Сканировал Игорь Степикин



Форзац

Н.ВАРВАРОВ
СЕДЬМОЙ КОНТИНЕНТ

Научно-популярный очерк
  • МОСКОВСКИЙ РАБОЧИЙ
  • 1973

    • 52

  • В18

    Последнее пятнадцатилетие по праву именуется космическим, потому что за этот сравнительно короткий период, исчисляемый со дня запуска 1 (надо 4) октября 1957 г. первого в истории земной цивилизации советского искусственного спутника Земли, человечество одержало большие победы в исследовании и освоении ближнего и дальнего космоса. Значительная часть космических экспериментов пришлась на изучение Луны и окололунного пространства.

  • Научно-популярный очерк Н. Варварова знакомит читателей с кругом вопросов, связанных с изучением Луны. Автор рассказывает, почему люди стремятся познать тайны «седьмого континента», рассматривает проблему использования Луны как научной базы для решения таких важных научно-технических задач, как космическая энергетика, радио- и телевизионное вещание, наблюдение за метеорологическими процессами в атмосфере Земли, астрономические и астрофизические исследования Вселенной.
  • Книга рассчитана на читателей, интересующихся космонавтикой, космогонией и космологией.
  • Отзывы о книге и пожелания просим направлять по адресу: Москва, К-12, ул. Куйбышева, 21, издательство «Московский рабочий».
  • Научный редактор кандидат технических наук А. Ф. Евич.
  • 2 - 6 - 4

    Внучке Любочке посвящаю

    С давних пор поэты, романисты, ученые описывали путешествие землян на Луну. В шутку и всерьез, в стихах и в прозе, в сатирических трактатах и в фантастических произведениях их герои совершали полеты на «седьмой континент». Данте в своей бессмертной «Божественной комедии» писал о перенесении душ человеческих на серебряный шар. Сын Иоганна Кеплера - великого ученого, открывшего основные законы движения планет и прозванного за это «законодателем неба», - Людвиг Кеплер уже после смерти отца, в 1634 г., издал его научно-фантастический очерк «Сон, или Последнее сочинение по лунной астрономии». В этой книге Иоганн Кеплер покидает Землю и летит на Луну. Чудесная страна Левания (так он называет Луну) оказывается населенной чудовищными змеевидными уродами. Эти твари живут в глубоких расщелинах и пещерах, скрываясь там от лютой жары и стужи.

  • Почему ученый, подаривший человечеству три бессмертных закона движения небесных тел и еще при жизни затмивший славу Птолемея и Коперника, обратился к фантастическому жанру? По собственному признанию Иоганна Кеплера, он хотел распространить астрономические знания в народной массе. А главное - его занимала мысль: если на Луне обитают разумные существа, наблюдающие звезды, какой представляется им Солнечная система? Эта мысль не давала покоя всем великим астрономам, вплоть до К. Э. Циолковского, научно-фантастические произведения которого («Грезы о Земле и Небе», «На Луне», «Вне Земли» и др.) подчинены идее освоения околосолнечного пространства.
  • Французский писатель Сирано де Бержерак в одном из своих фантастических романов, написанном в 1650 г. и названном «Иной свет, или Комическая история об империях и государствах Луны», рассказал о нескольких способах достижения Луны. Наряду с такими мистическими, как полет при помощи святых духов, он описал и чисто технические. Сначала он пробовал взлететь с помощью бутылочек, наполненных росой, которая будто бы притягивалась Солнцем, но, поднявшись выше облаков, упал на Землю. Потом построил машину, которая взлетела под действием силы подожженных фейерверочных ракет. Думал ли Сирано, что три столетия спустя уже не фейерверочная, а мощная многоступенчатая ракета полетит к Луне! На Луне Сирано встретил юношу и узнал, как тот совершил столь необыкновенное путешествие. Оказывается, юноша подбросил магнит, который притянул к себе его железную колесницу. Подбрасывая магнит все выше и выше, космоплаватель достиг Луны. Сирано рассказывает, что лунные жители ходят вверх ногами, не разговаривают, а поют, питаются запахами и расплачиваются вместо денег стихами.
  • «Путешествие на Луну» - так называлась опера великого композитора Иосифа Гайдна на сюжет одной из пьес Карло Гольдони. Император Луны прислал на Землю сильнодействующий волшебный напиток. Буонафеде, пожелавшему посетить Луну, оставалось только его выпить. Остальное свершилось само собой - Буонафеде очутился на Луне, где стал свидетелем и участником веселой путаницы. Опера была исполнена только один раз, в августе 1773 г., в день свадьбы венгерского князя Эстергази, у которого Гайдн служил придворным композитором и капельмейстером. Совсем случайно опера была найдена в княжеских архивах и в 1959 г. вновь исполнена на фестивале в Экс-ан-Провансе. Интригующее название позволило приурочить ее исполнение ко времени успешных полетов советских лунников, взволновавших все человечество.
  • В XIX веке описания лунных путешествий начинают базироваться на достижениях науки и техники. Байрон в десятой главе «Дон-Жуана» писал: «И верно, мы к Луне когда-нибудь, благодаря парам, проложим путь».
  • Исаак Ньютон, открывший закон всемирного тяготения, впервые рассчитал, какой должна быть начальная скорость выхода из сферы земного притяжения снаряда, направляющегося к Луне или к другой планете. Обосновывая закономерности движения небесных тел по криволинейным орбитам под влиянием притягивающих масс, Ньютон привел в своем знаменитом труде «Математические основы естествознания» (1687 г.) такие соображения: ядро, выброшенное пушкой с высокой горы, опишет крутую траекторию и достигнет земной поверхности на некотором расстоянии от места выстрела, в точке, находящейся по вертикали ниже точки его отправления. Если придать ядру большую скорость, то путь его вначале будет более пологим. Оно достигнет земной поверхности в точке, находящейся дальше, чем в первом случае. Увеличивая скорость еще и еще, мы будем забрасывать ядро на все большие расстояния, при этом его траектория будет достаточно пологой. Сообщив ядру определенную, весьма значительную скорость, мы заставим его описать круговую орбиту. Ньютон пишет, что ядро «возвратится к вершине горы, с которой его бросили, так как при возвращении к исходному пункту скорость его будет не меньше, чем в самом начале». Правда, Ньютон не принимает во внимание противодействия атмосферы, т. е. предполагает, что она совершенно отсутствует. По расчету Ньютона, для перелета с Земли на Луну снаряд должен получить скорость не менее 11 км/сек.
  • Родоначальник научной фантастики Жюль Верн, пользуясь расчетами Ньютона, весьма оригинальным способом отправил на Луну героев своих книг «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». Огромный снаряд с внутренним диаметром 9 футов (около 3 м), со стенками толщиной 6 футов, сделанный из редкого в то время алюминия, был брошен в бездонные глубины космоса силой взрыва колоссального заряда - 160 т пироксилина. Для установки «Колумбиады» - так назвал Жюль Верн пушку для запуска снаряда - потребовалось вырыть шахту диаметром 60 футов и глубиной 900 футов (270 м). Великий фантаст понимал, что лишь могучая сила взрыва способна разорвать цепи земного притяжения и унести людей к Луне. Для уровня развития техники того времени идея Жюля Верна была смелой и казалась реально достижимой.
  • В самом начале нашего века знаменитый писатель-фантаст Герберт Уэллс написал научно-фантастический роман «Первые люди на Луне». Умный и высокообразованный писатель допускал, что Луна обитаема. Его герои пережили сказочные приключения среди селенитов - жителей Луны, удивительно похожих на муравьев, которые превратили Луну в огромный муравейник, проделав в ней массу пещер, тоннелей и переходов.
  • Кто в детстве не зачитывался путешествиями на Луну? Кто не испытывал чувства зависти к героям, совершающим сказочные полеты в фантастических кораблях? Наша юность потеряла бы частицу своей неповторимой прелести без книг о космических путешествиях - сочинений Константина Циолковского, Александра Беляева, Алексея Толстого... Увлеченные занимательными повествованиями, мы узнали много нового, интересного, такого, что породило в нас жадное стремление к познанию окружающего мира.
  • Потребовался колоссальный труд многих поколений, чтобы полеты в космос стали действительностью. На алтарь космоса принесены гениальная прозорливость и усердие Коперника, талант и мудрость Галилея, ум и мужество Джордано Бруно. В каземате Петропавловской крепости на заиндевелой каменной стене отважный русский революционер, участник покушения на царя Николай Кибальчич начертил первую схему ракетного летательного аппарата. О нем в своей докладной записке царскому правительству он написал: «Если моя идея после тщательного обсуждения учеными-специалистами будет признана осуществимой, то я буду счастлив тем, что окажу громадную услугу Родине и человечеству. Я спокойно тогда встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною, а будет существовать среди человечества, для которого я готов был пожертвовать своей жизнью». Николая Кибальчича казнили, а его смелый проект скрыли в секретных архивах, где он пролежал до 1918 г., когда советские люди извлекли его из архива и обнародовали.
  • А в конце прошлого века в сонной Калуге, в маленьком домике на берегу Оки, тихий и скромный учитель Константин Эдуардович Циолковский, ничего не зная о проекте Кибальчича, пришел к той же идее и обосновал ее строгим математическим расчетом. «Трогательно, что человек перед страшной казнью еще имеет силы думать о человечестве», - позднее писал Циолковский о Кибальчиче. Еще в 1903 г. в журнале «Научное обозрение» К. Э. Циолковский опубликовал ставшую классической работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где развил и всесторонне обосновал идею использования ракет для космических полетов к Луне и к другим небесным телам.
  • Шли годы. Все больше дерзновенных мыслей рождалось в голове «калужского чудака». Но в условиях царской России прогрессивные идеи Циолковского не встретили отклика. Стена равнодушия была непроницаемой. И только после Великой Октябрьской социалистической революции идеи Циолковского по завоеванию межпланетных пространств нашли горячую поддержку государства. В грозные годы гражданской войны, когда народу приходилось отбиваться от натиска интервентов, восстанавливать заводы, фабрики, шахты, Владимир Ильич Ленин нашел возможность заняться идеями Циолковского и всячески их поддержать. За выдающиеся заслуги перед наукой К. Э. Циолковский в 1919 г. был избран членом Социалистической академии наук. По предложению В. И. Ленина ему была назначена персональная пенсия. Правительственные и общественные организации оказывали ему всемерную помощь. «Только после революции... - писал Циолковский, - отношение ко мне переменилось, и я почувствовал радость свободной работы...»
  • Крепло и мужало первое в мире социалистическое государство, увеличивались его духовные и материальные богатства. Вместе с развитием новой индустрии выросло поколение, способное приступить к осуществлению дерзкой мечты покорения Вселенной.
  • С незапамятных времен Луна была для землян символом недостижимого. И вот впервые в истории земной цивилизации 2 января 1959 г. с Земли взяла старт советская космическая автоматическая станция «Луна-1» с поэтическим названием «Мечта». Через 34 часа первая разведчица окололунного пространства промчалась на расстоянии 7,5 тыс. км от поверхности Луны, вышла на орбиту искусственного спутника Солнца и стала первой искусственной планетой Солнечной системы.
  • Ни одно из научно-фантастических произведений о полете на Луну не смогло взволновать человеческие умы так, как короткое сообщение ТАСС о запуске первой в мире космической ракеты в сторону Луны.
  • Утром 12 сентября 1959 г. советские исследователи Вселенной отправили к «седьмому континенту» свою вторую посланницу - станцию «Луна-2». За 38 час. она достигла Луны, доставив на ее поверхность три вымпела с изображением герба Советского Союза и надписью: «Союз Советских Социалистических Республик. Сентябрь, 1959 год». Космический аппарат должен был врезаться в Луну со скоростью 3,3 км/сек, и его создатели приняли все меры к тому, чтобы вымпелы были сохранены.
  • Не прошло и месяца, как в день двухлетнего юбилея запуска первого в мире советского искусственного спутника Земли, 4 октября 1959 г., к Луне понеслась новая автоматическая станция - «Луна-3». По сложному, похожему на полет гигантского бумеранга, пути она облетела лунный шар и сфотографировала его невидимую с Земли сторону. Приблизившись к нашей планете, станция передала снимки по радиотелевизионному каналу. Успешное фотографирование обратной стороны Луны было признано мировой общественностью величайшим научно-техническим достижением. Научным итогом этого выдающегося полета явилось создание «Атласа обратной стороны Луны» и первого лунного глобуса. Пользуясь правом первооткрывателей, советские ученые дали название горам, долинам, кратерам, циркам и другим объектам невидимой стороны Луны. Так на карте Луны появились имена выдающихся ученых не только нашей Родины, но и Франции и Польши, Италии и Китая, Великобритании и США.
  • Прошло еще три с половиной года, и к Луне помчалась автоматическая станция «Луна-4». Стартовав 2 апреля 1963 г., она через трое с половиной суток пролетела на расстоянии 8500 км от поверхности Луны. Сообщив на Землю данные об условиях полета, станция через некоторое время вышла на околосолнечную орбиту.
  • Затем человечество стало свидетелем повторного фотографирования обратной стороны Луны. Фотографии были переданы на Землю с борта советской автоматической межпланетной станции «Зонд-3», стартовавшей 18 июля 1965 г. Станция была выведена на околосолнечную орбиту и через 33 часа после старта прошла вблизи Луны. Сеанс фотографирования продолжался 68 мин. при освещении, более благоприятном, чем при полете «Луны-3». Фотографирование началось с расстояния 11,6 тыс. км от поверхности Луны и закончилось после прохождения минимального расстояния (менее 10 тыс. км). Передача полученных изображений на Землю сначала велась с расстояния 2200 тыс. км от Земли, затем с расстояния 31500 тыс. км. Траектория полета станции была выбрана так, чтобы при ориентации фототелевизионных устройств в их поле зрения попали именно те области обратной стороны Луны, которые не были сфотографированы в 1959 г. Фотографии «Зонда-3» охватывают почти всю ранее неизвестную часть обратной стороны Луны. По фотографиям станций «Луна-3» и «Зонд-3» были составлены полная карта и уточненный глобус Луны.
  • В 1965 г. семейство космических аппаратов, направляемых к Луне, пополнилось четырьмя новыми членами. Станция «Луна-5» положила начало отработке методики мягкой посадки летательных аппаратов на лунную поверхность. Решение проблемы мягкой посадки космического аппарата на Луну было делом нелегким. На Земле нельзя было создать условия, подобные тем, в которые попадает космический аппарат, садясь на Луну: абсолютный вакуум и уменьшение силы тяжести в шесть раз. Поэтому технику и методику мягкой посадки автоматической станции на Луну шаг за шагом пришлось отрабатывать в натурных условиях. Полетами станций «Луна-7» и «Луна-8» был завершен этап экспериментальной отработки бортовых систем астроориентации, управления, функционирования радиоаппаратуры н системы мягкой посадки.
  • 3 февраля 1966 г. - знаменательная дата в летописи освоения Луны. Впервые была осуществлена мягкая посадка на поверхность Луны. Автоматическая станция «Луна-9» прилунилась в западной части Океана Бурь, немного севернее лунного экватора (7°8' северной широты и 64°22' западной долготы). Трое суток станция регулярно передавала на Землю фототелевизионное изображение лунной поверхности и телеметрическую информацию.
  • «Осуществление мягкой посадки, - - указывалось в обращении Центрального Комитета КПСС, Президиума Верховного Совета и Совета Министров СССР к создателям станции «Луна-9», - это выдающаяся победа советской науки и техники, являющаяся после запуска первого искусственного спутника Земли, первого полета человека в космос, первого выхода космонавта из корабля важнейшим этапом в освоении космоса.
  • При решении проблемы мягкой посадки советским ученым пришлось идти непроторенным путем, решать совершенно новые для космической техники вопросы».
  • «Луна-9» сообщила достоверные сведения о микрорельефе и структуре лунного грунта, о его прочности, опровергла гипотезу о существовании мощного пылевого покрова на Луне. Впервые с помощью телевизионной системы, установленной на борту станции, лунный ландшафт был рассмотрен с расстояния 60 - 70 см. С запуска «Луны-9» начались исследования лунной поверхности прямыми методами.
  • Однако не все исследования Луны и окололунного пространства можно проводить с поверхности Луны. Только с помощью станций, долгое время находящихся в окололунном пространстве, можно изучить плотность метеорного вещества вблизи Луны, радиационную обстановку, гравитационное поле и состав пород, залегающих на Луне. Для решения этих задач 3 апреля 1966 г. советские исследователи космоса вывели на окололунную орбиту автоматическую станцию «Луна-10». Новый космический аппарат стал обращаться вокруг нашего ночного светила. И не только обращаться, но и передавать на Землю данные об окололунном пространстве и о поверхности лунного мира. 4 апреля 1966 г. «Луна-10» в честь XXIII съезда КПСС передала на Землю мелодию «Интернационала».
  • Почти двухмесячная работа аппаратуры первого искусственного спутника Луны дала науке обширную информацию. Изучение изменений орбиты станции позволило предварительно определить характер гравитационного поля Луны. Гамма-измерения поверхностных слоев Луны дали возможность узнать химический состав лунных пород на обширных территориях.
  • Исследования «Луны-10» дополнили автоматическая станция «Луна-11», вышедшая на окололунную орбиту 28 августа, и автоматическая станция «Луна-12», появившаяся в окололунном пространстве 22 октября 1966 г. «Луна-12» передала на Землю фотоснимки лунной поверхности, сделанные с высоты около 100 км.
  • С помощью аппаратуры, размещенной на борту спутников Луны, удалось установить, что в состав космических лучей входят мощные потоки электронов с высокой энергией, что лунные породы содержат кислород, магний, алюминий и другие химические элементы, что в окололунном пространстве наблюдается сгущение микрометеоритного вещества. Впервые было проведено обстоятельное исследование гравитационного поля Луны.
  • 24 декабря 1966 г. в районе Океана Бурь, примерно в 300 км от места посадки станции «Луна-9», произвела мягкую посадку автоматическая станция «Луна-13». На следующий день по команде с Земли она начала передавать изображения лунной панорамы. Одновременно с телевизионным изображением лунной поверхности на Земле принимали показания датчиков, характеризующих работу систем аппаратуры.
  • Станция «Луна-13» с помощью механического грунтомера и радиационного плотномера выполнила ряд ценных экспериментов по определению свойств лунного грунта и продолжила наблюдения за интенсивностью корпускулярной радиации. Было установлено» что плотность лунного грунта в месте посадки составляет 1 г/см3 и что механические свойства лунного грунта на глубине 20 - 30 см близки к механическим свойствам земных грунтов средней плотности. Стало ясно, что лунные породы приближаются к земным базальтам с низким содержанием радиоактивных элементов.
  • При всех полетах автоматических станций научная информация поступала на Землю только по радиотелеметрическим и телевизионным каналам. Не всякую информацию можно проанализировать на борту станции. А возможности радиотелеметрических и телевизионных средств передачи информации небеспредельны: они ограничены скоростью передачи информации, точностью, объемом памяти, мощностью передающего устройства и т. д. Поэтому возникла необходимость в запуске таких аппаратов, которые, побывав в окрестностях Луны или на ее поверхности, смогли бы возвратиться на Землю. Информация, которую они доставят на Землю, будет не только более полной, но и качественно иной, - ведь негативы несут в себе несравненно более точное и подробное изображение.
  • Успешные полеты автоматических станций «Зонд-5», «Зонд-6», «Зонд-7» и «Зонд-8» показали, что советская наука сделала еще один важный шаг на трудном пути освоения космических трасс и возвращения на Землю космических аппаратов.
  • 13 июля 1969 г. наша страна послала к Луне автоматическую станцию «Луна-15», которая отличалась от предшественниц возможностью осуществления мягкой посадки в различных районах лунной поверхности за счет маневров на селеноцентрической орбите. Станция совершила 52 оборота вокруг Луны, в ходе которых осуществила маневрирование и снизилась до 16 км от поверхности Луны.
  • Автоматическая станция «Луна-16», запущенная 12 сентября 1970 г., не только продолжила исследования «Луны-15», но и впервые успешно решила такие сложнейшие научные и технические задачи, как мягкая посадка станции в строго заданное место, забор лунного грунта и доставка его на Землю.
  • Исключительно важным космическим экспериментом стал полет на Луну автоматической станции «Луна-17», доставившей на поверхность Луны автоматический самоходный аппарат «Луноход-1», Впервые в истории космонавтики управляемый с Земли «лунный электромобиль», оснащенный отражателем лазерных лучей, сложнейшими системами управления и аппаратурой, отправился в путешествие по поверхности серебряного шара. Днем и ночью, в знойную жару и в жуткий мороз он напряженно трудился в лунном мире. Этим беспримерным космическим экспериментом советские ученые открыли новую страницу в исследовании небесных тел автоматическими аппаратами.
  • 2 сентября 1971 г, с Земли стартовала автоматическая станция «Луна-18». Она произвела отработку методов автоматической навигации в окололунном пространстве и посадки на поверхность Луны. 11 сентября станция достигла поверхности в гористом районе лунного материка, примыкающего к Морю Изобилия.
  • 28 сентября 1971 г. к Луне отправилась станция «Луна-19». 3 октября она вышла на окололунную орбиту, где пробыла более года. Станции позволила тщательно исследовать гравитационное поле Луны и радиационную обстановку в окололунном пространстве. Переданные с борта станции телевизионные панорамы лунной поверхности помогли детально изучить характер рельефа «морей» и «континентов» Луны.


