| За лунным камнем, Алексеев В., Лебедев Л., М., «Машиностроение», 1972, стр. 120. Книга посвящена космическим полетам советских аппаратов на Луну и результатам выполненных ими исследований лунной поверхности. Описаны работы, выполненные «Луноходом-1», и результаты анализа доставленных на Землю «Луной-16» образцов лунных пород. Приведены сведения о полете станции «Луна-20», доставившей на Землю вещество лунных гор. Илл. 32, табл. 1. |
Человек всегда стремился к познанию нового, неизвестного в окружающем его мире. С незапамятных времен его взоры были обращены на небосвод, на котором он видел Солнце, Луну, планеты, мириады звезд. Человек хотел понять основные закономерности, управляющие окружающим нас миром и его эволюцией.
О Луне многое знали уже древние греки. Демокрит полагал, что пятна на Луне — это огромные горы и долины. Аристотель показал шарообразность формы Луны. Греки понимали, что Луна обращается вокруг Земли и одновременно вращается вокруг своей оси, причем период орбитального обращения равен периоду вращения Луны вокруг своей оси. Примерно за 1900 лет до Коперника греческий ученый Аристарх предложил гелиоцентрическую модель солнечной системы. Он вычислил расстояние до Луны и определил его превосходящим в 56 раз радиус земного шара. Гиппарх нашел, что орбита Луны имеет овальную форму и расположена в плоскости, отклоненной на 5 градусов от плоскости орбиты Земли, т. е. от плоскости эклиптики. Он показал, что плоскость орбиты Луны вращается относительно небесной сферы и совершает один оборот за 18⅔ года. Гиппарх сумел оценить диаметр Луны в 31 угловую минуту и уточнил относительное расстояние до Луны, определив его в 59 земных радиусов. Во II веке нашей эры Птоломей уточнил параметры лунной орбиты.
Таким образом, около 2000 лет назад древние философы-ученые, наблюдавшие Луну лишь невооруженным глазом, знали о шарообразности формы Луны, предполагали, что ее породы подобны земным, что ее поверхность состоит из больших долин и гор, знали характер вращения ее вокруг Земли по овальной орбите и примерные размеры орбиты.
Им было известно равенство угловых скоростей вращения Луны вокруг Земли и вращения Луны вокруг своей оси, что определяет постоянную ориентацию Луны относительно Земли. Они правильно объяснили последовательность смены фаз Луны, вызванную изменением относительного положения трех тел — Луны, Земли и Солнца.
В период средневековья, когда господствовали церковь и инквизиция, многие работы древних астрономов были уничтожены. Эпоха Возрождения вновь пробудила научную мысль. Астроном Тихо Браге (1546—1601 годы) значительно уточнил сведения о движении Луны и собрал огромное количество данных, которые имели большое значение для дальнейших исследований.
Существенно наука о Луне пополнилась на базе трудов Кеплера (1571—1630 годы), сформулировавшего законы движения планет, Ньютона (1642—1727 годы), создавшего фундамент современной механики и сформулировавшего закон всемирного тяготения, Галилея (1564— 1642 годы), применившего телескоп для изучения небесных тел.
Великие идеи и открытия науки эпохи Возрождения определили возможность интенсивного изучения Вселенной, значительно изменили мировоззрение и методы исследований научных и технических проблем. Основа многих современных знаний о Вселенной лежит в достижениях той эпохи. Значительно уточнились сведения о характеристиках движения Луны, ее массе и размерах.
Наблюдения Луны с помощью оптических инструментов позволили получить достаточно обстоятельные сведения об основных образованиях на ее поверхности. Так, уже Галилей, используя весьма простую зрительную трубу — дальний прообраз современных телескопов, открыл лунные горы и оценил их высоту по величине отбрасываемой тени. Он вместе с Гевелием составил весьма точную и детальную карту видимого лунного полушария.
Начиная с этого времени, знания о Луне непрерывно обогащались. Многолетние наблюдения с поверхности Земли дали много сведений о Луне.
Применение для наблюдения за Луной современных средств, основанных на новейших достижениях науки и техники, позволило уточнить размеры Луны и параметры ее орбиты, форму и расположение деталей рельефа, получить сведения о тепловом режиме лунной поверхности, цвете лунного грунта, законах рассеивания света, радиоволн и т. д.
Теперь известно, например, что расстояние от Земли до Луны изменяется от 406 697 до 356 410 километров, а среднее расстояние равно 384 400 километрам, или 60,2673 экваториальных радиусов Земли. Наклон орбиты Луны к плоскости эклиптики составляет 5 градусов 8 минут 43 секунды, а по отношению к земному экватору изменяется в пределах 23 градуса 27 минут ±5 градусов 9 минут. Период обращения Луны вокруг Земли равен 27,3217 суток, что совпадает с периодом вращения Луны вокруг ее оси. Угловой диаметр Луны, видимый при среднем расстоянии от Земли, равен 31 минуте 5,6 секунды, а диаметр — 3476 километрам. Отношение массы Луны к массе Земли составляет 1:81,3030, а ускорение силы тяжести на лунной поверхности — 0,166 земного ускорения. Оказалось, что средняя плотность Луны по отношению к плотности воды равна всего лишь 3,34, тогда как Земли — 5,52. Это свидетельствует об отсутствии в недрах нашего спутника сколь-нибудь существенных тяжелых масс — металлов. Луна, видимо, целиком состоит из каменистых пород, что согласуется с современными сведениями об отсутствии у Луны магнитного поля.
До недавнего времени с Земли не удавалось различать на поверхности Луны детали размером меньше 300 метров, в связи с этим многие данные о деталях рельефа отсутствовали.
Весьма ограниченными были и сведения о различных физических характеристиках нашего спутника и его поверхности. Такие характеристики Луны, как химический и минералогический состав поверхности, структура лунных недр, сейсмичность Луны носили характер гипотез. Совершенно необычные по земным представлениям физические условия на Луне — глубокий вакуум, значительные колебания температуры от плюс 130 градусов в период лунного дня до минус 160 градусов Цельсия е период лунной ночи, воздействие корпускулярного, рентгеновского и ультрафиолетового излучений Солнца в течение миллиардов лет непрерывное падение метеоритов, малая силе тяжести должны были, по мнению ученых, создать особые, неизвестные на Земле структуры лунной поверхности. Поэтому на основание сведений, полученных в результате наземных наблюдений, выдвигались различные предположения о пылевом покрове Луны, пемзовой или шлаковой структуре ее поверхности, об особых, не существующих на Земле ажурных минеральных структурах, образовавшихся за счет слипания малых частиц лунного грунта, о лавовых потоках базальтового типа.
Характерная особенность лунного рельефа — многочисленные кратеры. Предполагалось, что они образовались в результате падения метеоритов на лунную поверхность. Крупные кратеры достигают в поперечнике 250 километров. Их глубина по сравнению с диаметром мала. Дно кратеров расположено ниже окружающей поверхности. У кратера имеется вал, высота которого над поверхностью меньше глубины кратера. Подсчитано, что объем вещества, образующего вал, практически равен объему подповерхностной части кратера. Это, казалось бы, подтверждает и «метеоритную гипотезу».
Однако падение крупных метеоритов — очень редкое явление. Поэтому многие ученые считали, что формирование лунного рельефа произошло в результате вулканической деятельности. В 1958 году советский астроном Н. Козырев предложил весьма веское подтверждение этой гипотезы, обнаружив истечение большой массы газа из центральной части кратера Альфонс. Затем были зарегистрированы и другие проявления внутренней активности Луны. Спор сторонников вулканического и метеоритного происхождения кратеров не закончился и в настоящее время. Возможно, что большие лунные кратеры имеют вулканическое происхождение, а падение метеоритов влекло за собой образование множества мелких кратеров.
Существовали теории, по разному трактующие происхождение и историю Луны. Старейшая из них утверждает, что Земля и Луна это двойная планета и обе они возникли как отдельные тела, связанные в пространстве друг с другом, из одного пылевого или газового космического облака. Однако механизм образования такой двойной планеты не удалось разработать, и эта теория в настоящее время разделяется немногими учеными.
В начале нашего века весьма популярной была теория английского ученого Дж. Дарвина. В то время считали, что Земля начала существование в виде горячей жидкой массы, а Луна образовалась в результате отделения части массы Земли. В настоящее время имеются серьезные основания считать, что как Земля, так, вероятно, и Луна образовались как холодные тела, и поэтому раздельно.
В последние годы возникла еще одна теория, разработанная шведским физиком X. Альвеном, согласно которой Луна первоначально была самостоятельной планетой, попавшей в сферу притяжения Земли при их сближении.
Изучение Луны и планет солнечной системы является чрезвычайно важным инструментом для построения общей теории происхождения Земли и ее полезных ископаемых, для получения сведений о самых ранних этапах существования Земли, тех этапах, когда закладывались основные структурные элементы земной коры. Автоматические космические аппараты принесут важные данные о небесных телах, сравнительное изучение которых позволяет судить об общих законах строения и истории планет, сопоставить течение геологических процессов на разных телах солнечной системы.
Наш естественный спутник, своего рода заповедник Вселенной, сохранивший свой рельеф почти в первозданном виде. Из-за отсутствия на Луне воды и атмосферы изменение ее поверхности протекает гораздо медленнее, чем на Земле. В результате действия различных видов эрозии все сколько-нибудь заметные следы начальной структуры Земли оказались уничтоженными. Сейчас мы еще очень мало знаем о ранних стадиях ее эволюции. Исследуя лунный рельеф, по-видимому, можно будет уточнить характер ряда прошлых земных геологических процессов.
Ученым пока еще недостаточно понятна химическая эволюция земной коры. Луна может служить примером незавершенной эволюции и, возможно, она представляет собой наилучший объект, позволяющий увидеть, как выглядела ранее кора Земли.
Применение космических аппаратов для исследования Луны и планет солнечной системы приблизит решение многих проблем, которые на протяжении всей истории астрономии оставались в той или иной степени загадочными.
Запуском первого в мире искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года Советский Союз открыл новую эру в истории человечества — эру завоевания космоса. Прошло немногим более года и в январе 1959 года был запущен первый космический аппарат для изучения ближайшего к Земле небесного тела — автоматическая станция «Луна-1».
В течение последующих двенадцати лет были осуществлены значительные исследования Луны и окололунного пространства. Автоматические станции серий «Луна» и «Зонд» выполнили широкую, последовательную программу изучения нашего естественного спутника.
Первый старт к Луне позволил преодолеть рубеж второй космической скорости и выйти за пределы околоземного космического пространства. Пролетев в непосредственной близости от Луны, на расстоянии 5—6 тысяч километров от ее поверхности, автоматическая станция «Луна-1» превратилась затем в первую искусственную планету солнечной системы. Эксперименты, проведенные станцией «Луна-1», установили отсутствие существенного магнитного поля вблизи Луны и зарегистрировали в межпланетном пространстве потоки ионизированной плазмы — «солнечный ветер». Эти результаты уточнили представления о свойствах межпланетной среды.
«Луна-2» в сентябре 1959 года достигла лунной поверхности в восточной части Моря Дождей, в районе кратеров Архимед и Автолик.
Приборы станции провели измерения в непосредственной близости от поверхности и передали на Землю комплекс первых прямых экспериментальных данных о физических свойствах Луны. Они свидетельствовали об отсутствии у Луны сколь-нибудь значительного магнитного поля и радиационного пояса.
4 октября 1959 года, во вторую годовщину запуска первого искусственного спутника Земли, стартовала станция «Луна-3», которая совершила облет Луны и сфотографировала ее невидимую с Земли сторону. Первые советские фотографии обратной стороны Луны позволили увидеть то, что было скрыто от глаз человека, принесли астрономам сведения о важнейших особенностях строения невидимого с Земли полушария. Фотографическое обследование обратной стороны Луны практически завершила станция «Зонд-3» в июле 1965 года. Глобальный обзор всей лунной поверхности позволил выявить основные закономерности распределения морских и материковых областей, были составлены полная карта Луны и лунный глобус. Оказалось, что невидимая сторона нашего спутника по характеру ландшафта совершенно непохожа на ту, которую видели и изучали астрономы. На ней мало морей, все пространство занято кольцевыми образованиями. Это различие в строении двух полушарий Луны еще не нашло исчерпывающего объяснения и стоит перед учеными очередной, ждущей решения, задачей.
Дальнейшее изучение свойств естественного спутника Земли и окружающей его среды требовало более длительного пребывания научных приборов вблизи Луны. Качественно новый этап в изучении ее природы начался в феврале 1966 года, когда станция «Луна-9» совершила мягкую посадку в восточной части Океана Бурь. Время активного существования лунного автомата на поверхности исчислялось уже несколькими сутками. Переданные на Землю панорамы лунной поверхности позволили впервые увидеть мельчайшие детали поверхности и оценить характер рельефа в том месте, где прилунилась станция. Из фотографий видно, что «Луна-9» заметно не погрузилась в грунт. Не погрузились при падении, пролежали длительное время и не занесены пылью камни, которые видны во многих местах панорамы. Все это свидетельствовало о достаточной прочности пород поверхностного слоя Луны, об отсутствии глубокого слоя пыли. В месте посадки станции поверхность покрыта кратерами различных размеров — от крохотных лунок до достаточно больших образований, а также камнями. Они вероятно были выброшены из подповерхностных слоев при метеоритных ударах. Гипотеза о мощном пылевом покрове была отвергнута. Изучив панорамные снимки, ученые пришли к выводу, что лунная поверхность в районе посадки «Луны-9» вероятнее всего представляет собой излияния базальтовой лавы. Проведенные дозиметрические измерения впервые дали сведения о наличии радиоактивных процессов в лунных породах и позволили определить коэффициент отражения лунной поверхности для космических лучей.
Одной из важных задач по изучению Луны является определение химического состава лунных пород. Большой интерес представляет сравнительное изучение характера породы или верхних слоев Луны в масштабе всего лунного шара. Эта частная задача в общем комплексе лунных исследований требовала длительного пребывания научных приборов вблизи Луны и охвата измерениями значительных пространств. Подобные требования вытекали и из ряда других проблем науки о Луне.
