Физика для всех: Подари мне лунный камень, подари мне лунный свет... (часть вторая)

Советские космонавты так никогда и не полетели на Луну. Однако, Советский Союз внёс свой весомый вклад в исследование нашего естественного спутника. В прошлый раз я рассказал о советских луноходах - самоходных управляемых с Земли роботах, предназначенных для исследования Луны. Сегодня рассказ пойдёт о не менее интересных аппаратах: о машинах, предназначенных для автоматической доставки на Землю лунного грунта.

Макет станции "Луна-16" в музее космонавтики г. Москвы

Американские астронавты привезли на Землю в общей сложности около 380 кг лунного грунта. Количество лунного грунта, доставленного советскими автоматическими станциями исчисляется сотнями граммов, но добыт он был при помощи автоматических аппаратов, то есть безо всякого риска для людей, ими управлявших. Тогда, начале 70-х годов ХХ века (да и в наши дни тоже), это было большое достижение науки и техники. Автоматические аппараты для этих целей за океаном не создавались.

Советская программа исследования Луны автоматическими аппаратами (таковых проектировалось три типа: Луноходы, искусственные спутники Луны и аппараты для доставки лунного грунта на Землю) развивалась параллельно с программой пилотируемых полётов на Луну. В частности, Луноход предполагалось использовать как транспорт для космонавтов, для проезда к резервной взлётной ступени в случае отказа основной.

После того, как в июле 1969 года на Луне высадились американцы, от пилотируемых полётов к Луне в СССР отказались, однако реализация программы исследования Луны автоматическими аппаратами продолжилась. В результате, свои следы в лунном грунте оставило два лунохода, а три автоматических аппарата доставили на Землю в общей сложности 326 граммов лунного грунта. Разработчиком этих аппаратов было НПО им. С. А. Лавочкина.

Проекты Лунохода и "луночерпалки" объединяла посадочная платформа - по сути, ракетная ступень, предназначенная для обеспечения мягкой посадки аппарата на поверхность Луны. В одном случае, на посадочную платформу был установлен Луноход, (а сама она была оборудована пандусами для его съезда на поверхность Луны), а во втором - возвращаемая ракета со спускаемым аппаратом, куда собственно и загружался лунный грунт. Так же, посадочная ступень была оснащена буровым устройством для взятия пробы грунта. Для выбора места взятия пробы грунта на станции были установлены два телефотометра, а для освещения зоны работы грунтозаборного устройства - светильники.

Схема конструкции АМС "Луна-16"

Схема бурового устройства

Схема спускаемого аппарата станции

Схема полёта была выбрана следующая: станция запускалась с Земли ракетой-носителем "Протон-К" с разгонным блоком "Д" на низкую околоземную орбиту. Далее, при помощи блока "Д", станции сообщалась вторая космическая скорость и она выводилась на траекторию полёта к Луне. Далее, станция тормозилась, опять же при помощи блока "Д" и выводилась на орбиту искусственного спутника Луны. Следующий этап - торможение, сход с орбиты и мягкая посадка на поверхности Луны. После посадки производилось бурение лунного грунта и взятие его пробы, которая загружалась в возвращаемую ракету. Далее, возвращаемая ракета стартовала к Земле, посадочная ступень при этом, оставалась на поверхности Луны. При подлёте к Земле, от ракеты отделялся спускаемый аппарат, который входил в атмосферу и спускался на парашюте., после чего его подбирала поисковая группа.

Из-за жёсткого лимита возвращаемой массы, ракету невозможно было оснастить полноценной системой управления. Поэтому, в качестве мест прилунения выбирались районы, где начальная часть траектории возвращения совпадала с местной лунной вертикалью. Это позволило кардинально упростить систему управления возвращаемой ракетой и обойтись без коррекции траектории на участке полёта от Луны к Земле.

Схема полёта АМС "Луна-16"

Первая попытка запуска аппарата, получившего обозначение "Луна-15", была 14 июня 1969 года, однако, этот запуск был неудачным: из-за ошибки в системе управления ракетой "Протон-К", станция даже не вышла на околоземную орбиту.

Следующий запуск произошёл через месяц - 13 июля 1969 года. В этот раз, станция, так же получившая обозначение "Луна-15", успешно вышла на траекторию полёта к Луне. 14 июля была проведена коррекция траектории, а 17 июля включением двигательной установки, станция была переведена на окололунную орбиту. 21 июля 1969 года двигательная установка станции была включена на торможение для схода с орбиты. Станция начала снижение и подготовку к мягкой посадке, однако на 237-й секунде снижения, связь с ней была внезапно потеряна. Вероятнее всего, произошло столкновение станции с горой, в результате чего, аппарат разбился. В этот же день, астронавты Нил Армстронг и Баз Олдрин стали первыми людьми, ступившими на Луну. Маленький шаг для человека и огромный скачок для всего человечества был сделан американцами, СССР, увы, оказался аутсайдером лунной гонки.

Новый запуск был произведён 12 сентября 1970 года: станция "Луна-16" успешно вышла на траекторию полёта к Луне. 13 сентября была проведена коррекция траектории, а 17 сентября "Луна-16" вышла на окололунную орбиту. 20 сентября 1970 года автоматическая станция "Луна-16" совершила успешную посадку в районе Моря Изобилия в точке с координатами 0° 41' Ю. Ш. и 56° 18' В. Д. Отклонение от расчётной точки посадки составило примерно 1,5 км.

