Текст книги "Космические аппараты исследуют Луну"

Автор книги: Виталий Перов

Соавторы: Юрий Стахеев
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

В. Д. Перов, Ю. И. Стахеев, кандидат химических наук
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ИССЛЕДУЮТ ЛУНУ (к 20-летию запуска «Луны-1»)

ВВЕДЕНИЕ

С самых древних времен истории человечества Луна всегда была объектом интереса и восхищения людей. Она вдохновляла поэтов, поражала ученых, будила их творческие стремления. Давно была замечена связь Луны с приливами и солнечными затмениями, и сопутствующие этим явлениям мистические и религиозные толкования оказывали серьезное воздействие на повседневную жизнь человека. С первобытных времен смена лунных фаз, повторяющиеся «старение» и «рождение» Луны отражались в фольклоре разных народов, сказывались на культурном развитии человечества.

И хотя природа Луны в течение тысячелетий оставалась неразгаданной, пристальный интерес и интенсивные размышления приводили философов древности подчас к поразительным догадкам. Так, Анаксагор предполагал Луну каменной, а Демокрит считал, что пятна на Луне – огромные горы и долины. Аристотель показал, что она имеет форму шара.

Уже древние греки понимали, что Луна обращается вокруг Земли и с тем же самым периодом вращается вокруг своей оси. Аристарх Самосский за 1900 лет до Коперника предложил гелиоцентрическую теорию Солнечной системы и вычислил, что расстояние до Луны в 56 раз превосходит радиус земного шара. Гиппарх нашел, что лунная орбита представляет собой овал, наклоненный на 5 градусов к плоскости земной орбиты, и оценил относительное расстояние до Луны в 59 земных радиусов, а угловой ее размер в 31 . Поистине телескопическая точность.

С 1610 г., когда Галилей увидел в свой телескоп долины, горы, плоскогорья и большие чашеобразные депрессии на Луне, начался «географический» этап изучения этого небесного тела. К концу XVI в. уже было составлено больше 25 карт Луны, из которых самыми точными являлись карты, составленные Гельвелиусом и Дж. Кассини. По аналогии с земными морями, Галилей дал темным областям Луны названия «морей». Точка зрения, что большие кратеры являются вулканическими по происхождению, возникла интуитивно в XVII столетии, возможно, по аналогии с итальянским вулканом Монте Нуово (расположенным к северу от Неаполя), шлаковый конус которого появился в 1538 г. и вырос на высоту 140 м, продемонстрировав ученым эпохи Возрождения пример кратерообразующего события.

Предположение о вулканическом, происхождении лунных кратеров продержалось до 1893 г., пока не появилась классическая работа Гильберта. С этого момента систематически возникали различные геологические интерпретации лунных ландшафтов. В 50-60-х годах нашего столетия ученые подошли непосредственно к разгадке последовательности лунных явлений с использованием классического геологического принципа суперпозиций, который позволил построить шкалу относительных времен и создать первую геологическую карту Луны. Тогда же была сделана попытка связать последовательность лунных событий с абсолютной хронологией. Некоторые исследователи предполагали для лунных морей возраст 3–4 млрд. лет, другие (как выяснилось впоследствии, менее удачно) – несколько десятков или сотен миллионов лет.

В 1960 г. появился монографический сборник «Луна», написанный коллективом советских ученых, много лет занимавшихся изучением естественного спутника Земли. В нем всесторонне и критически излагались накопленные к тому времени данные о движении, строении, фигуре Луны, сведения по лунной картографии, результаты оптических и радиолокационных исследований атмосферы и поверхностного покрова Луны, обсуждалась роль как эндогенных (внутренних, лунных), так и экзогенных (внешних, космических) факторов в образовании различных особенностей лунного рельефа и физических свойств внешней поверхности нашего спутника. Сборник как бы подводил итог «докосмическому» периоду исследования Луны.

