Как лунники Луну покорили (часть 4)
Эпизод второй: Луноход-1. Первый планетоход в истории
Луноход-1
После триумфа «Луны-16», доставившей сто грамм лунного грунта на Землю, следующая советская миссия на Луну не заставила себя долго ждать. И на этот раз советские инженеры удивили мир новым, невиданным ранее замыслом: 17 сентября 1970 года автоматическая посадочная платформа «Луна-17» доставила в Море Дождей первый самоходный автомат на другой планете - «Луноход-1».
Совместное детище НПО им. Лавочкина и ленинградского ВНИИТрансмаш, разработавшего уникальное восьмиколесное шасси, «Луноход-1» удивлял современников как своими размерами, так и разнообразием выполнемых научных задач и живучестью.
Создавался первый в мире планетохода в НПО им. Лавочкина под руководством выдающегося конструктора Георгия Николаевича Бабакина (1914-1971).
Этот луноход был вторым, запущенным в космос. Его предшественнику не повезло. 16 февраля 1969 года головной обтекатель ракеты-носителя «Протон» разрушился во время запуска, поскольку во время прохождения максимального скоростного напора (MaxQ), когда плотность атмосферы и скорость ракеты максимальны, возникли аэродинамические вибрации, головной обтекатель начал разрушаться, его обломки пробили топливный бак ступени, а последовавший взрыв завершил не успевшую толком начаться карьеру лунного исследователя. Данная машина занесена в анналы освоения космоса как «Луноход-0». Пройди все успешно, он мог бы опередить как первую высадку американцев на Луне, так и грунтозаборную миссию «Луны-16».
В те годы никто не представлял, можно ли вообще ездить по Луне. Условия там резко отличаются от земных: вакуум вместо атмосферы, резкие перепады температуры, слабое притяжение, хаотичный рельеф с сильными перепадами высот, наконец, интенсивная солнечная и галактическая радиация. Каким должен быть двигатель, каким движитель (шасси)? В начале 60-х, когда в СССР решено было создавать луноход, какие только гротескные идеи не выдвигали конструкторы! Колеса, гусеницы, прыгающее шасси, даже ползущее, как змея. Остановились, все-таки, на традиционных колесах, но почему - об этом ниже.
Сначала несколько слов об извозчике Лунохода. Посадочная станция «Луна-17» относилась к уже опробованной в деле серии Е-8, представлявшей собой дальнейшее развитие серии Е-6. Советские лунные станции делятся на три поколения - Е-1-Е-3 - первое (первые полеты к Луне, фотографирование обратной стороны Луны). Второе - Е-6 (станции этой серии совершили первую и вторую мягкую посадку на Луну, также это первые лунные спутники). Третья же, Е-8, используя опыт первых двух, также имела оригинальные технические решения, позволявшие доставлять на поверхность Луны большую полезную нагрузку. Платформа Е-8 могла адаптироваться под конкретные задачи миссии. Это позволяло сильно сэкономить на научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах (НИОКР) по каждому запуску, да и удешевить лунную программу.
Посадочная станция Луна-17, сфотографированная Луноходом-1. Видны пандус и антенна
Е-8 были унифицированы между собой и представляли платформу на четырех посадочных опорах с топливными баками и системами навигации и управления, а также радиосвязи массой почти две тонны и размером примерно с легковой автомобиль. По бокам платформы находились четыре цилиндрических бака с топливом для торможения у Луны. После исчерпания в них топлива баки сбрасывались перед началом посадки для облегчения аппарата. Как известно, дополнительная масса = дополнительное топливо на ее торможение. Поэтому всё лишнее - прочь. Луноход «сидел» на специальной платформе. Для его спуска на поверхность использовались две пары выдвигаемых пандусов с двух сторон платформы. Если бы один пандус уперся в камни или кратер, луноход съехал бы по противоположному.
Луноход-1 съезжает по пандусу на поверхность
Колеса или гусеницы
Выбор шасси для передвижения по чужой планете - вопрос чуть ли не самый сложный для создателей самоходных исследователей. До 1966 года научное сообщество еще грызли сомнения - а что если Луна покрыта тонким слоем пыли, который не удержит аппарат и тот провалится сквозь него как в трясину. Бесконечные споры о грунте тормозили разработку станций для мягкой посадки. Дошло до того, что Сергей Павлович Королев черкнул свою знаменитую резолюцию на листочке бумаги - «посадку рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы». Наконец, в феврале 1966 автоматическая межпланетная станция «Луна-9» совершает первую в истории мягкую посадку на ночное светило и…никуда не проваливается. Значит, на Луне можно стоять и можно по ней ездить. Но на чем - на гусеницах или же на колесном шасси? На первый взгляд, логичный выбор - гусеницы. На Земле самые проходимые вездеходы именно гусеничные, т.к. у них бо́льшая опорная поверхность, чем у колес, а значит, меньшее удельное давление на грунт, т.е. гусеничный вездеход проберется по слабым грунтам. Гусеница сама настилает путь для колес (катков). Гусеница гибкая и «подстраивается» под рельеф местности. Наконец, из-за бо́льшей опорной поверхности гусеницы делают машину и более устойчивой при наклоне. Однако у гусеницы есть решающий недостаток - если она соскочит с направляющих колес, поставить ее на место на Луне будет некому. К тому же, между гусеницами и катками могут забиться камни и заклинить движитель. Итак, остановились на колесном шасси.
