ПЕРВЫЕ ПОЛЕТЫ К ЛУНЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ. THE FIRST SPACE PROBES LAUNCHED TO THE MOON

© С.А.Герасютин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Исследование научного творчества К.Э. Циолковского"
2019 г.

Аннотация. Создание в 1958 г. в ОКБ-1 автоматических станций серии Е-1 и Е-2 для исследования Луны и ракеты-носителя «Восток-Л» (8К72) позволили нашей стране достичь ближайшего небесного тела и получить приоритеты на первом этапе освоения Луны. Советские станции «Луна-1» – «Луна-3» впервые в мире решили задачи приобретения второй космической скорости полета, включения двигателя в вакууме, управления полетом, ориентации в пространстве, съемки в космосе и передачи фотографий на Землю, создания наземных измерительных пунктов.

Ключевые слова: автоматическая межпланетная станция, ракета-носитель, запуск, лунные программы, система управления, ступень, траектория полета.

Abstract: In 1958, space probes designed by Special Design Bureau number 1(OKB-1) of the E-1 and E-2 series for the Moon exploration, together with the “Vostok-L” carrier rocket (8K72) allowed the Soviet Union to reach the nearest celestial body and receive priority at the first stage of the Moon exploration. The Soviet probes “Luna-1” – “Luna-3” for the first time in history completed the tasks of gaining the Earth escape velocity, firing the engine in a vacuum, monitoring the spaceflight, orientating the spacecraft, performing space photography and sending photographs back to Earth, creating ground telemetry stations.

Keywords: space probe, carrier rocket, launch, lunar programs, control system, stage, flight path.

60 лет назад состоялись первые запуски к Луне советских и американских автоматических межпланетных станций (АМС).

Академик Б.Е. Черток в мемуарах «Ракеты и люди» подробно рассказал, с чего начинался штурм Луны: «В январе 1958 года Келдыш направил лично Королёву письмо с грифом «секретно», в котором писал, что успешный запуск двух искусственных спутников Земли позволяет перейти к решению проблемы о посылке ракеты на Луну. В этом письме предлагались только два варианта:

1. Попадание в видимую поверхность Луны. При достижении поверхности Луны производится взрыв, который может наблюдаться с Земли. Один или несколько пусков могут быть осуществлены без взрыва, с телеметрической аппаратурой, позволяющей производить регистрацию движения ракеты к Луне и установить факт ее попадания.

2. Облет Луны с фотографированием ее обратной стороны и передачей изображения на Землю. Передачу на Землю предлагается осуществить с помощью телевизионной аппаратуры при сближении ракеты с Землей. Возвращение на Землю материалов наблюдений является более трудной задачей, ее решение может мыслиться только в дальнейшем.

Решение указанных задач связано с необходимостью преодоления ряда серьезных технических трудностей».

До письма академика М.В. Келдыша в апреле 1956 г. выступая на Всесоюзной конференции по ракетным исследованиям верхних слоев атмосферы, проходившей в АН СССР, С.П. Королёв в числе первостепенных задач поставил вопрос о полете на Луну: «Реальной задачей является разработка полета ракеты на Луну и обратно от Луны... Это перспективы реальные и не такие уж далекие». В январе 1958 г. Главный конструктор выступил с докладом «О программе исследования Луны», в котором обосновал предлагаемые М.В. Келдышем проекты. В начале марта 1958 г. С.П. Королёв и М.К. Тихонравов подготовили и представили в ЦК КПСС и Совет министров СССР записку «О перспективных работах по освоению космического пространства». Постановлением Правительства от 20 марта 1958 г. «О запусках космических объектов в направлении Луны» (программа «Е») предусматривалась разработка лунной станции, трехступенчатой ракеты 8К72 на базе ракеты Р-7 с целью достижения второй космической скорости (11,2 км/с) и доставки станции на Луну (первый вариант) или облет ею Луны (второй вариант). Необходимо было создать особо точную систему управления полетом, новое наземные стартовое оборудование и измерительные пункты. Время на проектно-конструкторскую разработку, изготовление и отработку было минимальным: нужно было сохранить приоритет СССР в освоении космоса и исследовании Луны. Предусматривалась разработка в ОКБ-1 несколько типов автоматических лунных станций (они назывались «лунниками»): Е-1 – попадание на Луну с доставкой на ее поверхность вымпела СССР (при скорости прилунения более 3 км/с), Е-2 – облет Луны и фотографирования ее обратной стороны с передачей изображения по радиоканалу на Землю, Е-2А – запасной вариант Е-2 (применялся другой тип фототелевизионного устройства), Е-3 – жесткая посадка на Луну с фиксацией события яркой вспышкой на лунной поверхности (этот тип не запускался). Постановление от 2 сентября 1958 г. предусматривало запуск космической ракеты к Луне в сентябре 1958 г., тогда же были утверждены программы пусков станции Е1 (вариант попадания) и станции Е2А (вариант облета).

