Земля – космос – Луна

АВТОМАТИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ НА ЛУНЕ |«ЛУНА-9» И «ЛУНА-13»)

Мягкая посадка космического аппарата на лунную поверхность являлась принципиально новой технической проблемой, потребовавшей решения целого ряда вопросов как при проектировании самой станции, так и при обеспечении высоких точностей ее выведения для осуществления посадки в заданном районе лунной поверхности.

Задача осложнялась отсутствием сведений о свойствах лунной поверхности. Неопределенность в отношении физико-механических свойств лунного грунта обусловила проектирование системы мягкой посадки с учетом возможности посадки аппарата на различные по своим свойствам породы – от скальных до пылевидных.

На Луне нет атмосферы, которая могла бы затормозить движение космического аппарата, подлетающего к поверхности со скоростью около 2,5 километра в секунду. Поэтому методы, используемые для посадки космических аппаратов на Землю, не могли быть применены. Единственной возможностью осуществления мягкой посадки являлось чрезвычайно точно отрегулированное торможение космического аппарата ракетным двигателем. Тормозной двигатель должен снизить скорость аппарата до величины в единицы метров в секунду; при этом конец торможения должен совпасть с моментом приближения к поверхности Луны, иначе аппарат в результате свободного падения снова разовьет большую скорость. Анализ различных схем торможения показал, что для первых экспериментов наиболее надежен вариант торможения при вертикальном снижении станции, позволивший упростить систему посадки.

Как известно, первые полеты советских ракет к Луне проводились без коррекции траектории. Точность выведения на орбиту как для попадания на Луну станции «Луна-2», так и для облета Луны и фотографирования ее поверхности станцией «Луна-3» обеспечивалась системой управления ракеты при ее вывеДении на орбиту полета.

Для попадания в заданный район Луны и почти вертикального сближения с ее поверхностью были необходимы существенно более высокие точности на завершающем этапе полета. При этом, как показали расчеты, оказалось нецелесообразным предъявить слишком высокие требования к системе управления при выведении ракеты у Земли. Оказалось, что можно технически проще и точнее исправить ошибки выведения станции на заданную траекторию полета к Луне, если провести сеанс коррекции траектории в полете. Для этого предварительно были проведены необходимые траекторные измерения и определена величина расхождения фактической траектории от расчетной.

С целью максимального упрощения конструкции автоматической станции и выигрыша в ее весе было решено применить единую для коррекции и торможения двигательную установку.

Попадание в заданный район Луны обеспечивалось соответствующим выбором времени старта ракеты-носителя с поверхности Земли и временем старта разгонного блока со станцией с орбиты искусственного спутника Земли, с учетом возможности проведения коррекции траектории полета.

Выбор траектории определялся в основном условиями оптимизации энергетических затрат, а также условием благоприятной видимости Луны с наземных наблюдательных пунктов, расположенных на территории СССР, вовремя торможения и непосредственно после посадки станции. Этим условиям удовлетворяют траектории с временем полета около 3,5 суток. Для таких траекторий при выбранной системе торможения точка посадки будет располагаться в западной части видимого диска Луны.

Для обеспечения наиболее благоприятных условий освещенности и наилучшего теплового режима автоматической станции посадка планировалась в районе утреннего терминатора.

Это в свою очередь определяло для данного месяца положение Луны на орбите в момент сближения со станцией, а следовательно, дату подлета к Луне и дату старта ракеты-носителя. Так как необходимое относительное расположение Земли, Луны и Солнца повторяется с периодичностью в один синодический месяц (около 29,5 суток), с той же периодичностью повторяются даты старта, удовлетворяющие перечисленным условиям.

Станция «Луна-9» (рис. 17) состоит из собственно автоматической лунной станции (АЛС), двигательной установки, предназначенной для проведения коррекций траектории и торможения при подлете к Луне, и навесных отсеков с аппаратурой управления полетом.

Аппаратура и агрегаты, необходимые только при полете к Луне и не используемые во время торможения, с целью уменьшения затрат топлива на торможение у Луны размещены в двух навесных отсеках, отделяемых непосредственно перед запуском тормозного двигателя на этапе прилунения.

