Земля – космос – Луна

ОБЛЕТ И ФОТОГРАФИРОВАНИЕ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ ЛУНЫ («ЛУНА-3» И «ЗОНД-3»)

Автоматическая станция «Луна-3» представляла собой тонкостенную герметичную конструкцию, имеющую форму цилиндра со сферическими днищами (рис. 15).

Диаметр станции (максимальный) 20 сантиметров, длина без антенны 130 сантиметров, масса 278,5 килограмма, масса последней ступени (без топлива) 1553 килограмма.

На последней ступени ракеты-носителя размещалась измерительная аппаратура с источниками питания массой 156,5 килограмма. Таким образом, суммарная масса полезной нагрузки ракеты составляла 435 килограммов. В состав оборудования станции входили следующие системы и устройства.

Рис. 15. Автоматическая станция «Луна-3» (на монтажной тележке)

1. Радиотехническая система для передачи на Землю телевизионной и научной телеметрической информации, также для приема с Земли команд управления работой бортовой аппаратуры.

2. Система ориентации для обеспечения ориентации станции в космическом пространстве относительно Солнца и Луны, необходимой для фотографирования невидимой стороны Луны.

В состав системы ориентации входили оптические и гироскопические датчики, логические электронные устройства и управляющие газореактивные двигатели, разворачивавшие станцию в нужном направлении.

3. фототелевизионная система, обеспечившая получение качественного полутонового изображения и передачу его на Землю с расстояний, измеряемых сотнями тысяч километров.

Съемочная камера имела два объектива с фокусными расстояниями 200 и 500 миллиметров, с помощью которых производилась одновременно съемка в двух различных масштабах.

4. Автоматическая система терморегулирования для поддержания заданного теплового режима внутри станции.

Система обеспечивала отвод тепла, выделяемого приборами, через специальную радиационную поверхность в окружающее космическое пространство. Для регулирования теплоотдачи снаружи корпуса были установлены жалюзи, открывающие радиационную поверхность при повышении температуры внутри станции свыше +25° С.

5. Система энергопитания, состоявшая из автономных блоков, химических источников тока, обеспечивавших питание кратковременно действующей аппаратуры, и централизованного блока буферной химической батареи. Для компенсации израсходованной энергии буферной батареи на станции были установлены солнечные источники тока. Питание бортовой аппаратуры производилось через преобразователь и стабилизирующие устройства.

6. Комплекс научной аппаратуры для дальнейшего развития исследований космического и окололунного пространства, начатых первыми двумя станциями.

Согласование и управление работой всего оборудования станции осуществлялось специальным программно-временным устройством. Бортоваб аппаратура и химические источники тока были смонтированы на специальной Раме внутри станции.

На внешней поверхности станции размещались датчики научной аппаратуры, солнечные батареи, солнечный и лунный оптические датчики, иллюминатор фотокамер двигатели системы ориентации, четыре штыревые и две ленточные антенны.

Выбор траектории полета станции «Луна-3» определялся рядом требований, исходивших из задач, поставленных перед этим полетом.

Главной задачей было фотографирование возможно большей части невидимого с Земли полушария Луны. Однако необходимо было также получить на снимках некоторое число деталей видимого полушария, чтобы по отношению к ним определить селенографические координаты новых объектов и взять их в качестве образца для дешифрирования.

Во время фотографирования станция должна была располагаться приблизительно на прямой, соединяющей Солнце и Луну. При этом Земля должна была находиться в стороне от направления Солнце – Луна, чтобы не произошла ориентация станции на Землю вместо Луны.

После фотографирования заданного района станции надлежало вернуться на близкое расстояние к Земле для передачи полученных изображений.

Так как никакой коррекции движения межпланетной гтанции в пути не предусматривалось и весь ее полет определялся в конечном счете параметрами движения в конце участка разгона (в основном величиной и направлением скорости, а также гравитационными силами Земли, Луны и Солнца), то нетрудно представить, что реализация такой облетной траектории возможна была лишь при чрезвычайно совершенной системе управления ракетой-носителем на участке разгона и достаточно точном учете сил тяготения Земли, Луны и Солнца.

Старт автоматической станции «Луна-3» состоялся 4 октября 1959 года. Космическая ракета вышла на орбиту с высокой точностью, что обеспечило заданное сближение автоматической станции с Луной и облет Луны.

6 октября в 17 часов 16 минут станция прошла на минимальном расстоянии от Луны – в 7000 километров от ее поверхности, а затем продолжала свое движение, огибая Луну- Весь полет до Луны продолжался около 2,5 су-После сближения с Луной – 7 октября, в момент, копа станция находилась в заданном положении относительно Луны и Солнца, обеспечивавшем необходимые условия для ориентации и фотографирования, была включена система ориентации.

