Наука и техника: прошлое и настоящее
Академик проф. В. Г.
Довгань,
РАК им. К.Э.Циолковского, АМТН
Отечественная лунная одиссея
Продолжение. См. № 7, 12, 16, 20/2009, 2/2010
Третье поколение лунных космических аппаратов
Забрав пробу лунного грунта, космическая ракета «Луна–Земля» с возвращаемым аппаратом стартует к Земле (фотомонтаж) [1]
Научно-технический потенциал Машиностроительного завода им. С.А. Лавочкина (ныне ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», г. Химки) позволил успешно продолжить лунную программу, начатую в ОКБ-1 (ныне – РКК «Энергия» им. С.П. Королёва). Руководство по разработке и осуществлению программ исследования космоса возлагалось на Межведомственный научно-технический совет по космическим исследованиям (МНТС по КИ) при АН СССР, возглавляемый Президентом АН СССР М.В. Келдышем.
В начале 1967 г. Г.Н. Бабакин (главный конструктор ОКБ МЗ им. С.А. Лавочкина) при активной поддержке М.В. Келдыша получил одобрение руководства государства на проектирование новых космических аппаратов для исследования Луны и окололунного пространства. Новое поколение должно было сочетать в себе комплекс автоматических устройств и телеуправления, позволявших проводить исследования как с орбиты искусственного спутника Луны, так и непосредственно с её поверхности, изучать самые различные участки видимой и обратной сторон и доставлять образцы лунного вещества на Землю. Лунные самоходные аппараты (ЛСА) – луноходы – должны были значительно расширить возможности для исследований в местах с неблагоприятными для человека условиями работы, исключая риск для жизни.
Впервые в официальных документах о необходимости «посадки на Луну автоматических самоходных аппаратов с научными приборами» упоминается в письме М.В. Келдыша в государственные органы от 22 декабря 1962 г. Но сама эта идея принадлежит С.П. Королёву. Он предложил Ж.Я. Котину, Главному конструктору танкового КБ Ленинградского Кировского завода, разработать необычное транспортное средство. В начале 1961 г. были предложены проекты трёх вариантов шасси ЛСА – на основе гусеничного, колёсного и волнового (змееподобного) движителей, но в результате их обсуждения на научно-техническом совете Ж.Я. Котин от дальнейших исследований отказался. Можно предположить, что он оценил масштабы поставленной задачи и решил не втягиваться в её реализацию в ущерб основному делу своей жизни – танкостроению. В том же году разработка ЛСА поручается НИИ автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения (НАТИ). Таким образом, параллельно с работами по проектам Е-6 (мягкая посадка) и Е-7 (искусственный спутник Луны) в ОКБ-1 шла проработка создания ЛСА и его доставки на Луну (проект Е-8).
К работам по ЛСА С.П. Королёв привлёк учреждения, обладавшие знаниями о Луне, в том числе Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ, г. Горький), Астрономический совет АН СССР, Геологический институт АН СССР, Главную Пулковскую астрономическую обсерваторию АН СССР, Крымскую и Бюраканскую астрофизические обсерватории и Государственный астрномический институт им. П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ им. М.В. Ломоносова.
Накопленный к тому времени в ОКБ-1 научный и практический опыт позволил определить состав аппаратуры на борту ЛСА и сформулировать предварительные требования. Прежде всего это: продолжительная работоспособность в жёстких условиях Луны, минимальная масса при максимальной проходимости, дистанционное радиотелевизионное или автономное программное управление движением аппарата, высокая надёжность. Уже первые расчёты показали, что масса ЛСА (около 600 кг) значительно превышает возможности РН 8К78. Поэтому в ОКБ-1 приступили к разработке ракеты Н-1 грузоподъёмностью 20–25 т.
Унифицированная посадочная ступень с луноходом
В конце 1962 г. С.П. Королёв начал подыскивать нового исполнителя по созданию ЛСА, т. к. руководство НАТИ направило в Государственный комитет по оборонной технике официальную просьбу снять с них космическую тематику. К февралю 1963 г. в ОКБ-1 были подготовлены предложения по использованию РН Н-1 и созданию для неё первоочередных ЛКА, а к сентябрю 1963 г. – и по исследованию Луны. В них, в частности, предлагалось создание космических комплексов по пяти взаимосвязанным темам: Л-1–Л-5 [2]. Темы Л-1 и Л-3 предусматривали полёт космонавтов с облётом Луны и посадкой на её поверхность. Тема Л-2 предполагала доставку ЛСА на поверхность Луны. Тема Л-4 планировала вариант сборки на околоземной орбите лунного комплекса, состоявшего из ракетного блока 9К и ЛСА 13К, которые выводились РН «Союз» (на случай неготовности РН Н-1). Так как ракетный блок в этом варианте выводился незаправленным, то четыре корабля-танкера 11К последовательно стыковались с ним и заправляли окислителем и горючим. В теме Л-5 предлагалось создать ЛСА для более детального и долговременного изучения Луны с возможностью транспортирования 3–5 космонавтов или 3500 кг груза со скоростью до 20 км/ч.
