ИСТОРИЯ ПЕРВОЙ "МЯГКОЙ" ПОСАДКИ
НА ЛУНУ
НЛ. Береснев
Исполнилось 35 лет посадки на Луну автомагической лунной станции "Луна-9". Впервые в истории Земли устройство, созданное руками человека, опустилось на другое небесное тело для его исследования.
История создания аппарата для посадки на Луну - это история поисков, находок, неудач и успеха. При разработке и испытаниях аппарата возникло много проблем, которые практически все, приходилось решать впервые. Поэтому были неизбежны промахи и ошибки, на которых разработчики сами учились и учили летать космический аппарат.
Итак, фрагментарная история создания космического аппарата (КА) для посадки на Луну.
На чало работ необходимо отнести к концу 1959 г. Успешные поле ты первых "лунников" воодушевили и раскрепостили мысль, а на евшаяся на базе ракеты Р-7 разработка четырехступенчатого носители со стартом четвертой ступени с орбиты искусственного спутника Зе.мпя представляла технические возможности начать поиски решения за; :и посадки на Луну. Эта тема получила шифр Е6.
Возможный срок создания аппарата был оценен примерно в 2 да. Никто не предвидел те трудности, которые ждали разработчик пути к успеху, как оказалось, длинною в 5 лет.
Первые баллистические расчеты выявили, что энергетически наиболее выгодна траектория со временем полета до Луны 3-4 суток. Такая траектория характеризуется наименьшими затратами топлива на ее исправление и гашение скорости у Луны.
Оценки по необходимому запасу топлива на борту КА и оценки по массам конструкции, двигателей и бортовых систем показали, что при разработке КА потребуются всевозможные меры но минимизации масс всех ее составляющих. Этот процесс минимизации масс неумолимо давил в течение всей разработки.
В 1960 г. начались широкие поиски разработчиков бортовых систем. Наиболее сложной и во многом определяющей облик всего КА являлась схема гашения скорости у Луны и схема самой мягкой посадки на поверхность.
Известная по литературе схема посадки - с ориентацией КА по вектору скорости и гашением скорости но высоте по радиолокационным измерениям непосредственно от поверхности - не нашла поддержки у радистов по причинам отсутствия задела, незнания характеристик лунной поверхности и малых сроков разработки и изготовления.
Начались поиски более простого решения. В конце концов, после многих совещаний, консультаций и расчетов была выбрана следующая схема: - выставка двигателя на торможение по данным прогнозирования траектории;- запуск двигателя по команде радиовысотомера;
- гашение скорости вблизи Луны по кажущейся скорости, то есть по заданной зависимости скорости от пути торможения;
- выключение двигателя по интегратору после гашения заданной скорости, и дальнейший спуск КА ориентированно, с небольшим под-тормаживанием на двигателях малой тяги.
Выбранная схема посадки могла уже реализовываться с использованием гироприборов, применяемых в системах управления ракет. Но существующие ракетные системы не обеспечивали необходимые точности и имели большие массы. Стало очевидно - нужна разработка новой гироскопической системы управления.
В дальнейшем уточненные расчеты показали, что точности определения вектора скорости вблизи Луны по результатам траекторных измерений недостаточны. При больших отклонениях траектории от расчетной это могло привести к значительной непогашенной боковой скорости при прилунении. Поэтому начались новые поиски решения этой задачи. В результате исследований было обнаружено интересное свойство пучка параболических траекторий, а именно: если построить вертикаль к Луне на некотором расстоянии от нее, то эта вертикаль будет с большой точностью совпадать с вектором скорости у поверхности Луны для всего пучка траекторий, лежащих в "трубке" реальных отклонений. Этот метод ориентации по вектору скорости получил название "метод лунной вертикали".
Принятая схема гашения скорости у Луны предопределила и сам процесс посадки. Стало ясно, что решить вопрос об амортизации всего КА и надежном предотвращении его от переворачивания после прилунения при остаточной скорости после торможения малыми затратами масс не удастся. В связи с этим было принято решение аппаратуру и оборудование, предназначенные для работы на Луне, разместить в отдельном контейнере, который в дальнейшем получил наименование АЛС - автоматическая лунная станция - и амортизационными устройствами снабдить только его. Таким решением достигалась и вторая задача - экономия массы амортизационных устройств.
В результате проведенных расчетов были определены скорости встречи АЛС с Луной: вертикальная - 0-20 м/с, боковая - 1-2 м/с.
Начались поиски конструкции амортизационных устройств. Для их выбора необходимо было знание характеристик лунного грунта. Ни изучение литературы, ни консультации с учеными не прояснили вопроса о строении лунной поверхности. Разработчикам пришлось рассчитывать амортизационные устройства на широкий диапазон характеристик: от слоя пыли до скальных пород.
