Рейнджер-6

Ежегодник 1964 г

«Рейнджер VI» («Рейнджер А» - рис. 15). Запущен с мыса Кеннеди 30 января с помощью ракеты-носителя «Атлас-Аджена», предназначался для получения изображений поверхности Луны. В сложенном положении аппарат имеет высоту 2,52 м и максимальный поперечный размер 1,52 м; в развернутом положении соответственно - 3,12 и 4,57 м. Вес аппарата 364 кг. Бортовая двигательная установка (тяга 23 кг), работающая на продуктах разложения гидразина, предназначена для коррекции траектории на среднем участке полета. В системе ориентации используются три гироскопа, шесть солнечных датчиков и датчик направления на Землю. Управляющие органы системы - реактивные сопла, работающие на сжатом азоте (два комплекта по 6 сопел, один из них запасной).

Для передачи телевизионных изображений используются два передатчика (по 60 вт), для приема команд и передачи телеметрической информации - приемопередатчик (3 вт ). Телеметрическая информация поступает от датчиков, измеряющих до 200 различных параметров.

На аппарате установлено шесть телевизионных камер, которые скомпонованы в два независимых комплекта - каждый со своим передатчиком и своей батареей. В первый комплект входят две камеры типа F (Full-Scan - полное сканирование), во второй - четыре камеры типа Р (Partial-Scan - частичное сканирование) .

Сначала вторая ступень ракеты-носителя вместе с аппаратом вышла на промежуточную орбиту высотой - 160 км. После вторичного включения двигателя второй ступени она вышла на траекторию полета к Луне и затем отделилась от спутника. Аппарат упал на Луну 2 февраля. Телевизионных изображений лунной поверхности получить не удалось.

Рис. 15. Космический аппарат «Рейнджер VI». 1 - всенаправленная антенна; 2 - отсек телевизионных камер; 3 - кожух; 4 - контейнер с оборудованием системы ориентации; 5 - направленная антенна; 6 - панель с солнечными элементами; 7 - приспособление, удерживающее панель 6 - прижатой к корпусу до отделения аппарата от ракеты-носителя; 8 - аккумуляторные батареи; 9 - баллон со сжатым газом для реактивных сопел системы ориентации.

Назначение аппарата (рис. 10) - получение телевизионных изображений поверхности Луны перед падением на нее. Запуск аппарата произведен 30 января 1964 г. со стартового комплекса № 13 м. Кеннеди ракетой-носителем Atlas-Agenа В. Полет ракеты-носителя и аппарата проходил по программе, близкой к расчетной. После выхода на траекторию полета к Луне аппарат Ranger А получил название Ranger VI, а по международной системе обозначение 1964-07А. Через 15 час. после старта была включена на 66 сек. двигательная установка для коррекции траектории (без коррекции аппарат прошел бы на расстоянии 960 км от Луны), что обеспечило приращение скорости на 41 м/сек. Перед заключением двигательной установки аппарат по команде с 3емли был ориентирован поворотами по крену на 12° и тангажу на 71°. За 15 мин. до падения аппарата на Луну со станции слежения системы DSIF в Голдстоуне была подана команда на включение телевизионных камер для их прогрева. Полученный на Земле телеметрический сигнал показал, что команда была принята, однако никаких телевизионных изображений с аппарата не поступило. 2 февраля аппарат упал на Луну к востоку от Моря Спокойствия в 23° от терминатора в точке с селенографическими координатами 9°24 с. ш. и 21°30 в. д. менее чем в 30 км от расчетной точки (8,5° с. ш. и 21,0° в. д.). Наблюдение за падением аппарата вели 32 обсерватории, однако ни одной из них не удалось зарегистрировать ожидаемого пылевого облака. Полет аппарата продолжался 63 час. 35 мин. (1,21,23).

Рис. 10. Космический аппарат Ranger VI.

