Земля – космос – Луна

ПЕРВЫЕ ПОЛЕТЫ К ЛУНЕ («ЛУНА-1» И «ЛУНА-2»)

Запуск ракеты на Луну является весьма сложной научной и технической проблемой.

Для полета к Луне необходимо было создание совершенной многоступенчатой ракеты с мощными ракетными двигателями, работающими на высококалорийном топливе, особо точной системы управления полетом ракеты, наземного стартового оборудования и автоматического измерительного комплекса для слежения за полетом ракеты.

Траектория полета к Луне состоит из трех частей: участка разгона, на котором под действием тяги двигателей ракета выводится в определенную точку пространства, приобретая необходимую скорость, участка свободного полета, который начинается после выключения двигателя последней ступени ракеты и отделения станции, а также участка полета под действием притяжения Луны.

На участке разгона, чтобы преодолеть земное притяжение, космическая ракета должна набрать скорость, чуть большую, чем вторая космическая скорость, которая У поверхности Земли составляет 11,19 километра в секунду. Эта скорость, называемая также параболической скоростью, является критической в том смысле, что при меньших скоростях, называемых эллиптическими, тело либо становится спутником Земли, либо, поднявшись на некоторую предельную высоту, возвращается на Землю. При скоростях, больших второй космической скорости (гиперболических скоростях) или равных ей, тело способно преодолеть земное тяготение и навсегда удалиться от нашей планеты.

На участке свободного полета до сближения станции с Луной основное влияние на ее движение оказывает сила притяжения Земли, уменьшающая скорость движения станции примерно до 2 километров в секунду у Луны. Вследствие этого траектория движения ракеты относительно центра Земли очень близка к гиперболе, для которой центр Земли является одним из фокусов. Траектория наиболее искривлена вблизи Земли и распрямляется с удалением от нее.

Запуску ракеты на Луну предшествовали теоретические исследования и технические расчеты, позволившие определить траектории и время пуска, обеспечивающие решение задачи о достижении Луны при наивыгоднейших условиях. Другими словами – необходимо было прежде всего произвести расчеты для получения оптимальных траекторий полета с максимально полезным грузом.

Принципиально запуск ракеты для достижения Луны возможен в любой день, т. е. при любом положении Луны в ее движении по орбите вокруг Земли.

Однако расчеты показывают, что при запуске ракеты с земной поверхности энергетически запуск выгодно осуществлять в определенные астрономические сроки.

Напомним, что плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости земного экватора. Вследствие этого при движении по орбите склонение Луны, т. е. угол, составленный направлением от центра Земли к Луне с плоскостью земного экватора, меняется.

В связи с этим с территории Советского Союза энергетически выгодно осуществлять запуски тогда, когда Луна находится вблизи точки своей орбиты с минимальным склонением. В этом случае на участке разгона ракета будет двигаться с наименьшим углом к земной поверхности, и потери скорости вследствие притяжения Земли будут минимальными. Это обеспечивает посылку на Луну максимального груза.

При старте в более поздние или более ранние сроки вес полезного груза уменьшается.

В то же время Луна во время сближения с ней космического аппарата должна находиться над горизонтом, чтобы обеспечить прямую радиосвязь с аппаратом. Наиболее благоприятное для этого время – время, когда Луна находится вблизи точки верхней кульминации, т. е. когда высота ее над земным горизонтом наибольшая.

В результате расчетов выбиралось наиболее выгодное значение угла наклонения плоскости траектории к плоскости земного экватора, что определяло для заданной точки старта направление трассы полета ракеты на начальном участке ее движения.

При этом принимались во внимание также вопросы удобства размещения измерительного комплекса для контроля движения и получения телеметрической информации как на участке разгона, так и на начальном участке свободного полета.

Как показали расчеты, при полете к Луне с территории СССР Луна в момент старта ракеты должна находиться за горизонтом вблизи точки нижней кульминации. Это означает, что момент старта должен отличаться от момента верхней кульминации Луны примерно на полсуток.

Если учесть, что в момент достижения Луны она должна находиться в точке верхней кульминации, то станет ясным, что полет к Луне должен продолжаться либо полсуток, либо полтора суток, либо двое с половиной суток и т. д.

Поскольку полет в течение полусуток требовал чрезвычайно больших начальных скоростей, а полет в течение двух с половиной суток и более связан с очень высокими точностями выдерживания параметров движения в конце участка разгона (при условии попадания в Луну и условии гарантированного наблюдения ее в момент встречи), продолжительность первых полетов была определена в полтора суток.