В начале работы системы ориентации прежде всего было прекращено произвольное вращение автоматической станции вокруг ее центра масс, возникшее в момент отделения от последней ступени ракеты-носителя.

Затем с помощью солнечных датчиков и системы ориентации станция была направлена нижним днищем на Солнце; этим самым оптические оси фотоаппаратов направлялись в противоположную сторону – на Луну. После этого соответствующее оптическое устройство, в поле зрения которого Земля и Солнце уже не могли появиться, отключило ориентацию на Солнце и произвело точную ориентацию на Луну. Поступивший с оптического устройства сигнал «присутствия» Луны разрешил автоматическое фотографирование.

Команда на включение аппаратуры для фотографирования обратной стороны Луны была подана в тот же день, 7 октября, в 6 часов 30 минут. Сеанс фотографирования лунной поверхности продолжался около 40 минут. Кадры снимались на специальную 35-миллиметровую пленку с расстояния от 65,2 до 68,4 тысяч километров длиннофокусным и короткофокусным объективами.

Станция сфотографировала почти половину лунной поверхности, из которой около 60 процентов приходится на невидимое с Земли полушарие.

В течение всего времени фотографирования система ориентации обеспечивала непрерывное наведение станции на Луну.

После того как было произведено экспонирование всех кадров, система ориентации выключилась. В момент выключения она сообщила автоматической станции упорядоченное вращение с определенной угловой скоростью, выбранной так, чтобы, с одной стороны, улучшить тепловой режим, а с другой – создать благоприятные условия для функционирования научной аппаратуры.

Притяжение Луны оказало ожидаемое (расчетное) влияние на траекторию дальнейшего полета станции, и ее возвращение к Земле происходило со стороны северного полушария. Благодаря этому после пролета Луны проме. жутки времени, на протяжении которых была возможна прямая связь со станцией наблюдательных пунктов, рас. положенных в северном полушарии, были достаточно длительными. При еще большем сближении с Землей станция могла наблюдаться в северном полушарии как незаходящее светило.

Продолжая свой путь к Земле, станция двигалась по весьма вытянутой орбите, близкой по форме к эллиптической.

10 октября станция находилась вблизи апогея (около 470 000 километров), 18 октября прошла перигей (около 47 500 километров), а 26 – 27 октября снова находилась в апогее (примерно 480 000 километров).

При возвращении станции к Земле полученные фотоснимки передавались в двух режимах: на больших расстояниях (до 470 000 километров) – медленная передача и на близких расстояниях при подлете к Земле – более быстрая.

В ноябре 1959 года связь со станцией внезапно прекратилась, возможно, вследствие столкновения с метеоритной частицей.

Основной задачей полета станции «Зонд-3» было завершение фотографирования обратной стороны Луны. Кроме того, нужно было продолжить испытания бортовой аппаратуры в условиях дальнего космического полета и провести дальнейшие научные исследования в космическом пространстве.

Станция (рис. 16) состоит из двух герметичных отсеков – орбитального и специального, в которых расположены приборы различных систем.

В орбитальном отсеке сосредоточена аппаратура, предназначенная в основном для работы на траектории между Землей и Луной и после пролета Луны: электронно-оптические датчики, чувствительные элементы (гироскопы) и приборы систем управления, ориентации и коррекции, буферные аккумуляторные батареи, основные программно-временные и коммутационные устройства радиотелеметрическая система, приборы и внутренний теплообменник системы терморегулирования и часть научной аппаратуры.

Рис. 16. Общий вид станции «Зонд-3»

Во втором специальном отсеке расположены: фототелевизионное устройство, оптический датчик ориентации на Луну, радиосистема сантиметрового диапазона волн, часть буферной аккумуляторной батареи, часть аппаратуры, обеспечивающей функционирование специального отсека, и научные приборы.

К корпусу орбитального отсека крепятся панели солнечных батарей, полусферические радиаторы системы терморегулирования, приемо-передающие антенны (малонаправленная и остронаправленная параболическая), корректирующая двигательная установка, баллоны со сжатым азотом, исполнительные органы системы ориентации – газореактивные двигатели, оптические датчики системы ориентации и датчики научной аппаратуры.

Установленный на станции комплекс научной аппаратуры предназначался для изучения ультрафиолетовых и инфракрасных спектров лунной поверхности, магнитных свойств околоземного и космического пространства и межпланетной среды, солнечного ветра, космических лучей, микрометеоритов, низкочастотного излучения Галактики.

В соответствии с задачами, поставленными перед космической станцией «Зонд-3», к траектории полета были предъявлены следующие требования.

Для обеспечения нормального функционирования работы бортовой системы астроориентации необходимо было, чтобы максимальное удаление от орбиты Земли в сторону Солнца не превышало 1 миллиона километров, максимальное значение угла Солнце – станция – Земля (ССЗ) после месяца полета в течение последующих шести месяцев не превышало 50 градусов, а расстояние от Земли до станции через 4 – 5 месяцев полета не превышало 40 миллионов километров.