В те же годы в США в научных кругах и на высшем уровне обсуждались такие же планы запусков космических аппаратов к Луне. 25 февраля 1958 г. командование ВВС США, где разрабатывались лунные программы, обратилось к Конгрессу за их поддержкой, чтобы запустить в этом году ракету к Луне. Помощник по исследованиям главы штаба ВВС генерал-лейтенант Д.Л. Путт попросил сенатский комитет по делам вооруженных сил одобрить такой проект. Ученый подразделения «Конвэйр» корпорации «Дженерал Дайнамикс» Краффт А. Эрике на конференции Ассоциации ВВС представил график полетов к Луне: в период с 1958 по 1964 гг. – ракета подлетит близко к Луне, затем одна упадет на нее, другая облетит ее и совершит управляемую посадку на поверхности Луны. 27 марта 1958 г. президент Дуайт Эйзенхауэр одобрил план «Мона» под покровительством Агентства перспективных исследовательских проектов, в который входил запуск нескольких лунных автоматических станций «Пионер» с помощью ракет-носителей «Тор-Эйб», разработанная компанией «Дуглас эйркрафт».

В 1958 – 1959 гг. в СССР было предпринято семь пусков автоматических станций к Луне (23 сентября, 11 октября и 4 декабря 1958 г., 2 января, 18 июня, 12 сентября и 4 октября 1959 г.). Из этих семи один был частично удачным («Луна-1» - пролет около Луны и первая искусственная планета Солнечной системы) и только два полностью выполнили задачи («Луна-2» достигла поверхности Луны и «Луна-3» сфотографировала ее обратную сторону).

США по программе «Пионер» («Pioneer») с аналогичными задачами полетов с 17 августа 1958 г. по 26 ноября 1959 г. состоялось тоже семь запусков станций массой 6 – 168 кг, которые заканчивались авариями ракет-носителей или недобором скорости полета. Частично удачным был запуск 3 марта 1959 г. АМС «Пионер-4» массой 5,8 кг – она стала первым американским аппаратом, развившим вторую космическую скорость и после облета Луны на расстоянии 60 тыс. км вышел на гелиоцентрическую орбиту. Однако он не смог произвести съемку Луны из-за большой удаленности от нее.

