Проекты аппаратов для исследования Луны появились в конце 1950-х

Однако решение новой задачи требовало значительно большей энергетики. Чтобы отправиться к нашему естественному спутнику, аппарат должен обладать скоростью порядка второй космической, а это на 40% больше, чем для выведения спутника на околоземную орбиту. Луна не обладает атмосферой, и для мягкой посадки на её поверхность с помощью ракетного двигателя необходимо погасить скорость, с которой искусственное небесное тело приближалось к поверхности естественного. С учётом технологий конца 1950-х годов можно было сказать, что для доставки на лунную поверхность космического аппарата, снабжённого посадочной двигательной установкой, требовалась ракета-носитель, в 1000 и более раз тяжелее этого аппарата. Иными словами, возможности первых миссий за пределы низкой околоземной орбиты были резко ограничены имеющимися средствами запуска, и, соответственно, первые задачи исследования Луны и окололунного пространства возлагались на очень небольшие (даже по меркам первых спутников) автоматические космические аппараты.

Первые задачи исследования Луны и окололунного пространства возлагались на очень небольшие автоматические аппараты.

Следует упомянуть, что в развитых странах (к которым совершенно точно относились тогда как Соединённые Штаты, так и Советский Союз) к этому времени уже были доступны все необходимые технологии. Опираясь на достижения в области приборостроения и электроники, человечество вступало в эру автоматики: электронные счётно-решающие устройства становились всё компактнее и способнее. Они легко и быстро обрабатывали огромные массивы информации, заменяя целые полчища математиков, вооружённых арифмометрами и таблицами логарифмов. Уже работали заводы, на которых машины в массовом порядке производили сложнейшие детали без участия человека. Осталось приспособить робота к условиям космоса и запустить его на ракете!

Инженеры тех лет считали, что, «в принципе, по-видимому, нет большой разницы между машиной, которая работает в заводском цехе без обслуживающего персонала, и той её разновидностью, которая запускается в космическое пространство и, скажем, совершает посадку на Луну». Единственное по-настоящему принципиальное различие состояло, по их мнению, в большом удалении космического аппарата от Земли, что лишало человека-оператора возможности вести непосредственное наблюдение за работой автомата и обеспечивать его безотказную работу. Но эту проблему предполагалось решить как за счет увеличения автономности космических средств, так и за счет создания сети дальней космической связи, позволяющей круглосуточно «держать руку на пульсе» улетевшего аппарата.

Станция в Голдстоуне для приёма сигнала аппаратов из дальнего космоса

Целями первых полётов подальше от Земли были изучение межпланетного пространства, фотосъёмка Луны (в первую очередь её обратной стороны, не видимой с Земли), а также посадка на её поверхность. В зависимости от задач полета выбиралась траектория миссии. Сфотографировать нашу соседку можно было, пролетая мимо либо выйдя на орбиту её искусственного спутника. В первом случае зонд в итоге становился искусственной планетой Солнечной системы и мог решать основную задачу лишь весьма короткое время. Съёмка с орбиты давала возможность получить многочисленные фотографии разных областей лунной поверхности, расположенных по трассе полёта зонда.

Посадку можно выполнять с двух видов траекторий: попадающей и с выходом на окололунную орбиту. Первая обеспечивается пересечением гиперболической траектории полёта аппарата с лунной поверхностью в заданной точке, координаты которой определяются датой пуска ракеты-носителя и обеспечиваются коррекцией направления движения. Такая траектория даёт возможность сесть лишь на видимой стороне Луны, предъявляя при этом весьма жёсткие требования к точности измерения высоты над лунной поверхностью и возможностям тормозной двигательной установки, поскольку аппарат приближается к цели со скоростью, близкой к местной второй космической.

Варианты траектории облёта Луны и выхода на окололунную орбиту

Устранить эти недостатки можно предварительным выходом на окололунную орбиту, с которой зонд способен совершить посадку в любой точке подспутниковой трассы. Для выхода на орбиту требуется выполнить манёвр торможения при подлёте к Луне. Для решения этой задачи нужен тормозной блок многократного включения...

Космические аппараты, предназначенные для посадки на Луну (всё равно с какой траектории), должны иметь тормозной ракетный двигатель, высотомер для выбора момента включения последнего, а также систему, обеспечивающую и удерживающую нужную ориентацию вектора работы двигателя.