Колеса Кемурджиана
Разработку колесного шасси поручили заместителю главного конструктора ленинградского ВНИИтрансмаш Александру Леоновичу Кемурджиану (1921-2003). Институт занимался разработкой танковых шасси, поэтому выбор именно его был вполне логичным. Как говорилось выше, шасси сделали колесным. Каждое колесо имело индивидуальный привод, тормоз и независимую подвеску. Но сперва нужно было точно определиться со свойствами лунной поверхности, для которой было предназначено шасси. Испытательный полгион организовали на другом конце Союза - на Камчатке, в краю действующих вулканов. Площадку нашли в районе вулкана Толбачик, она на 96% соответствовала по свойствам лунной поверхности. К тому времени АМС «Луна-13» уже измерила физико-механические свойства лунного грунта in situ (на месте). Ученые пришли к выводу, что лунный реголит по свойствам примерно соответствует свежему вулканическому шлаку - он легко прессуется, но форму не восстанавливает, у него низкое внутреннее трение. Другими словами, на нем очень просто забуксовать. Но определиться с типом шасси и обкатать его на близком к лунному грунте - это пол-дела. Есть две другие проблемы: во-первых, на Луне сила притяжения равна 1/6 земной. Какой будет проходимость машины в таких «облегченных» условиях? Во-вторых, в условиях лунного вакуума температура скачет от -150 С лунной ночью до +150 С в лунный день - вокруг Луны нет атмосферы, которая бы сглаживала эти колебания. Слабую гравитацию симулировали, просто подвешивая тестовую машину на кране и резиновых жгутах. Была еще проблема зубчатых передач. Были опасения, что в безвоздушном пространстве зубчатые колеса просто приварятся друг к другу. Чтобы проверить это, экспериментальный редуктор Р-1 установили на лунных орбитальных станциях Луна-11 и -12 и опробовали его в вакууме. К счастью, оказалось, что зубчатая планетарная передача вполне надежно работает в лунных условиях.
Весной 1968 года построили «лунодром» под Симферополем для испытаний шасси. По фотографиям максимально точно воссоздали лунную поверхность, не забыв даже про слой пыли. В сентябре того же года экипаж приступил к тренировкам по управлению испытательной моделью на этом «лунодроме».
Члены экипажей Лунохода-1 с испытательной моделью. Слева у лунохода космонавт Валерий Быковский (Восток-5)
Площадку же возле вулкана Толбачик сделали официальным полигоном для испытаний луноходов и марсоходов и следующий «Луноход-2», как и не полетевший из-за закрытия лунной программы «Луноход-3» испытывались именно там.
Испытательная модель шасси Лунохода-1 на полигоне на Камчатке. Кузов с приборами не ставился, так как шасси не было рассчитано на его вес в условиях земной гравитации
Научное оборудование и задачи миссии
Луноход - это передвижная научная лаборатория. В ее задачи входило исследование свойств и состава лунного грунта и пород, проведение наблюдений галактических источников рентгеновском диапазоне.
Рентгеновский флуоресцентный спектрометр (РИФМА) был предназначен для определения элементного состава лунного вещества. Он возбуждает атомы исследуемого образца, испуская рентгеновское излучение, в результате воздействия которого атомы испускают фотоны, причем энергия излучения у разных атомов разная, что позволяет установить элементный состав образца.
Рентгеновский телескоп РТ-1 собирал рентгеновское излучение космических источников.
Лазерный уголковый отражатель представлял собой специальный набор из восьми многогранников с высокой отражательной способностью, закрепленных над передней частью корпуса лунохода. С Земли посылали лазерный луч точно в место нахождения аппарата. Отразившись, луч возвращался в точку, откуда был отправлен. По времени прохождения луча можно с сантиметровой точностью определить расстояние до Луны. Отражатель служил много лет после окончания экспедиции для измерения расстояния между Землей и Луной.
Пенетрометр представлял собой штырь, который находился в кормовой части машины, возле колеса-одометра и использовался для определения физико-механичесих свойств грунта на пути следования машины (проще говоря, прочность реголита).
