ПОСАДОЧНОЕ УСТРОЙСТВО

Подошла очередь рассказать и про Лунное посадочное устройство (ЛПУ). С чего начать? Наверное, с общих требований, которые к нему предъявлялись. Составлять у нас их было некому. Пришлось самим, как было модно в то время, коллегиально разрабатывать пункт за пунктом эти требования.

Первое и основное требование, которое определяло назначение — это на какой грунт и какую энергию, а проще говоря, на какие посадочные скорости нужно было рассчитывать устройство. Выше мы вкратце останавливались на этом и говорили о возможном слое пыли и о твердости грунта и т.д. Споров было много, ведь эти параметры были основными для разработки ЛПУ. Кто мог взять на себя ответственность за это? Никто не решался. И тогда к С.П.Королеву пошел наш начальник отдела И.С.Прудников. С.П. выслушал и дал заключение, про которое мы уже рассказывали. Определил он и скорости, которые необходимо было обеспечить к моменту прилунения, и главное, что с высоты одного метра корабль падал на достаточно твердый грунт, имея незначительную боковую скорость.

Само собой напрашивалось требование, что посадочное устройство должно исключать опрокидывание аппарата после удара о поверхность, которая могла быть не только горизонтальной, но и наклонной. Каким задаться наклоном? Долго спорили и приняли предельный склон 30°. Угол вроде небольшой на чертеже. Но попробуйте посмотреть сверху вниз на наклонную ленту эскалатора в метро. Дух захватывает от этого наклона. На Луне нас не ждали, и идеально ровную поверхность для посадки нашего корабля никто не приготовил. С детства мы смотрим на Луну. Воображению предстают и горы, и моря, и кратеры. Их-то особенно хорошо видно. А каких они размеров, а вдруг есть такие, которые будут сильно препятствовать посадке. Сколько их на выбранной посадочной площадке? Лунный корабль имеет возможность горизонтального маневра над поверхностью. Но дефицит масс делал этот маневр минимальным: в несколько сот метров и все! А если и там кратеры? Какие выбрать их размеры для дальнейших расчетов? Стали внимательно изучать снимки «Рейнджера». И хотя этот аппарат при посадке разбился, он успел передать на Землю не одну тысячу снимков. Погибая, он оставлял людям бесценную информацию. И надо отдать должное нашим американским коллегам, что они не скрывали эту информацию, а наоборот, опубликовали в виде отдельных книг и карт. Анализ показал, что наиболее вероятной может быть встреча с кратером диаметром в 7 метров. Вот его-то и заложили в исходные предпосылки. Наклон в 30° — и под ногой кратер! Это было слишком, поэтому ограничились углом в 20°, если на поверхности оказывался кратер. Ну вот вроде и все. «Печка», как мы говорили, определилась!

Как совершить посадку пилоту на неизведанную планету? Как учесть все коварства поверхности? Эти вопросы постоянно терзали нас. Не последнюю роль играло наше небесное светило Солнце. Ведь если Солнце будет в зените, теней от неровностей не увидишь. Не увидишь их и когда нет Солнца. Следовательно, посадку нужно совершать, когда Солнце будет над горизонтом. Лучи Солнца более рельефно обрисовывают поверхность при угле около 7°. Значит посадку нужно совершать или утром, или вечером. Так что пилоту-космонавту мы несколько облегчили задачу. Но первым летел к Луне беспилотный корабль. Такая уж тенденция была заложена в основу всей советской пилотируемой космонавтики, что дорогу космонавтам прокладывал автомат. Поэтому ни одним из перечисленных, выше требований нельзя было пренебречь. Поисками районов посадки занимались серьезно и основательно. Основные усилия управленцев были направлены на поиски более щадящих условий посадки. Но разработка посадочного устройства велась в расчете на жесткие условия.

Вернемся к ЛПУ. Каким оно должно быть? Каждый представлял его по-своему. Проблема создания ЛПУ захватила весь наш сектор.

