Космические аппараты исследуют Луну

МЯГКАЯ ПОСАДКА И ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЛУНЫ

Первые зондирующие, разведочные, полеты к Луне не только принесли много интересных и ценных научных результатов, но и помогли сформулировать новые направления исследований нашей ближайшей космической соседки. На повестку дня встал вопрос об изучении глобальных свойств этого космического тела, а также проведение исследований по выявлению региональных особенностей строения лунной поверхности.

Для решения этих задач необходимо было создать космические аппараты, способные доставлять научную аппаратуру в различные районы Луны или проводить длительные исследования в окололунном пространстве с орбит ее искусственных спутников. Возник целый комплекс научно-технических проблем, связанных с обеспечением большей точности выведения космических аппаратов на необходимые для этого траектории полета, с проведением контроля и управления их движением, с разработкой методов и созданием средств ориентации космических аппаратов по небесным телам и компактных, надежных и эффективных ракетных двигателей, позволяющих выполнять многоразовое включение и допускающих регулировку тяги в широких пределах (для проведения коррекции траекторий движения и торможения при выполнении мягкой посадки или перехода на орбиту ИСЛ).

К станциям этого поколения относились АС «Луна-9, -13», осуществившие мягкие посадки на Луку, а также «Луна-10, -11, -12, -14», выведенные на окололунные орбиты (см. Приложение). Они включали в себя жидкостный реактивный двигатель и баки с топливом, контейнер с научной аппаратурой и с системами для обеспечения ее функционирования, а также радиооборудование для передачи команд с Земли на АС и информации с АС на Землю, автоматические устройства, обеспечивающие работу всех агрегатов в определенной последовательности.

В зависимости от полетного задания (мягкая посадка на Луну или выведение станции на окололунную орбиту) варьировался набор служебных систем и режим их работы, состав научной аппаратуры и ее компоновка.

Советская станция «Луна-9» стала первым в истории человечества космическим аппаратом, совершившим мягкую посадку на Луну. Комплекс устройств, обеспечивший доставку контейнера с аппаратурой на лунную поверхность, включал в себя корректирующе-тормозную двигательную установку, радиоустройства и агрегаты системы управления, источники энергопитания.

Двигательная установка АС состояла из однокамерного ЖРД и управляющих сопел, сферического бака окислителя, являющегося основным силовым элементом станции, и тороподобного бака горючего. В двигателе использовалось топливо, состоящее из азотнокислотного окислителя и горючего на основе аминов. Подача компонентов в камеру сгорания осуществлялась турбонасосным агрегатом. ЖРД развивал тягу 4640 кг при давлении в камере сгорания около 64 кг/кв. см. Двигательная установка обеспечивала двухразовое включение, необходимое для проведения коррекции траектории во время перелета и торможения перед посадкой. При коррекции двигатель работал с постоянной тягой, а при посадке ее величина регулировалась в широком диапазоне.

Автоматические устройства, обеспечивающие операции в процессе всего полета, устанавливались в герметизированном отсеке, а блоки, необходимые только при перелете к Луне (до выполнения посадочных операций), размешались в специальных отсеках, сбрасываемых перед началом торможения. Такая компоновочная схема позволяла значительно уменьшить массу служебных систем перед посадкой и значительно увеличить массу полезного груза.

Заключительный этап полета (рис. 3) начался за 6 ч до посадки — после передачи на борт АС данных для настройки системы управления. За 2 ч до встречи с Луной по радиокомандам с Земли была проведена подготовка систем к торможению. Порядок дальнейших операций разрабатывался логическими бортовыми устройствами системы управления, которая также обеспечивала ориентацию станции на основании работы оптических датчиков слежения за Землей и Солнцем (при этом ось двигателя была направлена на центр Луны).

После того как радиовысотомер зарегистрировал, что высота АС над поверхностью составляет около 75 км, ЖРД включился на торможение. При запуске ЖРД произошло отделение сбрасываемых отсеков, причем стабилизация АС осуществлялась при помощи управляющих сопел, использующих отработанный газ турбонасосного агрегата. Величина тяги двигателя регулировалась по определенному закону, так чтобы были достигнуты необходимая посадочная скорость и выход станции в конце торможения на заданную высоту над лунной поверхностью.

