Как сделали первые снимки темной стороны Луны

0

Фотосъемка из открытого космоса – сложнейшая задача, особенно – с технологиями пятидесятых годов. Конструкторам аппарата «Чайка» удалось решить ее.

Голливуд знает все

Что бы мы делали без Голливуда? Не посмотри я на днях третью часть боевика «Трансформеры», так бы никогда и не узнал, что на обратной стороне Луны была база десептиконов. И что ее фотоснимки получены советским космическим аппаратом «Луна-4», отправленным к нашему спутнику в апреле 1960 года. Как в «Трансформерах» сообщил один из русских космонавтов, которых готовили к пилотируемому полету на Луну, снимки, полученные автоматической межпланетной станцией «Луна-4» были намного детальнее тех, первых в истории человечества снимков, которые сделала станция «Луна-3». Именно они и позволили выявить наличие на соседке Земли следы пребывания супостата, что в дальнейшем привело к свертыванию советской и американской лунных программ, и остальной завязке сюжета мирового блокбастера.

Версия этой истории, рассказанная в фильме, конечно, занимательна. Только вот станция «Луна-4А» так и не добралась до Луны – из-за недолива горючего в бак третьей ступени ее ракеты-носителя, а «Луна-4B» вообще не взлетела из-за аварии на старте. А ведь именно эти аппараты должны были продолжить успешную фотосессию темной стороны Луны, выполненную седьмого октября 1959 года станцией "Луна-3". Именно в этот день (точнее, в три часа ночи) советский космический аппарат передал серию из 29 фотографий части лунной поверхности, которая с Земли никогда не видна. За этим достижением стоял труд сотен инженеров, разработавших ракету-носитель, разгонный блок межпланетной станции, уникальную фототелевизионную аппаратуру «Енисей» и (впервые!) реализовавших управление положением космического аппарата в межпланетном пространстве – с помощью автономной системы ориентации «Чайка».

Успешная реализация идеи, заложенной в «Чайке», положила начало эре управляемых космических полетов, а также возможности сближения и стыковки космических аппаратов.

Механика против космоса

Представьте, что вы фотограф, мчащийся на полной скорости в автомобиле по покрытому льдом шоссе. Вашей камере с мощным телеобъективом предстоит сделать снимок огонька на верхушке Останкинской телебашни, находящейся от вас в ста километрах. Все бы ничего, только вот из-за отсутствия сцепления колес с дорогой машина мчится вперед, «вальсируя» – вращаясь вокруг своей оси. Представили? Именно с такой ситуацией столкнулись разработчики автоматической межпланетной станции «Луна-3».

Сотни фантастических фильмов накрепко вбили нам в голову тот факт, что в космосе движение корабля происходит по вполне земным законам. То есть корабль движется носом вперед, подталкиваемый с кормы реактивными струями из двигателей. А когда надо повернуть, бравый капитан отклоняет джойстик вправо или влево, и корабль послушно меняет свой курс – словно автомобиль на дороге.

Увы, все это неправда. В отличие от земных условий, в космическом пространстве нет внешней среды, в которой осуществляется движение (аналога дороги, воздуха или воды). С одной стороны, это замечательно. Ракета-носитель разгоняет корабль до нужной скорости и придает ему нужное направление движения. Не встречая никакого внешнего сопротивления, корабль будет двигаться в заданном направлении бесконечно долго (не будем сейчас обсуждать воздействие на него гравитации окружающих небесных тел). Именно эта возможность позволяет при точном прицеливании направить космический аппарат в строго заданную точку пространства. На Земле такой фокус не пройдет: ветер, морские течения или выбоины на дороге неизбежно собьют движущийся объект с курса. Зато эти враги целенаправленного движения позволяют сделать его управляемым. Мы поворачиваем руль и благодаря сцеплению колес с дорогой машина поворачивает в нужном направлении. Ту же роль играют рули судна или самолета. Мы изменяем движение, словно отталкиваясь от внешней среды.

