Земля – космос – Луна

ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЛУНЫ («ЛУНА-10», «ЛУНА-11», «ЛУНА-12», «ЛУНА-14» И «ЛУНА-19»)

Для глобального изучения Луны и окололунного пространства необходимы были новые средства исследования – ими явились искусственные спутники Луны.

Автоматическая станция «Луна-10» состоит из двух основных частей: двигательной установки с приборными отсеками и искусственного спутника Луны (рис. 19). После выхода станции на окололунную орбиту искусственный спутник отделяется от двигательной установки и ведет научные исследования.

Двигательная установка автоматической станции состоит из жидкостно-реактивного двигателя, баков с топливом, системы подачи топлива и органов управления, необходимых для стабилизации аппарата в полете при работе двигателя.

С помощью двигательной установки производятся коррекция траектории движения и торможение для перехода на окололунную орбиту.

Рис. 19. Автоматическая станция «Луна-10»:

1 – аппаратура радиосистемы измерений; 2 – искусственный спутник Луны (ИСЛ); 3 – система отделения ИСЛ; 4 – аппаратура системы астроориентации; S – двигательная установка

В приборных отсеках находится комплекс аппаратуры системы управления полетом и системы астроориентации, состоящей из гироскопических приборов, электронно-оптических и программно-временных устройств. Здесь же находятся источники питания, аппаратура телеметрического контроля и микродвигатели системы ориентации. Система управления (вместе с исполнительными органами) обеспечивает стабилизацию автоматической станции вокруг центра масс, выдачу команд на включение и выключение двигателей. Стабилизация станции осуществляется с помощью реактивных микродвигателей. Масса автоматической станции «Луна-10» после выведения на траекторию полета к Луне составляла 1600 килограммов.

Искусственный спутник Луны представляет собой герметический контейнер массой 245 килограммов, оборудованный следующими системами и аппаратурой: телеметрической системой, радиоаппаратурой, программно-временными устройствами, системой терморегулирования, антенными устройствами, источниками питания, научной аппаратурой для исследования Луны и окололунного пространства.

Из научной аппаратуры в контейнере установлены: радиометр для регистрации мягкой и жесткой корпускулярной радиации около Луны, гамма-спектрометр для исследования излучения лунной поверхности, электронная часть приборов, предназначенных для изучения магнитного поля, метеорных частиц и теплового излучения.

На корпусе спутника расположены антенны и часть научных приборов: блок датчиков магнитометра, ловушки метеорных частиц, блок тепловых датчиков, прибор для изучения солнечной плазмы. Блок датчиков магнитометра установлен на выносной штанге длиной около полутора метров с целью удаления прибора от магнитных и токонесущих элементов спутника.

В системе терморегулирования используется вентилятор, который создает циркуляцию газа внутри контейнера и таким образом обеспечивает достаточно интенсивный отбор тепла, выделяемого приборами, к стенкам контейнера. Характеристики покрытия наружной поверхности контейнера выбраны так, что все избыточное тепло излучается в окружающее пространство – чем и достигается поддержание заданного теплового режима в контейнере.

Создание спутника Луны является проблемой, требующей решения ряда трудных баллистических и технических задач.

Траектория полета станции «Луна-10» – это сложная пространственная кривая, которую станция выписывает в космическом пространстве, подчиняясь законам тяготения и управляющим усилиям двигательной установки.

В вычислительных центрах задолго до старта ракеты к Луне была проведена подготовительная работа по выбору такой траектории полета, при которой учитывались бы положительный опыт предыдущих запусков к Луне, специфика функционирования лунного спутника и удобство радиосвязи с Землей.

Начало движения автоматической станции «Луна-10» принципиально ничем не отличалось от движения других станций, направленных ранее к Луне. С помощью много-тупенчатой ракеты-носителя станция с разгонным блоком 31 марта 1966 года была выведена на орбиту искусственного спутника Земли. Затем был включен разгонный блок, и автоматическая станция была переведена на траекторию движения к Луне.

При старте с орбиты искусственного спутника Земли станция «Луна-10» имела начальную скорость около 10,9 километра в секунду; длительность полета до Луны, соответствующая этой скорости, составляла трое с половиной суток.