В январе 1959 г. запуск автоматической станции «Луна-1» ознаменовал собой начало качественно нового этапа исследований нашего естественного спутника. Прямому, непосредственному эксперименту стало доступно не только окололунное космическое пространство, но и твердое тело Луны. Запуск советских космических аппаратов к Луне явился также качественно новым этапом развития всей мировой космонавтики. Решение научно-технических проблем, связанных с достижением второй космической скорости, отработкой методов полета к иным небесным телам, открыло новые горизонты перед наукой. На службу планетологии ставились экспериментальные методы геофизики и геологии. Космонавтика давала возможность решать задачи, недоступные традиционным методам астрономии, апробировать целый ряд теоретических положений и результаты дистанционных намерений, получить новый уникальный экспериментальный материал.

Вторая половина 1960-х годов в исследовании Луны характеризуется введением в строй автоматических станций (АС), способных доставлять на ее поверхность научные приборы или проводить длительные исследования в окололунном пространстве, двигаясь по орбитам искусственного спутника Луны (ИСЛ). Начался этап планомерной, кропотливой работы по изучению как глобальных характеристик Луны, так и особенностей, свойственных отдельным ее районам.

Больших успехов в изучении Луны достигли и американские специалисты. Лунная космическая программа США строилась во многом в качестве противовеса успехам космонавтики Советского Союза. Вопросам престижа при этом, по мнению многих американских ученых, уделялось излишне большое внимание. В арсенале американских ученых имелись разнообразные аппараты для проведения экспериментов. К ним относятся и автоматические устройства, вслед за советскими станциями совершившие посадку на лунную поверхность и выведенные на орбиты искусственных спутников Луны. Однако программа экспериментов, выполненных с их помощью, главным образом ориентировалась на получение данных, необходимых для создания пилотируемых комплексов «Аполлон» и обеспечения высадки на Луну астронавтов.

Вопрос о целесообразности непосредственного участия человека в полетах к Луне и планетам на данном этапе развития космонавтики всегда вызывал иного споров. Космос – среда, где существование человека связано с использованием громоздкого и сложного оборудования. Его стоимость очень велика, а обеспечение надежной работы не простая задача. Ведь при полете вдали от Земли практически любой отказ в системах ставит экипаж на грань гибели. Еще не изгладились из памяти дни, когда весь мир с замиранием сердца следил, как вели борьбу за жизнь американские астронавты, поставленные в тяжелейшие условия аварией, приведшей к неисправностям в системах корабля «Аполлон-13» на его пути к Луне.

С первых своих шагов советская лунная космическая программа была ориентирована на последовательное и планомерное разрешение актуальных проблем селенологии. Ее рациональное построение, стремление правильно соотносить научные цели и средства для их реализации принесли большие успехи к привели советскую космонавтику ко многим выдающимся приоритетным достижениям, одновременно сохраняя приемлемым уровень материальных затрат, чрезмерно не напрягая экономические ресурсы страны и не нанося ущерба развитию других направлений науки и техники, отраслей народного хозяйства.

Во многом это определялось тем, что советская космическая программа базировалась на использовании автоматических средств проведения исследований. Высокий уровень развития теории автоматического управления, большие успехи в практике конструирования автоматов различного назначения, бурный прогресс радиоэлектроники, радиотехники и других отраслей науки и техники позволили создать космические аппараты с широкими, функциональными возможностями, способные выполнять сложнейшие операции и надежно работать в экстремальных условиях в течение продолжительного времени.

Полеты советских автоматических разведчиков космоса позволили впервые в практике мировой космонавтики решить такие кардинальные задачи, как совершение перелета Земля – Луна, получение фотографий обратной стороны Луны, вывод на орбиту искусственного спутника Луны, осуществление мягкой посадки на поверхность и передачи телепанорам лунного ландшафта, доставка на Землю образцов лунного грунта с помощью автоматического устройства, создание передвижных лабораторий «Луноход» с разнообразным научным оборудованием для длительных комплексных экспериментов в процессе перемещения на большие расстояния.

В предлагаемой вниманию читателей брошюре рассказывается об основных типах советских автоматических лунных станций и их оснащении, дастся краткая информация о научных результатах, полученных при помощи космической техники, приводятся некоторые сведения о будущих направлениях в исследовании и освоении Луны.

ПЕРВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РАЗВЕДЧИКИ ЛУНЫ

К советским автоматическим станциям первого поколения, доставлявшимся в район Луны с помощью советских космических ракет-носителей, относятся АС «Луна-1, -2, -3» (см. Приложение). На этом этапе советская космонавтика решала такие задачи, как пролет космического аппарата вблизи Луны («Луна– 1»), прицельное его попадание в заданный район лунного полушария, обращенного к Земле («Луна-2»), облет и фотографирование им обратной стороны Луны («Луна-3»).

Станции выводились на трассу Земля-Луна, стартуя с поверхности Земли, а не с орбиты ее искусственного спутника, как это стало привычным в настоящее время. После окончания работы двигательной установки станция отстыковывалась от последней ступени ракеты-носителя и далее совершала неуправляемый полет. При этом для обеспечения движения по нужной траектории требовалось чрезвычайно точное выдерживание заданных параметров движения в конце активного участка работы ракеты-носителя, надежного и точного функционирования всех систем, особенно автоматики двигательной установки и системы управления.

Полеты первых автоматических станций к Луне явились новым выдающимся достижением молодой советской космонавтики, убедительной демонстрацией возможностей науки и техники Советского Союза. Всего два с небольшим года прошло со дня запуска на околоземную орбиту первого искусственного спутника Земли, а советскими учеными и конструкторами уже была решена принципиально новая задача – вывод автоматического аппарата на траекторию полета по гелиоцентрической орбите.

Рис. 1. Автоматическая станция «Луна-1»

Для того чтобы станция стала первой искусственной планетой, ей требовалось достичь скорости, превышающей вторую космическую, и преодолеть земное тяготение. Эта задача была выполнена благодаря созданию мошной ракеты-носителя, отличавшейся высоким конструктивным совершенством, оснащенной высокоэффективной двигательной установкой и усовершенствованной системой управления. Сложность проблемы создания ракетного комплекса такого класса иллюстрируется теми трудностями, которые возникли у американских специалистов на аналогичном этапе космических исследований. Так, например, из девяти запусков первых автоматических аппаратов серии «Пионер», предназначенных для исследования Луны и окололунного пространства, только один оказался полностью успешным.

Рассмотрим, что же представляли собой первые советские разведчики межпланетных трасс, как осуществлялись их полеты к Луне.

Станция «Луна-1» (рис. 1) представляла собой сферический герметичный контейнер, оболочка которого была изготовлена из алюминиево-магниевого сплава. Внутри контейнера помещались электронные блоки научной аппаратуры, радиооборудование, химические источники тока. На корпусе контейнера были установлены магнитометр для измерения параметров магнитных полей Земли и Луны, протонные ловушки, датчики регистрации метеорных частиц, радиоантенны. Для того чтобы аппаратура станции работала в приемлемых температурных условиях, контейнер был наполнен нейтральным газом, принудительную циркуляцию которого обеспечивал специальный вентилятор. Избыток тепла через оболочку контейнера излучался в пространство.

После старта, при достижении скорости, превышающей вторую космическую, и после выключения двигателя станция отделялась от ракеты-носителя и, как уже говорилось выше, совершала полет автономно.

4 января 1959 г. станция «Луна-1» приблизилась к Луне на расстояние 5000–6000 км, а затем, выйдя на гелиоцентрическую орбиту, стала первой искусственной планетой в Солнечной системе.

АС «Луна-2» имела аналогичную конструкцию с «Луной-1» и сходное с ней оборудование. 14 сентября 1959 г. она достигла поверхности Луны западнее Моря Ясности в точке с селеноцентрическими широтой +30° и долготой 0°. Впервые в истории космонавтики был совершен перелет с Земли на другое небесное тело. В ознаменование этого памятного события на Луну доставлены вымпелы с изображением Герба Советского Союза и надписью «Союз Советских Социалистических Республик. Сентябрь. 1959 год».

