Книга: Лунная одиссея отечественной космонавтики. От «Мечты» к луноходам

Глава 5 ЛУННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

Глава 5

ЛУННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

На пороге десятилетия Космической эры ракетно-космическая отрасль СССР подошла к возможности создания более мощных PH и многофункциональных ЛКА.

В начале 1967 г. Г.Н. Бабакин, при активной поддержке М.В. Келдыша получив одобрение руководства страны, сконцентрировал основные силы на проектировании космических аппаратов нового поколения для исследования Луны и окололунного пространства. Это поколение должно было включать в себя комплекс автоматизированных устройств и телеуправления, который позволял бы проводить исследования как с орбиты ИСЛ, так и непосредственно с поверхности Луны, изучать самые различные участки видимой и обратной её сторон - и доставлять образцы вещества на Землю.

Аппараты проекта Е8 планировалось запускать не на носителе «Молния», а на более мощной четырёхступенчатой PH «Протон-К» (УР-500), созданной под руководством главного конструктора В.Н. Челомея. Если для объектов проекта Е6 была предусмотрена прямая схема прилунения, то по проекту Е8 оно осуществлялось с орбиты спутника Селены, что практически снимало ограничения по координатам точки посадки.

Лунные самоходные аппараты (ЛСА) должны были значительно расширить возможности исследований в местах с неблагоприятными для человека условиями работы, исключая риск для его жизни. Создание и использование ЛСА - важный этап в исследовании Луны и окололунного пространства.

Первое документальное упоминание о необходимости «посадки на Луну автоматических самоходных аппаратов с научными приборами» содержится в письме М.В. Келдыша в государственные органы, датированном 22 декабря 1962 г.

Но идея создания такого КА родилась там же, где и Первый спутник - в ОКБ-1, и принадлежит она С.П. Королёву, что подтверждается сохранившимися докладными материалами, написанными С.П.Королёвым. Они относятся к концу 1950-х гг.

По свидетельству профессора А.К. Дзявго (в конце 1950-х был учёным секретарём НТС СКБ-2, а затем - заместителем начальника и главного конструктора танкового КБ Ленинградского Кировского завода - ЛКЗ)

С.П. Королёв ещё в конце 1959 г. обратился к Главному конструктору Жозефу Яковлевичу Котину[15](1908-1979) с предложением разработать необычное «внеземное» транспортное средство [26].

В начале 1961 г. были подготовлены проекты трёх вариантов шасси ЛСА на основе гусеничного, колёсного и волнового (змееподобного) движителей. Но в результате их обсуждения на научно-техническом совете Ж.Я. Котин, оценив масштабы поставленной перед ним задачи, решил от дальнейших исследований отказаться, полагая, что это может привести к распылению сил коллектива завода и нанести ущерб основному делу его жизни - танкостроению.

В этом же году разработка ЛСА поручается НИИ автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения (НАТИ). Таким образом, в ОКБ-1 параллельно с работами по проектам Е6 и Е7 шла проработка создания ЛСА и доставки его на Луну (проект Е8).

К работам по необычному самоходному аппарату С.П.Королёв привлёк учёных, занимавшихся ранее лунной проблематикой, и некоторые учреждения, накопившие знания о спутнице Земли. Среди них - Научно- исследовательский радиофизический институт (НИРФИ, г. Горький), Астрономический совет АН СССР, Геологический институт АН СССР, Главная (Пулковская), Крымская и Бюраканская астрофизические обсерватории и Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга (ГАИШ).

В конце 1962 г. Сергей Павлович начал подыскивать нового исполнителя на проект ЛСА, так как руководство НАТИ направило в Госкомитет по оборонной технике СССР официальную просьбу о снятии с института работы по космической тематике. К этому времени научный и практический опыт подмосковного ОКБ-1 позволил сформулировать предварительные требования к системам ЛСА, соответственно определить состав бортовой аппаратуры. В числе требований - продолжительная работоспособность в жёстких условиях Луны; минимальная масса при максимальной проходимости; дистанционное радиотелевизионное или автономное программное управление движением; высокая надёжность.

Уже первые расчёты показали, что масса ЛСА (около 600 кг) значительно превышает возможности PH 8К78. Следует отметить, что работы по эскизному проектированию сверхтяжёлой ракеты-носителя «Н-1» в ОКБ-1 проводились С.П.Королёвым в инициативном порядке с июля 1958 г. Спустя два года Главный конструктор добился того, чтобы затвердить направление решением государственного характера. И постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 23 июня 1960 г. №715-296 «О создании мощных ракет-носителей, спутников, космических кораблей и освоении космического пространства в 1960-1967 годах» было предусмотрено создание такого носителя на жидкостных двигателях в период 1961-1963 гг. К февралю 1963 г. в ОКБ-1 были подготовлены предложения по разработке и применению новой PH и по созданию под неё межпланетных КА, а к сентябрю 1963 г. - и лунных кораблей (ЛК). Также предлагалось создание космических комплексов для исследования Луны [27, 28].

Пять взаимосвязанных проектов включали:

Л-1 - пилотируемый полёт с облётом Луны;

Л-2 - доставку на поверхность Луны дистанционно управляемого с Земли ЛСА;

Л-3 - пилотируемый полёт с посадкой лунного корабля (ЛК) и выходом космонавта на поверхность Луны;

Л-4 - создание лунного орбитального комплекса (ЛОК) для вывода на окололунную орбиту пилотируемого ЛК;

Л-5 - пилотируемый полёт с посадкой ЛК и выходом космонавтов на поверхность Луны, доставка тяжёлого ЛСА (масса 5500 кг с герметичной кабиной) для долговременного и более детального изучения Луны с возможностью транспортирования 3-5 космонавтов или 3500 кг груза со скоростью 20 км/час.

Как видим, в рамках первой советской пилотируемой лунной экспедиции луноходу отводилось немаловажное место. Предполагалось, что до пилотируемого полёта в выбранные основной и резервный районы прилунения ЛК будут отправлены два лунохода. Их цель - детально обследовать районы, чтобы выбрать оптимальное место посадки пилотируемого корабля.

