Земля – космос – Луна

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛУНЫ («ЛУНА-15», «ЛУНА-16», «ЛУНА-17», «ЛУНА-20»)

К десятилетию изучения Луны советская космическая техника в процессе совершенствования подошла к этапу, когда стало возможным создание более мощных ракет нового поколения и качественно новых автоматических научных станций.

Такие станции сочетают в себе комплекс автоматических устройств, позволяющих исследовать Луну и окололунное пространство как с орбиты искусственного спутника Луны, так и непосредственно с ее поверхности. Кроме того, эти автоматы обеспечивают изучение самых различных участков лунной поверхности и даже доставку образцов лунного вещества для исследования в земных лабораториях.

С целью отработки новых бортовых систем, а также продолжения исследований Луны и окололунного пространства 13 июля 1969 года была запущена автоматическая станция «Луна-15». 14 июля была проведена коррекция траектории, а 17 июля станция была выведена на околоземную орбиту. Полет по трассе продолжался 102 часа. За это время было проведено 28 сеансов радиоизмерения траектории, контроль работы бортовых систем, научные исследования.

Станция «Луна-15» в отличие от станций «Луна-9» и «Луна-13», совершивших прямую посадку на Луну, осуществила посадку на поверхность Луны с орбиты ИСЛ, при этом станция «Луна-15» могла достичь поверхности Луны в любом ее районе, достаточно было для этого произвести соответствующее изменение селеноцентрической орбиты.

19 и 20 июля были проведены две коррекции траектории орбиты, при этом были испытаны новые навигационные системы.

После проведения коррекций параметры орбиты были следующими:

19 июля 20 июля

Расстояние в апоселении.. 221 километр 110 километров

Расстояние в периселении.. 95 километров 16 километров

Период обращения… 2 часа 03,5 минуты 1 час 54 минуты

Наклонение орбиты… 126 градусов 127 градусов

21 июля была включена тормозная двигательная установка; станция сошла с орбиты и достигла поверхности Луны в заданном районе. За время полета по орбите спутника Луны станцией проведен ряд научных исследований и получены важные опытные данные о работе конструкции и бортовых систем.

Автоматическая научная станция «Луна-16», так же как и станция «Луна-20», доставившая на Землю образцы лунного грунта, представляет собой новый сложный космический аппарат с высокой степенью автоматизации.

Станция состоит из двух самостоятельных ракетных блоков – посадочной ступени с грунтозаборным устройством и космической ракеты «Луна – Земля» с возвращаемым аппаратом (рис. 22).

Масса станции при посадке на Луну равна 1880 килограммам.

В состав посадочной ступени входят: двигательная установка, приборные отсеки, амортизационные опоры, антенны, исполнительные органы,/ систем стабилизации и ориентации.

Рис. 22. Автоматическая станция «Луна-16»

Двигательная установка включает в себя жидкостный ракетный двигатель для проведения коррекций и торможения, баки с компонентами топлива и два двигателя малой тяги, включаемые на заключительном этапе посадки.

В приборных отсеках размещены приборы систем управления, стабилизации, ориентации, приемо-передающая радиоаппаратура, программно-временное устройство, химические аккумуляторные батареи, агрегаты системы терморегулирования, оборудование для измерения высоты и скорости при посадке, научные приборы и телефотометры, передающие информацию о районе бурения.

При старте с Луны космической ракеты посадочная ступень служит для нее стартовым устройством.

Ракета «Луна – Земля» имеет в своем составе жидко-стно-реактивный двигатель со сферическими баками для компонентов топлива, приборный отсек, четыре штыревые антенны; к приборному отсеку стяжными лентами крепится возвращаемый аппарат.

Рис. 23. Возвращаемый аппарат станции «Луна-16»

В приборном отсеке ракеты установлены приборы системы управления, радиокомплекс, аккумуляторные батареи и бортовая автоматика.

Возвращаемый аппарат (рис. 23) представляет собой герметичный металлический шар, наружная поверхность которого имеет теплозащитное покрытие, обеспечивающее сохранение в аппарате заданных температур на участке аэродинамического торможения при входе в атмосферу Земли.

Объем возвращаемого аппарата разделен на три отсека: приборный, парашютный и цилиндрический контейнер для образцов лунного грунта. В приборном отсеке размещены радио-пеленгационные передатчики, аккумуляторные батареи, элементы автоматики и программное устройство. В парашютном отсеке находятся (в сложенном виде) парашют, четыре антенны пеленгационных передатчиков и два эластичных баллона, используемых после посадки для фиксации положения возвращаемого аппарата.