Осуществление полета станции в точно заданный район Луны – задача чрезвычайной сложности. Это сегодня, спустя двадцать лет, когда автоматы побывали уже на Венере и Марсе, совершали рейсы к Меркурию и Юпитеру, когда уже и человек не раз оставлял следы на «пыльных тропинках» нашего естественного спутника, попадание в Луну при «выстреле» с Земли кажется делом несложным. Но в то время первый перелет автоматической станции на Луну с полным основанием был воспринят мировой общественностью как выдающееся научно-техническое достижение.

Перед создателями космической техники и специалистами, подготавливающими полет станции «Луна-2», стояло много сложных вопросов. Ведь решение проблемы «простого попадания» в Луну требовало, чтобы автоматическая система управления выдерживала конечную скорость ракеты-носителя с точностью до нескольких метров в секунду, а отклонение реальной скорости от расчетной всего на 0,01 % (1 м/с) «уводило» бы станцию в сторону от предполагаемой точки встречи с Луной на 250 км. Для того чтобы не промахнуться мимо Луны, нужно выдерживать угловое положение вектора скорости ракеты-носителя с точностью до 0,1°. При этом ошибка всего в 1 «смещала» точку прилунения на 200 км.

Были и еще трудности, и одна из них – организация и проведение подготовки ракеты-носителя к старту. Земля и Луна находятся в сложном взаимном движении, поэтому для полета в заданный район Луны очень важно точно выдержать момент старта. Так, промах в те же 200 км получается при отклонении времени старта всего на 10 с! В свой полет вторая советская космическая ракета со станцией «Луна-2» на борту стартовала с отклонением от заданного времени лишь на 1 с.

Первым космическим «фотографом» стала автоматическая станция «Луна-3». Ее основная задача – фотографирование обратной стороны Луны, недоступной для исследования с Земли. В связи с этим траектория движения станции должна была удовлетворять целому ряду специфических требований. Во-первых, следовало позаботиться об обеспечении оптимальных условий съемки. Было решено, что расстояние АС до Луны при фотографировании будет 60–70 тыс. км, а Луна, станция и Солнце должны находиться примерно на одной прямой.

Во-вторых, следовало еще обеспечить хорошие условия радиосвязи со станцией при передаче изображений на Землю. К тому же для проведения научных экспериментов, сопутствующих главной задаче полета, необходимо было, чтобы станция подольше существовала в космосе, т. е. чтобы во время полета у Земли она не вошла в плотные слои атмосферы.

Для движения станции «Луна-3» выбрали траекторию облета Луны с учетом так называемого «пертурбационного» маневра, при котором изменение первоначальной траектории аппарата происходит не за счет работы бортового двигателя (его у станции и не было), а за счет воздействия поля тяготения самой Луны.

Таким образом, еще на заре космонавтики советские специалисты реализовали очень интересный и перспективный метод маневрирования автоматических аппаратов при межпланетных перелетах. Использование «пертурбационного» маневра позволяет менять полетную траекторию, не применяя бортовых двигательных установок, что в конечном счете дает возможность за счет сэкономленного топлива увеличить вес, отведенный на научную аппаратуру. Этот метод в дальнейшем неоднократно использовался в практике межпланетных полетов.

6 октября 1959 г. «Луна-3» прошла вблизи Луны на расстоянии 7900 км от ее центра, обогнула ее и вышла на эллиптическую орбиту ИСЗ с апогеем 480000 км от центра Земли и перигеем 47500 км. Воздействие лунного поля тяготения примерно в полтора раза уменьшило апогей траектории по сравнению с начальной орбитой и увеличило перигей. Кроме того, изменилось направление движения станции. Она подошла к Земле не со стороны южного полушария, а с северного, в пределах прямой видимости пунктов связи на территории СССР.

Конструктивно станция «Луна-3» (рис. 2) состояла из герметичного цилиндрического корпуса со сферическими днищами. На наружной поверхности были установлены панели солнечных батарей, антенны радиокомплекса, чувствительные элементы научной аппаратуры. Верхнее днище имело иллюминатор фотокамеры с крышкой, автоматически открывающейся при фотографировании. В верхнем и нижнем днищах размещались малые иллюминаторы для солнечных датчиков системы ориентации. Микродвигатели системы ориентации крепились на нижнем днище.

