вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1994 №4



«Луноход»: рождение проекта

А. С. БОРИСОВ, О. С. ДЕРЕВЯНКО, В. Н. ЗАЙЦЕВ,
В. С. САЛОМАТИН
НПО «Энергия»

Прошло более двадцати лет с того дня (17 ноября 1970 г.), когда «Луноход-1» — первый советский лунный самоходный аппарат — «ступил» на поверхность Луны. Его работа оказалась чрезвычайно плодотворной — он прошел по Луне путь в 10,5 км (время работы 301 сут), передав на Землю более 200 панорам и 20 тыс. снимков поверхности, а также собрав огромный научный материал. Через два года (16 января 1973 г.) «Луна-21» доставила второй автоматический аппарат — «Луноход-2». Как возникла идея посылать автоматы на Луну, как оттачивалась их конструкция и проходили испытания?

В июне 1960 г. Постановление ЦК КПСС придает лунной тематике, до этого разрабатывавшейся в нашей стране в инициативном порядке, директивный характер. Тогда было принято решение о посылке на Луну, помимо пилотируемых кораблей с экипажами, автоматического самоходного.

В начале 60-х гг. Опытное конструкторское бюро (ОКБ-1) возглавлял академик С. П. Королев. Проектным отделом, где разрабатывалась лунная тематика, руководил доктор технических наук, профессор М. К. Тихонравов (Земля и Вселенная, 1991, № 6, с. 54), работавший еще в 30-е годы вместе с С. П. Королевым в ГИРДе. Этот отдел и начал разработку вопросов, связанных с доставкой малогабаритного аппарата, или «Лунохода» (как был сразу же окрещен новый аппарат) на поверхность Луны, и попытался определить возможность его «мягкой» посадки. Первые расчеты показали, что при использовании имевшихся ракетных средств для этого потребуется создать дополнительную тормозную ракетную ступень, которая затормозит посадочную платформу с аппаратом и обеспечит «мягкое» соприкосновение ее с лунной поверхностью. В этом случае масса самоходного аппарата может быть примерно 600 кг.

Накопленный к тому времени в ОКБ, руководимом С. П. Королевым, научный и практический опыт позволял определить состав аппаратуры на борту «Лунохода» и сформулировать предварительные требования к его системам.

В 1961-62 гг. к работам по «Луноходу» С. П. Королев привлек ученых, занимавшихся ранее лунной проблематикой, а также некоторые учреждения, накопившие знания о Луне. Среди них — Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ, Горький), где под руководством профессора В. С. Троицкого производились радиолокационные измерения характеристик лунной поверхности, Астросовет АН (при непосредственном участии доктора физико-математических наук А. Г. Масевич), Пулковскую Главную и Крымскую астрофизические обсерватории, собравшие бесценные сведения о природе Луны (профессор В. А. Крат, академик А. А. Михайлов, академик А. Б. Северный).

В своем конструкторском бюро Сергей Павлович продолжал наращивать интенсивность работ по созданию «Лунохода». В 1963 г. специалисты, занимавшиеся проектированием, были оформлены в отдельную группу, научным руководителем которой стал М. К. Тихонравов. В обязанности сотрудников вошли определение общего облика аппарата и его компоновка, постоянный учет массы и «привязка» последней к средствам доставки на Луну, предварительные расчеты схемы полета. В условиях жесточайших ограничений массы всех узлов предстояло определить оптимальный состав бортовых технических систем и средств, их номинальные и предельно допустимые параметры.

К этому времени исследования в Научно-исследовательском институте Госкомитета автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения (НАТИ), которому первоначально было поручено изготовление шасси «Лунохода», показали, что эта область промышленности не сможет обеспечить соблюдение заданных технических параметров.

КОНЦЕПЦИЯ «ЛУНОХОДА»

Проведенные в отделе М. К. Тихонравова инженерные расчеты и проектные проработки показали, что существовавшие к тому времени в отечественной космонавтике аппаратура и технологии позволяли создать принципиально новый аппарат. После же отказа НАТИ (в мае 1963 г.) пришлось перерабатывать проект «Лунохода». Были скорректированы некоторые технические параметры. Например, ужесточались требования к массовым характеристикам шасси: эта величина уменьшилась со 120 до 85—100 кг.

В целом же требования к «Луноходу», как к космическому объекту, оставались прежними:

— продолжительная работоспособность в жестких условиях Луны,

— минимальная масса при максимальной проходимости,

— дистанционная радиотелевизионная или автономная программная управляемость движением «Лунохода»,

— высокая надежность.