23 сентября С.П. Королёв утвердил «Предложения по исследованию и освоению Луны в 1963–1968 гг.». В разделе IV «Предложений» указывалось, что «самоходный аппарат Л2» кроме проведения научных исследо ваний должен помочь выбрать район посадки лунного корабля и служить радиомаяком при его посадке. Предполагалось, что на Луну перед полётом и высадкой космонавтов будут отправлены два лунохода для выбора основного и резервного районов прилунения ЛК, детального их обследования и корректировки посадки. Генерал-лейтенант Н.П. Каманин 2 сентября 1966 г. в своём дневнике записал: «Доложил маршалу Руденко свои соображения о закреплении космонавтов за новыми космическими кораблями… В облёт Луны на корабле Л-1 готовятся Волынов, Добровольский, Воронов, Колодин, Жолобов, Комаров, Быковский. Корабль Л-3 для экспедиции на Луну закрепляется за Леоновым, Горбатко, Хруновым, Гагариным, Николаевым, Шаталовым». Запуск ЛК с советскими космонавтами для облёта Луны планировался на 26 июня 1967 г.
Необходимо отметить, что ни один из этих пяти проектов в своём изначальном виде так и не был претворён в жизнь. Только разработка дистанционно управляемого ЛСА 13К практически послужила созданию луноходов в рамках проекта Е-8 «Программы “Е”».
В июле 1963 г. С.П. Королёв предложил директору ВНИИ-100 (ныне ОАО «ВНИИТрансмаш», СПб) В.С. Старовойтову разработать самоходный аппарат для Луны. В.С. Старовойтов дал согласие, и работы по теме «Определение возможности и выбор направления в создании самоходного шасси аппарата Л-2» начались под научным руководством начальника отдела новых принципов движения А.Л. Кемурджиана [3]. Основанием для проведения работ послужило письмо 12 Управления Государственного комитета по оборонной технике СССР (ГКОТ) № 12/394сс от 13 сентября 1963 г.
За короткое время был сформирован коллектив. Ведущим инженером машины назначили Г.Н. Москвина, разработку электроприводов поручили В.Г. Вовку, гусеничных движителей – М.Б. Шварцбургу, комплекса измерений – Л.Х. Когану, обеспечение взаимодействия движителя с грунтом – А.П. Софияну, оценку плавности хода по рельефу – Ю.Л. Козленко. Были определены научно-технические проблемы, изготовлены стенды и аппаратура, действующие макеты с колёсным и гусеничным движителями, сделаны конструкторские проработки ЛСА и проведены некоторые эксперименты. В марте 1964 г. была выработана рабочая гипотеза модели лунного грунта, которая была направлена на утверждение в АН СССР. Именно эта модель и была принята при разработке шасси ЛСА (как показало будущее, гипотеза оказалась верной).
Главный конструктор шасси лунохода Александр Леонович Кемурджиан
31 мая 1964 г. С.П. Королёв одобрил наработки группы А.Л. Кемурджиана. В отчёте № 642 524, утверждённом 8 июля 1964 г., впервые употреблено слово «луноход».
3 августа было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР № 655-268 «О работах по исследованию Луны и космического пространства». В нём говорилось об облёте Луны и высадке космонавтов на её поверхность, перечислялись задачи, которые возлагались на министерства обороны, общего машиностроения, радиопромышленности, авиационной промышленности, морского транспорта, КГБ и другие ведомства (более 500 предприятий). 10 февраля 1965 г. вышло Решение № 23 ВПК при Президиуме СМ СССР, поручавшее ВНИИ-100 разработку лунохода. Отчёт, в котором сотрудники ВНИИ-100 обосновали восьмиколёсное шасси в варианте повышенной надёжности (тема «Шар»), был утверждён в мае 1965 г.
