Проекты лунных автоматических КА 1950-1960 гг.

Карфидов В. «Космонавтика», 2021 г.
1.1. Проект «Cow»
В июне 1957 года американские ученые Крафе Эрике и Джордж Гамов предложили два проекта исследования Луны с помощью АМС, которые, по их мнению, могли бы быть реализованы не позднее 1963 года.
1.1.1. Фотографирование обратной стороны Луны
Первый проект предусматривал создание АМС «Cow1» для фотографирования обратной стороны Луны с облетной траектории. АМС должна была иметь массу 180-360 кг и запускаться на высокоэллиптическую траекторию. Обогнув Луну на высоте 2 060 км и выполнив фотографирование обратной стороны Луны, АМС должна была сблизиться с Землей и совершить вход в атмосферу, доставив высококачественные фотографии. Авторы проекта считали, что обеспечение теплозащиты АМС при баллистическом торможении в атмосфере Земли не является технически трудновыполнимой задачей.
1.1.2. Бомба для Луны
Во втором проекте предлагалось запустить по аналогичной траектории две АМС. Первая АМС должна была сбросить на Луну атомную бомбу, взрыв которой выбросил бы частицы грунта Луны на большую высоту. Вторая АМС должна была пролететь сквозь образовавшееся облако и захватить часть выброшенных частиц. Возвращение АМС-«сборщика частиц» должно было происходить так же, как АМС «Cow». Затормозившись в атмосфере Земли после возвращения от Луны, АМС доставила бы на Землю частицы лунного грунта для изучения.

1 Cow - корова (англ.). Название взято из американской детской песенки, видимо, для подчеркивания простоты проекта.


IN JUNE 1957, launch of the civilian U.S. Vanguard scientific satellite (image at top of post) was thought imminent. That month, Krafft Ehricke and George Gamow wrote in Scientific American magazine that, after Vanguard reached low-Earth orbit, the moon, 238,000 miles away, would be "the next interesting target in space." They estimated that, with "luck and sufficient effort," a U.S. automated probe could reach the moon by 1963.
Ehricke and Gamow proposed a design for such a probe, which they inelegantly dubbed "Cow" in tribute to the moon-jumping nursery rhyme character. Cow would have a mass of between 400 and 800 pounds. A 100-foot-tall, 120-ton rocket would boost it to a speed of 23,827 miles per hour on a path toward the moon. If the Earth existed in isolation, Cow would then enter an elliptical orbit around the Earth taking it 280,000 miles out into space - that is, about 45,000 miles beyond the moon. The gravitational attraction of the moon and Sun meant, however, that Cow would follow a "distorted" path to a point 1281 miles from the moon 75.6 hours after launch. The probe would then swing around the moon, collecting data all the while, and fall back to Earth.
Cow would strike Earth's atmosphere moving at 25,000 miles per hour 157 hours after launch. Though high-speed reentry would drive Cow's skin temperature to 5000° C, Ehricke and Gamow maintained that "preventing the capsule from burning up by means of insulation and a cooling system" would not be "technically prohibitive." This would enable recovery of high-quality photographic film images and other recorded data.
Ehricke and Gamow then proposed an explosive follow-on mission that would employ two probes launched on a "Cow-type" trajectory. The lead probe would drop an atomic bomb on the moon, blasting a debris cloud far into space; then, through "a miracle of electronic guidance," the trailing probe would "dive into the cloud, collect some of the spray and emerge from its dive by means of an auxiliary jet." It would then fall to Earth bearing its precious cargo of lunar material. This was one of a host of U.S. and Soviet proposals to explode nuclear weapons on the lunar surface put forward in the late 1950s/early 1960s, none of which reached fruition.
Карфидов В. «Космонавтика», 2021 г.




