Исследование Луны - исследование спутника Земли с помощью космических аппаратов и оптических приборов.

Первоначально единственным методом изучения Луны человечеством был визуальный метод. Изобретение Галилеем телескопа в 1609 году позволило добиться значительного прогресса в исследовании Луны при помощи оптических приборов. Сам Галилей использовал свой телескоп для исследования гор и кратеров на лунной поверхности. Исследования спутника Земли с использованием космических аппаратов началось 13 сентября 1959 года с посадки советской автоматической станции Луна-2 на поверхность спутника. В 1969 году состоялась высадка человека на Луну, началось изучение спутника с его поверхности.

В настоящее время, несколько космических держав имеют планы по возобновлению пилотируемых полётов на поверхность Луны и созданию лунных баз.

Древность и Средние века

Луна привлекала внимание людей с древних времён. Во II в. до н. э. Гиппарх исследовал движение Луны по звёздному небу, определив наклон лунной орбиты относительно эклиптики, размеры Луны и расстояние от Земли, а также выявил ряд особенностей движения.

Полученную Гиппархом теорию развил впоследствии астроном из Александрии Клавдий Птолемей во II веке н. э., написав об этом книгу «Альмагест». Данная теория множество раз уточнялась, и в 1687 году, после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, из чисто кинематической, описывающей геометрические свойства движения, теория стала динамической, учитывающей движение тел под действием приложенных к ним сил.

Изобретение телескопов позволило различать более мелкие детали рельефа Луны. Одну из первых лунных карт составил Джованни Риччиоли в 1651 году, он же дал названия крупным тёмным областям, именовав их «морями», чем мы и пользуемся до сих пор. Данные топонимы отражали давнее представление, будто погода на Луне схожа с земной, и тёмные участки якобы были заполнены лунной водой, а светлые участки считались сушей. Однако в 1753 году хорватский астроном Руджер Бошкович доказал, что Луна не имеет атмосферы. Дело в том, что при покрытии звёзд Луной те исчезают мгновенно. Но если бы у Луны была атмосфера, то звезды бы погасали постепенно. Это свидетельствовало о том, что у спутника нет атмосферы. А в таком случае жидкой воды на поверхности Луны быть не может, так как она мгновенно бы испарилась.

С лёгкой руки того же Джованни Риччиоли кратерам стали давать имена известных учёных: от Платона, Аристотеля и Архимеда до Вернадского, Циолковского и Павлова.

XX век

С началом космической эры количество наших знаний о Луне значительно увеличилось. Стал известен состав лунного грунта, учёные получили его образцы, составлена карта обратной стороны.

Впервые Луны достигла советская автоматическая межпланетная станция «Луна-2» 13 сентября 1959 года. Впервые удалось заглянуть на обратную сторону Луны в 1959 году, когда советская станция «Луна-3» пролетела над ней и сфотографировала невидимую с Земли часть её поверхности. Размещённым здесь оптическим телескопам не пришлось бы пробиваться сквозь плотную земную атмосферу. А для радиотелескопов Луна послужила бы естественным щитом из твёрдых горных пород толщиной 3500 км, который надёжно прикрыл бы их от любых радиопомех с Земли. Первая в мире мягкая посадка на Луну была совершена 3 февраля 1966 года советской АМС «Луна-9», которая также впервые передала изображения поверхности другого небесного тела.

В начале 1960-х годов было очевидно, что в освоении космоса США отстают от СССР. Дж. Кеннеди заявил - высадка человека на Луну состоится до 1970 года. Для подготовки к пилотируемому полёту НАСА выполнило несколько программ АМС: «Рейнджер» (1961-1965, фотографирование поверхности), «Сервейер» (1966-1968, мягкая посадка и съёмки местности) и «Лунар орбитер» (1966-1967, детальное изображение поверхности Луны). Также в 1965-1966 гг был проект НАСА MOON-BLINK по исследованию необычных явлений (аномалий) на поверхности Луны. Работы выполнялись Trident Engineering Associates (Аннаполис, штат Мэриленд) в рамках контракта NAS 5-9613 от 1 июня 1965 года с Goddard Space Flight Center (Гринбелт, штат Мэриленд).

Ставшая успешной американская программа пилотируемых полётов на Луну называлась «Аполлон». Первый в мире облёт Луны состоялся в декабре 1968 года на пилотируемом корабле Аполлон-8. После репетиционного полёта в мае 1969 года к Луне без высадки на неё корабля Аполлон-10, первая в мире высадка на Луну произошла 20 июля 1969 года на корабле Аполлон-11 (первым человеком, ступившим 21 июля на поверхность Луны, стал Нил Армстронг, вторым - Эдвин Олдрин; третий член экипажа Майкл Коллинз оставался в орбитальном модуле); последняя шестая - в декабре 1972 года. Таким образом, Луна - единственное небесное тело, на котором побывал человек, и первое небесное тело, образцы которого были доставлены на Землю (США доставили 380 килограммов, СССР - 324 грамма лунного грунта).

В ходе аварийного полёта Аполлона-13 высадка на луну не производилась. В ходе последних трёх полётов по программе использовались управляемые высадившимися астронавтами лунные электромобили. Находившиеся в в высокой степени готовности три дополнительные полёта по программе (Аполлон-18…20) были отменены. Существуют конспирологические утверждения о т. н. «лунном заговоре», что высадки на Луну лишь инсценировались, но реально не производились или что вышесказанное было умышленной дезинформацией, а программа «Аполлон» была свёрнута ввиду обнаружения инопланетного присутствия на Луне.

Ввиду возникшего отставания от США две советские лунные пилотируемые программы - лунно-облётная Л1 и лунно-посадочная Л3 - были прекращены на этапе отработки беспилотных полётов кораблей без достижения целевого результата. Также не были реализованы разрабатывавшийся как развитие программы Л3 первый в мире детальный проект лунной базы «Звезда» и предложенные последующие проекты лунных экспедиций Л3М и ЛЭК. В ряду многочисленных лунно-посадочных и лунно-орбитальных станций «Луна» СССР обеспечил автоматическую доставку на Землю образцов лунного грунта на АМС Луна-16, Луна-20, Луна-24 и проводил исследования на поверхности Луны также с помощью двух радиоуправляемых самоходных аппаратов-луноходов, «Луноход-1», запущенный к Луне в ноябре 1970 года и «Луноход-2» - в январе 1973. «Луноход-1» работал 10,5 земных месяцев, «Луноход-2» - 4,5 земных месяцев (то есть 5 лунных дней и 4 лунные ночи). Оба аппарата собрали и передали на Землю большое количество данных о лунном грунте и множество фотоснимков деталей и панорам лунного рельефа.

После того как в августе 1976 года последняя советская станция «Луна-24» доставила на Землю образцы лунного грунта, следующий аппарат - японский спутник «Hiten» - полетел к Луне лишь в 1990 году. Далее были запущены два американских космических аппарата - Clementine в 1994 году и Lunar Prospector в 1998 году.

XXI век

После окончания советской космической программы «Луна» и американской «Аполлон» исследования Луны с помощью космических аппаратов были практически прекращены. Но в начале XXI века Китай опубликовал свою программу освоения Луны, включающую после доставки лунохода и отправки грунта на Землю затем экспедиции на Луну и постройку обитаемых лунных баз. Считается, что это заставило остальные космические державы снова развернуть лунные программы как новую «лунную гонку за второе место». О планах будущих лунных экспедиций заявили Россия, Европа, Индия, Япония, а президент Дж. Буш 14 января 2004 года объявил, что США начинают масштабную детальную программу «Созвездие» с созданием новых ракет-носителей и пилотируемых космических кораблей, способных к 2020 году доставить на Луну людей и большие обитаемые луноходы, с целью заложить первые лунные базы. Программа «Созвездие» в лунной части была отменена через 5 лет президентом Бараком Обамой.

Европейское космическое агентство 28 сентября 2003 года запустило свою первую автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Смарт-1». 14 сентября 2007 года Япония запустила вторую АМС для исследования Луны «Кагуя». А 24 октября 2007 года в лунную гонку вступила и КНР - был запущен первый китайский спутник Луны «Чанъэ-1». С помощью этой и следующей станций учёные создают объёмную карту лунной поверхности, что в будущем может поспособствовать амбициозному проекту колонизации Луны. 22 октября 2008 года была запущена первая индийская АМС «Чандраян-1». В 2010 году Китай запустил вторую АМС «Чанъэ-2».

Место посадки экспедиции Аполлон-17. Видны: спускаемый модуль, исследовательское оборудование ALSEP, следы колёс автомобиля и пешие следы космонавтов.

18 июня 2009 года, НАСА были запущены лунные орбитальные зонды - Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) и Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS). Спутники предназначены для сбора информации о лунной поверхности, поиска воды и подходящих мест для будущих лунных экспедиций. К сорокалетию полёта Аполлона-11 автоматическая межпланетная станция LRO выполнила специальное задание - провела съёмку районов посадок лунных модулей земных экспедиций. В период с 11 по 15 июля LRO сделала и передала на Землю первые в истории детальные орбитальные снимки самих лунных модулей, посадочных площадок, элементов оборудования, оставленных экспедициями на поверхности, и даже следов тележки, ровера и самих землян. За это время были отсняты 5 из 6 мест посадок: экспедиции Аполлон-11, 14, 15, 16, 17. Позднее КА LRO выполнил ещё более подробные снимки поверхности, где ясно видно не только посадочные модули и аппаратуру со следами лунного автомобиля, но и пешие следы самих космонавтов. 9 октября 2009 космический аппарат LCROSS и разгонный блок «Центавр» совершили запланированное падение на поверхность Луны в кратер Кабеус, расположенный примерно в 100 км от южного полюса Луны, а потому постоянно находящийся в глубокой тени. 13 ноября НАСА сообщило о том, что с помощью этого эксперимента на Луне обнаружена вода.

К изучению Луны приступают частные компании. Был объявлен всемирный конкурс Google Lunar X PRIZE по созданию небольшого лунохода, в котором участвуют несколько команд из разных стран, в том числе российская Селеноход. В 2014 году появилась первая частная лунно-облётная АМС (Manfred Memorial Moon Mission). Есть планы по организации космического туризма с полётами вокруг Луны на российских кораблях - сначала на модернизированных «Союзах», а затем на разрабатываемых перспективных универсальных ПТК НП («Русь»).

США собираются продолжать исследования Луны автоматическими станциями GRAIL (запущенной в 2011 году), LADEE (запущенной в 2013 году) и другими. Китай запустил свою первую лунно-посадочную АМС «Чанъэ-3» с первым луноходом в декабре 2013 года и первую лунно-облётную АМС с возвращаемым аппаратом в 2014 году, а далее планирует АМС, возвращающую лунный грунт, к 2017 году в преддверии пилотируемых полётов около 2025 года и строительства лунной базы к 2050 году Япония объявила о будущих исследованиях Луны роботами. Индия планирует миссию в 2017 году своего орбитального аппарата «Чандраян-2» и небольшого лунохода, доставляемого российской АМС «Луна-Ресурс», и дальнейшие исследования Луны вплоть до пилотируемых экспедиций. Россия сначала запускает многоэтапную программу исследования Луны автоматическими станциями «Луна-Глоб» в 2015 году, «Луна-Ресурс-2» и «Луна-Ресурс-3» с луноходами в 2020 и 2022 гг, «Луна-Ресурс-4» по возврату собранного луноходами грунта в 2023 году, а затем планирует пилотируемые экспедиции в 2030-х гг.

Не исключено, что на Луне может находиться не только серебро, ртуть и спирты, но и прочие химические элементы и соединения. Водяной лёд, молекулярный водород, найденные благодаря миссии LCROSS и LRO в лунном кратере Кабеус указывают на то, что на Луне действительно есть ресурсы, которые могут быть использованы в будущих миссиях. Анализ топографических данных, присланных аппаратом LRO, и гравитационные измерения «Кагуя» показали, что толщина коры на обратной стороне Луны не постоянна и меняется с широтой места. Самые толстые участки коры соответствуют наибольшим возвышенностям, что характерно и для Земли, а самые тонкие обнаружены в приполярных широтах.

Заключение

47 лет, прошедших с момента первой посадки на Луну космического аппарата, принесли науке много нового и подчас неожиданного. Ученые - астрономы, геологи, геофизики, геохимики - сейчас подводят итоги напряженных лунных экспедиций. Миллиарды лет неуклонно удаляясь от Земли, в последние годы Луна стала ближе и понятнее людям. Можно согласиться с метким замечанием одного из видных селенологов: «из астрономического объекта Луна превратилась в геофизический».

Приоткрылась завеса над тайнами ранней молодости Луны, Земли и, по-видимому, всех планет земной группы, и одновременно обозначился контур их далекого будущего. Многое прояснилось, но многое и осталось скрыто «туманом» неоднозначности - ведь данных пока все-таки мало, а открытия, как это часто бывает, породили множество новых вопросов.

Селенологи не сомневаются, что активность Луны, как магматическая, так и тектоническая, была короткой и относилась лишь к ранним этапам ее эволюции, но по-прежнему горячи споры о космической «увертюре» - происхождении Луны. Достоверно воссоздана хронология возникновения лунных морей, но неясна природа «захороненных» в них масконов. Выяснилось, что длительный «сейсмозвон» рождается в верхних неоднородных слоях Луны, однако остается загадкой исчезновение поперечных волн на середине лунного радиуса. На Луне не обнаружено магнитного диполя, но высокая остаточная намагниченность лунных пород указывает на то, что давным-давно он существовал.

По многим своим основным характеристикам Земля и Луна схожи и, видимо, являются «космическими родственницами». Это в первую очередь касается их образования и начального этапа эволюции, сходного химического состава этих небесных тел и слоистой структуры их недр. Однако во многом это «родство» оказалось весьма дальним. Земля полна «тектонических бурь», Луна - пассивна и несейсмична. «Тектоническая жизнь» Земли и даже характер ее поверхности в значительной степени определяются внутренними причинами, тогда как на Луне они в основном имеют внешнее - космическое - происхождение.

Различные этапы «планетарной жизни» Земли оставляли на ней новые формы фауны и флоры, новые горные хребты, трещины, дрейфующие континенты, катаклизмы землетрясений. Хронология эволюции Луны связана с ударами метеоритов и, кроме того, ограничивается первыми 1,5 млрд. лет, и с этого времени на Луне установилось тектоническое «спокойствие».

Так ли уж нужно землянам исследование Луны, не напрасно ли израсходовали они усилия на беспримерные в истории человечества космические полеты - ведь лунные «полезные ископаемые» разрабатывать явно нерентабельно? Нет, не напрасно! Луна вознаградила пытливых и отважных астронавтов и организаторов космических полетов, а вместе с ними и всех людей Земли. Сквозь «испещренное кратерами, запыленное лунное окно» стали яснее многие земные проблемы. Найден, например, самый древний «камень» в Солнечной системе и определен его возраст. Приоткрыты страницы «догеологической» истории Земли, так как нетронутая ветрами и водами поверхность Луны демонстрирует облик древнейшего рельефа Земли.

Луна представляет собой идеальную модель для изучения роли космических факторов в планетотектонике. Знание закономерностей приливных лунотрясений поможет осуществить сейсмический прогноз землетрясений. На основании лунных данных можно усовершенствовать геофизические методы наблюдений и модели их интерпретации.

Изучение строения Луны продолжается - чутко вздрагивают маятники сейсмометров, под микроскопами ученых лежат пробы грунта из южной окраины Моря Кризисов, доставленные «Луной-24». Совместный анализ Земли и Луны закладывает основы нового этапа в сравнительной планетологии. Текущие и гряду-щие полеты космических аппаратов к планетам земной группы должны дополнить и уточнить закономерности, касающиеся происхождения, внутреннего строения и эволюции планет и их спутников.