Но ни один из пяти проектов в своём изначальном виде так и не был претворён в жизнь. Только разработка дистанционно управляемого ЛСА практически послужила созданию луноходов в рамках проекта Е-8 Программы «Е».

В июле 1963 г. С.П. Королёв предложил директору ВНИИ-100 Василию Степановичу Старовойтову (1919-2001) разработать самоходный аппарат для Луны. Старовойтов дал согласие, и работы по теме «Определение возможности и выбор направления в создании самоходного шасси аппарата Л-2» начались под научным руководством начальника отдела новых принципов движения Александра Леоновича Кемурджиана (1922-2013).

Александр Леонович Кемурджиан

Основанием для проведения работ послужило письмо 12 Управления Государственного комитета по оборонной технике СССР (ГКОТ) от 13 сентября 1963 г. №12/394сс, в котором отмечалось, что «в соответствии с поручением Председателя ГКОТ СССР т. Зверева С.А. в отделе новых принципов движения ВНИИ-100 организовать специальную группу для изучения и определения возможных направлений работ по созданию самоходных средств передвижения по поверхности Луны» совместно с ОКБ-1. В октябре поступило и переработанное техническое задание (ОКБ-1, НАТИ и ВНИИ-100 входили в структуру ГКОТ).

Итак, руководителем работ назначили А.Л. Кемурджиана, ведущим инженером машины - Г.Н. Москвина. Разработку электроприводов поручили В.Г Вовку, взаимодействие движителя с грунтом - А.П. Софияну, гусеничных движителей - М.Б. Шварцбургу, комплекса измерений -Л.Х. Когану, оценку плавности хода по рельефу - Ю.Л. Козленко.

За короткое время были определены научно-технические проблемы, изготовлены некоторые стенды, макеты и аппаратура, сделаны конструкторские проработки шасси и проведены некоторые эксперименты.

Планируя разработку планетоходов, конструкторы в первую очередь решают технические вопросы, связанные с особенностями ходовой системы, а именно - какому виду самоходного шасси разрабатываемого ТС следует отдать предпочтение: гусеничному, колёсному или винтовому. Был выбран колёсный вариант.

Однако наиболее важной оказалась проблема выбора способа передвижения по Луне, так как в то время ещё отсутствовала достоверная информация о её грунте.

Ещё до первых лунных экспедиций к радиоастрономическим исследованиям Луны приступили в 1950 г. в г. Горьком сотрудники Научно-исследовательского радиофизического института (НИРФИ) под руководством Всеволода Сергеевича Троицкого (1913-1996), выдающегося учёного, одного из крупнейших специалистов в области радиоастрономии, радиофизики и радиотехники. В период 1956-1960 гг. B.C. Троицким, Н.М. Цейтлиным, В.Д. Кротиковым и В.А. Порфирьевым был разработан метод «искусственной Луны», позволявший с большой точностью получать данные о температурном режиме, составе и структуре верхнего покрова Луны, близко подойти к определению его химических характеристик [29].

Всеволод Сергеевич Троицкий

В 1961 г. впервые «искусственная Луна» диаметром 4 м была установлена в Крыму на скале около Генуэзской крепости (г. Судак). Затем локационное зондирование Луны продолжили в долине Кара-Дага на радиотелескопе с антенной диаметром 5 м. Систематическая работа началась с 1965 г. на созданной постоянно действующей радиоастрономической станции НИРФИ «Кара-Даг» с «искусственной Луной» диаметром 8 м.

В марте 1964 г. в Харькове на совещании астрономов Всеволода Васильевича Шаронова (Главная (Пулковская) астрофизическая обсерватория), Николая Павловича Барабашова (Харьковский университет),B.C. Троицкого (Горьковский радиофизический институт) с участием Юрия Ивановича Ефремова (МНТС по КИ АН СССР), Владимира Васильевича Молодцова и Владимира Петровича Зайцева (ОКБ-1), А.Л. Кемурджиана и Артёма Петровича Софияна (ВНИИ-100) была принята рабочая гипотеза модели рельефа поверхности и физико-механических свойств лунного грунта. По их мнению, это «силикатная порода в пенно-пористом или раздробленном состоянии, что соответствует вулканическим туфам, шлакам или пирокластическим материалам на Земле. Структура вещества сильно переработана под воздействием вакуума, жёстких излучений, солнечного ветра и метеорных ударов, приводящих к иссечению породы и формированию особого грунта «лунита», не имеющих прямых аналогов на Земле. Прочность наружного покрова 0,2-1,0 кг/см²».

Решение совещания направили на утверждение в АН СССР. Естественно, с ним был ознакомлен и С.П.Королёв, что подтверждается справкой, экспонируемой в его мемориальном рабочем кабинете.

Именно эта модель была впоследствии применена при разработке шасси лунохода и, как показало будущее, эта гипотеза оказалась верной.

При проектировании ходовой части лунохода специалистам-транспортникам пришлось учитывать не только характер и особенности лунной поверхности, но и то, что сила притяжения на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле. Это необходимо было принимать во внимание и при расчётах выбора диаметра колеса и его ширины с тем, чтобы избежать буксования на особо рыхлых грунтах. К тому же уменьшение силы тяжести могло сказаться на устойчивости лунохода при его движении на больших скоростях по неровной поверхности, решили применить независимые подвески для всех колёс. Оптимальный вариант был найден ещё в земных условиях. К тому же конструкторами было учтено, что при глубоком вакууме, который наблюдается на Луне, применять жидкостную или пневматическую подвеску нецелесообразно, так как могут возникнуть трудности при их эксплуатации.

А кто мог ответить конструкторам, из какого материала делать колёса и сколько их потребуется, какую применить смазку для трущихся деталей на 170-ти градусном морозе лунной ночью и 150-ти градусной жаре лунным днём, каково будет сцепление колёс с лунной поверхностью, какими максимально допустимыми должны быть углы крена и дифферента, да и как управлять ею на таком огромном расстоянии? Словом, поначалу вопросов было куда больше, чем ответов на них, и немало пришлось поломать голову ленинградским конструкторам, чтобы качественно и в срок выполнить необычный заказ С.П. Королёва.