ВСЕ НАЧИНАЕТСЯ С АНАЛИЗА

Следует отметить, что хотя в изучении поверхности Луны и традиционными методами и новыми (радиолокация, фотографирование комическими аппаратами) к тому времени советская и мировая наука достигла значительных успехов, все же знаний для принятия инженерных решений по вопросам, возникавшим при создании «Лунохода», пока еще недоставало. Проблемы удивительным образом смыкались одна с другой и, не разрешив одну, невозможно было приступить к следующей; расчет и проектирование тормозной ракетной ступени связаны со знанием траектории полета; траектория полета, в свою очередь, зависит от выбора района посадки, последний определяется как выбранной схемой полета, так и свойствами лунной поверхности.


Один из вариантов «Лунохода»

Но начинать надо было с прогноза механических свойств лунного грунта. Были установлены рабочие контакты с ГАИШ МГУ, Пулковской и Бюраканской обсерваториями, со специалистами по радиолокации Луны и специалистами Геологического института АН СССР. М. К. Тихонравов внимательно следил за ходом работ, отклоняя поспешные и легковесные выводы. Так, например, при подготовке технического задания (ТЗ) на шасси «Лунохода», желая сделать его максимально проходимым, мы, молодые инженеры, выставили требование преодолевать уклон величиной 45°. Когда пришли согласовать это задание к Михаилу Клавдиевичу, он прочел ТЗ и пояснил, что эта цифра очень завышена и что при таком угле наклона начинается естественное осыпание сухого грунта. Чтобы убедить составителей документа в нереальности выдвинутых требований, он тут же спросил: «Какой самый значительный уклон на улицах Москвы?». Москвичи, разумеется, знают, что наибольший уклон на московских улицах — в районе Трубной площади, но никто из присутствующих не знал его величину. «Вот поезжайте туда и померьте», — посоветовал Михаил Клавдиевич Тихонравов. Поехали, измерили. Оказалось, уклон всего лишь 12°. Этот случай доказал, что максимализм — не лучшее решение в труде проектировщика новой техники и в последующих редакциях ТЗ величина преодолеваемого уклона была уменьшена.

Обработка большого количества снимков различных участков лунной поверхности, анализ естественных геометрических характеристик лунных кратеров и их распределения позволили подтвердить правильность выбора габаритных и компоновочных параметров аппарата. Однако имевшаяся информация не позволяла ответить на вопрос о прочностных свойствах и несущей способности грунта, особенно на наклонных поверхностях лунных кратеров. М. К. Тихонравов поддержал идею об изучении механических свойств возможных аналогов лунного грунта. Организовали поездку на древние вулканы Армении, где для изучения были отобраны образцы вулканических шлаков и различных фракций туфов, возможно наиболее близких «родственников» лунных грунтов, что позволило незамедлительно приступить к отработке характеристик движителя, зависящих от их свойств (абразивный износ и др.). Однако это оставалось лишь предположениями, часто мнения специалистов расходились, и это вынуждало проектировать «Луноход» с различными вариантами компоновок движителя. Поскольку «Луноход» должен был вести активную жизнь в жестких условиях перепада температур, проектировщиков особенно беспокоили ночные морозные условия. Прорабатывались различные варианты проектов, но прежде всего решили выявить реальное влияние лунных температур на жизненно важные системы аппарата. Стандартные блоки серебряно-цинковых батарей зарядили и поместили в термокамеру, где поддерживалась температура жидкого азота. Через двое суток часть батарей вышла из строя. Пришлось начать специальные исследования... Так постепенно формировался предварительный облик «Лунохода».
Схема устройства одного из вариантов «Лунохода»: 1 — шасси; 2 — панель солнечной батареи; 3 — приборный контейнер; 4 — астрокупол; 5 — датчик положения Земли; 6 — положение панели СБ при низком Солнце; 7 — щелевая антенна; 8 — приборы бортовой автоматики; 9 — тепловой экран; 10 — радиационная поверхность СТР

Специалисты ОКБ просчитывали и оценивали различные варианты терморегулирования Лунохода (в том числе и с использованием радиоизотопного источника энергии), но наиболее приемлемым оказался традиционный — термостатирующая замкнутого типа (обеспечивающая заданный интервал эксплуатационных температур в герметичном приборном объеме) система энергопитания, состоящая из солнечной батареи и буферного электронакопителя. Запасенной в накопителе энергией предполагалось обогревать отсек электронакопителя в течение продолжительной морозной лунной ночи. Днем этот же электронакопитель позволил бы интенсифицировать движение «Лунохода» на труднопроходимых участках маршрута.

