Наука и техника: прошлое и настоящее

Отечественная лунная одиссея

Продолжение. См. № 7, 12, 16, 20/09

Схема прямого перелёта, воплощённая в «Луне-9», обеспечивала посадку ЛКА только в западных районах Луны. Естественное развитие космонавтики потребовало осуществления мягкой посадки в любом её районе. Но для этого нужны были знания особенностей поля тяготения Луны. Единственным инструментом для этого мог быть только искусственный спутник Луны (ИСЛ). В конце декабря 1965 г. на одном из совещаний у М.В. Келдыша было принято предложение Г.Н. Бабакина о создании такого ИСЛ. После завершения работ по «Луне-9» его ОКБ активно приступило к реализации очередного этапа исследования Луны. Практические возможности ракетно-космической отрасли, подтверждённые научно обоснованными расчётами, позволяли решить эту задачу.

В значительной степени это был уже другой объект (Е-6СЛ) – первый собственный проект Г.Н. Бабакина и, пожалуй, первый проект КА, создаваемый в НПО им. С.А. Лавочкина. первые варианты ИСЛ создавались на базе перелётно-посадочного модуля «Луны-9». Они могли активно существовать сравнительно небольшое время (2–3 месяца), т. к. были снабжены лишь химическими источниками питания.

В вычислительных центрах провели большую подготовительную работу по выбору траектории полёта, которая учитывала бы специфику функционирования лунного спутника, удобство телеконтроля и теле-­управления им средствами Командно-измерительного комплекса (КИК).

1 марта 1966 г. стартовала РН для выведения ЛКА на орбиту ИСЛ (Е6-СЛ № 204). Запуск оказался неудачным: на разгонном блоке отказала система управления, и объект остался на орбите ИСЗ, получив название «Космос-111».

31 марта 1966 г. с космодрома Байконур был произведён старт РН с ЛКА «Луна-10» (Е6-СЛ № 206). Вывод её на околоземную орбиту и дальнейший перелёт к Луне проходили примерно так же, как и у «Луны-9». Вблизи Луны скорость полёта ЛКА составляла 2,5 км/с. Чтобы аппарат не вышел из сферы действия Луны и не превратится в ИСЗ с очень вытянутой орбитой, необходимо было её уменьшить. Причём уменьшить примерно до 1,76 км/с, чтобы сила поля тяготения Луны оказалась достаточной для удержания ЛКА на орбите спутника. В точке, удалённой от Луны примерно на 1000 км, в результате работы двигательных установок в режиме торможения в течение заданного промежутка времени скорость ЛКА была снижена до 1,6 км/с. По командной радиолинии (КРЛ) Симферопольского Центра дальней космической связи дежурный расчёт выдал команду на включение корректирующей тормозно-двигательной установки (КТДУ). Отделившийся герметичный контейнер массой 245 кг под действием притяжения Луны вышел на окололунную орбиту с параметрами, близкими к расчётным, и 3 апреля в 21 ч 44 мин стал первым в мире искусственным спутником Луны.

В контейнере находились радиоприёмная и передающая аппаратура, антенные устройства, телеметрическая система, научная аппаратура, блок кварцевых генераторов, программно-временные устройства, система терморегулирования и химические источники электропитания. «Луна-10» – это первая полностью самостоятельная работа в космосе бабакинского коллектива совместно с КИКом.

Государственную комиссию возглавляли Г.А. Тюлин (председатель) и Г.Н. Бабакин (технический руководитель). Расчётные параметры орбиты обеспечивали нормальный тепловой режим бортовых приборов и устройств, а также благоприятные возможности для проведения исследований на различных удалениях от поверхности Луны.

При исследовании эволюций орбиты траекторные измерения для повышения точности проводились в дециметровом диапазоне. Такие наземные радиотехнические средства находились на Евпаторийском ЦДКС. Поэтому было принято решение провести совместную работу КИП-10 и КИП-16. В связи с этим часть группы управления перебазировалась на КИП-16. Было проведено 74 совместных сеанса работы [2].

Первая летающая космическая лаборатория активно существовала 56 суток (до 30 мая). За это время она совершила 460 витков вокруг Луны. За 219 сеансов связи была получена информация о гравитационном и магнитном полях Луны, магнитном шлейфе Земли, а также косвенные данные о химическом составе и радио­активности поверхностных пород.