31 мая 1964 г. в ВНИИ-100 приехали С.П. Королёв, М.К. Тихонравов,С.С. Крюков, К.Д. Бушуев, А.П. Абрамов, В.В. Молодцов и В.П. Зайцев для ознакомления с выполненными проектными разработками и экспериментальными исследованиями по теме «Определение возможности и выбор направления в создании самоходного шасси аппарата Л-2». Результаты работ представили B.C. Старовойтов, А.Л. Кемурджиан (основной докладчик), Г.Н. Москвин, И.И. Розенцвейг, В.И. Комиссаров, A.B. Мицкевич и Ф.Н. Абрамов. Работу макетов демонстрировали П.Н. Бродский, Л.Х. Коган и М.Б. Шварцбург.

Из воспоминаний И.И.Розенцвейга: «Любопытно, что после доклада никто не задавал вопросов. Все ждали, что скажет Главный конструктор. И сказал он примерно следующее: «Все ваши предложения и просьбы разумные. И финансирование будет, и специальный корпус надо строить, и смежники будут работать». А затем Сергей Павлович подошёл к плакату, на котором был изображён будущий луноход с гусеничным движителем и сказал: «При создании космических объектов самое главное - это надёжность! Не следует брать рекорды. Это будет первая машина. Никого до нас на Луне не было, это - первый в мире автомат. Неизвестно, как управлять машиной с Земли, как поведут себя материалы и смазки в космическом вакууме. Поэтому надо снизить ходовые параметры, в частности, скорость и максимальный пробег (ходовой ресурс). Необходимо, чтобы луноход прошёл по Луне хотя бы десять километров и с небольшой скоростью. Может, стоит удвоить число приводов, дублировать команды, сделать так, чтобы отказ какой-либо из систем не повлиял на общую работу машины в целом...» [30].

Работы между ОКБ-1 и ВНИИ-100 продолжились уже на договорной основе.

Отчёт №642524 по теме был утверждён B.C. Старовойтовым 8 июля 1964 г. Именно в этом документе впервые употреблено слово «луноход».

3 августа 1964 г. было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР №655-268 «О работах по исследованию Луны и космического пространства», в котором говорилось об облёте Селены и высадке космонавтов на её поверхность[16]. В документе перечислялись задачи, которые возлагались на министерства обороны, общего машиностроения, радиопромышленности, авиационной промышленности, морского транспорта, на КГБ и другие ведомства. Было задействовано более 500 предприятий.

Однако лишь через полгода вышло Решение №23 ВПК от 10 февраля 1965 г. с поручением ВНИИ-100 приступить к проектированию и созданию лунохода.

Восьмиколёсное шасси в варианте повышенной надёжности впервые было обосновано сотрудниками ВНИИ-100 в НИР «Разработка шасси самоходного автоматического аппарата для исследования Луны» (тема «Шар»). Отчёт №652519 был утверждён в мае 1965 г., а через месяц С.П. Королёв принял решение сконцентрироваться на исследованиях по освоению космоса, используя пилотируемые средства ракетно-космической техники.

Как уже отмечалось, головной фирмой непилотируемых средств РКТ был определён коллектив М3 им. С.А.Лавочкина, в котором Главным конструктором со 2 марта 1965 г. был утверждён Г.Н. Бабакин. А вот головной организацией нового научного направления - исследования физикомеханических свойств грунта Луны и планет Солнечной системы решением МНТС по космическим исследованиям при АН СССР - был определён ВНИИ-100. В новой кооперации окончательно определились задачи: коллектив из Химок отвечал за создание и доставку на Луну передвижной научной лаборатории, а ленинградский ВНИИ-100 - за создание самоходного шасси лунохода с блоком автоматического управления и системой безопасности движения. В ноябре 1965 г. между двумя предприятиями был заключён договор на работы по лунной тематике.

Техническое задание на ходовую часть лунохода Г.Н.Бабакин подписал 18 июня 1966 г. Работы проводились в основном по трём направлениям: общемашинные разработки (руководитель - В.И. Комиссаров); узлы и отдельные механические системы (руководитель - Г.Н. Корепанов); узлы управления электрических схем и измерительной аппаратуры (руководитель - П.Н. Бродский). В этих разработках принимали участие ведущие специалисты - Е.В. Авотин, И.С.Болховитинов, Ю.И. Васильев, Б.В. Гладких, В.В. Громов, Ю.П. Китляш, Л.Х. Коган, Б.М. Лубенко, М.И. Маленков, A.B. Мицкевич, А.М. Носов, В.Н. Петрига, В.Н. Плохих, Л.Н. Поляков, И.И. Розенцвейг, А.Ф. Соловьёв, Ю.А. Хаханов, Л.Т. Черепанова, Ф.П. Шпак и др. [31].

Первый образец шасси лунохода был изготовлен, доставлен на М3 им. С.А. Лавочкина и сдан в эксплуатацию в начале 1968 г. [32].

К этому времени под руководством Главного конструктора Г.Н. Бабакина была полностью готова вся конструкторская документация по луноходу.

Луноход - это космический аппарат, выполненный в виде дистанционно управляемого транспортного средства (ТС) высокой проходимости с размещённой на нём научной аппаратурой. Это первая в истории космонавтики передвижная научная лаборатория для исследования небесного тела, доставляемая к месту эксплуатации орбитально-космическим комплексом.

Луноход обычно сравнивают с роботом. Но в отличие от робота, он является объектом управления операторами, специально отобранными и подготовленными для этой задачи. Луноход - транспортное средство, экипаж которого находится от него... на расстоянии около 400 000 километров!

Состоял он из двух основных частей: восьмиколёсного самоходного шасси и герметичного приборного отсека [33].

Основные параметры: длина с открытой крышкой (панелью солнечной батареи) - 4,42 м, ширина - 2,15 м, высота - 1,92 м и масса 756 кг.

Самоходное шасси - автоматическая система, осуществляющая передвижение лунохода. Отношение массы шасси к полной массе лунохода составляло 1/9.

