12-24 сентября состоялся полет автоматической станции (АС) «Луна-16» по трассе Земля - Луна - Земля (запуск состоялся 12 сентября в 16 час 26 мин). Полет позволил решить сложнейшую научно-техническую проблему космонавтики - забор образцов лунной породы автоматическими средствами и доставку этих образцов на Землю. Конструктивно АС «Луна-16» (рис. 1) выполнена в виде посадочной ступени (ПС) с грунтозаборным устройством (ГУ), на которой установлена космическая ракета «Луна - Земля» с возвращаемым аппаратом (ВА). Масса станции при посадке на Луну 1880 кг. ПС является унифицированным агрегатом, способным доставлять на Луну автоматические системы с научной аппаратурой различного назначения. Она представляет собой ракетный блок многоцелевого назначения, имеющий жидкостный ракетный двигатель, систему баков с компонентами топлива, приборные отсеки и амортизирующие опоры для посадки на Луну. Двигательная установка ПС состоит из основного двигателя многократного включения с регулируемой тягой для осуществления торможения и двух двигателей малой тяги, работающих на завершающем участке посадки. В приборных отсеках ПС размещены счетно-решающие и гироскопические приборы системы управления, стабилизации, электронные приборы системы ориентации, радиопередатчики и приемники бортового радиоизмерительного комплекса, работающие в нескольких диапазонах длин волн, программно-временное устройство для управления работой всех систем и агрегатов, химические источники электроэнергии и преобразователи тока, элементы системы терморегулирования, автономные радиосредства измерения высоты, горизонтальной и вертикальной составляющих скорости при посадке на поверхность Луны, а также научная аппаратура для проведения температурных и радиационных измерений как на участке полета к Луне, так и на ее поверхности. На внешних поверхностях ПС установлены антенны бортового радиокомплекса, реактивные микродвигатели систем ориентации и стабилизации, баллоны с запасом рабочего тела для микродвигателей, оптические датчики системы ориентации. При взлете ракеты «Луна - Земля» с лунной поверхности ПС служит стартовым устройством.

Космическая ракета «Луна - Земля» представляет собой ракетный блок с жидкостным реактивным двигателем (ЖРД), системой сферических баков с компонентами топлива. На центральном баке укреплен цилиндрический приборный отсек (ПО), внутри которого установлены электронные счетно-решающие и гироскопические приборы системы управления ракетой, передающие, приемные, дешифрирующие и программно-временные приборы бортового радиокомплекса ракеты, аккумуляторные батареи и преобразователи тока, приборы бортовой автоматики. На внешней поверхности ПО ракеты установлены четыре штыревые приемно-передающие антенны. В верхней части ПО с помощью металлических стяжных лент прикреплен возвращаемый аппарат (ВА) сферической формы, который отделяется от ракеты по радиокоманде при ее подлете к Земле.

ВА (рис. 2) представляет собой металлический шар, на внешней поверхности которого нанесено теплозащитное покрытие, предохраняющее аппарат с установленным внутри него оборудованием от воздействия высоких температур при входе в атмосферу Земли. Внутри ВА разделен на три изолированных отсека. В наибольшем по объему отсеке расположены: радиопеленгационные передатчики, обеспечивающие возможность обнаружения ВА при спуске на парашюте и на Земле, аккумуляторные батареи, элементы автоматики и бортовое программное устройство, управляющее вводом в действие парашютной системы. Во втором отсеке расположены в сложенном виде парашют, четыре упругие антенны пеленгационных передатчиков, два наполняемых газом эластичных баллона, обеспечивающих необходимое положение ВА на поверхности Земли после посадки. Третьим отсеком является цилиндрический контейнер для грунта Луны, взятого с ее поверхности. Контейнер имеет приемное отверстие, герметически закрываемое специальной крышкой после помещения в него лунной породы.

ГУ (рис. 3) установлено на посадочной ступени и состоит из трех основных частей: бурового станка с системой электрических приводов и бурового снаряда; штанги, на которой укреплен буровой станок; приводов, перемещающих штангу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При разработке ГУ особое внимание было уделено решению задачи создания бурового станка, способного осуществить бурение и забор пробы лунного грунта различной плотности - от рыхлого (пылевидного) до твердого, подобного земным базальтам и гранитам.