Двигательная установка станции состоит из жидкостного ракетного двигателя, блока топливных баков и управляющих двигателей, необходимых для стабилизации полета станции во время работы двигательной установки.

Предусмотрена возможность работы двигательной установки на двух режимах: с постоянной тягой при коррекции и с широким диапазоном регулирования тяги при торможении.

Силовой конструкцией станции является сферический бак окислителя, на котором монтируются АЛС, навесные отсеки, двигательная установки и торовый бак с горючим.

Система ориентации, обеспечивающая ориентацию станции при проведении сеанса коррекции траектории и перед сеансом торможения у Луны, состоит из оптического блока, датчиков угловых скоростей, счетнорешающего логического устройства и исполнительных органов – микродвигателей, работающих на сжатом газе. Размещается система ориентации в навесном отсеке.

В отсеке управления размещаются гироскопические и управляющие устройства, программное устройство, радиосистема мягкой посадки, источники питания (химические батареи), радиотелеметрическая система.

Поскольку одной из важнейших научных задач полета станции являлось изучение характера функционирования аппаратуры в совершенно новых и сложных условиях нахождения на Луне, большое внимание было уделено тщательному исследованию работы самой станции «Луна-9».

Рис. 17. Устройство автоматической станции «Луна-9»:

1 – уэконаправленная антенна радиовысотомера; 2 – радиовысотомер; 3 – аппаратура; 4 – микродвигатели системы ориентации; 5 – баллоны с газом; 6 – отсек системы управления; 7 – автоматическая лунная станция; 8 – блок системы астроориентации; 9 – сферический бак окислителя; 10 – торовый бак горючего; 11 – управляющие двигатели; 12 – ЖРД

Рис. 18. Автоматическая лунная станция:

1 – лепестковые антенны; 2 – штыревые антенны; 3 – эталоны яркости; 4 – двугранные зеркала

Поэтому радиотелеметрическая система и АЛС обеспечивали не только передачу научной информации, но и контроль работы аппаратуры и состояния различных элементов конструкции. Контролировались температура и давление в АЛСе, электрическое напряжение, передавались сигналы, подтверждающие осуществление различных операций – раскрытие антенн, срабатывание механизмов и пр„

Масса станции после выведения ее на траекторию попета к Луне составляла 1583 килограмма.

Автоматическая лунная станция (рис. 18) представляла собой герметичный контейнер сферической формы.

Внутри корпуса станции, состоящего из двух полусфер, установлена рама с приемо-передающей аппаратурой, приборами командной радиолинии, электронными программно-временными устройствами, химическими батареями, приборами автоматику, научной и телеметрической аппаратурой. В нижней полусфере закреплены агрегаты активной системы терморегулирования, а в верхней – телевизионная система и счетчики космической радиации. Телевизионная система обеспечивала возможность кругового обзора с непосредственной передачей изображений лунного ландшафта на Землю без их предварительного фотографирования.

Снаружи на корпусе установлены четыре лепестковые антенны 1, четыре штыревые антенны 2 с подвешенными на них эталонами яркости 3 и три двугранных зеркала 4. Лепестковые и штыревые антенны и зеркала при посадке находятся в сложенном положении. Двугранные зеркала позволяют передавать стереоскопическое изображение шести узких участков лунной поверхности, а эталоны яркости, имеющие различную окраску с известными коэффициентами отражения, предназначены для оценки альбедо лунных пород в районе посадки и определения направления лунной вертикали.

АЛС вместе с посадочными устройствами закрепляется на отсеке системы управления станции.

Центр тяжести АЛС расположен ближе к основанию, и поэтому после посадки станция принимает заданное положение на лунной поверхности (лепестками вверх). Лепестки АЛС защищают телевизионную камеру, штыревые антенны, механизмы и зеркала от случайного повреждения и запыления во время посадки, а также являются приемо-передающими антеннами во время полета и после посадки до раскрытия лепестков.