Решение этого круга вопросов стало возможным лишь на основе создания искусственных спутников Луны. С их помощью были получены исключительно ценные сведения о природе Луны. Научные приборы первого спутника — станции «Луна-10», выведенного на селеноцентрическую орбиту 3 апреля 1966 года, позволили определить характер лунной породы по содержанию в ней естественных радиоактивных элементов. На Луне были обнаружены породы, близкие по составу к широко распространенным на Земле базальтам.
Изучение вариаций орбиты станции «Луна-10» легло в основу определения характеристик гравитационного поля Луны. Обработка результатов радиотехнических измерений параметров орбиты станции «Луна-10» выявила грушевидную форму эквипотенциальной поверхности Луны (поверхность, во всех точках которой ускорение силы тяжести нормально к ней) с вытянутостью на обратной стороне, т. е. в направлении от Земли. Как известно, форма поверхности постоянной силы тяжести небесного тела определяется не только его геометрической формой, но и внутренним распределением масс. Полученные результаты имеют практическое значение для определения строения гравитационного поля Луны и являются первым шагом на пути изучения строения недр естественного спутника Земли.
В результате магнитометрических измерений, выполненных «Луной-10», установлено, что поле в обследованном окололунном пространстве имеет достаточно однородную структуру. В период измерений наблюдалась изменчивость напряженности магнитного поля в пределах от 24 до 38 гамм, в то время как на Земле она меняется от 30 000 до 74 000 гамм.
По-видимому, на Луне нет магнитных полюсов, а по своей природе лунное магнитное поле является межпланетным полем, деформированным Луной.
Исследования Луны и окололунного пространства были продолжены станцией «Луна-11» — вторым искусственным спутником Луны, выведенным на орбиту 27 августа 1966 года. Научная программа была дополнена изучением длинноволнового космического радиоизлучения. Полученная информация позволила подтвердить и расширить основные выводы, сделанные на основании результатов исследований, проведенных станцией «Луна-10».
Перед третьим советским искусственным спутником Луны — станцией «Луна-12», выведенным на окололунную орбиту 25 октября 1966 года, помимо проведения начатых двумя запущенными ранее спутниками Луны исследований, стояла новая задача: фотографирование отдельных участков Моря Дождей с высот от 100 до 340 километров. Это было необходимо как для детального изучения лунной поверхности и природы образований на ней, так и для составления более точных карт.
Особенно интересными оказались снимки района светлых лучей, исходящих из кратера Аристарх. Они показали повышенную концентрацию мелких кратеров на участках, которые согласно наземным наблюдениям характеризуются повышенной яркостью. На снимках можно различать детали рельефа в 15—20 метров в поперечнике. Кратеры, по-видимому, образовались вследствие выброса фрагментов породы из очага вулканической деятельности или при падении на лунную поверхность метеорного тела. Возможно, что источником подобных выбросов в данном районе является кратер Аристарх.
Важный вклад в исследование Луны внесла и автоматическая станция «Луна-13», совершившая мягкую посадку в районе Океана Бурь в декабре 1966 года.
Помимо переданной на Землю панорамы лунной поверхности, «Луна-13» провела цикл научных экспериментов. Впервые в мире были выполнены прямые измерения плотности лунного грунта и его механических свойств с помощью грунтомера-пенетрометра и радиационного плотномера. Эти приборы были вынесены специальным механизмом на 150 сантиметров от корпуса станции на участок, не поврежденный при посадке. Расшифровка показаний приборов свидетельствовала, что в месте посадки станции «Луна-13» на поверхности находится слой материала с объемным весом γ ≈ 0/8 г/см3, состоящий из зерен и гранул пористого минерального вещества, слабо связанных между собой. Данные, переданные со станции «Луна-13», подтвердили вывод о достаточной прочности грунта, сделанный во время эксперимента с «Луной-9». Результаты измерений значительно расширили представления о свойствах лунных грунтов. Эта информация позволила советским ученым и конструкторам уверенно приступить к проектированию автоматических станций нового типа. Предстояло решить проблему создания новых, более совершенных средств для дальнейших исследований Луны.
В круг перспективных задач, подлежащих решению с помощью искусственных спутников Луны, входили не только вопросы, относящиеся непосредственно к Луне, но и проблемы системы Земля — Луна. Программа научных исследований четвертого советского искусственного спутника Луны — станции «Луна-14», запущенного в апреле 1968 года, предусматривала решение некоторых задач этой проблемы. В частности, проводилось уточнение соотношения массы Земли и массы Луны. Это отношение имеет большое значение для астрономии, и его определению были посвящены многолетние наблюдения с наземных обсерваторий. Программа экспериментов включала также систематические наблюдения за параметрами орбиты спутника с целью выявления особенностей гравитационного поля Луны, исследования условий прохождения радиосигналов между Землей и автоматической станцией при различных положениях ее относительно лунной поверхности, а также при заходах станции за Луну. Продолжалось исследование потоков заряженных частиц, идущих от Солнца, космических лучей и другие исследования, начатые первыми спутниками Луны.
Задача возвращения из космоса на Землю научных лабораторий была решена в ходе полетов автоматических станций «Зонд-5» (сентябрь 1968 года) и «Зонд-6» (ноябрь 1968 года). Эти аппараты, совершив облет Луны и успешно выполнив программу намеченных научных экспериментов, вошли в атмосферу Земли со второй космической скоростью и после баллистического спуска (станция «Зонд-5») и снижения с использованием аэродинамического качества (станция «Зонд-6») благополучно возвратились на Землю, совершив посадку в заданных районах земного шара. Во время полета станции «Зонд-5» проводились научные измерения, а также фотографирование Земли с расстояния около 90 000 километров. Станция «Зонд-6» помимо проведения научных исследований в окололунном пространстве провела два сеанса фотографирования Луны с расстояния около 11 000 километров и с расстояния около 2500 километров.
В августе 1969 года и в октябре 1970 года состоялись полеты автоматических станций «Зонд-7» и «Зонд-8». В процессе этих экспериментов продолжались физические исследования на трассе полета и в окололунном пространстве, были получены цветные фотографии Земли и Луны на различных удалениях от объекта фотосъемки.
Какие же научные задачи решались с помощью станций серии «Зонд»? Это прежде всего наблюдения Луны с близкого расстояния и с направлений, не доступных для наблюдений с Земли. До недавнего времени фигура Луны, как уже отмечалось, изучалась только по данным наземных наблюдений ее видимой с Земли стороны. Искусственные спутники Луны позволяют изучать лунное гравитационное поле, которое связано с динамической фигурой Луны. Для привязки гравитационного поля к ориентирам лунной поверхности, изучения ее физической природы, геологических структур, необходимо знать форму именно физической поверхности. Фотографии Луны, снятые с помощью станций «Зонд» с близкого расстояния и в различных направлениях, позволили получить изображение как видимой, так и невидимой части лунной поверхности. Точные стереоскопические измерения дают возможность построить пространственную модель Луны и определить ее фигуру.
Другой научной задачей «Зондов» является детальное изучение лунной поверхности и природы образований на ней в местах, недоступных или неудобных для наблюдений с Земли. В частности, представляет интерес выяснение особенностей и топографии обратной стороны Луны. Не менее важно изучение физико-оптических свойств лунных пород и геологических структур с помощью точного фотометрирования снимков.
К числу научно-прикладных задач экспериментов принадлежит уточнение системы координат на лунной поверхности в краевых зонах видимого с Земли диска и распространения ее на обратную сторону Луны, а также составление более точных карт, необходимых для научных исследований, ориентировки во время полетов в окололунном пространстве и привязки орбит космических аппаратов к физической поверхности Луны.
Важные сведения о Луне были получены и с помощью американских автоматических аппаратов. Экспедиции на Луну американских космонавтов на кораблях «Аполлон» потребовали решения многих сложных задач, связанных с высадкой человека на лунную поверхность. Это явилось новым этапом в изучении Луны.
Успешные полеты автоматических станций серий «Луна», «Зонд», а также станций «Венера» со всей убедительностью показали, что на современном этапе многие научные проблемы изучения Луны и планет могут быть успешно решены с помощью автоматических устройств, многократно доказавших свою эффективность.
Перед советскими учеными и конструкторами была поставлена задача дальнейшего совершенствования космических автоматов, решения с их помощью новых принципиальных проблем. Передовые позиции советской науки, высокий уровень социалистической индустрии дали возможность создать автоматические аппараты нового типа, открывающие широкие перспективы при проведении систематических научных исследований небесных тел с помощью автоматических устройств.
Прошло всего 13 лет с тех пор, как во всем мире прозвучало и навечно вошло во все языки русское слово «Спутник», открывшее для мира новую эру — эру космических полетов.
И вот год 1970, 12 сентября. Казахская осенняя степь. Космодром. Вечер. На стартовом столе застыла устремленная ввысь ракета нового поколения, более мощная, чем ракеты, отправлявшие в полет станции «Луна-9», «Луна-13».
Отведена ферма обслуживания. Безлюдно. На командном пункте — в подземном бункере — напряженная тишина, прерываемая лишь словами четких команд. Застыли за пультами операторы. Мигают лампы контрольных приборов, извещающие о готовности бортовых систем ракеты и стартового комплекса.
Автоматические устройства согласно заданной программе проводят операцию за операцией по подготовке ракеты к старту, проверяя одновременно в последний раз работу всех систем ракеты.
16 часов 26 минут по московскому времени. Светящееся табло отсчитывает последние секунды перед стартом: три-два-один-ноль.
Короткое, как выстрел, слово: «Пуск!»
Ослепительный свет озарил окрестность. Вздрогнула земля. Громоподобный гул обрушился на степь. На несколько мгновений ракета скрылась в клубах дыма. И вот вначале медленно, затем все быстрее и быстрее, как бы опираясь на огненный шлейф, ракета устремилась ввысь, унося с собой под головным обтекателем автоматическую станцию «Луна-16».
Прошло несколько десятков секунд, и только гул, приглушенный расстоянием, да яркая, движущаяся на вечернем небосклоне звездочка говорят о свершившемся событии.
Из репродукторов сквозь легкий шорох доносятся слова докладов с наземных измерительных пунктов и кораблей о ходе полета ракеты. Наконец первый этап полета ракеты-носителя завершен, звучат четкие слова рапорта. «Станция «Луна-16» с последней ступенью ракеты-носителя выведена на орбиту искусственного спутника Земли с параметрами орбиты, близкими к расчетным! Максимальное удаление станции от поверхности Земли — 212,2 километров, наклонение к плоскости экватора — 51 градус 36 минут».
Через 70 минут полета, когда станция находилась над южными просторами Атлантического океана, по команде от бортового программно-временного устройства, в расчетное время включилась, а затем выключилась двигательная установка последней ступени ракеты, сообщив станции строго дозированную дополнительную скорость, контролируемую системой управления, необходимую для выведения станции на траекторию полета к Луне.
 Автоматическая межпланетная станция «Луна-16» |
Короткие лаконичные слова сообщения ТАСС:
«В соответствии с программой исследований космического пространства, 12 сентября 1970 года, в 16 часов 26 минут по московскому времени, в Советском Союзе произведен запуск автоматической станции «Луна-16».
Цель полета станции — проведение научных исследований Луны и окололунного пространства...»
В далекий и нелегкий путь — за лунным камнем — отправилась автоматическая станция «Луна-16».
Советские инженеры и конструкторы, последовательно воплощающие в жизнь программу исследований космического пространства, взялись за решение принципиально новой задачи космонавтики — доставку на Землю с помощью автоматического космического аппарата лунного грунта.
При этом предстояло решить ряд сложных инженерно-технических задач.
Первая — обеспечить старт и перелет станции по космической трассе Земля — Луна и выход станции на круговую орбиту искусственного спутника Луны с заданными параметрами орбиты.
Вторая — осуществить автоматическую мягкую посадку станции с орбиты искусственного спутника в заданный район лунной поверхности.
Третья — взять с помощью автоматического устройства и герметически упаковать в контейнер образцы лунной породы,
Четвертая — обеспечить старт с лунной поверхности автоматической ракеты Луна — Земля и ее попадание в заданный район территории Советского Союза.
Пятая — решить вопрос возвращения на Землю спускаемого аппарата с образцами лунного грунта и его поиск после снижения на парашюте.
Если первая из перечисленных задач практически уже была успешно решена советской космонавтикой, то последующие ждали своего решения.
При этом следует помнить, что мало найти решение каждой из этих задач в отдельности, их нужно было объединить в одно целое, скомпоновать, провести их взаимную увязку, заставить бок о бок трудиться с большой точностью и надежностью различные системы, аппаратуру и механизмы.
Началось создание станции «Луна-16» — за чертежной доской, в расчетных бюро, на различных экспериментальных установках, в огне и холоде, в барокамере и на вибростенде, в аэродинамической трубе и на динамических и статических испытаниях, в лучах Солнца и на антенном полигоне, на самолетных и вертолетных испытаниях, на испытательном полигоне, на центрифуге и в воде. И наконец — электрические и радиотехнические наземные испытания полностью собранной станции по полной программе полета.
Подобным испытаниям подвергались все системы станции, вся аппаратура, каждый механизм и узел, каждая деталь.
Труд многих десятков тысяч людей вложен в этот удивительный космический автоматический аппарат, решивший принципиально новую задачу — задачу доставки на Землю автоматическими средствами лунного грунта без непосредственного участия человека.
«Задача, выполненная «Луной-16», — это настоящая революция в деле освоения космоса. Вы доказали, что с помощью новейших автоматических систем можно, не ставя под угрозу человеческие жизни, проводить самые дерзновенные опыты. И я не удивлюсь, услышав через несколько лет, что управляемый советский космический корабль высадился теперь уже на одной из планет и провел там такой же эксперимент. Я уверен, что «Луна-16» открывает возможность уже в этом десятилетии, опять с помощью автоматики, взять пробу породы, в частности, на Марсе. Словом, в деле межпланетных сообщений и исследований открывается новая страница».