Выбор продолжительности полета определил величину скорости ракеты в конце участка разгона.

Для обеспечения попадания ракеты на Луну при отсутствии какой-либо коррекции ее движения на участке свободного полета должны быть весьма точно выдержаны значения параметров движения в конце участка разгона. Так, ошибка в скорости ракеты всего на один метр в секунду, т. е. на 0,01 процента от величины полной скорости, приводит к отклонению точки встречи с Луной на 250 километров. Отклонение времени старта в 10 секунд вызывает смещение точки встречи на поверхности Луны примерно на 200 километров.

Отклонение вектора скорости от расчетного направления на одну угловую минуту вызывает смещение точки встречи в 200 километров.

Для надежного попадания в Луну ошибка в скорости должна быть не более нескольких метров в секунду, а отклонение вектора скорости от его расчетного направления не должно превышать одной десятой градуса.

Устройство автоматических межпланетных станций «Луна-1» и «Луна-2»

Автоматическая станция «Луна-1», так же как и «Луна-2», представляла собой сферический контейнер, расположенный в верхней части последней ступени космической ракеты. Для защиты станции от нагрева и разрушения аэродинамическими силами при прохождении ракетой плотных слоев атмосферы контейнер был защищен сбрасываемым конусом (обтекателем).

Кроме аппаратуры управления полетом, в корпусе последней ступени ракеты размещались: прибор для измерения интенсивности космических лучей, радиосистема для определения траектории полета, два радиопередатчика и аппаратура для образования натриевого облака – искусственной кометы.

Контейнер состоял из двух сферических полуоболочек, герметично соединенных между собой шпангоутами с уплотнительной прокладкой (рис. 14).

На внешней поверхности станции были установлены датчики научной аппаратуры, штанга с магнитометром, четыре штыревые антенны и две ленточные. До момента сброса защитного конуса штыревые антенны были сложены и закреплены на штанге магнитометра. После сброса защитного конуса антенны раскрывались.

Полуоболочки контейнера были выполнены из специального алюминиевомагниевого сплава. На шпангоуте нижней полуоболочки крепилась приборная рама трубчатой конструкции, на которой размещались приборы станции.

Рис. 14. Автоматическая станция «Луна-1» (на монтажной тележке)

Аппаратура станции предназначалась для научных исследований:

– межпланетного магнитного поля;

– интенсивности космических лучей вне магнитного поля Земли;

– фотонов в космическом излучении;

– газовой компоненты межпланетного вещества;

– корпускулярного излучения Солнца;

– метеоритных частиц.

Кроме научной аппаратуры, внутри контейнера размещались:

– аппаратура для радиоконтроля траектории движения ракеты, состоявшая из передатчика и блока приемника, работавших вместе с наземными средствами;

– радиопередатчик и телеметрический блок с датчиками для передачи на Змлю научных измерений, а также данных о температуре и давлении в контейнере;

– источники электропитания: серебряно-цинковые аккумуляторы и окисно-ртутные батареи.

Контейнер заполнялся газом при давлении 1,3 атмосферы. Температура газа внутри контейнера поддерживалась около 20° С. Этот температурный режим обеспечивался, с одной стороны, специальной обработкой оболочки контейнера и приданием ей таким образом определенных оптических коэффициентов (поглощения и излучения тепловых потоков) и, с другой стороны, установкой вентилятора для принудительной циркуляции газа в контейнере. Циркулирующий в контейнере газ отбирал тепло от приборов и отдавал его оболочке, являвшейся своеобразным радиатором.

Масса последней ступени ракеты после израсходования рабочего запаса топлива составляла 1472 килограмма; общая масса научной и измерительной аппаратуры, размещенной на последней ступени ракеты, с источниками питания и отделяемым сферическим контейнером – 361,3 килограмма.

На первой космической ракете, ставшей искусственной планетой Солнечной системы, были установлены два вымпела с изображением Государственного герба СССР – ленточный и сферический, символизирующие искусственную планету.

Масса станции «Луна-2» вместе с научно-исследовательской аппаратурой и источниками питания составляла 390 килограммов.