В отличие от траектории станции «Луна-9», осуществившей мягкую посадку на Луну, траектория станции «Луна-10» должна была проходить не через некоторую точку лунной поверхности, а через определенную точку пространства, удаленную от края Луны приблизительно на 1000 километров.

На расстоянии примерно 240 тысяч километров от Земли была проведена коррекция траектории, чтобы обеспечить прохождение станции через указанную точку окололунного пространства, где должно было быть проведено торможение для перехода станции на орбиту спутника Луны.

Вблизи Луны скорость полета станции составила 2,5 километра в секунду; такая скорость является гиперболической относительно Луны и, если ее не уменьшить, станция выйдет из сферы действия Луны и превратится в искусственный спутник Земли с очень вытянутой орбитой. Чтобы «Луна-10» стала спутником Луны, необходимо было уменьшить скорость примерно до 1,76 километра в секунду; при такой скорости сила поля тяготения Луны оказывается достаточной, чтобы удержать станцию на орбите спутника.

Поэтому заранее, примерно на расстоянии 8000 километров от поверхности Луны, был проведен сеанс астроориентации, и станция была сориентирована так, чтобы в момент торможения сопло двигателя было направлено в сторону, противоположную движению. Затем, после работы двигательной установки в течение заданного промежутка времени, скорость станции снизилась с 2,5 до 1,6 километра в секунду. Это и обеспечило 3 апреля переход станции на орбиту искусственного спутника Луны со следующими параметрами:

– расстояние в апоселении (максимальное расстояние от поверхности Луны) – 1017 километров;

– расстояние в периселении (минимальное расстояние от поверхности Луны) – 350 километров;

– наклонение орбиты к плоскости лунного экватора 71 градус 54 минуты;

– период обращения спутника 2 часа 58 минут 15 секунд.

Параметры орбиты были заранее выбраны так, чтобы обеспечить нормальный тепловой режим приборов и устройств, а также благоприятные возможности изучения окололунного пространства на разном удалении от поверхности Луны.

Через 20 секунд после выключения тормозного двигателя система управления выдала сигнал на отделение искусственного спутника Луны от двигательной установки и отсеков системы управления.

После отделения от двигательной установки станция стала небесным телом, движение которого определяется законами небесной механики.

Спутник активно существовал 56 суток (до 30 мая). За это время он совершил 460 витков вокруг Луны, и на 30 мая его окололунная орбита имела следующие параметры:

– расстояние от поверхности Луны в апоселении – 985,3 километра и в периселении – 378,7 километра;

– наклонение орбиты к плоскости лунного экватора – 72 градуса 2 минуты;

– период обращения спутника – 2 часа 58 минут 3 секунды.

Анализ возмущений в движении станции «Луна-10» по эволюции ее орбиты позволил провести предварительные определения параметров гравитационного поля Луны.

За время полета спутника было проведено 219 сеансов связи, 74 сеанса траекторных измерений, 17 длительных сеансов с измерением радиационных условий, свойств окололунной плазмы, концентрации микрометеорных частиц, теплового излучения Луны; получено 9 спектров гамма-излучения лунной поверхности, 10 магнитографических разрезов окололунного пространства.

Второй искусственный спутник Луны – станция «Луна-11» – был запущен с целью отработки методики выведения искусственного спутника Луны на орбиту, близкую к экваториальной, уточнения гравитационного поля Луны и проведения исследований Луны и окололунного пространства.

Конструкция и полет станций «Луна-11», «Луна-12» и «Луна-14» были аналогичны конструкции и полету станции «Луна-10».

Запуск станции «Луна-11» в сторону Луны был произведен 24 августа 1966 года. После выведения на траекторию полета к Луне масса станции составляла 1640 килограммов.

27 августа спутник вышел на окололунную орбиту, имевшую следующие параметры:

– расстояние от поверхности Луны в периселении – 163,5 километра и в апоселении – 1193,6 километра;

– период обращения спутника вокруг Луны – 2 часа 57 минут 39 секунд;

– угол наклона орбиты спутника к плоскости лунного экватора – 10,7 градуса.