На ПС «Луны-16» был установлен вымпел, а на ВА - государственный знак (рис. 8).

Выведение АС «Луна-16» на орбиту искусственного спутника Земли было осуществлено более мощной ракетой-носителем по сравнению с ракетами-носителями АС «Луна-9» и АС «Луна-13» (схему полета АС «Луна-16» см. на рис. 4). Максимальная высота над поверхностью Земли промежуточной околоземной орбиты составила 212,2км; наклонение к плоскости экватора 51°36'. Коррекция траектории, выполненная 13 сентября, обеспечила выход станции «Луна-16» в расчетную точку окололунного пространства, из которой благодаря приложенному тормозному импульсу она перешла на круговую селеноцентрическую орбиту высотой 110 км, наклонением относительно плоскости лунного экватора 70° и периодом обращения 1 час 59 мин.

18 и 19 сентября было осуществлено маневрирование в окололунном пространстве, в результате которого станция перешла на эллиптическую орбиту с параметрами: высота в апоселении 106 км, высота в периселении 15 км, наклонение 71°, период обращения 1 час 54 мин. После, проведения траекторных измерений и придания станции необходимой ориентации в расчетной точке орбиты была включена двигательная установка и «Луна-16», сойдя с орбиты, начала ~250-километровый путь над лунной поверхностью до точки посадки. Затем двигатель был выключен - началось вертикальное снижение (рис. 5). На высоте 600 м от поверхности вновь начал работать основной двигатель станции. Режим тяги при этом изменялся в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией от допплеровского измерителя скорости и радиовысотомера. На высоте 20 м скорость станции была снижена примерно до 2 м/сек. Здесь основной ЖРД был выключен и дальнейшее торможение происходило с помощью двигателей малой тяги. На высоте ок. 2 м по команде от гамма-высотомера они были выключены и 20 сентября в 08 час 18 мин АС «Луна-16» совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия. Селенографические координаты места прилунения: 0°41' ю.ш. и 56°18' в.д. Отклонение от расчетной точки посадки составило 1,5 км.

Рис. 1. Автоматическая станция «Луна-16»: 1 - возвращаемый аппарат; 2 - приборный отсек ракеты; 3 - топливные баки ракеты; 4 - управляющие сопла; 5 - приборный отсек посадочной ступени; 6 - двигатель ракеты Луна-Земля; 7 - двигатель посадочной ступени; 8 - топливный бак; 9 - телефотометр; 10 - штанга бурового механизма; 11 - буровой механизм. Рис. 2. Компоновка возвращаемого аппарата станции «Луна-16»: 1 - корпус возвращаемого аппарата; 2 - теплозащита; 3 - крышка парашютного отсека; 4 - парашютный отсек; 5 - контейнер для лунного грунта; 6 - крышка контейнера; 7 - аккумуляторная батарея; 8 - передатчики; 9 - антенный переключатель; 10 - антенны. Рис. 3. Схема грунтозаборного устройства АС «Луна-16». Рис. 4. Схема полета АС «Луна-16». Рис. 5. Схема посадки АС «Луна-16» на Луну. Рис. 6. Общий вид лунного грунта, доставленного станцией «Луна-16». Рис. 7. Основные типы частиц лунного реголита (увеличено): а - изверженные горные породы и отдельные минералы; б - стеклянные шарики, брекчии и спекшиеся частицы; в - остеклованные и ошлакованные частицы. Рис. 8. Государственный знак и вымпел, установленные на АС «Луна-16».

После прилунения станции был осуществлен комплекс операций, включающих измерение ориентации станции по отношению к местной вертикали, проверку функционирования различных агрегатов и бортовых систем. Далее по команде с Земли ГУ путем сложных манипуляций обеспечило контакт электробура с поверхностным слоем, бурение грунта до глубины 35 см, забор грунта и его доставку в контейнер возвращаемого аппарата.