Были рассмотрены различные варианты конструкции. Исходя из неопределенных условий прилунения и значительных предельных скоростей встречи с поверхностью, наиболее предпочтительным оказался вариант амортизирующего устройства в виде двух надувных соединенных между собой полусфер, выполненных из прочной капроновой ткани, внутри которых помещалась автоматическая станция. Такой амортизатор обеспечивал:
140
- большую площадь контакта с поверхностью, что очень важно в случае наличия пыли;
- поглощение значительной энергии при посадке на скальный грунт;
- надежную защиту АЛС при неориентированной посадке. Одновременно с выбором схемы посадки (торможение КА у Луны
и амортизация АЛС) проводились работы по всему кругу проблем.
Остро встал вопрос об измерении параметров траектории. Имевшаяся в заделе радиосистема метрового диапазона длин волн (НИИ-885, руководитель М.С. Рязанский), отвечавшая нашим требованиям по массам и энергопотреблению, не обеспечивала нужных точностей измерения параметров траектории. Тогда сотрудниками Отделения прикладной математики (руководитель MB. Келдыш) и филиала НИИ-1 (руководитель И.М. Лисович) была предложена принципиально новая для того времени оптическая система астронавигации.
Предварительными расчетами было показано, что измерение углов Солнце-Земля, Солнце-Луна и Земля-Луна с точностью до одной угловой минуты и с использованием данных радиоизмерений обеспечивается потребная точность прогнозирования траектории.
Рассмотрению вопросов коррекции траектории привело к тому что оказалось вполне допустимо ее проводить примерно на полпути к Луне и выдавать корректирующий импульс с ориентацией оси двигателя в плоскости, перпендикулярной направлению на Луну. Такая схема позволяла для ориентации КА использовать те же оптическ . .-„ датчики, что и для замера углов между Луной и Солнцем, и удовлетворяла по расходам топлива и точностям выдачи корректирующего импульса.
Из анализа полетных операций и предварительных соображений о работе бортовых систем вырисовывалась следующая структура управления КА: по радиокомандам с Земли, по командам от временных устройств и по командам от функционально-логических устройств бортовых систем.
Таким образом, в первой половине I960 г. основные принципиальные вопросы были утрясены, и начался этап более детальной проработки бортовых систем и проектирование самого КА.
Необходимо было в первую очередь определить круг научных исследований при первой посадке. Предварительные оценки по массам показали, что отводимая для научных приборов масса не будет большой. Ни у кого не вызывало сомнения, что на борту АЛС должна быть телевизионная камера. Совещание у М.В. Келдыша наметило перепек тивную программу научных исследований, в том числе: сейсмические, магнитные, радиационные, масс-спектрометрические и другие. И; уч-ные институты приступили к проектированию приборов.
В ОКБ-1 (руководитель-СП. Королев) перед разработчиками космического аппарата со всей остротой стояла проблема масс. Массы, выводимой РН, явно не хватало. Нужны были новые идеи. И совместными усилиями разработчиков всех смежных предприятий были найдены, а затем и приняты решения по ликвидации дефицита масс.
14!Это были трудные решения, так как часть из них базировалась на неопробованных идеях, а часть явно понижала надежность выполнения программы.
Так, для получения дополнительной массы (порядка 100 кг) гироскопическую систему КА решено было использовать для управления третьей и четвертой ступенями РН. В дополнение к этому все приборы системы выполнялись без корпусов, и их монтаж должен был осуществляться на единой раме без применения в межблочной кабельной сети электроразъемов.
Разработчиками ОКБ-2 (руководитель- A.M. Исаев) была предложена и в дальнейшей успешно реализована двигательная установка двухкратного запуска в невесомости с насосной системой подачи топлива, в которой впервые была применена капиллярная сетка для защиты топливозаборников от попадания газов. Это позволяло иметь низкое давление в топливных баках, а значит и получить их малую массу. Масса двигательной установки с топливом составила почти 2/3 от массы всего КА, и ее баки естественным образом явились основой силовой конструкции всего аппарата.
Для уменьшения затрат топлива на гашение скорости у Луны все приборы и агрегаты, которые обеспечивали полет до включения двигателя на торможение, было решено разместить в двух боковых отсеках, сбрасываемых по команде включения двигателя вблизи Луны.
Аппаратура, работавшая только при торможении, была размещена в отдельном гермоотсеке системы управления, а в самой автоматической станции, отделяемой после выключения двигателя, установлена аппаратура для работы на Луне. Этим достигался минимум масс конструкции и амортизаторов АЛС.
Все эти компоновочные решения давали возможность увеличить массу АЛС, но они также привели к усложнению конструкции КА.