Поскольку ни двигатели, ни автоматика конца 1950-х – начала 1960-х годов не имели необходимой точности, разработчикам приходилось закладывать довольно большие запасы. В частности, при ошибке в момент включения двигателя аппарат мог затормозиться до нуля значительно раньше достижения поверхности или же, наоборот, не успеть погасить скорость и врезаться в Луну с ещё работающим двигателем. Проектанты предпочли выдержать зазор «в плюс»: пусть лучше торможение закончится на некоторой высоте – оставшуюся скорость, которую аппарат наберёт при падении с этой высоты, можно будет погасить амортизатором. Для поглощения удара при жёстком прилунении NASA предложило применить нечто типа автомобильной подушки безопасности, наполненной газом. Задача состояла в том, чтобы обеспечить разрыв подушки в тот момент, когда аппарат касается поверхности, и таким образом избежать резких толчков и случайного повреждения приборов.

Один из возможных способов управления при посадке на Луну

⇡#Часть 2. Предпосылки

Иными словами, технологии для выполнения первых лунных миссий уже имелись, пусть не до конца «вызревшие». Катализатором, позволившим реализовать замыслы учёных и инженеров, стал дух соревнования советской и американской систем мироустройства: политики увидели в космонавтике мощный инструмент для изменения престижа своих государств в глазах «международной общественности».

Политики самого высокого ранга видели в космонавтике инструмент для изменения престижа своей страны

В октябре 1957 года Америка упустила первенство и была намерена приложить все силы, чтобы отыграться. Через месяц после потрясшего весь мир запуск первого спутника Соединённые Штаты решили эффектно превзойти достижение Советов: до начала 1958 года команды специалистов Вернера фон Брауна от Сухопутных войск (Армии США) и Джонса Хопкинса от Военно-морского флота (ВМФ) должны были доставить в космос первый американский сателлит. В то же время компании Douglas, Convair, Martin, North American, Lockheed и Лаборатория реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института предлагали закончить объявленный на весь мир Международный геофизический год ещё одним спутником, но вывести его не на околоземную, а на окололунную орбиту!

Первая американская лунная программа, одобренная на самом высоком уровне в марте 1958 года, предусматривала изучение Луны и окололунного пространства автоматическими приборами с пролётной траектории и селеноцентрической орбиты. Инженеры считали главной задачей отработку бортовых систем первых ракет и космических аппаратов, а политики ставили целью возвратить Соединённым Штатам статус технологической сверхдержавы, пошатнувшийся после запуска Советским Союзом первого спутника.

После запуска первого спутника Америке необходимо было вернуть статус технологической сверхдержавы

Увы, несмотря на титаническую работу, использование новейшей, самой прогрессивной техники и технологии (а также звучных имён, таких как Juno («Юнона»), Pioneer («Первопроходец») и Atlas-Able («Способный Атлант»)), первые американские аппараты не смогли выполнить даже малой части поставленных перед ними задач. Первая серия лунной гонки закончилась вторым после спутника поражением Штатов: ни один из восьми запущенных американских зондов не проявил себя в полной мере, тогда как советская «Луна-2» в сентябре 1959 года достигла лунной поверхности, а «Луна-3» менее чем через месяц передала вожделенные снимки Dark Side of the Moon.

Советская станция «Луна-3» сфотографировала «затылок» нашего естественного спутника

Справедливости ради надо отметить, что провалы первых дальних миссии (как открыто обсуждаемых американских, так и тщательно скрываемых – до поры до времени – советских) автоматических аппаратов были связаны в большей степени с низкой надёжностью ракет-носителей. В этом нет ничего удивительного – становление и отработка средств выведения как раз и проводились на запусках первых спутников и зондов. Что касается американских аппаратов для покорения Луны, то на данном этапе они были слишком примитивны и несовершенны, но смогли «попробовать космос на зубок», выявить особенности работы систем и механизмов на большом удалении от материнской планеты и даже получить некоторые научные данные (в частности, о радиации и микрометеоритах на трассе полёта к Луне). Самым важным итогом ранних этапов лунной программы стала закладка школы проектирования и постройки межпланетных зондов, отработка элементов конструкции и системы аппаратов с большим ресурсом, а также накопление бесценного опыта, который лёг в фундамент последующих – гораздо более успешных – программ.

Носители первых лет космической эры представляли собой комбинацию летавших и нелетавших ракет (на фото – Atlas-Able при запуске зонда Pioneer P-3)

Национальное управление по аэронавтике и исследованиям космического пространства NASA (National Aeronautics and Space Administration), учреждённое летом 1958 года и к декабрю взявшее на себя руководство всеми невоенными космическими проектами, поручило лаборатории JPL составить планы по продолжению исследований Луны на период с 1961 по 1962 год. В начале 1959 года шла проработка аппарата для лунных и планетных миссий, запускаемого новым носителем Atlas-Vega.

