Луна-16

Гэтленд. Иллюстрированная энциклопедия

Станция «Луна-16»
1
Возвращаемый аппарат.
2 Ленточное крепление возвращаемого аппарата.
3 Антенна на взлетной ступени.
4 Приборный отсек взлетной ступени.
5 Топливные баки взлетной ступени.
6 Телефотометр.
7 Приборный отсек посадочной ступени.
8 Штанга грунтозаборного устройства.
9 Грунтозаборное устройство.
10 Один основной и два управляющих ракетных двигателя посадочной ступени (в данном ракурсе рисунка не видны).
11 Посадочные стойки.
12 Тарельчатые опоры.
13 Топливные баки посадочной ступени.
14 Ракетные двигатели малой тяги для управления в полете.
15 Ракетный двигатель взлетной ступени (на рисунке закрыт приборным отсеком).
16 Малонаправленная антенна на посадочной ступени.

Космонавтика СССР. 1987.



Схема забора грунта



Старт с Луны
Ежегодник 1971 г

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.


Каманин
21 сентября.
Вчера, 20 сентября 1970 года, в 8 часов 18 минут станция «Луна-16» произвела мягкую посадку на лунную поверхность. Прилунение станции осуществлено в районе Моря изобилия в точке с координатами: 0 градусов 41 минута южной широты, 56 градусов 18 минут восточной долготы.
18 и 19 сентября в результате маневрирования на круговой селеноцентрической орбите станция была переведена на эллиптическую орбиту с параметрами: максимальная высота над поверхностью Луны (в апоселении) - 106 километров, минимальная высота (в периселении) - 15 километров; период обращения - 1 час 54 минуты; наклонение к плоскости лунного экватора - 71 градус. Сход станции с этой орбиты и собственно прилунение осуществлялись в два этапа. На первом этапе после проведения траекторных измерений, ориентации и выдачи команды на спуск была включена двигательная установка в расчетной точке на непродолжительный отрезок времени, и начался сход станции с орбиты. На втором этапе осуществлялось управляемое прецизионное торможение - на высоте 600 метров от поверхности Луны двигательная установка была снова включена, причем ее тяга регулировалась в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией о скорости и высоте снижения. На высоте 20 метров основной двигатель выключили, и дальнейшее торможение станции происходило при помощи двигателей малой тяги. На высоте около двух метров они были выключены, и «Луна-16» мягко опустилась на лунную поверхность.
За 9 дней полета со станцией были проведены 68 сеансов связи. «Луна-16» забрала образец лунного грунта, закрылась и изготовилась к подъему с Луны. Сегодня в 10 часов она должна стартовать в обратный полет к Земле.
23 сентября.
21 сентября в 10:43 станция «Луна-16» поднялась с лунной поверхности и сейчас находится на пути к Земле. После старта с Луны со станцией проведено два сеанса связи, выполняются траекторные и телеметрические измерения с целью уточнения района ее посадки, которая произойдет 24 сентября.
В нашей и зарубежной прессе о «Луне-16» пишется много хорошего. Справедливости ради следует признать, что мои прогнозы относительно возможностей станции серии Е-8-5 оказались излишне пессимистичными. Я считал, что для достижения полного успеха нашей «луночерпалки» потребуется не менее 10-15 пусков, а успех пришел раньше - на шестой попытке. Правда, завтра ей предстоит выполнить один из самых трудных этапов всего полета - посадку на Землю. Но и то, что уже достигнуто в этом полете - это, бесспорно, большой успех.
Завтра служба поиска ВВС будет держать труднейший экзамен. Обратный полет «Луны-16» не корректируется: малый вес возвращаемого аппарата (шар радиусом 25 сантиметров) не позволил установить на нем аппаратуру, которая могла бы обеспечить высокую точность посадки. Разброс точек приземления от расчетной возможен в радиусе свыше 1500 километров. Парашют возвращаемого аппарата имеет площадь всего 10 квадратных метров - визуально обнаружить «Луну-16» (в случае отказа ее радиомаяка и плохой погоды) будет не проще, чем найти иголку в стоге сена. Завтрашний день может стать для службы поиска ВВС очень мрачным днем, хотя в расчетном районе посадки и обещают хорошую погоду.