С целью получения наиболее легкой конструкции отделяемых гер-моотсеков и корпусов химических батарей, которые из-за габаритных ограничений не могли быть выполнены в виде оболочек вращения, на них устанавливались специальные клапаны, поддерживающие давление 100-120 мм рт.ст.
Разнесение аппаратуры по четырем отсекам вызывало сложности по поддержанию ее теплового режима. "Тепловиками" было принято отчаянное решение: обеспечивать температуру приборов, кроме приборов АЛС, без активного регулирования притока и выброса тепла, за счет придания поверхностям отсеков определенных оптических коэффициентов и закрутки КА для его равномерного освещения Солнцем. На самой станции для обеспечения ее работы на Луне в течение 3-4 суток, предусматривалась установка водяной испарительной системы.
Для экономии масс на КА роль приемопередающих антенн выполняли конструктивные элементы АЛС - защитные "лепестки" телекамеры - и только после посадки раскрывались четыре рулеточных антенны.
Для гашения остаточной вертикальной составляющей скорости АЛС отстреливался от КА. Это требовало разработки специального
142
устройства в виде порохового двигателя или довольно мощною толка-геля со значительной массой. Чтобы этого не делать, было решено отделение АЛС проводить с помощью амортизационных устройств, проводя их наддув в обжатом состоянии.
К концу 1960 г. был окончательно согласован состав бортовых систем и проведена компоновка КА. Начался этап обмена техническими заданиями и подготовки исходных данных. В начале 1961 г. С.II. Королев утвердил "Исходные данные для разработки конструкторской документации".
К работам подключились конструктора и разработчики электрических схем. И опять поиски - как сделать конструкцию более лег кой. Везде, где было выгодно, применялись магниевые и титановые сплавы. Пошли даже на замену металлических корпусов электроразъемом на пластмассовые. В общем, борьба шла за каждый грамм.
Одновременно с разработкой документации для заводов проектные подразделения разрабатывали эскизный проект и межведомственный план-график разработки, изготовления и поставки комплектующих КА.
В мае 1961 г. вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР. С этого времени работы по теме Н6 приобретали государственное значение.
Полет Ю.А. Гагарина и подписание Постановления дали новый импульс к активизации работ. Было обычным добровольно задерживаться на работе по 2-3 часа и не требовать за это дополнительной платы.
Разработка конструкции и приборов бортовых систем шла трудно. То и дело превышались лимиты масс, требовалась переработка и поиск новых решений. Так, для уменьшения массы приборов АЛС было принято решение разрабатывать их без корпусов - на пенопластовых платах и без разъемов электросвязей. Весь блок приборов монтировался в листовую тарельчатого типа конструкцию и зажимался в ней крышкой.
Так прошел 1961 год. Эскизный проект был выпущен, рабочая документация попит на заводы, и уже начали появляться первые комплектующие. К середине 1962 г. были изготовлены первые экспериментальные образцы составных частей КА. Началась наземная отработка агрегатов и отсеков. Какая же это была грудная и самоотверженная работа испытателей!
Экспериментальной базы для проведения наземной отработки практически не было. Многие испытания проводились с использованием подручных средств и в малоподготовленном помещении.
Особенно трудно проходила отработка амортизационных устройств в их функции, как средства отделения АЛС. Амортизационные устройства надувались в заранее зажатом состоянии. То и дело рвалась ткань и нарушалась их герметичность. Чагорский МИРИ (руководитель - А.С. Миловидов) не успевал проводить их доработки.
А как проводилась отработка встречи с поверхностью Луны! Нужно было обеспечить встречу ЛС с преградой при максимальной скорости порядка 20 м/с. Долго думали, как это сделать, и в конце концов ре-
143шили АЛС поднимать строительным краном (благо, рядом шло строительство), а нужную скорость обеспечивать натяжением резиновых шнуров. И площадка у крана была подходящей - битый кирпич довольно хорошо имитировал грунт Луны в скальном варианте.
Отделение боковых отсеков тоже принесло массу хлопот. Нужно было сымитировать их отделение в условиях нарастающей перегрузки от работающего двигателя. Опять выручили резиновые шнуры. Их натяжение подбирали так, чтобы средние условия отделения были близки к реальным. Отработка отделения боковых отсеков при отрицательных температурах на механизмах и конструкциях опять потребовала изобретательности. Из сосуда с жидким азотом обдувались механизмы, и после их захолаживания подрывались пиропатроны.
Для выдачи команды на отделение АЛС предполагалось использовать световой высотомер, и его чистовые испытания решили провести в условиях работы двигателей малой тяги. К огорчению разработчиков, высотомер стартовал от струй двигателей, его пришлось заменить на механический контактный датчик.