Список литературы:

1) «Планета Земля. Энциклопедия». Фиона Уотт, Фелисити Брукс, Ричард Спарджен;

2) учебник «Астрономия 11 класс» Н.П.Пришляк;

3) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D1%8F;

4) http://schools.keldysh.ru/school1413/astronom/NikLSite/luna/fizich.htm;

5) http://www.krugosvet.ru/node/36284 ;

> > Исследование Луны

|

Рассмотрите научные космические исследования Луны – спутника Земли: первый полет на Луну и первый человек, описание исследований аппаратами с фото, важные даты.

Луна расположена к Земле ближе всего, поэтому стала главным объектом космического изучения и одной из целей гонки США и СССР. Первые аппараты запустили в 1950-х гг. и это были примитивные механизмы. Но техника не стояла на месте, что привело к первому шагу Нила Армстронга по лунной поверхности.

В 1959 году к спутнику отправили советский аппарат Луна-1, пролетевший мимо на удаленности в 3725 км. Эта миссия важна, так как показала, что земной сосед лишен магнитного поля.

Первая посадка на Луну

В том же году отправили Луну-2, которая приземлилась на поверхность и зафиксировала несколько кратеров. Первые размытые фото Луны прибыли с третьей миссией. В 1962 году примчался первый американский зонд – Ренджер-4. Но это был смертник. Ученые специально направили его к поверхности, чтобы получить побольше данных.

Ренджер-7 отправился через 2 года и перед гибелью передал 4000 снимков. В 1966 году Луна-9 безопасно приземлилась на поверхности. Научные инструменты не только прислали более качественные снимки, но и изучили особенности чужого мира.

Успешными американскими миссиями стали Surveyor (1966-1968), исследовавшие почву и ландшафт. Также в 1966-1967 гг. были отправили американские зонды, закрепившиеся на орбите. Так удалось зафиксировать 99% поверхности. Это был период исследования Луны космическими аппаратами. Получив достаточную базу данных, настало время отправлять первого человека на Луну.

Человек на Луне

20 июля 1969 года к спутнику прибыли первые люди - Нил Армстронг и Базз Олдрин, после чего началось исследование Луны американцами. Миссия Аполлон-11 приземлилась в Море Спокойствия. Позже прилетит лунный ровер, который позволит быстрее перемещаться. До 1972 года успело прибывать 5 миссий и 12 человек. Сторонники теории заговора все еще пытаются понять, были ли американцы на Луне, предоставляя последние исследования и внимательно рассматривая видео. Пока точного опровержения полета нет, так что будем рассматривать первый шаг Нила Армстронга как прорыв в космических исследованиях.

Этот прорыв позволил сосредоточиться на других объектах. Но в 1994 году НАСА вернулись к лунной теме. Миссия Клементина сумела отобразить поверхностный слой в различных длинах волн. С 1999 года Лунный Разведчик занимался поиском льда.

Сегодня интерес к небесному телу возвращается и готовятся новые космические исследования Луны. Кроме Америки на спутник смотрят Индия, Китай, Япония и Россия. Уже идут разговоры о колониях, и люди смогут вернуться на земной спутник в 2020-х гг. Ниже можете рассмотреть перечень космических аппаратов, направленных к Луне, и знаменательные даты.

Знаменательные даты:

• 1609 г. – Томас Харриот стал первым, кто направил телескоп в небо и отобразил Луну. Позже он создаст первые карты;
• 1610 г. – Галилей выпускает публикацию наблюдений за спутником (Звездный Вестник);
• 1959-1976 гг. – Лунная программа США из 17 роботизированных миссий достигла поверхности и трижды вернула образцы;
• 1961-1968 гг. – Американские запуски подготавливают почву для запуска первых людей на Луну в рамках программы Аполлон;
• 1969 г. – Нил Армстронг стал первым человеком, ступившим на лунную поверхность;
• 1994-1999 г. – Клементина и Лунный разведчик передают данные о возможности наличия водяного льда на полюсах;
• 2003 г. – SMART-1 от ЕКА добывает данные о главных лунных химических составляющих;
• 2007-2008 гг. – Японский аппарат Кагуя и китайский Шанье-1 запускают однолетние орбитальные миссии. За ними последует индийский Шандраян-1;
• 2008 г. – Формируется Лунный научный институт НАСА, чтобы возглавлять все миссии по лунной разведке;
• 2009 г. – LRO и LCROSS от НАСА стартуют вместе, чтобы заново освоить спутник. В октябре второй аппарат расположили над затененной стороной возле южного полюса, что помогло отыскать водяной лед;
• 2011 г. – Отправка корабля CRAIL для отображения внутренней лунной части (от коры к ядру). НАСА запускает ARTEMIS, сконцентрированный на поверхностном составе;
• 2013 г. – Аппарат LADEE от НАСА отправляется для сбора сведений о структуре и составе тонкого лунного атмосферного слоя. Миссия закончилась в апреле 2014-го;
• 14 декабря 2013 г. – Китай стал третьей страной, которая опустила аппарат на поверхность спутника – Юту;

От запуска первого спутника Земли до начала исследования Луны космическими аппаратами прошёл срок меньше полутора лет. И в этом нет ничего удивительного так как Луна является ближайшим к Земле объектом и весьма необычным для Солнечной системы объектом: соотношение масс Земля/Луна превосходит все остальные спутники планет и составляет 81/1 – ближайший таким показателем является всего лишь 4226/1 у связки Сатурн/Титан.

За счёт того что вулканическая активность на Луне быстро сошла на нет (из-за её относительно малой массы) её поверхность является очень древней и оценивается в почти 4,5 млрд лет, а отсутствие атмосферы приводит к накапливанию на поверхности метеоритов возраст и состав которых может достигать и даже превосходить возраст самой Солнечной системы. Всё это, помимо самой близости к нам Луны, вызывало активный научный интерес у людей и желание её исследовать: общее число космических аппаратов отправленных для её исследования (включая не удавшиеся миссии) уже переваливает за 90 штук. И именно обо всём их разнообразии и пойдёт сегодня речь.

Первые шаги

Первые исследования Луны начинались довольно плохо как у СССР, так и у США: даже частично успешными являлись только четвёртые из серии запускаемых к Луне аппаратов (Луна-1 и Пионер-3 соответственно). Это было не удивительно так как исследования Луны стартовали в момент когда и у них, и у нас было на счету по паре успешных запусков спутников так что об условиях открытого космоса было известно очень мало. Добавив к этому ограниченные технические сложности не позволявшие в то время напичкать космические аппараты кучами датчиков как это можно сделать сейчас (так что о причинах аварии можно было порою только гадать) - и можно себе представить в каких условиях приходилось порою работать конструкторам космических аппаратов.

Обсуждение неудачи станции «Луна-8» из книги «Королёв: факты и мифы» Я. К. Голованова - журналиста, чуть не ставшего космонавтом:

Первый искусственный спутник Земли (слева), и станция Луна-1 (справа)

Та же шарообразная форма, те же четыре антенны… но на самом деле между этими двумя спутниками было мало общего: Спутник-1 имел только радиопередатчик в то время как на Луне-1 уже было установлено несколько научных приборов. С помощью них впервые было установлено что Луна не имеет магнитного поля и впервые был зафиксирован солнечный ветер. Также в ходе её полёта был проведён эксперимент по созданию искусственной кометы: на расстоянии около 120 тыс. км от Земли из станции было выпущено облако паров натрия весом около 1 кг которое фиксировалось как объект 6-й звёздной величины .

Станция Луна-1 в сборе с блоком «Е» - третьей ступенью ракета-носителя «Восток-Л», с помощью которого также были выведены станции Луна-2 и Луна-3.

Фильм, посвящённый станции Луна-1

Изначально Луну-1 предполагалось разбить об её поверхность, однако в ходе подготовки полёта не было учтено запаздывание сигнала от ЦУПа до аппарата (в то время применялось радиокомандное управление с земли) и сработавшие чуть позже необходимого двигатели привели к промаху в 6 тыс. км - что ж, «rocket science» никогда не была простым делом…

3 марта 1959 года по такой же пролётной траектории с набором второй космической скорости был отправлен американский аппарат Пионер-4 . Его целью было изучение Луны с пролётной траектории, но промах в целых 60 тыс. км привёл к тому что фотоэлектрический датчик не смог зафиксировать Луну и провести её фотографирование не получилось, однако счётчик Гейгера установил что лунные окрестности не отличаются уровнем радиации от межпланетной среды.

Сборка аппарата Пионер-3 - полного аналога Пионера-4

12 сентября 1959 года был осуществлён запуск станции Луна-2. Для неё кроме попадания в Луну была поставлена дополнительная задача - доставить на Луну вымпел СССР. К тому моменту ещё не были готовы системы ориентации и коррекции орбиты, поэтому удар предполагался серьёзным - со скоростью более 3 км/с. Разработчики аппарата пошли на две технические хитрости: 1)вымпелы размещались на поверхности двух шаров диаметром около 10 и 15 см:

При «касании» Луны заряд взрывчатки внутри этих шаров детонировал, что позволяло части из вымпелов погасить скорость относительно Луны.

2) Другое решение предусматривало использование алюминиевой ленты длиной 25 см на которой были нанесены надписи. Сама лента помещалась в прочный корпус заполненный жидкостью с плотностью как у ленты, а уже этот корпус в свою очередь помещался в менее прочный. В момент удара внешний корпус сминался и гасил энергию удара. Жидкость служила дополнительным амортизатором и позволяла быть уверенными в сохранности ленты. Вся эта конструкция размещалась на третьей ступени ракеты выводившей станцию на траекторию отлёта к Луне. Факт попадания в Луну станции и последней ступени был зафиксирован, но о том сколь хорошо сохранились вымпелы - ничего не известно. Возможно в будущем экспедиция историков космонавтики сможет ответить на этот вопрос.

К 7 октября 1959 года были получены первые снимки обратной стороны Луны с помощью станции Луна-3 , стартовавшей 4 октября как и все остальные миссии программы «Луна» с Байконура. Она весила 287 килограммов и на ней уже была установлена полноценная система ориентации по Солнцу и Луне обеспечивающая точность в 0,5 градуса при съёмке. Станция впервые использовала гравитационный манёвр:

Траектория полёта станции Луна-3 - эта траектория была рассчитана при руководстве Келдыша для того чтобы обеспечить пролёт станции над территорией СССР когда она будет возвращаться к Земле. Следующий гравитационный манёвр выполнит только Маринер-10 пролетая вблизи Венеры 5 февраля 1974 года.

Интересен был способ с помощью которого осуществлялась съёмка: сначала снимки делались с помощью фотоаппаратуры, затем плёнка проявлялась и оцифровывалась с помощью камеры бегущего луча, после чего уже передавалась на Землю. Чтобы избежать риска выхода аппарата из строя до возврата к Земле (полёт к Луне и обратно занимал более недели) было предусмотрено два режима связи: медленный (когда аппарат находился у Луны, вдалеке от принимающей станции) и быстрый (для связи в моменты когда аппарат пролетал над СССР). Решение дублировать системы связи оказалось абсолютно правильным - станция смогла передать только 17 из сделанных ею 29 снимков, после чего связь с ней прервалась и восстановить её уже не получилось.

Первая в мире фотография обратной стороны Луны. Фотография была посредственного качества из-за помех при передаче сигнала. Но последующие фотографии были уже намного лучше:

В итоге с помощью этих 17 снимков удалось построить довольно подробную карту:

Фотографии видимой стороны Луны в высоком разрешении были получены Рейнджером-7 запущенным 28 июля 1964. Так как это являлось единственной целью данного аппарата, для неё на борту было установлено целых 6 телевизионных камер, которые за последние 17 минут полёта перед столкновением успели передать 4300 снимков Луны.

Процесс приближения к Луне (видео ускорено)

Съёмка велась вплоть до самого столкновения, но из-за высокой скорости станции относительно Луны последнее изображение была сделано с высоты примерно 488 метров и было передано не до конца:

С точно такой же целью были запущены Рейнджер-8 и Рейнджер-9 (17 февраля и 21 марта 1965 года соответственно).

Более качественные снимки обратной стороны Луны были получены станцией Зонд-3 запущенной 18 июля 1965 года. Изначально эта станция готовилась вместе с Зондом-2 для полёта к Марсу, но из-за проблем стартовое окно было упущено и Зонд-3 отправился в облёт Луны. Для тестирования новой системы связи фотографии полученные станцией передавались на Землю по несколько раз.

Фотография полученная Зондом-3

Мягкая посадка и доставка грунта

Задача мягкой посадки на Луну была намного более сложной и после была осуществлена только 3 февраля 1966 года станцией Луна-9 стартовавшей 31 января. Аппарат имел довольно сложную конструкцию:

По причине того что о поверхности Луны не было ничего известно, процесс посадки был довольно замысловатым:

Сложность системы посадки не прошла бесследно: от садящейся станции в 1,5 тонны оставалась АЛС всего в 100 кг весом, которая на поверхности выглядела примерно так:

Так как освещённость на Луне меняется крайне медленно (Луна относительно Солнца поворачивается всего на 1° за 2 часа) было решено использовать оптико-механическую систему съёмки которая была намного надёжнее, легче и потребляла меньше энергии. Её медленная скорость работы оказывалась даже положительным фактором - для передачи данных было достаточно медленного канала связи, так АЛС могла обойтись ненаправленными антеннами.

Первая фотография лунной поверхности представляла собой круговую панораму с разрешением в 500 на 6000 пикселей для съёмки одной фотографии требовалось 100 минут. Телевизионная камера имела угол зрения 29° по вертикали, в дополнение к чему конструкцией аппарата было предусмотрено его наклонение на 16° относительно вертикали местности - для того чтобы можно она могла захватить и дальнюю панораму, и близлежащий микрорельеф поверхности:

По клику полная панорама Луны. Дополнительные фотографии устройства станции можно увидеть , а сама камера ведущая съёмку выглядела так:

В данный момент энтузиасты из NASA собираются искать перелётный блок и остатки надувного амортизатора станции с помощью фотографий LRO (сам аппарат слишком мал для того чтобы его можно заметить - на снимках LRO он должен бы выглядеть как 2*2 пикселя).

Американцам удалось посадить спускаемый аппарат Сервейер-1 к 2 июня (спустя 4 месяца после нашей станции). На нём было установлено множество датчиков:

Аппарат сам осуществлял посадку с перелётной траектории поэтому на нём были установлены приборы для этой цели: основной двигатель (сбрасывался на высоте 10 км), рулевые двигатели и высотомер/датчик скорости. Посадочные опоры выполнялись из алюминиевых сот для смягчения удара при прилунении. Среди целевого оборудования аппаратов были телекамера, датчик для анализа отражённого от поверхности света (для определения химического состава грунта) и датчики для определения температуры поверхности. Начиная с третьего аппарата устанавливался также пробоотборник которым делались траншеи для определения свойств грунта. Из 7 отправленных на Луну Сервейеров до февраля 1968 года два разбились в процессе торможения у Луны, а 5 остальных сели и выполнили свои задачи по исследованию Луны.

31 марта 1966 года была запущена станция Луна-10 которая к 3 апреля впервые в истории вышла на орбиту нашего спутника. Она имела гамма-спектрометр, магнитометр, детектор метеоритов, прибор для исследования солнечного ветра и инфракрасного излучения Луны. Так же проводились исследования гравитационных аномалий Луны (масконов). Общая продолжительность миссии составила около 3 месяцев. С той же целью были запущены станции Луна-11 и Луна-12 (24 августа и 22 октября соответственно).

Общий вид станции с перелётной ступенью и её конструкция. Данная перелётная ступень также использовалась в станциях с Луна-4 по Луна-9 включительно.

С 10 августа 1966 года к Луне были отправлены пять аппаратов серии «Лунар орбитер». Как и советские станции они использовали для съёмок фотоплёнку. Так как они запускались уже в рамках подготовки программы «Аполлон» - картография Луны в первую очередь включала в себя снимки будущих мест посадки Лунных модулей . Время их работы составляло менее двух недель, снимки имели разрешение до 20 метров и покрывали 99% всей лунной поверхности, а для 36 потенциальных мест посадки были сделаны снимки с разрешением в 2 метра.