На одной из встреч с читателями известный поэт С. Михалков на вопрос: «Сколько длится Ваш рабочий день?» — ответил: «Я работаю 24 часа в сутки, так как и во время сна остаюсь в состоянии мысленного поиска». В этом ответе, возможно, не так уж много преувеличения. Творчески работающие инженеры, активные изобретатели порой долгие периоды времени находятся в состоянии непрерывной умственной работы. Вспомним хотя бы яблоко Ньютона. Бывает так, что сложные проблемы преодолеваются вдруг быстрее, чем предполагалось, а простые на первый взгляд инженерные задачи становятся неподатливыми.

Каждый из нас старался придумать оригинальную конструкцию. Очень не хотелось делать такие ноги, как у американцев. В нашем конструкторском зале стоял громадный кульман, и на нем каждый оставлял эскиз своего ЛПУ. Каких вариантов там только не было!

На рисунке 23 приведены некоторые варианты ЛПУ, а всего их было около двадцати. Один из вариантов был просто фантастическим. Кто-то предложил весь аппарат поместить в специальный бак с водой. При ударе вода сдемпфирует остаточные скорости, корабль опустится на поверхность, и тогда откроется кран, вода сольется и ура! В пользу этого варианта приводился довод, что если в стакан с водой положить сырое яйцо и бросить на пол, стакан разобьется, вода прольется, а яйцо останется целым. Мы не стали убеждаться в этом, так как абсурдность этого варианта была очевидна.

Начали обсуждать первоначальный вариант ЛПУ, предложенный ракетчиками (вариант 1). Опорное кольцо обладало одним бесспорным преимуществом — устойчивость во всех направлениях одинакова. Другими словами, в какую бы сторону ни летел ЛК, опрокидывающая сила будет во всех направлениях одинакова. Других преимуществ у кольца не было, а скорее наоборот. Кольцо становилось коварным, если хотя бы под одну из точек попадет камень, аппарат сразу становился неустойчивым и покачивался относительно преграды.

Устойчивыми на плоскости, как учит нас геометрия, являются предметы, имеющие три точки опоры. Такая трехточечная опорная система применена в аппарате «Сервейер». Да, перевернуть такой аппарат через опору сложно. Но как легко кувыркается стол или стул на трех ножках, вы сами можете убедиться. И опрокидывание происходит через линию, проходящую между ножками, она-то наиболее близка к осевой. Если в кольце все точки равно удалены от центра, то для такой же устойчивости (чисто теоретически) в трехопорной схеме требуется примерно в два раза большая база (расстояние между опорами). Вот теперь стали и мы убеждаться, что нужны четыре опоры, ведь по сравнению с кольцом они были по базе хуже только на 30%. Дальнейшее увеличение числа ног у посадочного устройства уже не приводило к резкому преимуществу по запасам устойчивости.

В четырехопорных вариантах для дальнейших исследований оставили две схемы: классическую, похожую на американскую, и совершенно новую, необычную. Предложил ее А.А.Саркисьян. Надо отдать должное его нестандартному мышлению. Он был непревзойденным новатором всех механических узлов корабля. А схема его была такова. Представьте себе, что все четыре опоры связаны между собой замкнутым тросом, как показано на рисунке 24 (2 — посадочная опора; 3 — сотовые амортизаторы; 4 — замкнутый трос; 5—блок-тормоз).

Пойдет хотя бы одна нога вверх, остальные тут же начнут выдвигаться вниз, как бы встречая опорную поверхность. И как только последняя опора коснется поверхности, начнется повышенная перегрузка и в системе. Тогда срабатывает блок-тормоз, а конечные устройства опор в виде сотовых амортизаторов погасят энергию удара.

Замечательная схема! Все очень просто и заманчиво. Трудно было себе представить, что такой громадный аппарат удержится при резко уменьшенной базе, но расчеты показывали, что при заданных нами условиях он стоит. Молодые инженеры были в восторге от такой схемы. Но наши опытные руководители были более осторожны. Последовали вопросы, на которые нужно было отвечать. А если обрыв троса, отказ тормоза, увеличенные боковые скорости?.. Первые два вопроса были понятными. Сторонники схемы доказывали, что можно сделать с хорошими запасами работоспособности и трос, и тормоз. Нужно было ответить и на третий вопрос. И опять убеждаешься, что все гениальное просто. Все тот же А. А. Саркисьян предложил установить на каркас ЛПУ в районе опор пороховые двигатели, которые на первый взгляд увеличивают скорость встречи с поверхностью, так как их сопла направлены вверх. На самом же деле вопрос был во времени включения. Если их включить до касания, то они увеличат скорость встречи, а если в момент касания? Вот тут и заключалась идея. Двигатели как бы припечатывали аппарат к поверхности и тем самым заранее гасили весь опрокидывающий момент. Мы их так и назвали «двигатели прижатия»: они в конечный момент прилунения прижимают аппарат к поверхности с различным рельефом.