1.2. Лунные КА «Pioneer»
Разработкой АМС для исследования Луны и окололунного пространства в 1957-1958 годах занимались сразу две научные организации, входившие в структуру научно-исследовательских подразделений ВВС США - STL (Space Technology Laboratory - Лаборатория космической техники) и JPL (Jet Propulsion Laboratory - Лаборатория реактивного движения). 01.10.58 г. обе Лаборатории были переданы в только что созданную гражданскую организацию - NASA, - вместе со всеми проектами и наработками. Работы по лунным АМС были сосредоточены в JPL в рамках единой программы «Pioneer».
В 1958-1960 годах было разработано несколько типов АМС «Pioneer» для полетов к Луне и два типа (тип 3 и тип 4) - для полета к Венере.
1.2.1. «Pioneer» тип 1 («Able»)
«Pioneer» тип 1 - первая американская АМС, разработанная в 1957-1958 годах для изучения Луны и окололунного пространства. АМС разрабатывалась Лабораторией космической техники (STL - Space Technology Laboratory) ВВС США, и условно называлась «Able» по наименованю второй ступени РН, использовавшейся для запуска - Thor-Able.
01.10.58 г. STL была передана в только что организованную гражданскую организацию - NASA, которая и присвоила АМС название «Pioneer».
АМС оснащалась тормозным РДТТ «Тиокол», имеющим тягу 1 350 кгс, для выхода на орбиту ИСЛ и восемью РДТТ малой тяги для коррекции траектории при полете к Луне. АМС должна была стабилизироваться закруткой вокруг продольной оси со скоростью 200 об/мин.
Вторая и третья АМС были модифицированы и несколько отличались по установленному оборудованию.
Состав аппаратуры АМС:
- магнитометр;
- детекторы микрометеоритов;
- датчики температуры;
- ионизационная камера (на АМС «Pioner-1» и «Pioneer-2»);
- пропорциональный счетчик заряженных частиц (на АМС «Pioneer-2»);
- фотоустройство.
Фотоустройство представляло собой небольшое вогнутое зеркало, фокусирующее свет от лунной поверхности на фотодиоде, который генерировал ток пропорционально яркости падающего на него света. На первых двух АМС фотоустройство работало в инфракрасном диапазоне, на АМС «Pioneer-2» - в видимом. За счет вращения и одновременного орбитального перемещения АМС должно было получаться построчное сканирование окружающего пространства. Разработчики АМС планировали получить таким образом телеизображение поверхности Луны.
В качестве источников энергопитания использовались химические батареи. Расчетное время работы АМС - 2 недели.
Высота АМС - 76,2 см, диаметр корпуса АМС - 73,6 см. Масса АМС около 39 кг, в т.ч. масса аппаратуры - от 11 до 16 кг.
Запуск АМС производился РН Thor-Able.
Было произведено три попытки запуска АМС «Pioneer» тип 1, все неудачны.

1.2.2. «Pioneer» Тип 2
АМС этого типа разрабатывалась в Лаборатории реактивного движения (JPL - Jet Propulsion Laboratory) и принципиально отличалась от АМС «Pioneer» тип 1, разработанной в STL. NASA, которой 01.10.58 г. также была переподчинена JPL, приняла решение АМС этого типа также называть «Pioneer».
АМС «Pioneer» тип 2 предназначались для обнаружения магнитного поля Луны с пролетной траектории.
На АМС использовались ртутные электрические батареи, двигательные установки отсутствовали. АМС стабилизировалась закруткой вокруг продольной оси со скоростью 400 об/мин. Через 10 часов после старта скорость вращения уменьшалась до 6 об/мин. с помощью двух грузиков на проволочных тягах длиной 1,5 м.
Из научной аппаратуры на АМС устанавливались только 2 счетчика Гейгера-Мюллера для измерения интенсивности космической радиации и фотоэлектрической устройство для регистрации прохождения вблизи Луны. По изменению интенсивности радиации рассчитывалось обнаружить (в случае их существования) радиационные пояса, создаваемые магнитным полем Луны, аналогично радиационным поясам Земли. Первоначально предполагалось оснастить АМС фототелевизионным устройством (ФТУ) в нижней торцевой части, рассчитанным на получение одного кадра. ФТУ должно было сработать по сигналу датчика, установленного в вершине конуса, когда после пролета Луны датчик был бы направлен на Солнце, а объектив ФТУ - на обратную сторону Луны.
Расчетная длительность работы АМС - 75-90 часов.
Длина АМС 58,4 см, диаметр 25 см. Масса АМС - около 6 кг. Запуск производился РН Juno-II.
Было произведено два запуска АМС «Pioneer» тип 2. В первом не удалось развить необходимую для полета к Луне скорость, и АМС вышла на высокоэллиптическую орбиту. Второй запуск 03.03.59 г. был частично удачным - из-за недобора скорости АМС пролетела на расстоянии 60 000 км от Луны вместо расчетных 16 000-24 000 км, в связи с чем данных по магнитному полю и радиационным поясам Луны получить не удалось. АМС «Pioneer-4» вышла на гелиоцентрическую орбиту. Связь с АЛС поддерживалась в течение 82 часов на расстоянии до 655 300 км.
АМС «Pioneer-4» стала первой американской АМС, вышедшей за пределы поля тяготения Земли.

