2 marca 2025 r. komercyjny lądownik Blue Ghost firmy Firefly Aerospace podejmie próbę lądowania na Księżycu w Morzu Przesileń (Mare Crisium). To już trzeci statek należący do prywatnej amerykańskiej firmy, wysłany w ramach programu NASA CLPS, w którym stosunkowo tanie i ryzykowne misje realizują usługi dostarczenia naukowych i technologicznych ładunków dla agencji.
CLPS to inicjatywa NASA, zapoczątkowana w 2018 roku. Jej celem jest finansowanie komercyjnego segmentu kosmicznego. NASA nie planuje całych misji i nie wybiera wykonawców, ale organizuje konkurs na dostarczenie własnych ładunków po określonych cenach. W ten sposób agencja jest w stanie wykonywać częściej misje na Księżyc po obniżonych kosztach, ale obarczonych większym ryzykiem niepowodzenia.
W 2024 r. poleciały pierwsze dwie misje. Lądownik firmy Intuitive Machines wykonał z powodu usterek twarde lądowanie, ale mimo to wykonał część badań. Firma Astrobotic wysłała lądownik Peregrine, który doznał awarii napędu jeszcze w drodze na Księżyc i nie podjął nawet próby lądowania, ostatecznie płonąc w ziemskiej atmosferze.
Misja Blue Ghost to 3. misja programu i początek nieco odmienionego podejścia. Można odnieść wrażenie, że stawka misji jest większa, bo leci na niej aż 10 ładunków NASA, część z nich o dużej wartości. Firma Firefly Aerospace może stać się pierwszą, która jako komercyjny podmiot wykona w pełni kontrolowane miękkie lądowanie na Księżycu.
Zdjęcie Księżyca wykonane przez lądownik Blue Ghost z orbity wokółksiężycowej. Po lewej stronie widoczny południowy biegun Księżyca. Źródło: Firefly Aerospace.
Lądownik ma dotknąć powierzchni o 2 marca 2025 r. o 9:34 czasu polskiego. Celem jest Mare Crisium, a konkretnie obiekt Mons Latreille w pobliżu zachodniej krawędzi morza. Morze Przesileń jest szeroką na 500 km równiną wypełnioną bazaltem, znajdującą się w północno-wschodniej ćwiartce widocznej z Ziemi strony Księżyca. Ciekawa geologia z pradawnymi strumieniami wulkanicznymi i stosunkowo łatwy teren były głównymi powodami wyboru tego miejsca.
O lądowniku
Blue Ghost to lądownik o całkowitej masie z paliwem 1500 kg. Ma wysokość około 2 m i 3,5 m szerokości. Struktura lądownika bazuje w dużym stopniu na kompozytach węglowych i stopach lekkich metali. W centralnej części lądownika, w tzw. korpusie znajduje się awionika, akumulatory i montaż większości eksperymentów.
System napędowy Blue Ghost bazuje na hipergolicznej mieszance paliwowej: monometylohydrazynie (MMH) i mieszance tlenków azotu (MON-3). Paliwo jest ciśnieniowane za pomocą helu. Główny silnik wytwarza w próżni ciąg około 1000 N. Towarzyszy mu zestaw 8 silników kontroli reakcyjnej RCS o łącznym ciągu 1600 N. System dopełnia 12 silniczków ACS kontroli orientacji na sprężony gaz.
Energię elektryczną lądownik pozyskuje z zestawu trzech paneli słonecznych na dachu i dwóch bocznych ścianach korpusu. Łączna moc dostarczana wynosi około 400 W, przy czym przy idealnej ekspozycji może sięgać 650 W. Energia jest przechowywana za pomocą baterii litowo-jonowych. Zestaw podgrzewaczy elektrycznych w połączeniu z izolacją termiczną mają zapewnić statkowi przetrwanie przynajmniej kilku godzin po zachodzie słońca i rozpoczęciu nocy księżycowej.
Lądownik podczas tranzytu w kierunku Księżyca. Na zdjęciu w tle Ziemia, odbijająca się w panelu słonecznych. Widoczny teleskop LEXI i antena wysokiego zysku pasma X. Źródło: Firefly Aerospace.
System naprowadzania, nawigacji i sterowania (GNC) został zbudowany dla lądownika przez firmę Rocket Lab. W jej skład wchodzą m.in. jednostki pomiarów inercyjnych IMU i szperacze gwiazd.
Najbardziej krytyczna faza misji to oczywiście lądowanie. Podobnie jak poprzednie komercyjne lądowniki, również Blue Ghost posiada system wizyjny względnej nawigacji terenowej Terrain Relative Navigation (TRN). To para kamer od firmy Redwire, które będą na bieżąco wykonywały zdjęcia powierzchni księżycowej, a komputer pokładowy będzie porównywał fotografie do własnej mapy terenu aby poprawić ocenę lokalizacji, ale też w ostatecznej fazie wykryć ryzyka i wybrać bezpieczne miejsce lądowania, dostosowując trajektorię. Najpewniej sonda korzysta też z radaru lub lidaru do szacowania wysokości.