    Автоматическая межпланетная станция «Луна-20»:
  • 1 - возвращаемый аппарат; 2 - буровой механизм; 3 - штанга бурового механизма; 4 - телефотометр.
  • 25 февраля 1972 г, успешно завершился новый сложный космический эксперимент: возвращаемый аппарат автоматической станции «Луна-20» доставил на Землю образцы пород из горного района лунной поверхности. Доставка грунта из материкового района Луны - важный шаг в программе исследования лунного вещества. Она открывает большие возможности для изучения древних участков лунной поверхности в местах выхода на нее пород, богатых алюминием. Это позволит лучше понять древнейшую историю Земли, первичные породы которой в ходе эволюции изменились или исчезли.
  • 21 февраля 1972 г. впервые в истории космонавтики автоматическая станция «Луна-20» осуществила мягкую посадку в горной материковой области Луны, между Морем Изобилия и Морем Кризисов, в 130 км к северу от места прилунения станции «Луна-16». В районе посадки станции «Луна-20» был яркий день. Солнце стояло очень высоко над местным горизонтом. Это позволило контролировать с помощью телевизионных камер ее операции по определению положения станции в месте посадки, по забору лунного грунта и помещению его в контейнер возвращаемого аппарата. Заметим, что автоматическая станция «Луна-16» произвела посадку на «морскую» лунную равнину в ночное время, поэтому контроль за ее положением и забором лунного грунта производился по радиотелеметрическому каналу.


    Возвращаемый аппарат автоматической станции «Луна-20» на Земле.
  • Панорамные изображения окружающей местности, переданные станцией «Луна-20» с Луны, позволили не только определить общий наклон поверхности и выбрать место для бурения, но и увидеть, откуда был взят лунный грунт. Окрестности места посадки станции отличаются сильно пересеченным рельефом, поэтому посадка была сопряжена с большими техническими трудностями. Система управления станцией на участке спуска и торможения должна была учитывать все неровности рельефа на подлетной траектории, а конструкция станции - обеспечивать своевременное гашение энергии при контакте посадочных устройств станции с поверхностью Луны. Была несколько уменьшена скорость посадки, что обеспечило более уверенное маневрирование станции на участке снижения, а также плавный контакт посадочных устройств с лунной поверхностью.
  • Чем была вызвана необходимость столь сложного космического эксперимента? По подсчетам ученых, лунные «моря» составляют 30% видимой с Земли поверхности Луны и лишь 16% всей ее поверхности. Исследование образцов лунной породы, взятых из разных районов Луны американскими космонавтами и автоматической станцией «Луна-16», показали, что все эти образцы имеют различный возраст. Так, в Океане Бурь формирование породы (ее кристаллизация) происходило около 3,3 миллиарда лет назад, а в Море Спокойствия - около 3,7 миллиарда лет назад. Возраст же самой древней породы, вероятно осколков материков, упавших на «морскую» поверхность, составляет 4,6 миллиарда лет. Следовательно, можно считать, что Луна образовалась не позднее этого срока. Судя по ряду признаков, материковые области сформировались до эпохи образования лунных «морей».
  • Согласно наиболее вероятной теории, Земля и Луна образовались одновременно из одного и того же протопланетного облака и развивались параллельно. Наличие у Земли атмосферы, присутствие на ней воды и ветра, развитие флоры и фауны существенно изменили облик нашей планеты. Еще никто не нашел на Земле такой породы, которая кристаллизовалась бы более 3,5 миллиарда лет назад. Следы событий, происходящих на Земле в более ранние стадии ее развития, стерты активными геологическими и биологическими процессами, в результате которых поверхность Земли покрылась толщей осадочных пород. Этот осадочный слой земной коры скрывает от нас первозданное земное вещество.
  • В лунном «археолого-космогоническом заповеднике», лишенном атмосферы и растительного и животного мира, могут быть найдены породы более древние, изначальные, те, из которых формировались Луна и наша планета. Ученые считают Море Изобилия одной из древнейших впадин на Луне. Заполнение этой впадины лавами базальтового состава произошло около 3,5 - 4 миллиардов лет назад. И хотя место посадки станции «Луна-20» отстоит от места прилунения станции «Луна-16» на расстоянии всего 130 км, в геологическом отношении эти районы очень отличаются один от другого. Материки гораздо древнее, чем лава, заполнившая «морскую» впадину, «континенты» приблизительно на миллиард лет старше «морских» районов.
  • Лунный грунт, доставленный на Землю автоматической станцией «Луна-20», пепельного цвета. Он значительно светлее пород из «морских» районов Луны. Знание характера пород, из которых сложены «моря» и «континенты» Луны, позволит ответить на вопрос: имеет ли Луна сплошную базальтовую кору, подобную земной, или же лунные породы претерпели лишь частичное плавление, и лава вышла на поверхность Луны только в «морских» районах. Возможно, основная часть лунной поверхности представлена первичным недифференцированным веществом, по составу близким к каменным метеоритам.
  • Сравнительный анализ пород лунных «морей» и «континентов» дает нам информацию о скрытом слое осадочных пород первозданном земном веществе в первый миллиард лет существования Земли. Восстановив картину эволюции нашей планеты, мы сможем с большей уверенностью судить о том, что скрывается под ее корой, какие ее природные богатства человечество может использовать в будущем.
  • Светлая окраска лунных пород наводит на мысль, что они сложены, как и земные, в основном из гранитов. Происхождение же земных гранитов пока остается загадкой. Попытка объяснить их образование из базальтов в ходе дифференциации первичного вещества планеты при плавлении наталкивается на серьезные возражения. Многие считают, что большинство земных гранитов - продукт переработки поверхностных горных пород под воздействием воды и биосферы. Неясность геологической истории Земли, поверхность которой много раз погружалась в воды Мирового океана, испытывала неистовые атаки ветров, дождей и т. п., не позволяет однозначно ответить на вопрос происхождения гранитов.
  • Обнаружение гранитов на Луне будет свидетельствовать в пользу теории выплавления их из базальтов. Познание закономерностей образования гранитов и общее понимание процессов расслоения первичного вещества планет окажут человечеству неоценимую помощь в поиске полезных ископаемых.