Принципиально новым агрегатом космического аппарата является грунтозаборное" устройство, созданное впервые для станции «Луна-16». Его задача – бурение лунного грунта различной плотности (от пылевидного до гранитного) в условиях вакуума, транспортировка образцов грунта в контейнер возвращаемого аппарата (с сохранением расположения образцов по глубине) и герметизация контейнера с грунтом.

Для решения этой задачи создано грунтозаборное устройство, состоящее из бурового станка с системой электрических приводов и бурового снаряда, штанги и приводов, перемещающих его в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Грунтозаборное устройство установлено на посадочной ступени.

Полет научной станции «Луна-16» проходил следующим образом. Станция была выведена на промежуточную орбиту спутника Земли и стартовала с этой орбиты в направлении к Луне 12 сентября 1970 года. Для вывода на орбиту искусственного спутника Земли была использована более мощная ракета-носитель (в сравнении с применявшейся для станций «Луна-9» и «Луна-13»).

13 сентября была проведена коррекция траектории движения включением двигателя посадочной ступени; последующие траекторные измерения показали, что станция движется к заданной точке окололунного пространства с высокой точностью, – в связи с чем была отменена (ранее запланированная) вторая коррекция.

При подлете станции к Луне была проведена подготовка бортовых систем и наземного комплекса к сеансу торможения. По команде системы управления 17 сентября в 2 часа 38 минут был включен двигатель, в результате работы которого станция перешла на круговую орбиту спутника Луны с удалением от ее поверхности на 110 километров.

В последующие трое суток было произведено еще два маневра для формирования предпосадочной орбиты, необходимой для создания оптимальных условий точной посадки в заданный район лунной поверхности.

После первого маневра орбита была изменена на эллиптическую с наибольшим и наименьшим расстоянием от лунной поверхности – 110 и 15 километров соответственно; в результате второго маневра плоскость орбиты была несколько повернута в пространстве до нужного положения, а высоты орбиты составили 106 километров в апоселении и 15 километров в периселении.

20 сентября с 6 часов 6 минут до 8 часов 12 минут были проведены операции ориентации и программных разворотов станции, необходимые до момента включения двигателя, выполняющего торможение непосредственно перед посадкой.

Протяженность трасы полета от точки схода с орбиты до места прилунения составила 250 километров.

На всем участке снижения положение станции строго стабилизировалось. Высота и вертикальная скорость спуска находились под непрерывным контролем бортового доплеровского измерителя скорости и высотомера. Все операции при спуске осуществлялись автоматическими устройствами станции без вмешательства Земли.

По достижении заданных значений высоты над лунной поверхностью и вертикальной составляющей скорости снижения еще раз был включен двигатель посадочной ступени, а на высоте 20 метров вместо него начали работать двигатели малой тяги.

Научная станция «Луна-16» мягко прилунилась 20 сентября 1970 года в 8 час 18 минут в районе Моря Изобилия в точке с координатами 0°41' южной широты и 56°18' восточной долготы с отклонением от расчетной точки посадки всего лишь в 1,5 километра.

Тотчас после посадки был проведен телеметрический сеанс связи, подтвердивший нормальное состояние всех систем станции.

Затем по командам с Земли грунтозаборное устройство привело буровой станок в контакт с лунной поверхностью, углубило бур на 350 миллиметров – взяв образцы лунного грунта по всей этой глубине, – заложило бур с грунтом внутрь контейнера возвращаемого аппарата и загерметизировало его приемное отверстие. Одновременно с забором грунта контролировалась скорость углубления бура в грунт и определялась плотность исследуемой лунной породы.

Наряду с решением главной задачи станции «Луна-16» – взятием проб лунного грунта – производились также замеры температуры ряда элементов станции и уровня радиации на поверхности Луны.

Завершающим этапом функционирования станции на 'Уне являлась подготовка космической ракеты «Луна – ¦земля» к обратному старту, который состоялся 21 сентября в 10 часов 43 минуты. Система управления ракетой и ее двигатель обеспечили получение необходимой скорости взлета как по величине (2708 метров в секунду), так и по направлению (вертикально вверх).

Рис. 24. Схема полета автоматической станции «Луна-16»

Решена еще одна сложная задача – автоматический аппарат стартовал к Земле с другого небесного тела!