После посадки АЛС на лунную поверхность по команде от бортового программно-временного механизма или от часового механизма срабатывает пирозатвор открытия лепестков и раскрываются четыре штыревые приемные антенны; с этого момента лепестки выполняют роль лишь передающих антенн.

Выбранная схема размещения и использования антенн обеспечивает связь с АЛС после посадки как в случае, если по каким-либо причинам не раскроются лепестки, так и в случае, если станция не примет нормального положения на Луне.

Температурный режим лунной станции после посадки обеспечивается теплоизоляцией и активной системой терморегулирования: первая максимально изолирует станцию от внешних тепловых потоков, а вторая обеспечивает отвод выделяемого приборами тепла.

Для обеспечения теплового режима телевизионной камеры, выступающей за обводы герметичного корпуса станции, ее наружная поверхность позолочена, а на верхней части установлен теплоизолирующий экран.

Масса АЛС составляла 100 килограммов. Высота АЛС с антеннами 112 сантиметров, диаметр описанного круга после раскрытия лепестков 160 сантиметров.

Полет автоматической станции «Луна-9»

Общая схема полета станции «Луна-9» состояла из нескольких основных этапов:

– на первом этапе полета с помощью ракеты-носителя станция «Луна-9» с разгонным блоком выводится на орбиту спутника Земли;

– на втором этапе полета осуществляются запуск разгонного блока и выведение автоматической станции на траекторию полета к Луне;

– третий этап полета – коррекция траектории движения, обеспечивающая встречу автоматической станции с поверхностью Луны в заданном районе;

– четвертый этап полета – торможение и мягкая посадка на поверхность Луны.

Стартовав 31 января 1966 года в 14 часов 41 минуту 37 секунд, станция с разгонным блоком была выведена на околоземную орбиту. После включения двигателя разгонного блока, когда была достигнута необходимая скорость, двигатель выключился, станция отделилась от разгонного блока и легла на траекторию движения к Луне.

Данные траекторных измерений, полученные с помощью радиотехнических средств и обработанные в вычислительном центре, показали, что если не будет осуществлена коррекция, то станция пройдет мимо Луны примерно в 10 000 километров от ее центра.

В соответствии с полученным прогнозом фактического движения станции наземным командно-измерительным комплексом были подготовлены исходные данные для коррекции.

Сеанс коррекции был проведен 1 февраля; он начался по радиокоманде с Земли и, производился в течение около двух часов автоматически – по программе, предусмотренной автоматикой. В результате проведенной коррекции скорость движения автоматической станции изменилась в требуемом направлении на 71,2 метра в секунду а скорректированная траектория стала проходить через расчетную точку прилунения.

3 февраля в 19 часов 28 минут в момент, соответствующий высоте около 8300 километров от центра Луны, с помощью оптических средств продольная ось станции была сориентирована по направлению лунной вертикали при этом ее тормозной двигатель был направлен соплом в сторону Луны. С помощью оптических датчиков слежения за Солнцем и Землей и гироскопической системы это направление сохранялось примерно в течение часа – до срабатывания тормозной двигательной установки.

Когда до лунной поверхности оставалось около 75 километров (за 48 секунд до посадки), по команде автономного радиовысотомера от станции отделились ставшие ненужными два отсека с аппаратурой и включилась тормозная установка. Перед этим включением двигателя амортизационные баллоны мягкой посадки, уложенные вокруг станции, были надуты сжатым газом.

Система управления посадкой и двигательная установка обеспечили гашение скорости от 2600 метров в секунду до нескольких метров в секунду на малой высоте над поверхностью Луны. Перед моментом прилунения станция была отделена от двигательной установки и достигла лунной поверхности, при этом энергия удара была погашена амортизационными баллонами, которые перед посадкой были надуты и после прилунения сброшены.