Сам аппарат был довольно большим: при общем весе конструкции всего в 385,6 кг размах солнечных батарей имел 3,72 метра, а направленная антенна имела 1,32 метра в диаметре. Фотоаппаратура имела два объектива для одновременных широкоугольных снимков и снимков в высоком разрешении. Эта система разрабатывалась фирмой Kodak на основе систем оптической разведки самолётов U-2 и SR-71 .

Дополнительно они имели детекторы микрометеоритов и радиомаяк для измерения гравитационных условий вблизи Луны (с помощью которого также были замечены масконы). Они угрожали безопасности астронавтов, так как посадка без их учёта по расчётам могла привести к отклонению в 2 км вместо штатных 200 м. Кропотливое исследование орбит аппаратов позволило измерить влияние масконов и повысить точность посадки - уже Аполлон-12 смог сесть с отклонением всего в 163 метра от своей цели.

19 июля 1967 года параллельно с программами «Сервейер» и «Лунар орбитер» был запущен аппарат Эксплорер-35 который проработал на орбите Луны целых 6 лет - вплоть до 24 июня 1973 года. Аппарат был предназначен для исследования магнитного поля, состава поверхностных слоёв Луны (по отражённому электромагнитному сигналу), регистрации ионизирующих частиц, измерению характеристик микрометеоритов (по скорости, направлению и вращательному моменту) а также исследования солнечного ветра.

Следующим советским аппаратом направленным к Луне был Зонд-5 запущенный 15 сентября 1968 года. Аппарат представлял из себя корабль «Союз 7К-Л1» запускаемый ракета-носителем «Протон» и предназначался для облёта Луны. Кроме тестирования самого корабля у него была и научная цель: на нём летели первые живые существа совершившие облёт Луны за 3 месяца до Аполлона-8 - это были две черепахи, дрозофилы, а также несколько видов растений. После облёта Луны спускаемый аппарат приводнился в водах Индийского океана:

Не считая проблем с перегрузками при посадке полёт прошёл нормально, так что следующий аппарат Зонд-6 (запущенный 10 ноября 1968 года) садился уже не в море а в штатный район посадки на территории СССР. Н к сожалению он потерпел аварию на этапе спуска на парашютах: они были отстрелены на высоте около 5 км вместо расчётного момента прямо перед касанием земли и все биологические объекты на борту (которые отправляли в облёт Луны и в этом полёте) погибли. Однако плёнка с чёрно-белыми и цветными фотографиями Луны сохранилась.

Были произведены ещё два удачных запуска этого корабля: Зонд-7 и Зонд 8 (8 августа 1969 и 20 октября 1970 года соответственно) с успешными возвращениями спускаемых аппаратов.

13 июля 1969 года (за три дня до старта Аполлона-11) была запущена станция Луна-15 которая должна была доставить образцы лунного грунта на Землю до того как это должны были успеть сделать американцы. Однако в процессе торможения у Луны с ней была потеряна связь. В итоге первой автоматической станцией доставившей образцы лунного грунта стала Луна-16 запущенная 12 сентября 1970 года:

20 сентября посадочный аппарат весом в 1880 килограмм достигла поверхности Луны. Образец был получен с помощью дрели которая в течении 7 минут достигла 35 см глубины и забрала 101 грамм лунного грунта. Затем возвращаемый аппарат весом 512 кг стартовал с Луны и уже 24 сентября образцы на 35-килограммовом спускаемом аппарате приземлились на территории Казахстана.

Так же, с целями доставки лунного грунта были отправлены станции Луна-20 и Луна 24 (стартовавшие 14 февраля 1972 и 9 августа 1976 года, доставившие по 30 и 170 граммов грунта соответственно). Луне-24 удалось получить пробы грунта с глубины 1,6 м. Небольшая порция лунного грунта была передана NASA в декабре 1976 года. Станция Луна-24 стала последним на последующие 37 лет аппаратом осуществившим мягкую посадку на Луну - вплоть до посадки китайского «Нефритового зайца» .

Луноходы и финал первого этапа исследований

Стартовавшей 10 ноября 1970 года станцией Луна-17 был доставлен первый в мире планетоход: «Луноход-1» который проработал на поверхности 301 день. На нём были установлены две телекамеры, 4 телефотометра, рентгеновский спектрометр и рентгеновский телескоп, одометр-пенетрометр, детектор радиации и лазерный рефлектор.

За время своей работы он проехал более 10 км, передал на землю около 25 тыс. фотографий, было произведено 537 измерений физико-механических свойств лунного грунта, и 25 раз - химических.

Пульт дистанционного управления Луноходом

8 января 1973 года был запущен Луноход-2 который имел туже конструкцию. Не смотря на поломку системы навигации ему удалось проехать больше 42 км что являлось рекордом для планетоходов вплоть до 2015 года, когда этот рекорд был побит марсоходом «Оппортьюнити». Полёт Лунохода-3 запланированный на 1977 год - к сожалению был отменён.

Фотографии Лунохода-3 в музее НПО имени С. А. Лавочкина

3 октября 1971 года на орбиту Луны ракетой «Протон-К» была выведена автоматическая межпланетная станция Луна-19, которая проработала 388 дней. Её вес составлял 5,6 тонн и она была построена на базе конструкции предыдущей станции Луна-17:

В состав научной аппаратуры входил дозиметр, радиометрическая лаборатория, магнитометр установленный на 2 метровой штанге, аппаратура для определения плотности метеоритного вещества а также камеры для съёмки поверхности Луны. Одной из основных задач аппарата было изучение масконов . Из-за отказа системы управления и выхода на не расчётную орбиту от задачи картографии Луны решено было отказаться. В ходе полёта были получены дополнительные данные о магнитном поле Луны и установлено что плотность метеоритных частиц вблизи Луны не отличается от их концентрации в диапазоне 0,8-1,2 а.е. от Солнца.

29 мая 1974 года был осуществлён запуск станции Луна-22 с той же научной программой, станция проработала 521 день. Эти станции позволили уточнить гравитационные поля Луны, и упростить посадку станциям Луна-20 и Луна-24 для отбора грунта.

Солнечная система и АМС

Добавить метки

Первый космический аппарат для изучения Луны и окололунного пространства был запущен в СССР (1959 г.). 7 октября 1959 года советский аппарат «Луна-3» передал на Землю первые снимки обратной стороны Луны, которую никогда еще не видел человек. В последующем, согласно советской космической программе, впервые осуществлена мягкая посадка на лунную поверхность, создан искусственный спутник Луны; осуществлено возвращение на Землю космического аппарата со второй космической скоростью после облета Луны, на лунную поверхность доставлены самоходные аппараты – «Луноходы», а на Землю – образцы лунного грунта.

Шестидесятые годы долго будут вспоминаться как десятилетие, ознаменовавшееся одним из величайших технических достижений человечества за всю историю его существования. После целой серии успешных исследований Луны с помощью автоматических станций 20 июля 1969 г. на лунную поверхность впервые ступила нога человека.

Первоначальной целью американской программы лунных исследований было получить хоть какую-нибудь информацию о Луне. Такова была программа «Рейнджер». Каждый космический аппарат серии «Рейнджер» был снабжен шестью телевизионными камерами, предназначенными для передачи снимков лунного ландшафта вплоть до того момента, когда аппарат разбивался при падении на поверхность Луны. Первые шесть запусков аппаратов «Рейнджер» закончились неудачно. Однако к 1964 г. неполадки были полностью устранены, и все люди нашей планеты получили возможность увидеть телевизионные «живые» изображения с Луны. В период с июля 1964 по март 1965 г. три аппарата «Рейнджер», устремившиеся к Луне, передали свыше 17000 фотографий лунной поверхности. Последние снимки были получены с высоты примерно 500м, и на них видны камни и кратеры поперечником всего в 1 м (рис.1).

Следующий важный этап в американских исследованиях Луны был отмечен одновременным осуществлением двух программ: «Сервейер» и «Орбитер». С мая 1966 по январь 1968 г. пять космических аппаратов серии «Сервейер» успешно совершили мягкую посадку на лунную поверхность. Каждый из этих треногих аппаратов был снабжен телевизионной камерой, манипулятором с ковшом и приборами для изучения лунного грунта. Успешные посадки «Сервейеров» (некоторые специалисты прежде всего опасались, что аппаратам придется погружаться в трехметровый слой пыли) создали уверенность в возможном осуществлении космической программы с использованием пилотируемых космических аппаратов.

В то время как пять «Сервейеров» были мягко посажены на лунную поверхность, пять аппаратов серии «Орбитер» были запущены на орбиты вокруг Луны с целью произвести обширную фотосъемку. Все пять запусков «Орбитеров» были успешно осуществлены в течение года – с августа 1966 по август 1967 г. Они передали на Землю в общей сложности 1950 прекрасных крупномасштабных фотографий, охвативших всю видимую с Земли сторону Луны и 99,5% обратной стороны. Тогда ученые впервые узнали, что на обратной стороне Луны нет морей. Оказалось, что там огромное количество кратеров (рис.2).

Полеты «Сервейеров» показали, что космические аппараты могут благополучно сесть на лунную поверхность. А фотографии, полученные «Орбитерами», помогли ученым выбрать место посадки для первого пилотируемого лунного аппарата. Так был проложен путь к осуществлению программы «Аполлон».

В период с декабря 1968 по декабрь 1972 г. на Луну совершили путешествия 24 человека (трое из них – дважды). Двенадцать из этих астронавтов в самом деле ходили по поверхности Луны. Программа «Аполлон» включала широкий круг геологических исследований, но основным ее достижением явилась доставка на Землю примерно 360 кг лунных пород.

Анализ образцов, доставленных экспедициями «Аполлон», показал, что существует три типа лунных пород, в каждом из которых скрыта важная информация о природе и эволюции Луны. Прежде всего, это анортозитовая порода (см. рис.3) – вид породы, наиболее распространенный по всей Луне. Она характеризуется высоким содержанием полевого шпата. Второй важный тип лунных пород – «криповые» нориты (KREEP). Они названы так из-за высокого содержания в них калия (К), редкоземельных элементов (REE) и фосфора (Р). Криповые нориты обычно встречаются в светлых горных районах Луны. Темные лунные моря покрыты морскими базальтами.

Анортозитовая порода представлена наиболее обильно: это самый древний тип пород, обнаруженных на Луне. Данные, полученные с помощью сейсмометров (оставленных космонавтами на поверхности Луны), а также результаты геохимических анализов, проведенных на расстоянии посредством приборов, установленных на спутниках, показывают, что кора Луны до глубины 60 км состоит преимущественно из анортозитовых пород. Среди трех основных лунных пород анортозит имеет самую высокую температуру плавления. Поэтому, когда первичная расплавленная поверхность Луны начала остывать, анортозитовая порода затвердела первой.

До осуществления программы «Аполлон» было три соперничающих теории происхождения Луны. Некоторые ученые полагали, что Луна в свое время могла быть просто захвачена Землей. Другие считали, что первичная Земля могла разделиться на две части (предполагалось, что Тихий океан – это «яма», оставшаяся после того, как Луна «вырвалась» из Земли). Но анализ лунных пород, по-видимому, свидетельствует в пользу третьего предположения о том, что Луна образовалась путем объединения крошечных камешков, обращавшихся вокруг Земли 4,5 млрд. лет назад, аккреция частиц под действием сил гравитации, действующих вблизи Земли, была в некотором роде уменьшенным вариантом процесса аккреции, происходившего в первичной солнечной туманности и приведшего к рождению планет.

«Рождение» Луны происходило весьма стремительно – возможно, всего за несколько тысяч лет. Когда миллионы и миллионы камней, обращающихся вокруг Земли, с силой ударялись о непрерывно увеличивающуюся в размерах Луну, ее поверхность должна была представлять собой море раскаленной добела лавы. Но как только большая часть камней была выметена Луной при ее движении вокруг Солнца, лунная поверхность могла начать остывать и затвердевать. Это было то самое время, 4,5 млрд. лет назад, когда стала образовываться лунная анортозитовая кора.

Температуры плавления как криповых норитов, так и морского базальта ниже, чем у анортозитовой породы. Поэтому существование этих двух более молодых типов лунного вещества должно указывать на важные события, происходившие на более поздней стадии эволюции Луны.
Криповые нориты характеризуются высоким содержанием элементов с достаточно высокой атомной массой. Из-за своих больших размеров эти атомы с трудом «включаются» в кристаллы, образующие анортозит. Другими словами, когда анортозитовая порода нагревается и частично плавится, эти атомы в основном «изгоняются» из основной породы. Поэтому естественно предположить, что криповые нориты образовались при частичном плавлении анортозитовой породы.

Криповые нориты встречаются в горных районах Луны. Пока еще не выяснено, как образовались лунные континенты. Но те же мощные процессы, которые послужили причиной образования лунных горных хребтов, могли также вызвать около 4 млрд. лет назад частичное плавление еще молодой тогда анортозитовой коры Такое предположение позволило бы объяснить наличие криповых норитов в горных хребтах, подобных тем, что окаймляют Море Дождей и Океан Бурь.

Очевидно, что в течение веков о поверхность Луны ударялось множество метеоритов. Именно поэтому на ней так много кратеров. Но самые большие следы ударов на лунной поверхности – это моря. Возможно, 3,5–4 млрд. лет назад по крайней мере десяток астероидоподобных объектов с силой столкнулись с Луной. Под действием столь разрушительных ударов на поверхности Луны возникли огромные кратеры, «прорвавшиеся» до жидких недр молодой Луны. Лава хлынула из недр Луны и за несколько сотен тысяч лет заполнила колоссальные кратеры. Темные ровные моря образовались, когда потоки расплавленной породы «заживляли» раны, нанесенные астероидами. Таково происхождение морского базальта – самого молодого из основных типов лунных пород.

На стороне Луны, обращенной к Земле, кора должна быть тоньше, чем на обратной стороне. Мощные удары планетезималей не смогли пробить кору на обратной стороне Луны. Значит, там не было протяженных пространств, затопленных лавой, и поэтому нет образований типа морей.
За последние 3 млрд. лет на Луне не происходило сколько-нибудь значительных событий. Только продолжали сыпаться на поверхность метеориты, хотя в значительно меньшем количестве, чем прежде. Постоянная бомбардировка мелкими телами постепенно взрыхлила лунную почву, или реголит, как ее следует правильно называть (Слово «почва» означает вещество, содержащее разлагающуюся биологическую массу. Термин «реголит» относится просто к покрывающей породе). Никакое крупное тело уже не сталкивалось с Луной после того, как гигантские камни километровых размеров образовали кратеры Коперник и Тихо.

Исследования показали, что бесплодный, стерильный мир Луны разительно отличается от земного. Все следы ранних этапов эволюции «активно живущей» Земли почти полностью стерты упорным действием ветра, дождя и снега, тогда как на безвоздушной безжизненной поверхности нашей ближайшей космической соседки, наоборот, навечно запечатлелись следы некоторых самых древних событий, происходивших в Солнечной системе.

В. Д. Перов, Ю. И. Стахеев , кандидат химических наук

КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ИССЛЕДУЮТ ЛУНУ (к 20-летию запуска "Луны-1")

Title: Купить книгу "Космические аппараты исследуют Луну": feed_id: 5296 pattern_id: 2266 book_

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.

МЯГКАЯ ПОСАДКА И ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЛУНЫ

Первые зондирующие, разведочные, полеты к Луне не только принесли много интересных и ценных научных результатов, но и помогли сформулировать новые направления исследований нашей ближайшей космической соседки. На повестку дня встал вопрос об изучении глобальных свойств этого космического тела, а также проведение исследований по выявлению региональных особенностей строения лунной поверхности.

Для решения этих задач необходимо было создать космические аппараты, способные доставлять научную аппаратуру в различные районы Луны или проводить длительные исследования в окололунном пространстве с орбит ее искусственных спутников. Возник целый комплекс научно-технических проблем, связанных с обеспечением большей точности выведения космических аппаратов на необходимые для этого траектории полета, с проведением контроля и управления их движением, с разработкой методов и созданием средств ориентации космических аппаратов по небесным телам и компактных, надежных и эффективных ракетных двигателей, позволяющих выполнять многоразовое включение и допускающих регулировку тяги в широких пределах (для проведения коррекции траекторий движения и торможения при выполнении мягкой посадки или перехода на орбиту ИСЛ).