В связи с тем что ко времени полета АС «Луна-9» точных данных о свойствах лунной поверхности не было, система посадки рассчитывалась на широкий диапазон характеристик грунта — от скального до очень рыхлого. Посадочный контейнер станции был помещен в эластичную оболочку, которая перед прилунением надувалась сжатым газом. Непосредственно перед контактом с Луной шаровая оболочка с заключенным в ней контейнером была отделена от приборного отсека, упала на поверхность и, несколько раз подпрыгнув, остановилась. При этом она распалась на две части, была отброшена, а спускаемый аппарат АС оказался на грунте.

Рис. 3. Схема полета автоматической станции «Луна-9»

Спускаемый аппарат АС «Луна-9» по форме близок к шару. Снаружи к нему прикреплены четыре лепестковые антенны, а также четыре штыревые антенны с подвешенными на них эталонами яркости (для оценки альбедо поверхности в месте посадки) и три двухгранных зеркала. В верхней части контейнера располагалась телевизионная камера.

В полете антенны и зеркала находились в сложенном состоянии. Верхняя часть спускаемого аппарата закрыта лепестковыми антеннами (при этом он имел яйцевидную форму). Его центр тяжести располагался в нижней части, что обеспечивало правильное положение на грунте — практически при любых условиях посадки.

Через 4 мин после посадки по команде от программного устройства раскрылись антенны, и аппаратура была приведена в рабочее состояние. Открытые лепестки служили для передачи информации, а штыревые антенны использовались для приема сигналов с Земли. Во время полета прием и передача радиосигналов велись через лепестковые антенны.

Масса спускаемого аппарата около 100 кг, диаметр и высота (при раскрытых антеннах) — 160 и 112 см.

Для получения изображений лунного ландшафта на АС «Луна-9» была установлена оптико-механическая система, включающая в себя объектив, диафрагму, формирующую элемент изображения, и подвижное зеркало. Качаясь в вертикальной плоскости, что создавалось с помощью специального профилированного кулачка, зеркало осуществляло строчную развертку, а его движение в горизонтальной плоскости обеспечивало кадровую панорамную развертку. Оба эти движения производились одним электродвигателем со стабилизированной скоростью вращения. Причем развертывающее устройство камеры имело несколько режимов работы: передача могла вестись со скоростью одна строка в 1 с при времени полной передачи панорамы 100 мин, но мог использоваться также и ускоренный обзор окружающей местности. В этом случае время передачи панорамы сокращалось до 20 мин.

Вертикальный угол зрения камеры был выбран равным 29° — 18° вниз и 11° вверх от плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры. Это делалось для того, чтобы получать преимущественно изображение поверхности. Поскольку вертикальная ось спускаемого аппарата при его посадке на горизонтальную площадку, имела наклон 16°, в поле зрения телекамеры попадали участки поверхности, начиная с расстояния 1,5 м, и поэтому объектив был сфокусирован для получения резкого изображения от 1,5 м до «бесконечности».

Температурный режим спускаемого аппарата обеспечивался эффективной защитой контейнера от влияния внешней среды и отводом избыточного тепла в окружающее пространство. Первая задача решалась с помощью имеющейся на корпусе тепловой изоляции, вторая — с помощью активной системы терморегулирования. Внутренний объем герметичного приборного отсека заполнялся газом, и при его перемешивании тепло от оборудования передавалось специальным бачкам с водой. При повышении температуры сверх необходимой нормы открывался электроклапан, происходило испарение воды в вакуум и осуществлялся отвод тепла от радиаторов. Для устранения перегрева телекамеры на ее верхней части устанавливался теплоизолирующий экран, наружная же поверхность покрывалась позолотой.

Аналогичной конструкцией обладала и «Луна-13» (рис. 4) — вторая советская станция, опустившаяся на Луну. В ее задачу входило первое непосредственное приборное исследование физических характеристик лунной поверхности, для чего использовались грунтомер-пенетрометр, радиационный плотномер, радиометры, система акселерометров.

Грунтомер-пенетрометр состоял из пластмассового корпуса, нижняя часть которого являлась кольцевым штампом с наружным диаметром 12 см и внутренним- 7,15 см, а также из титанового индснтора с нижней частью, выполненной в виде конуса (угол у вершины конуса 103°, диаметр основания 3,5 см). Грунтомер был закреплен на конце выносного механизма, представляющего собой складной многозвенник, раскрывающийся под действием пружины и обеспечивающий вынос прибора на расстояние 1,5 м от станции.