Так оценил эксперимент, выполненный станцией «Луна-16», директор радиофизической обсерватории Джодрелл-Бэнк (Англия) профессор Бернард Ловелл.
Перед нами автоматическая космическая станция «Луна-16». Она состоит из посадочной ступени с грунтозаборным устройством и космической ракеты «Луна — Земля» с возвращаемым аппаратом.
Посадочная ступень и ракета «Луна — Земля» — это два самостоятельных ракетных блока, решающих диаметрально противоположные задачи. Первый — обеспечивает мягкую посадку станции на поверхность Луны и взятие лунного грунта, второй — старт с Луны и доставку этого грунта на Землю.
Посадочная ступень — конструкция, состоящая из следующих элементов:
двигательной установки, включающей в себя основной жидкостной реактивный двигатель с регулируемой тягой многократного включения, системы баков с компонентами топлива, трубопроводов и двух двигателей малой тяги;
приборных отсеков;
четырех амортизационно-посадочных опор.
В герметичных приборных отсеках посадочной ступени размещены:
счетно-решающие и гироскопические приборы системы управления и стабилизации станции;
электронные приборы системы ориентации;
бортовой приемо-передающий радиоизмерительный комплекс, работающий в нескольких диапазонах радиоволн;
программно-временное устройство, автоматически управляющее работой всех систем, приборов и агрегатов станции;
химические аккумуляторные батареи с регуляторами и преобразователями тока;
автономный радиовысотомер, измеряющий не только высоту над поверхностью Луны, но и горизонтальную и вертикальную составляющие скорости снижения станции при посадке;
элементы системы терморегулирования;
телефотометры для передачи служебной информации о выбранном месте для забора грунта;
научная аппаратура, с помощью которой определяются температурные и радиационные условия, как при полете станции, так и после ее посадки на поверхность Луны.
На внешних поверхностях посадочной ступени установлены грунтозаборное устройство, оптические датчики системы ориентации, исполнительные органы этой системы — газовые реактивные микродвигатели с запасом рабочего тела (газа) в шаровых баллонах.
Грунтозаборное устройство станции «Луна-16», обеспечившее бурение и транспортировку образца лунного грунта с поверхности Луны внутрь контейнера возвращаемого аппарата, состоит из трех основных частей:
бурового устройства с системой электрических приводов и бурового снаряда;
штанги, на которой укреплено буровое устройство;
привода, обеспечивающего перемещение штанги как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.
В верхней части конструкции посадочной ступени с помощью пирозамков закреплена возвратная космическая ракета «Луна — Земля».
Посадочная ступень выполняет также роль стартовой платформы.
Ракета «Луна — Земля» состоит из:
двигательной установки, включающей в себя жидкостной реактивный двигатель и группу шаровых баков с топливом;
цилиндрического приборного отсека, укрепленного на центральном баке;
возвращаемого аппарата, который с помощью четырех стяжных металлических лент установлен в верхней части приборного отсека. Внутри приборного отсека размещены: система управления ракеты, состоящая из электронных, счетно-решающих и гироскопических приборов;
бортовой радиокомплекс, включающий в себя приемо-передающие блоки, программно-временные и дешифрирующие устройства;
химические источники тока — аккумуляторы с преобразователями и электрические приборы бортовой автоматики.
Четыре штырьевых приемо-передающих антенны бортового радиокомплекса были установлены на внешней части приборного отсека ракеты «Луна — Земля» и обеспечили прием и передачу радиосигналов.
Возвращаемый аппарат конструктивно выполнен в виде металлического шара, на внешней поверхности которого нанесено специальное теплоизоляционное покрытие, предохраняющее внутренние отсеки аппарата от воздействия высоких температур при входе его в атмосферу Земли.
 |
Внутренний объем возвращаемого аппарата разделен на три изолированных отсека: приборный, парашютный и хранилище лунного грунта.
В приборном отсеке расположены: радиопеленгационные передатчики, предназначенные для обнаружения возвращаемого аппарата при его снижении на парашюте и после посадки, бортовое программное устройство и элементы автоматики, управляющие вводом в действие парашютной системы, а также аккумуляторная химическая батарея.
В парашютном отсеке находится двухкаскадная парашютная система, четыре упругие антенны пеленгационных передатчиков и два эластичных баллона, наполняемых газом из специального баллона после раскрытия парашюта.
Хранилище лунного грунта представляет собой цилиндрический металлический контейнер, с одной стороны которого имеется приемное отверстие, герметически закрываемое специальной крышкой после помещения в контейнер образца лунного грунта.
Прошли первые сутки полета станции «Луна-16». Напряженно трудились операторы в центре дальней космической связи и специалисты координационно-вычислительного центра.
Телеметрическая и траекторная информация, непрерывным потоком поступавшая с борта станции во время сеансов радиосвязи, направлялась в электронные вычислительные машины (ЭВМ), где по данным траекторных измерений уточнялась траектория полета станции, ее положение в данный момент времени и скорость полета. Определилось время прибытия станции к Луне и минимальное расстояние прохождения около Луны. На основе этих данных ЭВМ проводила расчет коррекции траектории станции для обеспечения прилета станции к Луне в заданное время и на заданном расстоянии.
По мере накопления в сеансах связи данных траекторных измерений о полете станции, уточнялись и данные о коррекции траектории.
Помимо решения баллистических задач ЭВМ на основе поступающей телеметрической информации практически мгновенно или, как говорят в координационно-вычислительном центре инженеры, в темпе приема, выдает данные о «самочувствии» станции и ее систем. О давлении и температуре в отсеках, шарах — баллонах с топливом и газом, температуре на двигательной установке и на различных поверхностях станции. О работе радиокомплекса систем управления, энергопитания и терморегулирования.
На ЭВМ возлагается также выдача на измерительные пункты целеуказаний, т. е. программы движения параболических чаш антенн по углу места и азимуту во время сеанса связи со станцией, так чтобы радиолуч был направлен в ту точку пространства, где в это время должна находиться станция.
Наряду с радиотехническими средствами определения траектории движения станции была использована и уникальная оптико-телевизионная система высокой разрешающей способности, установленная на высокогорной станции астрономического института имени П. К. Штернберга.
Закончены траекторные измерения. Установлено, что система управления ракеты-носителя обеспечила выведение станции на трассу полета к Луне с большой точностью. При этом ошибка выведения оказалась мала, и для обеспечения точного выхода станции в расчетный район окололунного пространства оказалось достаточно проведения лишь одной коррекции с малым импульсом из запланированных двух
Насколько высокие требования предъявляются к системам управления современных автоматических станций, наглядно видно из следующего примера.
Скорость станции в конце работы двигательной установки последней ступени ракеты-носителя составляет около 11000 метров в секунду При этом ошибка в скорости всего в 1 метр в секунду приводит к промаху у Луны до 300 километров. Ошибка в направлении вектора скорости на одну угловую минуту ведет к промаху у Луны до 100 километров. А необходимо обеспечить попадание станции в расчетную точку окололунного пространства, отстоящую от поверхности Луны на расстоянии, близком к 100 километрам.
В координационно-вычислительном центре по результатам траекторных измерений были вычислены исходные данные для проведения коррекции траектории — величина и направление корректирующего импульса и время включения двигательной установки. Эти данные в сеансах радиосвязи, в виде специальных кодограмм были переданы на борт станции и «заложены» в блок памяти программно-временного устройства системы управления.
Перед сеансом коррекции был проведен сеанс ориентации в пространстве. Вначале с помощью системы управления, оптического датчика и микродвигателей была произведена ориентация на Солнце, затем был осуществлен поиск Земли, после чего станция совершила ряд программных разворотов относительно базовой системы осей координат Солнце — станция — Земля и заняла исходное положение для коррекции.
13 сентября 1970 года в расчетное время, по команде бортовой системы управления была включена двигательная установка, которая сообщила «Луне-16» необходимый корректирующий импульс.
Гироскопические приборы системы управления с помощью исполнительных органов — двигателей стабилизации и основного двигателя, установленного в качающемся подвесе, обеспечили стабилизацию станции и сохранение заданного направления вектора тяги при работе двигательной установки во время коррекции траектории.
Траекторные измерения, проведенные после сеанса коррекции, подтвердили высокую точность работы системы управления станции «Луна-16» и двигательной установки.
Отклонение прохождения станции у Луны от расчетной точки составило величину, меньшую 10 километров.
Приближался очередной ответственный маневр, который должна была выполнить станция «Луна-16» в космосе — маневр торможения и переход станции на орбиту искусственного спутника Луны. Зачем потребовался этот маневр? Ведь до сих пор автоматические станции «Луна», заканчивавшие свой рейс «мягким» прилунением, совершали «прямую» посадку непосредственно с траектории подлета к Луне.
Дополнительное усложнение траектории полета станции «Луна-16» было вызвано тем, что при осуществлении «прямой» посадки направление движения станции при подлете к Луне не совпадает с направлением на Землю и отличается от него примерно на 60 градусов.
В связи с этим, если бы станция «Луна-16» совершила прямую посадку, то она бы прилунилась где-то на 60 градусе западной долготы в Океане Бурь, там, где уже побывали станции «Луна-9» и «Луна-13». При этом непосредственный старт к Земле без коррекции был бы просто невозможным, так как станция пошла бы не к Земле, а в сторону от нее.
Перед конструкторами и баллистиками стояла задача возврата ракеты с Луны на Землю.
Ее можно было решить двумя способами.
Первый способ. Совершить «прямую» посадку, проверенную и испытанную... Затем стартовать с Луны и выйти на орбиту спутника Луны, а уже потом стартовать к Земле. Но при этом следует учесть, что прежде, чем стартовать с Луны, необходимо обеспечить ориентировку стартующей ракеты по крайней мере по двум астрономическим ориентирам. Найти их и удержать в поле зрения оптических приборов во время работы двигательной установки при взлете. Кроме того, надо определить величину и направление вектора тяги двигателя при старте с Луны.
По такой схеме летали американские пилотируемые корабли «Аполлон». Очевидно, что на трассе перелета Луна — Земля в этом случае придется прибегать к коррекции траектории, так как каждый из приведенных выше маневров несет в себе определенные ошибки, которые надо исправить.
Следовательно, в обратный рейс с Луны на Землю необходимо будет взять полный комплект тех же приборов, что использовались для перелета с Земли на Луну. А это значит, что данные приборы должны стоять на ракете Луна — Земля и обеспечивать как перелет по трассе Земля — Луна, так и возвратный старт и перелет ракеты на Землю.
Очевидно, что такое решение задачи является достаточно громоздким. Чем больше массы мы оставим на Луне, тем меньше энергетических затрат потребуется для возвращения ракеты на Землю. Следовательно, желательно наибольшее количество аппаратуры и приборов сосредоточить на посадочной ступени, остающейся на Луне.
Второй способ заключается в следующем. Если осуществить посадку станции в таком районе лунной поверхности, откуда при вертикальном старте (в сторону, противоположную лунному тяготению) обеспечивается попадание в Землю, то очевидно, что задача сводится к построению лунной вертикали, запоминанию этого направления, удержанию его во время работы двигательной установки при старте с Луны, т. е. к сохранению направления вектора тяги, точному определению времени старта для попадания в заданный район земной поверхности и сообщения ракете необходимого импульса для преодоления лунного тяготения. Далее движение ракеты происходит под действием преобладающего земного тяготения, и ракета возвращается в заданный район Земли.
Расчеты показывают, что при таком способе энергетическое обеспечение данного эксперимента является наивыгоднейшим, так как основная масса систем и приборов остается на Луне и только гироскопическая часть приборов устанавливается на ракете возврата.
Очевидно, что совершить с большой точностью посадку в районе Луны, который представляет интерес для ученых (а таких районов в зависимости от взаимного расположения Земля — Луна несколько) можно только с орбиты искусственного спутника Луны.
Вот почему траектория полета станции «Луна-16» отлична от траекторий, по которым летали «Луна-9» и «Луна-13».
Для посадки станции «Луна-16» было выбрано Море Изобилия, расположенное в восточном полушарии видимого с Земли диска Луны,
В Море Изобилия еще не осуществлял посадку ни один космический аппарат. Этот район, окруженный со всех сторон горными образованиями, особенно интересен для науки, так как, по мнению ученых, он представляет собой обособленное лавовое море, сравнительно недавнего происхождения.
«Луна-16» приближалась к Луне.
С помощью наземных и бортовых радиосредств в сеансах радиосвязи была уточнена траектория полета станции и рассчитаны исходные данные на проведение сеанса торможения: положение станции в пространстве, величина тормозного импульса и время включения двигательной установки. В кодированном виде эти данные были переданы по радиоканалам в запоминающие электронные устройства системы управления станции.
По команде с Земли, в расчетное время, при достижении станцией заданного района окололунного пространства, вступила в действие бортовая автоматика, и весь процесс сеанса торможения прошел в соответствии с запланированной программой.
Предварительно с помощью астросистемы и двигателей малой тяги станция была сориентирована по Солнцу и Земле и заняла строго определенное положение в пространстве так, чтобы тяга двигательной установки при ее работе была направлена в сторону, противоположную направлению полета станции. По завершении всех подготовительных операций, 17 сентября, в 2 часа 38 минут по московскому времени была во второй раз включена двигательная установка посадочной ступени. В результате этого маневра скорость полета станции была уменьшена, и она перешла на орбиту искусственного спутника Луны со следующими параметрами:
высота над поверхностью Луны — 110 километров;
наклонение орбиты к плоскости лунного экватора — 70 градусов;
период обращения — 1 час 59 минут.
Этап полета Земля — орбита спутника Луны был завершен. За это время Земля 26 раз вызывала на связь «Луну-16». Во время этих сеансов связи производились измерения параметров траектории движения станции, проверялась работа бортовых систем и были осуществлены два маневра — коррекция траектории и торможение.
Семьдесят пять часов двадцать шесть минут провела на орбите искусственного спутника Луны автоматическая станция «Луна-16», совершив за это время сорок один виток и пролетев около 47000 километров. На этом этапе полета ритм работы наземных измерительных средств и координационно-вычислительного центра резко возрос и процесс проведения сеансов радиосвязи усложнился.