Рис. 32. Луноход: 1 - выносной блок аппаратуры “Рифма»;

2 -телекамеры; 3 - уголковый отражатель; 4 - остронаправленная антенна; 5 - коническая спиральная антенна; 6 - блок рентгеновского телескопа; 7 - блок дозиметра; 8 - панель солнечной батареи;

9 - телефотометры; 10- штыревая антенна; 11 - прибор оценки проходимости; 12 - девятое колесо; 13 - мотор-колесо

В его состав входят: ходовая часть с колёсным движителем и упругой подвеской для движения по неровной местности и на уклонах; электродвигатели и механическая трансмиссия для вращения ведущих колёс и передачи на них необходимых тяговых усилий; блок автоматики шасси (БАШ).

Ходовую часть образуют восемь мотор-колёс, причём, каждое является ведущим. Диаметр каждого из колёс по грунтозацепам составляет 510 мм, ширина - 200 мм. Колёсная база шасси - 170 мм, ширина колеи - 1600 мм. Колёса объединены попарно в четыре блока: два блока колёс левого борта и два - правого борта. При необходимости любое колесо может отключаться от силового привода. Это позволяет сохранять высокую проходимость при выходе из строя привода одного или нескольких колёс. Все колёса неповоротные относительно вертикальной оси. Если колёса вращаются в одном направлении, но частота вращения колёс одного борта выше, чем другого, то происходит поворот с некоторым постоянным радиусом. Если колёса имеют одинаковую частоту вращения, но по бортам вращаются в разные направления, то поворот осуществляется на месте вокруг вертикальной оси симметрии ходовой части. Торможение осуществляется переключением тяговых электродвигателей шасси в режим электродинамического торможения. Для удержания лунохода на уклонах и его полной остановки включаются дисковые тормоза с электромагнитным управлением.

Особенность шасси состоит также в одинаковых характеристиках движения как при движении вперёд, так и при движении задним ходом. Это важно при его дистанционном управлении.

Блок автоматики шасси выполняет четыре основные функции: управление движением; контроль показаний измерительных датчиков и формирование команд безопасности движения; выдачу в телеметрическую систему преобразованных сигналов измерительных датчиков; программирование работы прибора оценки проходимости ПрОПа.

При достижении предельных значений углов крена и дифферента, токов мотор-колёс автоматически срабатывает бортовая система, которая останавливает луноход. Лишь после изучения сложившейся обстановки и принятия решения с наземного пункта выдаётся команда на продолжение движения лунохода.

Приборный отсек, являющийся одновременно несущим корпусом лунохода, имеет форму усечённого конуса с выпуклыми большим верхним и меньшим нижним днищами.

Внутри его для защиты от воздействия внешней среды в условиях космоса размещалась электронная аппаратура, буферная аккумуляторная батарея и преобразовательные устройства научной аппаратуры.

В носовой части лунохода расположены: иллюминаторы для объективов малокадрового телевидения; электромеханический привод остронаправленной антенны (ОНА); неподвижная коническая спиральная малонаправленная антенна; выносной блок аппаратуры определения химического состава поверхностного слоя лунных пород «РИФМА» (рентгеновский изотопный флуоресцентный метод анализа); блок рентгеновского телескопа для измерения интенсивности и углового распределения рентгеновского излучения внегалактического фона; блок дозиметра для изучения радиационной обстановки; уголковый отражатель для лазерной локации Луны.

В кормовой части расположены: прибор оценки проходимости (ПрОП); мерное (девятое) колесо и электроприводы его подъёма и опускания; изотопный источник тепловой энергии. Прибор оценки проходимости служит для получения информации дорожных условий, пройденного пути и результатов исследований свойств лунного грунта. Конструктивно он состоит из механизмов для внедрения и поворота в грунте конусно-лопастного штампа (пенетрометра) и свободно катящегося девятого колеса.

Пенетрометр определяет физико-механические свойства реголита.

Мерное (девятое) колесо выполняет несколько функций. Прежде всего, оно является датчиком пройденного пути. Для этой цели на колесе имеется отметчик, при помощи которого подсчитывается количество оборотов колеса, что позволяет определить пройденное расстояние и фактическую скорость движения машины, т.к. измерение количества оборотов производится в координате времени. При помощи девятого колеса определяется и коэффициент буксования. За величиной этого параметра постоянно следят, чтобы знать, по какому грунту движется луноход, не опасна ли дорога. По командам с Земли шарнирная система опускает колесо на грунт или поднимает его в транспортное положение.

Для обеспечения надёжной работы в жёстких температурных условиях лунного дня (120-150 °С) и ночи (-130 - -170 °С) луноход оборудован системой терморегулирования. Специальная экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) покрывает весь корпус, все выступающие приборы и узлы. Она изготовлена из многослойных тончайших металлизированных плёнок, проложенных стекловатой. Но даже такая "шуба" не в состоянии поддерживать температурный режим внутри приборного отсека в пределах от 7 до 32 °С. Поэтому обеспечение заданного режима осуществляется активной газовой системой терморегулирования. Специальная вентиляционная система перемешивает газ, обеспечивая равномерность температуры внутри корпуса. Автоматика регулировала движение газа в коммуникациях, контролируя его расход и, в случае надобности, охлаждая или подогревая его.

Рис. 33. Прибор оценки проходимости и мерное (девятое) колесо

Главная задача системы терморегулирования «ночью» состоит в том, чтобы в течение четырнадцати с половиной земных суток сохранить внутри лунохода тепло. Единственное средство - расположенный вне контейнера в кормовой части лунохода изотопный источник, который при радиоактивном распаде выделяет тепло и превращается в печь, не имеющую отходов. Топливом для «печки» служит искусственный радиоактивный изотоп полоний-210. Его получают, облучая металл висмут в атомном реакторе. Благодаря относительно малому периоду полураспада - около двадцати недель - и удаётся повысить эффективность использования энергии, запасённой в нём при облучении.