Рис. 4. Автоматическая станция «Луна-13»

После того как прибор был установлен в рабочем положении, подавалась команда на запуск твердотопливного ракетного двигателя с заданными тягой и временем работы, размешенного в корпусе индентора. Глубина погружения индентора в грунт регистрировалась с помощью потенциометра со скользящим контактом. Оценка механических свойств лунного грунта проводилась на основании результатов лабораторных исследований земных грунтов-аналогов, а также экспериментов в вакуумной камере и на борту самолета, летящего по траектории, позволяющей имитировать ускорение силы тяжести на Луне.

Радиационный плотномер предназначался для определения плотности поверхностного слоя грунта до глубины 15 см. Датчик плотномера крепился на выносном механизме и укладывался на грунт, а полученные показания поступали на электронный блок, находящийся а герметичном корпусе станции, и по каналам телеметрии передавались на Землю. Датчик плотномера включал в себя источник гамма-излучения (радиоактивный изотоп), а также счетчики для измерения регистрации «лунных» гамма-квантов: гамма-излучение от источника, падая на грунт, частично им поглощалось, но частично рассеивалось и попадало на счетчики. Для того чтобы устранить непосредственное попадание излучения источника на счетчики, между ними и изотопным источником был помещен специальный свинцовый экран. Расшифровка показаний датчика велась на основании наземной тарировки прибора, использующей различные материалы в диапазоне плотности р(ро)=0,16-2,6 г/куб. см.

Измерение теплового потока от лунной поверхности проводилось четырьмя датчиками, расположенными так, чтобы по крайней мере один из них никогда не затенялся самой станцией и его входное отверстие не было направлено на Солнце или в небо. Датчики радиометра были укреплены на шарнирных кронштейнах, сложенных во время полета и раскрывающихся при открытии лепестковых антенн станции (после посадки на поверхность Луны).

Динамографом являлась система их трех акселерометров, ориентированных по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Акселерометры располагались на приборной раме внутри спускаемого аппарата; их сигналы, соответствующие длительности и величине динамической перегрузки, поступали на интегрирующее и запоминающее устройство и передавались на Землю при помощи радиотелеметрической системы.

Полетом советской АС «Луна-9» начался новый этап селенологии — этап проведения экспериментов непосредственно на поверхности Луны. Комплекс данных о лунной поверхности, полученных станцией «Луна-9», положили конец спорам о структуре и прочности верхних слоев грунта. Было доказано, что поверхность Луны обладает достаточной прочностью, чтобы не только выдержать статический вес аппарата без существенных деформаций, но и «устоять» после его удара при посадке на лунную поверхность. Анализ панорам выявил характер структуры лунного грунта и распределение на нем мелких кратеров и камней. Очень важно, что впервые стало возможным рассмотреть детали поверхности с размерами 1–2 мм, а случайное смещение станции позволило получить стереопару к первой панораме; при анализе стереоснимка удалось точнее понять рельеф поверхности. Оказалось, что он является более плавным, чем представлялось ранее по данным наземных наблюдений.

Станция «Луна-13» принесла первые объективные количественные данные о физико-механических характеристиках лунного грунта, полученные непосредственными измерениями. Новая информация не только имела большое научное значение, но и использовалась в дальнейшем для расчета элементов конструкции значительно более крупных станций следующего поколения, способных нести на себе буровое оборудование, ракеты «Луна-Земля», доставившие лунный грунт на Землю и автоматические лаборатории «Луноход».

Рис 5. Автоматическая станция «Луна-10»

Искусственные спутники Луны этого периода имели значительную по тогдашним понятиям массу и были оборудованы многочисленными научными приборами. Например, масса ИСЛ — «Луна-10» составляла 245 кг, тогда как масса спускаемого аппарата станции «Луна-9» была около 100 кг. Увеличение массы АС с ИСЛ по сравнению с другими объясняется тем, что для выполнения маневра перевода космического аппарата на окололунную орбиту требуется значительно меньше топлива, чем при осуществлении мягкой посадки на Луну, и поэтому за счет топливной «экономии» можно поместить на такую АС больше приборов.

Искусственные спутники Луны имели на своем борту научные приборы, радиооборудование, источники электропитания и т. д. Необходимый тепловой режим поддерживался с помощью специальной системы терморегулирования. В состав научного оборудования ИСЛ могли входить весьма разнообразные приборы. На станции «Луна-10» (рис. 5), например, устанавливались: магнитометр для уточнения нижнего предела магнитного поля Луны, гамма-спектрометр для изучения спектрального состава и интенсивности гамма-излучения пород, слагающих поверхность Луны, приборы для регистрации корпускулярного солнечного и космического излучений, заряженных частиц земной магнитосферы. ионные ловушки для исследования солнечного ветра и лунной ионосферы, датчики для регистрации микрометеоритов на трассе перелета Земля-Луна и в окрестности Луны, инфракрасный датчик для регистрации теплового излучения Луны.