К станциям этого поколения относились АС «Луна-9, -13», осуществившие мягкие посадки на Луку, а также «Луна-10, -11, -12, -14», выведенные на окололунные орбиты (см. Приложение). Они включали в себя жидкостный реактивный двигатель и баки с топливом, контейнер с научной аппаратурой и с системами для обеспечения ее функционирования, а также радиооборудование для передачи команд с Земли на АС и информации с АС на Землю, автоматические устройства, обеспечивающие работу всех агрегатов в определенной последовательности.

В зависимости от полетного задания (мягкая посадка на Луну или выведение станции на окололунную орбиту) варьировался набор служебных систем и режим их работы, состав научной аппаратуры и ее компоновка.

Советская станция «Луна-9» стала первым в истории человечества космическим аппаратом, совершившим мягкую посадку на Луну. Комплекс устройств, обеспечивший доставку контейнера с аппаратурой на лунную поверхность, включал в себя корректирующе-тормозную двигательную установку, радиоустройства и агрегаты системы управления, источники энергопитания.

Двигательная установка АС состояла из однокамерного ЖРД и управляющих сопел, сферического бака окислителя, являющегося основным силовым элементом станции, и тороподобного бака горючего. В двигателе использовалось топливо, состоящее из азотнокислотного окислителя и горючего на основе аминов. Подача компонентов в камеру сгорания осуществлялась турбонасосным агрегатом. ЖРД развивал тягу 4640 кг при давлении в камере сгорания около 64 кг/кв. см. Двигательная установка обеспечивала двухразовое включение, необходимое для проведения коррекции траектории во время перелета и торможения перед посадкой. При коррекции двигатель работал с постоянной тягой, а при посадке ее величина регулировалась в широком диапазоне.

Автоматические устройства, обеспечивающие операции в процессе всего полета, устанавливались в герметизированном отсеке, а блоки, необходимые только при перелете к Луне (до выполнения посадочных операций), размешались в специальных отсеках, сбрасываемых перед началом торможения. Такая компоновочная схема позволяла значительно уменьшить массу служебных систем перед посадкой и значительно увеличить массу полезного груза.

Заключительный этап полета (рис. 3) начался за 6 ч до посадки - после передачи на борт АС данных для настройки системы управления. За 2 ч до встречи с Луной по радиокомандам с Земли была проведена подготовка систем к торможению. Порядок дальнейших операций разрабатывался логическими бортовыми устройствами системы управления, которая также обеспечивала ориентацию станции на основании работы оптических датчиков слежения за Землей и Солнцем (при этом ось двигателя была направлена на центр Луны).

После того как радиовысотомер зарегистрировал, что высота АС над поверхностью составляет около 75 км, ЖРД включился на торможение. При запуске ЖРД произошло отделение сбрасываемых отсеков, причем стабилизация АС осуществлялась при помощи управляющих сопел, использующих отработанный газ турбонасосного агрегата. Величина тяги двигателя регулировалась по определенному закону, так чтобы были достигнуты необходимая посадочная скорость и выход станции в конце торможения на заданную высоту над лунной поверхностью.

В связи с тем что ко времени полета АС «Луна-9» точных данных о свойствах лунной поверхности не было, система посадки рассчитывалась на широкий диапазон характеристик грунта - от скального до очень рыхлого. Посадочный контейнер станции был помещен в эластичную оболочку, которая перед прилунением надувалась сжатым газом. Непосредственно перед контактом с Луной шаровая оболочка с заключенным в ней контейнером была отделена от приборного отсека, упала на поверхность и, несколько раз подпрыгнув, остановилась. При этом она распалась на две части, была отброшена, а спускаемый аппарат АС оказался на грунте.

Рис. 3. Схема полета автоматической станции «Луна-9»

Спускаемый аппарат АС «Луна-9» по форме близок к шару. Снаружи к нему прикреплены четыре лепестковые антенны, а также четыре штыревые антенны с подвешенными на них эталонами яркости (для оценки альбедо поверхности в месте посадки) и три двухгранных зеркала. В верхней части контейнера располагалась телевизионная камера.

В полете антенны и зеркала находились в сложенном состоянии. Верхняя часть спускаемого аппарата закрыта лепестковыми антеннами (при этом он имел яйцевидную форму). Его центр тяжести располагался в нижней части, что обеспечивало правильное положение на грунте - практически при любых условиях посадки.

Через 4 мин после посадки по команде от программного устройства раскрылись антенны, и аппаратура была приведена в рабочее состояние. Открытые лепестки служили для передачи информации, а штыревые антенны использовались для приема сигналов с Земли. Во время полета прием и передача радиосигналов велись через лепестковые антенны.

Масса спускаемого аппарата около 100 кг, диаметр и высота (при раскрытых антеннах) - 160 и 112 см.

Для получения изображений лунного ландшафта на АС «Луна-9» была установлена оптико-механическая система, включающая в себя объектив, диафрагму, формирующую элемент изображения, и подвижное зеркало. Качаясь в вертикальной плоскости, что создавалось с помощью специального профилированного кулачка, зеркало осуществляло строчную развертку, а его движение в горизонтальной плоскости обеспечивало кадровую панорамную развертку. Оба эти движения производились одним электродвигателем со стабилизированной скоростью вращения. Причем развертывающее устройство камеры имело несколько режимов работы: передача могла вестись со скоростью одна строка в 1 с при времени полной передачи панорамы 100 мин, но мог использоваться также и ускоренный обзор окружающей местности. В этом случае время передачи панорамы сокращалось до 20 мин.

Вертикальный угол зрения камеры был выбран равным 29° - 18° вниз и 11° вверх от плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры. Это делалось для того, чтобы получать преимущественно изображение поверхности. Поскольку вертикальная ось спускаемого аппарата при его посадке на горизонтальную площадку, имела наклон 16°, в поле зрения телекамеры попадали участки поверхности, начиная с расстояния 1,5 м, и поэтому объектив был сфокусирован для получения резкого изображения от 1,5 м до «бесконечности».

Температурный режим спускаемого аппарата обеспечивался эффективной защитой контейнера от влияния внешней среды и отводом избыточного тепла в окружающее пространство. Первая задача решалась с помощью имеющейся на корпусе тепловой изоляции, вторая - с помощью активной системы терморегулирования. Внутренний объем герметичного приборного отсека заполнялся газом, и при его перемешивании тепло от оборудования передавалось специальным бачкам с водой. При повышении температуры сверх необходимой нормы открывался электроклапан, происходило испарение воды в вакуум и осуществлялся отвод тепла от радиаторов. Для устранения перегрева телекамеры на ее верхней части устанавливался теплоизолирующий экран, наружная же поверхность покрывалась позолотой.

Аналогичной конструкцией обладала и «Луна-13» (рис. 4) - вторая советская станция, опустившаяся на Луну. В ее задачу входило первое непосредственное приборное исследование физических характеристик лунной поверхности, для чего использовались грунтомер-пенетрометр, радиационный плотномер, радиометры, система акселерометров.

Грунтомер-пенетрометр состоял из пластмассового корпуса, нижняя часть которого являлась кольцевым штампом с наружным диаметром 12 см и внутренним- 7,15 см, а также из титанового индснтора с нижней частью, выполненной в виде конуса (угол у вершины конуса 103°, диаметр основания 3,5 см). Грунтомер был закреплен на конце выносного механизма, представляющего собой складной многозвенник, раскрывающийся под действием пружины и обеспечивающий вынос прибора на расстояние 1,5 м от станции.

Рис. 4. Автоматическая станция «Луна-13»

После того как прибор был установлен в рабочем положении, подавалась команда на запуск твердотопливного ракетного двигателя с заданными тягой и временем работы, размешенного в корпусе индентора. Глубина погружения индентора в грунт регистрировалась с помощью потенциометра со скользящим контактом. Оценка механических свойств лунного грунта проводилась на основании результатов лабораторных исследований земных грунтов-аналогов, а также экспериментов в вакуумной камере и на борту самолета, летящего по траектории, позволяющей имитировать ускорение силы тяжести на Луне.

Радиационный плотномер предназначался для определения плотности поверхностного слоя грунта до глубины 15 см. Датчик плотномера крепился на выносном механизме и укладывался на грунт, а полученные показания поступали на электронный блок, находящийся а герметичном корпусе станции, и по каналам телеметрии передавались на Землю. Датчик плотномера включал в себя источник гамма-излучения (радиоактивный изотоп), а также счетчики для измерения регистрации «лунных» гамма-квантов: гамма-излучение от источника, падая на грунт, частично им поглощалось, но частично рассеивалось и попадало на счетчики. Для того чтобы устранить непосредственное попадание излучения источника на счетчики, между ними и изотопным источником был помещен специальный свинцовый экран. Расшифровка показаний датчика велась на основании наземной тарировки прибора, использующей различные материалы в диапазоне плотности р(ро)=0,16-2,6 г/куб. см.

Измерение теплового потока от лунной поверхности проводилось четырьмя датчиками, расположенными так, чтобы по крайней мере один из них никогда не затенялся самой станцией и его входное отверстие не было направлено на Солнце или в небо. Датчики радиометра были укреплены на шарнирных кронштейнах, сложенных во время полета и раскрывающихся при открытии лепестковых антенн станции (после посадки на поверхность Луны).

Динамографом являлась система их трех акселерометров, ориентированных по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Акселерометры располагались на приборной раме внутри спускаемого аппарата; их сигналы, соответствующие длительности и величине динамической перегрузки, поступали на интегрирующее и запоминающее устройство и передавались на Землю при помощи радиотелеметрической системы.

Полетом советской АС «Луна-9» начался новый этап селенологии - этап проведения экспериментов непосредственно на поверхности Луны. Комплекс данных о лунной поверхности, полученных станцией «Луна-9», положили конец спорам о структуре и прочности верхних слоев грунта. Было доказано, что поверхность Луны обладает достаточной прочностью, чтобы не только выдержать статический вес аппарата без существенных деформаций, но и «устоять» после его удара при посадке на лунную поверхность. Анализ панорам выявил характер структуры лунного грунта и распределение на нем мелких кратеров и камней. Очень важно, что впервые стало возможным рассмотреть детали поверхности с размерами 1–2 мм, а случайное смещение станции позволило получить стереопару к первой панораме; при анализе стереоснимка удалось точнее понять рельеф поверхности. Оказалось, что он является более плавным, чем представлялось ранее по данным наземных наблюдений.

Станция «Луна-13» принесла первые объективные количественные данные о физико-механических характеристиках лунного грунта, полученные непосредственными измерениями. Новая информация не только имела большое научное значение, но и использовалась в дальнейшем для расчета элементов конструкции значительно более крупных станций следующего поколения, способных нести на себе буровое оборудование, ракеты «Луна-Земля», доставившие лунный грунт на Землю и автоматические лаборатории «Луноход».

Рис 5. Автоматическая станция «Луна-10»

Искусственные спутники Луны этого периода имели значительную по тогдашним понятиям массу и были оборудованы многочисленными научными приборами. Например, масса ИСЛ - «Луна-10» составляла 245 кг, тогда как масса спускаемого аппарата станции «Луна-9» была около 100 кг. Увеличение массы АС с ИСЛ по сравнению с другими объясняется тем, что для выполнения маневра перевода космического аппарата на окололунную орбиту требуется значительно меньше топлива, чем при осуществлении мягкой посадки на Луну, и поэтому за счет топливной «экономии» можно поместить на такую АС больше приборов.

Искусственные спутники Луны имели на своем борту научные приборы, радиооборудование, источники электропитания и т. д. Необходимый тепловой режим поддерживался с помощью специальной системы терморегулирования. В состав научного оборудования ИСЛ могли входить весьма разнообразные приборы. На станции «Луна-10» (рис. 5), например, устанавливались: магнитометр для уточнения нижнего предела магнитного поля Луны, гамма-спектрометр для изучения спектрального состава и интенсивности гамма-излучения пород, слагающих поверхность Луны, приборы для регистрации корпускулярного солнечного и космического излучений, заряженных частиц земной магнитосферы. ионные ловушки для исследования солнечного ветра и лунной ионосферы, датчики для регистрации микрометеоритов на трассе перелета Земля-Луна и в окрестности Луны, инфракрасный датчик для регистрации теплового излучения Луны.

В состав научного бортового оборудования станции «Луна-11» входили приборы для регистрации гамма- и рентгеновского излучений поверхности (что позволяло получать данные по химическому составу лунных пород), датчики для изучения характеристик метеорных потоков и жесткой корпускулярной радиации в окололунном пространстве, приборы для измерения длинноволнового космического радиоизлучения.

Одной из основных задач третьего советского ИСЛ- автоматической станции «Луна-12» - было выполнение крупномасштабного фотографирования поверхности Луны, проводимого с различных высот орбиты ИСЛ. Площадь, охватываемая каждым снимком, равнялась 25 кв. км, и на них можно было различить детали поверхности размерами 5-20 м. Фототелевизионное устройство автоматически обрабатывало пленку и затем передавало изображения на Землю. Кроме фотографических экспериментов станция продолжала исследования, начатые и полетах предыдущих станций.

Автоматические аппараты, находящиеся на окололунных орбитах, являются эффективным инструментом выявления глобальных особенностей строения Луны, характеристик и свойств ее поверхности, изучения окололунной среды. Например, к фундаментальным исследованиям, проведенным с орбит искусственных спутников Луны, относится определение глобальных характеристик химического состава лунных пород. Выяснение же состава пород, слагающих поверхность Луны, давало ключ к проверке геохимических представлений об эволюции небесных тел.

Для дистанционного анализа химического состава лунного грунта предлагался целый ряд методов. Среди них и регистрация нейтронов, возникающих при взаимодействии космических лучей с веществом поверхности, измерение рентгеновского излучения, возбуждаемого солнечной радиацией, и некоторые другие. На АС «Луна-10» был установлен сцинтилляционный гамма-спектрометр, измерявший спектр лунного гамма-излучения. За время его работы на борту этого ИСЛ было получено девять спектров гамма-излучения в двух интервалах энергий 0,15-0,16 и 0,3–3,2 МэВ, а в 39 точках лунной поверхности была измерена интенсивность излучения в интервале энергий 0,3–0,7 эВ.

Сопоставление полученных спектров с калибровочными, а также со спектрами земных материалов показало, что поверхность Луны в глобальном масштабе слагают породы, имеющие базальтовый характер. В результате были отброшены предположения о том, что поверхность Луны имеет гранитный или ультраосновной состав, а также что она выстлана слоем хондритовых метеоритов или тектитами. Тем самым был получен важный аргумент в пользу магматического происхождения лунных пород.

Фотографическая съемка лунной поверхности использовалась для астрономоселенодезического и селенографического изучения Луны при проведении картографических работ. Полученные изображения (с различным разрешением) деталей поверхности позволили изучить характеристики лунного рельефа, распределение и особенности строения тектонических структур, последовательность лавовых излияний в морских районах.

Несколько магнитографических разрезов окололунного пространства, выполненных с помощью магнитометров ИСЛ, позволили выявить наличие слабого магнитного поля, вызванного взаимодействием Луны с солнечным ветром. Плазменные эксперименты положили начало изучению распределения заряженных частиц и условий их существования в окололунном пространстве как части общих закономерностей, свойственных процессу взаимодействия плазмы солнечного ветра с планетами Солнечной системы.

Анализ изменения параметров движения ИСЛ, проводимый наземными радиотехническими комплексами при полете космических аппаратов по различным орбитам, давал возможность провести предварительное определение гравитационного поля Луны. Оказалось, что возмущения движения станции за счет нецентральности поля тяготения Луны в 5–6 раз превышают возмущения, вызванные притяжением Земли и Солнца. Была установлена несимметричность поля на видимой и обратной сторонах Луны.

Систематические длительные наблюдения за изменением параметров орбиты позволили значительно уточнить отношение масс Луны и Земли, форму Луны и ее движение.