Космическая многоступенчатая ракета с автоматической станцией «Луна-1» на борту стартовала 2 января 1959 а с поверхности Земли вертикально. Под действием программного механизма автоматической системы, управляющей ракетой, ее траектория постепенно отклонялась от вертикали. Скорость ракеты быстро нарастала.

В конце участка разгона последней ступени ракеты была сообщена скорость, несколько большая второй космической скорости, при этом автоматическая система управления выключила двигатель и подала команду на отделение станции от последней ступени ракеты.

Начался второй участок полета – участок свободного полета, который проходил по гиперболической траектории.

В начале движения станция двигалась весьма быстро, однако по мере удаления от Земли скорость ее уменьшалась. Так, если на высоте 150 километров скорость ракеты относительно центра Земли была несколько больше 10 километров в секунду, то на удалении 100 000 километров она равнялась уже примерно 3,5 километра в секунду.

С целью получения наиболее полных данных о движении космической ракеты и станции на всем участке полета производились непрерывные измерения дальности до ракеты, радиальной скорости ее движения (скорости удаления от измерительного пункта) и угловых координат: углов места и азимута.

Для визуального наблюдения за полетом ракеты на ней было установлено устройство, образующее искусственную комету – натриевое облако, видимое в телескопы с Земли.

3 января, когда станция находилась над Индийским океаном и удалилась от Земли на 113 000 километров, на ночном небосводе – в месте нахождения станции – появилось золотисто-оранжевое облако, быстро увеличивающееся в размерах. В Пулковской обсерватории удалось запечатлеть на пленку момент наибольшей яркости натриевого облака.

Траекторные измерения, оптические наблюдения и фотоснимки позволили уточнить орбиту ракеты и убедиться в том, что движение совершается правильно.

Когда ракета приблизилась к Луне на расстояние в несколько десятков тысяч километров, притяжение Луны начало оказывать заметное влияние на движение ракеты. Действие притяжения Луны привело к отклонению направления движения ракеты и изменению скорости ее полета вблизи Луны.

Полет до Луны продолжался 34 часа. В 6 часов 4 января ракета, находясь на расстоянии 370 000 километров от Земли, прошла мимо Луны на удалении в 5000 – 6000 километров.

После пролета Луны космическая ракета продолжала удаляться от Земли, скорость ее относительно центра Земли убывала и стала равной примерно 2 километрам в секунду.

На расстоянии порядка 1 миллиона километров и более влияние притяжения Земли настолько уменьшилось, что движение ракеты стало происходить почти целиком под действием силы тяготения Солнца.

Примерно 7 – 8 января ракета вышла на свою самостоятельную орбиту вокруг Солнца, стала его спутником, превратившись в первую в мире искусственную планету Солнечной системы.

Этот искусственный спутник совершал движение по орбите с минимальным расстоянием от Солнца – 146 миллионов километров, максимальным расстоянием – 197 миллионов километров и периодом обращения – 450 суток.

Вторая космическая ракета со станцией «Луна-2» стартовала 12 сентября 1959 года.

Обработка данных измерений, поступивших в вычислительный центр со всех измерительных пунктов Советского Союза, позволила в течение первого часа полета ракеты рассчитать траекторию ее движения и убедиться, что ракета выведена достаточно точно для попадания в Луну, и ориентировочно определить участок встречи.

Весь полет ракеты со станцией «Луна-2» проходил строго по намеченной расчетной траектории. Все системы, агрегаты и элементы ракеты во время полета работали нормально.

По мере удаления от Земли, на участке свободного полета, скорость движения станции постепенно убывала величины порядка 2 километров в секунду. В дальнейшем вследствие все возраставшего воздействия притяжения Луны уменьшение скорости прекратилось; скорость начала возрастать и росла непрерывно до момента встречи с поверхностью Луны.

Контейнер с научной аппаратурой достиг поверхности Пуны 14 сентября в 00 часов 02 минуты 24 секунды. Скорость автоматической станции относительно Луны в момент встречи была около 3,3 километра в секунду. Угол наклона траектории при встрече с Луной составлял 60 градусов.

Место встречи станции с Луной находится вблизи восточной границы Моря Ясности на селенографической широте плюс 30 градусов и долготе ноль градусов.

Автоматическая межпланетная станция доставила на поверхность Луны вымпелы Советского Союза.

Помимо получения новых научных данных с межпланетной трассы перелета и в непосредственной близости от Луны, основное значение этого события заключается в осуществлении первого космического полета с Земли на другое небесное тело.