1.2.3. «Pioneer» тип 4
АМС «Pioneer» тип 4 были разработаны для выхода на орбиту спутника Венеры, а также для фотографирования и изучения Луны с окололунной орбиты.
Разработку проводила Лаборатория космической техники США STL (Space Technology Laboratory). Внешне АМС этого типа были похожи на АМС «Pioneer» тип 3, но имели бoльшие размеры. Корпус АМС имел форму сферы диаметром 0,99 м. Внутри корпуса размещался топливный бак с гидразином и два баллона со сжатым азотом.
АМС была оборудована двумя ЖРД, один из которых был направлен назад - для коррекции траектории и маневров на окололунной орбите, а второй - вперед, для торможения и перехода на орбиту ИСЛ. Тяга ЖРД от 7,3 до 11,3 кгс (в зависимости от давления наддува в топливных емкостях).
Стабилизация АМС осуществлялась закруткой вокруг продольной оси со скоростью 2,5 об./с.
Энергопитание аппаратуры АМС осуществлялось от никель-кадмиевых батарей и четырех солнечных батарей размерами 0,61 х 0,61 м и общей площадью 1,49 м2. Размах панелей солнечных батарей - 2,7 м.
Состав научной аппаратуры:
- детекторы космического излучения;
- магнитометры;
- детекторы микрометеоритов.
- сцинтилляционный спектрометр;
- датчик плазменных частиц;
- солнечный датчик;
- сканирующее телевизионное устройство.
Масса АМС 100-176 кг (в зависимости от количества заправленного топлива), в т.ч. масса научной аппаратуры (вместе с бортовой электроникой и устройствами электропитания) - около 60 кг, масса заправленной ДУ - 88,4 кг. Запуск АМС производился РН Atlas-Able.
Расчетный срок работы АМС - 1 год.
Было изготовлено три АМС «Pioneer» типа 4. Первая (P-1) имела стартовую массу 99 кг и предназначалась для запуска к Венере с выходом на орбиту ИСВ, но из-за опоздания в изготовлении к стартовому «окну» 1959 года была переназначена для полета к Луне. 24.09.59 г. при подготовке к запуску произошел взрыв РН, уничтоживший и АМС.
Вторая АМС (P-3) начальной массой 122 кг изначально предназначалась для запуска с выходом на окололунную орбиту 4 800 х 6 400 км. Неудачная попытка запустить АМС к Луне была произведена 26.11.59 г.
Запасной третий экземпляр АМС был доработан по типу 4а для изучения окололунного пространства с орбиты ИСЛ.

1.2.4. «Pioneer» тип 4А
АМС «Pioneer» тип 4а являлись модификацией АМС «Pioneer» тип 4, и отличались от исходной конструкции тем, что фототелевизионное устройство с них было снято, а вместо него установлены следующие приборы:
- сцинтилляционный спектрометр;
- датчик плазменных частиц;
- солнечный датчик.
АМС должны были выводиться на орбиту спутника Луны с высотой 2 250 х 4 000 км (2 400 х 4 300 км во втором запуске).
Масса АМС около 176 кг, в т.ч. научная аппаратура (вместе с бортовой электроникой и устройствами электропитания) - около 66 кг. Запуск АМС производился РН Atlas-Able.
Первоначально была изготовлена одна АМС этого типа - P-30 (модификация АМС P-3). Позднее по типу 4а был доработан запасной экземпляр АМС типа 4, получивший обозначение P-31. Обе АМС были запущены с целью выхода на орбиту ИСЛ, и оба запуска были неудачными по причине аварии РН.
Информация по запускам АМС «Pioneer» первого этапа приведена в табл. 3.2.


ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Рабочая нумерация АМС, разработанных JPL
До середины 1960-х годов в NASA (JPL) существовала система нумерации изготавливаемых АМС с индексом «P», от термина «Probe» - «зонд». В приводимой таблице указаны обозначения АМС по этой системе.