Полеты ИСЛ принесли значительный объем информации об условиях прохождения и стабильности радиосигналов, передаваемых с Земли на борт АС и обратно. Были получены очень интересные сведения о характеристиках отражения радиоволн поверхностью Луны, что позволило не только выявить изменение характеристик отражения радиоволн, но и оценить диэлектрическую проницаемость и плотность вещества различных районов Луны.

ЗА ЛУННЫМ КАМНЕМ. ЛУНОХОДЫ

К 70-м годам в Советском Союзе создается новое поколение «лунных» космических аппаратов, позволявших решать широкий спектр научных задач. В основу конструктивного построения этих автоматических станций было положено их разделение на ступени, первая из которой (посадочная) представляла собой унифицированный автономный ракетный блок, обеспечивающий выполнение коррекции траектории при перелете Земля-Луна, выход на селеноцентрические орбиты с широким диапазоном орбитальных параметров, маневрирование в окололунном пространстве и, наконец, осуществление посадки в различных районах лунной поверхности. В качестве полезного груза ступень могла нести различное оборудование.

Создание станций нового поколения стало решающим фактором при осуществлении выдающихся экспериментов в области изучения Луны с помощью космических аппаратов - забор лунного грунта с его доставкой на Землю и работа передвижных лабораторий на лунной поверхности. Однако прежде чем перейти непосредственно к этим экспериментам, рассмотрим более подробно элементы конструкции новых АС и их оборудование.

Посадочная ступень включала в себя систему топливных баков, жидкостные ракетные двигатели с регулируемой тягой, приборные отсеки и амортизирующие опоры. На посадочной ступени монтировались микродвигатели и датчики системы ориентации, а также емкости с рабочим телом двигателя и антенны радиокомплекса.

Основным силовым элементом посадочной ступени был блок топливных баков, состоявший из четырех сферических емкостей, соединенных в единую конструкцию. На них крепилась двигательная установка и все необходимое оборудование. Снизу к бакам пристыковывались амортизирующие опоры.

Посадочная ступень имела два сбрасываемых отсека, каждый из которых состоял из двух топливных баков и расположенного между ними герметичного контейнера с аппаратурой системы астроориентации и автоматики радиокомплекса. В специальных отсеках (они отбрасывались перед заключительным этапом торможения при посадке) размещалось оборудование и топливо, необходимое для перелета к Луне.

Двигательная установка новых АС состояла из основного однокамерного двигателя, двухкамерного двигателя малой тяги, управляющих газовых сопел и системы подачи топлива в камеру сгорания.

Основной двигатель АС предназначался для проведения коррекции траектории и для торможения. Двигатели малой тяги работали непосредственно перед посадкой. Основной двигатель имел насосную подачу топлива в камеру сгорания и допускал возможность многоразового включения. Работал он в трех режимах - в диапазоне тяги 750-1930 кг. Двухкамерный двигатель малой тяги имел вытеснительную подачу топлива, мог включаться только один раз и работал в трех режимах - в диапазоне тяги от 210 до 350 кг.

Каждая из опор посадочного устройства, предназначенных для гашения кинетической энергии станции в момент касания лунной поверхности и для сохранения устойчивого положения после посадки, состояла из V-образного подкоса, опорного диска и амортизатора.

Во время старта ракеты-носителя с АС опоры были подняты и находились в сложенном состояния. После отделения станции от последней ступени ракеты- носителя опоры под действием пружины открывались в рабочее положение.

Полет АС к Луне теперь осуществлялся в несколько этапов. После отделения от последней ступени и выхода станции на трассу перелета координационно-вычислительный центр, на основе траекторных измерений определяя отличие действительных траекторных параметров от расчетных, принимал решение о необходимой коррекции, вычисляя время включения двигателя и направление корректирующего импульса. Все эти данные в виде команд передавались на борт АС и закладывались в блок памяти системы управления.

Рис. 6. Схема спуска АС «Луна-16» на поверхность Луны

Перед включением корректирующего двигателя должен был быть произведен разворот станции и соответствующим образом измениться ее ориентация в пространстве. При этом сначала АС приводились в так называемое «базовое положение», когда чувствительные элементы системы ориентации «видят» Солнце и Землю. Затем с помощью разворотов вокруг двух осей АС устанавливалась в исходное положение. После того как в расчетное время по сигналу программно- временного устройства включался двигатель, гироскопические приборы, «запомнившие» нужное положение станции, с помощью управляющих органов «парировали» все возмущения, возникавшие при работе двигательной установки.

Как только скорость станции изменялась на необходимую величину, автоматика подавала команду на выключение двигателя. По аналогичной схеме происходил вывод станции на окололунную орбиту или осуществлялась коррекция орбитального движения.

После маневрирования в окололунном пространстве (так называемого процесса формирования посадочной орбиты) производилось уточнение параметров движения, и на борт АС выдавались кодограммы, определяющие последовательность операций при посадке. При приведении АС в исходное для торможения положение отбрасывались навесные отсеки, включалась двигательная установка и начинался спуск на лунную поверхность (рис. 6). Затем, когда станция получала необходимый тормозной импульс, двигатель выключался и АС совершала стабилизированный баллистический спуск, причем вертикальная и горизонтальная составляющие скорости при этом непрерывно измерялись с помощью доплеровской измерительной системы и высотомера.

При определенных значениях вертикальной составляющей скорости движения и высоты над поверхностью основной двигатель включался вновь, а после окончания его работы запускался двухкамерный двигатель малой тяги, который уже окончательно гасил скорость АС (он выключался по команде, подаваемой от бортового гамма-высотомера).

Для иллюстрации работы основного двигателя приведем значения высот над поверхностью в характерных точках участка спуска АС «Луна-17». Первое включение тормозного двигателя произошло на высоте 22 км над лунной поверхностью при продольной скорости АС 1692 м/с. На высоте 2,3 км двигатель выключился. Его второе включение произошло на высоте около 700 м, выключение - на высоте 20 м. В момент касания поверхности станция имела вертикальную скорость снижения около 3,5 м/с, боковая составляющая равнялась примерно 0,5 м/с.

К автоматическим станциям, выполненным на базе унифицированной посадочной ступени, относятся АС «Луна-16, -20, -24», доставившие на Землю грунт из различных районов Луны, а также «Луна-17, - 21», на которых были установлены передвижные самоходные научные лаборатории «Луноход-1, -2» (см. Приложение).

Рис. 7. Схема грунтозаборного устройства и возвращаемого аппарата станций «Луна-16»

Операции по забору лунного грунта совершались с помощью грунтозаборных механизмов. Грунтозаборное устройство, используемое, например, при полетах АС «Луна-16, -20» (рис. 7), состояло из штанги с укрепленным на ней буровым станком и электромеханических приводов, перемещающих штангу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Рабочим органом бурового станка был виброударный бур с резцами на конце (внутри он был полым).

Буровые механизмы обеспечивали работу с горными породами, имеющими широкий диапазон физико-механических свойств - от пылевато-песчаных до скальных. Максимальная глубина бурения составляла 35 см. Это оборудование приводилось в движение электродвигателями, скорость углубления бура в грунт и мощность, потребляемая электродвигателями, контролировались с Земли телеметрически.

Бурение при работе АС «Луна-16» продолжалось около 6 мин и проводилось на полную глубину. В конце рабочего хода электродвигатели бурового станка автоматически отключались. Масса добытого образца составила около 100 г.

Процесс бурения грунта в материковом районе АС «Луна-20» был более сложным. Несколько раз происходила автоматическая остановка бура из-за того, что ток в электродвигателях превышал допустимую величину. Проходка скважины проводилась на глубину около 300 см (в тексте опечатка, дано «м»). Масса добытого образца составляла 50 г.

После выполнения всех необходимых операций станок отводился от грунта, поднимался и разворачивался на 180 градусов, а затем бур с находящимся внутри него грунтом помешался в герметически закрываемую капсулу возвращаемого аппарата.

Автоматическая станция «Луна-24» была оборудована приспособлением для глубинного бурения. Это устройство включало в себя буровую головку, перемещающуюся по специальным направляющим, закрепленным на посадочной ступени, и ракете «Луна-Земля», буровую штангу с коронкой, механизм подачи буровой головки, эластичный грунтонос для размещения добытого грунта, механизмы для намотки грунтоноса с грунтом на специальный барабан и для помещения его в возвращаемый аппарат.

Бурение производилось вращательным или ударно- вращательным движениями инструмента. Режим работы выбирался автоматически или по командам с Земли в зависимости от условий проходки, прочности и вязкости грунта. Установка позволила получить керн грунта диаметром 8 мм, максимальный рабочий ход буровой головки составлял 2,6 м. Масса образца, доставленного на Землю, - 170 г (фактическая длина добытого керна равнялась 1600 мм).

Доставка лунного грунта на Землю выполнялась с помощью взлетной ступени АС, после старта с Луны так называемой «Лунной ракеты», которая состояла из двигательной установки (имеющей шаровые баллоны с топливом и ракетный двигатель с насосной подачей компонентов топлива в камеру сгорания), приборного отсека с аппаратурой управления и возвращаемого аппарата, в котором лунный грунт совершал перелет Луна-Земля, спуск в атмосфере и приземление.

Возвращаемый аппарат имел шаровую форму и устанавливался вверху приборного отсека. Его оболочка была изготовлена из металла со специальным теплозащитным покрытием, предохраняющим от воздействия высоких температур на участке баллистического спуска в плотных слоях атмосферы. В возвращаемом аппарате размещались цилиндрический герметически закрываемый контейнер для лунного грунта, парашютная система, элементы автоматики, управляющие вводом в действие парашютной системы, аккумуляторные батареи, пеленгационные передатчики, радиоантенны и эластичные, наполненные газом, баллоны для обеспечения необходимого положения аппарата на поверхности Земли.

Старт «Лунной ракеты» к Земле происходил по направлению лунной местной вертикали. Это направление «запоминалось» системой управления при посадке на Луну. В случае если продольная ось взлетной ступени могла быть отклонена от вертикали при взлете, система управления выдавала необходимые команды, благодаря которым ракета выходила на нужную траекторию.

При достижении необходимой скорости разгона (например, у АС «Луна-16» она равнялась 2708 м/с) двигатель отключался, и «Лунная ракета» далее шла по баллистической траектории. В процессе перелета бортовой радиокомплекс обеспечивал связь с Землей и проведение траекторных измерений для уточнения места посадки возвращаемого аппарата. При подлете к Земле на борт АС передавалась команда на подрыв пиропатронов металлических лент крепления возвращаемого аппарата к приборному отсеку, и после того как благодаря движению в атмосфере космический аппарат гасил скорость до определенной величины, вводилась в действие парашютная система.

Самоходные аппараты, управляемые с Земли, «Луноход-1, -2», предназначенные для проведения комплексных научных исследований при длительной работе на лунной поверхности, доставлялись с помощью АС «Луна-17, -21».

«Луноходы» размещались на посадочной ступени и крепились днищами к четырем вертикальным стойкам через специальные пироузлы. На посадочной ступени устанавливались также трапы для схода передвижной лаборатории на лунную поверхность. Во время полета АС трапы находились в сложенном состоянии, а после посадки раскрывались под действием специальных пружин.

Аппараты «Луноход» (общая масса около 800 кг) (рис. 8) состояли из двух основных частей: приборного отсека и самоходного шасси. Приборный, отсек предназначался для размещения научной аппаратуры и устройств, которые необходимо было предохранять от воздействия условий открытого космоса. Верхняя часть корпуса приборного отсека использовалась как радиатор в системе терморегулирования и закрывалась крышкой. На время лунной ночи крышка закрывалась и предохраняла отсек от излишней потери тепла, лунным же днем была открыта, способствуя сбросу избыточного тепла в пространство. На внутренней поверхности крышки размещались элементы солнечной батареи. Крышка могла устанавливаться под различными углами и обеспечивать оптимальное освещение солнечной батареи в процессе работы самоходного аппарата.

Необходимый тепловой режим оборудования поддерживался как пассивными, так и активными методами. В качестве теплозащиты использовалась экранно-вакуумная изоляция на наружной поверхности приборного отсека (пассивный метод). Активная теплозащита осуществлялась регулированием температуры газа, циркулирующего внутри отсека. При помощи вентилятора и специальной заслонки газ направлялся в горячий или холодный контуры системы терморегулирования. Использовался и локальный обдув некоторых приборов с помощью отдельных каналов подвода газа.

Рис. 8. Схема самоходного аппарата «Луноход-1»

Горячий контур включал в себя блок обогрева, размещенный сзади «Лунохода» (вне приборного отсека). Тепло в блоке вырабатывалось в процессе распада радиоактивного изотопа.

Приборный отсек устанавливался на восьмиколесном шасси, обладавшем высокой проходимостью при относительно малой массе и энергопотреблении. Колеса «Лунохода» (рис. 9) имели независимую подвеску: в ступицу каждого колеса был вмонтирован электромеханический привод (поэтому каждое из них являлось ведущим). Упругими элементами здесь были торсионы; крепление колес обеспечивало преодоление уступов высотой 400 мм без удара об опоры.

Привод колеса состоял из электродвигателя постоянного тока, щетки которого были изготовлены из специального материала, предназначенного для работы в вакууме, а также редуктора и механического тормоза с электромагнитным управлением. Выходной вал трансмиссии имел локальное ослабление сечения, чтобы он смог бы разрушиться подрывом пироустройства по команде с Земли (в случае его заклинивания). При этом данное колесо становилось ведомым и не мешало движению: конструкция шасси допускала одновременную разблокировку пяти из восьми колес без потери подвижности «Лунохода».

Рис. 9. Схема устройства колеса «Лунохода-1»

Управление самоходным аппаратом велось по командам с Земли экипажем, состоящим из командира, водителя, штурмана, бортинженера и оператора остронаправленной антенны. В качестве информации, необходимой для управления, использовались телевизионное изображение местности перед «Луноходом», телеметрические данные бортовых гироскопов и датчиков пройденного пути, сведения о состоянии бортовых систем, крене и дифференте самоходного аппарата, токе двигателей колес и т. д.

Командир экипажа осуществлял общее руководство работой и принимал окончательное решение на основании информации, поступающей от штурмана, бортинженера и водителя. Водитель непосредственно управлял «Луноходом», а штурман выполнял навигационные расчеты, выдавал рекомендации о направлении движения, отвечал за контроль пройденного пути. Бортинженер контролировал состояние всех систем аппарата, а оператор остронаправленной антенны следил за ее правильной ориентацией и обеспечением оптимальных условий связи.

Особое телевизионное устройство использовалось при решении задач, связанных с управлением «Лунохода». Входящая в него электронная малокадровая телевизионная система вела передачу оперативной информации, применявшейся при «вождении» аппарата. В случае «Лунохода-1» эта система состояла из двух передающих камер, электронных блоков и автоматики. Телевизионные камеры были сконструированы на передающих трубках типа «видикон», способных к длительному и регулируемому запоминанию изображения (3- 20 с). Электромеханический затвор камеры имел основную выдержку 0,04 с при возможной смене выдержек: - на более короткую - 0,02 с и более длительную - до 20 с. Камера имела широкоугольный объектив с F =6,7 мм и D/F=1:4. Угол зрения в горизонтальной плоскости составлял 50°, а в вертикальной - 38° (ось визирования была наклонена вниз от горизонтали на 15°). Система обеспечивала телевизионную передачу со скоростью 3,2; 5,7; 10,9; 21,1 с на один кадр.

Панорамная система телевизионных камер предназначалась для исследования свойств поверхности и наблюдений Солнца и Земли в целях навигации. Она давала четкие изображения с незначительными геометрическими и яркостными искажениями и включала в себя четыре камеры с оптико-механической разверткой по устройству, аналогичных используемым ранее при полетах АС «Луна-9, -13», но с лучшими параметрами. Две камеры, расположенные по разным бортам «Лунохода», имели горизонтальные оси панорамирования и передавали круговую панораму, в которую попадали, изображения лунного неба и поверхности вблизи колес «Лунохода». Две другие камеры обеспечивали получение панорам (с разных бортов), близких к горизонтальным, и каждая из них захватывала угол более 180°. Информация этой пары камер использовалась для изучения рельефа поверхности и топографической характеристики исследуемого района.