    РОДОСЛОВНАЯ НАШЕГО СПУТНИКА

  • В конце 1960 г. в Пулковской обсерватории собрались на симпозиум исследователи Луны. Этот международный форум ученых показал, что вопрос о происхождении Луны - естественного спутника нашей планеты - еще далеко не решен. На симпозиуме было выдвинуто несколько гипотез.
  • Американский ученый Г. К. Юри обосновал гипотезу, по которой Луна в далеком прошлом была самостоятельной планетой Солнечной системы, но в какой-то момент, будучи захвачена силой земного притяжения, перешла с околосолнечной орбиты на околоземную. Свое предположение ученый подкрепляет фактом существования в районе планет земной группы во время эволюции Солнечной системы большого количества тел размером с Луну. Большинство их раздробилось на мелкие куски и распылилось. Пыль эта была выброшена из Солнечной системы в пространство. Но остатки этих тел постепенно достигли плотной фазы. Из них сформировались планеты земной группы. Луна же - единственное тело, которое сохранилось из множества подобных, избежав разрушения. Она была захвачена Землей и выведена на околоземную орбиту.
  • «Когда мы получим более подробные сведения о составе Луны, особенно когда образцы лунных пород будут доставлены па Землю, мы, возможно, встретимся со многими неожиданностями. Но мне кажется наиболее вероятным, - заявил на симпозиуме Г. К. Юри, - что Луна содержит значительно меньше железа, чем планеты земной группы, и что средний ее состав гораздо более сходен с составом Солнца».
  • Известный болгарский астроном профессор Н. Бонев выступил на симпозиуме с оригинальной гипотезой, в некотором отношении схожей с предыдущей. Он полагает, что Луна, которую считают естественным и постоянным спутником Земли, на самом деле спутник благоприобретенный. Как и Г. К. Юри, он пришел к выводу, что Луна когда-то была самостоятельной планетой Солнечной системы. Орбита ее проходила недалеко от земной. Возможной причиной, заставившей Луну сойти со своей орбиты, он считает лунные вулканические извержения необычайной силы. Во время этих извержений из гигантских кратеров исторгалась мощная струя газов и лавы. Реактивное действие такой струи сместило Луну с орбиты. Сработав подобно гигантскому ракетному двигателю, извержение изменило скорость и направление движения Луны таким образом, что она превратилась в спутник Земли, обращающийся вокруг нее по почти круговой орбите.
  • Какие же доводы приводит профессор Н. Бонев в пользу столь смелого предположения? Луна во многих отношениях - аномальный спутник Земли. Она слишком велика. Такое соотношение между объемом спутника и планеты - Луны и Земли - в Солнечной системе единственное. Марс по объему в миллионы раз больше каждого из двух своих спутников. Даже самые большие спутники гиганта Солнечной системы Юпитера, в полтора раза большие Луны, объемом уступают Юпитеру в десятки тысяч раз! Наконец, огромный спутник Сатурна Титан, также превосходящий Луну величиной, меньше своей планеты почти в двадцать тысяч раз. Отношением времени обращения вокруг Земли ко времени обращения Земли вокруг своей оси Луна также резко отличается от остальных планет Солнечной системы. И наконец, главный довод. Нет сомнения в том, что огромные кратеры на Луне образовались в результате вулканической деятельности, которая в прошлом была очень активной.
  • Гипотеза болгарского ученого предполагает почти невероятное стечение обстоятельств. Во-первых, «вулканический ракетный двигатель» должен был начать работу в строго определенный момент времени и выбрасывать вещество в строго заданном направлении, во-вторых, для создания требуемого реактивного эффекта он должен выбрасывать вулканическую магму и газы с огромной скоростью - несколько километров в секунду. Последнее представляется маловероятным.
  • По мнению многих участников симпозиума, гораздо убедительнее гипотеза происхождения Луны, предложенная группой ученых Института физики Земли Академии наук СССР, которой руководит доктор физико-математических наук Б. Ю. Левин. Советские ученые считают, что нашу планету, сформировавшуюся из холодного облака космической пыли и газа, некогда окружал целый рой частиц. Частицы беспрерывно двигались, сталкивались и объединялись. Постепенно из этого роя образовалась Луна. Произошло это примерно около 5 млрд. лет назад, когда масса нашей планеты составляла всего 0,3 - 0,5 от нынешней. Таким образом, Земля и Луна - почти ровесницы: если Луна помоложе, то всего на «каких-нибудь» 100 - 200 млн. лет...
  • Сформировавшись, Луна начала, как и Земля, вследствие распада радиоактивных элементов постепенно разогреваться изнутри. Легкоплавкие вещества лунных глубин, переходя в жидкое состояние, стали всплывать наверх. Вместе с ними в верхние слои выносились радиоактивные вещества. В результате такого перераспределения масс разогревание внутри Луны уменьшилось, зато стали плавиться ее внешние слои. Это вызвало грандиозные извержения раскаленной лавы, отчего отдельные участки Луны расплавлялись и опускались внутрь. Так шел процесс «перемешивания» лунного вещества. Постепенно общее количество радиоактивных элементов на Луне вследствие их распада уменьшилось, и период разогрева планеты в конце концов сменился периодом ее остывания.
  • Вероятнее всего, это произошло около 3,5 млрд. лет назад. Из современных представлений о происхождении Земли путем объединения сравнительно небольших твердых тел естественно вытекает, что в процессе роста Землю должец был окружить целый рой небольших спутников, среди которых- самым массивным была Луна.
  • В начале нашего века большой популярностью пользовалась гипотеза об образовании Земли и Луны английского геофизика Джорджа Дарвина, сына знаменитого натуралиста Чарльза Дарвина. Он считал, что Земля и Луна первоначально представляли собой единую жидкую массу, быстро вращающуюся вокруг оси. По мере охлаждения расплавленной массы происходило ее сжатие, что приводило к ускорению вращения и возрастанию центробежной силы. Форма массы постепенно изменялась. Сначала расплавленная масса была похожа на сплюснутый эллипсоид, затем вытянулась наподобие сигары, далее приобрела грушевидную форму, и, наконец, из нее сформировалось два шаровидных тела. На каком-то этапе перемычка, связывающая их, разорвалась, и «шары», остыв, превратились: меньший - в Луну, больший - в Землю. Луна вращалась совсем недалеко от нашей планеты и силой своего притяжения вызывала на ней высокие приливы. Приливная волна, обегая Землю в направлении, обратном ее вращению, оказывала на нее тормозящее действие, и земные сутки, первоначально равные, по Дарвину, примерно трем нашим часам, стали удлиняться пока не достигли современной продолжительности. Луна стала медленно удаляться от Земли, а лунные сутки начали удлиняться и тоже достигли современной продолжительности. Земля, в свою очередь, вызывала на Луне очень сильные приливы, которые тормозили движение Луны до тех пор, пока она не перестала вращаться относительно Земли и не приняла постоянную ориентацию по отношению к Земле, оказавшись навсегда обращенной к ней одной стороной. Своей простотой и ясностью гипотеза Дарвина снискала себе многих сторонников. Однако современная наука расценивает ее как наименее вероятную.
  • Шведский астрофизик Ханнес Альвен считает, что сначала Луна двигалась по параболической траектории, будучи не спутником Земли, а самостоятельной планетой. Когда ее орбита приблизилась к Земле, между Землей и Луной началось сильное взаимодействие, возникли большие обоюдные приливы. Так как Луна приблизилась к Земле в направлении, обратном ее вращению, то притяжение земных приливов стало замедлять орбитальное движение Луны, что заставило ее еще ближе подойти к Земле, пока она не оказалась захваченной Землей. «При значительном сближении Земли с Луной земные приливные силы оторвали от Луны значительную долю ее вещества. Одна часть, - утверждает X. Альвен, - упала на Землю - так возникла земная кора, а другая - обратно на Луну, образовав при своем падении лунные кратеры». И эта остроумная гипотеза, утверждающая, что земная кора буквально «свалилась с Луны», не может быть принята, так как она противоречит данным геофизики, геохимии и геологии.
  • Мы рассмотрели, правда весьма кратко, основные гипотезы, объясняющие происхождение Луны. Какой отдать предпочтение и какую считать более близкой к истине? Решить это будет можно только в результате тщательного исследования Луны. Дальнейшее изучение ее внутреннего строения, выяснение происхождения лунных пород, установление их точного возраста и т. п. поможет понять, что представляет собой Луна и к какому типу планет или спутников она принадлежит.
  • Почему землянам важно знать, как образовалась Луна? Потому, что, если она имеет общее с Землей происхождение, изучение ее поможет разгадать многие тайны Земли.

    ЧТО СЕГОДНЯ ИЗВЕСТНО О ЛУНЕ

  • С тех пор как великий итальянский ученый Галилео Галилей в августе 1609 г. впервые направил на Луну собственноручно сделанный телескоп (до этого Луну наблюдали невооруженным глазом), прошло более трех с половиной столетий. А много ли мы знаем о природе Луны сегодня? И много и мало.
  • Мы знаем, что большим размером и массой в сравнении со своей планетой Луна резко отличается от спутников других планет. Так, масса Луны лишь в 81,5 раза меньше земной, тогда как даже самый большой спутник Сатурна по массе почти в 4500 раз меньше Сатурна.
  • Достоверно известно, что Луна движется вокруг нашей планеты по эллиптической орбите. В перигее - точке, где она ближе всего подходит к Земле, - Луну и Землю разделяет 356410 км, в апогее - точке наибольшего удаления Луны от Земли - расстояние увеличивается до 406697 км. Среднее расстояние между Луной и Землей составляет 384400 км. Оно приблизительно в 100 раз меньше расстояния до Венеры и в 150 раз меньше расстояния до Марса - двух других ближайших к Земле небесных соседей во время их наибольшего к ней приближения.
  • Благодаря тому что Луна находится относительно недалеко от Земли, наука знает о ней достаточно много. Определен средний линейный радиус лунной сферы. Он равен 1738 км. Установлена окружность лунного шара - 10912 км. Поверхность Луны составляет 38 млн. км2, т. е. в 14 раз меньше земной поверхности (поверхность Земли равна 510 млн. км2). Объем Луны составляет 22 млрд. км3, т. е. значительно меньше объема Земли (1080 млрд. км3). Зная массу Земли (5,98·1021 т), удалось определить и массу Луны. Она оказалась равной 7,35·1019 т. Если мы разделим значение массы Луны на величину ее объема, то получим среднюю плотность вещества Луны. Она составляет 3,35 г/см3, или 0,61 средней плотности Земли, равной 5,52 г/см3, что соответствует плотности горных пород типа базальта.
  • Зная массу и радиус небесного тела, удалось рассчитать ускорение силы тяжести на ее поверхности. Для Луны оно равно 161,55 см/сек2. Если учесть, что на Земле оно составляет 981 см/сек2, можно прийти к заключению, что ускорение силы тяжести, а вместе с тем и вес всякого предмета на Луне в 6 с лишним раз меньше, чем на Земле. Дело в том, что сила тяжести на небесных телах возрастает с массой тела и уменьшается обратно пропорционально квадрату его радиуса. А так как масса Луны в 81,3 раза меньше земной, а квадрат ее радиуса меньше земного в 13 раз, то, разделив 81,3 на 13, получим немногим более 6. Значит, на Луне сила притяжения в 6 с лишним раз меньше, чем на Земле. Этот фактор значительно влияет на вторую космическую скорость. Если для Земли она составляет 11,2 км/сек, то для Луны - всего 2,37 км/сек. Любое тело, обладающее такой скоростью, способно покинуть лунную поверхность и удалиться в космическое пространство.
  • Фигура Луны шарообразна и не обнаруживает заметного сжатия у полюсов. Исследования ее с помощью космических аппаратов показали, что лунный радиус, направленный к Земле, примерно на километр длиннее среднего лунного радиуса.

    ПОЧЕМУ ЛУНА НЕ ИМЕЕТ АТМОСФЕРЫ

  • Чем выше температура газа, тем с большей скоростью движутся его атомы и молекулы. Так, при 0°С (здесь и далее температура приводится по температурной шкале Цельсия) средняя скорость движения молекул водорода и гелия соответственно равна 1,84 и 1,31 км/сек. Для азота и кислорода значения скорости их молекул - 0,49 и 0,46 км/сек, а для водяного пара и углекислого газа - 0,62 и 0,39 км/сек. Если температуру газа повысить до 100°, то скорость движения его молекул увеличится почти на 20%. Заметим, что речь идет о средней скорости, на самом же деле одни молекулы движутся медленнее, другие быстрее.
  • Так как частицы газа имеют различную скорость, они могут покинуть небесное тело не только тогда, когда их средняя скорость будет больше второй космической (критической), но и в том случае, если она составит даже половину ее. Значение скорости некоторых молекул водорода, кислорода и других газов даже при умеренной температуре составляет более половины лунной критической скорости. Понятно, почему Луна не может их удержать.
  • А что станет с теми молекулами, скорость которых меньше второй космической? Ответ на этот вопрос дает кинетическая теория газов. Несмотря на то что наиболее быстрые молекулы улетучиваются, общая скорость молекул газа, имеющего данную температуру, остается прежней. За счет тепла извне, получаемого с поверхности планеты или от Солнца, вторую космическую скорость могут приобретать другие молекулы. Частицы газов, достигшие второй космической скорости, будут непрерывно улетучиваться в мировое пространство, а их место займут атомы и молекулы, до этого обладавшие меньшей скоростью. Расчеты показывают, что если бы у Луны и была атмосфера, состоящая из водорода или гелия, она рассеялась бы за несколько дней. Кислород, азот, углекислый газ при дневной температуре на Луне (+130°) полностью улетучились бы в относительно короткое время.
  • Теория позволяет сделать два очень важных вывода. Первый: вероятно, у Луны никогда не было атмосферы, аналогичной земной; второй: на Луне, с ее относительно малой массой и небольшой силой тяжести, невозможно искусственным путем создать атмосферу, подобную земной. Поэтому следует считать несостоятельным утверждение, что в будущем человечество окружит лунный шар открытой атмосферой. Это неосуществимо до тех нор, пока люди не найдут путей, позволяющих обойти неумолимые законы всемирного тяготения и кинетической теории газов.
  • Вполне возможно, что исследователи лунного мира создадут временную искусственную атмосферу, чтобы узнать, как постепенно изменяется ее состав и как долго Луна может удерживать ее. Опасности загрязнения атмосферы Луны, которое может затруднить распознавание веществ, свойственных ее природе, и веществ, привнесенных извне, можно избежать, используя заведомо несвойственные Луне и быстро улетучивающиеся из атмосферы газы. Подобные эксперименты, безусловно, станут возможными лишь после всестороннего исследования чрезвычайно слабой газовой оболочки Луны.
  • Не защищенная атмосферой поверхность Луны подвергается непрерывному воздействию первичных космических лучей, гамма-лучей, рентгеновского, ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, вследствие чего она радиоактивна. Дозиметрические измерения, выполненные аппаратурой советских станций серии «Луна» и американских аппаратов класса «Сервейор», «Лунар орбитер» и других, позволили обнаружить фон радиоактивности, вызванной ядерными реакциями в грунте Луны под действием космических лучей.
  • Метеорные тела любых размеров беспрепятственно достигают лунной поверхности на полной скорости, равной десяткам километров в секунду. При ударе их о поверхность энергия движения переходит в тепло, что сопровождается взрывом огромной силы.
  • В течение долгого лунного дня, длящегося почти пятнадцать земных суток, ослепительно яркие, ничем не задерживаемые и не рассеиваемые лучи Солнца накаляют лунный грунт вблизи экватора в полдень до +130°. Во время столь же продолжительной ночи лунный грунт остывает до - 160°. Такой перепад температур объясняется отсутствием атмосферы и большой способностью лунной поверхности к поглощению солнечной энергии - она отражает лишь 7% падающего на нее солнечного света.
  • На поверхности Луны не могут существовать открытые водоемы - в условиях вакуума вода в них не смогла бы сохраниться. Это легко объяснить простым опытом. Если под стеклянный прозрачный колпак поставить стакан с водой, а затем из-под колпака быстро выкачать весь воздух, то не сдерживаемая внешним давлением воздуха вода моментально обратится в пар. На поверхности нашей планеты вода и держится потому, что на нее сверху давит толща атмосферного воздуха. Ну а раз нет на Луне воды, то нет на ней рек и озер, морей и океанов, не плавают в лунном небе облака, несущие дожди и снегопады.
  • Отсутствие воздуха и воды сделало Луну миром, в котором невозможна органическая жизнь, подобная земной. Луна - «мертвый» мир, мир, отданный во власть жесточайшего мороза, лютого зноя, абсолютного безмолвия - ведь звук распространяется благодаря колебаниям частиц воздуха, которого на Луне нет! Там не увидишь чарующе нежного голубого небосвода, величественного зарева вечерних сумерек, неяркого румянца утренних зорь. Вместо лазурно-голубого неба Луну окутывает темное покрывало, усеянное мириадами ярко светящихся звезд. Ночь резко, без утренней зари, сменяется здесь днем, и, наоборот, день сразу же, без вечерних сумерек, переходит в ночь.