2 марта Главным конструктором ОКБ Машиностроительного завода (впоследствии НПО) им. С.А. Лавочкина был назначен Г.Н. Бабакин. В июне С.П. Королёв передал работы по созданию автоматических межпланетных станций для исследования Луны и планет Солнечной системы коллективу МЗ им. С.А. Лавочкина. Головной организацией нового научного направления – исследования физико-механических свойств грунта Луны и планет Солнечной системы – был определён ВНИИ-100. В ноябре 1965 г. окончательно определились задачи: МЗ им. С.А. Лавочкина отвечал за создание ЛКА и доставку на Луну подвижного исследовательского средства (проект Е-8 «Программы Е»), а ВНИИ-100 – за создание самоходного шасси лунохода с блоком автоматического управления и системой безопасности движения. Кроме того, ВНИИ-100 был определён головной организацией нового научного направления – исследования физико-механических свойств грунта Луны и планет Солнечной системы.
К исходу 1967 г. шасси лунохода доставили на МЗ им. С.А. Лавочкина, и начались его лётно-конструкторские испытания. Следует напомнить, что после анализа результатов, полученных «Луной-13», научный руководитель лунной экспедиции директор ГЕОХИ им. В.И. Вернадского академик А.П. Виноградов изложил Г.Н. Бабакину своё мнение, заключающееся в том, что одной из важнейших задач изучения Луны является лабораторное исследование образцов лунного грунта. От имени АН СССР он высказал просьбу «о доставке всего 100 г лунного грунта» с помощью непилотируемого КА.
Вскоре были сформулированы первоначальные технические требования на проектирование ЛКА, предназначенного для забора лунного грунта и доставки его на Землю. Задача была сверхсложная. Надо было создать такой аппарат, чтобы обеспечить доставку на Луну посадочной ступени с грунтозаборным устройством, возвратной ракетой, стартовой установкой для неё, системой загрузки лунного образца в капсулу возвращаемого на Землю аппарата и другие различные обеспечивающие системы. И, самое главное, уложиться при этом в те конкретные мощностные характеристики, которыми располагала в то время РН «Протон-К». А масса такого ЛКА получалась существенно большей. Но специалист в области управления и баллистики Ю.Д. Волохов решил эту задачу. Он доказал, что при строгом выполнении трёх условий: посадка ЛКА в расчётном районе Луны, обратный старт с Луны в определённое время и выключение двигателя возвращаемого аппарата в расчётный момент – можно обеспечить посадку на Землю, не проводя коррекцию траектории полёта ракеты «Луна–Земля». Его научный труд «Специальный метод прицеливания в заданную точку на поверхности Земли» проверили в Институте прикладной математики АН СССР и утвердили. В результате Г.Н. Бабакин и его коллеги (в том числе и Ю.Д. Волохов) получили авторские свидетельства на способ управления полётом, грунтозаборное устройство, другие системы и на ЛКА объекта Е8-5 [5].
Г.Н. Бабакин отдавал предпочтение варианту, при котором одна и та же ракетно-космическая система должна доставлять на Луну в одном случае луноход (объект Е-8), а в другом – грунтозаборное устройство, ракету «Луна-Земля» и возвращаемый аппарат с образцами лунного грунта (объект Е-8-5). В ходе разработки удалось создать такие лунные комплексы.
Коренным образом изменился облик ЛКА. В первую очередь это коснулось ракетной ступени коррекции и торможения (КТ). Теперь она представляла собой корректирующе-тормозной модуль, аппаратуру управления перелётом и посадкой с исполнительными органами, а также четыре амортизированные опоры для посадки на поверхность Луны [6] (см. ниже).
Все ЛКА проекта Е-8 предусматривалось выводить ракетой-носителем «Протон-К». По проекту Е-6 была предусмотрена прямая посадка, а по проекту Е-8 – с орбиты спутника Луны, что практически снимало ограничения по координатам точки посадки.
На базе унифицированного посадочного модуля – ступени ПС с КТДУ-417 по проекту Е-8 были разработаны ещё три модификации: Е-8-5М (забор лунного грунта на глубине до 3 м и доставка его на Землю) и Е-8ЛС (тяжёлый лунный спутник).
Луноход – это научная лаборатория в герметичном приборном отсеке, установленная на дистанционно управляемое самоходное шасси транспортного средства высокой проходимости [4].
В состав шасси входили: ходовая часть, включая колёсный движитель и упругую подвеску, обеспечивающие движение по неровной местности и на уклонах; электродвигатели и механическая трансмиссия, предназначенные для вращения ведущих колёс и передачи на них необходимых тяговых усилий; блок автоматики. Все восемь мотор-колёс лунохода были ведущими, при необходимости любое могло отключаться от силового привода, что позволяло сохранять высокую проходимость даже при выходе из строя привода одного или нескольких колёс. Если частота вращения колёс одного борта была выше, чем другого, но все они вращались в одну сторону, происходил поворот с некоторым постоянным радиусом. Если колёса вращались с одинаковой частотой, но в разные стороны, осуществлялся поворот на месте. Характеристики движения как при движении вперёд, так и назад были одинаковы. Блок автоматики выполнял четыре основные функции: управление движением; контроль показаний измерительных датчиков и формирование команд безопасности движения; выдачу в телеметрическую систему преобразованных сигналов измерительных датчиков; программирование работы прибора оценки проходимости (ПрОП).