21 сентября в 10 час 43 мин космическая ракета «Луна - Земля» осуществила автоматический старт с Луны и перешла на траекторию перелета к Земле. 24 сентября, отделившись от космической ракеты, ВА в 08 час 10 мин вошел в плотные слои атмосферы. После аэродинамического торможения по баллистической траектории на высоте 14,5 км была введена в действие парашютная система и в 08 час 26 мин ВА станции «Луна-16» совершил мягкую посадку в расчетном районе, в 80 км ю.-в. Джезказгана. Лунный грунт был передан в Специальную приемную лабораторию АН СССР, где подвергся исследованиям. Общая масса колонки грунта, доставленного «Луной-16», составила 101 г.

Бур был заполнен сыпучим лунным грунтом (рис.6) - реголитом, представляющим собой разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает грунт (реголит) от земной бесструктурной пыли; по этому свойству он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв. Зернистость реголита увеличивается с глубиной; преобладают зерна со средним размером ок. 0,1 мм.

Небольшая часть грунта у забоя, на глубине 35 см, была сложена крупнозернистым материалом - бур коснулся твердой породы или отдельного крупного фрагмента горной породы. Мощность реголита в Море Изобилия, в точке забора лунного грунта, небольшая ~ 35 см и, возможно, достигает 0,5-1 м или несколько более метра. Объемный вес реголита в естественном залегании определен в ~ 1,17 (1,20) г/см³. Путем механического уплотнения его плотность может быть доведена до 2,3 г/см³. Удельная теплоемкость реголита равна 0,177 кал/г·град, а коэффициент теплопроводности в вакууме равен 4,8х10^-6 кал/сек·см·град (при плотности ρ= 2,25 г/см³ и t =20-40°С).

Были изучены и оптические свойства реголита. Нормальное альбедо изменяется от 0,86 в ультрафиолетовой области спектра до 0,126 в ближней инфракрасной области и для видимого света равно 0,107. Такое значение соответствует грунту, несколько более светлому, чем это типично для лунных морей в среднем, но близко к наземным определениям альбедо Моря Изобилия в районе посадки: для Моря Изобилия в среднем альбедо равно 0,69, а в ближайшем районе к месту посадки «Луны-16»-0,105.

Микроскопическое исследование лунного вещества позволило выделить две основные совокупности частиц (рис. 7): частицы первичных магматических поверхностных пород типа базальтов и частицы, подвергшиеся заметным преобразованиям на поверхности Луны. Для первых характерен свежий облик, наблюдающийся на Земле лишь на свежераздробленных образцах неизмененных пород. Они не несут следов окатанности и обладают угловатыми формами. Вторые несут явные следы оплавления - спекшиеся частицы сложной формы, остеклованные с поверхности, заметное количество сферических оплавленных образований - застывших капелек стеклянного и металлического облика.

По химическому составу вещество лунного грунта представляет размельченную горную породу базальтового типа. Сравнительные данные состава реголита и кристаллических пород из трех лунных морей приведены в таблице 1.

Из данных таблицы 1 видно, что наиболее резкое различие в составе пород, доставленных «Луной-16», заключается в низком содержании Ti. Практически оно одинаково с породами Океана Бурь и почти вполовину меньше, чем в Море Спокойствия.

Большой интерес представляют различия в составе реголита и материнской породы того же моря. Эти различия повторяются для трех морей. Соответствия в содержаниях Ti в кристаллических породах и в реголите указывают, что реголит образовался на месте, а не привнесен откуда-то издалека (как пеплы вулканов). Реголит содержит пониженное количество мафических элементов и, следовательно, должен быть более легкоплавким, чем базальтовая порода.

Получены первые определения возраста Луны по Rb/Sf-методу в кристаллической породе и в мелкой фракции реголита, которые дали 4,85·10⁹ -- 4,25·10⁹±0,75-10⁹ лет. Среднее по изохроне 4,45 и 4,65·10⁹±0,5·10⁹ лет. Это свидетельствует, что образцы трех морей очень близки по абсолютному возрасту. Возраст Луны отвечает возрасту Земли. Те же результаты получаются по ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb-методу.

Из трех морей Луны получены породы одного типа - базальтов. Вариации их состава зависят от условий выплавливания, а реголита - от его несколько различной истории в последующем. Породы Моря Изобилия ближе к составу пород Океана Бурь. По содержанию нейтральных газов в реголите они ближе к реголиту Моря Спокойствия.