ПРОБЛЕМА УПРАВЛЯЕМОСТИ

Новой для всех стала задача выбора характеристик телевизионной системы управления «Луноходом» с Земли. Из-за ограниченных электроэнергетических возможностей аппарата некоторые специалисты предлагали использовать на нем так называемое «медленное телевидение», т. е. уйти от общепринятого телевизионного стандарта и, за счет сокращения количества передаваемых кадров, снизить бортовое энергопотребление. Однако при этом управлять «Луноходом» пришлось бы, глядя на медленно (или скачкообразно) меняющуюся картину лунного пейзажа. По остальным требованиям к телевизионной системе, таким, как обзорность, разрешающая способность получаемого изображения и целесообразность для наземного оператора, управляющего движением лунохода, иметь перед собой изображение лунного ландшафта, готовых ответов также не было. Поэтому при содействии М. К. Тихонравова, пока к работам по «Луноходу» не подключились специалисты по системам управления, мы приступили к экспериментальному поиску, создали платформу, установили на нее комплект телевизионных средств от корабля «Восток» и затем смонтировали ее на автомобиле ГАЗ-69. Затем поочередно садясь за «баранку», пытались двигаться на автомобиле по приборам, глядя на ландшафт только на экранах мониторов. Испытания убедили в необходимости максимального обзора в горизонтальной плоскости (вплоть до круговой панорамы) и помогли определить и другие требования к телевизионной системе «Лунохода».

ОБЛИК АППАРАТА

Компоновка аппарата определялась также не без проблем. Например, исследования показали, что при движении «Лунохода» солнечная батарея, которая для получения максимального энергопритока должна отслеживать положение Солнца над горизонтом, и параболическая радиоантенна, обеспечивающая двухстороннюю связь «Лунохода» с наземным пунктом управления, будут часто затенять друг друга. После трудного поиска было решено использовать на «Луноходе» антенну с так называемой «ножевой» диаграммой направленности (в виде лепестка, сжатого в горизонтальной плоскости и растянутого в вертикальной). Направленность такой антенны на Землю должна была поддерживаться (с использованием специального датчика Земли) электронной коммутацией ее элементов, разворачивающих излучающий «лепесток» в направлении Земли (по сигналам датчика). Солнечная батарея в этом случае компоновалась из двух подвижных полукольцевых секций и возможность «радиозатмений» была исключена.

Поскольку минимальная масса герметичной конструкции обеспечивается при сферической форме ее корпуса, «Луноход» приобретал следующий компоновочный облик: на силовую основу (кольцевой шпангоут) устанавливалась приборная рама с радиоэлектронной аппаратурой и электроавтоматикой, на него же подвешивались блоки буферной батареи (электронакопителя). Нижняя часть герметичного корпуса имела форму шарового сегмента, верхняя — форму полусферы, опирающейся «экватором» на силовой шпангоут. На внешней поверхности полусферы размещались два кольцевых пояса щелевых излучателей радиотелевизионной антенны. Полюсную зону приборного контейнера «Лунохода» занимал «астрокупол» с системой астроориентации аппарата и телекамерой, позволяющей вести панорамный обзор лунного ландшафта.

Но самым сложным при проектировании оставался вопрос о характеристиках движителя. Слишком много было неопределенностей! Поэтому приняли решение вести разработку двух вариантов шасси: колесного, для случая, если лунный грунт окажется плотным, и гусеничного, если лунный грунт окажется сыпучим, пылеообразным. Учитывая, что на Луне вес «Лунохода» станет вшестеро меньше, чем на Земле, расчетная ширина гусеничной ленты оказалась — небольшой и компоновка «Лунохода» приобрела завершенный вид, напоминая одновременно и грозный боевой танк и экзотическую «масленку с шишечкой», как образно выразился один наш знакомый.

ЗАВЕРШЕНИЕ ПРОЕКТА

Во исполнение указания Д. Ф. Устинова (в то время министра оборонной промышленности), в мае 1963 г. работы по созданию шасси «Лунохода» были переданы в Ленинградский всесоюзный институт ВНИИ-100. Туда же в октябре 1963 г. направили переработанное техническое задание, где уже указывались и некоторые новые характеристики аппарата: масса «Лунохода» — до 900 кг, диаметр приборного контейнера — 1800 мм, максимальная скорость передвижения по Луне — до 4 км/ч, предельное энергопотребление в течение 10 мин — до 1000 Вт, при номинальном энергопотреблении — до 250 Вт.