Но в космосе нет вообще ничего, и центр масс корабля и вращение его корпуса вокруг центра масс оказываются «развязанными». При этом центр масс движется по заданной траектории, а корпус корабля в отсутствие всяких влияющих факторов может беспорядочно вращаться. Так «вальсирует» на обледеневшей трассе движущийся автомобиль, колеса которого утратили сцепление с дорогой. Именно так, кувыркаясь, и движутся к цели межпланетные станции. Никакого гордого движения носовой частью вперед.

Кувыркание движущегося комического аппарата – обычно не большая помеха выполнению экспериментов на его борту. Но только не в случае «Луны-3». Перед этой межпланетной станцией была поставлена задача сфотографировать невидимую с Земли сторону нашей небесной соседки. Для этого объектив фотоаппарата нужно жестко зафиксировать в определенном направлении. Сама же станция должна продолжать свой полет по заданной ей с Земли траектории. То есть требуется как раз то самое красивое движение из фильмов.

Перед коллективом ученых и инженеров, возглавляемым Борисом Викторовичем Раушенбахом, была поставлена задача управления ориентацией станции: получением нужного положения корпуса корабля относительно внешних ориентиров, в данном случае Луны. Благодаря их усилиям, к середине пятидесятых годов прошлого столетия была разработана теория управления ориентацией космических аппаратов, в которой в четкой форме математических выражений описаны принципы управления положением корпуса аппарата в космическом пространстве, коррекции траектории его движения и гравитационных маневров, предложены инженерные решения этих непростых задач.

К 1958 году лаборатория Раушенбаха создала действующий прототип автономной системы ориентации, названный «Чайка». 5 мая 1959 года на исследовательском полигоне Тюратам (будущий Байконур) были проведены автономные испытания новой системы ориентации.

Вот как их описывает один из участников: «После этого для полной проверки "Чайки" будущий спутник поднимается краном на гибкой подвеске, раскачивается и закручивается вручную относительно трёх осей. Микродвигатели, к всеобщей радости, "фыркают", подтверждая, что при последних перепайках на борту адреса команд не перепутаны».

Что до испытания в боевых условиях, то его «Чайка» проходила на межпланетной космической станции-фотографе «Луна-3».

Анатомия и физиология

Как Раушенбаху и его сотрудникам удалось четко зафиксировать объетивы фотокамер мчащейся во весь опор «Луны-3» за сотни тысяч километров от Земли?

Автономная система ориентации «Чайка» имела в своем составе следующие, взаимодействующие между собой, компоненты: восемь сенсоров солнечного света – по четыре на днище станции и вокруг объектива окна объективов фотокамер, три гироскопических сенсора-стабилизатора, непрерывно измеряющих угловую скорость «Луны-3» в трех плоскостях. Один сенсор лунного света, находившийся между объективами фотокамер, четыре реактивных микродвигателя, крестообразно расположенные перпендикулярно центральной оси станции и две пары реактивных микродвигателей, крестообразно расположенные по касательной к центральной оси станции.

Информацию от сенсоров получал и обрабатывал электромеханический компьютер, логика работы единственной программы которого базировалась на уравнениях управления ориентацией, разработанных коллективом Раушенбаха. Этот же компьютер управлял моментами запуска и продолжительностью работы восьми реактивных микродвигателей. В качестве топлива в них использовался сжатый азот, хранящийся в специальном баке под давлением 150 атмосфер и подающийся в сопла через редуктор под давлением четыре атмосферы. Компьютер был связан с программно-временным устройством, в котором была заложена циклограмма всего полета «Луны-3».

Миссия выполнима

7 октября 1959 года – спустя трое суток после успешного старта, станция «Луна-3» оказалась в заданной точке траектории ее движения на расстоянии 65200 километров от обратной стороны Луны. Местоположение станции для съемки было выбрано не случайно. Во-первых, она размещалась так, что Луна перед ней и Солнце позади нее находились примерно на одной прямой, а вот Земля, свет которой мог помешать системе ориентации, оказывалась далеко в стороне. Во-вторых, по условиям съемки, «Луна-3» должна была захватить в объективы небольшой участок видимой с Земли поверхности нашего спутника, чтобы у ученых появилась возможность выполнить топографическую привязку местности к известным ориентирам.