В самом деле, если во время перелета станции по трассе Земля — Луна связь со станцией могла поддерживаться практически все то время, пока Луна находилась в поле радиовидимости измерительных средств, то теперь, когда станция при своем движении по орбите скрывалась за Луной, радиосвязь с ней, естественно, прекращалась. Кроме того, если при движении по трассе Земля — Луна приемо-передающие антенны отслеживали суточное вращение Земли и плавное монотонное движение станции по траектории, то теперь антеннам приходилось отслеживать движение Земли, Луны (Луна за один час своего движения по орбите проходит расстояние, примерно равное 0,1 расстояния между Землей и Луной, т. е. 3680 километров) и быстро меняющееся по направлению движение станции по орбите спутника. Ведь станция появляется в зоне видимости антенны у одного края Луны, а исчезает за другим, и антенну приходится все время «перебрасывать» для поддержания связи со станцией. Естественно, что даже для расчета целеуказаний вычислительным машинам пришлось значительно увеличить объем работы.
Кроме того, предстояла подготовка «Луны-16» к посадке. А для этого необходимо было решить сложную задачу формирования предпосадочной орбиты.
Эта орбита должна была отвечать оптимальным условиям работы автономных систем управления станции на участке снижения и мягкой посадки «Луны-16» на поверхность в заданном районе.
С этой целью дважды, 18 и 19 сентября, было проведено маневрирование на окололунной орбите.
В результате первого маневра форма орбиты была изменена: из круговой она стала эллиптической, с высотой в периселении (наименьшее удаление от поверхности Луны) 15 километров, и в апоселении (наибольшее удаление от поверхности Луны) 110 километров.
Вторым маневром была несколько повернута плоскость орбиты. В результате этого наклонение орбиты к плоскости лунного экватора составило 71 градус, высота в апоселении стала равна 106 километрам, а период обращения — 1 часу 54 минутам.
Для обеспечения выполнения указанных маневров были проведены соответствующие баллистические расчеты, в которых учитывались: данные траекторных измерений, эволюция орбиты станции под действием поля лунного тяготения, сведения о недостаточно изученных гравитационных аномалиях Луны — масконах, влияние Солнца и Земли на движение станции. В результате проведенных расчетов были получены исходные данные для осуществления последующих маневров. Во время сеансов радиосвязи они были переданы на борт станции и «заложены в память» устройства системы управления.
Перед каждым маневром проводились сеансы ориентации станции по Солнцу и Земле с «удержанием» светил в поле зрения датчиков; осуществлялись программные развороты станции относительно построенных координатных осей Солнце — станция — Земля в исходное положение.
Дважды, в строго определенное время, включалась и выключалась двигательная установка посадочной ступени.
Как показали траекторные измерения, проведенные после коррекции орбиты, фактическая предпосадочная орбита практически совпала с расчетной.
Необходимо еще раз подчеркнуть безупречную работу всех автоматических систем станции. «Вмешаться» с Земли в процесс управления не всегда было возможно, во-первых, из-за быстротечности процессов, а во-вторых, из-за того, что целый ряд операций совершался тогда, когда станция находилась за Луной и не была доступна наземным средствам.
Станция продолжала свой полет по окололунной орбите. Начался сорок первый, предпосадочный виток.
20 сентября, в 6 часов 06 минут, по команде с Земли был начат один из ответственных этапов полета станции — подготовка к осуществлению мягкой посадки на лунную поверхность.
Здесь должна была вступить в работу аппаратура, до этого времени не принимавшая участия в полете — аппаратура мягкой посадки, состоящая из доплеровского измерителя скорости, радиовысотомера и логических автоматических устройств.
Нетрудно догадаться, как волновались люди, создавшие ее. Ведь аппаратура должна была производить измерения текущей высоты, горизонтальной и вертикальной составляющих скорости станции при снижении, сравнивать измеренные параметры с расчетными, выдавать при наличии рассогласования управляющие сигналы и, строго выдерживая траекторию снижения станции, обеспечить мягкую посадку в заданном районе.
В 6 часов 41 минуту станция скрылась за Луну и только в 7 часов 31 минуту Земля услышала ее радиосигналы, когда станция вышла из-за юго-западного края Луны.
Всего 41 минута осталась до включения двигательной установки.
Четко и слаженно работает бортовая автоматика. Телеметрия передает на Землю информацию о состоянии станции.
На координационно-вычислительном центре все внимание приковано к часам и коротким сообщениям информатора. Началась ориентация станции. До этого она проходила без замечаний, но как пройдет сейчас? Томительно тянется время. Наконец, сообщение — «Есть Солнце! Светило в центре поля зрения солнечного датчика!» Проходит еще некоторое время, и поступают новые сообщения: «Земля в центре поля зрения датчика! Начался программный разворот! Программный разворот отработан полностью. Станция приведена в исходное положение для торможения».
Сброшены навесные отсеки, в которых размещена аппаратура, обеспечившая полет станции по трассе Земля — Луна и по орбите спутника Луны, но не участвующая в операциях снижения. Ведь это лишний вес. На его торможение требуется затрата дополнительного количества топлива, а оно на строгом лимите.
В 8 часов 12 минут, когда станция находилась от точки прилунения на расстоянии 250 километров, на высоте около 15 километров включилась основная двигательная установка, в результате чего скорость уменьшилась до значения, обеспечивающего переход в режим снижения.
Во время маневра торможения станция находилась в строго определенном положении. Поэтому так часто повторялись сообщения информатора: «Тангаж — рыскание — вращение в норме!» Эти сообщения в первую очередь, и второе «Давление в камере сгорания в норме!» сразу давали ответ, как идет сеанс торможения. Отработав заданное время, двигательная установка выключилась, и станция, сойдя с орбиты, начала «падать» по баллистической траектории на Луну. В это время работали исполнительные органы системы управления, обеспечивающие стабилизацию станции в соответствии с программой снижения.
 Место посадки автоматической станции Схема посадки станции «Луна-16» на Луну |
На высоте 600 метров от поверхности Луны по команде радиовысотомера вновь включилась двигательная установка. Начался участок прецизионного торможения. На этом участке режим тяги двигательной установки изменялся в зависимости от сигналов, выдаваемых аппаратурой мягкой посадки, которая внимательно отслеживала и реализовала заданную программу посадки. Безотказно работали радиовысотомер и доплеровский измеритель скорости. Передающее устройство непрерывно излучало в направлении Луны радиосигналы, которые, отразившись от поверхности, попадали в приемную антенну станции, затем направлялись в логическое устройство, где измеренные параметры сравнивались с программными и при наличии рассогласования выдавались необходимые сигналы управления. К 20-метровой отметке высоты станция подошла, имея скорость около 2,5 метров в секунду (а на орбите скорость составляла около 1600 метров в секунду). По достижении этой высоты основная двигательная установка была выключена, и в работу включились два двигателя малой тяги, обеспечившие мягкую посадку станции на Луну.
По команде гамма-высотомера эти двигатели были выключены в непосредственной близости от поверхности Луны.
Посадочные лапы станции коснулись поверхности, самортизировали удар. «Луна-16» закончила первый этап космического путешествия. Произошло это 20 сентября 1970 года в 8 часов 18 минут по московскому времени. Станция прилунилась в районе Моря Изобилия, в полутора километрах от расчетной точки, с координатами 0 градусов 41 минута южной широты и 56 градусов 18 минут восточной долготы.
В районе посадки в это время царила лунная ночь, температура на поверхности достигала -120 градусов Цельсия.
Но прежде, чем перейти к рассказу о работе станции на Луне, хотелось чуть подробней остановиться на последнем этапе посадки, на работе и устройстве посадочных опор, которые погасили скорость станции до нуля, устойчиво удерживали ее на поверхности Луны во время работы геолога-автомата и при старте возвратной ракеты Луна — Земля.
Посадочные устройства станции «Луна-16» должны отвечать следующим условиям:
работать в диапазоне температур от -160 до +150 градусов Цельсия, в глубоком вакууме и под действием космических излучений;
не позволять опрокинуться станции при посадке на пологий склон или в районе с неровным рельефом;
обеспечить мягкую посадку станции без подскоков;
 Вымпелы, установленные на автоматической станции «Луна-16» |
быть легкими, прочными, достаточно простыми по конструкции и, главное, безотказными.
Чтобы самортизировать удар о поверхность Луны (масса станции 1880 килограмм), необходимы подвижные амортизационные устройства, например, такие, как у современных самолетов. Но есть несколько «но», которые не позволяют применить самолетную конструкцию.
Первое — в качестве амортизатора в самолетных амортизационных устройствах применяется жидкость. Но какая жидкость не изменит своих свойств и, в первую очередь, вязкости в диапазоне температур от -160 до +130 градусов Цельсия?
Второе — для обеспечения перемещений амортизационного устройства между внутренней и наружной деталями подвижного соединения должен быть зазор, причем зазор минимальный, со сложной системой сальников, иначе вся жидкость в космическом вакууме 10-14 миллиметров ртутного столба просто испарится. Создать минимальный зазор при перепаде температур около 300 градусов Цельсия, а тем более сальниковое устройство, рассчитанное на работу в таком глубоком вакууме, очень сложная задача.
Ведь все резины и пластмассовые заменители при таких температурах и вакууме теряют свою эластичность и намертво привариваются к металлу, так что получается неподвижное соединение вместо подвижного. При этом надо учесть, что свариваются в вакууме и сами металлы. Допустим, что конструкторы сумели преодолеть эти трудности, но тогда конструкция получается достаточно сложной и тяжелой. Кроме того, надежность ее крайне низкая.
Из сказанного уже видно, что задача создания посадочного устройства была не такой простой, как казалось на первый взгляд.
Длительные конструкторские поиски. Многочисленные испытания. Удачи и неудачи. И вот, наконец, найдено решение. Простое и надежное.
Представьте себе две трубы (стойки), одна вставлена внутрь другой и их соединяет металлическая пружина, работающая на растяжение (при вдвигании одной стойки в другую). Такая конструкция давно известна, но у нее один недостаток — пружина работает как на сжатие, так и на растяжение, т. е. после цикла растяжение (при вдвигании одной стойки в другую). Такая конструкция давно известна, но у нее один недостаток — пружина работает как на сжатие, так и на растяжение, т. е. после цикла растяжения вслед за снятием нагрузки следует процесс сжатия, и такая механическая подвижная система приходит в колебательное движение. А станция «Луна-16» должна осуществить мягкую посадку без подскоков.
И пытливая конструкторская мысль нашла оригинальное решение, заставив вместе с пружиной работать на растяжение металлический стержень, обладающий достаточной вязкостью.
Взяли и в каждую «ногу» посадочной платформы, а их у станции четыре, поставили стойку, составленную из двух подвижных труб, соединенных между собой пружиной и стержнем.
На каждую «ногу» надели «галошу» в виде большой тарелки. Ведь чем больше площадь соприкосновения с грунтом, тем меньше удельная нагрузка на каждый сантиметр лунной поверхности, тем больше уверенность, что на пористой, рыхлой поверхности станция не провалится.
В момент посадки энергия удара будет воспринята пружиной и стержнем, они растянутся, и за счет остаточной деформации стержня станция мягко прилунится. Итак, решение найдено!
Кажется все очень просто. Но во первых, это решение надо было найти и, во вторых, для претворения в жизнь этого решения нужно было проделать огромное количество экспериментов и подобрать необходимый химический состав материала стержня, провести испытания посадочной платформы. На Луне станцию ждет не ровная, а изрытая кратерами и трещинами, покрытая камнями поверхность, и станция должна в этих условиях мягко прилуниться.
Макет станции в «лунном весе» на земном лунодроме бросают и на бетонную плиту, и на песок, и на камни, и на наклонную поверхность. Кажется невероятным, чтобы такая ажурная конструкция после подобных испытаний осталась целой, но она остается не только целой, но и работоспособной.
Прошло сорок пять минут после прилунения.
Еще взволнованы операторы, инженеры, конструкторы и ученые, наблюдавшие за этапом мягкой посадки «Луны-16» на измерительных пунктах и в координационно-вычислительном центре, а со станции уже идет непрерывный поток телеметрической информации, сообщающий о ее положении на лунной поверхности, о состоянии бортовых систем и о готовности их к выполнению последующих операций.
Теперь станция превращается в геологическую буровую установку, посадочная платформа является ее фермой.
По радиокомандам с Земли было приведено в действие грунтозаборное устройство и включены камеры телефотометров, обеспечившие передачу на Землю информации с изображением места взятия лунного грунта. Поданы новые команды. Открылся замок, жестко удерживающий грунтозаборное устройство во время полета станции, и штанга с буровым станком под воздействием одного из приводов заняла вертикальное положение. Затем другой привод развернул ее вокруг вертикальной оси на 180 градусов.
 Схема грунтозаборного устройства автоматической станции «Луна-16» |
Перед опусканием штанги сработало автоматическое устройство, открывшее крышку бурового станка.
При соприкосновении его с поверхностью Луны сработал контактный датчик, и телеметрический сигнал донес до Земли эту весть.
Есть контакт! Буровая готова к работе! По команде оператора были включены приводы механизма, один из них обеспечивал вращение колонкового бура, а другой перемещение его в глубь лунного грунта.
20 сентября 1970 года в 9 часов 3 минуты по московскому времени на Луне впервые заработала установка, управляемая с Земли. Начался процесс забора грунта. При этом проводились измерения плотности лунного грунта и скорости погружения бура в лунную породу.
В 9 часов 10 минут, когда бур углубился на 350 миллиметров, установка прекратила работу, и привод перемещения вернул бур с лунным грунтом в корпус станка.
В работу вновь включились приводы штанги.
Она была поднята в вертикальное положение, развернута на 180 градусов вокруг своей оси, и бур был подведен к приемному отверстию герметического контейнера возвращаемого аппарата.
Подана очередная команда, и бур с частицей Луны перемещен в контейнер. Отведена от приемного отверстия штанга с буровой установкой, и после этого специальное автоматическое устройство герметично закрыло отверстие в возвращаемом аппарате.