Рис. 2. Автоматическая станция «Луна-3»

Бортовое служебное оборудование, включающее в себя блоки и устройства станции, научные приборы и химические источники тока, размешалось внутри корпуса, где поддерживался необходимый тепловой режим. Отвод тепла, выделяемого работающими приборами, обеспечивался радиатором, имеющим жалюзи для регулирования теплоотдачи.

Фотоаппарат станции имел объективы с фокусным расстоянием 200 и 500 мм для съемки Луны в различных масштабах. Фотографирование проводилось на специальную 35-миллиметровую пленку, выдерживающую высокие температуры. Отснятая пленка автоматически проявлялась, фиксировалась, сушилась и подготавливалась для передачи изображений на Землю.

Передача велась с помощью телевизионной системы. Преобразование негативного изображения на пленке в электрические сигналы осуществлялось просвечивающей электронно-лучевой трубкой, имеющей высокую разрешающую способность, и высокостабильным фотоэлектронным умножителем. Передача могла вестись в медленном режиме (при связи на больших удалениях) и быстром (при подлете к Земле). В зависимости от условий передачи могло варьироваться число строк, на которые разлагалось изображение. Максимальное число строк – 1000 на один кадр.

Для выполнения фотографирования, после того как АС, двигаясь по траектории, достигла необходимого положения относительно Луны и Солнца, была введена в действие система автономной ориентации. С помощью этой системы ликвидировалось беспорядочное вращение станции, возникшее после отделения от последней ступени ракеты-носителя, а затем, с помощью датчиков Солнца, АС сориентировалась в направлении Солнце-Луна (оптические оси объективов фотокамеры при этом были направлены в сторону Луны). После достижения точной ориентации, когда Луна попала в поле зрения специального оптического устройства, автоматически подавалась команда на фотографирование. В процессе всего сеанса фотосъемки система ориентации сохраняла постоянное наведение аппаратуры на Луну.

Каково же научное значение результатов полетов первых посланцев к Луне?

Уже на первом этапе лунных исследований с использованием автоматических космических устройств получены важнейшие в планетологическом отношении научные данные. Обнаружилось, что Луна не обладает заметным собственным магнитным полем и радиационным поясом. Лунное магнитное поле не было зарегистрировано аппаратурой станции «Луна-2», имевшим нижний порог чувствительности 60 гамм, и, таким образом, напряженность лунного магнитного поля оказалась в 100–400 раз меньше напряженности магнитного поля у поверхности Земли.

Интересен был вывод и о том, что Луна все-таки обладает атмосферой, хотя и чрезвычайно разреженной. Об этом свидетельствовало увеличение плотности газового компонента по мере приближения к Луне.

С помощью «искусственной кометы» – облака паров натрия, выброшенных в пространство и светящихся под воздействием солнечной радиации, – проводилось изучение газовой среды межпланетного пространства. Наблюдение этого облака также позволило уточнить параметры движения станции по траектории.

Фотографирование обратной стороны Луны, выполненное станцией «Луна-3», впервые предоставило возможность увидеть около 2/3 поверхности и обнаружить около 400 объектов, наиболее заметным из которых были даны имена выдающихся ученых. Неожиданностью явилась асимметрия видимой и невидимой сторон Луны. На обратной стороне, как оказалось, преобладает материковый шит с повышенной плотностью кратеров и практически отсутствуют морские районы, так характерные для хорошо знакомой, видимой стороны.

На основании полученных фотографий были составлены первый атлас и карта обратной стороны Луны и изготовлен лунный глобус. Таким образом, был сделан крупный шаг на пути «великих географических открытий» на Луне.

Первые полеты к Луне имели большое значение и для развития космонавтики, и, в частности, для создания межпланетных автоматических станций, накопления опыта и отработки технических средств и методов длительных межпланетных полетов. Они, безусловно, внесли свою долю в основы будущих успехов Советского Союза в области изучения наших ближайших соседей по Солнечной системе – планет Венера и Марс.