Как будет работать интернет на Луне: готовимся к освоению спутника Земли
Едва придя к власти, администрация бывшего президента США Дональда Трампа объявила об очередном развороте космической программы страны и анонсировала амбициозную программу по возвращению людей на Луну – теперь уже навсегда. Ожидалось, что триумфальные полеты станут эффектным финалом второго президентского срока Трампа, однако история пошла другим путем. После победы демократов во главе с Джо Байденом лунная программа NASA стала пробуксовывать. Но прежние планы далеко не оставлены, и до конца 2020-х США совместно с партнерами готовят несколько беспилотных и пилотируемых экспедиций, а также развертывание окололунной станции Lunar Gateway.
Свои миссии к Луне планируют Россия, Китай и другие страны: всего до 2030 г. туда должны отправиться почти сто кораблей и аппаратов. Разумеется, что далеко не все из них будут реализованы, но это лишь задержит почти неизбежный финал: строительство обитаемой базы и постоянное присутствие людей на естественном спутнике Земли. Задача непростая: персоналу потребуется надежное и комфортное укрытие, и все положенные блага цивилизации. Связь среди них занимает далеко не последнее место.
Флотилия «Андромеда»
В прошлом участники миссий Apollo обходились обычной радиолинией, но на новом уровне освоения Луны этого уже недостаточно. Такая связь требует прямой видимости и недоступна на обратной стороне спутника, в окрестностях полюсов и просто в тех участках поверхности, где Землю заслоняет скала или вал ударного кратера. Вдобавок, для этого необходимы мощные передатчики с усилителями и большими антеннами, способные непосредственно коммуницировать со станциями на Земле. Для организации полноценной системы связи нужны другие решения.
Над таким проектом Лаборатория реактивного движения (JPL) NASA работает совместно с итальянской аэрокосмической компанией Argotec. Система Andromeda будет использовать флотилию окололунных аппаратов (ими занимаются итальянцы), оснащенных инструментами для организации сети связи (эта часть лежит на плечах JPL). Группировка обеспечит связь между всеми абонентами на Луне, а также послужат передаточным «хабом» для обмена данными с Землей. Кроме того, те же аппараты могут стать основой для организации «лунного GPS», системы навигации для работы людей и роботов на спутнике. Небольшие задержки во времени прихода сигналов от разных аппаратов до антенны, находящейся на поверхности Луны, даст возможность триангулировать ее положение и вычислить координаты.
Расчетные орбиты
По плану, группировка должна включить 24 аппарата, движущихся по четырем орбитам, по шесть спутников на каждой. Наклонение орбит друг относительно друга составит около 57°, перицентры (нижние точки орбиты) их находятся в 720 км над поверхностью Луны, апоцентры (верхние точки) – на высоте 8090 км. Для связи на Земле это были бы средние околоземные орбиты – на таких работает, например, система спутниковой связи OneWeb. И хотя расстояние до спутников будет доходить до тысяч километров, оно останется несравнимо малым в сравнении с дистанцией до Земли и обратно – почти 400 тыс. км в одну сторону. Это резко снижает требования к мощности передатчиков, которыми будут пользоваться люди и роботы на Луне.
Полный оборот будет занимать 12 часов, но, как и любые тела, которые движутся по таким вытянутым эллиптическим орбитам, нижние участки спутники будут проходить намного быстрее, чем верхние. Поэтому плоскости орбит расположены таким образом, чтобы максимально долго оставаться над ключевыми районами будущей активности людей. В итоге лунные полюса (где находятся приличные запасы воды, которые делают их особенно привлекательными для строительства обитаемой базы) будут видимы хотя бы одним спутником не менее 94 процентов времени, и не менее 79 процентов – сразу тремя, что необходимо для навигации. Для сравнения, приэкваториальные области будут покрыты одним спутником 89 процентов времени.
По ту сторону
Разработчики системы Andromeda уделяют особое внимание обратной стороне Луны. Постоянно жить и работать на ней в обозримое время люди вряд ли будут, однако именно там планируется построить мощные астрономические инструменты, которые будут собирать огромные массивы данных, нуждающихся в отправке на Землю для обработки. Радиотелескопы на обратной стороне Луны будут экранированы всей массой спутника от шума, который исходит с Земли, а сравнительно слабая гравитация позволит построить их по-настоящему огромными, чтобы увидеть Вселенную с беспрецедентным разрешением.
Пока что ученые прорабатывают два таких проекта: LCRT (Lunar Crater Radio Telescope, «Радиотелескоп в лунном кратере») и FARSIDE (Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets, «Массив на обратной стороне для радиоволновых исследований "темной эпохи" и экзопланет»). LCRT – это километровых размеров антенна, которую можно будет подвесить в «фокусе» 4-километрового кратера, чтобы тот послужил естественным рефлектором для радиоволн. LCRT сможет работать с наиболее длинными волнами, которые на Земле невидимы, поскольку блокируются ионосферой нашей планеты.
FARSIDE проектируется как радиоинтерферометр, то есть массив из множества отдельных антенн, собранных в единую систему высокого разрешения. FARSIDE будет использовать 128 таких антенн, расположенных на пространстве диаметром около 10 км, соединенных с общим центром для питания, хранения и первичной обработки данных. Именно отсюда будет происходить обмен информацией между телескопом и спутниками связи, чтобы те отправили данные дальше, на Землю.
Спутники над спутником
Орбитальная платформа, над которой работают итальянские инженеры из Argotec, сравнительно невелика. Существующий прототип имеет массу 55 кг массы и размеры 44 х 40 х 37 см, без учета развернутых антенн и панелей солнечных батарей. На борту находится созданная в JPL система четырехканальной радиосвязи: один канал в сантиметровом К-диапазоне обеспечивает коммуникации с Землей (100 Мбит/с при отправке со спутника и 30 Мбит при приеме), а остальные предназначены для связи с абонентами внизу, на Луне.
Их работу обеспечивают три антенны: одна выдвигаемая, 50-сантиметровой длины, для общения с Землей в К-диапазоне, и три фиксированные антенны более длинного S-диапазона для обмена данными с Луной. Идет разработка стандартных протоколов, на основе которых спутники будут общаться друг с другом и с абонентами. Однако даже когда флотилия подобных аппаратов развернется над Луной, это будет лишь первое поколение местной связи.
В дальнейшем группировку Andromeda могут дополнить сетью станций и ретрансляторов на поверхности спутника. С их помощью «лунный интернет» сможет перепрыгнуть сразу через несколько ступенек и приблизиться к возможностям 5G, которые только сегодня развертываются на Земле. Такая сеть обеспечит скоростной обмен информацией, дистанционное управление машинами и автономную работу роботов – все то, без чего полноценное освоение Луны вряд ли возможно.