Спутник активно существовал 38 суток (до 1 октября 1966 года) и совершил 277 оборотов вокруг Луны. За это время состоялось 162 сеанса связи. Научная аппаратура, установленная на спутнике «Луна-11», позволила продолжить исследования, начатые станцией «Луна-10».

Станция «Луна-12», запущенная 22 октября 1966 года, кроме продолжения научных исследований в окололунном пространстве, должна была получить и передать на Землю фотоснимки отдельных участков лунной поверхности, сделанные со сравнительно близкого расстояния.

На борту станции были установлены научная аппаратура (такая же, как и на станции «Луна-11») и фототелевизионное устройство.

Масса автоматической станции на орбите искусственного спутника Луны составляла 1136 килограммов.

Спутник вышел на окололунную орбиту 25 октября и активно существовал 85 суток (до 19 января). За это время спутник совершил 602 витка вокруг Луны, пролетев в окололунном пространстве 9800 000 километров; было проведено 302 сеанса радиосвязи.

Окололунная орбита на 25 октября имела следующие параметры:,

– расстояние от поверхности Луны в периселении – ЮО километров и в апоселении – 1740 километров;

– период обращения – 3 часа 25 минут;

– угол наклона орбиты к плоскости лунного экватора – 36,6 градуса.

На фотографиях получены крупномасштабные изображения фрагментов лунной поверхности, хорошо просматриваются отдельные объекты размером до 5 метров.

Изучались также характеристики гравитационного поля Луны по эволюции орбиты станции, исследовались радиационные условия в окололунном пространстве и распределение микрометеоров. Продолжались начатые на станции «Луна-11» радиоастрономические наблюдения в недоступных с Земли диапазонах длинных и средних радиоволн (поглощаемых земной атмосферой).

7 апреля 1968 года в 13 часов 09 минут был запущен очередной советский искусственный спутник Луны – автоматическая станция «Луна-14». 10 апреля, через 3,5 суток полета, по команде с Земли была включена система автоматического торможения станции для ее перевода на селеноцентрическую орбиту. Предварительно, по данным обработки траекторных измерений, были заложены соответствующие параметры в программу торможения. К концу работы двигательной установки скорость станции была уменьшена в пределах, необходимых для ее перевода на орбиту спутника Луны, и был осуществлен перевод станции на эту орбиту.

Проводились систематические гравиметрические и другие научные исследования, предусмотренные программой запуска станции «Луна-14», при этом ее орбита характеризовалась следующими минимальными и максимальными расстояниями от поверхности Луны: 160 и 270 километров соответственно.

Научная автоматическая станция «Луна-19» была запущена 28 сентября 1971 года для продолжения научных исследований Луны и окололунного пространства с орбиты спутника Луны.

Старт к Луне был произведен с орбиты искусственного спутника Земли; 29 сентября и 1 октября были осуществлены коррекции траектории ее движения.

При подлете к Луне был проведен маневр торможения станции, в результате которого она вышла на круговую селеноцентрическую орбиту со следующими параметрами:

– высота над поверхностью Луны – 140 километров;

– наклонение орбиты к плоскости лунного экватора – 40 градусов 35 минут;

– период обращения вокруг Луны – 2 часа 01 минута 45 секунд.

6 октября был осуществлен перевод станции на новую окололунную орбиту с параметрами:

– минимальная высота над лунной поверхностью – 127 километров;

– максимальная высота над лунной поверхностью – 135 километров;

– период обращения вокруг Луны – 2 часа 01 минута.

В соответствии с программой полета 26 и 28 ноября была произведена еще одна коррекция орбиты станции, в результате которой станция «Луна-19» продолжала движение по селеноцентрической орбите, характеризуемой следующими данными:

– минимальная высота над поверхностью Луны – 77 километров;

– максимальная высота над поверхностью Луны – 385 километров;

– наклонение к плоскости лунного экватора – 40 градусов 41 минута;

– период обращения вокруг Луны – 2 часа 11 минут. Измерения траектории движения станции, передача на Землю панорам лунной поверхности и исследование параметров окололунного пространства проводились систематически при полете станции «Луна-19» по трем указанным орбитам.