Химический экспресс-анализ лунного грунта проводился с помощью рентгеновского спектрометрического метода (аппаратура РИФМА). Источники рентгеновского излучения выносного блока этой аппаратуры содержали Н3 (водород-3); детекторами излучения грунта были пропорциональные счетчики. Аппаратура РИФМА позволяла раздельно регистрировать рентгеновское излучение породообразующих элементов.

Исследование физико-механических свойств грунта в естественном залегании велось с помощью специальной аппаратуры ПРОП (прибор оценки проходимости), в состав которой входили конусно-лопастной штамп для внедрения и поворота в грунте, а также датчик пройденного пути («девятое колесо»). При анализе также использовались данные о взаимодействии шасси «Лунохода» с грунтом, фотопанорамы, показания датчиков крена и дифферента и т. д.

Кроме перечисленной аппаратуры, «Луноход-1» имел уголковый отражатель для лазерной локации передвижной лаборатории с Земли, аппаратуру для регистрации заряженных частиц и рентгеновского космического излучения.

Второй советский самоходный аппарат «Луноход-2» решал сходные научные задачи и был аналогичным «Луноходу-1» по своей конструкции. Однако в состав его аппаратуры и служебных систем был внесен ряд усовершенствований: расширены возможности прибора для химического анализа грунта, повышена частота передачи изображения курсовыми телекамерами, для лучшего обзора местности одна из них была поднята на кронштейне и вынесена вперед. В состав оборудования были введены приборы для магнитных измерений, астрофотометрии и лазерной пеленгации.

Многофункциональные космические аппараты поколения 70-х годов, предназначенные для исследований Луны, предоставили ученым новые возможности ее изучения. Началась эра лабораторного геохимического исследования вещества, доставляемого на Землю из различных районов Луны. В результате наши знания о ней достигли качественно нового уровня - менее чем за десять лет о Луне стало известно в некоторых отношениях даже больше, чем о нашей родной планете. Во многом это обусловилось тем, что хотя Луна, ее история и эволюция, сложнее, чем предполагалось ранее, но в геологическом и геохимическом планах наш естественный спутник оказался значительно проще Земли. Стало ясно, что, несмотря на одинаковый возраст обоих тел ~5 млрд. лет, основные черты внешнего облика Луны сформировались в первый миллиард лет после ее образования. Благодаря лабораторным исследованиям был определен абсолютный возраст многочисленных образцов коренных лунных пород, а имевшаяся ранее относительная временная последовательность лунных событий получила надежную привязку к конкретным датам.

В разноцветной, многообразной и многослойной мозаике фактических данных о Луне все чаще стали появляться соединительные мостики, объединяющие первоначально несвязанные фрагменты. Многие из них, ранее не укладывавшиеся рядом, стали хорошо прилегать друг к другу, началась просматриваться общая картина образования Луны, изменений ее лица и внутреннего строения с возрастом, картина постепенного снижения активности процессов, действовавших на ее поверхности и в ее недрах.

Первый автоматический «геолог» - «Луна-16» - прилунился в Море Изобилия, типично морском районе, поверхность которого сложена лавами базальтового характера. Взятый грунт представлял собой породы, заполнившие впадину моря, выбросы из крупных, близлежащих кратеров, породы, перемешенные из окружающих материковых районов.

АС «Луна-20» опустилась уже на материковый участок с относительными перепадами высот до 1 км. Область эта более древняя, сформировавшаяся, по- видимому, значительно раньше Моря Изобилия.

Море Кризисов («Луна-24») имеет ряд специфических особенностей. Его глубокая впадина заполнена лавой не так обильно, как соседние «моря». Считается, что эта относительно «молодая» лава изливалась на поверхность около 3 млрд. лет назад. В центре Моря Кризисов располагается маскон - гравитационная аномалия, вызванная локальной концентрацией массы. При планировании эксперимента рассчитывалось, что в образце будут присутствовать породы, несущие следы процессов поздних этапов магматической эволюции Луны. Предполагалось наличие в нем пород глубинного, подбазальтового слоя, выброшенных на поверхность при образовании окрестных кратеров, например, «Фаренгейт» или «Пикар-Х». И уж совсем было бы заманчиво добыть частичку вещества маскона.

Вот так примерно выстраивалась канва трех последовательных экспериментов по бурению лунной поверхности, добыче образцов грунта и исследованию его в земных лабораториях с применением всего комплекса имеющихся средств.

Лунный грунт, добытый с различных глубин и доставленный советскими автоматическими станциями, изучался и продолжает изучаться в лабораториях многих стран мира. Объектом исследования часто являются отдельные частицы грунта, которых в каждом грамме лунного вещества содержится несколько миллиардов. Частицы представляют собой раздробленные и перемешанные фрагменты коренных пород исследуемого района с небольшим вкладом частиц из соседних районов и метеоритного вещества, как с неизменным, так и видоизмененным микрометеоритной бомбардировкой внешним видом. Поэтому образец грунта даже небольшого объема имеет весьма типичный вид для пород данного региона.

Лунный грунт, доставленный на Землю с помощью АС «Луна-16», представляет собой зернистый порошок, хорошо формующийся и слипающийся в отдельные комочки. Зернистость грунта увеличивается с глубиной. В среднем преобладают зерна размером 0,1 мм. Медианный размер зерен увеличивается с глубиной от 0,07 до 1,2 мкм.

По своему составу лунные образцы близки к земным базальтам, но с повышенным содержанием титана и железа и уменьшенным количеством натрия и калия. Лунный грунт хорошо электризуется, его частицы прилипают к контактирующим с ним поверхностям. В лунном реголите отчетливо выделяются две разновидности частиц: одни с угловатой формой, внешне похожие на земные раздробленные породы; другие же (их значительно больше) имеют скатанную форму и носят следы оплавления и спекания, многие из них по своему виду напоминают стеклянные и металлические капли.

Грунт из материкового района, доставленный АС «Луна-20», существенно отличается от предыдущей пробы. Он оказался значительно светлее, его основу составляли обломки кристаллических пород к минералы, а окатанных и ошлакованных (остеклованных) частиц обнаружилось относительно мало. В противоположность грунту из морского района вместо базальта основными здесь являются анортозиты и их разновидности - породы основного состава, но богатые полевым шпатом.

Колонка грунта из Моря Кризисов, доставленная с помощью АС «Луна-24», характеризуется хорошо заметной слоистостью; слои отличаются толщиной, цветом и размером частиц. Окраска образца неравномерная: верхняя часть окрашена в однородный серый цвет с коричневым оттенком, нижняя неоднородна в цветовом отношении и состоит из нескольких слоев серого цвета и резко выделяющегося слоя белого материала. В целом грунт более светлый, чем образец из Моря Изобилия, но существенно темнее грунта, доставленного «Луной-20». Кроме того, грунт станции «Луна-24» отличается от двух других образцов высоким содержанием относительно крупных фрагментов. В образце широко представлены обломки магматических пород, среди них преобладают породы типа габбро. Стеклянные сферические частицы обнаруживаются только в верхней части колонки, но и там их немного. Они составляют несколько более 1 % от общего количества частиц.

Интересно, что в образце грунта из Моря Кризисов обнаружены темные непрозрачные стекла, представляющие собой пористые, угловатые обломки неправильной формы. Основная масса частиц имеет матовую шероховатую поверхность. Такие обломки не встречаются в образцах, доставленных на Землю с помощью АС «Луна-16» и «Луна-20». Происхождение этих стекол не совсем ясно, часть из них имеет, по всей вероятности, вулканогенный характер.

Передвижные автоматические научные лаборатории «Луноход» предназначались для проведения длительных комплексных научных и научно-технических исследований на поверхности Луны при перемещении самоходного аппарата на значительные расстояния от места посадки. Первый аппарат этого типа - «Луноход-1» «работал» в Море Дождей, типично «морском» участке лунной поверхности. Второй - «Луноход-2» в восточной окраине Моря Ясности (место посадки - кратер Лемонье).

В результате тектонических процессов этот кратер подвергся частичному разрушению. Его дно превратилось в «залив», а сохранившаяся часть вала образовала уступ на границе Моря Ясности и горного массива Тавр. Южнее места посадки «морская» поверхность кратера переходит в холмистую равнину - предматериковую местность. В прибрежной части кратера находится тектонический разлом, протянувшийся с севера на юг почти на два десятка километров. Ширина разлома несколько сот метров, глубина колеблется от 40 до 80 м. Эта трещина возникла после затопления лавой, хотя, возможно, и является обновлением древнего тектонического разлома, который прослеживается далее в материковом районе за валом кратера.

Передвижные лаборатории «Луноход» оснащены аналогичным набором инструментов для изучения физических характеристик Луны, и их научные задачи были во многом сходными. В программу исследовании входили: изучение геолого-морфологических характеристик района и его топографии, анализ химического состава грунта по трассе движения, определение физико-механических свойств поверхности и проведение лазерной локации Луны. Кроме того, в программу «Лунохода-l» были включены эксперименты по регистрации солнечного и галактического рентгеновского излучений и космических лучей. «Луноход-2», в свою очередь, был оснащен приборами для проведения магнитных измерений, астрофотометрии и лазерной пеленгации.

Изучение механических свойств поверхностного слоя лунного грунта было основано на определении прочностных и деформационных характеристик реголита в его естественном залегании. При этом предполагалось: получить с помощью специальной аппаратуры сведения о несущей способности грунта, его уплотняемости и сопротивлении вращательному срезу; изучить взаимодействие ходовой части с грунтом - для оценки свойств материала поверхности по всей трассе движения; проводить анализ телевизионных изображений, позволяющих по глубине колеи «Луноходов» и характеру деформации грунта под воздействием их колес выявлять особенности структуры грунта и его строения.

Результаты, полученные с помощью «Лунохода-1», показали, что несущая способность реголита в различных точках поверхности менялась в довольно широких пределах и в большинстве случаев составляла 0,34 кг/кв. см. Сопротивление вращательному сдвигу было в среднем около 0,048 кг/кв. см. Несущая способность самого верхнего пылевого слоя находилась в пределах 0,02-0,03 кг/кв. см. Наибольшее сопротивление внедрению аппаратуры в грунт было отмечено на участках, не усеянных камнями, наименьшее - в районе кольцевых валов кратеров. Обнаружилась способность лунного грунта к значительному уплотнению и упрочению при повторном нагружении. При измерениях параметров грунта, лежащего на глубине 8-10 см и обнажаемого при маневрах «Лунохода», были выявлены более высокие показатели механических свойств: несущая способность около 1 кг/кв. см, сопротивление сдвигу 0,06 кг/кв. см.

Для проведения магнитных измерений по трассе движения и во время остановок «Луноход-2» имел на своем борту трехкомпонентный феррозондовый магнитометр. Анализ этих измерений указывает на неоднородность магнитного поля поверхности Луны: компонент магнитного поля, параллельный поверхности, при измерениях по трассе движения «Лунохода» менялся от 5 до 60 гамм, обнаружены магнитные аномалии, свойственные кратерам (в районе отдельных кратеров отмечены перепады поля до 3 гамм/м). Магнитные измерения, проведенные в районе тектонического разлома и вала кратера Лемонье, дали возможность оценить намагниченность пород, расчлененных трещиной, а также материковых пород вала кратера.

Геолого-морфологические исследования районов, по которым двигались «Луноходы», были направлены на получение данных о рельефе и выявление характерных геологических образований, на установление их взаимосвязи и эволюции и определение особенностей микрорельефа и слагающих пород.

Анализ материалов, полученных в Море Дождей, показал, что основной формой микрорельефа в этом районе являются кратеры. На изображениях хорошо просматривались кратеры размером до 50 м. Были выделены в специальную группу отрицательные формы рельефа диаметром менее 10 см, имеющие специфические особенности. Кратеры в этом районе имели характерную чашеобразную форму, их облик менялся от четкого к расплывчатому, в соответствии с чем они были сгруппированы в три морфологических класса - А, В и С.

Кратеры класса А, как правило, имели четко выраженный вал или резкую границу с окружающей поверхностью. Отношение глубины к диаметру (H/D) для кратеров этого класса лежит в пределах 1/4-1/5. Крутизна внутренних склонов в верхней части составляла 35–45°. Кратеры класса В более сглажены: отношение H/D для них около 1/8, максимальная крутизна внутренних склонов редко достигает 30°. Кратеры класса С имели наименьшую относительную глубину (H/D = 1/14), крутизна их склонов 8-10°, причем отсутствовали четкие границы.

Все кратеры располагаются на поверхности случайным образом, что характерно для форм рельефа экзогенного происхождения. Часть кратеров, видимо, образовалась в результате вторичных ударных процессов - падений обломков породы малой прочности с невысокой скоростью. Обломки горных пород на поверхности - обычный элемент лунного ландшафта.

Геолого-морфологические исследования также включали в себя изучение мощности и вертикального разреза слоя реголита, его структуры и гранулометрического состава. Данные анализа геологической обстановки приводят к выводам о том, что поверхностные породы Моря Дождей кристаллизовались после их расплава в период 3,2–3,7 млрд. лет назад. Кратеры в основной массе имеют ударно- взрывное происхождение, а морфологические различия связаны с их эволюцией. Крупнообломочный материал, по-видимому, возник в результате дробления скального основания при образовании кратеров.

Мощность реголита лежит в пределах 2–6 м, а в отдельных случаях может достигать 50 м. При переходе от молодых кратеров к старым закономерно меняется микроструктура верхнего слоя реголита от щебнистой к комковатой и ячеисто-комковатой, а гранулометрический состав становится более тонким. Непосредственно под слоем реголита, по всей видимости, находятся породы типа брекчий базальтового состава, ниже - базальты.

За время своей работы советские самоходные аппараты, управляемые с Земли, прошли маршрут длиной около 50000 м, передали более 300 панорам и 100000 снимков, провели многократные исследования физико-механических и химических свойств грунта.

НА ТРАССЕ ПЕРЕЛЕТА ЗЕМЛЯ - ЛУНА - ЗЕМЛЯ

Одним из важных этапов изучения Луны в Советском Союзе явилось использование АС серии «Зонд», предназначенных для испытания систем космической техники в реальных условиях полета, методов и средств, используемых при длительных межпланетных рейсах, а также для проведения экспериментов в космическом пространстве.

В программу АС «Зонд-3», выведенной в длительный полет по гелиоцентрической орбите, помимо других экспериментов, входило и фотографирование Луны, в том числе тех районов обратной ее стороны, которые не были охвачены фотосъемкой при полете станции «Луна-3». На борту АС «Зонд-3» проходил испытание и отрабатывался фототелевизионный комплекс, предназначенный для получения фотоснимков планет и для передачи информации с расстояний до сотен миллионов километров. При передаче информации станция ориентировалась в пространстве таким образом, чтобы ее параболическая антенна с высокой точностью была направлена на Землю.

Программа фотографирования Луны предусматривала перекрытие снимков еще неизвестных районов с фотографиями участков, уже отснятых «Луной-3», а также районов, которые можно наблюдать с Земли. Это обеспечивало хорошую картографическую привязку для новой фотоинформации. Съемка Луны велась с расстояний от 11,6 до 10 тыс. км. Такое расстояние позволяло сфотографировать значительные территории и получить изображения достаточно крупного масштаба. Фотосеанс продолжался около 1 ч. При этом положение станции относительно Луны менялось по долготе на 60° и по широте - на 12°. Таким образом, каждый участок неисследованной территории был отснят под различными углами, что значительно повышало информативность изображения.

Интересно, что попутно с фотографированием в полете проводилась регистрация спектральных характеристик поверхности Луны в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Оптические оси приборов располагались параллельно оси фотокамеры. Фотографические изображения и спектральные характеристики одних и тех же участков поверхности, изучаемые совместно, давали больше возможности для комплексного исследования физических свойств лунной поверхности и их связи с формами рельефа.