Прошло чуть меньше двух часов после посадки станции «Луна-16», а важная часть программы полета уже успешно завершена.
Лунный грунт взят!
Нетрудно представить себе состояние создателей грунтозаборного устройства. Позади долгие поиски варианта, воплощение конструкции в металл, испытания и проверки.
А ведь все было впервые. Никто до них не проектировал автоматического лунного геолога. Каким должно быть грунтозаборное устройство? Как земной одноковшовый экскаватор или как роторный многоковшовый со шнековым подающим устройством? Или это должна быть буровая установка, такая, как та, с помощью которой берутся пробы грунта геологами на Земле? Но ведь грунт может быть разным — от сыпучего песка до скального базальта, и необходимо, чтобы он был взят без нарушения структуры образца грунта по глубине.
Так сразу отпал экскаваторный вариант. Во-первых, крепкие породы типа базальта он не возьмет, во-вторых, нарушит структуру мягких пород и, в-третьих, транспортировка и укладка грунта из ковша в контейнер дело сложное.
Остался колонковый бур — труба с режущей торцевой кромкой.
Сколько было с ним хлопот: если хорошо бурит и удерживает твердые породы, то сыпучие хотя бурит легко, но удержать не может.
При решении основной задачи (забора грунта) станция «Луна-16» производила также измерения температуры элементов конструкции и уровня радиации на лунной поверхности, результаты которых передавались на Землю.
Окончены все операции по забору грунта, проведены необходимые проверки аппаратуры и систем станции. Вычислительные машины центра дальней космической связи выдали все исходные данные о времени старта и необходимом импульсе, обеспечивающем возвращение первой лунной автоматической ракеты на Землю.
По радиокомандам с Земли исходные данные «заложены» в «память» (в электронное запоминающее устройство) системы управления ракеты «Луна -Земля».
Теперь посадочная платформа станции «Луна-16» превращается в автоматическое устройство, которое подготовит и обеспечит старт ракеты «Луна — Земля»,
Подана команда. С этого момента успех полета зависит от работы автоматической системы управления и двигательной установки.
С борта ракеты на Землю радиосигналы шаг за шагом доносят о ходе отработки программы старта.
Руководители полета, главный конструктор, инженеры-конструкторы, ученые, операторы — все полны внимания и ожидания.
Это и понятно: совершается событие, которого не знала космонавтика. Впервые с другого небесного тела, послушная воле человека, выполнив необходимый комплекс исследований, стартует к Земле автоматическая ракета!
Наконец, в репродукторе звучат торжественно-взволнованные слова: «Есть зажигание! Двигатель вышел на режим. Старт!» Это случилось 21 сентября 1970 года в 10 часов 43 минуты по московскому времени, через 26 часов 25 минут после прилунения станции «Луна-16».
Присмотритесь к ракете возврата. Вид ее необычен. Где прочная, аэродинамически совершенная оболочка ракеты, венчаемая коническим обтекателем, к виду которой мы так привыкли?
Здесь все на виду! Возвращаемый аппарат и приборный отсек, двигательная установка с шар-баллонами, в которых размещено топливо и антенны. Попробуй такая ракета стартовать на Земле, она мигом бы развалилась под напором потока воздуха.
Но на Луне, не имеющей атмосферы, корпус ракеты и обтекатель не нужны, это только лишняя масса.
Посадочная платформа станции «Луна-16» после старта ракеты возврата осталась на поверхности Луны и продолжила согласно программе проведение температурных и радиационных измерений.
А ракета? Четко сработала автоматика. По достижении необходимой скорости, равной 2708 метрам в секунду, двигательная установка была выключена, и ракета с возвращаемым аппаратом на борту устремилась к Земле.
Полет продолжается. В работу на частоте 183,6 мегагерц вступил бортовой радиокомплекс, обеспечивший во время трехсуточного полета ракеты бесперебойную радиосвязь с Землей и проведение траекторных измерений для уточнения места посадки возвращаемого аппарата на Землю.
Во время полета надежно работала система терморегулирования возвращаемого аппарата, обеспечив необходимый температурный режим в отсеках.
Функционирование систем управления, радиосвязи, терморегулирования было бы невозможно без надежной работы системы энергопитания. Работа этой системы так же была безотказна.
В результате точно выполненных операций при старте ракеты с Луны, безукоризненной работы двигательной установки, системы управления и другой аппаратуры, впервые было обеспечено возвращение космического аппарата на Землю в расчетный район без проведения коррекции траектории!
Наступило раннее утро 24 сентября 1970 года.
Со скоростью, несколько большей, чем 11 километров в секунду, ракета с возвращаемым аппаратом приближалась к Земле, которую она покинула 12 дней назад.
За три часа двадцать минут до входа ракеты с возвращаемым аппаратом в плотные слои атмосферы по команде с Земли пирозамок раскрылся, возвращаемый аппарат освободился от стальных лент, отделился от приборного отсека ракеты и дальнейший полет совершал один.
Наступил завершающий этап полета. Больше всех при этом волновались и переживали создатели возвращаемого аппарата. Нетрудно понять, ведь теперь от надежности конструкции аппарата, работы автоматики, парашютной системы, радиопеленгаторов, зависел результат всего эксперимента. В памяти всплывали все этапы рождения возвращаемого аппарата и его систем. Как создавалась и «поджаривалась» в плазменном пламени термостойкая «одежда» возвращаемого аппарата, как десятки раз со сверхзвуковых самолетов сбрасывали его на землю в камни, песок, в лес и на воду. Поистине и в огне не горит, и в воде не тонет! И в космическом холоде не мерзнет! Кроме того, ведь он Ванька-встанька: как его ни положи на землю, все равно займет такое положение, что хоть одна из трех передающих антенн да будет направлена вверх и обеспечит передачу сигнала.
А что только не проделывали с парашютной системой. После укупорки в контейнер ее трясли на вибростенде, грели в термокамере, облучали и после этого отправляли на механические испытания (на прочность), а при следующих проверках на летные испытания.
Гибкие штырьевые антенны в сложенном состоянии на испытаниях так запутывали стропами и куполом парашюта, что казалось никаким образом они не раскроются и сигнала не будет. Но сигнал шел!
И только после этих и многих других испытаний системы возвращаемого аппарата получили путевку в жизнь.
Теперь их будет испытывать Земля!
Очень «горячими» и «крепкими», объятиями встретила Земля своего посланца в 8 часов 10 минут 24 сентября 1970 года. При входе возвращаемого аппарата в атмосферу Земли за счет аэродинамического нагрева температура в лобовой части аппарата в пограничном слое превышала 10000 градусов, а за счет аэродинамического торможения перегрузки, воздействующие на элементы конструкции, приборы и системы достигали 350 единиц, т. е. каждая деталь аппарата стала иметь массу в 350 раз больше!
Благодаря тому, что конструктивно возвращаемый аппарат был выполнен таким образом, что центр тяжести находится впереди центра давления, встречный поток воздуха развернул его лобовой частью, имеющей наиболее мощную тепловую защиту, навстречу набегающему потоку, а демпфирующее устройство гасило колебания аппарата, и тем самым был обеспечен наиболее выгодный режим входа и торможения в атмосфере.
В процессе нарастания перегрузки при достижении определенного ее значения автоматически произошло включение программно-временного механического устройства и командных датчиков перегрузок и давлений. Затем после прохождения пика максимальной перегрузки и температуры датчик перегрузки выдал сигнал на отстрел крышки парашютного отсека.
При скорости снижения, равной 300 метров в секунду, на высоте 14,5 километров произошло раскрытие тормозного парашюта. Команда на его раскрытие была троирована: либо ее выдает датчик перегрузок, либо датчик давления, либо программно-временное устройство.
В процессе снижения на тормозном парашюте скорость спускаемого аппарата уменьшилась до значения, позволяющего ввести в действие основной парашют. Предварительно, по сигналу датчика давления тормозной парашют был отделен, раскрылся основной парашют и три гибкие антенны пеленгационного радиопередатчика. Произошло это на высоте 11 километров над поверхностью Земли.
Практически одновременно с раскрытием антенн заработал пеленгационный передатчик, выдавая в эфир свой условный сигнал: «Я здесь! Я здесь!»
Этот сигнал в 8 часов 14 минут по московскому времени был запеленгован самолетами, вертолетами и наземными средствами поискового комплекса, которые сосредоточились в расчетном районе приземления возвращаемого аппарата. Дальнейший спуск аппарата до поверхности Земли наблюдался с вертолета.
В 8 часов 25 минут возвращаемый аппарат совершил посадку на Землю в восьмидесяти километрах юго-восточнее города Джезказгана, совсем недалеко от того места, откуда стартовала ракета-носитель, отправившая на Луну станцию «Луна-16».
Полет автоматической станции «Луна-16» привлек к себе внимание ученых всех стран мира. Представляет интерес оценка, данная этому эксперименту учеными США. Эта страна имеет свою национальную программу исследования космического пространства, которая, в частности, предусматривает проведение исследований Луны с помощью пилотируемых космических кораблей «Аполлон».
Приведем высказывание видного американского ученого — руководителя департамента астрономии Калифорнийского технологического института, доктора Д. Гринстайна, в ведении которого находятся обсерватории Маунт-Вилсон и Паломар.
«...Первый в истории беспилотный полет на Луну и обратно, который совершил космический корабль «Луна-16» — изумительное достижение науки и техники. Горизонты, открываемые этим полетом, многообещающие. Мы, ученые, восторгаемся храбростью космонавтов — советских и американских, но с практической точки зрения нас больше интересует эффективность автоматических станций типа «Луна-16». Их преимущества очевидны — они дешевле и не требуют человеческого риска. Луна — ближайшее к нам небесное тело. Но представьте себе полеты более далеким планетам. Для того чтоб достать с них образцы пород руками человека, возможно потребуется затрата львиной доли национальных бюджетов той или иной страны. Выход из финансового тупика — иные тупики науке не страшны — управляемые с Земли автоматические станции. Первый шаг, совершенный Вами, окрыляет!..»
После посадки возвращаемый аппарат был подвергнут тщательному осмотру на месте приземления. Этот осмотр показал, что аппарат успешно выдержал условия полета. Было принято решение доставить его в Москву, а контейнер с лунным грунтом передать в Академию Наук СССР для исследований.
После извлечения из возвращаемого аппарата контейнер с лунным веществом был подвергнут дозиметрическим измерениям и тщательным образом стерилизован. Как показали дозиметрические исследования, значительного превышения интенсивности гамма-излучений лунного вещества над интенсивностью гамма-излучений земных пород с малым содержанием естественных радиоактивных элементов не обнаружено. Это упростило работы с лунным веществом.
Затем контейнер был помещен в специальную приемную вакуумную камеру, изготовленную из нержавеющей стали. Эта камера оборудована устройствами и инструментами, обеспечивающими вскрытие контейнера с лунным веществом, предварительное его изучение и расфасовку в специальные герметичные контейнеры для последующего детального исследования.
По внешнему виду камера с иллюминаторами из небьющегося стекла чем-то напоминает аппарат для глубоководных погружений. Она оснащена специальной шлюзовой герметичной камерой, позволяющей извлекать контейнеры с образцами лунного вещества и вводить необходимые приборы и инструменты.
Под иллюминаторами в специальных отверстиях вмонтированы резиновые перчатки, которые позволяют операторам вести работы по вскрытию контейнера, извлечению бура с лунным веществом, проводить загрузку лунного вещества в контейнеры и осуществлять другие необходимые операции.
После установки и закрепления контейнера в камере с помощью средств откачки был создан высокий вакуум. Это было сделано для того, чтобы исключить возможность взаимодействия лунного вещества с активными элементами и веществами земной атмосферы — кислородом, водой и продуктами стерилизации, которые могли вступить в химическую реакцию с лунным веществом и необратимо изменить его свойства.
Затем камера была заполнена до атмосферного давления инертным газом (гелием).
На этом предварительные операции, предшествовавшие вскрытию контейнера и извлечению лунного грунта, были закончены.
Пользуясь инструментами и приспособлениями, находящимися в камере, оператор вскрыл контейнер и извлек бур с лунным веществом. Лунная пыль серым, тонким, но плотным слоем покрыла блестящую поверхность бура. Много ее осыпалось с поверхности бура в контейнер, этой пыли в камере отведено особое место.
 Лунный грунт, доставленный на Землю автоматической станцией «Луна-16» |
Основной лунный грунт был извлечен из бура и помещен на просмотровый лоток с сохранением распределения лунного вещества во взятой пробе по глубине.
Вот она оказывается какая «земля» Луны, доставленная станцией «Луна-16» из района Моря Дождей. В основной своей массе она состоит из тонкозернистых минеральных частиц и имеет серый цвет. Когда по ней пробегает луч света, она вдруг изменяет свой цвет: из серого превращается в бурый, даже слегка красноватый, при другом угле падения луча света на ней появляются зеленоватые блики.
В той части пробы, что взята с глубины 350 миллиметров, отчетливо видны кристаллы размером в несколько миллиметров, ярко сверкающие своими гранями.
Все операции по вскрытию контейнера, извлечению бура и лунного вещества и само лунное вещество многократно были запечатлены на пленку фотоаппарата. Ведь это факт не только научной, но и большой исторической важности.
Итак, лунное вещество подготовлено для проведения исследований в лабораториях и институтах Академии Наук СССР и специализированных институтах других министерств и ведомств.
Закончен токсикологический и биологический контроль. Опасности нет, говорят ученые, карантин снят, можно приступить к дальнейшему изучению лунного грунта. Вот что рассказал о первых результатах научных исследований лунной породы на пресс-конференции, которая состоялась 28 октября 1970 года в Московском доме ученых, академик А. П. Виноградов.
...Образец лунного грунта был доставлен на Землю из северо-восточной части Моря Изобилия, расположенной приблизительно в 100 километрах к западу от кратера Уэбб.