1 Индекс переприсвоен, т.к. задачи запуска сохранены, а АМС «Mariner A» и «Mariner В» с такими индексами не изготавливались.

Проекты советских лунных автоматических КА 1950-1960 гг.

В.Карфидов:
1.1. Первые планы и достижения
1.1.1. Программа Е - исследование Луны
Следующей задачей после запуска первого искусственного спутника Земли было достижение Луны, как ближайшего к Земле небесного тела. В 1957 году в ОКБ-1, руководимом С.П. Королевым, были сформулированы следующие первоочередные задачи для лунных АМС:
Е1 - прямое попадание в Луну;
Е2 - облет Луны для фотографирования невидимой с Земли стороны Луны;
Е3 - фотографирование обратной стороны Луны с высоким разрешением;
Е4 - доставка на Луну ядерного заряда для наблюдения факта попадания в Луну;
Е5 - создание искусственного спутника Луны.
В 1959 году были предложены еще две задачи для лунных аппаратов:
Е6 - мягкая посадка на поверхность Луны;
Е7 - передача телевизионного изображения Луны с орбиты искусственного спутника Луны.
В 1960 году появился проект Е8 - доставка на Луну самоходной АМС («Лунохода»).
Индекс «Е» был принят в связи тем, что третья ступень 8К72, на которой монтировались первые АМС при запусках к Луне, имела наименование «блок Е». Отсюда - объект Е1, Е2 и т.д.
1.1.2. Ракетой по движущийся Луне
Е1 - простейший вариант АМС для достижения Луны. АМС была выполнена в виде сферического контейнера, внутри которого устанавливались радиопередатчики, источники электроэнергии, и научная аппаратура для измерения параметров межпланетной среды:
- трехкомпонентный магнитометр;
- два газоразрядных счетчика корпускулярных частиц;
- два пьезоэлектрических детектора микрометеоритов;
- детектор космического излучения;
- четыре ловушки заряженных частиц.
В контейнере находился также вымпел - металлическая сфера, составленная из пятигранных пластин с изображением герба СССР. Диаметр сферической оболочки - 800 мм, максимальный поперечный размер корпуса - 850 мм.
Конструктивно АМС этого типа аналогична первому спутнику ПС, но имела несколько большие размеры. Запуск АМС Е1 производился РН 8К72 - трехступенчатым вариантом ракеты Р-7. После окончания работы 3-й ступени РН АМС пружинным толкателем отделялась от ступени, однако, оба объекта продолжали лететь по близким траекториям, что позволило часть аппаратуры устанавливать не внутри корпуса АМС, а на 3-й ступени РН. Суммарная масса 3-й ступени - 1 472 кг, в т.ч. масса полезной нагрузки - 361,3 кг. Масса собственно АМС Е1 - 187 кг.
Е1А - вариант АМС Е1, отличающийся незначительной доработкой бортовой аппаратуры. Так, в частности, были установлены шесть (вместо двух) газоразрядных счетчиков, улучшенный пьезоэлектрический детектор. Масса полезной нагрузки - около 390 кг, в т.ч. собственно АМС - около 190 кг.
Всего было осуществлено семь попыток запуска АМС этих типов, четыре закончились аварией РН, один запуск был остановлен из-за сбоя в работе систем 1-й ступени РН. Из двух успешных стартов один завершился промахом мимо Луны (запуск 02.01.1959 г., «Луна-1»), и лишь шестой запуск завершился попаданием в Луну (14.09.1959 г., «Луна-2»).
1.1.3. Невидимая сторона Луны
Е2 - проект АМС для фототелевизионной съемки обратной стороны Луны. Состав аппаратуры:
- фототелевизионное устройство (ФТУ) «Енисей-1»;
- детектор микрометеоритных частиц;
- детектор космического излучения.
Комплект аппаратуры «Енисей-1», устанавливаемый на АМС, включал фотокамеру, устройство для автоматической проявки пленки и фототелевизионное устройство для передачи на Землю полученных изображений.
АЛС типа Е2 не изготавливались в связи с принятием варианта Е2А.
Е2А - утвержденный к изготовлению вариант АМС Е2, отличающийся усовершенствованным фототелевизионным устройством (ФТУ) «Енисей-2». АМС выводилась на эллиптическую орбиту, огибающую Луну на максимальном расстоянии около 70 000 км. Фотокамера АФА-Е1 имела два объектива с фокусными расстояниями 200 мм и 500 мм (угол зрения 10° и 4°, соответственно). Система ориентации управляла положением АМС так, чтобы при облете Луны объективы фотокамеры смотрели на поверхность Луны. Длительность съемки около 40 минут, запас пленки рассчитан на получение 40 кадров на пленке шириной 35 мм. Сканирование полученных фотоснимков производилось с разрешением 1 440 х 1 440 и 720 х 720 строк/пикселов. Масса АМС Е2А - около 280 кг, максимальный диаметр 1,2 м, длина корпуса - 1,3 м. Запуск осуществлялся РН 8К72.