При работе системы ориентации в момент начала съемок значение угла ССЗ не должно было превышать 100 градусов, а значение угла Земля – станция – Луна (ЗСЛ) должно было быть больше 80 градусов, спустя 30 минут после начала фотографирования значение угла ЗСЛ должно было превосходить 35 градусов.

Для работы фототелевизионного устройства нужно было обеспечить пролет станции в непосредственной близости от Луны с целью фотографирования той части ее обратной стороны, изображение которой не было получено станцией «Луна-3». При этом фотографируемая часть Луны должна была освещаться косыми лучами Солнца.

Расстояние от космической станции до поверхности Луны во время фотографирования должно было быть не более 25 000 километров.

При подаче команды на начало фотографирования и для контроля работы фототелевизионного устройства с наземного пункта связи траектория должна была обеспечить радиовидимость станции с этого пункта не позднее чем за 30 минут до начала и в течение всего сеанса фотографирования.

Выполнение всех этих условий накладывало ограничения на возможные даты запуска станции; эти требования могли быть выполнены при пусках в течение нескольких соседних дат каждого месяца.

Условия радиовидимости станции с наземного пункта связи при фотографировании с учетом требований по величинам удаления станции обусловили выбор траектории со временем полета до Луны, составляющим примерно полтора суток. При этом так называемая полутора-суточная траектория обеспечивала выведение заданной массы.

В связи с тем, что проведение коррекции траектории, т. е. ликвидация отклонений действительной траектории от расчетной, получающихся вследствие неточности выведения, на участке полета до Луны не предусматривалась, минимальное расстояние пролета у Луны выбиралось из условия удовлетворения требований, необходимых при фотографировании с учетом возможных разбросов. Пуск автоматической станции в сторону Луны состоялся 18 июля 1965 года.

Выведение станции на заданную траекторию осуществлялось в два этапа. Сначала ракета-носитель вывела станцию на промежуточную орбиту искусственного спутника Земли. Затем с орбиты спутника стартовал разгонный блок со станцией, который обеспечил ее выведение на гелиоцентрическую орбиту с таким расчетом, чтобы станция прошла в непосредственной близости от Луны с целью фотографирования ее поверхности.

Скорость, достигнутая в конце работы разгонного блока, позволила станции после пролета Луны покинуть сферу действия Земли и перейти на орбиту искусственной планеты, обращающейся вокруг Солнца.

Сразу после отделения от разгонного блока начался сеанс радиосвязи с автоматической станцией. Траекторные измерения и передача телеметрической информации о работе бортовых систем и данных научных измерений производились систематически в течение всего времени полета станции «Зонд-3».

Уже в первом сеансе после отделения от разгонного блока станция была ориентирована таким образом, чтобы элементы солнечных батарей освещались прямыми лучами Солнца.

В таком режиме – «режиме постоянной солнечной ориентации» – станция находилась в течение всего времени полета, кроме сеансов фотографирования и передачи снимков.

При подлете к Луне, после того как была выдана команда на проведение сеанса фотографирования Луны, система постоянной солнечной ориентации отключилась и началась ориентация автоматической станции на Луну.

Ориентация осуществлялась с помощью двух оптических датчиков – «солнечного» и «планетного» (оптическая ось последнего параллельна оптической оси фотоаппарата.

С помощью «планетного» датчика станция в течение всего сеанса фотографирования была ориентирована на освещенную часть диска Луны. Чтобы охватить всю освещенную поверхность Луны или хотя бы большую ее часть, осуществлялось сканирование станции с угловой скоростью примерно 0,1 градуса в секунду; при этом ось фотоаппарата двигалась от края освещенной части диска через ее центр.

Сеанс фотографирования начался 20 июля и после окончания экспонирования кадров (через 4 часа 24 минуты) автоматически прекратился; станция возвратилась в режим «постоянной солнечной ориентации».

В момент начала фотографирования станция находилась на расстоянии 11 600 километров от Луны, в момент окончания фотографирования – на расстоянии 10 000 километров.

Передача полученных на борту изображений Луны началась 29 июля с расстояния 2,2 миллиона километров и осуществлялась в сеансах связи через остронаправленную параболическую антенну.

Ориентация на Солнце и Землю поддерживалась системой управления в течение всего периода сеанса связи на параболической антенне. По окончании сеанса связи станция возвращалась к постоянной солнечной ориентации.

Радиосвязь с автоматической межпланетной станцией «Зонд-3» поддерживалась в течение восьми месяцев.

В марте 1966 года программа полета была исчерпана, и связь со станцией было решено прекратить. К этому времени станция удалилась от Земли на расстояние свыше 150 миллионов километров.