Море Изобилия представляет собой равнину с проходящими по ней невысокими валами разветвленного типа. Берега не имеют кольцевого гористого обрамления. Крупных кратеров с лучевыми системами на этом участке нет. Образец грунта взят из участка, находящегося приблизительно в 900 километрах к востоку от района посадки «Аполлона-11» и характеризует собой новый район морской поверхности Луны. При взятии грунта бур относительно легко проник в рыхлый покров Луны — реголит — на глубину 300 миллиметров. Реголит — это любой рыхлый поверхностный материал планеты независимо от условий его образования.
Как показали телеметрические данные, на глубине 300 миллиметров бур встретил на своем пути либо твердую породу, либо отдельный крупный фрагмент горной породы, и дальнейшее заглубление бура не превысило 50 миллиметров. Общее заглубление бура составило 350 миллиметров, как и предусматривалось экспериментом. При вскрытии в приемной лаборатории бур оказался целиком заполненным сыпучим лунным грунтом (реголитом).
Лунный грунт, перенесенный на приемный лоток, не имел видимой слоистости и казался однородным на всю глубину. Только небольшая часть грунта на глубине около 350 миллиметров сложена из более крупнозернистого материала. Общая масса колонки грунта, доставленной на Землю станцией «Луна-16», составила несколько более 100 грамм.
Грунт в целом представляет собой разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок с преобладанием тонкозернистых фракций со средним размером зерен около 0,08—0,1 миллиметра, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает его от земной бесструктурной пыли. По этому свойству грунт Луны скорее напоминает влажный песок или комковатую структуру наших почв.
На лунном грунте четко отпечатываются и сохраняются всякие следы. Благодаря наличию больших сил сцепления грунт, высыпанный около вертикально поставленной стеклянной стенки, не рассыпался после того, как она была убрана. Несмотря на хорошую слипаемость, он легко просеивается через сита. Лунный грунт обладает высокой способностью к электризации, что проявляется, например, в прилипании его частиц к поверхностям из органического стекла, фторопласта и др.
Оценить относительную яркость лунного грунта (светлоту) визуально оказалось трудно в связи с тем, что она сильно меняется от взаимного расположения глаза наблюдателя и источника света. Эта особенность лунного грунта проявляется в его способности неравномерно рассеивать свет по различным направлениям в зависимости от длины световой волны и угла ее падения. Главным в этом явлении является структура поверхности грунта и отражающие свойства остеклованных зерен, входящих в его состав. Нормальное альбедо (отношение падающего светового потока к отраженной его части) для видимого глазом света у лунного грунта составило 10,7 процента, что близко к значениям наземных наблюдений альбедо Моря Изобилия.
Цвет грунта неоднократно вызывал у наблюдателей противоречивые оценки: некоторые считали его то зеленоватым, то буроватым и даже темно-красным. Это объясняется тем, что
 Частицы горных пород в составе лунного реголита (увеличено) |
По глубине керна зернистость грунта увеличивается. На основе измерения величины частиц, составляющих лунный грунт, его можно разделить на пять зон.
Первая зона глубиной до 5 сантиметров наиболее рыхлая, состоит из тонкозернистого материала с малым содержанием грубых фракций, определяет основные оптические характеристики лунной поверхности и имеет объемный вес до 0,8 грамма на кубический сантиметр.
Вторая зона простирается до глубины 15 сантиметров и также состоит из тонкозернистого материала (несколько больших размеров) с малым содержанием грубых фракций.
Третья и четвертая зоны залегают до глубины 33 сантиметра, состоят из разнозернистого материала с включением обломков пород и других частиц размером более 3 миллиметров.
Пятая зона характерна наличием крупнозернистого материала. Она находится на глубине керна от 33 до 35 сантиметров.
Ниже очевидно располагалась твердая горная порода или ее часть. В результате проведенных исследований установлено, что средний объемный вес грунта в естественном залегании по глубине погружения составляет 1,2 грамма на кубический сантиметр, а после утряски 1,8 грамма на кубический сантиметр, следовательно, пористость лунного грунта на глубине до 35 сантиметров может быть оценена в 50—60 процентов.
При микроскопическом изучении среди частиц лунного грунта выделяется ряд разновидностей, некоторые из которых существенно отличаются от земных образований. Можно выделить две основные разновидности: частицы первичных магматических пород (типа базальтов) и частицы, подвергшиеся существенным изменениям на поверхности Луны. Первые характерны своей первозданностью, наблюдаемой на Земле лишь на свежераздробленных образцах неизмененных пород. Они обладают угловатыми формами и не имеют следов окатанности.
Вторые характерны спекшимися частицами сложной, причудливой формы, часто остеклованными с поверхности, а также сферическими оплавленными образованиями застывших капелек— стеклянного и металлического облика, подобно встречающимся на Земле «космическим шарикам».
В лунном грунте обнаружены и исследовались:
Базальтовые породы. Они составляют около 25 процентов всех крупнозернистых фракций. Основные материалы этих пород — плагиоклазы, пироксены, ильменит и оливин. Их содержание в различных частицах заметно меняется.
Полевошпатовые породы. Содержатся в незначительном количестве и представляют собой белые кристаллические зерна. Ряд исследователей считают их материковой породой Луны, рассеявшейся на значительные расстояния в результате вулканической деятельности и ударов метеоритов.
Зерна отдельных минералов, которые состоят из плагиоклаза, оливина, пироксена, ильменита, т. е. из основных минералов базальтовых пород. Их число в крупных фракциях невелико, но возрастает с уменьшением размера частиц.
Застывшие капли-шарики и сходные образования. Встречаются стеклянные прозрачные и непрозрачные шарики, грушевидные и гантелевидные застывшие капли разного цвета: мутновато-белые, зеленоватые и желто-бурые, часто пустотелые. Блеск их — от стеклянного до металловидного. Наибольшие количества их содержатся в мелких фракциях. Процесс образования их происходит при температурах, существенно превышающих температуру плавления горных пород и метеоритов.
Размеры стеклянных шариков обычно меньше 20 микрон, но встречаются шарики и больших размеров. Удельный вес их 2,6—3,1 грамма на кубический сантиметр. Показатель преломления колеблется от 1,46 до 1,75. По весу они составляют 0,01 процента веса всего грунта.
Брекчии образовались в результате уплотнения мелкораздробленного материала реголита и содержат в различных пропорциях все его составные компоненты, включая частицы первичных магматических пород. Некоторые из брекчий имеют окатанную форму, слабое уплотнение и легко разрушаются при механических воздействиях. Характерной чертой многих брекчий является магнитность. Брекчии составляют до 40 процентов от общего числа частиц.
Спеки представляют собой мелкие спекшиеся частицы, образующие очень сложные, неправильные ветвистые формы. Подобно брекчиям в их состав входят все типы частиц — компонентов реголита. Количество спеков достигает 15-20 процентов от общего числа частиц. Встречаются они практически только в крупных фракциях.
Наличие брекчий и спеков показывает, что на лунной поверхности одновременно с процессами дробления и измельчения пород идет процесс воссоединения частиц.
Стекла, остеклованные и ошлакованные частицы. Более половины всех частиц лунных пород в разной степени оплавлено или ошлаковано с одной или нескольких сторон. Преобладают стекла темно-бурых и черных тонов. Встречается как пузыристое шлакообразное оплавление, так и гладкое глазурное остекловывание.
Это типично лунное оплавление может происходить лишь при мгновенном нагреве холодной в целом частицы.
Кроме того, встречается стекло вулканического происхождения (вулканический пепел) — буроватые крупнопузыристые, насквозь проплавленные зерна с характерным раковистым изломом, которые могли образоваться при дроблении сравнительно больших масс проплавленной породы. Общее количество стекла этого типа невелико.
Частицы металлического железа встречаются изредка как в форме отдельных осколков, по-видимому, железных метеоритов, так и в виде мелких включений в брекчии и спеки. Они определяют основные магнитные свойства лунного реголита.
В результате механических, электромагнитных, теплофизических исследований лунного грунта было установлено, например, что удельная теплоемкость грунта не зависит от плотности засыпки и в среднем отвечает породам Земли, а теплопроводность характеризуется чрезвычайно низкими значениями, значительно меньшими самых лучших теплоизоляционных материалов на Земле.
По химическому составу вещество грунта представляет собой породу базальтового типа, в которой определено около 70 химических элементов.
Еще в 1966 году на основе данных, полученных со станции «Луна-10», было установлено, что поверхностные породы Луны образованы базальтами.
В помещенной ниже таблице приведены некоторые сведения о составе породы, доставленной на Землю станцией «Луна-16», в сравнении с данными образцов, доставленных космонавтами кораблей «Аполлон-11» и «Аполлон-12» (весовой состав в %).
Из таблицы видно, что наблюдается тенденция к понижению содержания ряда элементов в тонкой фракции по сравнению с плотной породой (FeO, ТiO2 и др.). Для других заметно повышение в тонкой фракции особенно Al2O3, Th, U и др. Содержание Th и U того же порядка, что и в образцах «Аполлона-11» и «Аполлона-12». Th порядка 10-4, a U — 10-5 процента. Несмотря на то, что место взятия проб «Луны-16» находится в 900 километрах от места взятия проб «Аполлона-11» — в Море Спокойствия, они значительно отличаются от последних по более низкому в них содержанию ТiO2, ZrO2, элементов редких земель и некоторых других и по более высокому содержанию FeO. Интересно, что образцы «Луны-16» и «Аполлона-11» имеют одинаково высокое содержание в тонких фракциях космогенных инертных газов Не, Ne, Ar, Хе, Kr, в отличие от образцов «Аполлона-12». И вместе с тем, как видно из таблицы, по общему составу образцы «Луны-16» ближе к образцам пород «Аполлона-12», взятых в Океане Бурь на расстоянии около 2500 километров от места посадки «Луны-16». Анализируя приведенные результаты, академик Виноградов считает, что кристаллические породы, слагающие поверхности лунных морей, одного базальтового типа, но несколько разнятся по содержанию некоторых химических элементов, и их состав приближается к составу примитивных базальтов Земли.
Горные породы типа базальтов образуются из наиболее легкоплавкой части при плавлении внутреннего вещества планеты и выносе его на поверхность. Лунные моря являются равнинами, затопленными когда-то вулканической лавой.
В связи с тем, что базальты Луны и Земли по своему химическому составу очень сходны, можно предположить, что на Луне, на Земле и, вероятно, на других планетах земного типа образование горных пород шло аналогичным образом, а разрушение под воздействием различных факторов.
Так вещество лавовых морей, очевидно, подвергалось лунному размельчению — «лунному выветриванию» под воздействием солнечного ветра, корпускулярного космического излучения, ударов метеоритов, значительных колебаний температур на поверхности, космического вакуума. В то время как выветривание, разрушение горных пород на Земле идет, как известно, под влиянием главным образом углекислоты, влаги, температурных колебаний и под воздействием живых организмов.
Для понимания процессов, происходящих на поверхности, необходимо установить, какие факторы в процессе разрушения лунных пород являются главенствующими.
Удары метеоритов и микрометеоритов могут разрушать поверхностные породы Луны в огромной массе, перемешивая весь рыхлый материал. Но необходимо найти достаточные признаки этих метеоритов в лунном грунте. Корпускулярное излучение несомненно воздействует на породы Луны, в результате появляется наведенная радиоактивность и т. д. Но оно не проникает глубоко в породу. Наконец, может быть, вулканические взрывы на Луне, в космическом вакууме, вызывают процессы дробления и образование пеплообразного вещества. Но это еще только предположение, требующее доказательств.
Изучение лунных пород и процессов, в них происходящих, позволит приблизиться к пониманию геологических явлений, происходивших на Земле в период ее раннего существования, что может открыть новую страницу в геологии — поиск полезных ископаемых.
Непосредственное изучение Луны только начато, вся работа еще впереди. Автоматические геологи помогут человеку решить и эту и другие задачи.
В лабораториях институтов продолжается изучение доставленного станцией «Луна-16» лунного вещества. Двойник станции «Луна-16» занял свое почетное место в павильоне «Космос» на Выставке достижений народного хозяйства СССР. Станция «Луна-16» принадлежит истории. Рядом со станцией на специальном стенде посетители выставки могут теперь видеть лунный камень, который стал частицей Земли!
Центральный Комитет Коммунистической партии Советского Союза, Президиум Верховного Совета СССР и Совет Министров СССР в своем обращении к ученым, конструкторам, инженерам, техникам, рабочим, всем коллективам, принимавшим участие в создании автоматической станции «Луна-16» и осуществлении программы ее полета, дали следующую оценку их работы: ...«наша страна, советская наука и техника добились нового выдающегося успеха в исследовании и освоении космического пространства...»
«...Впервые в мировой практике освоения космоса успешно решена принципиально новая задача полета автоматического аппарата на другое небесное тело, взятие образцов его грунта и возвращение на Землю...
...Новые достижения советской науки и техники в создании автоматических космических станций стали возможными благодаря вдохновенному труду рабочего класса, советской научно-технической интеллигенции. Эта победа особенно радостна тем, что она одержана в ленинский юбилейный год, в период подготовки к XXIV съезду Коммунистической партии Советского Союза».
Партия и правительство высоко оценили труд создателей ракетно-космического комплекса и людей, осуществивших полет станции «Луна-16» и доставку лунного грунта на Землю.
Президиум Верховного Совета СССР присвоил звания Героя Социалистического Труда группе конструкторов и рабочих и наградил орденами и медалями СССР большое количество работников, наиболее отличившихся при создании и запуске автоматической космической станции «Луна-16».
Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР присуждены Ленинская премия и две Государственные премии СССР в области науки и техники ученым, конструкторам, инженерам и рабочим за создание ракетно-космического комплекса, осуществление полета автоматической станции «Луна-16» и доставку лунного грунта на Землю.
Люди, принимавшие участие в создании станции «Луна-16» и осуществившие ее полет, заверили Центральный Комитет Коммунистической партии Советского Союза, Президиум Верховного Совета СССР, Советское правительство и весь советский народ, что приумножат усилия в осуществлении новых задач по дальнейшему освоению космоса на благо нашей великой Родины в интересах всего человечества!