Очень важно, что основным компонентом излучения полония-210 являются альфа-частицы. Нейтроны и гамма-лучи, обладающие большой проникающей способностью имеют крайне низкий уровень излучения. Это позволяет практически избежать применения радиационной защиты, упрощает изготовление и наземную подготовку генератора, а также почти исключает радиационное воздействие на аппаратуру лунохода.

На период лунной ночи верхнее днище приборного отсека закрывалось выпукло-вогнутой круглой крышкой. В этом случае подогрев газа происходил путём теплообмена с изотопным источником тепла. Причём это делалось автоматически только тогда, когда температура в приборном отсеке опускалась ниже предельно допустимой.

А вот с охлаждением при работе «днём» дело обстоит сложнее. На аппаратуру действуют три «тепла»: тепловой поток Солнца, тепловой поток от поверхности Луны и тепловыделения самой аппаратуры. Был изобретён для лунохода эффективный способ отвода тепла. На верхнем днище приборного отсека создали радиатор-охладитель со специальным термооптическим покрытием (зеркальные элементы из кварцевого стекла), которое незначительно поглощало солнечную тепловую энергию, но хорошо излучало собственное тепло. К тому же за счёт принятой формы приборного отсека в виде конуса, усечённого сверху, площадь излучаемой поверхности стала оптимальной. Кроме того, на случай предельного повышения температуры внутри отсека предусматривалось применение водяного испарителя для дополнительного охлаждения с запасом воды 15 килограмм. На входе в отсек (по ходу циркуляции газа) были установлены четыре испарительных теплообменника.

Бортовая система электропитания осуществляла снабжение всех систем постоянным током. Она состояла из панели солнечной батареи, буферных серебряно-кадмиевых аккумуляторных батарей и автоматической системы управления зарядно-разрядными режимами.

Панелью солнечной батареи служила внутренняя поверхность крышки, обращённая к отсеку, на которой смонтировали необходимое количество зарядных элементов.

Управление панелью позволяло в начале лунного дня по команде с Земли специальным механизмом установить её под любым углом наклона от 0 до 180°, зафиксировать её в открытом состоянии в промежуточных положениях в зависимости от местонахождения Солнца и закрыть её, как правило, при наступлении лунной ночи. Вырабатываемый ею электрический ток заряжал буферную аккумуляторную батарею, которая питала электроэнергией необходимую бортовую аппаратуру.

Радиокомплекс ДРК Е8 лунохода предназначен для приёма команд с Земли, передачи их на исполнительные органы бортовых систем и передачи на Землю так называемых “квитанций” - подтверждений исполнения команд. Также радиокомплекс обеспечивал передачу на Землю телевизионных и телеметрических информаций от различных измерительных датчиков бортовой аппаратуры и научных приборов. Радиокомплекс обеспечивал приём 254 функциональных команд и 11 числовых уставок [22].

На луноходе предусмотрены специально созданные «системы пробуждения» - солнечные и тепловые датчики. Как только первые лучи Солнца освещают луноход, датчики срабатывают и замыкают реле, включающее радиокомплекс.

Система антенн, установленных на луноходе, обеспечивает надёжную радиосвязь в различных диапазонах при стоянке и движении лунохода. Две пары штыревых антенн осуществляют связь с Землёй в диапазоне углов визирования ±180°. Малонаправленная коническая спиральная антенна обеспечивает сферическую суммарную диаграмму направленности.

Для передач телевизионного изображения служит спиральная остронаправленная антенна (ОНА) дециметрового диапазона с диаграммой направленности 30°. Управление положением этой антенны производится по командам с Земли электромеханическим приводом, благодаря которому её тонкий радиолуч направляется на Землю так, чтобы сигнал, принимаемый и излучаемый ею, всегда был максимальным. Оператор ОНА обеспечивает постоянство оптимальной ориентации на Землю, от чего зависит и качество получаемой информации и исполняемых луноходом команд.

На луноходе установлены две телевизионные системы: малокадровая и панорамная.

Известно, что распространение радиоволн от Земли до Луны составляет почти 1,3 с. Телеизображение с Луны до Земли идёт также 1,3 с. В сумме уже 2,6 с. Анализ ситуаций и учёт времени исполнения команды управляющими органами показал, что минимальное общее время задержки составляет около 4,1 с.

В этом заключалось принципиальное отличие в процессах управления транспортным средством (ТС): в одном случае, когда ТС управляется оператором, находящимся непосредственно на нём, и в другом - когда управление ТС осуществляется оператором, находящимся на значительном расстоянии от него.

Тогда в космической технике и появился новый термин - система дистанционного управления (СДУ).

Выбор рациональной структуры СДУ был не прост, так как эта система замыкалась на человека с его психикой, свойственной ему реакцией, способностью к анализу и другими особенностями, которыми характеризуется мыслящая личность.

Одним из необходимых требований к СДУ является условие распознавания препятствий и возможность своевременной остановки перед ними или их объезда.

Передача телевизионного изображения, как это принято для обычного вещательного стандарта (25 кадров в секунду при чёткости 625 строк), мог быть осуществлён только по высокоскоростной радиолинии между луноходом и ПУЛом. Но такой технической возможности тогда не было.

Для управления движением лунохода специалисты систем радиоуправления и космической связи НИИ-885 при активном участии A.C. Селиванова предложили применить малокадровую телевизионную систему (МКТВ). Сотрудниками Всесоюзного НИИ электролучевых приборов (ВНИИ ЭЛП, г. Ленинград) под руководством одного из ведущих разработчиков Александром Григорьевичем Лапуком была создана новая оригинальная трубка-видикон с регулируемой памятью (ВРП). В НИИ-885 сотрудники лаборатории Владимира Александровича Тимохина, применив принцип работы ВРП, создали для лунохода бортовую телевизионную камеру, позволявшую сохранять на видиконе изображение лунной поверхности в течение времени, пока осуществлялась его развёртка в режиме телевизионного вещательного стандарта [34].

Электромеханический затвор имел основную выдержку 1/25 с, что позволяло избежать искажения изображений во время движения лунохода.