Автоматические аппараты «Зонд-5, -6, -7, -8» предназначались для проведения исследований на трассе перелета Земля- Луна- Земля, включая фотографирование Луны и Земли и доставку материалов экспериментов на Землю (см. Приложение). Ко времени запуска первого из этих аппаратов в районе Луны и на ее поверхности побывало 14 советских автоматических станций. Посланцы с Земли уходили в полет и к ближайшим планетам - нашим соседям по Солнечной системе. С их помощью были проверены и отлажены методы проведения научных и технических экспериментов на больших расстояниях от Земли с передачей информации о проведенных экспериментах по радиоканалам. Эти методы космических исследований на практике показали свою высокую эффективность. Однако с течением времени становилось все более очевидным, что многие очень важные научно-технические проблемы, связанные с изучением небесных тел и удаленных областей космоса, не могут быть решены с помощью аппаратов, навсегда покинувших Землю. Необходимо было создать устройства, способные не только «порвать цепи земного тяготения», но и вернуться в «объятия родной планеты».

Развитие фундаментальных наук о Вселенной, например планетологии, потребовало изучения вещества крупных небесных тел, его химического состава, породообразующих минералов и других характеристик в земных лабораториях с использованием полного набора средств всестороннего тонкого анализа. Важно было также получить фотографии поверхностей космических объектов без помех и искажении, вносимых системой обработки их на борту и при передаче информации по радиоканалам на большие расстояния.

Активно развивающаяся космическая медицина и биология тоже предъявляли свои требования. Ведь чтобы максимально полно выявить последствия воздействия факторов космического полета на живые организмы, нужно обязательно возвращать их на Землю. Наконец, этого же требовало проведение исследований воздействия космической среды на конструкционные материалы и аппаратуру, чтобы в будущем использовать эти знания для создания новой, более совершенной космической техники.

Задача возвращения на Землю аппаратов после выполнения околоземных орбитальных полетов уже была успешно решена. Стали привычными полеты человека в космос. Новыми автоматическими станциями предстояло освоить возвращение на Землю с трассы полета к Луне, после вхождения в атмосферу со второй космической скоростью. Это была задача завтрашнего дня мировой космонавтики. Именно при этом проверялась на практике возможность полетов человека к Луне, а в будущем и на планеты.

АС «Зонд-5» состояла из двух основных частей: приборного отсека и спускаемого аппарата. В приборном отсеке находились аппаратура систем управления, ориентации и стабилизации, терморегулирования и энергоснабжения, блоки радиокомплекса, а также корректирующая двигательная установка. На отсеке были смонтированы оптические датчики системы ориентации, панели солнечных батарей и радиоантенны.

Возвращаемый аппарат служил для установки научной аппаратуры, проведения экспериментов на трассе полета к Луне и при возвращении на Землю. Он имел сегментально-коническую форму, которая при смещенном с оси симметрии центре тяжести позволяла с помощью специальной системы управления совершать спуск на Землю не только по баллистической траектории, но и управляемый спуск, причем место посадки варьировалось в широких пределах.

Рис. 10. Схема полета АС «Зонд-5»

В состав научного оборудования АС входили приборы для регистрации заряженных частиц и микрометеоров, фотоаппаратура. В ходе полета исследовалось влияние условий космического полета на живые организмы и другие биологические объекты, находившиеся в специальном отсеке возвращаемого аппарата.

На траекторию полета АС была выведена с промежуточной орбиты искусственного спутника Земли (рис. 10). Для формирования нужной траектории облета Луны в тот момент, когда станция находилась на расстоянии 325000 км от Земли, включалась двигательная установка, сообщившая АС требуемую величину корректирующего импульса.

После облета Луны, на расстоянии от Земли в 143000 км, была проведена вторая коррекция траектории, обеспечившая вход станции в земную атмосферу в заданном районе с расчетным углом снижения (место посадки находилось в акватории Индийского океана). Спуск в атмосфере выполнялся по баллистической траектории.

В этом полете впервые в истории космонавтики была решена задача мягкой посадки на Землю возвращаемого после облета Луны космического аппарата, входящего в атмосферу со второй космической скоростью.

Остальные станции этой серии по конструкции были аналогичны АС «Зонд-5», хотя их программа и варьировалась. Так, возвращение спускаемого аппарата АС «Зонд-6» на Землю осуществлялось по управляемой траектории, состоящей из участка первого погружения в атмосферу, промежуточного внеатмосферного полета, участка второго погружения и спуска на поверхность. В программу АС «Зонд-7» было включено испытание бортовой ЭВМ, высокоточной системы ориентации, средств радиационной защиты космических кораблей. При полете АС «Зонд-8» производилась дальнейшая отработка методики возвращения аппаратов на Землю, вход в атмосферу после облета Луны совершался со стороны северного полушария Земли.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ И ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ

Прошедшие двадцать лет бурного развития селенологии, вызванного применением космических средств, дали в руки ученых огромный экспериментальный материал. Многое в строении Луны сегодня известно. Многое еще предстоит узнать, развить и уточнить, многое- переосмыслить, используя уже имеющийся массив научной информации. Процесс познания - непрерывен. Необходимо идти вперед, добывать новые факты, обобщать их, двигаться дальше по бесконечной дороге раскрытия тайн Вселенной.

Каким же представляется дальнейший путь изучения Луны? По каким направлениям пойдет ее освоение?

Не претендуя на исчерпывающую полноту освещения, попытаемся сделать несколько общих предположений и рассмотреть некоторые частные стороны этой сложной картины.

Луна как объект приложения средств космонавтики представляет интерес с нескольких точек зрения.

Во-первых, будут продолжены эксперименты по изучению природы Луны, получению более полной и детальной информации о се строении. На Луне еще много «белых пятен», и это касается прежде всего приполярных районов и обратной, не видимой с Земли, стороны. Эти районы нуждаются в геологическом и геохимическом исследованиях. Очень немного известно о тепловых потоках из недр Луны и их вариациях в различных районах. Структура лунных недр, исследованная сейсмическими методами, известна недостаточно точно, существуют различные точки зрения на наличие, размеры и физическое состояние лунного ядра. Эти данные необходимы для исследования общих закономерностей, свойственных строению крупных небесных тел Солнечной системы, включая и Землю.

Исключительно интересным в настоящее время представляется изучение глубинной структуры лунного реголита в характерных районах Луны и особенно на поверхности не видимого с Земли полушария. Буровые керны, полученные до глубин в несколько десятков или даже сотен метров, являются наиболее информативным видом лунных образцов, так как содержат фрагменты местных и привнесенных пород, как первичных, так и переработанных метеоритной бомбардировкой. Последовательность и характер расположения отдельных слоев позволяют установить историю их отложения, степень переработки экзогенными факторами, степень перемешанности, время пребывания на поверхности, интенсивность бомбардировки микрометеоритами, степень облучения солнечными и галактическими космическими лучами.

Вторым интересным аспектом освоения Луны является возможность использования ее поверхности для размещения различного научного оборудования с целью проведения широкого круга астрономических и астрофизических экспериментов. Отсутствие у Луны атмосферы создает практически идеальные условия для наблюдения и изучения планет Солнечной системы, звезд, туманностей и иных галактик. При этих условиях разрешение телескопа с диаметром зеркала 1 м будет эквивалентно разрешению наземного инструмента, имеющего зеркало диаметром 6 м. Кроме того, отсутствие атмосферы дает возможность проводить исследования используя практически весь диапазон электромагнитного спектра, что позволит в будущем резко расширить наши знания как о собственной Солнечной системе, так и на новом уровне подойти к разрешению загадок, таящихся в таких экзотических астрономических объектах, как пульсары, квазары, нейтронные звезды и черные дыры, изучать грандиозные процессы, происходящие в недрах галактик.

Для радиоастрономических наблюдений Луна представляет не меньше преимуществ, чем для оптических. Современный радиотелескоп - это прежде всего антенна, большие размеры которой и определяют все рабочие характеристики радиотелескопа. На Земле из-за огромного веса металлоконструкций антенны и требований к прецизионности механизмов ее поворота уже достигнут практический предел чувствительности и разрешающей способности этих сооружений. Пониженная в шесть раз сила тяжести на Луне во многом снимает эту проблему. Кроме того, в земных условиях работа радиоастрономов затрудняется обилием радиопомех из-за электрических разрядов в атмосфере и множества, радиопередающих и электротехнических устройств, создающих интенсивный фон радиопомех. Расположение радиотелескопа на обратной стороне Луны кардинально решает и этот вопрос.

Еще одна заманчивая перспектива радиоастрономии связана с возможностью использования двух радиотелескопов: одного - на Земле, другого - на Луне в качестве радиоинтерферометра - системы, позволяющей резко повысить разрешающую способность. Использование этого приема в земных условиях позволило получить радиоизображение крупных деталей поверхности Венеры, недоступных для дистанционных оптических наблюдений из-за ее мощного облачного слоя. В земных условиях использование принципа радио интерферометрии ограничено диаметром земного шара. Установка радиотелескопа на Луне позволит увеличить базу - расстояние между двумя радиотелескопами - до 384000 км и резко повысить разрешающую способность всей системы.

Несмотря на то что теория относительности давно общепризнана, вопрос о экспериментальном подтверждении и уточнении числовых коэффициентов, лежащих, в ее основании, не перестал быть актуальным. Одним из аспектов такого уточнения является регистрация величины отклонения световых лучей от удаленных звезд под действием гравитационного поля Солнца. В земных условиях подобные измерения возможны только во время полных солнечных затмений, и их точность ограничена явлениями рассеяния и рефракции света в атмосфере. При помощи лунного телескопа, снабженного экраном, закрывающим светящийся диск Солнца, такие измерения можно проводить в любое время.

Расширить перечень исследований, которые удобно выполнять с поверхности Луны, можно и далее. Однако прежде чем покончить с этим вопросом и перейти к другой теме, следует подчеркнуть, что очень перспективным является изучение с Луны нашей родной планеты - Земли. Преимущества исследований земной поверхности с далеких расстояний, что позволяет воспринимать ее в обобщенном виде, стали очевидны после получения первых глобальных фотографий Земли с помощью космических аппаратов. Хорошо известно, как много информации нам могут дать глобальные изображения о геологическом строении, обшей картине циркуляции атмосферы, ледовом покрове, загрязнении атмосферы и океана Земли в целом.

При следующем шаге в изменении масштаба наблюдений - при наблюдениях поверхности Земли с Луны следует ожидать новых открытий. Организация на Луне обсерваторий для постоянного наблюдения за Землёй позволяет проводить систематический оперативный анализ метеорологической обстановки на земном шаре в целом, эффективно изучать процессы, протекающие в атмосфере и их связь с солнечной активностью. При регистрации теплового излучения с длинами волн 3,6-14,7 мкм можно практически мгновенно получать картину распределения температур в верхних слоях тропосферы на полушарии в целом, а при регистрации излучения в диапазоне 9,4–9,8 мкм - температуру озонового слоя земной атмосферы.

Активное зондирование атмосферы Земли при радио- и световой локации на различных длинах волн позволит получать полную картину распределения зон дождей и снегопадов, их размеры и интенсивность, вести ледовую разведку сразу в масштабах полушария. Цветозональная съемка, уже показавшая свою эффективность при работе экипажей на борту орбитальных станций, и при наблюдениях с Луны будет полезна различным специалистам для изучения и рационального использования земных ресурсов и охраны среды.

Решение новых, перспективных задач изучения и освоения Луны неразрывно связано с развитием всей космонавтики и во многом определяется совершенствованием космической техники. Накопленный научный и технический потенциал является надежным фундаментом развертывания всего необходимого комплекса работ в этом направлении. Автоматические станции различного назначения, искусственные спутники Луны, автоматические устройства для отбора образцов грунта и доставки его на Землю, самоходные передвижные лаборатории, внесшие большой вклад в успехи селенологии, будут верно служить науке и дальше. Постоянное их совершенствование, расширение диапазонов действия, увеличение автономности, ресурса работы и надежности позволят им и впредь играть значительную роль в исследовании Луны.

В качестве одного из возможных вариантов использования автоматических устройств при будущих исследованиях Луны можно представить систему, включающую в себя самоходные аппараты, подобные уже знакомым нам «Луноходам», а также станции типа «Луна-16». Передвижные самоходные аппараты, перемещаясь по большой территории, смогут проводить научные измерения и отбор образцов грунта, а устройства типа станции «Луна-16» - обеспечивать доставку материалов, экспериментов и лунный грунт на Землю.

Эксперименты и исследования на Луне можно осуществлять с помощью различных методов. Например, можно создать в различных районах Луны научно-исследовательские полигоны, снабженные автоматической аппаратурой. В частности, очень перспективными районами для организации там полигонов являются полярные области Луны. В настоящее время они наименее изучены по сравнению с другими районами, что значительно повышает интерес к ним со стороны ученых. Однако, помимо этого, они интересны и по ряду других причин. Так. постоянное освещение Солнцем полярных районов очень важно как для энергоснабжения научно-технических комплексов, так и для проведения некоторых селенофизических экспериментов. В частности, отсутствие значительных перепадов температуры, вызываемых сменой дня и ночи в данных районах, очень удобно для измерения тепловых потоков из лунных недр. Немаловажно и то, что наблюдение различных небесных объектов из приполярных районов позволяет неограниченное время держать их в поле зрения инструментов наблюдения.

Следует отметить, оборудование исследовательских полигонов на Луне должно обладать возможностью длительно работать по сложной и гибкой программе, надежно и эффективно функционировать в экстремальных условиях космического пространства, при воздействии резких перепадов температур, микрометеоритной бомбардировки, облучения солнечным ветром и космическими лучами.

Аппаратура такого полигона может регистрировать сейсмические колебания Луны, тепловой поток из ее недр, состав газов, выделяющихся из недр Луны, состав и энергию солнечного ветра, массу, энергию и направление перемещения микрометеоритных и пылевых частиц, состав и энергию галактических космических лучей. Доставку различных научных приборов на полигон можно осуществлять автоматически. Такой комплекс мог бы функционировать без участия человека. Возможен вариант, когда полигон периодически посещается специалистами, которые проводят ремонт к замену оборудования, забирают и доставляют на Землю информационный материал.

Создание научно-исследовательских полигонов технически можно осуществить уже в недалеком будущем. Современное состояние космонавтики и научного приборостроения позволяет на это надеяться. В несколько более далекой перспективе хочется представить себе возможное объединение такого полигона с обитаемой базой, на которой работает коллектив ученых-исследователей. Создание обитаемых научных баз на Луне, вообще говоря - дело отдаленного будущего, но уже сейчас специалисты думают над различными вариантами их конструкции и оборудования.

По одному из предложенных проектов жилое помещение такой базы представляет собой полусферическую или цилиндрическую оболочку из многослойного эластичного материала, армированного стальными нитями. Оболочка удерживает свою форму под действием внутреннего давления. Помещение базы немного заглубляется под поверхность и защищается от температурных перепадов и микрометеоритной бомбардировки слоем грунта (для защиты от метеоритов размером 1–2 см достаточно слоя 15–20 см).

Первоначально на базе могут вести работу 2–3 человека, в дальнейшем персонал может увеличиться. Продолжительность пребывания на базе достигнет нескольких месяцев. Для эффективной работы космонавтов они должны располагать транспортными средствами различного назначения: от одноместных или двухместных луноходов грузоподъемностью 300–400 кг с ресурсом хода 30–40 км до тяжелых транспортных устройств с дальностью хода до 500 км, обеспечивающих возможность проведения научных работ в течение 15 суток.

Весьма перспективным для исследования Луны является совместное использование стационарной лунной базы и орбитального комплекса. В этом случае представляется возможным доставить посадочный отсек с космонавтами на любой участок поверхности Луны, расположенный в плоскости орбиты обитаемого спутника. Характерной особенностью такого проекта является то, что экипаж, находясь на орбитальной станции, может долгое время ждать космонавтов, совершивших посадку на Луну.