«Луна-10» совершила 460 витков вокруг Луны, что впервые позволило методом систематических, длительных наблюдений за изменением параметров орбиты ИСЛ и обработки траекторных измерений построить гравитационное поле Луны. Изменение орбиты ИСЛ вызывается в основном воздействием Земли и Солнца, а также выявленной несимметричностью поля тяготения видимого и невидимого полушарий Луны и грушевидным распределением масс нашего спутника. Влияние несимметричности поля тяготения Луны превосходит в 5–6 раз соответствующие возмущения, обусловленные воздействием Солнца и Земли.

Измерение магнитного поля непосредственно в космосе несколько осложняется тем, что бортовые устройства имеют собственное магнитное поле. Поэтому магнитометры выносятся на специальных штангах на некоторое удаление от основной конструкции. На «Луне-10» блок из трёх феррозондов магнитометра СГ-59М был установлен на выносной штанге длиной около 1,5 м и выполнил около двухсот измерений напряжённости трёх взаимно перпендикулярных компонент магнитного поля Луны (разрешающая способность примерно 1 гамма^*, диапазон до ± 50 гамм по каждой компоненте). Передача результатов измерений на Землю осуществлялась с интервалами 128 с. Из-за вращения ИСЛ вокруг своей оси (для обеспечения теплового режима) обработка магнитограмм осложнялась, т. к. каждая из трёх проекций напряжённости магнитного поля непрерывно менялась по времени.

Впервые было измерено распределение метеорного вещества в окрестностях Луны (на высотах 350–1015  км от её поверхности) при помощи баллистических пьезоэлектрических датчиков. Датчики наклеивались на оболочку спутника, образуя поверхность площадью 1,2 м², чувствительную к ударам микрометеоритов. Конструктивно датчик представлял подпружиненную плату (рабочую поверхность) с чувствительным (кварцевым) элементом. Под действием удара твёрдой частицы происходило смещение платы, вызывавшее деформацию пьезоэлемента с выдачей электрического напряжения в форме кратковременных затухающих колебаний. Электрические сигналы поступали на усилитель-преобразователь, который подсчитывал количество импульсов с разрешающей способностью 12–17 ударов в секунду [3]. За первые 40 суток активного существования ИСЛ (с 3 апреля по 12 мая 1966 г.) суммарное время регистрации показаний составило около 12 ч, причём было отмечено около 200 ударов частиц.

Следует напомнить, что была запланирована ещё и неспецифическая задача: передать с орбиты ИСЛ мелодию партийного гимна «Интернационал» в зал заседаний проходившего в это время XXIII съезда КПСС. К этой работе был подключён Союз композиторов СССР. Музыканты расписали последовательность нот, указали частоту и длительность каждой. В сжатые сроки конструкторы-умельцы создали блок кварцевых генераторов с программником, определяющим последовательность работы генераторов и продолжительность их звучания. Так создавался первый космический синтезатор.

И здесь не обошлось без курьёза. Передача партийного гимна была намечена на 10 ч 4 апреля – шестой день работы съезда. Накануне поздно ночью допущенные к этому эксперименту несколько управленцев под руководством В.Н. Сморкалова провели контрольный сеанс и записали мелодию с борта на катушечный магнитофон. Когда подошло время непосредственной передачи мелодии гимна в Кремлёвский Дворец Съездов, оказалось, что одна нота не исполняется, вышел из строя соответствующий кварцевый генератор. «Интернационал» воспроизводился с заиканием. Но управленцу идея должна приходить мгновенно… Ровно в 10 ч утра председательствующий на съезде поднял делегатов, и в зале торжественно зазвучала мелодия космического «Интернационала», «передаваемая» с первого ИСЛ. На самом деле с борта «Луны-10» действительно принимали «Интернационал», с заиканием, а в канал связи на Москву шла с магнитофона записанная накануне мелодия. Об этом знал только узкий круг исполнителей [4].

Один из наземных командно-измерительных пунктов (КИПов)

Международное признание приоритета советской космонавтики в создании, запуске и телеуправлении космическими аппаратами «Луна-9» и «Луна-10» выразилось в награждении учёных, конструкторов и специалистов почётным дипломом Международной авиационной федерации (ФАИ). В этом большая заслуга и личного состава КИКа.