В 1962 г. наземная отработка агрегатов и отсеков была закончена. Разработчикам и испытателям предстояло встретить новый 1963 год на полигоне, так как астрономическая дата пуска пришлась на 4 января.
Подготовка КА к запуску проходила трудно. Наземное испытательное оборудование отрабатывалось в процессе проведения испытаний. К тому же, при испытаниях гиросистемы выявилось много замечаний. Выведения КА к Луне не произошло - четвертая ступень не стартовала с орбиты искусственного спутника Земли.
При пуске 2 апреля 1963 г. КА вышел на траекторию полета к Луне под именем "Луна-4", но при проведении коррекции произошел отказ. Анализ телеметрической информации не позволил однозначно установить причину аварии в системе аэронавигации.
Обработка результатов этого полета и дополнительные лабораторные исследования показали, что система аэронавигации не обеспечивает заявленных точностей замера угловых координат между небесными светилами. Было решено ввести в состав КА радиосистему "Маяк" дециметрового диапазона длин волн для точного измерения параметров траектории. Эта доработка и ликвидация других замечаний, выявленных в процессе двух первых пусков, отодвигала очередной запуск примерно на год.
Два запуска, проведенные в 1964 г. (21 марта и 20 апреля) опять были неудачными из-за аварии на третьей и четвертой ступенях РН. Потребовались доработки РН и машинного высокоточного преобразования тока в системе питания системы управления. Одновременная отработка РН и комплекса сложных бортовых систем космического аппарата для посадки на Луну была трагическим совпадением. Потребовалось еще два аварийных пуска 12 марта и 10 апреля 1965 г., чтобы ракета надежно залетала.
В первой половине 1965 г. по предложению СП. Королева было принято решение о передаче космического аппарата для посадки на Луну на завод им. С.А. Лавочкина. В ОКБ-1 были подготовлены
144
"Исходные данные" для доработки КА в части повышения его надежности. Начиная с мая 1965 г. изготавливать К А должен был уже этот завод. Предполагалось, что до удачной посадки подготовка и проведение летных испытаний будут совместными.
При запусках 9 мая и 8 июня 1965 г. аварии произошли в сеансе про ведения коррекции. В первом случае коррекция траектории прошла с большими ошибками из-за непрогрева гироприборов, а во втором - не прошло включение двигателя из-за досадной оплошности - не вовремя поданной с Земли команды. Эти два КА получили официальное название "Луна-5" и "Луна-6".
После этих двух неудач стали раздаваться голоса о нецелесообразности продолжения программы Е6. Только авторитет СП. Королева, его настойчивость, инженерное чутье и вера в правильность выбранных решений спасли программу от закрытия.
При запусках 4 октября ("Луна-7") и 3 декабря ("Луна-8") lf,: i5 г. аварии произошли на последнем участке полета. В случае с "Лун:">й-7" была нарушена ориентация в сеансе перед торможением. "Jlyi л-8" потеряла ориентацию перед самым включением двигателя на т vu>-жение, в момент наддува амортизаторов. Причина - нарушение сг>-метичности амортизаторов из-за поломки конструкции "лене*. АЛС, что привело к возникновению больших возмущающих :-.-; ментов.
Увеличение выводимой массы РН начиная с 1966 г. позволило перенести систему наддува амортизаторов с отделяемого отсека на отсек системы управления, а команду на наддув выдавать в момент включения двигателя на торможение с появлением больших управляющих моментов.
Правильность этой доработки подтвердил успешный полет КА "Луна-9", подготовка которого к старту была проведена в январе 1966 г. двумя предприятиями - ОКБ-1 и ОКБ им. С А. Лавочкина, но уже без СП. Королева. На посту технического руководителя его заменил Б.Е. Черток - заместитель главного конструктора ОКБ-1.
Старт космического аппарата "Луна-9" был осуществлен с полигона Байконур 31 января 1966 г. В 15 ч. 53 мин. 21 с. КА отделился от последней ступени РН и начал свой полет к Луне. 1 февраля в сеансе коррекции была исправлена траектория. 3 февраля было осуществлено торможение, и в 21 ч. 45 мин. 30 с. автоматическая лунная станция отделилась от двигательной установки.
В сеансах связи работа радиопередатчика сопровождалась звуковым сигналом в зале управления симферопольского пункта дальней космической связи. По программе предусматривалось выключение передатчика в момент отделения АЛС. С исчезновением звукового сигнала в зале установилась настороженная тишина. Все, затаив дыхание, ждали вновь включения передатчика, ждали долгих 4 минуты. И вот снов;* сигнал - передатчик заработал! Автоматическая лунная станция на Луне! Идет уверенный прием телеметрической информации, все системы и параметры в норме. АЛС принимает и выполняет команды с поверхности Луны.