Работа станции "Луна-16": прилунение, бурение лунного грунта и взлёт с поверхности Луны

Было произведено бурение и взятие пробы лунного грунта, который в количестве 101 грамма в специальной капсуле был помещён в возвращаемый аппарат. 21 сентября возвращаемая ракета массой 512 кг стартовала к Земле. А 24 сентября спускаемый аппарат массой 35 кг совершил посадку в 80 км юго-восточнее города Джезказган в Казахской ССР. "Луна-16" стала первым космическим аппаратом, автоматически доставившим внеземное вещество на Землю. Это был триумф науки и техники.

Анализ доставленного на Землю грунта в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР имени В.И. Вернадского показал, что он представляет собой реголит, разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает грунт (реголит) от земной бесструктурной пыли; по этому свойству он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв. При этом зернистость реголита увеличивается с глубиной. По химическому составу вещество лунного грунта представляет размельченную горную породу базальтового типа.

Лунный грунт, доставленный станцией "Луна-16"

Следующим аппаратом, доставившим на Землю лунный грунт стала станция "Луна-20", конструктивно аналогичная "Луне-16". Запуск с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя "Протон-К" был осуществлён 14 февраля 1972 года, а 21 февраля в 22 часа 19 минут 09 секунд автоматическая станция "Луна-20" совершила мягкую посадку на поверхность Луны в точке с координатами 3° 32' С. Ш. и 56° 33' В. Д., на участке лунного материка, примыкающего к северо-восточной оконечности Моря Изобилия. После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров получены изображения лунной поверхности, по которым было выбрано место взятия образцов лунной породы. По команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору грунта. Взятые образцы были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы. После окончания перегрузки грунта в спасаемый аппарат с помощью телефотометра было повторно получено изображение место взятия проб грунта.

Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 23 февраля в 1 час 58 минут. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа. 25 февраля за 8 часов до входа спасаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты. На высоте 15 км была введена в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 40 км северо-западнее Джезказгана. Программа полета станции "Луна-20" была выполнена полностью. Главным результатом полета "Луны-20 стала доставка на Землю образцов лунного грунта массой 55 граммов.

Следующий аппарат для доставки на Землю образцов лунного грунта получил обозначение "Луна-23". Планировалось взять пробы грунта с глубины 2,5 метра, для чего станция была оснащена грунтозаборным устройством новой конструкции по сравнению с таковыми у "Луны-16" и "Луны-20". По ряду причин из состава оборудования были исключены телефотометры и светильники. Возвратная ракета имела конструкцию аналогичную таковой у предыдущих аппаратов за исключением капсулы для лунного грунта, которая имела диаметр увеличенный с 68 до 100 мм.

Запуск был осуществлён 28 октября 1974 года. 6 ноября станция должна была совершить мягкую посадку на поверхность Луны, однако из-за ошибки в бортовой аппаратуре, была более чем вдвое превышена допустимая скорость посадки. В момент посадки произошло опрокидывание станции в сторону грунтозаборного устройства и выход аппарата из строя.

Следующим аппаратом из этой серии стала "Луна-24". Она так же предназначалась для взятия проб лунного грунта с глубины 2,5 метра и конструктивно повторяла разбившуюся "Луну-23". Станция была запущена 9 августа 1976 года, 11 августа была проведена коррекция траектории, а 18 августа станция совершила мягкую посадку в юго-восточном районе Моря Кризисов. Было произведено бурение поверхности Луны на глубину 225 см, и взятие проб грунта, которые были помещены в возвратную ракету.

Старт возвратной ракеты был произведён 19 августа, а 19 августа спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 200 км юго-восточнее Сургута. Масса доставленного на Землю лунного грунта составила 170 граммов.

Всего по программе автоматической доставки лунного грунта было осуществлено три успешных полёта: "Луна-16", "Луна-20" и "Луна-24". Общая масса доставленного на Землю лунного грунта составила 326 граммов.

Станция "Луна-24" стала последним советским аппаратом, летавшим к Луне. Следующая мягкая посадка на Луну произошла лишь через 37 лет, 14 декабря 2013 года, когда свою работу на поверхности нашего естественного спутника начал китайский луноход "Юйту".

Как видим, история исследования Луны была полна драматизма. Тут были взлёты и падения, успехи и неудачи, триумфы и поражения. Пожалуй без этого невозможно ни одно серьёзное дело, тем более космические исследования. Советские космонавты так и не оставили своих следов в лунном грунте, однако было бы несправедливо утверждать, что СССР проиграл лунную гонку окончательно и бесповоротно. Советские учёные так же внесли свой весомый вклад в исследования Луны. Были осуществлены миссии по автоматической доставке лунного грунта, что даже 40 лет спустя не смог повторить никто. И этим можно по праву гордиться.

Спускаемый аппарат станции "Луна-16" после успешного приземления

P. S. Посадочные ступени станций "Луна-16", "Луна-20" и "Луна-24" навсегда остались на Луне. Они, а так же, опрокинувшаяся на бок и не выполнившая своей миссии станция "Луна-23" были обнаружены и сфотографированы американским искусственным спутником Луны LRO. Кстати, этот же спутник обнаружил и следы присутствия на Луне американских астронавтов, окончательно сняв все вопросы насчёт "лунного заговора".