Передача изображений на Землю производилась на более низких скоростях в одном из четырёх режимов: 3,2; 5,7; 10,9 и 21,1 с одного кадра. Выбор режима осуществлялся по радиокомандам с Земли. При этом чёрно-белая фотография («картинка») на мониторах наземных устройств напоминала сменяющиеся друг друга кадры диафильма и была не самого высокого качества (чёткость падала до 350-400 строк, а на краях поля - до 300 строк). В верхнем углу каждого снимка фиксировался его номер и время получения.

Наземные устройства обратного преобразования были разработаны сотрудниками кафедры телевидения Московского электротехнического института связи (МЭИС), руководимой профессором С.И. Катаевым. В этой работе участвовали и сотрудники НИИ-885 A.C. Селиванов, Ю.М. Тучин, O.E. Малючков и др. [15].

Малокадровая телевизионная система состоит из двух передающих камер, установленных на одном уровне на высоте 950 мм, и одного моноблока с элементами электроники и автоматики. Угол зрения камеры составлял около 50° в горизонтальной плоскости и 38°- в вертикальной, поэтому нижняя граница зоны видимости начиналась с 1,2 м. Одна из камер расположена по продольной оси лунохода, другая - правее на 400 мм (по ходу движения), что позволяло получать стереопары телевизионных снимков с этой базой. Обычно работает один полукомплект (одна камера и часть моноблока), другой находится в резерве. В случае выхода из строя одной из камер можно будет перейти на другую. Другим ограничением скорости движения аппарата являлось периодичность предъявления каждого кадра телевизионного изображения. С момента обнаружения препятствия для дальнейшего движения было необходимо, чтобы это препятствие находилось в зоне видимости ещё не менее чем в 2-3 кадрах телевизионного изображения (в зависимости от установленного режима). В противном случае водитель мог потерять ориентировку на местности и наехать на препятствие.

Специфика же управления заключалась:

? в отсутствии непосредственного восприятия оператором процесса самого движения;

? в затруднённом восприятии местности по телеэкрану;

? во временных задержках при выдаче на борт радиокоманд и при приёме оттуда телевизионного изображения и телеметрической информации;

? наконец, в зависимости характеристик подвижности самоходного шасси от условий рельефа и физико-механических свойств лунного грунта.

Эти особенности потребовали наличия определённых навыков и психофизических качеств. К первым относились способность оперировать пространственными представлениями в отрыве от управляемого ТС и умение оценивать обстановку с упреждением во времени для компенсации временных задержек в системе управления. Ко вторым - хорошая память, способность к длительному вниманию, быстрота реакции и осмысления информации, умение по телевизионному изображению оперативно оценивать конкретную обстановку, определять расстояние до препятствий и их размеры, выбирать рациональный маршрут движения ТС и принимать решение по методу его управления.

В настоящее время в мировой практике управления инопланетным ТС применяется термин телеоператорное управление.

Панорамная телевизионная система предназначена для топографической съёмки местности, исследования её структуры, а также для наблюдения Земли и Солнца.

Четыре панорамные телефотокамеры типа Я-198, аналогичные тем, которые применялись на «Луне-9» и «Луне-13», для лунохода были модифицированы и попарно (вертикального и бокового обзора) установлены по левой и правой сторонам приборного отсека.

Чёткость изображения такой системы раз в десять выше, чем чёткость изображения на экране ВКУ. Это позволяет применять её в навигационных целях, а также и для проведения морфологических и топографических исследований лунной поверхности. Панорамные камеры работают только во время стоянок лунохода и передают изображения неподвижных объектов окружающей местности.

У камеры вертикального обзора (астротелефотометра) сечение телесного угла 360° на 30°. Принимаемое от неё изображение называют астропанорамой. Вращаясь подобно аттракционному «колесу обозрения», она фиксирует всё, что находится впереди лунохода, под ним, сзади и вверху. В поле зрения этих камер попадали передние и задние колёса, что позволяло оценить характер их взаимодействия с грунтом. Также они могли в определённых случаях зафиксировать положение Солнца и Земли на небосводе, что использовалось при решении навигационных задач.

К каждой камере был пристроен специальный оптический прибор - датчик лунной вертикали (определитель местной вертикали -ОМВ). Он представлял собой стеклянную чашу с нанесённой на её внутренней поверхности радиальной калибровочной шкалой, по которой свободно перемещался металлический шарик. Его нахождение соответствовало положению лунохода на поверхности. Изображение ОМВ являлось обязательной частью астропанорамы.

Камера бокового обзора с сечением телесного угла 180° на 30° фиксирует все объекты, находящиеся по левую (правую) стороны.

Рис. 34. Расположение камер телефотометров (№ 1,2,3,4) относительно передних камер малокадрового ТВ (№5 и№6)

Одной из их функций является обеспечение безопасного схода лунохода с посадочной ступени. По принимаемым изображениям телевизионной курсовой камеры водитель из-за т.н. «мёртвой зоны» (1,2 м) не видит передние колёса и раскрытые трапы, не может оценить расположение их концов на лунной поверхности и отсутствие препятствий для схода, обстановку слева и справа и, тем более, позади лунохода.

По принятым панорамам вертикального и бокового обзора местности штурман оперативно составляет топографическую схему места посадки, по которой выбирается наиболее благоприятное направление схода и первоначального движения лунохода.

Сам процесс схода лунохода и дальнейшего движения мог контролироваться курсовой камерой.

Одной из задач навигации является уточнение координат места посадки.

Другой - прокладка на планшете штурмана трассы движения лунохода. В этом случае используется телеметрическая информация гироскопической курсовой системы и датчиков 3-го и 6-го мотор-колёс, измеряющим скорость вращения ведущих колёс, а также девятого, свободно катящегося колеса и измеряющего пройденный путь («спидометра»).

Телефотометры дают возможность точно измерять направления на местные предметы. Выбирая в качестве таковых хорошо заметные ориентиры, например, камней и кратеров, находящихся в зонах перекрытий последовательно снятых панорам, методом геодезических засечек строится координатная сетка, в системе которой получают трассу пройденного пути лунохода. Изображения теней ландшафта местности, нанесённые на эту сетку, дают азимутальную ориентацию, а телеметрические показания позволяют определять их масштаб. Так как для обхода препятствий приходится двигаться по сложному пути, то такие построения обеспечивают надёжную ориентировку, необходимую для выхода лунохода в заданный район или возвращение его в исходную точку маршрута.