    ЛУННЫЙ ПОКРОВ

  • На протяжении всей истории исследования лунного мира ученые прежде всего стремились ответить на вопрос: из чего состоит Луна и каков ее покров? Образовалась ли она из одного материала вместе с Землей или была захвачена нашей планетой позднее? Прошло ли лунное вещество ту же стадию проплавления и дифференциации, как земное, или в нем происходили какие-то другие процессы? Влиянию каких сил обязаны своим происхождением лунные моря и кратеры? Каковы минералогический состав и физико-химическая структура поверхностного слоя Луны?
  • Астрономические и радиоастрономические методы исследования Луны помогли науке приблизиться к истине. С появлением космической техники возможности исследования Луны значительно расширились. Так, после мягкой посадки на Луну советских автоматических станций «Луна-9» и «Луна-13» и американских автоматических станций серии «Сервейор» сразу же потерпела крах гипотеза, по которой поверхностный слой Луны состоит из мощного пылевого покрова. Ведь даже мелкая пыль под действием вакуума, сильных перепадов температуры и солнечного ветра спекается, образуя зерна миллиметрового размера, которые, в свою очередь, сцепляются, превращаясь в достаточно крепкую губчатую массу. Гипотеза о том, что лунный грунт не может быть ни сплошным камнем, ни пылью, а представляет собой сильно пористое, но достаточно прочное губчатое вещество, была высказана еще раньше известным советским астрономом В. В. Шароновым, под руководством которого в Ленинградском университете более 30 лет велись исследования поверхности Луны.
  • «Я вспоминаю, - сказал академик А. А. Михайлов на пресс-конференции, посвященной первой мягкой посадке на Луну советской автоматической станции «Луна-9», - как на международном симпозиуме по Луне, бывшем шесть лет назад в Ленинграде, в Пулковской обсерватории, наш крупный специалист по планетоведению, недавно скончавшийся профессор В. В. Шаронов, демонстрировал искусственно полученный кусок вещества со всеми фотометрическими и поляризационными свойствами, соответствующими веществу лунной поверхности. Это был темный, ноздреватый, довольно мягкий камень, напоминающий кусок шлака или туфа, но достаточно прочный и способный выдержать без раздробления довольно значительное давление. Теперь мы знаем, что этот прогноз оправдан и образец Шаронова по своим механическим свойствам довольно близок к реальному лунному веществу».
  • Круговые панорамы лунной поверхности при различных высотах Солнца, переданные автоматическими станциями «Луна-9» и «Луна-13» и станциями «Сервейор», позволили увидеть рельеф Луны с разрешением изображений до миллиметра. Поверхность Луны оказалась очень шероховатой, со множеством мелких углублений и бугорков, покрытых слоем слабосвязанного разнозернистого вещества серовато-коричневого цвета, вес которого в пределах верхних 5 - 20 см составляет 1 - 1,5 г/см3.
  • В условиях лунного сверхвысокого вакуума, воздействия солнечных корпускулярных частиц и других космических факторов, мелкие частицы лунного грунта под влиянием межмолекулярных сил могут слипаться в более крупные. Исследования показали, что ближайшими аналогами верхнего слоя лунного грунта по механическим свойствам, гранулометрическому составу и минералогии являются рыхлые продукты современных вулканических извержений.
  • С помощью научной аппаратуры советских и американских автоматических станций удалось определить в местах их посадки механические свойства и микроскопическую структуру лунного грунта. Искусственные спутники Луны позволили расшифровать некоторые особенности минералогического состава поверхностных слоев лунного шара. В частности, измеряя их радиоактивность с помощью приборов станций «Луна-10», «Луна-11», «Луна-12», советские ученые выявили, что радиационный фон на Луне относительно невелик.
  • Изучение химического состава лунных пород, начатое при помощи гамма-спектрометра, установленного на первом искусственном спутнике Луны - станции «Луна-10», указало на присутствие в лунном грунте радиоактивных элементов: тория, урана и др. Это позволило группе советских ученых во главе с академиком А. П. Виноградовым сделать вывод фундаментального научного значения: количество радиоактивных элементов в веществе лунных морей соответствует содержанию их в земных породах основного состава - в базальтах.
  • Сообщение советских ученых вызвало огромный интерес и оживленную дискуссию во всем мире. Полтора года спустя этот вывод был подтвержден исследованиями американской автоматической станции «Сервейор-5». Место ее посадки в Море Спокойствия оказалось покрытым минералом вулканического происхождения, по составу напоминающим земной базальт.
  • Исключительную по объему и ценности информацию о лунном покрове дали экспедиции кораблей «Аполлон» и автоматических станций «Луна-16» и «Луна-20», доставивших на Землю образцы лунного грунта из Моря Спокойствия, Океана Бурь, Моря Изобилия и континентального района Луны. Результаты анализа образцов, доставленных экипажем космического корабля «Аполлон-11», вызвали немалое удивление ученых. Оказалось, что в грунте, взятом из Моря Спокойствия, содержится гораздо больше титана, чем предполагалось. Некоторые исследователи поспешили высказать мысль, что Луна, по-видимому, богата породами, насыщенными соединениями этого довольно редкого на Земле элемента. Лунный шар, восторженно говорили они, сплошное титановое месторождение!
  • Однако анализ грунта, взятого экипажем «Аполлона-12» из Океана Бурь и автоматической станцией «Луна-10» из Моря Изобилия, показал, что титана там несравненно меньше. Поверхностный слой лунного вещества в этих районах оказался рыхлой мелкозернистой слабосвязанной породой коричневато-серого цвета. Глубина рыхлого слоя в разных местах различна. Плотность и прочность у самой поверхности мала, но с глубиной возрастает. Средняя плотность пород лунного кристаллического вещества составляет 3,1 - 3,4 г/см3. Она несколько выше средней плотности пород земной коры, равной 2,7 г/см3.
  • Лунный грунт, взятый из различных районов, мало различается составом породообразующих элементов. Особый интерес представляет поверхностный слой лунного грунта - лунная пыль. Ее основные составляющие - осколки пород и обломки кристаллов, темное стекло, содержащее многочисленные железисто-никелевые включения, прозрачное стекло однородного состава. Чем меньше частицы пыли, тем больше в ней стеклянного материала. Находясь в глубоком космическом вакууме, при отсутствии воды и кислорода, частицы лунной пыли способны слипаться. Большое число стеклянных шариков, содержащееся в ней, обусловливает низкое сопротивление трению.
  • В образцах лунного грунта, доставленных на Землю автоматической станцией «Луна-16», было обнаружено 70 химических элементов. Основную массу грунта составляют базальтовые породы. Характерно, что исследуемые образцы близки к породам Океана Бурь, хотя место посадки «Аполлона-12» находится западнее на 2500 км. Сходство химического состава образцов пород подтверждается морфологическим подобием районов и совпадением ряда их физических характеристик. Это свидетельствует о распространении таких пород на значительной части поверхности лунного тара.
  • Академик А. П. Виноградов полагает, что дифференциация вещества Земли и Луны, а возможно, и других планет земного типа шла сходными путями, хотя и достигла разных этапов развития.
  • Интересные результаты дали исследования возраста лунных пород. Установлено, что возраст лунных камней - 3,5 млрд. лет, тогда как возраст лунной пыли - 4,5 млрд. лет. Казалось бы, лунная пыль должна возникать в результате дробления лунных камней и быть одного с ними возраста. Здесь кроется какая-то загадка.
  • Исследователи все больше склоняются к тому, что Луна образовалась внутри Солнечной системы пз первичного протопланетного облака, из которого сформировалась и Земля. По-видимому, развитие Луны шло тем же путем, что и развитие планет. Очевидно, она, так же как и Земля, в начальный период своего существования претерпевала разогрев за счет тепла, выделявшегося, как мы уже говорили, при распаде естественных радиоактивных элементов. При этом происходила дифференциация лунного вещества и выход на поверхность наиболее легкоплавкой его фракции, которая, остывая, образовывала лунную кору. Считают, что первоначально кора могла быть менее плотной. Затем она была пробита метеоритными ударами или разорвана вулканическими извержениями, в результате чего произошло излияние магмы и образование более плотной, «морской» породы. Не исключена вероятность того, что первичная лунная кора, состоящая из более легкой породы, может быть обнаружена на лунных «континентах».
  • Безусловно, до решения проблемы происхождения и эволюции Луны еще далеко. Надо полагать, что Луна так же разнородна, как и Земля. Представим себе, что инопланетные станции опускаются на Землю и начинают наудачу брать пробы пород. На Кавказе они бы добыли породы молодые, с возрастом в десятки и сотни миллионов лет, а где-нибудь в Финляндии - древние, с возрастом в несколько миллиардов лет.
  • Похоже, что старый спор между вулканологами и специалистами по метеоритам о происхождении лунных кратеров близок к завершению. Можно предполагать, что среди лунных кратеров есть кратеры как эндогенного, т. е. вулканического, происхождения, так и возникшие в результате бомбардировки поверхности Луны космическими телами различных размеров - от мельчайших микрометеоритов до астероидов и комет.
  • Существует ряд проблем строения Луны и происхождения форм лунного рельефа, которые затруднительно решить как путем анализа химического состава отдельных небольших участков ее поверхности, так и с помощью лабораторного анализа заведомо ограниченного числа образцов, собранных с небольшой площади Луны и доставленных на Землю. К таким проблемам селенологии относятся вопросы о степени однородности состава поверхности Луны и о связи рельефа Луны с химическим составом лунных пород. Для изучения этих вопросов необходимо исследовать состав поверхностного и подповерхностного слоев лунного грунта в пределах отдельных небольших районов поверхности Луны, где, однако, были бы широко представлены разнообразные лунные образования: кратеры разных размеров и форм, гряды, разломы, скальные обломки и т. п. Единственная возможность для таких исследований - использование подвижных аппаратов. Впервые такую задачу успешно выполнил «Луноход-1». Установленная на нем научная аппаратура показала, что механические свойства различных лунных образований могут меняться в широких пределах.
  • Взятие образцов лунного грунта из различных районов, считает академик М. В. Келдыш, представляет существенный интерес для науки: проблема происхождения Луны теснейшим образом связана с проблемой происхождения Солнечной системы. Поэтому изучение физических свойств и химического состава пород из различных районов Луны, определение возраста Луны имеют важнейшее значение для решения фундаментальных проблем естествознания,

    ДВИЖЕНИЕ ЛУНЫ И СМЕНА ЛУННЫХ ФАЗ

  • Мы уже говорили о том, что Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите, близкой к круговой. Это верно, но не совсем. В данном случае орбиту Луны можно считать эллипсом, радиус-вектор которого, по радиолокационным данным, изменяется от 356410 до 406697 км. Ему соответствует видимый угловой диаметр Луны, изменяющийся от 24'24" до 33'34" при средней величине З1'05". Если бы Земля была неподвижна и по соседству с ней не располагались другие небесные тела, обладающие притягательной силой, то Луна описывала бы вокруг Земли эллипс. Но ведь наша планета непрерывно движется по своей орбите вокруг Солнца. Поэтому Луна, обращаясь вокруг нее, в то же самое время следует за ней. За время одного оборота Земли вокруг Солнца Луна делает около 13,5 оборота, двигаясь почти в плоскости орбиты движения Земли вокруг Солнца. Поэтому она то опережает Землю, то отстает от нее, то бывает несколько ближе к Солнцу, то дальше от него. Из этой весьма сложной комбинации движений и слагается путь Луны в пространстве.
  • Вследствие вращения Земли с запада на восток Луна, как Солнце и звезды, восходит на востоке и заходит на западе, двигаясь вокруг Земли в направлении с запада на восток. Поэтому эффект собственного вращения Земли для нас ослаблен, и нам кажется, что Луна движется по небу заметно медленнее Солнца и звезд. Двигаясь вокруг нашей планеты, Луна непрерывно меняет видимую форму. То она видна как полностью освещенный диск, то как половина его, а то как узкий серп, рога которого могут быть обращены и вправо и влево. Все это объясняется разными положениями Луны относительно Земли и Солнца, отчего Луна и бывает по-разному освещена им. Это порождает смену лунных фаз (фазой называется доля диска небесного тела, освещенная Солнцем).
  • Чтобы нагляднее представить себе смену лунных фаз, рассмотрим более подробно движение Луны вокруг земного шара (см. схему на стр. 32). Положению I Земли соответствует положение Луны в позиции А (фаза новолуния). Луна расположена между Землей и Солнцем, поэтому она заходит и восходит почти одновременно с Солнцем.



    Схема совместного движения Земли и Луны.

  • После новолуния Луна видна слева от заходящего Солнца в виде тонкого серпа, выпуклостью обращенного к Солнцу. Это молодой, растущий месяц. Через 7 - 8 дней после новолуния Луна займет положение Б, а Земля - положение II. При этом прямые Земля - Луна и Земля - Солнце образуют прямой угол. Солнце, как всегда, освещает половину лунного шара, но с Земли видна лишь половина этого освещенного полушария, т. е, четверть освещенного лунного шара, обращенного выпуклой стороной вправо, к Солнцу. Такая фаза Луны называется первой четвертью. Теперь Луна восходит около полудня и заходит примерно через шесть часов после захода Солнца, около полуночи. Она светит всю ночь, кроме предрассветных часов.
  • Через 7 - 8 суток Луна займет положение В, а Земля - положение III. Наступит очередное полнолуние. Луна восходит перед закатом Солнца, а заходит в утренние часы. Она видна всю ночь. При дальнейшем ее продвижении освещенная часть, видимая с Земли, станет все более уменьшаться. С каждым днем Луна будет восходить все позже.
  • Через 7 - 8 суток после полнолуния наступает момент (положение Луны - Г, Земли - IV), когда Луна находится правее Солнца, к западу от него на 90°. И снова с Земли можно видеть только половину освещенного Солнцем лунного полушария, но уже левую, обращенную выпуклостью влево, к Солнцу. Эта фаза Луны называется последней четвертью. В это время Луна восходит около полуночи и видна в течение всей второй половины ночи.
  • Далее освещенная часть Луны все более уменьшается, постепенно превращаясь в узкий серп, выпуклой стороной обращенный влево, т. е. повернутый рогами в сторону, противоположную той, в какую обращен остриями серп до первой четверти. Это старый, убывающий месяц. (Чтобы определить, молодой месяц или старый, т. е. растет Луна или убывает, нужно запомнить, что в первой четверти Луна имеет форму выпуклой части буквы Р - растущая, а в последней четверти - форму буквы С - старая.) Луна восходит только под утро, до восхода Солнца. Когда Луна снова занимает положение А, а Земля - положение V, наступает новолуние.
  • Заметим, что движение Луны состоит не в том, что она перемещается с востока к западу, восходит и заходит - это явление кажущееся, представляющее собой видимое следствие вращения Земли вокруг своей оси, а в том, что Луна движется против часовой стрелки, навстречу суточному движению других светил, которые перемещаются по часовой стрелке.
  • Чтобы представить себе путь Луны вокруг нашей планеты и вокруг Солнца, станем для простоты считать, что Земля движется вокруг Солнца с постоянной скоростью около 30 км/сек, а Луна обращается вокруг Земли тоже равномерно, со скоростью 1 км/сек (заметим, что истинные значении скоростей мало отличаются от этих). Тогда меньше чем за месяц Луна успеет пробежать вокруг Земли огромный путь длиной 2,5 млн. км. Земля за это время пройдет 80 млн. км. Теперь представьте себе путь Луны, растянутый вдоль расстояния, пройденного Землей вокруг Солнца. От его круговой формы не останется ничего, он почти сольется с орбитой Земли.



    Месячный путь Земли (прерывистая линия) и Луны (сплошная линия) вокруг Солнца.

  • С точки зрения наблюдателя, находящегося на Солнце, путь Луны почти совпадает с орбитой Земли. Это гелиоцентрическое движение Луны. С точки же зрения наблюдателя, находящегося на Земле, Луна движется по эллипсу. Это ее геоцентрическое движение. Согласно второму закону Кеплера, наиболее быстро Луна движется вокруг Земли там, где она наименее удалена от нее (близ перигея), а наиболее медленно там, где она больше всего удалена от нее (близ апогея). Средняя скорость движения Луны по орбите равна 1,02 км/сек, или 3680 км/час.
  • Луна все время обращена к Земле одной стороной, потому что вращается вокруг своей оси с постоянной средней угловой скоростью и с периодом, равным периоду ее обращения вокруг Земли. При этом вращение ее происходит в том же направлении, в каком она движется вокруг Земли.