Но самое главное преимущество такой схемы было в том, что она позволяла вертикализировать аппарат при посадке. Если садились на площадку наклоном в 20°, ось аппарата отклонялась от вертикали на несколько градусов.

	Рис. 25. Модели активного ЛПУ

Схема получила у нас название активной (рис. 25). Более привычная схема с базой между опорами, в полтора раза превосходящей базу активной схемы, как-то успокаивала глаз. Ни одни, ни другие сторонники той или иной схемы не могли доказать их неоспоримые преимущества. В пассивной схеме ни о какой вертикализации думать не приходилось, а сама схема даже усугубляла положение, а в активной схеме серьезной проблемой было создание оконечных амортизационных устройств, которые должны были гасить и вертикальную, и горизонтальную составляющие. Решили испытать все на моделях. Заказали модели активной и пассивной схемы. Какой выбрать масштаб? Поскольку на Луне сила тяжести примерно в шесть раз меньше земной, такой и приняли масштаб. Стремились выдержать все детали штатного исполнения.

Создание моделей — это целая наука, ведь результаты испытаний нужно потом перенести на натуру. Это хорошо знают аэродинамики, которым не под силу продуть целый самолет. Так и мы мучились над созданием моделей. Вопросов было много. Например, где найти пороховые двигатели малой тяги. Решили сделать так: поскольку равнодействующая всех четырех двигателей прижатия проходила через центральную ось в активной схеме, на эту модель поставили один центральный пороховой двигатель. Позже аналогично поступили и в пассивной схеме.

Рис. 27. Боковой подкос стойки посадочного устройства ЛК (видны сотовые энергогасители и на стойке парирующий двигатель)

Или другой пример. Как гасить энергию в подкосах и стойках (пока на моделях) в пассивной схеме? Придумали специальные фрикционные гасители: зажатые вкладыши терлись о шток и гасили кинетическую энергию. Особо стоял вопрос о гашении энергии в активной схеме. Тут впервые Б.И.Сотников предложил использовать в активной схеме сотовые «башмаки», а в пассивной — сотовые вкладыши в опорах (рис. 27). Мы еще вернемся к ним, когда будем рассказывать об энергопоглотителях в выбранных схемах. Но как эти энергопоглотители применить в «башмаках» активной схемы? По расчетам необходима была очень тонкая фольга. Промышленность такую не выпускала. Предложили производственникам сделать отверстия. Они ответили, что не могут, так как на сверло наматывается фольга. Мы решили обжать исходный материал накладками и просверлить, а потом сформировать «башмак».

Много хлопот было с блоком тормоза и элементами, обеспечивающими его надежную работу. Постепенно определились облики моделей. Модель моделью, но нужно было создавать установку для испытаний с имитацией различных начальных условий движений моделей: скорости боковой и вертикальной, угол встречи с поверхностью (посадка по склону и посадка на склон), положения оси объекта на определенной высоте и лунного грунта. Для создания кинематических условий сделали специальную качалку. Качалка обеспечивала плоско-параллельное движение модели в момент отцепки, что по нашим исследованиям было очень близко к штатной схеме посадки.

Особый вопрос стоял о грунте, на который производился сброс. Вспомним, как спрогнозировал твердость грунта С.П.Королев. Лунный грунт — это что-то, похожее на пемзу. Грунт для укладки в поворотный поддон подбирали особенно тщательно. В горах Армении нашли туф, очень похожий по виду на пемзу, но гораздо мягче. После долгого анализа различных образцов остановились именно на армянском туфе. Туф прислали. Не обошлось без курьезов. В одном из ящиков обнаружили увесистую металлическую чушку. Во вложенной записке прочитали, что положена она для увеличения массы посылки. Зачем? Так и не отгадали, вот уж действительно армянские шутки. Туф получили в виде отдельных небольших плит размерами примерно 300х400 мм. Оставалось теперь сымитировать на поддоне лунный кратер, и установка была готова.