Полет ракеты «Луна – Земля» проходил по баллистической траектории, коррекции которой не предусматривалось. При подлете к Земле по команде из Центра дальней космической связи 24 сентября в 4 часа 50 минут возвращаемый аппарат с помощью пиротехнических средств был отделен от ракеты. В 8 часов 10 минут начался его вход в земную атмосферу со скоростью более 11 километров в секунду.

На этапе аэродинамического торможения – под действием набегающего воздушного потока – возвращаемый аппарат развернулся лобовой частью в направлении движения, демпфирующее устройство устойчиво удерживало его в этом положении; далее процесс посадки осуществлялся средствами бортовой автоматики. Аппарат испытал перегрузку в 350 единиц, а его теплозащита – воздействие заторможенного воздуха с температурой свыше 10 000 градусов Цельсия.

Рис. 25. Самоходный аппарат «Луноход-1»:

I – герметический приборный отсек; 2 – иллюминаторы телекамер; 3 – оптический уголковый отражатель; 4 – остронаправленная антенна; 5 – привод остронаправленной антенны; 6 – малонаправленная антенна; 7 – радиатор-охладитель; 8 – солнечная батарея; 9 – изотопный источник тепловой энергии; 10 – девятое колесо; 11 – штыревая антенна; 12 – прибор для определения физико-механических свойств грунта; 13 – телефотокамеры; 14 – блок колес шасси

По команде датчика перегрузок был произведен отстрел крышки парашютного отсека; когда скорость снижения уменьшилась до 300 метров в секунду (на высоте 14,5 километра), раскрылся тормозной парашют, который отстрелился по сигналу барометрического датчика на высоте 11 километров, одновременно открылся основной парашют. На участке парашютного спуска возвращаемый аппарат был обнаружен поисковым комплексом в 8 часов 14 минут по радиолокационным сигналам, посылаемым аппаратом.

В 8 часов 26 минут 24 сентября возвращаемый аппарат приземлился в заданном районе Советского Союза (схему полета см. на рис. 24).

Исторический рейс автоматической станции «Луна-16» по маршруту Земля – Луна – Земля успешно завершен! Контейнер с образцами лунного грунта передан для исследования в Академию Наук СССР.

Автоматическая научная станция «Яуна-17» конструктивно является модификацией станции «Луна-16»: использована та же посадочная ступень, но вместо космической ракеты Луна – Земля на ней установлен самоходный аппарат – луноход (рис. 25). Посадочная ступень несколько доработана; в частности, на ней установлены трапы для съезда лунохода на лунную поверхность (предусмотрены трапы для съезда вперед или назад в зависимости от рельефа в месте посадки).

Так как описание посадочной ступени дано было выше, то здесь будет идти речь об устройстве лунохода.

Луноход представляет собой автоматическое самоходное устройство, предназначенное для перемещения по лунной поверхности и проведения комплекса научных исследований. Он состоит из самоходного восьмиколесного шасси (с блоком автоматики) и установленного на нем герметичного магниевого корпуса, в котором размещены радиокомплекс, системы управления, терморегулирования и энергоснабжения. На внешней поверхности корпуса размещаются антенны, телефотометры и научное оборудование; масса лунохода – 756 килограммов.

Внутри лунохода находится радиокомплекс системы управления, терморегулирования и энергоснабжения.

Радиокомплекс лунохода состоит из приемника, передатчика, двух телеметрических камер, выступающих из передней стенки корпуса лунохода; четырех телефотометров для передачи панорам лунной поверхности, остронаправленной передающей антенны, малонаправленной приемо-передающей антенны, системы датчиков и блоков преобразования.

Энергоснабжение лунохода обеспечивается аккумуляторными химическими батареями, которые периодически подзаряжаются от солнечной батареи, автоматически отключающейся по достижении заданного напряжения на аккумуляторах. Солнечные элементы батареи размещены на внутренней стороне крышки лунохода, которая в закрытом положении ложится на верхнюю часть его корпуса. В рабочем положении панель солнечной батареи может располагаться под разными углами, чтобы оптимально использовать энергию Солнца при его различной высоте над лунным горизонтом.

Основными элементами системы терморегулирования являются: теплоизоляция, радиатор-охладитель, нагревательное устройство и регулирующие агрегаты автоматики; источником тепла для нагрева оборудования лунохода служит изотопный генератор энергии.