В состав научного бортового оборудования станции «Луна-11» входили приборы для регистрации гамма- и рентгеновского излучений поверхности (что позволяло получать данные по химическому составу лунных пород), датчики для изучения характеристик метеорных потоков и жесткой корпускулярной радиации в окололунном пространстве, приборы для измерения длинноволнового космического радиоизлучения.

Одной из основных задач третьего советского ИСЛ- автоматической станции «Луна-12» — было выполнение крупномасштабного фотографирования поверхности Луны, проводимого с различных высот орбиты ИСЛ. Площадь, охватываемая каждым снимком, равнялась 25 кв. км, и на них можно было различить детали поверхности размерами 5-20 м. Фототелевизионное устройство автоматически обрабатывало пленку и затем передавало изображения на Землю. Кроме фотографических экспериментов станция продолжала исследования, начатые и полетах предыдущих станций.

Автоматические аппараты, находящиеся на окололунных орбитах, являются эффективным инструментом выявления глобальных особенностей строения Луны, характеристик и свойств ее поверхности, изучения окололунной среды. Например, к фундаментальным исследованиям, проведенным с орбит искусственных спутников Луны, относится определение глобальных характеристик химического состава лунных пород. Выяснение же состава пород, слагающих поверхность Луны, давало ключ к проверке геохимических представлений об эволюции небесных тел.

Для дистанционного анализа химического состава лунного грунта предлагался целый ряд методов. Среди них и регистрация нейтронов, возникающих при взаимодействии космических лучей с веществом поверхности, измерение рентгеновского излучения, возбуждаемого солнечной радиацией, и некоторые другие. На АС «Луна-10» был установлен сцинтилляционный гамма-спектрометр, измерявший спектр лунного гамма-излучения. За время его работы на борту этого ИСЛ было получено девять спектров гамма-излучения в двух интервалах энергий 0,15-0,16 и 0,3–3,2 МэВ, а в 39 точках лунной поверхности была измерена интенсивность излучения в интервале энергий 0,3–0,7 эВ.

Сопоставление полученных спектров с калибровочными, а также со спектрами земных материалов показало, что поверхность Луны в глобальном масштабе слагают породы, имеющие базальтовый характер. В результате были отброшены предположения о том, что поверхность Луны имеет гранитный или ультраосновной состав, а также что она выстлана слоем хондритовых метеоритов или тектитами. Тем самым был получен важный аргумент в пользу магматического происхождения лунных пород.

Фотографическая съемка лунной поверхности использовалась для астрономоселенодезического и селенографического изучения Луны при проведении картографических работ. Полученные изображения (с различным разрешением) деталей поверхности позволили изучить характеристики лунного рельефа, распределение и особенности строения тектонических структур, последовательность лавовых излияний в морских районах.

Несколько магнитографических разрезов окололунного пространства, выполненных с помощью магнитометров ИСЛ, позволили выявить наличие слабого магнитного поля, вызванного взаимодействием Луны с солнечным ветром. Плазменные эксперименты положили начало изучению распределения заряженных частиц и условий их существования в окололунном пространстве как части общих закономерностей, свойственных процессу взаимодействия плазмы солнечного ветра с планетами Солнечной системы.

Анализ изменения параметров движения ИСЛ, проводимый наземными радиотехническими комплексами при полете космических аппаратов по различным орбитам, давал возможность провести предварительное определение гравитационного поля Луны. Оказалось, что возмущения движения станции за счет нецентральности поля тяготения Луны в 5–6 раз превышают возмущения, вызванные притяжением Земли и Солнца. Была установлена несимметричность поля на видимой и обратной сторонах Луны.

Систематические длительные наблюдения за изменением параметров орбиты позволили значительно уточнить отношение масс Луны и Земли, форму Луны и ее движение.

Полеты ИСЛ принесли значительный объем информации об условиях прохождения и стабильности радиосигналов, передаваемых с Земли на борт АС и обратно. Были получены очень интересные сведения о характеристиках отражения радиоволн поверхностью Луны, что позволило не только выявить изменение характеристик отражения радиоволн, но и оценить диэлектрическую проницаемость и плотность вещества различных районов Луны.