В лунной гонке выиграл СССР, однако, как подчеркнул Б.Е. Черток: «В то время такие жесткие требования для нас были новыми и трудными… Но какая же это была адская, увлекательная и азартная работа!». В кратчайшие сроки параллельно с созданием автоматических станций и наземной инфраструктуры коллективами ОКБ-154 (главный конструктор С.М. Косберг, ныне КБ химавтоматики) и ОКБ-1 (ведущий конструктор М.В. Мельников) был разработан первый отечественный кислородно-керосиновый двигатель 8Д714 (РО-5, РД-0105), запускаемый в вакууме и предназначенный для третьей ступени ракеты-носителя «Восток-Л» (8К72). Ракетный блок Е (в его разработке от ОКБ-1 участвовали П.И. Ермолаев, С.С. Крюков, Я.П. Коляко и др.) имел начальную массу 8 т, в том числе массу топлива около 7 т, массу полезной нагрузки 350-450 кг, ЖРД имел тягу 5 тс. Стабилизация блока Е осуществлялась специальными соплами на отработанном газе (после турбонасосного агрегата) по командам автономной системы управления. Впервые предусматривалось поперечное деление ступеней ракеты с запуском двигателя в условиях космического пространства. Система управления третьей ступенью разрабатывалась в ОКБ-885 (ныне Российские космические системы) под руководством академика Н.А. Пилюгина. Как вспоминали ветераны ОКБ-1 – разработчики блока Е: «Самой трудной была задача «перехвата» управления после отделения от центрального блока. Нельзя было допустить больших отклонений гироскопов. Если они сядут на «упор», управление будет потеряно. Выправить ступень, а затем надежно ею управлять в течение почти 6 минут разгона к Луне и точно выключить по набору нужной кажущейся скорости – такой была новая задача. На участке разгона, пока работают системы управления трех ступеней в течение 725 секунд необходимо сформировать последующую траекторию полета так, чтобы попасть в центр видимого диска Луны. Отклонение времени старта с Земли от расчетного на 10 секунд или вектора скорости от расчетного направления на 1 угловую минуту привело бы к промаху на 200 км! Баллистики во главе с доктором физико-математических наук Д.Е. Охоцимским (Отделение прикладной математики Математического института им. В.А. Стеклова), докторами технических наук С.С. Лавровым (ОКБ-1) и П.Е. Эльясбергом (НИИ-4) выполняли расчеты на первых ЭВМ.

Еще в 1955 г. в ОКБ-1 был создан отдел № 9 по проектированию космических аппаратов, начальником которого стал М.К. Тихонравов. В 1958 – 1959 гг. группе проектантов этого отдела во главе с Г.Ю. Максимовым удалось сконструировать несколько вариантов лунных станций. «Лунники» типа Е-1 и -1А («Луна-1» и «Луна-2») решали следующие задачи: отработка и проверка точности выведения аппаратов на межпланетные орбиты; проверка возможности поддержания радиосвязи с ними на значительных расстояниях; исследование свойств космического пространства между Землей и Луной и вблизи Луны. Во время полета к Луне планировалось изучение магнитных полей Земли и Луны, радиационных поясов, космических лучей, метеорных частиц. Станции этой серии были просты по конструкции. Они представляли собой сферический герметичный контейнер массой 187 кг, состоящий из двух алюминиево-магниевых полусфер радиусом 0,4 м, соединенных 48 болтами через шпангоуты диаметром 0,85 м. На верхней полусфере размещались четыре стержневые антенны радиопередатчика, работающего на частоте 183,6 МГц, две протонные ловушки для обнаружения межпланетного газа и два детектора (пьезоэлектрические «микрофоны») для регистрации ударов микрометеоритных частиц. По радиоканалу осуществлялись контроль орбиты и измерение элементов траектории полета. К верхней полусфере крепился магнитометр для измерения магнитных полей Земли и Луны. На нижней полусфере размещались ионные и протонные ловушки для регистрации корпускулярного излучения Солнца, две ленточные антенны радиопередатчика, работающие на частоте 19,993 МГц, передающие данные о параметрах температуры и давления внутри контейнера и научную информацию. Внутри контейнера, заполненного азотом под давлением 1,3 атм, на приборной раме размещались два радиопередатчика, блоки приемников и траекторно-телеметрическая система, источники питания (серебряно-цинковые аккумуляторы и окисно-ртутные батареи) и научная аппаратура, регистрирующая тяжелые ядра и фотоны в первичном космическом излучении, вариации интенсивности космических лучей и радиации. Температура приборов (+20° С) поддерживалась путем циркуляции газа в оболочке-радиаторе с помощью вентилятора. Станции «Луна-1 – 3» при запуске располагались в верхней части третьей ступени ракеты-носителя и закрывались сбрасываемым коническим обтекателем. На корпусе третьей ступени размещались два радиопередатчика с антеннами, радиосистема определения траектории полета, сцинтилляционные счетчики космических лучей и аппаратура для создания искусственной натриевой кометы. Общая масса научной аппаратуры не превышала 100 кг.