В течение достаточно длительного времени требования к эксплуатации ракетно-транспортной системы между Луной и Землей будут оставаться сложными. По-видимому, наиболее энергетически выгодным способом транспортировки грузов между окололунной и околоземной орбитальными станциями станет применение электрических реактивных двигателей с питанием солнечной энергией и сравнительно небольшой тягой, обеспечивающей полет Земля-Луна за 30–90 суток. Доставка грузов и людей с Земли на околоземную орбиту будет осуществляться кораблями многократного действия, работающими на химическом топливе. Для перелетов Луна- окололунная орбитальная станция и обратно может оказаться рациональным строительство на поверхности Луны электромагнитной катапульты (с питанием солнечной энергией), используемой как для запуска аппаратов на окололунную орбиту, так и для их мягкой посадки на поверхность.

Есть и еще одно направление освоения Луны, о котором, может быть, стоит поговорить отдельно. Речь идет о получении конструкционных материалов и разработке полезных ископаемых для использования их при создании научных баз, а в несколько более отдаленном будущем - при организации технологических производств на лунной поверхности, строительстве спутниковых солнечных электростанций.

Рис. 11. Один из вариантов траектории транспортировки лунного грунта к космическому перерабатывающему предприятию

В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.

Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.

На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.

Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.

Одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 12. Начинается все с измельчения грунта до максимального размера частиц 200 мкм (для этого могут использоваться вибрационные мельницы). Далее он газовым потоком направляется в печь обжига, причем по пути к печи в грунт добавляется ферросилиций, измельченный до частиц размером 50 мкм. Ферросилиций необходим для восстановления железа, но, кроме того, сам является промежуточным продуктом на других, следующих, стадиях металлургического процесса.

При температуре 1300 °C кремний диффундирует из частиц ферросилиция и при этом будет восстанавливаться железо. Продуктом этого процесса является силикатный расплав со взвешенными в нем частицами железа. После охлаждения и измельчения этой смеси железо извлекается с помощью магнитной сепарации, а низкожелезистый силикат поступает в главный реактор.

Рис. 12. Один из вариантов технологической схемы получения конструкционных металлов из лунного грунта. Среди технологических устройств в нее входят: печь для отгонки алюминия от расплава температурой 2300 °C (II, печь для отгонки кальция, магния, алюминия, кремния и окиси углерода (III), реактор восстановления металлов углеродом (IV). Используются следующие процессы: выделение железа (2), сплавление железа и кремния при температуре 1500 °C (3), отгонка магния при температуре 1200 °C (4), конденсация и фильтрование (5), электролиз воды (6), разделение твердых и газообразных продуктов электролиза (7), диффузия железа из силикатов (I). Необходима также печь-центрифуга для разделения железа и шлаков (1)

В главном реакторе, а его можно представить в виде печи, вращающейся вокруг продольной оси (для гравитационного разделения образовавшегося сплава металлов, шлака и газов), происходит термическое восстановление металлов. После добавления в силикат, поступивший в реактор, углерода и при нагреве смеси до 2300 °C происходят химические реакции восстановительного типа, протекающие с выделением тепла.

На этом этапе металлургического процесса образовавшийся сплав кремния с алюминием отделяется от шлака и газообразных продуктов, поступает в дистиллятор, где алюминий и кремний разделяются. Окись углерода, пары кальция, магния и частично алюминия и кремния подвергаются дальнейшему разделению. Окись углерода, например, может соединиться с водородом и образовать воду, метан и некоторые другие углеводороды. Эта реакция давно используется в промышленности и хорошо изучена. В качестве катализатора может применяться окись железа. Метан, а также водород сушатся в конденсаторе для отделения воды. Вода электролизом разлагается на кислород и водород. Кислород выделяется в готовый продукт, а водород возвращается в реактор.

Рассмотренный в качестве примера металлургический процесс вполне пригоден для условий Луны с точки зрения энергопотребления, необходимого для данного оборудования, и практической его отработанности. Для своей реализации он требует минимума веществ, доставляемых с Земли, и дает хороший выход продукции на единицу массы оборудования. Веществами «нелунного» происхождения в технологическом цикле будут только углерод и водород, которые практически не расходуются, а используются в замкнутом цикле.

Кроме получения из лунного грунта металлов и других химических веществ, можно представить и иные возможности по переработке этого грунта в конструкционные материалы, такие, как стекло. Сырьем для производства стекла может служить плагиоклаз материкового реголита, представляющий собой почти чистый CaAl2Si2O8 с 0,5 % NaO2 и составляющим доли процента FeO. По сравнению с земным стекло из лунного грунта должно быть прочнее и выдерживать более длительные механические нагрузки без разрушения, так как из-за отсутствия воды в породах Луны, поверхность стекла должна иметь меньше дефектов, снижающих его прочность.

Используя лунный грунт, можно осуществлять и такой процесс, как базальтовое литье, широко применяемое при изготовлении пустотелого кирпича, строительных блоков, труб диаметром 3-10 см и длиной 1–1,5 м, отличающихся высокой стойкостью к кислотам и щелочам. Прочность продуктов этого литья из лунных пород может достигать при сжатии 10000-12000 кг/кв. см, а при растяжении -500- 1100 кг/кв. см.

Для изготовления конструкционных элементов с низкой теплопроводностью, а также фильтров могут использоваться спеченные материалы. По совокупности характеристик наиболее благоприятные условия для спекания частиц лунного грунта - нагрев их до температур 800–900 °C с выдержкой в печи от нескольких секунд до десятков минут и последующее быстрое охлаждение со скоростью 0,1–5 °C/мин.

Приблизительные расчеты показывают, что в некоторых случаях переработку лунного вещества в конструкционные материалы рентабельнее проводить в космическом пространстве, а не на Луне. При организации технологического цикла на поверхности Луны не всегда можно обеспечить непрерывное, освещение солнечными лучами устройств, преобразующих свет в электричество, в то время как в космическом пространстве это не представляет собой сложную проблему. Если учесть, что на транспортировку груза с лунной поверхности в космос требуется энергии в 5 раз меньше, чем на его переработку, то окончательная энергетическая стоимость производства в космическом пространстве получается в 8 раз меньшей, чем на Луне.

Вполне вероятно, что энергетические спутники будущего, о которых говорилось выше, более правильно себе представлять как некоторые промышленно-энергетические комплексы с большими производственными возможностями.

Итак, с самых древнейших времен истории человечества Луна всегда была объектом восхищения и пристального интереса. Однако в разные периоды развития нашей цивилизации Луна по разному воздействовала на чувства и разум людей. Романтический период восприятия Луны сменился в свое время рационалистическим. Вслед за поэтами к ней обратили свои пытливые взоры ученые, а затем пришла пора и людей практического ума.

Огромную роль в вовлечении Луны в сферу практических интересов сыграли впечатляющие успехи космонавтики, совершившие переворот в наших представлениях о месте человечества в космическом пространстве и приблизившие к нам необъятные просторы Вселенной. Эффективная работа советских космических аппаратов в космосе во многом определила эти успехи.

«Седьмой континент» Земли, как иногда называют Луну, все больше привлекает к себе внимание инженеров и экономистов, прикидывающих различные варианты использования ее природных ресурсов. И пусть разработка лунных недр и создание научных баз не являются первоочередной задачей сегодняшнего дня. Все равно когда-нибудь человечество объединенными усилиями развернет работы по освоению ближайшего к нам небесного тела. И тогда люди с благодарностью вспомнят и первые космические аппараты, проложившие путь к практическому освоению естественного спутника нашей родной планеты.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Сведения о советских аппаратах для исследования Луны

№	Наименование аппарата	Дата запуска (время московское)	Основные сведения о полете
Полеты АС «Луна»
1.	«Луна-1»	2. I.1959	Первый в истории космический аппарат, направленный к небесному телу. Впервые достигнута вторая космическая скорость, необходимая для межпланетных полетов.
2.	«Луна-2»	12. IX.1959	Впервые в истории космонавтики совершен перелет на другое небесное тело.
3.	«Луна-3»	4. X.1959	Получены первые фотографии обратной стороны Луны. По результатам фотографирования составлены первые карты и атлас обратной стороны Луны.
4.	«Луна-4»	2. IV.1963	Отработка космической техники для исследования и освоения Луны, 6.IV.I963 г. АС прошла расстоянии 8500 км от лунной поверхности.
5.	«Луна-5»	9. V.1965	Отработка системы мягкой посадки на Луну. 12.V.I965 г. станция достигла поверхности Луны в районе Моря Облаков.
6.	«Луна-6»	8. VI.1965	Испытание и отработка систем, АС, ее астроориентации, радиоуправления, автономного управления, а также радиоконтроля траектории полета.
7.	«Луна-7»	4. X.1965	Отработка системы мягкой посадки на Луну. 8.X.I965 г станция достигла поверхности Луны в районе Океана Бурь, западнее кратера Кеплер.
8.	«Луна-8»	3. XII.1965	Комплексное испытание систем станции на всех этапах полета и прилунения. Станция достигла поверхности в точке с селеноцентрическими координатами: 9°8 с. ш., 63°18 з. д.
9.	«Луна-9»	31. I.1966	Первый космический аппарат, совершивший мягкую посадку на небесное тело и передавший научную информацию, в том числе серию панорамных снимков с его поверхности. Прилунение произошло 3.II.1966 г. в районе Океана Бурь в точке с координатами: 7°8 с. ш., 64°22 з. д.
10.	«Луна-10»	31. III.I966	Первый искусственный спутник Луны. Выведен на орбиту 3.IV.1966 г. Параметры орбиты: максимальное расстояние от поверхности (апоселений) около 1000 км, минимальное расстояние (периселений) около 350 км, наклонение к лунному экватору - 72°, период обращения около 3 ч.
11.	«Луна-11»	24. VIII.1966	Продолжение и развитие экспериментов, начатых станцией «Луна-10». Второй советский спутник Луны выведен на окололунную орбиту с параметрами: апоселений - 1200 км, периселений - 160 км, наклонение - 27°, период обращения около 3 ч.
12.	«Луна-12»	22. Х.1966	Третий советский искусственный спутник Луны. Параметры орбиты: апоселений - 1740 км, периселений - 100 км, период обращения 3 ч 25 мин. Станция оборудована фототелевизионным устройством. Высоты фотографирования от 100 до 340 км.
13.	«Луна-13»	24. XII.I966	Мягкая посадка на Луну. Координаты места посадки: 18°52 с. ш., 62°3 з. д. На станции установлены: телевизионное устройство для передачи изображений поверхности, приборы для получения характеристик физико-механических свойств грунта в месте посадки.
14.	«Луна-14»	7. IV.1968	Проведено исследование Луны и космического пространства с окололунной орбиты.
15.	«Луна-15»	13. VII.I969	Исследование Луны и космической среды, испытание новых элементов конструкции и бортовых систем. 17.VII.I969 г. выведена на орбиту искусственного спутника Луны. 21.VII.I969 г. переведена на траекторию спуска и достигла лунной поверхности.
16.	«Луна-16»	12. IX.1970	Доставка на Землю образца лунного грунта. Впервые в космонавтике грунт доставлен автоматическим устройством. Мягкая посадка произведена 20.IX.I970 г. в районе Моря Изобилия, в точке с координатами: 0°41 ю. ш., 56°18 в. д. Бурение проведено на глубину до 350 мм, масса образца около 100 г.
17.	«Луна-17»	10. ХI.1970	Доставка на Луну первой в истории космонавтики передвижной научной лаборатории («Луноход-1»), управляемой с Земли. Посадка на Луну совершена 17.XI. 1970 г. в районе Моря Дождей. Координаты места посадки: 38° 17 с. ш., 35° з. д. 4.Х.1971 г. «Луноход-1» закончил программу исследования.
18.	«Луна-18»	2. IX.1971	Исследование Луны и космического пространства, испытание конструкций и бортовых систем, отработка методов автономной окололунной навигации и обеспечения необходимой точности посадки на Луну. Станция достигла поверхности Луны в районе Моря Изобилия в точке с координатами места посадки: 3°34 с. ш., 56°30 в. д.
19.	«Луна-19»	28. IX.I971	Исследование гравитационного поля Луны, проведение телевизионной съемки поверхности, изучение заряженных частиц и магнитных полей в окрестности Луны, плотности метеорного потока. Станция выведена на круговую орбиту искусственного спутника Луны с параметрами: высота над поверхностью - 140 км, наклонение - 40°35 , период обращения - 2 ч 1 мин 45 с.
20.	«Луна-20»	14. II.1972	Доставка на Землю образцов грунта из материкового района лунной поверхности. Координаты места посадки: 3°32 с. ш., 56°33 в. д. Бурение проведено на глубину около 300 мм; масса образца 50 г.
21.	«Луна-21»	8. I.1973	Доставка на поверхность Луны самоходной научной лаборатории «Луноход-2». Посадка совершена на восточной окраине Моря Ясности в точке с координатами: 25°51 с. ш., 30°27 в. д.
22.	«Луна-22»	29. V.I974	Проведение телевизионной съемки лунной поверхности, изучение заряженных частиц, магнитных полей, микрометеорного вещества в окололунном пространстве. Первоначально станции выведена на круговую селеноцентрическую орбиту с параметрами: высота над поверхностью - 220 км, наклонение - 19°35 , период обращения - 2 ч 10 мин.
23.	«Луна-23»	28. Х.1974	Запущена с целью доставки на Землю образца лунной породы, отработки новых элементов конструкции и оборудования автоматических лунных станций. Посадка произведена в южной части Моря Кризисов. Вследствие повреждения грунтозаборного устройства при посадке операции по забору грунта не проводились. Программа работы станции выполнена частично.
24.	«Луна-24»	9. VIII.1976	Проведение глубинного бурения на поверхности Луны и доставки образцов грунта на Землю. Посадка произведена в юго-восточной части Моря Кризисов в точке с координатами: 12°45 с. ш., 62°12 в. д. Новое буровое устройство позволило провести бурение на глубину около двух метров. Масса доставленного образца 170 г.
Полеты АС «Зонд»
25.	«Зонд-1»	2. IV.1964	Отработка космической техники для длительных межпланетных полетов. Станция выведена в полет по гелиоцентрической траектории с орбиты искусственного спутника Земли. Проводились сеансы связи со станцией, проверялись работоспособность и функционирование бортовых систем, выполнялась коррекция траектории движения.
26.	«Зонд-2»	30. XI. 1964	Отработка конструкции и систем АС в условиях длительного космического полета, исследование межпланетной среды при полете в сторону Mapca. Испытания системы ориентации с использованием в качестве управляющих органов электрореактивных плазменных двигателей.
27.	«Зонд-3»	18. VII.I965	Фотографирование районов обратной стороны Луны, не охваченных станцией «Луна-3».
28.	«Зонд-4»	2. III. 1968	Исследование космического пространства, отработка новых агрегатов и систем.
29.	«Зонд-5»	15. IX.1968	Отработка конструкции космических аппаратов, фотографирование Земли из космоса. Изучение физических условий на трассе Земля-Луна-Земля и их влияния на живые организмы.
30.	«Зонд-6»	10. XI.I968	Проведение научных и технических экспериментов на трассе полета Земля-Луна-Земля, фотографирование Луны и Земли из космоса. Движение АС в атмосфере при возвращении на Землю осуществлялось по траектории управляемого спуска с использованием подъемной силы возвращаемого аппарата. «Зонд-6» облетел Луну.
31.	«Зонд-7»	8. VIII.I969	Изучение физических характеристик космического пространства на трассе полета к Луне и при возвращении на Землю, фотографирование Земли и Луны с различных расстояний, отработка системы управления с бортовой ЭВМ, высокоточной системы ориентации, средств радиационной защиты космических кораблей. Спуск в атмосфере проходил с использованием подъемной силы возвращаемого аппарата. «Зонд-7» совершил облет Луны.
32.	«Зонд-8»	20. Х.1970	Облет Луны, проведение научных исследований на трассе полета, фотографирование Земли и Луны с различных расстояний, отработка конструкции космических аппаратов. Станция вошла в атмосферу Земли со стороны Северного полушария.