24 сентября.
Великолепный успех советской космонавтики: «Луна-16» благополучно приземлилась в 80 километрах юго-восточнее Джезказгана - всего в 30 километрах от расчетной точки посадки! Все системы возвращаемого аппарата, и в том числе радиомаяк, сработали отлично, погода в районе посадки выдалась идеальной. Уже через несколько минут после приземления станции рядом с ней сел поисковый вертолет с эвакуационной командой.

Маров:
«Луна-16» стартовала 12 сентября 1970 года в 13:25:53 по Всемирному времени. Семьдесят минут спустя после выхода на промежуточную орбиту двигатель «Блока Д» запустился повторно и отработал штатно, осуществив выход станции на транслунную орбиту. После коррекции курса 13 сентября космическая станция 17 сентября вышла на почти круговую орбиту вокруг Луны с параметрами 110 кмх 119 км, наклоненную под углом 70° к лунному экватору. С учетом данных о гравитационном поле на этой орбите 18 и 19 сентября было сделано несколько коррекций: первая вывела станцию на эллиптическую орбиту с периселением 15,1 км над местом посадки и с апоселением 106 км, а вторая довернула плоскость орбиты до 71°. Когда 20 сентября космическая станция приблизилась к периселению, были сброшены дополнительные баки. В периселении в 05:12 по Всемирному времени включился двигатель, работавший на протяжении 270 секунд, пока не погасил орбитальную скорость и не перевел станцию в режим свободного падения. Двигатель зажегся вновь по сигналу от радиовысотометра на высоте 600 метров при скорости 700 км/ч. Он отключился на высоте 20 метров при скорости 2 м/с. На заключительной стадии посадки включились вспомогательные двигатели, которые отключились на высоте 2 метра, после чего космическая станция совершила посадку в свободном падении при скорости около 4,8 м/с. Касание поверхности произошло в 05:18 по Всемирному времени в Море Изобилия на 0,68° ю. ш. и 56,30° в. д., всего в 1,5 км от заданной точки. Поскольку «Луна-16» совершила посадку 60 часов спустя после местного захода Солнца, то, лишенная прожекторов, она не получила никаких изображений. Через час был выпущен бур, и через 7 минут работы он проник на глубину 35 см до того, как наткнулся на препятствие. Затем штанга бурового механизма подняла образец грунта и поместила его внутрь капсулы возвращаемого аппарата наверху возвратной ракеты через открытый люк капсулы, который затем закрылся. В ходе этой сложной операции некоторое количество грунта было потеряно. 21 сентября в 07:43 по Всемирному времени после 26 часов и 25 минут пребывания на Луне возвратная ракета с капсулой покинула Луну на скорости 2,7 км/с. Посадочный блок станции остался на поверхности и продолжал передавать информацию о температуре и радиации на Луне. Возвратная ракета доставила капсулу прямо на Землю. Она отсоединились от удерживающих ее скоб 24 сентября на расстоянии 48000 км от Земли. Четыре часа спустя она вошла в атмосферу на скорости 11 км/с по баллистической траектории под углом 30° к вертикали с пиковой перегрузкой 350g. На высоте 14,5 км открылась верхняя крышка капсулы и раскрылся вспомогательный тормозной парашют, а на высоте 11 км раскрылся основной парашют и развернулись антенны радиомаяка. Капсула приземлилась 24 сентября в 03:26 по Всемирному времени примерно в 80 км юго-восточнее города Джезказган в Казахстане. «Луна-16» доставила 101 грамм лунного вещества. Это был настоящий триумф, продемонстрировавший колоссальные возможности космических роботов. В советской прессе особо подчеркивались преимущества автоматических программ по сравнению с пилотируемыми. Для американцев «Луна-16» послужила подтверждением предположения о том, что «Луна-15» представляла собой попытку доставки на Землю образцов грунта до «Аполлона-11».