По лунным просторам
Прошло немногим более месяца после того памятного события, когда в герметичном контейнере возвращаемого аппарата станции «Луна-16» на Землю был доставлен добытый на Луне автоматическим космическим геологом образец лунного грунта.
И вновь мир ошеломлен и восхищен новым выдающимся достижением советской космонавтики!
Советский автоматический космический самоходный аппарат «Луноход-1», доставленный на Луну автоматической станцией «Луна-17» 17 ноября 1970 года в 9 часов 28 минут по московскому времени, проложил первую колею на лунной поверхности в районе Моря Дождей!
Советская наука получила от инженеров и конструкторов, рабочих и служащих — создателей станции «Луна-17» — новое эффективное автоматическое средство для исследования Луны.
В сентябрьские дни 1970 года, когда автоматическая станция «Луна-16» совершала свой исторический полет, на полигоне инженеры, конструкторы и рабочие тщательнейшим образом готовили к полету новый космический аппарат.
Казалось, что в цех контрольно-испытательной станции со страниц фантастического романа сошла эта машина. Два глаза телеобъективов, установленных на лобовой части корпуса, четыре штырьевые всенаправленные антенны, одна коническая и одна остронаправленная антенны бортового радиокомплекса, откинутая назад сверкающая крышка лунохода, несущая на себе солнечную батарею, придают этому аппарату необычный вид.
На наш земной взгляд, этот аппарат не отвечает эстетическим представлениям, сложившимся у нас под влиянием писателей и художников-фантастов. Но ведь его создавали, исходя из функциональной целесообразности, а целесообразность на Земле и на Луне — вещи разные.
 Пятиугольный вымпел с барельефом В. И. Ленина, установленный на посадочной платформе станции «Луна-17» |
Да и кто вообще сейчас знает, что значит «красивый» луноход или иной космический аппарат. Ведь даже слово «луноход» — вновь рожденное слово, а мы являемся свидетелям рождения не только новых космических слов профессий, но и космической эстетики.
Этот аппарат предназначен для работы не в земных, а в лунных условиях, поэтому и вид его необычен, и имя у него необычное — «Луноход-1».
Пройдет еще немного времени, и это слово будет звучать во всем мире, на всех языках и наречиях, так же, как зазвучало и осталось навечно русское слово «спутник».
А сейчас он, опутанный паутиной проводов и кабелей, тянущихся к испытательным пультам и стендам, находится в руках испытателей которые с удивительной скрупулезностью будут десятки раз проверять один и тот же блок, «проигрывать» ту или иную операцию, пока не будет получено точное совпадение значения параметров, записанных в полетном задание с данными, полученными при проверке.
Пока до старта лунохода осталось еще около двух месяцев, давайте пройдем тем путем, которым прошел этот самодвижущийся аппарат от чертежной доски до дня своего рождения. Разберемся, как он устроен и для чего предназначен.
Десять лет назад член-корреспондент Академии Наук СССР В. Звонков в беседе с журналистами сказал: «Время начинать думать о типах дорог на Луне... Пройдет какой-то срок и земным транспортникам придется включаться в эту работу».
Смелый и дерзкий замысел, но в наши дни не фантастический.
Однако пока дорог на Луне не проложили.
Инженерам и конструкторам — создателям лунохода пришлось решать задачу со многими неизвестными.
Какой должна быть самоходная автоматическая установка? Как научить ее по командам с Земли передвигаться по Луне в нужном направлении и выполнять программу научных исследований.
Прежде всего конструкторам пришлось решать, какой должна быть ходовая часть.
На Земле мы привыкли к тому, что машина наивысшей проходимости — это машина на гусеничном ходу. Расчеты и эксперименты в лунных условиях показали нецелесообразность такой ходовой части. В самом деле, на перемещение гусениц затрачивается большая доля энергии, они тяжелы, если прочны и не прочны, если легки. Ведь разрыв одного звена гусеницы грозит остановкой самохода. Если на Земле это легко исправить, то как быть на Луне? Кроме того, во время ходовых испытаний легкая гусеница при попадании под нее постороннего предмета, например, камня, соскакивала, и аппарат лишался подвижности. Но и это еще не все. У гусеничного движителя большое количество «пар трения», не защищенных от воздействия космического вакуума и попадания в них лунного грунта, что даже при подборе специальных материалов резко увеличивает трение и, следовательно, потребляемую мощность, И если учесть также, что при этом типе ходовой части на корпус приборного контейнера во время движения будут постоянно действовать большие знакопеременные нагрузки, то станет ясно, почему отпал гусеничный вариант.
Пришлось конструкторам вернуться к колесу, которое как транспортное средство известно человеку с четвертого тысячелетия до нашей эры. Но каким оно должно быть? До наших дней в слабо развитых странах, где нет хороших дорог, используются арбы и двуколки с огромными до двух и более метров в диаметре колесами, которые обеспечивают вполне удовлетворительную проходимость. Но применимо ли такое колесо на луноходе? Большой размер — это громоздкость и большой вес, а вес для космического аппарата — один из важных показателей. Да и мощность, необходимая для приведения таких колес в движение, требуется большая.
Так может быть взять колеса поменьше? Взяли четыре и сразу выяснилось, что при поломке одного из колес луноход теряет способность передвигаться.
Как же быть?
А что, если взять колеса меньшего размера, но не четыре, а восемь, и все на независимой подвеске. Провели расчеты, изготовили экспериментальный образец и подвергли его широкому кругу испытаний. Восьмиколесное шасси себя оправдало!
Но каким должно быть само колесо?
На память конструкторам пришло легкое велосипедное колесо без покрышки. На одну ступицу установили два обода со спицами и между ними натянули металлическую сетку. Получилось легкое и прочное колесо. Но ведь на Луне сила тяжести в 6 раз меньше земной, следовательно, и сцепление колеса с грунтом меньше. Не будет ли такое колесо буксовать? Проверили в условиях, имитирующих лунные по весу. Буксуют. Появились на колесе специальные шипы — грунтозацепы. Колесо стало похожим на то, что мы видим на «Луноходе-1».
Затем возник вопрос — каким должен быть двигатель? В том, что он должен быть электрическим, ни у кого сомнений не было. В течение лунного дня, который длится 14 земных суток, солнечная световая энергия, превращенная солнечной батареей в электрическую, обеспечит движение лунохода и работу всех его систем. Выбор электрического двигателя не вызывал возражений, ведь на Луне атмосферы и влаги нет, значит нет ни облаков, ни туманов, которые на Земле надолго скрывают от нас Солнце.
А сколько должно быть двигателей?
Если установить один двигатель, то получается очень сложное и тяжелое распределительное устройство для приведения в движение всех восьми колес. Тогда родилась идея поместить маленькие двигатели внутрь ступицы каждого колеса и оснастить каждый двигатель своим редуктором, который передавал бы вращение от мотора колесу. Так простое колесо стало мотор-колесом.
Как показали эксперименты, такая конструкция себя оправдала полностью. Даже при отказе четырех двигателей (два с одной и два с другой или три с одной и один с другой стороны) луноход не терял возможности двигаться.
Для создания хорошей амортизации, плавности движения лунохода и для обеспечения более легкого преодоления мелких препятствий (камней и лунок) колеса попарно на одном борту соединили специальной независимой торсионной подвеской. Таким образом образовалось четыре рессорных пары.
Надо видеть, как легко и плавно луноход преодолевает препятствия, слегка покачиваясь при этом. А сколько в эту легкость вложено труда.
Много споров и трудностей возникло при подборе состава грунта, на котором предстояло испытывать луноход.
Должен ли это быть песок, или пылевидный материал, или спекшийся вулканический туф? Какое количество в нем должно быть камней и других включений?
Исследования, выполненные на Луне советскими станциями «Луна-9» и «Луна-13» и американскими аппаратами «Сервейер», помогли конструкторам в выборе земных аналогов лунного грунта. А лунный грунт, доставленный на Землю американскими космонавтами при полетах пилотируемых кораблей «Аполлон» и советской автоматической станцией «Луна-16», подтвердил правильность принятых решений в выборе грунта для лунодрома.
Экспедиции на Кавказ в район давно потухших и на Камчатку, в район действующих вулканов, позволили создать лунодром с необходимым покрытием, на котором было все: кратеры и камни, подобные лунным, отдельные и расположенные группами подъемы, спуски, эскарпы и контрэскарпы и, конечно, трещины.
 Схема самоходного аппарата «Луноход-1» 1 — корпус лунохода — герметичный приборный отсек; 2 — верхнее днище приборного отсека — радиатор-охладитель; 3 — крышка-панель солнечной батареи; 4 — телекамеры; 5 — телефотометры; 6 — блок колес шасси на торсионной подвеске; 7 — привод остронаправленной антенны; 8 — остронаправленная антенна; 9 — коническая спиральная малонаправленная антенна; 10 — штырьевая антенна; 11— изотопный источник тепловой энергии; 12 — девятое колесо — измеритель пройденного пути; 13 — прибор оценки проходимости для определения физико-механических свойств грунта; 14 — уголковый лазерный отражатель; 15 — выносной блок аппаратуры РИФМА; 16 — мотор-колесо |
Итак, готово шасси и готов лунодром. Но ведь шасси надо управлять, а как?
Слово управлять в приложении к самодвижущейся машине — очень емкое слово, оно означает движение в нужном направлении, с заданной скоростью и способность изменять по воле водителя как направление, так и скорость движения.
На современных автомобилях для этих целей служит рулевое управление, коробка скоростей и сложная система подачи горючей смеси в двигатель. С помощью последней регулируется число оборотов двигателя и совместно с коробкой скоростей скорость движения автомобиля.
Нетрудно видеть, что такая система управления достаточно сложна, громоздка, тяжела и для наших целей применена быть не может.
Решение этой комплексной задачи было выполнено конструкторами по частям. Чем заменить рулевое управление? Здесь на помощь пришло одно из свойств отвергнутого гусеничного варианта. А что, если повороты осуществлять за счет придания колесам различной скорости вращения на правом и левом борту лунохода (как на гусеничной машине), или заставить вращаться колеса в разные стороны? Электродвигатели легко позволят это сделать, и при этом будет осуществлен разворот на месте! Попробовали, проверили не раз и не два, и убедились в целесообразности этого варианта. При таком решении вопроса отпала необходимость в сложном рулевом управлении, его функции взял на себя электронный блок автоматики шасси (БАШ).
Этот же прибор взял на себя и вторую обязанность — регулировать скорость движения самоходного шасси. В самом деле, ведь для регулирования числа оборотов электродвигателя, а следовательно, и скорости движения, нет необходимости ни в коробке скоростей, ни в системе подачи горючего. Если при этом учесть, что при прямолинейном движении необходимо обеспечить одинаковое число оборотов всех восьми колес (ведь каждое колесо лунохода — это мотор-колесо), то станет ясно, что без электронного устройства автоматики шасси не обойтись. Кроме того, в процессе отработки выбранного способа управления, учитывая, что шасси будет находиться от водителя на огромном расстоянии (около 400 000 километров), возникла необходимость обеспечить:
дозированные повороты и дозированное перемещение шасси, т. е. поворот на заданный угол или движение на заданное расстояние;
моментальную остановку шасси без команд с Земли, в случае возникновения условий, угрожающих безопасности шасси (недопустимые углы крена и дифферента, непреодолимые препятствия, недопустимые величины моментов на колесах и другие);
возможность отключения любого колеса от его привода при заклинивании последнего (что позволяет сохранить подвижность и маневренность шасси).
Эти и ряд других операций были успешно решены блоком автоматики шасси с участием специальной датчиковой аппаратуры и бортового радиокомплекса.
А все-таки, как управлять машиной (луноходом) за сотни тысяч километров? Что для этого нужно? С какой скоростью луноход должен передвигаться по Луне? Какие условия на передвижение накладывает лунная гравитация — меньшая земной в шесть раз?
Вот далеко не полный перечень вопросов, которые вновь пришлось решать создателям лунохода.
Всем известно, для того, чтобы автомобиль начал движение, во-первых, надо видеть, куда двигаться, во-вторых, необходимо через органы управления привести автомобиль в движение.
А как управлять луноходом за 400 000 километров от Земли?
Для того, чтобы оценить космические расстояния, давайте разберем все перечисленные операции в применении к Луне.
Итак, по нашему желанию луноход уже на Луне, а мы на Земле. Нам необходимо убедиться в том, что луноход готов начать движение. На языке автомобилистов это значит — бензин, масло, вода залиты, аккумулятор заряжен, баллоны накачаны, рулевое управление и тормоза в порядке, фары, подфарники и указатели поворота горят, машина чистая. Проверить состояние лунохода поможет радиосвязь.
Радиокоманды, посланные с Земли мощными антеннами наземного командно-измерительного комплекса, будут приняты бортовым радиокомплексом лунохода, преобразованы в логическом устройстве и выданы в группу телеметрических датчиков, которые на радиозапрос дадут радиоответ — ток солнечной батареи и аккумуляторов в норме, температура в приборном отсеке +18 градусов Цельсия, давление 755 миллиметров ртутного столба, крен на правый борт +2 градуса, дифферент — 1 градус, все колеса целы, двигатели исправны, остронаправленная антенна нацелена на Землю, все системы лунохода работают нормально.
Попробуем оценить, а сколько времени ушло на получение этой информации?
Оперативная группа управлением выдала команду «0», оператор ее исполнил (набором необходимого кода) — 0,5 секунды, радиокоманда прошла путь от пульта через наземные преобразующие и усиливающие устройства по волноводам до передающей антенны — 0,1 секунды, путь от Земли до Луны радиоволна пробежит за 1,3 секунды; бортовой радиокомплекс принял команду, дешифровал и ввел ее в систему управления, последовал опрос датчиков. Полученная информация зашифрована и выдана в эфир — 0,2 секунды, информация отправилась в обратный путь на Землю — 1,3 секунды. Она принята, дешифрована — 0,1 секунды. Оценка полученной информации — 1-2 секунды. По самой минимальной оценке на это потребовалось 4,5-5,5 секунд.
Теперь когда мы узнали о готовности лунохода, нам нужно видеть путь перед собой и определить направление движения.