Кстати, впервые американский ИСЛ «Лунар орбитер-1» был запущен 10 августа 1966 г. Он сфотографировал 9 участков поверхности Луны с расстояния около 60 км. Однако неисправность одной из камер сделала снимки непригодными для использования.

24 августа 1966 г. был выведен в космос ЛКА «Луна-11» (Е-6ЛФ № 101). 27 августа он вышел на окололунную орбиту, близкую экваториальной, и стал вторым советским ИСЛ. Приборы, установленные на его борту, продолжили исследования, начатые «Луной-10». Предыдущая программа была дополнена изучением интенсивности длинноволнового космического радиоизлучения, гамма- и рентгеновского излучений лунной поверхности, радиационной обстановки вблизи Луны, «солнечного ветра», регистрацией микрометеоритов, а также исследованиями особенностей торможения в вакууме. Однако программа фототелеметрической съёмки в стабилизированном режиме непосредственно после торможения при выходе на орбиту в районе перицентра и в условиях вращения ЛКА относительно оси, ориентированной на Солнце, не состоялась из-за нарушения в системе ориентации. «Луна-11» активно существовала 38 суток (до 2 октября 1966 г.) и совершила 277 оборотов вокруг Луны. Дежурные расчёты КИКа провели 162 сеанса связи.

Перед третьим советским ИСЛ – «Луной-12» (Е-6ЛФ № 102), – выведенным 22 октября 1966 г., помимо исследований, проведённых двумя предыдущими спутниками Луны, была поставлена новая задача – крупномасштабное фотографирование участков в районах Моря Дождей и кратера Аристарх. На борт «лунного фотографа» установили научную аппаратуру, такую же, как и на «Луне-11», а также усовершенствованное устройство, позволявшее провести крупномасштабные фототелеметрические съёмки. ЛКА вышел на окололунную орбиту 25 октября и активно существовал 85 суток (до 19 января 1967 г.), совершив 602 витка вокруг Луны. С ним было проведено 218 сеансов связи общей продолжительностью около 63 ч.

Полученные крупномасштабные изображения лунной поверхности позволили рассматривать отдельные объекты размером около 5 м и кратеры диаметром 15–20 м. На этот раз группа управления решила организовать приём с борта фототелевизионной информации таким образом, чтобы не дать возможность английской радиофизической обсерватории Джодрелл-Бэнк повторить преждевременную передачу панорамы. Сначала было предложено осуществлять передачу и приём информации с «Луны-12» в первые три часа начала зоны радиовидимости, когда у англичан эта зона ещё не наступала. Но при таком режиме работы получение необходимой информации растянулось бы на месяцы.

Наземные средства КИП-10 и КИП-16 располагали возможностью работы в двух диапазонах – метровом и дециметровом – с быстрым переходом с одного диапазона на другой. Было известно, что у англичан перестройка занимала около суток, т. к. требовалась замена облучателя. И тогда был принят следующий режим работы: максимальное использование «нашей» зоны радиовидимости, а затем (в зоне радиовидимости английской обсерватории) чередование в различной последовательности переключения диапазонов радиотехнических средств с КИП-10 на КИП-16 и обратно.

В течение полугода эволюция орбиты «Луны-12» соответствовала баллистическому прогнозу. Однако при снижении перицентра до высоты 20 км его высота вопреки прогнозам стала критически падать на 3–4 км в сутки. Баллистикам на базе их знаний того уровня это было непонятно. Задача была решена в ИПМ АН СССР. Баллистики добились понимания ситуации, и управленцы начали спасать космический аппарат. Несмотря на все сложности, задача была выполнена, и перицентр орбиты «Луны-12» подняли до 70 км.

Успешно проведённые научные исследования уточнили и расширили ранее полученные сведения о Луне и окололунном пространстве. «Луна-12» в течение года давала ценнейшую информацию о характеристиках гравитационного поля Луны, которая в ближайшем будущем оказалась необходимой при разработке усовершенствованной серии ЛКА с использованием новой радиосистемы для прецизионных траекторных измерений. Кроме того, на «Луне-12» (как и на «Луне-11») были испытаны электроприводы для мотор-колёс шасси лунохода.