Серия аппаратов Ranger VI-IX относится к модели Block III и составляет третий этап программы (8). По конструкции и составу бортового оборудования аппараты этой серии и Ranger III-V имеют много общего. Основное отличие: на аппаратах Ranger VI-IX вместо капсулы и приборного контейнера с тормозным двигателем установлены 2 комплекта телевизионных камер с автономными источниками питания, временными и программными устройствами. Кроме того, корпуса аппаратов Ranger VI-IX изготовлены из магниевого сплава; бортовые устройства аппаратов, управляющие работой связного оборудования, как правило, дублированы или предусмотрена возможность управления работой связного оборудования по командам с Земли; установлены более совершенная корректирующая двигательная установка, дублирующий комплект управляющих реактивных сопел с баллоном сжатого азота и вторая химическая батарея емкостью 1200 вт-час; изменена форма панелей с солнечными элементами, что позволило без увеличения веса разместить большее число солнечных элементов и увеличить мощность со 150 до 175 вт.

Оборудование размещено в шести модулях по периметру аппарата: модуль I-центральное счетно-решающее и программное устройства, командная система; модуль II - передатчик и приемник; модуль III-кодирующее устройство; модуль IV-элементы системы стабилизации и ориентации; модуль V-серебряно-цинковая батарея; модуль VI- аппаратура системы электропитания.

Аппараты Ranger VI-IX не проходили стерилизацию. Суммарный вес аппарата - 364,7 кГ, в т. ч. конструкции- 41,4 кГ. Диаметр окружности, описанной вокруг основания аппарата-1,52 м, высота при сложенной антенне-2,51 м, при развернутой антенне-3,12 м, максимальный размах при откинутых панелях с солнечными элементами-5,18 м.

Корректирующая двигательная установка (50) аналогична ранее применявшейся на аппаратах Ranger III-V, но увеличены минимальное и максимальное приращение скорости (с 0,03 м/сек до 0,1 м/сек и с 44 м/сек до 58 м/сек), увеличена максимальная продолжительность работы с 68 сек. до 98,5 сек. Эти изменения дают возможность проведения коррекции при отклонении от расчетной траектории до 9600 км. Длительность импульса обеспечивается временным устройством, а на аппаратах Ranger III-V она обеспечивалась акселерометром. Вес установки-20,6 кГ.

Система ориентации (16,33) включает 6 датчиков направления на Солнце на фотоэлементах из селенида свинца, обеспечивающих ориентацию аппарата в плоскости тангажа и рысканья. Датчики (3 шт.) направления на Землю обеспечивают ориентацию аппарата в плоскости крена и ориентацию направленной антенны. Угол обзора датчиков направления на Землю на аппарате Ranger VI меньше, чем на предыдущих аппаратах. Это позволяет уменьшить вероятность захвата Солнца вместо Земли, запускать аппарат при менее благоприятном расположении Солнца, Земли и Луны. Ранее благоприятный период для запуска составлял 4 суток, после установки новых датчиков - 7-8 суток в месяц. В систему входят 3 гироскопа и 2 комплекта по 6 управляющих реактивных сопел, работающих на сжатом азоте. Каждый комплект сопел имеет свой баллон со сжатым азотом. Вес системы ориентации и автопилота-26,8 кГ. Разработчик аппаратуры системы - Nortronics.

Система связи (50) для передачи телевизионных изображений использует 2 передатчика мощностью по 60 вт, c частотой 959,52 Мгц и 960,05 Мгц для камер типа F и Р, соответственно. Полоса передачи-200 кгц, вид модуляции- ЧМ. Для приема команд и передачи телеметрической информации применен 8-канальный приемоответчик мощностью 3 вт и частотой 960,58 Мгц. Скорость передачи данных - 3500 бит/сек, метод модуляции - АИМ - ФМ. Установлены направленная антенна с высоким коэффициентом усиления (18 дб) (разработчик Barry Controls) и всенаправленная антенна с низким коэффициентом усиления. Вес связного оборудования - 17,6 кГ, кодирующего устройства - 9,2 кГ, счетно-решающего и программного устройств - 4,3 кГ. Телеметрическая информация поступает от датчиков, измеряющих 200 различных параметров, в том числе характеризующие состояние и работу телевизионного оборудования (15 параметров до включения и 105 во время работы камер).