Детектор радиации РВ-2Н определял радиационную обстановку в месте работы лунохода. Интересно, что однажды была зафиксирована солнечная вспышка, которая представляла серьезный риск для здоровья человека, если бы какой-то из экипажей «Аполлонов» находился в тот момент на Луне.
Схема Лунохода-1. Размером он был примерно с советские Жигули-"копейку"
Великое прибытие
Итак, 17 ноября 1970 года, в 6 часов 47 минут утра, первый планетоход медленно скатился по пандусу и проехал первые 20 метров по другому небесному телу. Местом экспедиции было лунное Море Дождей - обширная низменность в северном полушарии Луны.
Одна из первых панорам, снятых Луноходом-1 в первый лунный день экспедиции (один лунный день длится около 14 земных, столько же лунная ночь)
Пресса, что советская, что западная, разразилась восторженными отзывами. Лондонская «Таймс» назвала миссию «выдающимся достижением». Другие газеты не отставали. Телекамеры лунохода засняли его спуск. На объективах были специальные защитные заслонки для защиты оптики во время перелета, которые были сброшены после посадки. Как же управляли луноходом с расстояния почти в 400 тысяч километров? ЦУП находился в поселке Школьное под Симферополем, в Крыму. Управляли луноходом в две смены по девять часов, по пять человек в каждой. Во время двухнедельных лунных ночей движение прекращалось. Каждый член экипажа лунохода прошел строгий физический и психологический отбор в Институте медико-биологических проблем - настолько строгий, что у некоторых закралось подозрение, что их отбирают в новый отряд космонавтов. Отбирались добровольцы. Из 50 кандидатов годными были признаны 17 человек, которым объяснили, что они отобраны для «дистанционного управления техническим средством на Луне». После такой новости трое кандидатов выбыли самостоятельно, видимо, опасаясь не справиться с этой сверхответственной задачей. Экипаж состоял из командира, водителя, бортинженера, штурмана, радиста - почти как в танке. Семеро водителей тоже были отобраны по собственному желанию и направлены в Ленинград, в НИИТрансмаш для детального изучения создававшегося там шасси. Впрочем, если вспомнить основную деятельность конторы Кемурджиана, где создано было луноходное шасси, луноход и был лунным танком. Водитель управлял передвижением машины при помощи джойстика, посылая команды «вперед», «назад», «влево», «вправо», «стоп». Разворот осуществлялся по-танковому: чтобы повернуть влево, колеса правой стороны вращались быстрее, чем левой. Для правого поворота все происходило наоборот. Каждое колесо имело независимую подвеску и электродвигатель, а в случае застревания могло быть отстрелено пиропатроном. Конструкция допускала движение машины на трех ведущих колесах из восьми! Девятое тонкое колесико сзади служило одометром - отмеряло пройденное расстояние. Вообще, колеса лунохода - отдельная песня. Они имели ступицы, похожие на велосипедные, а вместо шин тонкий обод из металлической сетки, которая обеспечивала прочное сцепление с реголитом. Похожая сетка применялась и на колесах лунных роверов программы «Аполлон».
Click to viewСоветский документальный фильм о "Луноходе-1". Показаны и описаны научные приборы
Такая конструкция делала лунное шасси необычайно живучим.Казалось бы, проще некуда - управляй, будто в видеоигре и все тут. Однако вспомним, что радиосигнал от Луны идет около 1.5 секунд, а обратный - еще 1.5, что в сумме дает задержку в 3 секунды. Считая с технической задержкой аппаратуры цикл прохождения сигнала составлял 4.1 секунды. Но частота картинки с навигационных камер была лишь один кадр в период от 3 до 20 секунд, в зависимости от рельефа местности. Кадр приходил на экран водителя, «стоял» там шесть секунд, после чего его заменял следующий статичный кадр. Один из создателей лунохода Олег Генрихович Ивановский (1922-2014) в шутку называл это не телевидением, а «слайдовидением». Также оказалось, что камеры были расположены слишком низко - они не давали возможности охватить достаточное большое расстояние впереди, чтобы проложить дальнейший путь, при этом прямо под передними колесами машины оставляли «мертвую зону» примерно в один метр. Вдобавок, особенно в разгар лунного дня снимки получались слишком белыми и было трудно отличить выступы от впадин. Экипаж работал в сильнейшем напряжении, на пределе сил, особенно водитель. Поэтому смены длились всего по два часа.