Za komunikację z lądownikiem odpowiada jedna antena wysokiego zysku pasma X i trzy anteny niskiego zysku pasma S. Antena pasma X jest kierunkowa i używana do ściągania cięższych danych naukowych z instrumentów, anteny pasma S służą telemetrii i wysyłaniu komend do lądownika.
Jak będzie przebiegało lądowanie?
63 minuty przed lądowaniem jeśli wszystkie systemy będą działać prawidłowo, lądownik wykona manewr Descent Orbit Insertion, który efektywnie skieruje go na trajektorię zniżania do powierzchni Księżyca. W tej fazie statek nie będzie używał głównego silnika, a jedynie mierzył swoją pozycję za pomocą tradycyjnej nawigacji inercyjnej i nawigacji optycznej.
Grafika prezentująca fazy zniżania i lądowania Blue Ghost. Źródło: Firefly Aerospace.
Na wysokości 20 km, na 11 minut przed lądowaniem rozpocznie się hamowanie. W czasie niecałych 10 minut statek będzie musiał obniżyć swoją prędkość względem Księżyca z 1,7 km/s do 40 m/s. Do tego celu użyje głównego silnika i działających pulsowo silników RCS.
Ostateczna faza zniżania rozpocznie się 100 sekund przed lądowaniem. Blue Ghost powinien być wtedy na wysokości około 500 m. Zostanie wyłączony silnik główny, sam lądownik powinien już stabilnie obniżać się pionowo w dół, a utrzymanie prędkości będzie dokonywane odpaleniami silników RCS.
W trakcie tej fazy lądownik też „zawiśnie” na ustalonej wysokości i pozwoli komputerowi pokładowemu przeliczyć bezpieczną elipsę lądowania, do której się skieruje.
11 sekund przed lądowaniem statek powinien obniżać się ze stałą prędkością pionową 1 m/s, aż do kontaktu 4 nóg lądownika z powierzchnią. Nogi mają specjalne struktury plastra miodu by zaabsorbować prędkość pionową i są wyposażone w czujniki, które odetną działanie silników by nie doprowadzić do odbicia się lub przewrócenia pojazdu.
Ładunek naukowy i technologiczny
Blue Ghost ma na sobie 10 ładunków naukowych i technologicznych od NASA. Poniżej wymieniamy wszystkie z krótkim opisem.
LISTER (Lunar Instrumentation for Subsurface Thermal xploration with Rapidity). Próbnik ciepła od Noneybee Robotics, który ma wwiercić się do 3 m wgłąb regolitu i zbadać gradient temperatury i przewodniość cieplną zewnętrznych warstw Księżyca. Badania pozwolą zbadać jak w tej chwili wygląda emisja ciepła z wnętrza Księżyca, co przyczyni się lepszemu zrozumieniu jak jest zbudowany i jak wyglądał kiedyś na nim wulkanizm i obecne mechanizmy ochładzania.
LPV (Lunar PlanetVac). Pneumatyczny zbieracz regolitu, będący w zasadzie miniodkurzaczem. Zbudowany przez Honeybee Robotics wraz z Blue Origin jest demonstracją technologiczną efektywnego pobierania próbek regolitu bez konieczności posiadania ramienia robotycznego. LPV w przeciwieństwie do odkurzacza najpierw dmuchnie w regolit, by potem dopiero wzbudzony pył wciągnąć. LPV ma sita i specjalne płytki z kamerą za pomocą których zostanie zbadana struktura i rodzaj wciągniętego materiału. To pierwsze tego typu urządzenie wysłane w kosmos.
NGLR (Next Generation Lunar Retroreflector). Zestaw zwierciadeł zbudowany przez Uniwersytet w Maryland. Urządzenie będzie stanowiło cel dla laserów na Ziemi do bardzo dokładnych pomiarów orbity Księżyca. To aktualizacja retroreflektorów pozostawionych przez misje programu Apollo. Niewielkie odchylenia orbity Księżyca mogą wiele powiedzieć o jego strukturze, zmianach, a także testować teorie kosmologiczne związane np. z ciemną materią.
RAC (Regolith Adherence Characterization). Eksperyment z dziedziny inżynierii materiałów od firmy Aegis Aerospace. Składa się z wielu płytek z różnych materiałów stosowanych często w sondach kosmicznych i kamery, która będzie śledziła, które z nich kurzyć się będą najbardziej przez zjawisko adhezji. Adhezja pyłu księżycowego jest poważnym problemem realnie niszczącym sprzęt. Regolit księżycowy łatwo się elektryzuje i ma ostre krawędzie ułatwiające przyleganie do powierzchni.
Instrument RAC zintegrowany z lądownikiem. Źródło: Firefly Aerospace.