17 мая 1967 г. стартовала РН с ЛКА (Е-6СЛ № 111). Модифицированный лунный спутник предназначался для точных измерений гравитационного поля, проверки навигационных операций на околоземной орбите и испытаний систем связи для планировавшихся пилотируемых полётов к Луне советских космонавтов. Однако он (из-за преждевременного отключения разгонного блока) остался на околоземной орбите и был объявлен как «Космос-159».

7 февраля 1968 г. состоялся аварийный старт РН с ЛКА (Е-СЛ № 112), который должен был стать очередным ИСЛ.

10 апреля 1968 г. в 13 ч 09 мин с космодрома Байконур стартовала «Луна-14» (Е-6СЛ № 113), – которая 10 апреля 1968 г. была выведена на окололунную орбиту и стала четвёртым советским ИСЛ.

Плавучий КИК «Космонавт Владимир Комаров»

Длительные наблюдения за изменением параметров этого лунного спутника позволили уточнить соотношение масс Земли и Луны, новые данные о гравитационном поле Луны и её форме. Кроме того, проводились измерения потоков заряженных частиц, идущих от Солнца («солнечный ветер») и космических лучей, исследования условий прохождения и стабильности радиосигналов «Земля–борт» и обратно при нахождении ЛКА в различных точках орбиты и при заходах за лунный диск. Также проводились сеансы по юстировке наземных радиотехнических средств КИКа. Были продолжены п роверки работы привода с зубчатыми зацеплениями, изготовленными из различных материалов с разными покрытиями и смазками, с целью проектирования электродвигателей мотор-колёс лунохода и бура для забора лунного грунта.

Баллистики считали, что после выполнения программы полёта «Луны-14» знаний о гравитационном потенциале Луны было достаточно для проведения манёвров новых ЛКА на окололунной орбите, схода с неё и мягкой посадки. «Луна-14» завершила программу исследования Луны и окололунного пространства с помощью «лунников» второго поколения, выводимых РН «Молния».

Основные данные выполнения Программы «Е» в 1963–1968 гг. (ИСЛ «Луна-10», «Луна-11», «Луна-12», «Луна-14») представлены в таблице. В этот период был проведён комплекс научных исследований, позволивших получить данные, необходимые для оценки особенностей гравитационного поля Луны, её внутреннего строения, типа пород, составляющих её поверхность, радиационной и метеоритной обстановки в окололунном пространстве, переданы фотографии лунной поверхности различного масштаба. Однако принимаемая по радиотелеметрическим и телевизионным каналам информация с этих ИСЛ всё же не давала возможность получать достоверно многие важные физические и микроструктурные характеристики лунного покрова [6].

Следует заметить, что в связи с расширением программы исследования и освоения космического пространства и, в частности, под первую лунную программу СССР, 25 ноября 1966 г. было принято постановление ЦК КПСС и СМ СССР № 900-290 «Об увеличении количества судов плавучего радиотелеметрического комплекса МО СССР». В марте–июне 1967 г. на судостроительных заводах Ленинграда в рекордно короткие сроки были построены и приняты в экс­плуатацию плавучий командно-измерительный пункт «Космонавт Владимир Комаров» и радиотелеметрические корабли «Боровичи», «Невель», «Кегостров» и «Моржовец». Их включили в состав научных с правом носить вымпел научно-экспедиционного флота Академии наук СССР. Экипажи этих судов состояли из гражданских моряков Минморфлота СССР, а экспедиции формировались из числа научных сотрудников и инженеров-испытателей КИКа [7]. Все эти суда Морского КИКа в дальнейшем участвовали в телеуправлении ЛКА.

Ни один ЛКА к тому времени не был возвращён на Землю и не доставил непосредственно в руки учёных результаты исследований. А сделано было немало: определено воздействие лучей высоких энергий на материалы, аппаратуру, приборы и оборудование ЛКА; изучены поверхность и состав химических элементов и минералов; проанализированы снимки поверхности Луны, полученные, правда, с помехами и искажениями, внесёнными телеметрической и телевизионной системами.

Тщательное и эффективное изучение и оценка могли быть проведены только при возвращении всех материалов исследований на Землю. Для этого требовалось дальнейшее развитие отечественной ракетной и космической техники для решения задачи возвращения КА на Землю с учётом её атмосферы после его полёта к другому небесному телу, т. к. при этом скорость подлёта превышала вторую космическую.