Система энергопитания (50) включает 2 панели общей площадью 2,267 м² с 9 792 солнечными элементами, обеспечивающими мощность 240 вт, и 2 серебряно-цинковые батареи емкостью по 1200 вт-час, рассчитанные на 9 часов работы и обеспечивающие напряжение 26,5 в. Батареи предназначены для обеспечения электроэнергией систем аппарата на участке выведения до раскрытия панелей и при выполнении маневров на среднем и конечном участках траектории, когда панели не ориентированы на Солнце. Одна батарея может обеспечить потребность в электроэнергии для совершения маневров на среднем и конечном участках. Вес системы энергопитания-55,9 кГ. Разработчики: солнечных элементов - Heliotek Div. и Textron Electronics, защитного покрытия элементов-Optical Coating Laboratory., панелей- Ryan Aeronautical Co. и Aerospace Div.

6 телевизионных камер (16,45,48) предназначены для получения телевизионных изображений лунной поверхности, разработаны Astro-Electronics и Radio Corporation of America. Для частичного перекрытия изображений оптические оси камер расположены под небольшим углом друг к другу. Камеры скомплектованы в 2 независимых комплекта, со своим передатчиком и серебряно-цинковой батарей, состоящей из 22 элементов, обеспечивающих питание камеры в течение 1 часа. В первый комплект входят 2 камеры типа F (Full-scan-полное сканирование): Fa-с широким углом обзора и Fb-с узким утлом. Каждая камера работает сеансами продолжительностью 2,56 сек, затем в течение 2,56 сек подготавливается к следующему сеансу. Пока одна из камер производит съемку и передает изображения, вторая подготавливается к работе. Считывание изображений осуществляется за 2,24 сек. Изображения от камер первого комплекта поступают непрерывно. Несущая частота передатчика первого комплекта равна 959,52 Мгц. Изображение в кадре имеет размеры 11,17 Х 11,17 мм.

Во второй комплект входят 4 камеры типа Р (Partial- scan-частичное сканирование): Р₂ и Р₄ - с широким углом обзора, P₁ и Р₃-с узким углом. Камеры предназначены для получения изображения центральной части того участка поверхности Луны, который попадает в кадр камеры типа F. Каждая камера второго комплекта работает сеансами продолжительностью 0,2 сек, затем в течение 0,6 сек подготавливается к следующему сеансу. Пока одна камера производит съемку и передает изображения, остальные 3 камеры находятся в разной степени готовности. Время считывания изображений-360 миллисекунд. Изображения от камер второго комплекта также поступают непрерывно. Несущая частота передатчика второго комплекта 960,05 Мгц. Изображение в кадре имеет размеры 2,79 Х 2,79 мм. Кадры обеих типов камер имеют отношение высоты к ширине 1:1. Камеры Fa, Р₃ и P₄ рассчитаны на получение изображений при освещенности от 215 до 7000 лк, а камеры Fb, Р₁и P₂-от 860 до 29 063 лк; освещенность лунной поверхности принималась равной от 215 до 29 063 лк. В таблице 3 приведены характеристики телекамер.

Передающей трубкой является видикон с электростатическим управлением. Ширина полосы пропускания видикона обеих камер-200 кгц. Диаметр видикона-25 мм. Камеры помещены в отсек, закрытый кожухом, имеющий форму усеченного конуса высотой 151 см и диаметром оснований 61 см и 42 см. Программой предусматривалось включение обоих комплектов камер за 15 мин до падения аппарата на Луну. Пять минут требуется на разогрев аппаратуры, за 10 мин до падения начинается съемка, которая прекращается за 2,5 сек до падения. В момент начала съемки аппарат находится на расстоянии 1450 км от Луны, имея скорость 2,3 км/сек. В момент прекращения съемки аппарат находится на расстоянии 535 м от Луны (2). В таблице 4 приведены расчетные характеристики съемки.

Изображения должны были приниматься станцией слежения системы DSIF в Голдстоуне с помощью двух антенн с отражателем диаметром 26 м, записываться на магнитную ленту и одновременно сниматься с экрана приемной телевизионной трубки на 35-миллиметровую пленку. Для записи изображений от камер типа F потребовалось бы 4,8 м пленки, от камер типа Р-15 м. Предусмотрены три независимых системы включения телекамер: автоматическая, от часов и по команде с Земли. Вес телекамер и связанного с ними оборудования-172,8 кГ, в т. ч. собственно телекамеры - 17,2 кГ, видеокомбинатор - 1,3 кГ, электронное оборудование телекамер-22,1 кГ, программное устройство-6,3 кГ, батареи (2 шт.) -39,1 кГ, передатчик и связанное с ним оборудование-31,8 кГ, элементы конструкции и различные детали - 55,0 кГ.