Центр управления под Симферополем. Телефотографии с панорамных камер выводились на экраны экипажа примерно 1 раз в 20 секунд, что сильно осложняло вождение
Водитель лунохода Вячеслав Георгиевич Довгань за пультом управления. Его правая рука покоится на "джойстике" управления, на котором была специальная кнопка-"кнюппель" для отправки команды движения на луноход
Тут нужно уточнить, что изначально луноход разрабатывался как средство передвижения советского космонавта по лунной поверхности. Если бы вышел из строя «Лунный корабль» (ЛК), он смог бы доехать на луноходе до запасной посадочной ступени. Маневры «Лунохода-1» после посадки имели целью отработку поиска «Лунного корабля». Машина была негерметичной, космонавт располагался бы на специальной подножке. К слову, американские «роверы» тоже были открытой конструкции, хотя и были оборудованы сиденьями и багажником для инструментов и образцов.
Памятная советская марка с Луноходом-1 и АМС Луна-17
Посадочная ступень АМС Луна-17 и следы Лунохода-1 на советской марке
На вторые земные сутки планетоход сделал остановку для подзарядки батарей. На третьи он прошел 90 метров, на следующие - уже 100 м и преодолел 10-градусный склон. Машина оправдывала все ожидания своих создателей. По Луне действительно можно было ездить. На пятый день, с приближением лунной ночи, луноход поставили на удобную площадку и скомандовали закрыть крышку с солнечными батареями. После захода Солнца температура на Луне резко падает до - 150 С, поэтому машина имела свой собственный источник тепла - полоний-210, который согревал бортовые системы, не давая им выйти из строя. Когда лучи восходящего солнца разогнали холод и тьму, земной посланец открыл крышку с фотоэлементами для подзарядки и, зарядив батареи (на что обычно уходило еще двое-трое суток), неспешно продолжил свой путь на юго-восток от места посадки. Волнующий момент наступил 10 декабря, когда луноход застрял в кратере. Девять часов экипаж пробовал сдвинуть его с места, пока внезапно он не освободился сам. Члены экипажа дали неофициальные названия-мужские имена крупным кратерам, встречавшимся на пути Лунохода. Так на лунной карте «поселились» Альберт, Боря, Вася, Валера и др. В 2012 году Международный астрономический союз утвердил эти названия.
Маршрут Лунохода-1. Топографическая схема.
Со временем экипаж набирал опыт и уже отваживался «разгонять» луноход до максимальной скорости 2 км/ч! (Скорость была ограничена, чтобы не рисковать устойчивостью машины в условиях лунной гравитации). Водители настолько поднаторели в маневрировании лунным роботом, что к Восьмому марта сделали подарок советским женщинам - заставили луноход выписать колесами «восьмерку» (см. фото ниже). Подчеркну, что управление на расстоянии в четверть миллиона миль - это не в Need for Speed виражи закладывать. В распоряжении экипажа были только фотографии следующего участка пути, а не потоковое видео, поэтому каждый маневр просчитывали заранее, «запоминая картинку».
Самое космическое поздравление с Восьмым марта советских женщин от экипажа Лунохода-1
За все время работы на Луне - до 15 сентября 1971 года - «Луноход-1» прошел расстояние в 10.5 км. На приводимой нами карте видно, что он немало петлял и, достигнув крайней южной точки 22 декабря 1970 года, сделал разворот и поехал обратно к месту посадки, которого достиг 20 января нового, 1971 года.
12 апреля 1971 года едва не случилась авария - аккурат в День космонавтики. Луноход попал в кратер с углом наклона в 24 градуса и снова застрял. Степень пробуксовки колес достигала 90%. Чтобы выбраться из кратера, экипаж принял решение закрыть крышку солечной батареи. Выбравшись на свободу, крышку открыли снова.
Постепенно машина вырабатывала свой ресурс. Изначально батареи и ходовая часть были расчитаны на три месяца работы. Луноход же в три раза превысил расчетный срок службы. К сентябрю запас полония-210 для обогрева был исчерпан, а емкость серебрянно-кадмиевых батарей сильно упала за почти год работы.
Основные результаты работы «Лунохода-1»: обследовано 80 кв. км поверхности, сделано 20 тысяч снимков, а также более 200 панорам, более чем в 500 точках определены физико-механические свойста приповерхностного слоя лунного грунта, в 25 точках проведен его химический анализ, проведено 157 сеансов радиосвязи с центром управления, машине выдано 24 820 радиокоманд. Пройдено расстояние в 10 540 метров, общее время работы - 301 сутки 06 часов 37 минут.
В 2010 году «Луноход-1» и его следы были сфотографированы орбитальным аппаратом NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) с максимальным разрешением около 50 см.
«Луноход-1» навсегда войдет в историю исследования космоса как первый планетоход и первая передвижная лаборатория за пределами Земли.
В следующей статье мы расскажем о том, в каком направлении пошла советская лунная программа после триумфа первого планетохода.
Луноход-1. Картина советского художника-космиста А. Соколова
©Дмитрий Олиферович 2018