Увидеть лунную поверхность перед луноходом нам помогут телевизионные камеры, установленные на луноходе, но следует помнить, что изображение, которое мы видим в данный момент времени, уже устарело на 2-2,5 секунды. Попробуйте просто пройти даже по знакомой улице, систематически на 4-5 секунд закрывая глаза, и вы поймете, насколько это трудная задача. А нам в таких условиях надлежит управлять луноходом.
Кроме того, на Луне крайне трудно определять размеры препятствий и расстояния. В самом деле, на Земле мы незаметно для себя, сравнивая с известными нам предметами, определяем расстояние и размеры объектов наблюдения. Но насколько этот способ несовершенен, легко убедиться любому. В кино вы, зачастую, не видите и не чувствуете кинообмана, когда по ходу картины волны захлестывают корабль и его поглощает пучина, или когда терпит крушение железнодорожный состав, или когда в воздухе взрывается самолет. Дело в том, что тонут, терпят крушение, взрываются искусно сделанные модели малых размеров, но поскольку сравнивать их не с чем — нет знакомых ориентиров в натуральном масштабе — мы этого и не замечаем.
В таких же условиях оказался и экипаж лунохода, наблюдая на экране пульта управления лунную поверхность. К этому надо добавить, что картина на экране плоская, а не объемная, следовательно, очень сложно определить, какой величины камень лежит на пути, какой величины кратер или трещина, какое расстояние до вала кратера. Эти и многие другие вопросы постоянно держат в сильном напряжении не только водителя, но и весь экипаж. Поверьте, это не слова — чуткие датчики, измеряющие пульс, частоту дыхания, температуру, давление крови, нервную деятельность «земных космонавтов» (так первый в мире космонавт Ю. А. Гагарин назвал наземных специалистов, управляющих полетом космических кораблей и аппаратов, к их славной когорте можно смело отнести людей новой специальности, рожденной веком космонавтики — водителей лунохода) убедительно показывают, насколько это нелегкое дело — водить луноход.
Пульс и дыхание учащаются, давление возрастает, усиливается потовыделение, как будто человек несет тяжелый груз, резко возрастает нервное напряжение. И после 20-30-минутного сеанса вождения, в течение которого водитель производит легкие движения небольшой ручкой, он ощущает усталость, как после 6-7-часовой езды на автомобиле.
Подобрать людей, способных овладеть профессией водителя, штурмана, оператора, бортинженера оказалось далеко не просто. Пробовали летчиков-испытателей, шоферов с большим стажем и оказалось, что им эта работа не под силу. У них уже профессия выработала свои устойчивые рефлексы, которые к работе с луноходом не подходили.
По вновь разработанным тестам медики подобрали группу людей и созместно с инженерами начали обучать их новой специальности водителя лунохода, ранее не известной на Земле. Кропотливая учеба и тренировки по управлению вначале на тренажере, а затем и с луноходом на лунодроме. Не день и не два тренировались экипажи в вождении лунохода. Причем следует отметить, что приобретенные навыки без тренировок в короткое время полностью утрачиваются.
Луноход и человек уже многое могут. Луноход, послушный воле человека, может двигаться в любом нужном нам направлении, он видит перед собой путь. А человек? Он понемногу, с трудом привыкает к лунным масштабам, к близкому лунному горизонту, к черному небу, к резким световым контрастам, к ослепительному Солнцу и к вождению в этих необычных условиях. Но ведь, начиная движение, мы всегда имеем цель добраться до определенного места или населенного пункта. На Земле для этого служат дороги и указатели, а там, где их нет — компас, спидометр и карта.
К сожалению, до настоящего времени крупномасштабных карт Луны нет, а земной компас работать на Луне не может, так как у нее, как известно, нет магнитного поля.
Но ведь существует звездное небо (правда оно имеет иной вид, чем при наблюдении с Земли), по которому можно ориентироваться. Можно использовать гироскопические приборы, которые позволят определять направление движения (курс), с помощью специального спидометра можно измерять пройденный путь, а простейший ватерпас поможет определять крен и дифферент лунохода. Если все эти данные передать на Землю, то штурман рассчитает пройденный маршрут и наметит путь движения.
Так на луноходе появилась навигационная система: бортовые телефотометры, которые могут получить изображения Солнца и Земли.
Радиокомплекс передает в центр управления эту информацию. Электронно-вычислительные машины обработают снимки, определят углы места и азимута этих светил, и зная углы, вычислят селенографические координаты лунохода. Гироскопические приборы, позволяющие определять величины углов поворота лунохода влево или вправо от курса и выдерживать направление движения. Креномер-ватерпас (он же измеряет и дифферент) — часть сферической поверхности с нанесенной на ней градусной кольцевой сеткой. Роль пузырька воздуха в креномере здесь исполняет металлический шарик. Выпуклая часть сферы обращена вниз, и шарик, катаясь в этой лунке, занимает положение наименьшего энергетического уровня, т. е. всегда указывая положение вертикальной оси лунохода относительно местной лунной вертикали. Не правда ли, простой прибор, а какой нужный? Спидометр — девятое, пассивное колесо лунохода, установленное на параллелограмме. Параллелограмм имеет механический привод, благодаря чему девятое колесо по желанию водителя может быть поднято или опущено. Колесо имеет счетчик оборотов, а зная число оборотов и диаметр колеса, нетрудно определить и пройденный путь.
Ну, а если колесо-спидометр откажет, как быть? И этот случай конструкторы предусмотрели. Каждое из восьми колес лунохода имеет свой счетчик оборотов, и по ним также можно оценивать пройденный путь. Правда, с меньшей точностью, ведь ведущие колеса могут пробуксовывать, а при маневре — поворотах — они вращаются в разные стороны.
Совсем не случайным оказался вопрос, а с какой скоростью должен двигаться луноход?
Представьте себе, что был создан аппарат, способный двигаться со скоростью 60 километров в час по лунной поверхности. Это значит, что в секунду он преодолевает почти 17 метров. Разберем, что при этом произойдет. Помните, от момента увиденной на экране пульта управления лунохода картины до исполнения команды проходит 2-2,5 секунды, да на 2-2,5 секунды картина «устарела», следовательно, путь, пройденный луноходом за 4-5 секунд без управления составит 68— 85 метров. Попробуйте даже на ровной дороге на 4-5 секунд бросить управление автомобилем при такой скорости? Очевидно, это невозможно!
Из-за того, что на Луне сила тяжести в шесть раз меньше земной, луноход там весит в шесть раз меньше.
А сила сцепления и его устойчивость? Ведь эти величины прямо пропорциональны весу. Больше вес, больше сцепление и устойчивость (при прочих равных условиях). А возмущающий — опрокидывающий момент?
Динамическая устойчивость лунохода только за счет его переноса на Луну стала во много раз хуже.
Теперь следует вспомнить еще об одном интересном моменте. Представьте себе, что Вы стали автотуристом, и перед Вами раскинулись незнакомые и крайне интересующие Вас места. Вряд ли Вы будете продолжать движение с большой скоростью. А в наиболее интересных местах Вы будете делать остановки для осмотра и фотографирования.
Точно так же поступает и луноход. Но это никак не значит, что наш аппарат не может преодолевать больших расстояний. При ресурсных испытаниях на Земле, когда вес лунохода был приведен к лунным условиям, самоходная установка «по лунным» дорогам прошла не одну сотню километров.
Но луноход отправился на Луну не для того, чтобы просто ездить по ней (хотя само по себе это крайне интересно и имеет большой научный и инженерный интерес). Перед ним поставлены большие задачи по исследованию Луны. И одна из них — увидеть в непосредственной близости как можно большее количество фрагментов лунной поверхности в разных районах. Ведь полученные изображения рельефа Луны помогут ученым-селенологам понять процессы, протекавшие на Луне многие миллионы лет назад и, возможно, это приблизит нас к пониманию того, как возникли Земля и Солнечная система в целом.
Как решается на луноходе эта задача — видение Луны? В настоящее время космовидение стало новой отраслью приборостроения.
Вспомните телевизионные изображения Луны — особенно ее невидимой с Земли части, — впервые переданные на Землю станциями «Луна-3» и «Зонд-3», или телевизионные изображения, переданные американской станцией «Маринер-4», позволившей с близкого расстояния взглянуть на поверхность Марса.
Космическое телевидение дало возможность человеку взглянуть на лунный ландшафт и на отдельные детали лунного рельефа с расстояния вытянутой руки. Изучая панорамы, ученые получили первые данные о микроструктуре лунной поверхности, ее особенностях, дали общую характеристику рельефа Луны. Космовидение подтвердило большую научную ценность метода панорамной съемки с помощью телевизионных камер.
Телевизионные средства станции «Луна-13» проследили за работой плотномера, установленного на выносной штанге станции, и провели наблюдение Солнца — главного навигационного ориентира на Луне.
Как известно, панорамные телевизионные камеры станций «Луна-9» и «Луна-13» обеспечили высокое качество передач изображений при малой массе (1,3 килограмма) и малом потреблении электроэнергии (2,5 ватта), что является типичным для наиболее совершенных видов космической аппаратуры.
Эти телевизионные средства надежно работали при больших перегрузках (при старте и при посадке), в космическом вакууме и в широком диапазоне температур. Наряду с малой массой и малым потреблением энергии наиболее ценным в этих устройствах являются их точность и стабильность работы.
Оптико-механическая система этих станций обеспечивает передачу в каждой из 6000 строк 500 элементов. При этом полученное изображение обладает измерительными свойствами. Это значит, что по панорамам можно с большой точностью определить размеры отдельных деталей, их яркостную характеристику и построить план местности.
Панорамные телевизионные камеры были использованы и на станциях «Луна-16» и «Луна-17». Камеры, установленные на станции «Луна-16», позволили в условиях «лунных сумерек» определить, что место, где предстояло взять грунт, является коренной породой.
На луноходе таких камер установлено четыре, по две на каждом борту. Одна камера производит «осмотр» по азимуту на 180 градусов (бортовая панорама по горизонту), а другая — по углу места на 360 градусов (от переднего колеса, вперед до горизонта, лунный небосклон, горизонт сзади лунохода, заднее колесо и замыкает цикл на переднем колесе). Каждая камера имеет возможность работать как в прямом, так и в обратном направлении.
Основное назначение камер — топографическая съемка местности, навигационные измерения и исследования лунного рельефа.
Для того, чтобы луноход мог начать движение, панорамных изображений не достаточно, телевизионные средства должны позволять водителю видеть местность впереди самоходного аппарата. Здесь радиоинженерам пришлось решить ряд сложных и противоречивых задач. Необходимо было обеспечить достаточно большой угол обзора и хорошую четкость изображения при достаточно большой скорости передачи. Возможности линии связи (по мощности) при этом были ограничены, а луноход— весьма удален.
Естественно, что в этом случае для передачи изображения должна была быть использована остронаправленная антенна. Но как обеспечить наведение этой антенны на Землю, если она установлена на движущемся и беспрестанно меняющем свое положение луноходе?
Для этого служит система управления остронаправленной антенны, состоящая из наземной командной и бортовой исполнительной частей. На пульте оператора в центре управления были смонтированы: индикатор уровня поля, система отображения углов поворота антенны и видеоконтрольное устройство.
При наличии рассогласования (антенна не направлена на Землю) уровень полезного сигнала на пульте оператора уменьшается, и оператор выдает в систему наведения антенны лунохода необходимые радиокоманды. Привод отработает эти команды, развернет антенну в нужном направлении, и величина телевизионного сигнала восстановится.
Две телевизионные камеры установлены в передней части корпуса лунохода. В этой системе, в отличие от панорамных телефотометров, используется классический принцип электронного телевидения и принципиально новые методы техники телевизионной передачи и преобразования сигнала.
Для лунохода, учитывая большую удаленность, малую мощность сигнала и неустойчивость положения антенны во время движения, был выбран ряд сравнительно низких скоростей передачи изображений, при которых «время» передачи каждого кадра измеряется секундами. Большая скорость передачи и не нужна, если учесть, что скорость запаздывания составляет 4,5-5 секунд.
Пока мы рассказывали об устройстве лунохода, о его «зрительных» и командных органах, мы частично коснулись и радиокомплекса. Так давайте закончим знакомство с ним.
Из сказанного выше ясно, что бортовой радиокомплекс включает в себя:
радиотелеметрическую систему, служащую для опроса датчиков, сбора в запоминающее устройство полученной информации и передачи ее в сеансах связи на Землю;
радиотелевизионную и телефотометрическую систему, необходимые для вождения лунохода и получения лунных панорам;
командную радиолинию, по которой на борт лунохода выдаются в виде кода команды на включение и выключение различных систем, на выполнение той или иной программы и, наконец, команды, с помощью которых осуществляется движение.
В состав радиокомплекса входят два комплекта приемной дублированной аппаратуры, работающей в двух диапазонах волн, и один комплект передающей дублированной аппаратуры.
Командная радиолиния и телеметрическая система используются также на трассе перелета станции «Земля — Луна», при полете станции по орбите спутника Луны и при посадке. При посадке на Луну используются автономные средства посадки, размещенные на посадочной платформе и включающие в себя радиовысотомер больших высот, доплеровскую аппаратуру и высотомер малых высот. С устройством и работой этой аппаратуры мы познакомились в первой части книги.
Для проведения исследований луноход оборудован комплексом научных приборов. В него входят радиометрическая аппаратура, рентгеновский телескоп, приборы для определения химического состава и для исследования механических свойств лунного грунта, лазерный уголковый отражатель, температурные датчики.
Эти приборы (вместе с оптико-телевизионной и навигационной системами лунохода, с телеметрической аппаратурой самоходного шасси, определяющей усилие сцепления колес с грунтом, крутящий момент, пробуксовку колес и ряд других параметров шасси) превратили луноход в первую подвижную, автоматическую, научную лабораторию на Луне!
Почему ученые выбрали именно этот комплекс научных приборов для установки на луноходе? Какие задачи решают эти приборы? Как они устроены и как работают? Об этом будет рассказано в следующей главе.