ОБЛЕТ ЛУНЫ С ВОЗВРАЩЕНИЕМ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ НА ЗЕМЛЮ («ЗОНД-5», «ЗОНД-6», «ЗОНД-7» И «ЗОНД-8»)

Станции типа «Зонд» решили качественно новую проблему, поставленную перед практической космонавтикой: возвращение на Землю космического аппарата, входящего в атмосферу со второй космической скоростью, т. е. возвращающегося из межпланетного рейса (в частности, из окололунного космического пространства или с поверхности Луны).,

При этом появилась возможность доставить на Землю Для непосредственного изучения в земных лабораториях фотопленку и другие материалы исследований, проведенных в космическом пространстве.

Автоматические станции «Зонд-6», «Зонд-7» и «Зонд-8» доставили на Землю большое количество высококачественных фотоснимков Луны, выполненных на цветной и черно-белой пленке.

По устройству, конструкции и оборудованию станции «Зонд-5», «Зонд-6», «Зонд-7» и «Зонд-8» аналогичны и состоят из двух основных частей – приборного отсека и возвращаемого аппарата.

В приборном отсеке размещены системы управления, стабилизации и ориентации, радиотелеметрии, терморегулирования, энергоснабжения, а также двигательная установка. Снаружи отсека помещаются оптические датчики системы ориентации, солнечные батареи и антенны.

В спускаемом аппарате установлены научное оборудование, аппаратура радиосвязи, системы терморегулирования и энергопитания. Наружная поверхность корпуса спускаемого аппарата имеет теплозащитное покрытие сложной конструкции, состоящей из различных жаропрочных и теплоизоляционных материалов.

Для измерения потоков заряженных частиц (а следовательно, и доз радиации) установлены следующие детекторы: фотодозиметры, наборы ядерных эмульсий и термолюминесцентные дозиметры.

Фотоустановки этих станций существенно более совершенны по сравнению с фотоустановкой станций «Зонд-3». Так, например, информативность снимка станции «Зонд-6» характеризуется 134 миллионами элементов (станции «Зонд-3» – 1,21 миллиона элементов), размер кадров при съемке равен 13X18 сантиметров.

Для проведения различных научных исследований в межпланетном пространстве на станции предусмотрена возможность установки сменного оборудования (детекторов для регистрации метеорных частиц, оборудования для размещения подопытных животных и растений и т. д.).

Станция «Зонд-5» была запущена 15 сентября 1968 года, 18 сентября она облетела Луну (с минимальным расстоянием от ее поверхности – 1950 километров) и начала приближаться к Земле. При подлете станции к Земле была осуществлена коррекция траектории ее движения для обеспечения необходимого направления и высоты входа в земную атмосферу.

Рис. 20. Схема баллистического входа станции «Зонд-5» в атмосферу Земли

Спуск в атмосфере Земли проходил по баллистической траектории с начальной скоростью около 11 километров в секунду; при этом для обеспечения оптимальных условий входа аппарата расчетная ширина «коридора входа» не должна была превышать 10 – 13 километров (схема входа показана на рис. 20). Аппарат при выходе за пределы расчетного коридора входа либо пройдет мимо Земли (т. е. попадет в зону «незахвата» атмосферой), либо испытает недопустимо большие перегрузки (при слишком резком торможении в плотных слоях атмосферы).

В конце участка аэродинамического торможения, при скорости около 200 метров в секунду (высота – около 7 километров) сработала парашютная система, обеспечивающая мягкую посадку станции в заданном районе. Таким образом была решена новая сложная научно-техническая задача: возвращение на Землю (со второй космической скоростью) автоматического аппарата из района Луны.

Станция доставила на Землю для непосредственного изучения отснятую фотопленку и другие научные материалы. В частности, были получены снимки Земли (с расстояния около 100 тысяч километров), позволяющие исследовать облачный покров нашей планеты одновременно для всего полушария.

Кроме того, станция «Зонд-5» (так же как и «Зонд-6) впервые «вывезла» через радиационные пояса Земли в космос живые существа и растения и предоставила ученым возможность их последующего изучения в земных лабораториях.