    Вид к свет Луны разного возраста.
  • Если бы периоды вращения Луны и ее обращения вокруг Земли не совпадали точь-в-точь, то постепенно накапливаемые расхождения привели бы к тому, что в разное время к Земле были бы обращены разные части лунной поверхности. Если бы период оборота Луны вокруг Земли отличался от периода вращения последней всего лишь на минуту, то через две с половиной тысячи лет Луна повернулась бы к Земле невидимой сейчас стороной. Чтобы наглядно представить себе это, проделайте такой несложный опыт. Поставьте на стол глобус. Станьте к нему лицом. Обойдите вокруг стола, все время глядя на глобус. Заметьте, что пока вы обходили вокруг стола, вы успели совершить полный оборот вокруг своей оси, ни разу не повернувшись спиной к глобусу.
  • Полный цикл изменения лунных фаз происходит за 29,53 суток - это так называемый синодический месяц. Он примерно на 2,2 суток длиннее сидерического, или звездного, месяца - промежутка времени, в течение которого Луна обегает Землю и приходит в прежнее положение относительно звезд. Допустим, что сидерический месяц начинается с момента полнолуния, когда Солнце С, Земля 3, Луна Л и звезда М располагаются по одной прямой линии (положение 1), По истечении сидерического месяца Земля переместится по своей орбите вокруг Солнца в положение З2, а Луна, завершив полный оборот вокруг Земли, займет положение Л2 на прямой 32М2, которую по причине весьма большого удаления от звезды можно считать параллельной 31М1. Но, поскольку Земля за это время по своей орбите попадет на дугу 3132, при положении Луны Л2 полнолуние еще не наступит. И только когда Луна переместится по своей орбите на дугу Л2Л3 и Солнце, Земля и Луна снова окажутся на одной прямой, наступит новое полнолуние. Так как за сутки Луна перемещается среди звезд на 13°, понадобится примерно 2,2 суток, чтобы она попала в точку Л3.
  • Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики под углом 5°9', поэтому Луна иногда занимает положение выше плоскости эклиптики, иногда - ниже, под эклиптикой, не закрывая от нас Солнца. Случается, что Луна становится между Солнцем и Землей, загораживая от нас Солнце, - тогда происходит солнечное затмение. А иногда Земля занимает положение между Солнцем и Луной - и возникает лунное затмение. Нетрудно догадаться, что солнечные затмения могут быть только в новолуние, а лунные - в полнолуние. Но поскольку движение Земли и Луны идет в разных плоскостях, то затмение Луны может быть только тогда, когда полнолуние произойдет близ плоскости, в которой лежит путь Земли вокруг Солнца. Равным образом и затмение Солнца бывает далеко не в каждое новолуние. Оно может случиться тогда, когда новолуние произойдет по времени близко к прохождению Луны недалеко от узлов ее орбиты (точек пересечения плоскостей эклиптики и орбиты).
  • При движении Луны вокруг Земли возникает любопытное явление либрации. Так называется кажущееся покачивание Луны относительно равновесного положения. Порождается это явление тем, что вращение Луны вокруг своей оси равномерно, а движение Луны по орбите неравномерно: как мы уже говорили, близ перигея Луна движется быстрее, чем близ апогея. Разность этих угловых движений вызывает либрацию по долготе, достигающую почти 7°54'. Поэтому земной наблюдатель может видеть часть восточных или западных краевых зон обратной стороны Луны.
  • Мы уже говорили о том, что лунная орбита на 5°9' наклонена к плоскости земной орбиты (эклиптике), а ось вращения Луны почти на 1,5° отклонена от перпендикуляра к лунной орбите. Это явление вызывает либрацию по широте. Она достигает 6°50'. Поэтому наблюдатель временами может увидеть с Земли часть лунной поверхности, расположенной за северным и южным полюсами Луны. Наконец, и сам лунный шар несколько покачивается относительно среднего положения. Это так называемая физическая либрация Луны. Вследствие либрации мы можем обозревать не половину, а до 59% поверхности Луны.
  • Положение Луны в пространстве определяется шестью числовыми значениями, называемыми элементами орбиты. Орбита всякого небесного тела - члена Солнечной системы - лежит в определенной плоскости. Основной плоскостью в пространстве, относительно которой определяется положение всякой другой плоскости, является плоскость эклиптики. Линия пересечения плоскостей эклиптики и орбиты планеты называется линией узлов. Точка орбиты планеты, совпадающая с плоскостью эклиптики, в которой планета бывает, переходя из южного полушария небесной сферы в северное, называется восходящим узлом орбиты планеты. Положение плоскости орбиты тела по отношению к плоскости эклиптики определяется двумя элементами: долготой восходящего узла и наклоном плоскости орбиты тела к плоскости эклиптики.
  • Форма и размеры орбиты задаются большой полуосью эллипса a и экцентриситетом орбиты


    Различие между синодическим сидерическим месяцами.
  • где а и b - полуоси эллипса орбиты. Напомним, что экцентриситетом называется отношение расстояния от центра эллипса до его фокуса к большой полуоси. Положение эллипса в плоскости орбиты определяется углом между направлениями на ее восходящий узел и на перигелий.
  • Так как с течением времени движение Луны меняется за счет притягательного влияния Земли и Солнца и по другим причинам, элементы ее орбиты непостоянны - они медленно изменяются. Назовем четыре главных видоизменения движения Луны, четыре главных лунных неравенства.
  • Первое из лунных неравенств - в движении линии узлов, которая медленно перемещается в плоскости эклиптики в направлении, обратном движению Луны по орбите, совершая полный оборот с востока на запад за 18,6 года. Благодаря движению линии узлов Луна каждый месяц проходит среди звезд путь, несколько отличающийся от ранее пройденного.
  • Второе лунное неравенство состоит в прямом движении линии апсид, т. е. прямой, соединяющей перигей с апогеем. Как и линия узлов, линия апсид не остается в покое, она поворачивается в сторону, обратную направлению движения узлов, совершая полный оборот с запада на восток за 8,85 года.
  • Вследствие изменения положения лунной орбиты в пространстве изменяется угол наклона орбиты Луны к плоскости земного экватора. В иные периоды он изменяется в пределах ±28°45', в другие - ±18°10'.
  • Третье из главных лунных неравенств выражается в медленных колебаниях наклона лунной орбиты к эклиптике. Наклон меняется в пределах от 4°59' до 5°17' с периодом 18,6 года.
  • И наконец, сама форма лунной орбиты подвержена периодическим изменениям. Лунный эллипс как бы пульсирует, то слегка округляясь, то снова растягиваясь. Период этого четвертого лунного неравенства близок к 8,85 года.
  • Современная теория движения Луны строго учитывает все известные лунные неравенства. Сложные формулы этой теории дают наглядное представление о тех трудностях, с которыми приходится сталкиваться ученым, выбирающим и рассчитывающим траектории полета космических летательных аппаратов к Луне и на Луну.

    ТРАССЫ ПОЛЕТА СОВЕТСКИХ ЛУННИКОВ

  • Их много. Это, во-первых, траектории, обеспечивающие попадание космического аппарата на Луну, ударную встречу с ней или мягкую посадку на ее поверхность. Во-вторых, это траектории близкого и дальнего облета лунного шара при условии обязательного возвращения космического аппарата к Земле. И в-третьих, это траектории, позволяющие космическому аппарату, находящемуся в окололунном пространстве, выйти на орбиту искусственного спутника Луны или же, удалившись за пределы сферы действия Земли и Луны, превратиться в спутник Солнца.
  • В каждом из этих вариантов возможен как непосредственный старт космического аппарата с Земли, так и запуск его с околоземной орбиты или с искусственного спутника Земли. Причем полеты могут совершаться как автоматическими беспилотными космическими аппаратами, так и управляемыми людьми космическими кораблями. Если к этому добавить, что полет по основным лунным трассам может производиться и без коррекции, т. е. без исправления пути, и с ней, и с непрерывной, постоянной, и с изменяемом тягой, регулируемой ракетными двигателями, то становится вполне очевидным огромное разнообразие дорог на Луну.

    УДАРНАЯ ВСТРЕЧА

  • Классический пример попадания на Луну - полет автоматической межпланетной станции (АМС) «Луна-2», запущенной 12 сентября 1959 г. Траектория ее полета состояла из двух частей: из участка разгона, на котором под действием силы тяги двигателей ракета выводилась в определенную точку пространства, приобретая необходимую скорость, и из участка свободного полета, который начинался после выключения двигателя последней ступени ракеты весом 1511 кг и отделения контейнера, имевшего вес 390,2 кг. От последней ступени ракеты контейнер отделялся путем механического разъединения: ему придавалась небольшая дополнительная скорость.
  • В соответствии с законами небесной механики, траектория свободного полета к Луне в большей своей части, там, где влияние притяжения Луны сравнительно невелико, была близка к плоской кривой - гиперболе с фокусом в центре Земли.
  • По мере удаления от Земли скорость движения станции постепенно убывала и уменьшилась до 2 км/сек. В дальнейшем, вследствие все возрастающего притяжения Луны, скорость начала возрастать и росла вплоть до момента встречи с Луной. Во время соударения с Луной она достигла 3,3 км/сек.
  • Принципиально запуск ракеты на Луну возможен в любой день, при любом положении Луны. Важно лишь, чтобы в момент подлета аппарата к Луне последняя находилась близ точки верхней кульминации по отношению к наблюдательным пунктам, т. е. чтобы высота Луны над горизонтом была близка к наибольшей. В этом случае условия радиосвязи самые благоприятные, поскольку радиоволнам приходится пересекать меньшую толщу слоя земной атмосферы и, следовательно, терять меньше энергии.



    Схема траектории полета лунной ракеты:
  • 1 - Земля; 2 - траектория полета ракеты; 3 - плоскость траектории ракеты; 4 - плоскость орбиты Луны; 5 - искусственная комета; 6 - орбита Луны; 7 - положение Луны в момент старта ракеты; 8 - положение Луны и момент встречи с ракетой; 9 - экватор.

  • Выбор направления трассы полета к Луне осуществлялся из расчета минимальной величины потерь и, следовательно, максимального увеличения полезного груза. При этом принимались во внимание удобства размещения измерительного комплекса для контроля движения и получения телеметрической информации как на участке разгона, так и на начальном участке свободного полета после выключения двигателя последней ступени.
  • Как показали расчеты, запуск лунной ракеты с территории СССР должен производиться в момент, когда Луна находится за горизонтом. Если учесть, что в тот момент, когда космический аппарат прилунится, Луна должна находиться в точке верхней кульминации по отношению к наблюдательным пунктам в СССР, станет ясно, что продолжительность полета к Луне должна быть кратной 1/2, 1 1/2, 2 1/2, 3 1/2 или 4 1/2 суток.
  • Для станции «Луна-2» была выбрана продолжительность полета около 1 1/2 суток. Полет в течение полусуток потребовал бы чрезвычайно больших начальных скоростей, а более продолжительный полет усложнил бы условия попадания станции в Луну.
  • Для того чтобы ракета попала на Луну без какой-либо коррекции ее движения на участке свободного полета, нужно не только очень точно рассчитать параметры ее движения, но и выдержать их на активном участке разгона. Ошибка в скорости ракеты всего на 1 м/сек, т. е. на 0,01% величины полной скорости, приведет к смещению точки попадания на Луну на 250 км, а отклонение вектора скорости от расчетного на одну угловую минуту вызовет смещение на 200 км. Существенно влияет на положение точки встречи ракеты с поверхностью Луны изменение координат точки выключения двигателя. Каждая из перечисленных ошибок, так же как несоблюдение времени старта ракеты, как правило, влечет за собой все остальные, отчего смещение точки попадания на Луну становится еще больше.
  • Средний радиус Луны равен 1738 км, поэтому ошибка в скорости должна быть не больше нескольких метров в секунду, а отклонение вектора скорости от его расчетного направления не должно превышать одной десятой градуса. Обеспечение такой точности - весьма сложная задача.
  • Запуск ракеты к Луне с территории нашей страны предъявляет более жесткие требования к точности работы системы управления, чем запуск из тех районов земного шара, которые расположены ближе к экватору. Отклонение времени старта на 10 сек. вызывает смещение точки прилунения на 200 км. Старт космической ракеты с точностью до нескольких секунд предъявляет серьезные требования к организации и подготовке пуска, а также к работе автоматической системы запуска.
  • Отклонение фактического момента времени старта станции «Луна-2» от заданного составило всего лишь около секунды. Запуск, осуществленный с такой точностью, свидетельствовал о совершенстве стартовой системы и высокой надежности пусковой автоматики.
  • 14 сентября 1959 г. в 0 час. 2 мин. 24 сек. по московскому времени «Луна-2» достигла поверхности Луны восточнее Моря Ясности, вблизи кратеров Архимед, Автолик, Аристилл. Селенографическая широта точки прилунения равна +30° севернее лунного экватора, а селенографическая долгота - 0°. Отклонение точки прилунения от центра лунного диска составило примерно 800 км.
  • Скорость встречи космического аппарата с поверхностью Луны зависит от той скорости, которую аппарат приобретает в конце активного участка полета при работающих двигателях. Если траектория полета полуэллиптическая с начальной скоростью 11,09 км/сек, скорость при прилунении будет не менее 2,5 км/сек. Если же полет совершается по параболической траектории с начальной скоростью 11,19 км/сек, скорость падения аппарата на поверхность Луны составляет 2,9 - 3 км/сек.
  • Станция «Луна-2» имела начальную скорость 11,31 км/сек. Поэтому скорость ее встречи с Луной, как уже говорилось, составила 3,3 км/сек. Момент встречи был зарегистрирован специальным лунным альтиметром и средствами радиометрического прослеживания, причем с помощью последних не только советскими, но и зарубежными обсерваториями, в частности английской обсерваторией Джодрелл Бэнк.
  • Научная аппаратура, установленная на борту «Луны-2», позволила измерить магнитное поле вдоль трассы полета и исследовать магнитное поле вблизи Луны. Полет «Луны-2» способствовал изучению радиационных поясов Земли, интенсивности и вариаций интенсивности космического излучения и тяжелых ядер, газовой компоненты межпланетного пространства и метеорных частиц. На последней ступени ракеты-носителя находилось устройство для создания искусственной натриевой кометы. Наблюдение облака натрия, выброшенного на значительном расстоянии от Земли, позволило сделать некоторые выводы относительно плотности газовой среды, а также с большей, чем при помощи радиосредств, точностью определить направление движения ракеты.
  • Полет станции «Луна-2» проходил в день, характеризуемый большими магнитными возмущениями. Счетчик космических лучей станции зарегистрировал возрастание числа частиц с атомным номером 15 и более в 11,8 раза, потому что за несколько минут до этого произошли две солнечные вспышки. Такое кратковременное резкое увеличение интенсивности ядерной компоненты космических лучей наблюдалось впервые. Аппаратура, предназначенная для изучения газовой компоненты межпланетной среды, обнаружила существование вокруг Луны своеобразной ионосферы - крайне разреженной ионизированной газовой оболочки. С помощью ловушек заряженных частиц была впервые обнаружена и измерена ионная компонента потоков солнечной плазмы от геомагнитного поля (2,1 частицы на 1 см2/сек).
  • Измерения, проведенные на расстоянии 1000 км от Луны, не показали возрастания интенсивности радиации в пределах до 10% космического фона. Следовательно, у Луны радиационного пояса нет. Этот факт соответствует и результатам магнитных измерении, проведенных с большой точностью на расстоянии около 50 км от поверхности Луны. Установлено, что напряженность магнитного поля Луны, по крайней мере, в 400 - 1000 раз меньше напряженности магнитного поля у поверхности Земли.
  • Как известно, величина напряженности магнитного поля составляет: на северном магнитном полюсе земного шара - 0,6 эрстеда, на южном 0,7, на магнитном экваторе - 0,4 эрстеда (эрстед - единица напряженности магнитного поля, 0,001 эрстеда - миллиэрстед (мэ), 0,00001 эрстеда - гамма). Измерения станции «Луна-2» показали, что вблизи Луны и на Луне магнитного поля или нет, или оно мало, величина его находится в пределах не более 50 - 100 гамм.

    МЯГКАЯ ПОСАДКА

  • 31 января 1966 г. с территории Советского Союза была запущена автоматическая станция «Луна-9». Через трое с половиной суток полета, 3 февраля, в 21 час 45 мин. 30 сек. по московскому времени станция совершила мягкую посадку на Луну в районе Океана Бурь, восточнее кратеров Марий и Рейнер, в точке с координатами 7°08' северной широты и 64°22' западной долготы.
  • В то время мягкая посадка на Луну была одной из труднейших технических проблем космонавтики. Из-за отсутствия у Луны атмосферы торможение космического аппарата перед посадкой должно было производиться только с помощью ракетного двигателя. Поэтому на борту аппарата была специальная двигательная установка и запасы топлива, составляющие примерно половину веса корабля перед торможением.