Для расследования причин отказа телевизионного оборудования была создана специальная комиссия NASA, которая пришла к выводу, что наиболее вероятной причиной было включение камер на атмосферном участке полета. Самопроизвольное включение произошло вследствие накопления заряда статического электричества или интенсивной вибрации, вызвавшей замыкание контакта реле в системе включения камер. Точно установить, произошло это включение или нет, не удалось. Косвенным подтверждением служит не предусмотренное программой включение через 2,5 мин после старта телеметрической аппаратуры, связанной с камерами; аппаратура проработала 67 сек. и выключилась. Предполагают, что при этом включились также и камеры, в результате чего произошло короткое замыкание в их электрической цепи, рассчитанной на работу в вакууме. Однако при предусмотренном программой включении телеметрической аппаратуры на 47 мин. полета переданная на Землю информация свидетельствовала о нормальном состоянии камер. В отчете комиссии содержатся замечания о конструкции и программе испытаний аппарата Ranger VI: комплекты камер не были полностью независимыми и имели некоторые общие элементы; телевизионное оборудование неоправдано сложно; изоляция электрических цепей недостаточна; конструкция аппарата не позволяла провести всеобъемлющую предстартовую подготовку; не проведены испытания направленной антенны в сочетании с передатчиками; не проведена проверка ряда систем непосредственно перед стартом (проверка не проводилась во избежание возможного повреждения аппарата). Телевизионное оборудование проверялось последний раз за 12 суток до старта. Для предотвращения самопроизвольного включения камер были предложены следующие мероприятия: проведение наземных испытаний для определения опасности накопления заряда статического электричества; установка блокирующего устройства, предотвращающего включение камер до отделения аппарата от ракеты-носителя; обеспечение дополнительной изоляции электрооборудования.

Новости космонавтики
Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов
Имея на руках рекомендации, JPL приступила к реорганизации проекта и переделке аппаратов новой серии Block III. Основной задачей стало получение изображения Луны в высоком разрешении вплоть до момента удара о поверхность. Но, даже отказавшись от других экспериментов, до запусков необходимо было решить критические проблемы с космическим аппаратом.
Первый усовершенствованный зонд был, наконец, готов к концу 1963 года. В его конструкцию внесли множество изменений. Раму изготовили из алюминия для улучшения тепловых характеристик. Для дублирования питания добавили второй аккумулятор. Ёмкость бортового топливного бака увеличили, двигатель модернизировали (общий корректирующий импульс вырос почти вдвое по сравнению с серией Block II). Программно-временное устройство было переработано и теперь включало функции, увеличивающие шансы на успех миссии в случае выхода из строя оборудования. Для резервирования ввели вторую независимую систему управления ориентацией. Платформа имела собственный восьмиканальный передатчик мощностью 3 Вт, который передавал только телеметрию. Кроме прочего, появились новые панели солнечных батарей прямоугольной формы, обеспечивающие мощность 240 Вт.
Из-за модификаций выросла масса аппарата, и с него пришлось снять все научные приборы, заменив их комплектом телевизионных камер. Это позволило уложиться в предел по массе для ракеты-носителя Atlas-Agena B для данных миссий.
Целевая нагрузка – шесть сканирующих камер, поставленных фирмами Astro-Electronics и RCA, – монтировалась в «башне» высотой 1,5 м, заменившей ферму на первой и «лэндер» на второй сериях зондов. Башня представляла собой длинный конус со срезанной вершиной, на которой стояла всенаправленная антенна. Внутри башни размещались программно-временные устройства и два независимых источника питания – по одному на каждый комплект камер.
Чувствительным элементом камер, сгруппированных в два независимых комплекта, была электронно-лучевая трубка типа видикон диаметром 25 мм с электростатическим управлением. Все объективы смотрели через общее 33-сантиметровое квадратное отверстие, их оптические оси были скошены под углом 28° от продольной оси зонда и (для частичного перекрытия изображений) расположены под небольшим углом друг к другу.
В первый комплект входили две камеры полного сканирования типа F (Full-scan): Fa – с широким, и Fb – с узким углом обзора. Каждая камера работала короткими сеансами – 2,56 секунды снимала и 2,56 секунды готовилась (считывание «картинки» осуществлялось за 2,24 секунды). Изображения (имели размер кадра 11,17 ? 11,17 мм) от камер первого комплекта поступали непрерывно. Каждая камера сканировала все 1152 строки видикона, принятые во время экспозиции: это более чем вдвое превосходило разрешение обычного американского телевизора на тот момент и было сопоставимо с сегодняшним форматом телевидения высокой чёткости.
Во второй комплект входили четыре камеры частичного сканирования типа Р (Partial-scan): Р2 и Р4 – с широким, P1 и Р3 – с узким углом обзора. Они служили для съёмки центральной части того участка поверхности Луны, который попадал в кадр камеры типа F. Каждая камера типа Р работала 0,2 секунды, затем в течение 0,6 секунды готовилась (время считывания – 0,36 секунды). Пока одна производила съёмку и передавала изображения, остальные три пребывали в разной степени готовности. Таким образом, «картинки» со второго комплекта (2,79 ? 2,79 мм) также шли непрерывно
Система передачи изображений имела два автономных передатчика мощностью по 60 Вт, связанных с двумя антеннами с отражателем диаметром по 26 м приёмной станцией в Голдстоуне. «Картинка» записывалась на магнитную ленту и одновременно снималась с экрана приёмной телевизионной трубки на 35-миллиметровую плёнку. В целом всё было сделано так, чтобы с наибольшей вероятностью достичь поставленных целей. Этому же способствовали дублирование систем и 500…800 часов предстартовых проверок аппарата.
Профиль миссии аппаратов второй и третьей серий был очень похож, вплоть до столкновения с Луной, но новый зонд не имел жёсткой привязки к месту посадки капсулы. Примерно за час до удара начинался терминальный манёвр, который нацеливал камеры на лунную поверхность, а остронаправленную антенну – на Землю. Примерно за 15–17 минут до удара первая цепь камер получала команду на прогрев. Затем прогревалась вторая цепь. За 14 минут до удара на высоте около 1900 км передатчик первой цепи начинал слать изображения на Землю, еще через 150 сек включалась вторая цепь. Передача продолжалась до удара: если всё срабатывало штатно, Земля могла получить более 4200 телевизионных изображений лунной поверхности. В момент начала съёмки аппарат находится на расстоянии 1450 км от Луны. Последний кадр делался на высоте 535 м от поверхности.