Корпус станции при подлете к точке съемки вращался вокруг ее центра масс с периодом 165 секунд. Эти измерения, выполненные гироскопическими сенсорами, позволили задействовать все восемь микродвигателей, практически остановив (погрешность 0,15 градуса в секунду) кувыркание станции по всем трем осям. Гироскопы при этом выполняли роль балансиров, демпфирующих в отсутствии трения действие двигателей ориентации. Этот маневр занял около десяти минут.

После остановки вращения в дело вступили солнечные сенсоры на днище «Луны-3» и вокруг ее объективов. Компьютер, начал подавать управление двигателям V1-V4 таким образом, чтобы максимизировать сигналы сенсоров на днище, и одновременно минимизировать сигналы сенсоров возле объективов. Этот маневр, длившийся около тридцати минут, развернул станцию объективом в сторону Луны, а днищем – к Солнцу.

Нужная ориентация корпуса была получена и постоянно корректировалась с учетом траектории движения центра масс станции. Точно нацелиться на Луну объективам фотоаппаратов позволила информация от сенсора, улавливавшего лунный свет. Максимизируя его сигналы, компьютер скорректировал положение люка, скрывающего фотоаппаратуру «Луны-3» с погрешностью в 0,5 градуса.

Кроме того, непосредственно перед съемкой «Чайка» придала станции кратковременное вращательное движение вдоль оси съемки, чтобы солнечные лучи равномерно прогрели ее корпус, и процессы химической обработки полученных снимков прошли без проблем.

Эпоха управляемых полетов

Полученные «Луной-3» снимки обратной стороны Луны были не ахти какого качества. Это и понятно – сделанные на обычную фотопленку, они проявлялись прямо на борту станции, да и аппаратура их телепередачи методом бегущего луча (того самого, что применяется в современных сканерах) только начинала свое развитие. Но все это было не важно.

Полет «Луны-3» и выполненная ею на «пятерку» фотосессия земного спутника, во второй раз после запуска «Спутника-1» произвели эффект разорвавшейся бомбы. Шутка ли – в то время, когда после ряда неудачных запусков микроспутников (Хрущев за маленький вес называл их «грейпфрутами») американского проекта «Авангард», 18 сентября 1959 года США успешно запускают двадцатитрехкилограммовый «Vanguard-3» на высоту восемь тысяч километров, русские 4 октября того же года отправляют к Луне целую фотолабораторию «Луна-3» весом 287 килограммов. И не просто запускают, а успешно делают и передают снимки лунной поверхности.

Миссия «Луны-3» подстегнула настоящую космическую гонку двух супердержав. Именно она стала причиной увеличения ассигнований на развитие космических технологий и в США и в СССР. И именно благодаря ей в США появилось агентство NASA, а теория управления ориентацией космических аппаратов вышла на новый уровень развития.

Ее первопроходец, система ориентации «Чайка» легла в основу множества систем управления межпланетными и пилотируемыми космическими кораблями. В лаборатории Раушенбаха в семидесятые годы были разработаны и усовершенствованы системы ориентации станций «Марс» и «Венера», системы коррекции орбиты спутников Земли, а также системы автоматического и ручного управления и стыковки пилотируемых космических аппаратов.

На смену электромеханическому компьютеру «Чайки» пришли бортовые цифровые ЭВМ серии «Салют». А для ориентации над не освещенной Солнцем стороной Земли, была придумана система ИКВ – инфракрасной вертикали, сенсоры которой использовали инфракрасное излучение нашей планеты.

Исторический момент фотографирования обратной стороны Луны станцией «Луна-3» можно пережить самостоятельно и от первого лица. Достаточно скачать и установить симулятор космических полетов «Orbiter 2010», распространяющийся по свободной лицензии, и загрузить в него миссию «Луна-3».

Евгений Лебеденко,
Mobi.ru

Поделиться.

Комментарии закрыты