    Схема полета АМС «Луна-9».



    Схема прилунного участка траектории АМС «Луна-9».

  • Чтобы осуществить мягкую посадку, необходимо управлять моментом начала торможения н регулировать тягу двигателя космического аппарата в период торможения таким образом, чтобы скорость его движения снизилась до нуля непосредственно перед соприкосновением аппарата с поверхностью Луны. Выполнение этих условий требовало специальной радиосистемы мягкой посадки и высокоточной системы управления движением. Запуску «Луны-9» предшествовали запуски лунных станций, которые позволили в натурных условиях проверить системы радиоконтроля траектории, бортовой радиоаппаратуры, астроориентации и приборов автономного управления.
  • На первом этапе полета на орбиту спутника Земли с помощью ракеты-носителя была выведена автоматическая станция «Луна-9» с ракетным блоком, предназначенным для последующего разгона. На втором этапе полета был произведен запуск разгонного ракетного блока, и автоматическая станция была выведена на траекторию полета к Луне. На третьем этапе полета была проведена коррекция траектории движения, обеспечившая встречу автоматической станции с поверхностью Луны в заранее намеченной равнинной части Океана Бурь. И наконец, четвертый этап полета - торможение и мягкая посадка на поверхность Луны.
  • Выбор даты запуска автоматической станции «Луна-9» был приурочен к наступлению утра в районе Океана Бурь. Благоприятные условия освещения позволили получить с помощью телевизионной аппаратуры четкие изображения поверхности Луны. Лунным утром тени длиннее, поэтому снимки получаются рельефнее. К тому же лунное утро обеспечивает температурные условия, необходимые для работы радиотехнической и телевизионной аппаратуры автоматической станции.
  • Успех полета автоматической станции «Луна-9» в немалой степени зависел от того, что наступление лунного утра в районе Океана Бурь совпало с относительно высоким положением Луны над плоскостью земного экватора. Поэтому периоды прямой радиовидимости Луны с территории Советского Союза были достаточно продолжительными.
  • Полет «Луны-9» занял приблизительно 3,5 суток. Суммарный расход топлива, а следовательно, и вес научной аппаратуры станции зависел от энергетических затрат на разгон АМС с орбиты спутника Земли, на коррекцию траектории движения и на торможение у поверхности Луны. По мере сокращения продолжительности полета по траектории Земля - Луна затраты топлива на разгон у Земли и на торможение у Луны увеличиваются. Так, при полете продолжительностью 3,5 суток скорость у поверхности Луны равна 2600 м/сек, а при полете продолжительностью 2,5 суток - около 2800 м/сек. Когда расход топлива на разгон и торможение сокращается, его затраты на коррекцию траектории увеличиваются, так как с увеличением продолжительности полета существенно возрастает отклонение от намеченной траектории.
  • Результаты траекторных измерений с наземных пунктов космической связи показали, что автоматическая станция двигалась по траектории, отстоящей приблизительно на 10 тыс. км от центра Луны. В соответствии с прогнозом движения станции наземным командно-измерительным комплексом были подготовлены исходные данные для коррекции - определены величина и направление корректирующего импульса, соответствующим образом закодированные для передачи на борт ракеты по радио.



    Прилунение станции «Луна-9» (рисунок).
  • Сеанс коррекции был начат по радиокоманде с Земли. Дальнейшая работа всех систем станции проходила автоматически - по предусмотренной в бортовой автоматике программе. В результате коррекции скорость движения автоматической станции «Луна-9» изменилась на 71,2 м/сек. Скорректированная траектория практически стала проходить через расчетную точку прилунения в районе Океана Бурь. Для обеспечения точности посадки на поверхность Луны необходим высокий класс исполнения коррекции. Так, отклонение скорости коррекции в 0,1 м/сек приводит к отклонению от заданной точки на поверхности Луны на 10 - 15 км, как и отклонение вектора скорости в плоскости, перпендикулярной направлению на Луну, на угловую минуту. После коррекции «Луны-9» с наземных измерительных пунктов были проведены сеансы измерений, подтвердившие высокую точность коррекции.
  • Началась подготовка к заключительному этапу полета - к торможению и мягкой посадке станции на поверхность Луны. По результатам траекторных измерений в координационно-вычислительном центре рассчитали исходные данные для торможения. Были определены величина тормозного импульса, показатели настройки системы управления и поправка на момент начала работы тормозного двигателя. Все эти данные были переданы на борт автоматической станции для проведения торможения.
  • Затем начались операции по подготовке станции к посадке. Для осуществления торможения необходимо было к заданному моменту сориентировать станцию так, чтобы сопло двигателя было направлено на Луну. Ориентация осуществлялась за час до сближения с Луной путем построения лунной вертикали оптическими средствами. На высоте около 8300 км станция вместе с двигательной установкой была ориентирована строго но лунной вертикали. С помощью оптических датчиков слежения за Солнцем и Землей это направление сохранялось примерно в течение часа - до срабатывания тормозной двигательной установки.
  • За 48 сек. до посадки на высоте около 75 км от поверхности Луны по команде радиовысотомера была включена тормозная двигательная установка. Перед включением двигателя от станции были отделены два отсека с аппаратурой, не используемой на участке посадки. Работа двигателя продолжалась до тех пор, пока путем автоматической обработки показаний акселерометра, измеряющего реактивное ускорение (интегрирования), не было установлено, что скорость сближения с Луной погашена. На высоте примерно 15 м от Луны основной двигатель был выключен, и дальнейшее гашение скорости, а также стабилизация станции при спуске производились с помощью ракетных двигателей малой тяги.
  • Когда станция оказалась на высоте 5 м от Луны, специально выдвинутый штыревой датчик соприкоснулся с лунной поверхностью. Это послужило сигналом к отделению и отбрасыванию тормозной установки от станции. Станция прилунилась несколько в стороне, опустившись на участок, не поврежденный выхлопными газами тормозной установки. Удар был смягчен специальными амортизирующими устройствами. Скорость прилунения составляла 4 - 7 м/сек. Через 4 мин. 10 сек. после прилунения раскрылись антенны, и начался первый сеанс радиопередачи по космическому радио- и телемосту «Луна - Земля».
  • Выбранный для мягкой посадки район Океана Бурь, крупнейший из «морских» образований на поверхности Луны, представлял несомненный интерес для детального обследования, результаты которого были использованы при дальнейших космических экспериментах. Место и время посадки станции были выбраны так, чтобы она оказалась в районе, освещенном лучами восходящего Солнца.


    Автоматическая станция «Луна-9» (рисунок).
  • В течение трех с половиной суток станция регулярно передавала на Землю фототелевизионные изображения лунной поверхности и различную телеметрическую информацию, в частности об излучениях на поверхности Луны, о работе всех систем станции, о ее тепловом режиме. Высококачественные телевизионные изображения, переданные «Луной-9», впервые сообщили прямые сведения о микроструктуре лунной поверхности, что по тому времени представляло исключительную ценность для определения таких особенностей поверхности Луны, которые с Земли наблюдать невозможно.
  • Каковы основные параметры телевизионной системы, с помощью которой человечество впервые увидело почти в упор поверхность естественного спутника Земли? Разрешающая способность телевизионной камеры составляла около трех угловых минут, а высота над уровнем грунта - около 60 см, что на ровном участке лунной поверхности обеспечивает дальность видимости до 1,5 км. Телекамера вращалась, осматривая лунную поверхность в секторе 240°. Вблизи основания телекамеры разрешающая способность станции приближалась к разрешающей способности человеческого глаза.
  • «Телеглаз» станции за одну секунду сверху вниз просматривал полосу высотой 30° и шириной в 3 угловые минуты. Одновременно с движением по вертикали телевизионная головка вращалась вокруг оси. Телепередатчик передавал радиосигналами на Землю то, что видел «телеглаз». На приемном пункте специальная аппаратура принимала эти сигналы, и на светочувствительной бумаге строчка за строчкой появлялось изображение. Телевизионное изображение круговой панорамы лунной поверхности содержит 6 тыс. строк. Полное время ее передачи на Землю составило около 100 мин.
  • Кроме обзора лунного ландшафта, по радиокомандам с Земли проводился детальный осмотр тех участков Луны, которые особенно интересовали ученых. Изображение круговой панорамы Луны и отдельных участков ее поверхности передавалось на Землю в течение четырех сеансов при разной освещенности. Получены фотографии, на которых вблизи станции различимы детали поперечником около 1 - 2 мм.
  • В районе местонахождения станции не обнаружено заметных следов пыли. Гипотеза о существовании на Луне мощного пылевого покрова, грозящего поглотить любой аппарат, опустившийся на нее, не подтвердилась. В месте посадки станции лунная почва оказалась достаточно твердой, бугристой, покрытой камнями и кратерочками различных размеров - от крохотных лунок до достаточно больших образований.
  • Большую научную ценность представляют результаты определения радиационной обстановки на лунной поверхности. Дозиметрические измерения обнаружили радиационный фон, вызванный ядерными реакциями в лунной почве под действием космических лучей.
  • Эксперимент продолжила автоматическая станция «Луна-13», запущенная 21 декабря 1966 г. 24 декабря она прилунилась в Океане Бурь на теневой предутренней стороне, в одном из наиболее интересных его районов, представляющем собой относительно ровную поверхность и расположенном между кратерами Крафт и Селевк, юго-восточнее кратера Селевк. Координаты места посадки - 18°52' северной широты и 62°3' западной долготы.


  • Автоматическая станция «Луна-13» (рисунок):
  • 1 - лепестковые антенны; 2 - штыревые антенны; 3 - механизмы выноса приборов; 4 - механический грунтомер: 5 - радиационный плотномер; 6 - телевизионная камера.
  • Прилунение станции «Луна-13» было аналогично прилунению станции «Луна-9». Но на «Луне-13» был механизм для выноса приборов, до посадки находившийся в сложенном состоянии. Две полутораметровые «руки» опустили на лунную поверхность грунтомер-пенетрометр и радиационный плотномер.
  • Пенетрометр - один из самых употребительных в строительстве приборов. Им определяют консистенцию или твердость материалов. Устройство его несложно. С помощью определенного усилия в течение какого-то времени в материал вонзают стальную иглу. По глубине ее проникновения судят о твердости материала. Лунный грунтомер-пенетрометр в принципе не отличается от земного. Только иглу заменил конус из титана, а нужное усилие создается реактивной тягой. Маленький пороховой ракетный двигатель «Луны-13» вдавливал конус в грунт с усилием, в 100 раз превышающим «лунный» вес прибора. На корпусе грунтомера укрепили потенциометр, а движок грунтомера связали с подвижной частью прибора. Ход конуса преобразовывался в электрический импульс, которым передавался на Землю по радиолинии.
  • В радиационном плотномере находился источник радиоактивного излучения и счетчики заряженных частиц. Часть излучения поглощалась грунтом, часть, после многократного рассеивания, возвращалась и регистрировалась счетчиками. Количество вернувшихся частиц определялось в строгой зависимости от плотности грунта.
  • 25 декабря в 15 час. 15 мин. московского времени станция «Луна-13» по команде с Земли начала передавать изображение лунной панорамы. Одновременно с телевизионным изображением лунной поверхности со станции поступали показания датчиков, характеризующих работу систем и научной аппаратуры.
  • С помощью научных приборов автоматической станции был проведен ряд ценных измерений по определению свойств лунного грунта, велась регистрация гамма-излучения, были продолжены наблюдения за интенсивностью корпускулярной радиации и т. д. Грунтомер-пенетрометр позволил определить механические свойства наружного слоя лунной поверхности, а радиационный плотномер - плотность поверхностного слоя грунта. На основе показаний пенетрометра и радиационного плотномера ученые пришли к выводу, что поверхностный слой лунного грунта в месте посадки представляет собой зернистый материал с объемным весом 0,8 г/см3, состоящий из зерен и гранул пористого минерального вещества, слабо связанных между собой в зонах контакта. Угол внутреннего трения был определен равным 32°, сцепление составило около 5 г/см2, толщина слоя в месте измерений - не менее 5 см. Эти и подобные этим данные сыграли важную роль при проектировании лунохода. Как показала практика, параметры и характеристики лунного грунта не подвели.
  • Мы уже говорили о том, что «Луна-13», как и «Луна-9», совершила посадку на территории Океана Бурь. Судя по картам, составленным на основании телескопических наблюдений, характер местности мог быть различным. Станция «Луна-9» прилунилась в пограничном районе, где «морской» ландшафт сменяется «материковым». Станция «Луна-13» опустилась в районе с типично «морскими» свойствами. Сравнение микрорельефа этих районов имело большое научное значение.

    ОБЛЕТНЫЕ ПУТИ

  • Космический летательный аппарат в какой-то период своего движения может оказаться за невидимым с Земли полушарием Луны, на продолжении линии Земля - Луна и, обогнув Луну, возвратиться к Земле. Его путь пролегает по облетной трассе.
  • В зависимости от степени сближения летательного аппарата с Луной можно указать два основных варианта траекторий, обеспечивающих дальний и близкий облет Луны. Для получения таких траекторий скорость в конце участка разгона ракеты должна быть несколько меньше так называемой второй космической, или параболической, скорости, равной у поверхности Земли 11,2 км/сек.
  • Если траектория полета проходит на расстоянии нескольких десятков тысяч километров от Луны, то воздействие Луны на летательный аппарат сравнительно невелико. В таком случае траектория будет близка к эллипсу с фокусом в центре Земли. Однако траектории такого далекого облета Луны имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего становится невозможным прямое исследование космического пространства лунных окрестностей. При запуске ракеты с северного полушария Земли она возвращается к Земле со стороны южного полушария, что затрудняет проведение наблюдений и прием научной информации станциями, расположенными в северном полушарии. Движение вблизи Земли на возвратном пути идет вне пределов видимости из северного полушария, поэтому прием информации оказывается невозможным. Полет заканчивается после первого витка - ракета входит в плотные слои атмосферы и сгорает.
  • Этих недостатков можно избежать, если использовать траектории близкого облета, пролегающие на расстоянии нескольких тысяч километров от Луны. Пример такого полета - рейс автоматической станции «Луна-3», запущенной 4 октября 1959 г. Основной задачей этого запуска было продолжение изучения космического пространства, а также получение фотографий обратной стороны Луны с передачей изображения на Землю. Поэтому к траектории полета предъявлялся ряд особых требований. Расстояние до Луны в момент ее фотографирования должно было составлять не более 60 - 70 тыс. км. Для нормальной работы системы ориентации, обеспечивающей фотографирование, Луна, станция и Солнце должны были располагаться примерно на одной прямой линии. Траектория полета должна была позволить наземным пунктам, расположенным на территории СССР, получить с борта станции максимальное количество информации уже во время ее первого оборота вокруг Луны.
  • Через 61 час после старта станция пролетела на расстоянии 7900 км от центра Луны. В момент максимального сближения с Луной станция находилась южнее ее. Вследствие притяжения Луны траектория автоматической станции в соответствии с расчетом отклонилась к северу. Это отклонение было столь существенным, что возвратить станцию к Земле пришлось со стороны северного полушария. После сближения с Луной для наблюдательных пунктов, расположенных в северном полушарии, наибольшая высота станции над горизонтом с каждыми сутками увеличивалась. Соответственно возрастали периоды прямой связи с ней. При большем приближении к Земле станцию можно было наблюдать в северном полушарии как незаходящее светило.
  • Условия для приема информации и для проведения научных исследований на подходе к Земле оказались достаточно благоприятными. Станция прошла на расстоянии 47400 км от центра Земли, двигаясь по весьма вытянутой орбите, близкой по форме к эллиптической.
  • Поскольку станция пролетала на весьма больших расстояниях от поверхности Земли, торможение из-за сопротивления атмосферы отсутствовало. Если бы движение станции шло только под действием силы притяжения Земли, станция на неограниченно долгий срок стала бы спутником Земли. Однако время полета станции оказалось ограниченным: из-за возмущающего влияния солнечного притяжения кратчайшее расстояние от орбиты станции до Земли - высота перигея орбиты - постепенно уменьшалось. Поэтому, совершив несколько оборотов, «Луна-3» вошла в плотные слои атмосферы Земли и сгорела.
  • Так как коррекции полета межпланетной станции не производилось, весь путь ее определялся, в конечном счете, параметрами движения в конце участка разгона (в основном величиной и направлением скорости). Реализация столь сложной траектории космической станции оказалась возможной благодаря чрезвычайно совершенной системе управления ракетой-носителем на участке разгона.
  • Расчеты показывают, что при отклонении прохождения станции через картинную плоскость (картинной плоскостью называется плоскость, проходящая через центр Луны перпендикулярно линии Земля - Луна) на тысячу километров от заданной точки минимальное расстояние между Землей и возвращающейся станцией изменится на 5 - 10 тыс. км, а время наибольшего сближения с Землей сдвинется на 10 - 14 час.
  • Для того чтобы предельное отклонение минимального расстояния между Землей и станцией не превышало 20 тыс. км, отклонение точки пересечения картинной плоскости на участке выведения ракеты должно быть не более 3 тыс. км. Это требование, предъявляемое к системе управления ракетой, на первый взгляд кажется более легким по сравнению с требованиями, предписываемыми условиями попадания на Луну, Для того чтобы станция попала на Луну, предельное отклонение ракеты от точки прицеливания, или от расчетной точки прохождения картинной плоскости, не должно превышать радиуса Луны, т. е. должно быть примерно вдвое меньше, чем 3 тыс. км. Однако в варианте движения станции по облетной траектории ошибки выведения ракеты влияют на отклонение точки пересечения картинной плоскости значительно больше, чем в варианте попадания на Луну. Отклонение скорости выведения ракеты на участок свободного полета всего на 1 м/сек при условии попадания на Луну приводит к отклонению точки пересечения картинной плоскости на 250 км. В облетном варианте оно равно 750 км, т. е. в 3 раза больше. Значит, реализация варианта облетной траектории предъявляет к точности системы управления ракетой не менее, а даже более жесткие требовании, чем реализация варианта посадки ракеты на Луну.

