образован ударом Луны-25. Его размер находится на краю интервала оценок, сделанных по законам подобия для ударов в лунный реголит. Отсутствие яркого гало выбросов, типичного для очень молодых лунных кратеров, вероятно, связано с тем, что удар был относительно низкоскоростным, и в данном случае кратер это скорее депрессия вдавливания, и/или с тем, что, возможно, оставшиеся в аппарате около полутонны топлива “запачкали” поверхность около кратера.

Авторы признательны П.Д. Писаренко за помощь в работе.

Работа была финансово поддержана грантом Российского научного фонда № 21–17–00035:

Оценка темпов экзогенного обновления поверхности Луны (для А.Т. Базилевского).

Об авторах

А. Т. Базилевский

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: atbas@geokhi.ru
Россия, Москва

Б. А. Иванов

Институт динамики геосфер РАН

Email: atbas@geokhi.ru
Россия, Москва

В. П. Долгополов

НПО им. С.А. Лавочкина

Автор, ответственный за переписку.
Email: atbas@geokhi.ru
Россия, Химки

Список литературы

Дополнительные файлы