Первый же запуск АМС Е2А оказался успешным: впервые в мире были получены фотоизображения обратной стороны Луны. Было получено 29 фотоснимков, которые покрывали почти 70% поверхности обратной стороны Луны. При завершении первого витка полета, когда АМС приблизилась к Земле, аппаратура была включена в режим передачи. Всего было передано 17 фотоизображений.


Е3 (Е2Ф) - АМС с двойным комплектом усовершенствованного фототелевизионного устройства. Каждая фотокамера АФА-Е2 оборудовалась одним объективом с фокусным расстоянием 750 мм. С помощью АМС типа Е3 планировалось получить улучшенные фотографии обратной стороны Луны, при этом съемка на пленку шириной 70 мм должна была начаться с края видимой стороны Луны для точной привязки при картографировании невидимой стороны. Принятый к изготовлению вариант АМС Е3 базировался на конструкции АМС Е2А, в связи с чем АМС получила обозначение также Е2Ф. Были изготовлены и запущены две АМС типа Е3 (Е2Ф), оба запуска оказались неудачными из-за аварий РН 8К72.
1 Суммарная масса АМС и приборов, установленных на 3-й ступени РН / Полная масса 3-й ступени.
1.1.4. Ядерная бомба для Луны
Е4 - АМС для доставки на поверхность Луны ядерного заряда. Ядерный взрыв на Луне, наблюдаемый с Земли, должен был послужить неоспоримым доказательством попадания в Луну запущенного с Земли объекта. После сравнения отрицательных аргументов (опасные последствия в случае аварии на старте или на участке выведения; в случае невыхода на расчетную траекторию и последующим падением в непредсказуемой точке земной поверхности) и немногих положительных (визуальное подтверждение попадания; возможное проведение спектрального изучения лунных пород при наблюдении взрыва) было решено от этого проекта отказаться, тем более, что факт попадания мог быть подтвержден траекторными измерениями и зафиксирован по факту прекращения работы радиопередатчика в расчетное время попадания.
Работы по АМС типа Е4 были прекращены в 1958 году, ещё до первых запусков АМС типа Е1.
1.1.5. Лунный спутник
Е5 - проект АМС, выводимой на орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ). АМС Е5 конструктивно создавалась на базе Е3, но вместо фототелевизионной системы на АМС размещалась тормозная двигательная установка для выхода на орбиту ИСЛ. Для запуска планировалось использовать РН 8К73, отличавшуюся от 8К72 третьей ступенью с более мощным двигателем. В связи с задержками в создании этого двигателя работы по РН 8К73 были прекращены. Проект АМС типа Е5 также был закрыт.

1.2. Близкое знакомство с Луной
1.2.1. Новые возможности
В 1959 году начались работы по проектам АМС Е6 и Е7. Годом позднее, в 1960 году, появился четырехступенчатый вариант ракеты Р-7, получивший наименование 8К78 и ставший позже известным, как РН «Молния». Работы по проектам мягкой посадки на Луну и создания спутника Луны были немедленно переориентированы на новый вариант носителя, который обеспечивал отправку к Луне объекта массой до 1,5 тонн. В измененный проект была заложена идеология универсального транспортного блока с различными полезными грузами. В связи с этим вместо проекта спутника Луны Е7 появилось несколько модификаций АМС Е6, в которых на транспортный блок Е6 устанавливался объект, предназначавшийся для работы на орбите спутника Луны.
далее 1961-1970