Не одну сотню сбросов сделали на моделях. Хорошо показала себя активная схема, но и пассивная ей не уступала по устойчивости. Тогда и решили использовать двигатели прижатия активной схемы в пассивной схеме, другими словами, делать пассивную схему в активном исполнении. Предложил это соединение И. С. Прудников, начальник нашего отдела. Сделали по такой схеме еще сотню сбросов и перешли к испытаниям полноразмерного макета. Разработки по активной схеме не прошли даром. Идея со взаимной дифференциальной связью выдвижных элементов была позднее использована и в стыковочных устройствах АПАС в программе «Союз-Аполлон».

Общий вид установки для испытаний придумывать не было необходимости. Просто нужно было увеличить размеры установки, на которой сбрасывали модели. К экспериментам подключили опытных испытателей из г. Загорска (ныне г. Сергиев-Посад), которые вместе с нашими специалистами трудились в поте лица на специально созданной экспериментальной базе. Но прежде чем создать натурный образец, нужно было выбрать энергопоглотитель. Пассивная схема позволяла поместить его внутри подкосов и стоек. Стойки работали только на сжатие, а подкосам необходимо было обеспечивать гашение энергии как при растяжении, так и при сжатии. Стали искать решение. Разработка конструкции шла под руководством А.А.Саркисьяна, а выполняли ее два высококлассных инженера: В.П.Галченко и А.Г.Авхименко. Оба закончили МВТУ им.Баумана. Оба обладали сильными характерами и упорством, но имели один физический недостаток — были глухими. Какую же силу воли нужно было иметь, чтобы преодолеть недуг и на равных со всеми участвовать творчески, с энтузиазмом в разработке ЛК. Общались мы с ними просто, они хорошо понимали артикуляцию, а говорить могли свободно. Порой мы забывали, что они не слышат. Вот этим людям и досталась разработка стойки и подкоса. А.А.Саркисьян выдавал идеи, которые на кульманах В.П.Галченко и А.Г.Авхименко превращались в реальные конструкции. Нужно отдать должное тому, с каким упорством В. П. Галченко отстаивал свои узлы в механизмах, он обладал таким пробивным характером, что даже производственники перед ним пасовали.

Вернемся к энергопоглотителям. Первое, что приходило в голову, это использовать в качестве энергопоглотителя пружины и обыкновенный храповник, но диаграмма обжатия у пружины показывает, что поглощается всего 50% энергии от возможной. Предлагались срезные амортизаторы, которые представляли собой резец, снимающий стружку с поршня. Есть и такие в технике. Но у таких поглотителей настолько велик разброс характеристик, что, несмотря на полную диаграмму поглощения энергии, от их применения отказались. Не сразу мы пришли к убеждению, что для нашего корабля в трубах-опорах следует использовать сотовые пакеты из металлической фольги. Стали подбирать вначале фольгу, потом ячейку, от этого выбора зависела сила сопротивления. Пришлось отказаться от алюминиевой фольги — не смогли подобрать необходимую величину силы сопротивления. Предложили титановую фольгу. Она по своим свойствам теоретически нас устраивала, но как изготовить эти вкладыши? Стали изготавливать пакеты путем намотки в рулон гофрированной ленты и сразу же прихватывали слои точечной сваркой. Такие сотовые вкладыши обладали одним очень важным свойством: они пропускали через себя вполне определенную силу, причем обладали стабильными свойствами, несмотря на технологические отклонения в изготовлении. За счет потери устойчивости отдельных сотовых ячеек они при обжатии выдавали одну и ту же силу сопротивления. Не обошлось и без курьезов. В первый момент времени происходил некоторый заброс по величине этой силы. Но это убрать оказалось не так сложно. Ввели предварительное небольшое технологическое обжатие. Так и получили вкладыши, позволяющие эффективно гасить посадочные скорости.