Перелёт с Луны на Землю стал основополагающим во всём комплексе проблем, которым пришлось заниматься при разработке ЛКА третьего поколения.

Основные данные^** выполнения программы «Е» в 1963–1968 гг. (проект Е-6СЛ)

Старт РН	ЛКА	Цель полёта	Особенности  полёта
01.03.1966	Е-6СЛ № 204 «Космос-111»	Выход на орбиту ИСЛ	КА остался на орбите ИСЗ и 16.03.1966 г.  сошёл с неё
31.03.1966	Е-6СЛ № 206 «Луна-10»	То же	03.04.1966 г. в 18.44 КА стал первым ИСЛ и активно существовал 56 суток (до 30.05.1966)
24.08.1966	Е-6ЛФ № 101 «Луна-11»	Крупномасштабное фотографирование поверхности Луны с орбиты ИСЛ	27.08.1966 г. КА вышел на орбиту ИСЛ, но крупномасштабное фотографирование лунной поверхности полностью выполнено не было. Активно существовал 38 суток и 02.10.1966 г., сделав 277 витков вокруг Луны, прекратил своё существование
22.10.1966	Е-6ЛФ № 102 «Луна-12»	То же	25.10.1966 г. КА вышел на орбиту ИСЛ и выполнил фотографирование лунной поверхности полностью. Активно существовал 85 суток (до 19.01.1967 г.). Был испытан привод для колёс лунохода
17.05.1967	Е-6СЛ № 111 «Космос-159»	Выход на орбиту ИСЛ	КА остался на орбите ИСЗ
07.02.1968	Е-6СЛ № 112	То же	КА на околоземную орбиту не вышел в результате аварии на РН
07.04.1968	Е-6СЛ № 113 «Луна-14»	То же	10.04.1968 г. КА вышел на орбиту ИСЛ. Начато исследование Луны с орбиты ИСЛ. Продолжена отработка ходовой части лунохода

 

Литература

1. Ерёменко А.А. Значение слова «Луна» в Большой советской энциклопедии [Электронный ресурс] URL: http://bse.sci-lib.com.
2. Довгань В.Г. Лунные трассы России. К 45-летию начала исследований Луны и окололунного пространства отечественной космонавтикой)//Гагаринский сборник. Материалы ХХХI общественно-научных чтений, посвящённых памяти Ю.А. Гагарина, 2004. ч. 1. Гагарин, 2005. 368 с.
3. Минчин С.Н., Улубеков А.Г. Земля – космос – Луна. М.: Машиностроение, 1972. 244 с.
4. Сморкалов В.Н. Проблемы и успехи коллектива, проблемы и успехи Главного конструктора. Шесть лет и вся жизнь конструктора Г.Н. Бабакина. М.: Арт-Бизнес-Центр, 2004. 448 с.
5. Довгань В.Г. Применение Командно-измерительного комплекса в телеуправлении лунными космиче скими аппаратами//Материалы Второй всероссийской научно-практичес кой конференции «Перспективные системы и задачи управления». Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. 278 с.
6. История Командно-измерительного комплекса управления космическими аппаратами от истоков до Главного испытательного центра имени Г.С. Титова. М.: Изд-во ЗАО СП Контакт–РЛ, 2006. Кн. 1. 480 с.
7. Космический флот и управление космическим полётом // Под ред. А.М. Жакова. М.: Судостроение, 1992.

Продолжение следует

---

^* Гамма – внесистемная единица напряжённости магнитного поля, 1  гамма = 10^–5 Э = 79,6 · 10^–5 А/м. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе Земли около 0,34 Э, у магнитных полюсов около 0,66 э, в районе Курской магнитной аномалии 2 э. (Или, если считать, что магнитная проницаемость воздуха равна магнитной постоянной μ₀ = 126 нТл/(А · м), соответственно 43, 83 и 250 нТл.) На Луне магнитное поле не является дипольным, так что частицы солнечного ветра свободно проходят насквозь, а напряжённость варьирует в основном от 0,1 до 20 нТл. – Ред. (по Википедии. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/)

^** Все КА выводились на орбиту ракетой-носителем типа 8К78 («Молния»).