Задачей системы обзора лунохода является также наблюдение за характером воздействия колёс на лунный грунт и исследования его механических свойств. Заметим, что оставленный колёсами след позволяет уверенно ориентироваться при возвращении лунохода, например, к посадочной ступени.

Вскоре начались наземные лётно-конструкторские испытания лунохода.

В этот же период формулировались и первоначальные технические требования на проектирование ЛКА, предназначенного для забора лунного грунта и доставки его на Землю. Идея принадлежала научному руководителю лунных экспедиций директору Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского АН СССР (ГЕОХИ) академику А.П. Виноградову. После анализа результатов, полученных «Луной-13», он изложил Г.Н. Бабакину своё мнение, заключающееся в том, что одной из важнейших задач изучения Луны является лабораторное исследование образцов лунного грунта. От имени АН СССР он высказал просьбу «о доставке всего 100 граммов лунного грунта».

Появилась возможность расширить научные исследования и эксперименты, но требовалось использовать новую, более мощную ракету-носитель «Протон-К». Опыт запусков космических аппаратов для мягкой посадки на поверхность Луны, а также ИСЛ, позволил коллективу бабакинского ОКБ-301 предложить интереснейшую задачу: доставить с Луны пробы грунта. Замысел был таков: на поверхность спутника Земли мягко садится аппарат, несущий грунтозаборное устройство, сферический возвращаемый объект с теплозащитой, в которой впечатывается ампула с лунным грунтом, и возвратную ракету. В нужный момент возвращаемый аппарат стартует на Землю, гасит вторую космическую скорость в земной атмосфере и на парашюте спускается в заданный район на территории СССР. Осуществление этой задачи увлекло как специалистов ОКБ и его опытного производства, так и многочисленных соисполнителей разных отраслей.

Предложение по созданию ракетно-космической системы для доставки на Землю лунного грунта было подписано 10 января 1968 г., а 28 февраля 1968 г. уже был утверждён эскизный проект такого аппарата.

Георгий Николаевич отдавал предпочтение варианту, при котором одна и та же ракетно-космическая система могла доставлять на Луну в одном случае луноход, а в другом - грунтозаборное устройство (ГЗУ), возвратный носитель и возвращаемый аппарат с образцами лунного грунта.

Коренным образом изменялся облик ЛКА.

В первую очередь это коснулось ракетной ступени коррекции и торможения, для которой на основе опыта разработки КТДУ-5А в ОКБ-2 А.М. Исаева была создана КТДУ-417. Она представляла собой корректирующе-тормозной модуль (КТ), с новой системой управления перелётом и посадкой, осуществляемой на четыре амортизированные опоры.

Таким образом, создавался базовый для всех непилотируемых ЛКА третьего поколения новый универсальный служебный модуль - орбитально-посадочный блок (ОПБ), включавший унифицированное посадочное устройство - посадочную ступень (ПС) и полезную нагрузку. В зависимости от целевой задачи ЛКА на его ПС могли устанавливаться либо луноход (объект Е8), либо ГЗУ, ракета «Луна-Земля» с возвращаемым аппаратом (объекты Е8-5, Е8-5М), либо научные приборы для дистанционного исследования Луны (объект Е8-ЛС) [22].

Рис. 35. Корректирующе-тормозной модуль

Рис. 36. Лунный космический аппарат проекта Е8

Основу ПС составляла связка из четырёх основных сферических топливных баков с КТДУ-417, с двух сторон к которой крепились сбрасываемые отсеки (СО) и баки цилиндрической формы с топливом на все коррекции и торможения, предшествовавшие сходу с орбиты и посадке.

Сбрасываемые отсеки соединялись между собой приставками, на которых крепились герметичные приборные контейнеры с аккумуляторными батареями питания бортовой аппаратуры, основного ПВУ и САО.

Для обеспечения перелёта к Луне и функционирования на орбите ИСЛ под руководством Н.П. Никитина в КБ «Салют» была разработана система управления. На ПС располагались антенны для связи с Землёй, радиовысотомер больших высот (РВ-В) «Вега», доплеровский измеритель скорости ДА-018, а также высотомер малых высот «Квант-2», разработанный Ленинградским политехническим институтом имени М.И. Калинина.

Систему астроориентации для объектов проекта Е8, как и для Е6, разработал коллектив НИИ-923 (с 1970 г. - отделение №1 Московского института электромеханики и автоматики, ныне-МОКБ «Марс») под руководством В.П. Морачевского.

После осуществления посадки и оценки полученной телеметрической информации планировалась выдача радиокоманды на подрыв пироустройств в узлах крепления амортизаторов четырёх опор. ПС полностью соприкасалась с поверхностью, что способствовало улучшению условий для схода лунохода или работы ГЗУ.

Для объекта Е8 к топливным бакам крепились две пары складывающихся трапов для схода лунохода на поверхность Луны.

Сам луноход жёстко крепился к ПС с помощью пироболтов. По радиокоманде перед его сходом производится их подрыв, отчего луноход несколько приподнимается - “подскакивает”, при этом освобождаясь от механических и электрических связей с ПС.

Затем также по радиокоманде подвижные части трапов спрямляются в горизонтальное положение и передние их концы опускаются на грунт. Одна пара трапов предназначена для схода вперёд, другая - назад. Направление схода выбирается в зависимости от положения ПС на грунте и окружающей обстановки. Для предохранения от сваливания лунохода с трапов по бокам их подвижных и неподвижных частей установлены небольшие ограничительные упоры высотой 70 мм.