В СССР после трех неудач первый успешный старт в сторону Луны состоялся 2 января 1959 г. Это была АМС «Луна-1» (масса – 361 кг, конечная масса с блоком Е – 1472 кг), впоследствии названная «Мечтой». Впервые в мире была достигнута вторая космическая скорость полета – 11,2 км/с. Система управления ракеты совместно с наземными радиотехническими средствами обеспечивала ее вывод на требуемую траекторию. Необходимо было достичь скорости, несколько превышающей параболическую. При старте с территории СССР (космодром Байконур) допустимыми считались ошибки: по времени – несколько секунд и по величине начальной скорости – не более нескольких метров в секунду. После выключения двигателя «Луна-1» отделилась от последней (третьей) ступени ракеты-носителя и летела рядом с ней. Станция и ступень ракеты вышли на гелиоцентрическую орбиту: перигелий – 146,4 млн. км, афелий – 197,2 млн. км, период обращения – 450 сут, наклонение орбиты к плоскости эклиптики – 1°. «Луна-1» достигла в районе Луны скорости около 2 км/с, но на Луну все же не попала из-за ошибки в циклограмме полета (двигатели третьей ступени ракеты включился позже расчетного времени). Через 34 ч после старта «Луна-1» и третья ступень ракеты пролетели около цели на расстоянии 6400 км от поверхности Луны, придя в расчетную точку раньше Луны, и стали первыми в истории искусственными планетами Солнечной системы. Внутри «Луны-1» находились сферический вымпел из стальных пятиугольных элементов с зарядом взрывчатого вещества внутри шара для их разброса и капсула, заполненная жидкостью, в которой размещались алюминиевые полоски. На вымпелах и полосках были изображение герба, надпись «СССР» и дата запуска. К сожалению, доставить их на Луну в этот раз не удалось. Интересно, что полет станции могли видеть во многих странах благодаря созданию «искусственной кометы». 3 января 1959 г. на расстоянии 113 тыс. км от Земли в космос выбросили натриевое облако массой 1 кг с помощью специального устройства, установленного на третьей ступени ракеты-носителя, которая летела почти по той же траектории, что и отделившаяся от нее станция. Солнечное излучение вызвало свечение паров натрия, и это облако на фоне созвездия Водолея сфотографировали на Земле специалисты. С помощью приборов «Луны-1» впервые зарегистрирован внешний радиационный пояс Земли, установлено отсутствие лунного магнитного поля. Одно из основных достижений – открытие солнечного ветра, его параметры измерили ионные ловушки и счетчики заряженных частиц.

Полет первого «лунника» показал, что попадание в Луну – это вопрос времени и шестой пуск закончился полным триумфом. 12 сентября 1959 г. к Луне стартовала АМС «Луна-2» (масса - 390 кг; масса ступени Е без топлива составлял 1511 кг), копия «Луны-1». Станция впервые проложила трассу Земля – Луна. Коррекция траектории не предусматривалась, поэтому для обеспечения попадания в Луну расчетные значения параметров движения в конце активного участка выдержаны исключительно точно. Ошибка скорости движения всего на 1 м/с привела бы к отклонению точки встречи с Луной на 250 км. Обеспечение столь ювелирного управления представляет собой весьма сложную задачу. Для визуального наблюдения за полетом станции 12 сентября в 21 ч 39 мин 42 с на удалении около 150 тыс. км от Земли с помощью натриевого облака так же, как и при полете «Луны-1», была образована искусственная комета. Она наблюдалась и фотографировалась специалистами обсерваторий многих стран мира в течение 5–6 мин. На трассе перелета проводилось исследование магнитных полей Земли и Луны, радиационных поясов Земли, интенсивности солнечного и космического излучения, газовой компоненты межпланетного вещества, а также регистрировались тяжелые ядра космического излучения и метеорных частиц. «Луна-2» подтвердила, что у Луны отсутствует магнитное поле, вокруг нее нет радиационных поясов, ионизованная оболочка чрезвычайно разряжена, уточнена структура внешнего радиационного пояса Земли. Впервые испытана аппаратура слежения за траекторией полета. По мере приближения к лунной поверхности обнаружено небольшое увеличение концентрации газовой компоненты по сравнению с межпланетным пространством. 14 сентября 1959 г. в 00 ч 02 мин 24 с по московскому времени «Луна-2» впервые достигла поверхности Луны в районе Моря Ясности вблизи кратеров Аристил, Архимед и Автолик (западный склон). Место жесткой посадки – 30° с.ш. и 1° долготы. Скорость падения на Луну составила 3.3 км/с, а угол – 60º. «Луна-2» разбилась, выполнив задачу полета. Место падения «Луны-2» названо Заливом Лунника. Внутри станции находился шар из стальных пятиугольных вымпелов и капсула с алюминиевыми полосками с изображением герба, надписью «СССР» и датой запуска. После прилунения шар был подорван, и его элементы (пятиконечные вымпелы), а также полоски с надписями разлетелись в разные стороны. Как показали данные параметров движения «Луны-2», третья ступень ракеты также достигла поверхности Луны.