RadPC (Radiation Tolerant Computer). Eksperyment komputerowy od Uniwersytetu Stanowego Montana. RadPC to komputer zbudowane z powszechnie dostępnych w sklepach zestawów reprogramowalnych macierzy FPGA. Ma sprawdzić jak skuteczne może być samonaprawianie się układów logicznych poprzez ich przeprogramowywanie w architekturze FPGA. Inżynierowie chcą wiedzieć czy tańsze zabezpieczenia w postaci specjalnej architektury mogą być tak samo niezawodne jak fizyczne i sprzętowe zabezpieczenia stosowane w „klasycznych” przystosowanych do kosmosu procesorach.
EDS (Electrodynamic Dust Shield). Technologia aktywnego niwelowania pyłu regolitowego zbudowana przez Kennedy Space Center. Jest to płytka, która używać będzie pole elektryczne by usuwać i zapobiegać akumulacji pyłu księżycowego. EDS zostanie przetestowany na dwóch powierzchniach na Blue Ghost: panelu szkalanym i radiatorze. EDS zostanie wypuszczony przez „piątą” nogę lądownika blisko powierzchni, by zwiększyć ekspozycję na pył.
LEXI (Lunar Environment Helispheric X-ray Imager). Teleskop miękkiego promieniowania rentegnowskiego zbudowany przez Uniwersytet w Bostnie wraz z ośrodkami NASA Goddard i APL. LEXI spojrzy w ziemską magnetosferę i jej interakcję z wiatrem słonecznym. Po raz pierwszy dostaniemy w świetle rentegnowskim pełny obraz naszej ochrony magnetycznej. Naukowcy chcą lepiej zrozumieć jak magnetosfera zmienia się pod wpływem działania Słońca by lepiej przewidywać zdarzenia pogody kosmicznej, wpływającej głównie na satelity i naziemne sieci energetyczne.
Teleskop LEXI. Źródło: Firefly Aerospace.
LMS (Lunar Magnetotelluric Sounder). Southwest Research Institute wysyła instrument geofizyki. LMS będzie mierzył zmiany pola magnetycznego I elektrycznego w miejscu lądowania. Wszelkie flkutuacje mogą być powodowane przez interakcje z ziemską magnetosferą, wiatr słoneczny i odpowiedzi przewodzącego prąd wnętrza Księżyca. Mierząc anomalie można pośrednio zmierzyć profli przewodzenia elektrycznego skorupy księżycowej i płaszcza co z kolei pośrednio mówi nam o jego składzie i temperaturze.
LuGRE (Lunar GNSS Receiver Experiment). Demonstrator technologii nawigacyjnej zbudowany przez NASA z włoską agencją kosmiczną ASI. LuGRE spróbuje odebrać sygnał z satelitów nawigacyjnych GPS i Galileo. Jeszcze nigdy tego nie dokonano, bo wymaga to bardzo czułych odbiorników i wzmacniaczy, a sam sygnał nawigacyjny nie jest przez te satelity kierowany na Księżyc. Główny cel to ustalenie położenia sondy za pomocą sygnału i sprawdzenie w jakim zakresie można na tym polegać (np. jak często da się odbierać lokalizację w ten sposób).
SCALLPS (Stereo Cameras for Lunar Plume-Surface Studies). System kamer od ośrodka NASA Langley Research Center do rejestrowania efektu działania odrzutu silników rakietowych na powierzchnię Księżyca. Dwie kamery zapewnią stereoskopowy obraz podczas zniżania się lądownika. Naukowcy wykorzystają dane, by odtworzyć widok 3D wpływu odrzutu na regolit – ile regolitu zostaje wyrzucone, jak daleko wyrzucony regolit podróżuje i jaki krater przez to powstaje. To kluczowe badanie dla przyszłych misji, które będą wykorzystywały znacznie większe lądowniki jak np. załogowy księżycowy Starship od SpaceX.
Podsumowanie
Misja lądownika Blue Ghost, realizowana przez prywatną firmę Firefly Aerospace we współpracy z NASA, zbliża się do krytycznego momentu. Udane lądowanie Blue Ghost będzie nie tylko wielkim sukcesem dla Firefly Aerospace, ale także dla całego sektora prywatnego, który od zeszłego roku próbuje wylądować miękko na Księżycu. Być może do trzech razy sztuka...
Sukces tej misji może utorować drogę dla przyszłych komercyjnych przedsięwzięć księżycowych, wspierając jednocześnie cele NASA związane z długoterminową eksploracją i wykorzystaniem zasobów Srebrnego Globu.
Opracowanie: Rafał Grabiański
Na podstawie: NASA/Firefly Aerospace
Na zdjęciu tytułowym: Widok z lądownika Blue Ghost podczas działania na niskiej orbicie wokółksiężycowej (100 km). Źródło: Firefly Aerospace.