Для доставки на Луну ПС с грунтозаборным устройством, возвратной ракетой, стартовой установкой для неё, системой загрузки лунного образца в капсулу возвращаемого на Землю аппарата и другие различные обеспечивающие системы необходимо было уложиться в те конкретные весовые характеристики, которыми располагала в то время PH «Протон-К». А масса такого ЛКА превышала их. Задача была сверхсложная. Но специалист в области управления и баллистики Юлий Давидович Волохов решил эту задачу. Он предложил вариант обеспечения посадки возвращаемого аппарата в заданной области Земли без коррекции траектории его полёта. При этом необходимо строго выполнить условия: обеспечить посадку ЛКА в расчётном районе Луны; осуществить старт ракеты в строго определённое время по лунной вертикали со скоростью, обеспечивающей её разгон, вывод на заданное направление и удержание системой управления с помощью гироскопа на этой траектории; выключить двигатель ракеты «Луна-Земля» в расчётный момент. Научный труд Ю.Д. Волохова «Специальный метод прицеливания в заданную точку на поверхности Земли» проверили в ИПМ АН СССР и утвердили. В результате было получено авторское свидетельство на способ управления полётом ЛКА, грунтозаборное устройство, другие системы и на ЛКА проекта Е8-5 в целом [36].

Рис. 37. Унифицированная посадочная ступень с луноходом: 1 - блок баков; 2 - радиовысотомер; 3 - блок с газом системы наддува основных баков; 4 - баллон с газом системы автоматики двигательной установки;

5 - жидкостный реактивный микродвигатель системы стабилизации;

6 - топливные баки системы стабилизации; 7 - трапы; 8 - баллон с азотом для системы астроориентации; 9 - телекамеры; 10 - привод остронаправленной антенны; 11 - остронаправленная антенна;

12 - коническая спиральная антенна; 13 - панель солнечной батареи;

14 - луноход; 15 - телефотометры; 16 - привод панели солнечной батареи; 17 - штыревая антенна; 18 - изотопный источник тепла;

19 - микродвигатели системы астроориентации; 20 - допплеровская аппаратура; 21 - управляющее сопло основного двигателя;

22 - сбрасываемый отсек; 23 - сопло основного двигателя;

24 - коническая спиральная антенна; 25 - сбрасываемый отсек;

26 - сопло блока малой тяги; 27 - посадочное устройство

Большая подготовительная работа проводилась и в Центре КИКа.

В 1968-1969 гг. на Симферопольском ЦДКС вводится в эксплуатацию уникальнейший наземный единый радиотехнический комплекс «Сатурн-МС», созданный на НИИ-885 (НИИ Приборостроения министерства общего машиностроения - НИИП). В состав комплекса вошли: приёмная антенна ТНА-400; передающая антенна ТНА-200; передатчики «Горизонт» и «Бирюза»; аппаратура «Бархат»; антенна К-524 [35].

Рис. 38. Унифицированная посадочная ступень с грунтозаборным устройством и ракетой «Луна-Земля»

Техническое обеспечение комплекса, подготовку и проведение сеансов связи с ЛKA возлагалось на расчёты отдела подполковника А.Н. Хохлачева в составе майоров Ф.Н. Федорова, Е.Н. Курилова, капитанов А.П. Мухина, A.A. Черникова, A.A. Борщакова, Б.Н. Буслаева, H.A. Дмитриева, А.П. Савчука, Н.Е. Жолоба и др.

Под руководством и при непосредственном участии начальника НКВЧ полковника A.A. Большого, начальника управления испытаний и эксплуатации командно-измерительных средств и АСУ полковника И.К. Геращенко, начальника управления обработки и анализа телеметрической информации полковника АЛ. Родина, заместителя начальника КИКа по связи и СЕВ полковника Б.А. Воронова и начальника отдела АСУ, связи и СЕВ полковника М.П. Красильникова была организована целенаправленная работа по повышению квалификации личного состава подчинённых им подразделений, а также на НИ Пах, привлекаемых к работе по лунной программе.

Со всеми сотрудниками отделов, принимавшими участие в работах по объектам Е8 и Е8-5, были проведены занятия по программе, рассчитанной на 14 академических часов. Она включала: эскизный проект и исходные данные; состав бортовой радиотехнической аппаратуры; баллистические требования; программу полёта; программу работы технических средств КИКа; программу получения и обработки телеметрической информации; схему передачи всех видов информации с НИПов; состав вычислительных центров; привлекаемые дополнительные средства КИКа; схему организации управления; схему связи. Также изучались назначение, конструкция ЛKA и состав технических средств, программы и типовые сеансы связи, особенности работы всех бортовых систем и заложенной логики при выполнении программы полёта.

Схема организации управления представлялась в следующем виде: Государственная комиссия (её состав и место расположения); оперативное техническое руководство (его состав и место расположения); ГОГУ (её состав и место расположения); группы управления, анализа, баллистики, дешифровки, координации техническими средствами участвующих НИПов и др.

В баллистическую группу входили подгруппы расчёта и выдачи ЦУ, решения краевых и начальных условий, а также прогноза оценки точности. По опыту предыдущих работ были созданы смены на каждый сеанс связи и чётко определялись обязанности их расчётов.

Акт о готовности к работе комплекса «Сатурн-МС» и космической радиотехнической станции (КРС), подписанный со стороны Центра КИК полковниками И.Л. Геращенко и В.П. Косолаповым, а от НИИП MOM - А.Н. Сорокиным и М.М. Кручковичем, был утверждён полковником A.A. Большим и Главным конструктором НИИП MOM М.С. Рязанским.

Рис. 39. Акт приёма

В нём отмечалось, что «...смешанные расчёты из представителей промышленности и НИП-10 на комплексе «Сатурн-МС» и станции КРС составлены и утверждены, к работе в штатных режимах командной радиолинии (КРЛ), телеметрии (ТМ) и фототелеметрии (ФТ) готовы».

Расширились возможности по телеуправлению ЛКА и на всех других НИПах, принимавших участие в работах по лунной программе.

В акватории Тихого и Атлантического океанов были выведены отдельные плавучие измерительные комплексы (ОИПК) «Чажма», «Невель» и «Моржовец». Их экспедиции принимали телеметрическую информацию на этапах выведения и полёта PH с ЛКА. А на участках подлёта к Земле возвращаемого аппарата с лунным грунтом телеконтроль осуществляли ОИПК «Чумикан», «Ристна» и «Долинск».