Определение основных параметров аппарата позволило, наконец, завершить компоновку посадочной лунной платформы, которая должна была принять на себя основные ударные нагрузки при осуществлении «мягкой» посадки «Лунохода» на Луну. Для различных вариантов была проработана общая компоновочная схема, связывающая воедино тормозной ракетный блок, «Луноход» и посадочную платформу со средствами, обеспечивающими выезд его на поверхность.

Подключение к проектным работам специалистов ВНИИ-100 придало работам динамичность. Начался медико-психологический отбор операторов для управления «Луноходом», а также исследования по подбору смазочных материалов. К концу 1964 г. информация от головных разработчиков была обнадеживающая, смежники подтверждали возможность выполнения заданий, заложенных в проект. Теперь требовалось подключение к работам по «Луноходу» не только новых трудовых коллективов, но и значительных средств. С. П. Королеву предстояло в очередной раз преодолеть межведомственный барьер.

Несмотря на свою огромную занятость текущими делами, Главный конструктор находил время заниматься финансовыми и организационными вопросами проекта. 29.04.65 г. один из заместителей направил С. П. Королеву служебную записку, содержание которой можно трактовать, как попытку сдержать темп работ по созданию «Лунохода». Сергей Павлович реагирует молниеносно и жестко. На записке размашисто пишет: «Считаю, что договор надо подписать немедленно! Эскизный проект смотреть надо! Помогать ВНИИ-100 тоже надо. 30/IV. С. Королев».

«ЛУНОХОД» ПЕРЕЕЗЖАЕТ В ХИМКИ

В те годы Сергей Павлович начал освобождать свое КБ от работ по автоматическим аппаратам для венерианской, марсианской и лунной тематики. Таким образом он старался сосредоточить основные творческие силы коллектива на создании новой мощной ракеты-носителя. Новый носитель позволил бы резко расширить возможности исследования планет Солнечной системы. Настал черед и «Лунохода». Королев предложил передать проект «Лунохода» в КБ, руководимое Георгием Николаевичем Бабакиным (в г. Химки). Как быть? Не очень-то хотелось отдавать в чужие руки выстраданный в творческом поиске проект. Но день настал. Собрав чертежи, мы поехали в Химки. Г. Н. принял нас в своем кабинете, пригласил своих специалистов, и начался процесс «вживления» новых людей в нашу работу.

Мы понимали: нам предстоит расставаться либо с тематикой «Лунохода», либо с предприятием в Подлипках (ОКБ-1 — Ред.). Наступил день, когда Г. Н. пригласил к себе и предложил перейти работать к нему, в химкинское КБ. Мы все были патриотами «фирмы» и очень верили в талант Королева, в его целеустремленность, волю, энергию, беспредельную преданность идее. В сравнении с ним, в нашем представлении, Г. Н. был всего лишь последователем, воспринявшим одно из научно-технических направлений, предложенных С. П. Королевым, и поэтому при очередной встрече с Г. Н. Бабакиным мы сообщили ему о своем решении вернуться на работу в Подлипки.

Лунная тематика в Химках прижилась. Созданные под руководством Г. Н. Бабакина «Луноходы» были доставлены на Луну, исследовали ее поверхность. Советский Союз продемонстрировал свои интеллектуальные и технические возможности. Вскоре были реализованы и другие проекты (собственные разработки химкинских специалистов), в том числе и проект по доставке образцов лунного грунта.

Что же касается «луноходной» программы, то сегодня очевидно, что потенциальные возможности, заложенные в эту программу, оказались значительными и далеко еще не исчерпаны. Вот лишь два примера того, как можно использовать их. После того, как были созданы и отработаны в реальных условиях средства телевизионного управления автоматами на космических расстояниях, напрашивался следующий шаг — создание телевизионно-управляемых средств для использования на Земле, в тех экстраординарных условиях, где использовать человека бесполезно или опасно. После того, как было создано и отработано в реальных условиях малогабаритное транспортное средство, способное двигаться по бездорожью в экстремальных условиях, следовало создать малогабаритное транспортное средство (минитрактор) для использования на Земле, например, в полярных областях (в Арктике, Антарктиде), в зонах радиационного заражения (что и было сделано: мы все помним робота, расчищавшего крыши энергоблоков Чернобыльской АЭС. — Прим. ред.). Общество, создавшее совершенно новые технические средства, получившее огромный интеллектуальный потенциал, пока еще не востребовало в полном объеме знания, навыки и многолетний опыт создателей космической техники. Хочется верить, что знания и опыт, которые получены при создании и эксплуатации «Луноходов», не раз еще найдут свое применение.