Приборный отсек являлся одновременно несущим корпусом лунохода. Снаружи были расположены: иллюминаторы для объективов малокадрового телевидения; электромеханический привод остронаправленной антенны (ОНА); неподвижная коническая спиральная антенна; четыре штыревые антенны; изотопный источник тепловой энергии; ПрОП – выдвижной конусно-лопастной пенетрометр для оценки свойств грунта. Внутри размещались бортовая аппаратура, электронно-преобразовательные устройства и научная аппаратура: выносной блок для определения химического состава грунта «РИФМА» (рентгеновский изотопный флуоресцентный метод анализа), уголковый отражатель, блок рентгеновского телескопа, блок дозиметра.
Луноход был оснащён двумя телевизионными системами. Первая, в состав которой входили передающие камеры с оптико-механической панорамной развёрткой, была предназначена для исследования структуры местности и топографической съёмки, для наблюдения Земли и Солнца и, в частности, для обеспечения безопасного схода лунохода с посадочной платформы. Дело в том, что сразу же после посадки спереди и сзади с платформы спускаются трапы, и необходимо было увидеть, как расположились их концы, нет ли на лунной поверхности препятствующих сходу больших камней и кратеров. Для этого телефотометры общего осмотра местности оперативно составляли топографическую схему места посадки, по которой выбиралось наиболее благоприятное направление схода и первоначального движения самоходного аппарата. Они также помогают решать задачи навигации (уточнять координаты места посадки и прокладывать на планшете штурмана трассу движения лунохода), а именно точно измерять направления на местные предметы, например, на большие камни. Так как для обхода препятствий приходится двигаться по сложному пути, то такие построения обеспечивают выход лунохода в заданный район и возвращение его в исходную точку маршрута. Система обзора позволяла также наблюдать за характером воздействия колёс на лунный грунт и исследовать его механические свойства. Заметим, что оставленный колёсами след позволял уверенно ориентироваться при возвращении лунохода к посадочной ступени.
Вторая бортовая телевизионная система – малокадровая. Радиоволны распространятся от Земли до Луны и обратно примерно за 2,6 с. Общее время на приём телеметрической и телевизионной информации и на исполнение команды управляющими органами составляет около 7 с. В этой задержке заключается принципиальное отличие управлением луноходом космонавтом, находящимся непосредственно на нём, и оператором, находящимся на Земле. Малокадровая телевизионная система, предложенная главным конструктором М.С. Рязанским, предусматривает возможность передачи не 25 кадров в секунду, как это принято в обычном телевизионном стандарте, а одного кадра через 3–20 с, при этом «картинки» на телеэкране сменяются, как кадры диафильма. На луноходе были две передающие камеры и связанный с ними моноблок с узлами электроники и автоматики: одна камера была установлена по продольной оси лунохода, другая была сдвинута на 400 мм вправо (по ходу движения), что позволяло получать стереопары ТВ-снимков. Камеры осматривали местность с целью выбора безопасного направления движения, обхода препятствий и выявления объектов, интересных для научных исследований.
Для обеспечения надежной работы в жёстких температурных условиях лунного дня (120–150 °С) и ночи (–130... –170 °С) луноход был оборудован системой терморегулирования. Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ, многослойные тончайшие металлизированные плёнки, проложенные стекловатой), как шуба, покрывала весь корпус, все выступающие приборы и узлы. Температура внутри приборного отсека в пределах 7–32 °С обеспечивалась активной системой терморегулирования. Автоматика регулировала движение газа в коммуникациях, его расход и в случае надобности охлаждала или подогревала его. Для охлаждения (лунным днём) использовался радиационный охладитель, тепло излучалось в космическое пространство. Подогрев ночью осуществлялся за счёт теплообмена с изотопным источником тепла, расположенным вне контейнера, причём только когда температура в отсеке опускалась ниже предельной. В остальное время избыток энергии отводился в космическое пространство. Топливом для «печки» служил искусственный радиоактивный изотоп полоний-210. Его получают, облучая металлический висмут в атомном реакторе. Из-за относительно малого периода полураспада – около двадцати недель – эффективность использования запасённой при облучении энергии получается высокой. Очень важно, что основной компонент излучения полония-210 – альфа-частицы, а не нейтроны и гамма-кванты с большой проникающей способностью. Это позволило практически избежать применения радиационной защиты, упростило изготовление и наземную подготовку генератора, а также снизило радиационное воздействие на аппаратуру.