Сборка Ranger 6
Ranger 6 стартовал с первой попытки 30 января 1964 года. Запуск и выведение на траекторию полёта к Луне прошли отлично. Основной целью миссии была съёмка лунного Моря Спокойствия, которое рассматривалось как место посадок «Аполлона».
Определение параметров траектории показало, что зонд пройдёт на расстоянии 796 км от Луны. Последовала коррекция, которая направила Ranger 6 на западную окраину Моря Спокойствия, в 65 км к югу от кратера Росс (Ross). 2 февраля аппарат приблизился к Луне на 2076 км, двигаясь со скоростью 1,998 км/с. Все системы функционировали нормально, телекамеры перешли в режим нагрева, но… отказали — Земля получила только несущую частоту. Управленцы передали ряд срочных команд, но всё безрезультатно: Ranger 6 врезался в лунную поверхность в точке 9,39° с.ш. и 21,51° в.д. на скорости 2,658 км/сек, не передав ни одной картинки…
Расследовав аварию, NASA возложило вину непосредственно на сами камеры: было установлено, что полное дублирование сработало не так, как хотели. Каким-то образом команда на включение блока камер ушла… на участке выведения: устройства включились в относительно плотной атмосфере, что привело к образованию дуги в электросхемах и короткому замыканию. Позднее выяснилось, что источником отказа стала детонация остатков топлива, выброшенного при отделении хвостового блока двигателей первой ступени Atlas.
В отчёте аварийной комиссии содержались замечания по конструкции и программе испытаний: комплекты камер не были полностью независимыми и имели общие элементы; телевизионное оборудование неоправданно сложно; изоляция электроцепей недостаточна; конструкция аппарата не позволяла провести всеобъемлющую предстартовую подготовку; не проведены испытания остронаправленной антенны в сочетании с передатчиками; во избежание повреждений аппарата непосредственно перед стартом не проверен ряд систем; телевизионное оборудование проверялось последний раз за 12 суток до старта.