Наружная поверхность лунохода, кроме оптической части аппаратуры, антенн, самоходного шасси и отдельных участков научных приборов, защищена экранно-вакуумной теплоизоляцией.

Радиатор-охладитель конструктивно совмещен с верхней стенкой корпуса лунохода и имеет эффективное оптическое покрытие, создающее благоприятные условия для успешной работы радиатора при любой высоте Солнца над горизонтом.

Самоходное восьмиколесное шасси обладает высокой проходимостью и обеспечивает передвижение лунохода в условиях лунного вакуума и большого перепада температур.

Каждое из колес имеет независимую подвеску, отдельный двигатель и отдельное управление; девятое колесо служит для измерения пройденного пути.

Луноход оснащен следующей научной аппаратурой: прибором с конусным лопастным штампом, внедряющимся в грунт для определения физико-механических свойств лунного грунта и проходимости самоходного аппарата; рентгеновским спектрометром, определяющим химический состав наружных слоев лунной породы; радиометром для определения галактического проникающего излучения; рентгеновским телескопом, позволяющим исследовать внегалактическое рентгеновское излучение; лазерным отражателем (разработанным французскими специалистами) для проведения сеансов лазерной локации.

Запуск автоматической станции «Луна-17» состоялся 10 ноября 1970 года, станция стартовала к Луне с промежуточной орбиты спутника Земли и вышла на траекторию, близкую к расчетной.

Для обеспечения вывода станции в заданный район окололунного пространства 12 и 14 ноября были проведены две коррекции траектории ее движения. При подлете к Луне было произведено с помощью двигателя посадочной ступени торможение станции, и она перешла на круговую орбиту спутника Луны с высотой над ее поверхностью – 85 километров.

С целью формирования орбиты, создающей условия посадки с высокой точностью в выбранный участок Луны, 16 ноября была проведена еще одна коррекция движения станции, в результате которой она стала двигаться по эллиптической орбите с наименьшим удалением от лунной поверхности – в 19 километров.

И, наконец, после проведения второго сеанса торможения 17 ноября станция «Луна-17» совершила мягкую посадку на лунную поверхность в районе Моря Дождей. Процесс посадки происходил аналогично посадке станции «Луна-16» с использованием тех же автоматических систем посадочной ступени.

Итак, впервые в истории на Луну доставлен автоматический самоходный аппарат с научным оборудованием – «Луноход-1», который может выполнять исследования в различных районах лунной поверхности – по трассе движения лунохода.

Вскоре после посадки по командам с Земли были отстрелены (для уменьшения угла схода лунохода) опорные стойки посадочной ступени и она опустилась на грунт; развернуты складные трапы для съезда лунохода, и остронаправленная антенна установлена в оптимальное положение – в направлении на Землю.

Но прежде чем дать луноходу команду съехать на поверхность Луны, включаются телефотометры, передающие на Землю панораму лунной поверхности в месте посадки, и определяются углы наклона станции относительно местной лунной вертикали.

Поверхность в месте посадки оказывается достаточно ровной, с небольшими камнями и лунками; наклоны лунохода по крену и дифференту не превышают 5 градусов.

Телекамеры просматривают площадку, расположенную непосредственно перед трапами.

Наконец луноход съезжает на поверхность Луны; им по радиокомандам управляет экипаж, находящийся на Земле.

Изображение лунной поверхности, расположенной по пути следования лунохода, и ее панорама передаются в Центр дальней космической связи с помощью бортового радиокомплекса.

С Земли на луноход подаются соответствующие команды, он объезжает крупные камни и кратеры, приближается к интересным объектам лунного рельефа для более подробного их изучения.

День за днем продолжалось запланированное исследование лунной поверхности по трассе движения и космического пространства. Научная аппаратура и все системы «Лунохода-1» успешно функционировали непрерывно в течение десяти с половиной месяцев, с 17 ноября 1970 по 4 октября 1971 года.

Получена новая уникальная научная информация по физике Луны и космического пространства, которая по своему объему и ценности существенно превосходит научные материалы, доставленные любой из ранее запускавшихся на Луну станций.

Автоматическая станция «Луна-17» и самоходный аппарат «Луноход-1» открыли качественно новый этап космонавтики – исследование Луны и планет с помощью самоходных автоматических научных станций.

Получен также ценный материал о работе новых бортовых систем «Лунохода-1» (в частности, о работе системы терморегулирования) в условиях как лунного дня, так и лунной ночи.