Следующему «луннику» предстояло передать на Землю снимки обратной, невидимой, стороны Луны! Траектория полета станции предусматривала облет Луны и фотографирование за ее диском, поэтому невозможно было сразу передать снимки. Специалисты решили посылать изображения по радиоканалу связи на приемные наземные станции при возвращении станции к Земле. С этой целью выделены и оснащены соответствующей аппаратурой два наземных измерительных пункта: основной – в Крыму (Симеиз) и второй – на Камчатке. На АМС установили новую систему ориентации, созданную под руководством доктора технических наук Б.В. Раушенбаха. В нее входили отслеживающие Солнце и Луну оптические датчики и поддерживавшие станцию в строго определенном положении микродвигатели ориентации (использовали сжатый азот), когда объектив фототелевизионного устройства (ФТУ) направлялся на Луну. В качестве источника энергопитания впервые использовались солнечные батареи. По заданию ОКБ-1 под руководством П.Ф. Брацлавца в ленинградском НИИ-380 (ныне Всесоюзный научно-исследовательский институт телевидения) в очень короткие сроки разработали саморегулирующееся ФТУ «Енисей». Комплекс ТВ-аппаратуры (главный конструктор И.Л. Валик) включал в себя: бортовое ФТУ, работающее в двух режимах (медленном и быстром) и два типа наземной приемной аппаратуры («Енисей-I» осуществлял быстрый режим получения снимков, «Енисей-II» – медленный). В медленном режиме работы ТВ-комплекса длительность передачи строки кадра равнялась 1,25 с, время передачи кадра – около 30 мин. Потенциальная разрешающая способность изображения – 1 тыс. элементов в строке. Аппаратура «Енисея-II» принимала кадры на пленку в медленном режиме при больших удалениях АМС от Земли (более 300 тыс. км). В быстром режиме на достаточно близком расстоянии от Земли (40 – 50 тыс. км) время передачи полного кадра не превышала 15 с. Фотоаппарат с длинно- и короткофокусным объективами (фокусные расстояния – 200 и 500 мм) проводил съемку на 35-мм пленку с автоматическим изменением экспозиции. Процесс начинался сразу после получения команды о точном наведении ФТУ на Луну. Затем пленка поступала в устройство автоматической обработки, где проводились проявка, фиксирование, сушка, перемотка в специальную кассету и под¬готовка к передаче изображения. Передача изображения с борта на Землю осуществлялась по линии радиосвязи, которая также служила для измерения параметров движения самой станции и передачи телеметрических данных. По этой же радиолинии шли команды управления бортовыми системами и приходили ответные команды. Для преобразования полученного на пленке изображения (негативного) в электрические сигналы использовались электронно-лучевые трубки и фотоэлектронный умножитель. Далее следовали электронная развертка луча, его усиление, формирование сигнала и передача информации по радиолинии на Землю. Применение полупроводников (транзисторов) вместо ламп тогда было связано с большим риском. Эту сложную комплексную радиосистему создали в НИИ-885 под руководством Е.Я. Богуславского.