Рис. 21. Схема входа станции «Зонд-6» в атмосферу Земли (с использованием аэродинамической подъемной силы)

Автоматическая станция «Зонд-6» была запущена на трассу облета Луны 10 ноября 1968 года.

После проведения коррекции станция обогнула Луну (с минимальным расстоянием от ее поверхности, равным 242 километрам), после чего полет продолжался уже по направлению к Земле.

Для обеспечения заданного «коридора входа» в атмосферу Земли 16 и 17 ноября были проведены коррекций ее движения.

И, наконец, 17 ноября 1968 года впервые был осуществлен управляемый спуск на Землю с использованием аэродинамического сопротивления и подъемной силы спускаемого аппарата при начальной скорости входа в земную атмосферу, равной 11 километрам в секунду.

Схема маневрирования спускаемого аппарата (СА) станции «Зонд-6» при посадке в заданный район поверхности Земли приведена на рис. 21. На участке аэродинамического торможения был использован прием двукратного погружения в земную атмосферу: при первом погружении скорость спускаемого аппарата была снижена до 8 километров в секунду, при втором – до 200 метров в секунду.

На заключительном этапе спуска (с высоты 7,5 километра) автоматически была введена в действие парашютная система, обеспечивающая мягкое приземление спускаемого аппарата.

Спускаемый аппарат станции «Зонд-6» привез ученым богатую информацию; в частности, кроме фотоснимков Луны и Земли, был получен обширный материал по распределению микрометеоритных тел в околоземном и окололунном пространстве; особый интерес представляют данные о концентрации микрометеоритов в метеорном потоке «Леонид», через который пролегал путь станции «Зонд-6».

Станция «Зонд-7» стартовала по направлению к Луне 8 августа 1969 года, через три дня – согласно программе полета – она совершила облет Луны и 14 августа 1969 года спускаемый аппарат станции произвел мягкую посадку (с использованием аэродинамического качества спускаемого аппарата) в заданном районе территории Советского Союза.

При полете станции «Зонд-7» были проведены три сеанса фотографирования на цветную пленку и систематические измерения физических характеристик Луны, космического и окололунного пространства.

В первом сеансе фотографирования была заснята Земля на удалении 70 тысяч километров. Второй и третий сеансы фотографирования выполнялись 11 августа на участке облета Луны с расстояний 10 000 и 2000 километров от ее поверхности; были соответственно засняты Луна, включая ее обратную сторону, и Земля.

Станция «Зонд-8» была запущена на траекторию облета Луны 20 октября 1970 года. На расстоянии 65 тысяч километров от Земли состоялся сеанс ее фотографирования.

24 октября станция совершила облет Луны на минимальном расстоянии 1120 километров от ее поверхности; при этом производились исследования физических параметров окололунного пространства и фотографирование лунной поверхности на цветную и черно-белую пленку.

Спускаемый аппарат, доставивший материалы научных измерений, совершил посадку на Землю 27 октября 1970 года.

В целях отработки одного из возможных вариантов возвращения космических аппаратов на Землю вход спускаемого аппарата станции «Зон?-8» производился со стороны северного полушария, при этом район посадки был расположен в акватории Индийского океана.

Особенность посадки с использованием аэродинамического качества спускаемого аппарата (по сравнению с баллистическим спуском) состоит в том, что путь спускаемого аппарата с момента входа в плотные участки атмосферы и до приземления очень велик – около 9 тысяч километров. Посадка спускаемых аппаратов станций «'Зонд-6» и «Зонд-7» производилась на территорию Советского Союза, а вход в атмосферу Земли – в южном полушарии; станция «Зонд-8» позволила проверить и другой вариант посадки – с началом торможения над нашей страной.

Полеты автоматических станций типа «Зонд» дали возможность получить новые сведения о Луне и окололунном пространстве; кроме того, были отработаны доставка материалов измерений, произведенных в межпланетном пространстве, в земные лаборатории и посадка на Землю при скорости подхода к ней космического аппарата, равной 11 километрам в секунду.