    ФОТОГРАФИЯ ВЕКА

  • 7 октября 1959 г. в 6 час. 30 мин. московского времени «Луна-3» приступила к фотографированию обратной стороны Луны с расстояния 60 - 70 тыс. км. Чтобы начать фотографирование, нужно было прежде всего прекратить кувыркание «космического фотографа».
  • По команде с Земли на борту станции заработал гироскоп-волчок. Он стал посылать сигналы электронной машине - «мозгу» станции. Электронная машина тотчас включила особые приспособления системы ориентации, которые прекратили произвольное вращение лунника в пространстве. Теперь электронной машине нужно было разобраться: а что же фотографировать? Межпланетную станцию освещало три ярких небесных светила - Солнце, Луна и Земля, и фотообъективы, естественно, могли спутать объект съемки. Достаточно было нацелиться на Солнце, открыть затвор - и пленка мгновенно оказалась бы засвеченной. Это обстоятельство было учтено. Траекторию движения станции рассчитали так, чтобы в момент съемки станция находилась на прямой, соединяющей Солнце и Луну, а Земля оставалась в стороне. Следовательно, «космическому фотографу» предстояло сделать выбор не между тремя, а между двумя небесными телами - Солнцем и Луной.
  • Итак, кувыркания станции прекращены. Она вышла на прямую между Солнцем и Луной. Требовалось навести объективы на Луну. «Космический фотограф» провел четкий маневр - с помощью солнечных датчиков нашел в пространстве Солнце. Затем система ориентации повернула к Солнцу нижнее сферическое днище станции. Объективы, установленные на противоположном днище, немедленно увидели Луну, так как станция находилась на прямой линии Солнце - Луна. После этого особое оптическое устройство отключило ориентацию на Солнце и занялось фотографированием до того никому не ведомого таинственного полушария Луны.
  • На борту лунника был установлен фотоаппарат с двумя объективами; один имел фокусное расстояние 200 мм, другой - 500 мм. Первый был нужен для общей съемки всего диска Луны, второй - для фотографирования деталей. Съемка длилась примерно 40 мин. За это время система ориентации непрерывно наводила станцию на Луну, строго выдерживая ее в центре кадра, а приборы фотокамеры сами определяли экспозицию.
  • Специальная жаропрочная 35-миллиметровая пленка, защищенная особой броней от губительного воздействия космических лучей и радиолучей, наконец поступила в «химическую лабораторию» для проявления. Нужно было идеально точно провести процесс проявления, фиксажа, сушки, удаления влаги из камеры и подготовки пленки для передачи изображений на Землю.
  • Десятки тысяч километров отделяли станцию от Земли. И вот с Земли поступил приказ - начать передачу изображения. Экспонированная пленка вошла в перемоточную барабанную систему своеобразного кинопроектора, и фотоизображение Луны упало на экран передающей телевизионной трубки. Космическая телевизионная станция преобразовала световые сигналы в электрические и тотчас передала их на Землю.
  • С пульта управления приказывали то включить телевизионную систему, то перемотать пленку после передачи очередного снимка, то вести передачу медленно на большом расстоянии от Земли, то - быстро при подлете к Земле. Изменялось и число строк телевизионного изображения. Обычно оно составляется из 625 строк, а в космическом телевизоре число строк доходило до 1000 на кадр. По тому времени это было самое высококачественное телевещание.
  • В космосе очень много различных помех, но советские специалисты разработали такую систему космической телепередачи, при которой шумы и различные помехи сведены к минимуму. А ведь при наибольшем удалении станции от Земли мощность излучения, воспринимаемая ее передатчиками, в 100 млн. раз меньше средней мощности, воспринимаемой обычным домашним телевизионным приемником. Выбранный вариант телеаппаратуры оказался настолько удачным, что позволил донести достаточно четко и ясно фотографию Луны до Земли.
  • Более 20 лет советские ученые изучали и совершенствовали метод замедленной телевизионной передачи, и вот теперь он оказал человечеству огромную услугу. Благодаря ему без всяких промежуточных станций от передатчика ничтожно малой мощности удалось получить фотографическое изображение невидимой стороны Луны.
  • Электрические сигналы, поступавшие из космоса, преобразовывались в световые. Со специальных высокочувствительных телевизионных экранов изображение лунной поверхности записывали на скиатронах - электроннолучевых трубках, длительно сохраняющих изображение, на магнитной пленке с высокой стабильностью скорости, а также на аппаратах открытой записи на электрохимическую бумагу. Сочетание различных технических средств фиксации изображения Луны обеспечило получение точных, четких, надежных фотоснимков.
  • В отличие от импульсного излучения, применявшегося ранее, передача изображений Луны и все другие функции в линии радиосвязи осуществлялись с помощью непрерывного излучения радиоволн. Этот первый опыт совмещения функций в единой линии радиосвязи при непрерывном излучении обеспечил надежную радио- и телевизионную связь вплоть до максимальных расстояний при минимальных затратах энергии на борту автоматической станции.
  • Для повышения надежности радиосвязи вся аппаратура радиотелеметрической линии как на борту станции, так и на наземных пунктах была задублирована. В случае выхода из строя одного из радиотехнических приборов на борту или исчерпания ресурсов его работы он мог быть заменен резервным прибором путем подачи соответствующей команды с наземного пункта управления.
  • Траектория станции при фотосъемке выбиралась с таким расчетом, чтобы на снимках было достаточное количество известных лунных объектов. Это было необходимо для определения координат вновь обнаруженных объектов на обратной стороне Луны. На снимках оказалось 107 объектов, в том числе 51 видимый с Земли.
  • Исследование фотографий показывает, что на обратной стороне Луны нет таких обширных впадин, как Океан Бурь, и вообще «морей» относительно немного. Суммарная площадь обнаруженных «морей» - Моря Москвы и Моря Мечты - равна площади Моря Дождей. Продолжения у «пояса морей» не оказалось. Гор здесь значительно больше, чем равнин, плотность расположения кратеров выше, чем на видимой стороне. Заметно групповое расположение некоторых деталей в структуре гористых областей и больших кратеров. Кратеры занимают значительную часть площади. Природой и структурой образования объекты обратной стороны Луны не отличаются от таких же объектов на видимой стороне. Альбедо (отношение количества отраженной по всем направлениям от поверхности тела лучистой энергии к количеству падающей лучистой энергии) многих областей повышено, дно многих кратеров - темное. Иногда отмечается большая яркость, возможно, даже люминесценция центральных гор.
  • Концентрация ионов стационарного газа космического пространства, как оказалось, составляет около 1,5 частицы на 1 см3, и не 5·102, как это предполагалось на основании наземных наблюдений. Газовая оболочка Земли простирается, по-видимому, на 20 тыс. км, а магнитосфера (область, охватывающая пояса радиации) - на 80 тыс. км. Фотографирование обратной стороны Луны позволило создать первый лунный глобус, на котором неясной осталась только треть лунной поверхности.
  • Но космические станции даже с самыми совершенными научными приборами, стремительно пролетающие вблизи Луны, не в состоянии детально исследовать условия окололунного пространства, получить полную топографию всей лунной поверхности, определить особенности формы и внутреннего строения Луны и решить ряд других задач. Поэтому появилась необходимость создать вблизи Луны искусственные спутники.