Всем хороши были сотовые поглотители, но был у них один недостаток — они были одноразовыми, т.е. после срабатывания они складывались и восстановлению не подлежали. Но ведь и мы совершали только одну посадку. Допустим, что мы сели в один район, а нужно перелететь в другой: на такой маневр требовалось так много энергетики ракетного блока, что нам, считавшим каждый килограмм, да что там килограмм, каждый грамм, заложить такую схему и в голову не приходило. Понимали, что во время испытаний придется обжать не одну сотню вкладышей, тем самым мы получали большую статистику по характеристикам сот. На это пошли и не ошиблись.

Мы хорошо продумали все основные функции посадочного устройства. Осталось только уложить ноги посадочного устройства в транспортное положение, так как установка их в головном блоке в рабочем (раскрытом) положении была непозволительной роскошью. Правда, это требовало создания средств раскрытия и фиксации. Задачу решили следующим образом. Основную стойку специальным кронштейном каркаса удерживали в прижатом положении, и по команде пирозамок освобождал ее, а раскрытие производили пружины, установленные внутри подкосов, так что подкосы выполняли еще и функции средств раскрытия, что делало довольно сложную кинематику самого подкоса.

Все основные узлы посадочного устройства были выбраны. Теперь предстоял процесс их отработки и проверки. Экспериментальную группу возглавлял Г.В.Баканов. Он пропал в Загорске надолго, ведь посадочное устройство отрабатывалось при самых различных сочетаниях кинематических параметров, климатических условий, различных наклонах поверхности посадки. Горизонтальные боковые скорости сброса варьировались от 0 до 1,5 м/сек, изменялись на несколько метров высоты сброса, угол встречи с поверхностью с помощью механизма менялся от +30° до отрицательных значений (посадка в сторону склона). Имитировались различные размеры кратеров, и при каждом изменении условий необходим был не один сброс, чтобы исключить все случайности. Не одну сотню испытаний провела эта группа и обработала результаты. Когда испытания вышли на заключительную стадию, решили пригласить космонавтов посмотреть, как идет отработка посадочного устройства. Приехали уже знаменитые А.А.Леонов и В.Ф.Быковский с группой молодых космонавтов. С ними приехал легендарный летчик-испытатель С.Н.Анохин, в то время занимавшийся подготовкой космонавтов. Подошли к месту испытаний. Предложили подняться на сбросовую площадку. Наклон площадки был 30°. Стоять было просто невозможно. Были сумерки. И вот по команде руководителя сначала медленно, потом все быстрее двигается рама, на которой подвешен грузовой макет корабля со штатным ЛПУ (рис. 28, 30, 31).

Рис.28. Проведён сброс натурного макета ЛПУ	Рис.30. Отработка посадки. Двигатели прижатия выполняют свою задачу
Рис.29. Инженеры-проектанты А.А.Саркисьян и Ю.М.Лабутин наблюдают за проведением эксперимента	Рис.31. Отработка посадки. Двигатели прижатия выполнили свою задачу: объект не перевернулся

Есть отцепка! Макет падает на опорную площадку со скоростью по склону примерно 1 м/сек. Коснулись задние опоры, просели. Есть касание передних опор. Макет продолжает по инерции движение вперед. Передние ноги сильно вдавливаются в грунт. С ужасом замечаем отрыв задних опор от поверхности. Неужели перевернется!? И здесь раздается грохот, мгновенье и макет весь в огне на фоне ночного неба. Это сработали двигатели прижатия. Они с успехом выполнили свою роль. Менее чем за одну секунду двигатели припечатали макет к поверхности. Зрелище было захватывающим. Все побежали к площадке. Макет устойчиво стоял на своих ногах, а мы даже опирались на него, чтобы взобраться повыше. Испытание прошло успешно. Разъехались по домам довольные. Однако утром нас ждал серьезный разговор у заместителя главного конструктора К.Д.Бушуева, отвечавшего перед В.П.Мишиным за создание ЛК. Имея громадный опыт в создании ракетно-космической техники и понимая, какой осадок остается после неудачных испытаний, а иногда бывало так, что и тема после этого закрывалась, он объяснял нам, молодым, что нельзя приглашать высоких гостей на смотрины, пока все не отработано. А если было бы опрокидывание? Какое чувство испытывали бы космонавты, которым предстояло лететь на таком корабле? Нас спас от выговоров и дальнейших нагоняев только успешный эксперимент. Но урок запомнился на всю жизнь.