Радиокомплекс лунохода предназначен для приёма команд с Земли, передачи их бортовым системам и передачи на Землю так называемых «квитанций» — подтверждений исполнения команд и телеметрической информации от датчиков бортовой аппаратуры. При помощи радиокомплекса передавались ТВ- и фотопанорамные изображения. Радиокомплекс обеспечивал приём и исполнение более 200 видов команд. Две пары штыревых антенн осуществляли связь с Землёй в диапазоне углов визирования ± 180°. Малонаправленная неподвижная коническая спиральная антенна обеспечивала сферическую суммарную диаграмму направленности. Для передач ТВ-изображения служила остронаправленная антенна (ОНА) с диаграммой направленности 30°. Управление её положением производилось электромеханическим приводом по командам с Земли.
Бортовая система электропитания осуществляла снабжение всех систем постоянным током. Система состояла из солнечной батареи, буферной аккумуляторной батареи и автоматической системы управления зарядно-разрядными режимами. Управление положением солнечной батареи позволяло закрывать панель солнечной батареи лунной ночью и фиксировать её в открытом состоянии в промежуточных положениях в зависимости от положения Солнца.
Прибор оценки проходимости (ПрОП) предназначался для получения информации о дорожных условиях, необходимой при управлении движением лунохода, о пройденном пути. В его состав входило девятое свободно катящееся мерное колесо и механизмы для внедрения и поворота в грунте конусно-лопастного штампа.
Посадочная ступень (ПС). Основу составляла связка из четырёх основных сферических топливных баков с КТДУ-417, с двух сторон к которой крепились сбрасываемые отсеки (СО) и цилиндрические баки. В СО находились системы, обеспечивавшие перелёт к Луне и функционирование на орбите ИСЛ (на одном ещё и астродатчики системы ориентации), в баках – топливо на все коррекции и торможения, предшествующие сходу с орбиты и посадке. На ПС располагались антенны для связи с Землёй, радиовысотомер, доплеровский измеритель скорости, посадочное устройство. На ПС объекта Е-8 к топливным бакам крепились складывающиеся трапы для съезда лунохода на поверхность Луны. Сам луноход жёстко крепился с помощью пироузлов. Перед съездом по радиокоманде производился их подрыв, луноход несколько приподнимался — «отскакивал», – освобождались механические связи и происходило разъединение электрических связей, но перед этим выдавалась радиокоманда на подрыв пироустройств в узлах крепления амортизаторов, после чего ПС дополнительно опускалась для улучшения схода. Подвижные части трапов спрямлялись в горизонтальном положении и опускались до соприкосновения с грунтом. Одна пара трапов предназначалась для съезда вперёд, другая — назад. Направление съезда выбиралось в зависимости от положения ПС на грунте, углов съезда и окружающей обстановки. Для предохранения от сваливания лунохода с трапов при «отскоке» или наклоне ПС на трапах имелись небольшие перила. (В варианте объекта Е-8-5 на ПС устанавливалось грунтозаборное устройство, а сама ПС служила стартовой площадкой ракеты «Луна–Земля» для доставки на Землю возвращаемого аппарата с образцами лунного грунта.)
Литература
- Советская космонавтика. М.: Машиностроение, 1981. 456 с. (К 20-летию полёта Юрия Алексеевича Гагарина.)
- 33 Академические королёвские чтения. Круглый стол: 50 лет лунной программе СССР. Вчера, сегодня, завтра. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 131 с.
- Маленков М.И., Довгань В.Г. Творческий вклад А.Л. Кемурджиана в формирование отечественной школы разработчиков планетоходов: материалы ХХIХ Общественно-научных чтений, посвящённых памяти Ю.А. Гагарина, 2002 г., в 2 ч. // Гагаринский сборник. Гагарин, 2003. Ч. 2. 308 с.
- Передвижная лаборатория на Луне «Луноход-1». М.: Наука, 1971. 128 с.
- Зарецкий Ю.М. Техника – новаторская, жизнь – творческая // Космодром Байконур. 2009. № 7 (97), № 19 (98).
- Космический полёт НПО им. С.А.Лавочкина / под общ. ред. докт. тех. наук, проф. Г.М. Полещука. Химки, 2007. 384 с.