«Луна-3» массой 278,5 кг стартовала 4 октября 1959 г. с космодрома Байконур. Конечная масса третьей ступени Е ракеты-носителя с «Луной-3» составляла 1553 кг (масса научной и измерительной аппаратуры с источниками питания – 435 кг). Станция вышла на высокоэллиптическую орбиту ИСЗ высотой в перигее около 40 тыс. км, высотой в апогее 480 тыс. км, наклонением 75º и периодом обращения 22 300 мин (15 сут 11 ч 40 мин). 7 октября «Луна-3» с расстояния 65 200 – 68 400 км от Луны сфотографировала за 40 мин ее обратную сторону (до Земли было около 470 тыс. км). В течение последующих 10 сут «Луна-3» передала серию фотографий на Землю. Съемка производилась с выдержками 1/200, 1/400, 1/600 и 1/800 с. Удалось сфотографировать почти половину поверхности Луны, охватившей 30% видимой стороны (в краевой зоне изображения) и 70% никогда ранее невидимой с Земли стороны. По мере приближения АМС к Земле контрастность принимаемых изображений увеличивалась, их качество улучшалось. В связи с ограниченными энергоресурсами АМС «Луна-3», а также по условиям приема информации с нее, сеансы связи с «Луной-3» проводились, как правило, один раз в сутки. К сожалению, фотографии получились не очень резкими (более четкие изображения этого же района Луны сделала АМС «Зонд-3» только в 1965 г.), однако на них удалось выявить некоторые большие образования. Оказалось, что на обратной стороне Луны преобладают горные районы, морей мало. Неконтрастное изображение объяснялось недостаточной энергетикой радиолинии. С.П. Королёв был недоволен их качеством. Но именно они стали первыми и заслуженно признаны фотографиями века! На их основе в 1960 и 1967 гг. в ГАИШ МГУ выпущен Атлас обратной стороны Луны. Комиссия АН СССР присвоила некоторым образованиям в этом полушарии Луны наименования: Море Москвы с Заливом Астронавтов, Моря мечты и Краевое, кратеры Циолковского, Ломоносова, Жюля Верна, Джордано Бруно. Международный астрономический союз утвердил предложенные названия лунных объектов. Все пленки с изображением лунной поверхности, полученные на приемных комплексах «Енисей-I» и «Енисей-II», были переданы для изучения в Пулковскую обсерваторию. На их основе в 1963 г. в ГАО АН СССР (Пулково) составлена уточненная схематическая карта обратной стороны Луны. В 1966 –1967 гг. в нашей стране по материалам атласа и карты обратной стороны Луны опубликована первая полная карта Луны и создан лунный глобус.

«Луна-3» во время полета по высокоэллиптической околоземной орбите впервые измерила скорость и состав солнечного ветра, определила, что газовая оболочка Земли простирается до 20 тыс. км от Земли, а внешний радиационный пояс – до 57 тыс. км. Связь со станцией поддерживалась до 18 октября 1959 г. «Луна-3» совершила 11 оборотов вокруг Земли. 20 апреля 1960 г. она прекратила существование, войдя в ее плотные слои атмосферы.

Впереди были новые достижения в исследовании Луны с помощью советских и американских автоматических станций.

Литература

1. Маров М.Я., Хантресс У.Т. Советские роботы в Солнечной системе. Технологии и открытия. - 2-е изд. - М.: Физматлит, 2017.

2. Черток Б.Е. Ракеты и люди. Фили – Подлипки – Тюратам. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1999.

3. Ракетно-космическая корпорация «Энергия». 1946 – 1996 / Ред. В.П. Семёнов. - М.: 1996.

4. Покровский Б.А. Лицом к лицу с Луной // Земля и Вселенная. – 1999. - № 6. - С. 32–36.

5. Панов В.Ю. Запуски первых АМС к Луне // Земля и Вселенная. – 2009. - № 4. - С. 72–78.

6. Вершинина Л.П. Работы ОКБ-1 по исследованию Луны. 1954–1964 гг. (К 60-летию первых полетов к Луне). – Киров: 2019.

7. Королёв С.П. и его дело. Свет и тени в истории космонавтики / Под общей редакцией академика Б.В. Раушенбаха, составитель Г.С. Ветров. - М.: Наука, 1998.