3 февраля в 21 час 45 минут 30 секунд по московскому времени советская автоматическая станция «Луна-9» совершила мягкую посадку на поверхность Луны на западном краю Океана Бурь в точке с координатами: 7 градусов 8 минут северной широты, 64 градуса 32 минуты западной долготы. Через 4 минуты 10 секунд после посадки раскрылись антенны, и начался первый в истории космонавтики сеанс радиопередачи с поверхности Луны. Однако плохая освещенность местности в момент посадки (высота Солнца над горизонтом ~3 градуса) обусловила получение высококачественных снимков лунного рельефа (три панорамы) лишь 4 и 5 февраля – когда Солнце поднялось над лунным горизонтом выше 7 градусов. Несколько фрагментов лунной поверхности было передано на Землю 6 февраля при высоте Солнца 42 градуса. Передача одной панорамы длилась 100 минут. Всего станцией было проведено семь сеансов радиосвязи общей продолжительностью более 8 часов.

Мягкая посадка на Луну научной станции «Луна-9» и передача ею на Землю уникальных панорамных изображений микрорельефа лунной поверхности открыли пути для нового этапа в изучении космоса. Была доказана возможность непосредственного изучения Луны автоматическими аппаратами.

Запуск станции «Луна-13» был осуществлен для продолжения исследований, начатых АМС «Луна-9».

Автоматическая станция «Луна-13» по конструкции и массе была близка к станции «Луна-9»: она имела такую же телевизионную систему для передачи изображений лунных панорам, но дополнительно на ней были установлены приборы для непосредственного исследования лунного грунта и прочая научная аппаратура (см. рис. 53).

Для исследования механических свойств лунного грунта станция была оснащена:

– механическим грунтомером-пенетрометром, позволяющим определить механические свойства наружного слоя лунного вещества;

– радиационным плотномером для определения плотности наружного слоя лунного грунта;

– динамографом, регистрирующим длительность и величину динамической перегрузки, возникающей при посадке станции на поверхность Луны.

Для проведения других научных исследований использовалась следующая аппаратура:

– приборы для измерения теплового потока от лунной поверхности;

– газоразрядные счетчики для регистрации корпускулярного излучения.

Механический грунтомер и радиационный плотномер были смонтированы на механизмах выноса приборов, закрепленных на наружном корпусе станции. Механизмы выноса позволяли установить эти приборы на поверхности Луны на расстоянии полутора метров от АЛС.

Станция стартовала 21 декабря 1966 года. Путь к Луне проходил по траектории, аналогичной траектории станции «Луна-9».

24 декабря 1966 года в 21 час 01 минуту станция «Луна-13» совершила мягкую посадку на лунную поверхность вблизи западной окраины Океана Бурь в 400 километрах от места прилунения станции «Луна-9». Координаты точки прилунения: 18 градусов 52 минуты северной широты и 62 градуса 04 минуты западной долготы. Место посадки станции «Луна-13» расположено на обширной «морской» равнине, тогда как станция «Луна-9» опустилась в непосредственной близости от окраины материкового щита.

После прилунения и раскрытия лепестков антенн и механизмов выноса научных приборов был начат фототелевизионный сеанс связи. Таких сеансов за время работы станции было проведено пять.

Панорамы лунной поверхности, переданные на Землю, были получены при высоте Солнца 6, 19 и 32 градуса. Панорамы, переданные станцией «Луна-9», отличаются от панорам, полученных «Луной-13», условиями освещенности в связи с прямо противоположным наклоном осей телевизионных камер обеих станций относительно Солнца. Ось камеры «Луна-9» была наклонена в восточном направлении, и поэтому наиболее близкие детали просматривались телеобъективом «против Солнца» в условиях очень контрастной освещенности. Ось же станции «Луна-13» была наклонена на запад («от Солнца»), в результате чего ряд ближайших к объективу камеры деталей был перекрыт тенью самой станции. Отдаленные части западной части панорам, переданных станцией «Луна-13», находились в поле зрения объектива телекамеры при переднем освещении. Благодаря этому на панораме хорошо просматривается большое количество деталей.

Программа исследований с помощью АЛС «Луна-13» 31 декабря была успешно завершена. Были получены уникальные данные о физико-механических свойствах лунного грунта и телевизионные изображения панорамы лунной поверхности при различных высотах Солнца.