    ПЕРВЫЕ МАГЕЛЛАНЫ ЛУНЫ

  • 3 апреля 1966 г. советская автоматическая станция «Луна-10» вышла на орбиту искусственного спутника Луны. Целью запуска было исследование не только окололунного пространства, но и поверхности Луны. На борту станции была установлена научная аппаратура для исследования микрометеоритов, магнитометр, а также приборы для регистрации корпускулярного излучения, так как допускалось, что около Луны есть скопление пылевых частиц, слабое магнитное поле и связанные с ним радиационные пояса. Кроме того, на станции находилась научная аппаратура для регистрации излучений самой Луны.
  • Станция состояла из двух основных частей: искусственного спутника Луны и специальной двигательной установки. Общий вес станции равнялся 1600 кг. Искусственный спутник Луны представлял собой герметичный контейнер весом 245 кг. В нем размещались радиоаппаратура и телеметрическая система, программно-временные устройства, научная аппаратура для исследования Луны и окололунного пространства, системы терморегулирования, антенные устройства и источники питания электрической энергией.
  • Двигательная установка станции состояла из жидкостного ракетного двигателя, баков с топливом, системы подачи топлива и системы органов управления, необходимых для стабилизации положения аппарата при работе двигателя в полете. На станции была научная аппаратура и служебные бортовые системы.
  • Сначала с помощью ракеты-носителя автоматическая станция и разгонный блок были выведены на орбиту искусственного спутника Земли со следующими параметрами; расстоянием в перигее 200 км, расстоянием в апогее 250 км, наклонением орбиты к плоскости экватора примерно 52°. Затем станция была переведена на траекторию полета к Луне, нацеленную в точку, удаленную от Луны на 1000 км. Эта траектория состояла из двух частей: участка движения станции в сфере действия Земли, где гравитационное притяжение аппарата Землей преобладает над притяжением его Луной, и участка движения в сфере действия Луны, где, наоборот, преобладает притяжение Луны.
  • Разгонный блок ракеты-носителя станции обеспечил ей скорость около 10,87 км/сек. При такой начальной скорости время полета до Луны ненамного превысило 3,5 суток. Правда, фактическое движение «Луны-10» несколько отличалось от расчетного, поэтому командно-измерительный комплекс подготовил данные для коррекции ее движения. Команда на проведение коррекции поступила с Земли во время одного из сеансов связи. Предварительно на борт станции были переданы исходные данные для коррекции. Дальнейшая работа систем станции происходила автоматически.
  • В результате коррекции скорость движения станции изменилась. Наземным комплексом были определены параметры скорректированной траектории полета станции. Практически траектория стала проходить через расчетную точку. По новым параметрам траектории были составлены исходные данные для проведения торможения с тем, чтобы перевести станцию на орбиту спутника Луны. Эти данные были переданы на борт станции.
  • На расстоянии примерно 8 тыс. км от поверхности Луны станция была сориентирована так, чтобы в момент торможения сопло двигателя было направлено против движения. Затем с системы управления поступил сигнал выключить двигательную установку. После выключения двигателя скорость автоматической станции снизилась с 2,1 до 1,25 км/сек, что обеспечило ей переход на орбиту искусственного спутника Луны со следующими параметрами: расстоянием в апоселении (максимальным расстоянием от поверхности Луны) - 1017 км; расстоянием в периселении (минимальным расстоянием от поверхности Луны) - около 350 км, периодом обращения - 2 часа 58 мин. 15 сек. Следует заметить, что рождение спутника Луны способствовало появлению таких астрономических терминов, как апоселений и периселений. Первый аналогичен хорошо известному слову апогей (точка наибольшего удаления от Земли), второй - слову перигей (точка наименьшего удаления от Земли).
  • Через 20 сек. после выключения тормозного двигателя система управления подала сигнал отделить искусственный спутник Луны от двигательной установки и отсеков системы управления. Потом начался первый сеанс радиосвязи с искусственным спутником Луны. Он показал, что аппаратура спутника работает нормально, система терморегулирования обеспечивает требуемый режим, спутник связан со станцией устойчивой радиосвязью.
  • Для того чтобы создать такой спутник, потребовалось решить много сложных научных и технических задач. Трудности кроются не столько в обеспечении энергетической оснащенности стартующей к Луне ракеты-носителя, сколько в автоматическом контроле за характером траектории полета, в том, чтобы своевременно включать и выключать тормозные корректирующие двигатели, в создании исключительно точного по величине и направлению корректирующего импульса. В самом деле, если тормозной импульс, создаваемый ракетным двигателем, не будет выдержан по расчету, то станция либо пролетит мимо Луны, либо упадет на ее поверхность.
  • На станции «Луна-10» была установлена следующая научная аппаратура:
  • трехкомпонентный магнитометр для уточнения нижнего предела возможного магнитного поля Луны;
  • гамма-спектрометр для исследования интенсивности и спектрального состава гамма-излучения поверхности Луны;
  • счетчики для регистрации солнечного, корпускулярного и космического излучения и для исследования электронов с целью обнаружения ионосферы Луны и изучения заряженных частиц «хвоста» магнитосферы Земли у орбиты Луны;
  • ионные ловушки для регистрации ионов и электронов «солнечного ветра» и поиска ионосферы Луны;
  • пьезоэлектрические датчики для регистрации в межпланетном и окололунном пространстве метеорных частиц с массой, превышающей одну стомиллионную грамма;
  • инфракрасный датчик для определения интегрального теплового излучения пород лунной поверхности.
  • Одной из основных задач полета было исследование гравитационного поля Луны по изменению параметров орбиты станции. Показания размещенных на спутнике приборов в сочетании с наземными траекторными измерениями позволяли учесть отклонение фактической формы орбиты от расчетной и тем самым уточнить фигуру Луны, что имеет исключительно важное значение для разработки и составления точной карты лунной поверхности.
  • Гамма-спектрометр, установленный на станции, дал возможность получить спектр гамма-излучения лунной поверхности, рассматривая который ученые, как мы уже говорили, пришли к выводу, что поверхностный слой Луны похож на земной. Наблюдаемый уровень радиоактивности приближался к радиоактивности основных земных пород - базальтов. Это явилось сильным аргументом против тех ученых, которые утверждали, что Луна никогда не находилась в расплавленном состоянии.
  • Одна из задач лунных спутников - исследовать метеорную обстановку в окололунном пространстве. Полеты искусственных спутников Земли показали, что на различных высотах околоземного космического пространства метеорное вещество распределено неравномерно. Как распределены метеорные частицы около Луны, было неизвестно, Между тем метеорные потоки представляют большую опасность для космических аппаратов, так как движутся со скоростями, достигающими десятков километров в секунду. Хотя вероятность встречи космического аппарата даже с ничтожно малыми метеорными телами невелика, все же для обеспечения полной безопасности полетов необходимо было расширить знания о составе и вариациях метеорных потоков в окололунном пространстве.
  • Другая важная задача, стоящая перед лунными спутниками, - тепловая характеристика Луны. Атмосфера Земли в инфракрасной части спектра имеет небольшое «окно прозрачности», через которое проникает излучение с длиной волн от 8 до 12 мк. Только благодаря этому «окну» можно измерять потоки теплового излучения тел, находящихся вне атмосферы Земли. Но для изучения полного теплового спектра Луны ширина «окна прозрачности» недостаточна.
  • Известно, что температура поверхности Луны меняется в широком диапазоне. Как только над лунным горизонтом восходит Солнце, температура поверхности Луны начинает быстро подниматься. К полудню в районе экватора в подсолнечной точке поверхность Луны нагревается до +130°. После захода Солнца она очень быстро остывает, и ее температура падает до - 150°. Подробное изучение тепловых характеристик Луны с близкого расстояния, когда показания приборов не искажаются атмосферой Земли, позволило составить точную тепловую характеристику Луны.
  • Магнитное поле Луны исследовалось с помощью космической ракеты «Луна-2», запущенной в сентябре 1959 г. Оказалось, что Луна обладает несущественным магнитным полем, напряженность которого не превышает, по крайней мере, тысячной доли напряженности земного магнитного поля. Требовалось уточнить величину магнитного поля Луны с помощью более чувствительного магнитометра.
  • Одна из интереснейших проблем - определение характеристик гравитационного поля Луны. Астрономические методы позволили определить только массу Луны, но не помогли узнать более точные характеристики ее гравитационного поля. Измерения параметров движения искусственных спутников Луны в течение длительного времени дают возможность проследить эволюцию орбиты. Поскольку характер орбиты зависит непосредственно от неоднородности гравитационного поля, появилась возможность с помощью прямых методов отличить поле тяготения Луны от сферически симметричного.
  • Область обзора лунной поверхности со спутника в основном определяется наклонением и высотой орбиты. Так, полярные орбиты позволяют за лунные сутки, равные 27 земным, просмотреть всю лунную поверхность. Для низких орбит каждый виток трассы спутника должен располагаться на градус западнее предыдущего. Хочется указать еще на одну исключительно важную возможность прикладного использования спутников Луны. Как известно, в земных условиях радиосвязь на больших расстояниях при помощи радиотехнических устройств коротковолнового диапазона возможна только потому, что радиоволны отражаются от земной ионосферы и благодаря этому могут преодолевать огромные пространства. У Луны нет ионосферы, подобной земной, и поэтому дальняя радиосвязь на коротких волнах на Луне невозможна. Радиотехнические устройства ультракоротковолнового диапазона здесь имеют весьма ограниченное использование, так как радиус прямой видимости на Луне из-за большой кривизны лунного шара вдвое меньше, чем на Земле. Поэтому дальнюю и сверхдальнюю радио- и телевизионную связь на Луне предполагается осуществлять через искусственные спутники. Лучше всего использовать для этой цели спутники, обращающиеся вокруг Луны на большой высоте, поскольку они могут продолжительное время находиться в зоне одновременной видимости из нескольких пунктов. Безусловно, можно пользоваться и низколетящими спутниками, если они будут оснащены специальной запоминающей электронной аппаратурой.
  • Что же дал науке первый в мире искусственный спутник Луны? За время активного существования, за те 56 суток, когда станция информировала Землю по радиотелеметрическому каналу о ходе своего полета, она совершила 460 витков вокруг Луны, пролетев 7 млн. км. Было установлено, что концентрация радиоактивных элементов: калия, тория и урана - в лунных породах соответствует содержанию этих элементов в таких земных породах, как базальт. Это очень важное открытие позднее было подтверждено непосредственным исследованием лунных пород на Земле.
  • Пространственная плотность микрометеоритов в окололунном пространстве оказалась выше, чем в межпланетном пространстве. Выяснилось, что в окрестностях Луны наблюдается повышенная интенсивность потоков частиц низкой энергии, в частности электронов.
  • Изучение эволюции орбиты спутника Луны легло в основу определения формы ее динамической фигуры, т. е. характера гравитационного поля Луны. Ранее существовавшие гипотезы предполагали вытянутость динамической фигуры в направлении Земли под влиянием постоянно действующих с ее стороны приливных сил. Соответственно этому утверждению, на обратном полушарии Луны должно было бы наблюдаться понижение сферической поверхности, компенсирующее вытянутость видимого полушария. Однако сведения о поле тяготения, полученные путем изучения движения станции «Луна-10», оказались иными. Измерения четко выявили вытянутость поля тяготения на обратном полушарии. При этом полушарие, обращенное к Земле, мало отличается от сферы.
  • По данным телеметрии, в течение всего активного полета спутника его бортовые системы и аппаратура функционировали нормально. Давление и температура в приборном отсеке удерживались в заданных пределах и составляли соответственно 850 - 860 мм рт. ст. и + 21 - 23°.
  • В период активного существования спутника с его борта семь раз передавалась мелодия «Интернационала»: в день выхода спутника на окололунную орбиту, в день завершения работы XXIII съезда Коммунистической партии Советского Союза, в День космонавтики, в ознаменование 96-й годовщины со дня рождения Владимира Ильича Ленина, 1 Мая, в День Победы, в день открытия XV съезда Ленинского комсомола.
  • Когда в просторах космоса величаво звучал гордый гимн пролетариев, парижская газета «Монд» восторженно писала: «Эй, Вы, Кабе, Фурье, Сен-Симон, несносные фантазеры, выдумщики, утописты! Вы были правы, пообещав обездоленным Луну с неба. Но лишь один из Вас, самый бородатый, самый ученый и, безусловно, самый близкий к реальности, - Маркс - сдержал свое слово. Ибо все увертки и все Ваши доводы рассудка бессильны перед действительностью. Самая невозможная, самая невероятная надежда социалистов XIX века сбылась».
  • Уникальные исследования, проведенные с помощью первого искусственного спутника Луны, - важный вклад в мировую науку. Они позволили значительно расширить наши знания о Луне и окололунном пространстве.
  • Оценивая значение искусственных спутников Луны, важно обратить внимание на следующее обстоятельство: если познание Земли как планеты шло от частного к общему, то в изучении Луны мы наблюдаем обратный процесс. Благодаря увеличению мощности и повышению чувствительности астрономических приборов по мере совершенствования космической техники удается со все большими подробностями исследовать поверхность лунного шара. Космические станции «Луна-3» и «Зонд-3» передали нам общую картину невидимой с Земли стороны Луны, а ее искусственные спутники позволяют не только получить более подробные сведения о характере рельефа лунного мира, но и решить ряд других научных задач по раскрытию его тайн.
  • В соответствии с программой дальнейшего исследования окололунного пространства и Луны 28 августа 1966 г. вблизи Луны появился второй советский спутник - «Луна-11». Это был сложный космический аппарат. В нескольких герметичных контейнерах его располагались блоки систем управления и астроориентации, радиооборудование, научные приборы, система терморегулирования, источники питания и другая аппаратура. На корпусе станции находились приемные и передающие антенны, часть научной аппаратуры, не требующая герметизации, исполнительные органы системы астроориентации. Здесь же были установлены баллоны с запасом газа для микродвигателей. В нижней части лунника помещалась двигательная установка, с помощью которой производилась коррекция траектории. Установка включала ракетный двигатель с системами подачи топлива, органов управления и баков с топливом. Она могла работать в нескольких режимах, в зависимости от того, какую задачу выполняла - коррекцию, торможение или стабилизацию.
  • Отсеки системы управления и астроориентации содержали комплекс гироскопических и управляющих приборов, электронно-оптические устройства для ориентации станции в полете, программно-временные устройства, систему радиосвязи с Землей. Нормальный тепловой режим работы всех систем и агрегатов на станции «Луна-11» поддерживался пассивно-активной системой терморегулирования. К пассивным средствам терморегулирования относилась соответствующая окраска наружных поверхностей, теплоизоляция и специальные экраны. Эти средства позволяли поддерживать нормальный температурный режим в большинстве отсеков станции.
  • В приборном отсеке системы управления температурный режим обеспечивался активной системой терморегулирования. Система телеметрии позволяла передавать с борта станции подробную информацию о работе ее приборов и систем.
  • Траектория полета «Луны-11» имела много общего с траекторией полета «Луны-10». Сначала с помощью ракеты-носителя на околоземную орбиту был выведен тяжелый искусственный спутник Земли. Удаление его от поверхности Земли в перигее (минимальное) - 205 км, а в апогее (максимальное) - 234 км. Наклонение орбиты к плоскости экватора составляло 52°. Затем с тяжелого спутника стартовала космическая ракета, которая вывела станцию на траекторию полета к Луне.
  • При подлете к Луне, когда станция находилась на расстоянии около 8 тыс. км от ее поверхности, система астроориентации, используя опорные направления на Луну и на Солнце, сориентировала станцию строго вертикально лунной поверхности. Разворот станции на нужные углы был осуществлен микродвигателями. Специальная система запомнила направление разворота и повернула станцию на требуемый угол так, чтобы к началу торможения двигатель занял нужное положение. Это положение система сохраняла до момента включения двигательной установки.
  • Исходные данные для торможения с целью перевода станции на орбиту спутника Луны были переданы на борт по радиоканалу. В 0 час. 49 мин. 28 августа автоматическая станция перешла с пролетной траектории на орбиту спутника Луны. Минимальное расстояние станции от поверхности Луны составляло около 160 км, максимальное - около 1200 км, наклонение плоскости орбиты спутника к плоскости лунного экватора - около 27°, а период обращения - около 3 час.


  • Автоматическая станция «Луна-12» (рисунок):
  • 1 - баллоны с газом для исполнительных органов системы астроориентации; 2 - фототелевизионное устройство; 3 - радиатор системы терморегулирования; 4 - радиометр; 5 - приборный отсек; 6 - химическая батарея; 7 - оптико-механический блок системы астроориентации; 8 - антенна; 9 - электронный блок системы астроориентации; 10 - управляющие двигатели; 11 - корректирующая тормозная двигательная установка.
  • С помощью комплекса научной аппаратуры, установленной на борту станции, были проведены различные исследования и эксперименты. Исследовалось гамма- и рентгеновское излучение лунной поверхности, что позволило уточнить состав лунных пород. По измерениям эволюции орбиты спутника были уточнены характеристики гравитационного поля Луны. Специальным прибором было измерено рентгеновское флюоресцентное излучение лунной поверхности. Особые устройства дали возможность измерить концентрацию метеорных потоков, их распределение, а также узнать интенсивность жесткой корпускулярной радиации вблизи Луны. Подобные исследования проводились автоматической станцией «Луна-10». Но ее орбита была наклонена к плоскости лунного экватора на 72°. Станция же «Луна-11» выполнила эти исследования в плоскости, близкой к экваториальной. К тому же научная аппаратура, установленная на «Луне-11», по сравнению с установленной на «Луне-10» была несколько изменена.
  • 1 октября 1966 г. автоматическая станция «Луна-11» выполнила свою программу научных исследовании, которые добавили много нового к нашим познаниям о Луне и окружающем ее пространстве. За время активного существования станции - 277 оборотов вокруг Луны - с ней было проведено 137 сеансов радиосвязи.
  • 22 октября 1966 г. на траекторию полета к Луне была выведена автоматическая станция «Луна-12». 23 октября, в соответствии с программой, была осуществлена коррекция ее движения. Для выхода станции на селеноцентрическую орбиту, близкую к экваториальной, была выбрана расчетная точка прицеливания, находящаяся на расстоянии 1290 км от поверхности Луны. В момент достижения этой точки станция «Луна-12» обладала скоростью, превышающей вторую космическую скорость на данной высоте полета, - 2085 м/сек. При такой скорости силы притяжения Луны не в состоянии изменить траекторию полета станции настолько, чтобы перевести ее на орбиту спутника Луны. Поэтому для перевода станции на селеноцентрическую орбиту необходимо было торможение.
  • За час до выхода в расчетную точку, когда станция находилась на расстоянии около 8 тыс. км от Луны, она была сориентирована в строго определенном положении относительно Луны - по лунной вертикали. Затем была включена двигательная установка, проработавшая расчетное время - 28 сек. Скорость движения станции уменьшилась до 1148 м/сек. Станция перешла с пролетной траектории на орбиту спутника Луны с максимальным расстоянием от поверхности Луны (в апоселении) около 1740 км и минимальным (в периселении) около 100 км. Период обращения вокруг Луны составлял 3 часа 25 мин.
  • Автоматическая станция «Луна-12» не только продолжила исследования, начатые предшествующими лунниками, но и передала на Землю уникальные фотографии лунной поверхности. Правда, разрешающей способностью они намного уступают фотографиям, сделанным станцией «Луна-9». Ведь «Луна-12» фотографировала с высоты 100 - 340 км от поверхности, поэтому наименьшие разрешаемые объекты достигали 15 - 20 м в поперечнике, а «Луна-9» «сидела» на грунте. Но кругозор «Луны-9» был весьма ограничен, она видела только «у себя под носом», тогда как на снимках «Луны-12» видны большие участки, площадью в несколько десятков квадратных километров. Следует заметить, что фотографирование Луны с орбиты по тому времени представляло собой сложную техническую задачу.
  • До определенного этапа полет станции с фототелевизионной аппаратурой проходил по той же схеме, что и полет станции, не оснащенной этой аппаратурой. Но для фотографирования необходимо, чтобы периселений орбиты был достаточно низким, ибо чем ниже периселений, тем больше разрешающая способность аппаратуры. Однако при очень низком периселении вследствие быстрого движения станции относительно Луны изображение рискует оказаться смазанным. Правда, фототелевизионное устройство может быть снабжено механизмом для компенсации сдвига изображения, но ниже определенной высоты действие этого механизма может стать неэффективным. Именно неисправность механизма для компенсации сдвига изображения помешала длиннофокусной фотокамере американского космического аппарата «Лунар орбитер» получить снимки удовлетворительного качества. Хорошие снимки этому аппарату обеспечивала только короткофокусная камера, но ее разрешающая способность составляла всего 7 - 8 м.
  • Итак, высота периселения для станции с фототелевизионным устройством должна быть выдержана очень строго. Но это одна сторона дела. Другая состоит в том, над каким районом Луны окажется периселений. Он должен быть над районом или последовательно над несколькими районами, которые представляют наибольший интерес для фотографирования.
  • Укажем на еще одну особенность орбитального лунника с фототелевизионным устройством. Ему необходимо придать строго определенную ориентацию в период съемки, так, чтобы объективы фотокамер смотрели на район Луны, подлежащий фотографированию, а не на соседние районы и, тем более, не мимо Луны - в космос.
  • «Луна-12» успешно справилась со своими задачами.

    далее