Испытания проходили успешно, практически отработали все возможные условия посадки. Устойчивость схемы была хорошей. Но датчики, следящие за перегрузкой, показывали ее повышение в начальный момент касания. Сказывалась инерционность подвижных частей опор. Вышли из положения следующим образом: наклеили на опорные тарели сотовые башмачки. Эти башмачки, как подушечки на кошачьих лапках, позволяли смягчить усилия в начальный момент касания.

Последний штрих в отработке динамики посадки предложил Л. И. Киселев, наш сотрудник, расчетчик кинематики движения. Для уменьшения скорости встречи с поверхностью по чувствительному щупу включать до касания дополнительно введенные парирующие двигатели. Многие видели по телевизору, как приземляется спусковой аппарат (СА) из космоса. Вот он летит на парашюте, и вдруг облако пыли — это срабатывают пороховые двигатели мягкой посадки, они резко уменьшают скорость встречи СА с поверхностью. Эту идею использовали и у нас. Долго спорили на какой высоте выключить двигатель. Если выключить очень высоко — большая скорость при встрече с поверхностью. Если очень низко — поднимется пыль с вытекающими отсюда последствиями. Установка парирующих пороховых двигателей позволила оптимально решить весь комплекс вопросов прилунения корабля.

Мы постарались рассказать, как мыслили и доходили до создания того или иного элемента ЛК. Процесс творчества долог и труден. Прежде чем что-то строить и даже еще на стадии разработки чертежей, прежде чем нанести первую осевую линию, проходит не один день, а иногда и не один месяц. Это не ломать! Там думать не надо, круши, что попадется под руку, и все. Жаль только, что многие не понимают этого, не громили бы с таким рвением старое, а сначала построили бы новое, взяв лучшее от старого.

Определился силовой каркас, кинематика ЛПУ, и эта конструкция стала воплощаться в Лунный посадочный аппарат, который был частью ЛК. В разделе «Облик Лунного корабля» мы кратко рассказали о некоторых элементах, системах и агрегатах, которые были установлены на каркасе ЛПУ.

Условия расположения ЛК под переходником требовали компактного размещения всего оборудования. Приходилось строго соблюдать зону полезного груза. Мы предполагали, что Лунный посадочный аппарат должен был на остаточных мощностях поработать и после взлета Лунного взлетного аппарата. Очень хотелось посмотреть по телевидению, как происходит старт. Особую тревогу у нас вызывали средства разделения. Не дай Бог, если хотя бы один элемент не сработает. А таких элементов было по стыку каркаса и ракетного блока четыре группы. В каждую группу входили пирозамок, который обеспечивал силовую связь, толкатель и шпилька. С ней мы намаялись. Дело в том, что взлетная часть термостатировалась, а остающаяся — нет. Температурные деформации были значительны. Пришлось делать радиальные пазы в шпангоуте, а шпильку — конической. Пирозамок установили дублированный по пирозаряду, дублировались и элементы толкателя. По схеме было не так уж сложно. Все ракетчики знают, что средства разделения должны работать безотказно, иначе беды не избежать. Поэтому и создают специальные стенды, где отрабатывают средства разделения. Мы на специальном стенде провели не один десяток испытаний, чтобы быть уверенными в безотказной работе этих важнейших средств.

На посадочном аппарате, кроме приборного отсека, посадочного радиолокатора, параболических антенн, химических батарей тока, располагались баллоны с водой для испарителя, причем запасы воды можно было расположить в трех баках. А мы установили четыре. Сделали это для того, чтобы дозированной заправкой «загонять» центр масс посадочного аппарата на осевую линию.

Отрабатывались все элементы как на посадочном аппарате, так и на взлетном, особое внимание уделялось раскрывающимся элементам, например, механизмам раскрытия параболических антенн.

Но все этапы автономной отработки не могли заменить одной — комплексной летной отработки, о чем будет рассказано в следующем разделе.