Оснащение существующих межконтинентальных боевых ракет специально разработанными верхними ступенями, способными включать свой двигатель в космосе, существенно расширяло энергетические возможности по сравнению с «прямым» выведением, использованным для первых «Пионеров». В новой схеме полёта модифицированный Atlas D со второй ступенью Vega (сделана на базе двигателя первой ступени печальной известной ракеты Vanguard) сначала выходит на временную («парковочную») орбиту вокруг Земли. Затем осуществляется фазирование для обеспечения оптимального момента старта, после чего в заданное время включается третья ступень (специальный жидкостный разгонный блок), обеспечивая точное выведение полезной нагрузки на траекторию отлёта. Такая схема имеет значительные преимущества по сравнению с «прямым» выведением, многократно расширяя «окно запуска» и значительно увеличивая массу аппарата, уходящего к цели.

Схема трёхступенчатого варианта ракеты-носителя Atlas-Vega

В мае NASA узнало, что ВВС уже давно разрабатывает для «Атласа» свою верхнюю ступень Agena с двигателем, который мог повторно включаться в космосе. Для реализации этого варианта не нужна была переделка исходного «Атласа» и требовалось создание всего одной новой ступени вместо двух у носителя Atlas-Vega. При этом предполагалась отправка к Луне почти такой же полезной нагрузки. Весь год, пытаясь «усидеть на двух стульях», NASA продолжало разработку космического аппарата под первый вариант ракеты, но в декабре натолкнулось на непреодолимые требования экономии бюджета и отменило разработку Vega как дублирующую функции ступени Agena, которая могла быть доступна в самое ближайшее время.

Эволюция верхних ступеней Agena

К концу января 1960 года новый лунный проект лаборатории JPL, получивший название Ranger, был готов. Переход на носитель, создаваемый под нужды ВВС, заставил серьёзно переосмыслить его цели. Первоначально предполагалось сделать универсальную платформу, которую можно будет оснащать различными наборами инструментов для решения широкого спектра научных задач. Все аппараты типа Ranger должны были иметь сходную базовую конструкцию, но различаться по составу оборудования и назначению. Однако разработчики ракеты с самого начала стали вносить изменения, направленные на реализацию требований двух заказчиков (NASA и ВВС) и напрямую влияющие на характеристики космического аппарата.

Схема управления по трём осям и зонд под носитель Atlas-Vega

Ограничения, связанные с несколько меньшей энергетикой комплекса Atlas-Agena, заставили сначала снизить предельную массу зонда с 476 до 360 кг, а затем одну за одной отменять научные цели программы. В результате за зондом оставили одну основную задачу – достижение Луны и высадку на её поверхность контейнера с приборами. В качестве вспомогательных задач предусматривалось закончить то, что не сделали первые «Пионеры», – изучать радиационную и микрометеоритную обстановку на трассе полёта, а также получить изображения Луны с близкого расстояния. Реализовать программу предполагалось в несколько этапов.

⇡#Часть 3. Надежды

Первые два аппарата (серия Block I) представляли собой прототипы зондов, запускаемые на очень вытянутую (один оборот – два месяца) околоземную орбиту для испытаний ракеты-носителя и проверки систем в условиях дальнего космоса. Предполагалось, что космические аппараты не только будут предтечей целевого «Рейнджера», но и дадут опыт, необходимый при разработке станций Mariner А и B, предназначенных для изучения планет Венеры и Марса соответственно.

Изменения расчетной орбиты Ranger Block 1 со временем

Конструкция Ranger Block I состояла из магниевой рамы в форме объёмной шестигранной призмы, на грани которой навешивались коробки со служебными системами, бортовым компьютером и программно-временным устройством. Для снижения массы разработчики отказались от громоздких гермокорпусов с вентиляторами и сложным многоконтурным терморегулированием – в отличие от советских спутников и первых лунных станций вся аппаратура сразу должна была работать в вакууме.

К основанию рамы крепились две откидные панели солнечных батарей размахом 5,2 м. У первых «Рейнджеров» они были трапециевидными и содержали в общей сложности 8680 кремниевых фотоэлементов, отдающих до 210 Вт, – от них электроника снабжалась энергией напрямую. В качестве дублирующего источника тока стояла огромная батарея серебряно-цинковых элементов, способная обеспечить двухсуточную работу зонда в случае выхода из строя «солнечников». Там же, на основании рамы, находился рычаг чашеобразной остронаправленной антенны диаметром 1,22 м. Связь с Землёй обеспечивали два радиопередатчика – большой (3 Вт) и малой (0,25 Вт) мощности.

Размещение приборных отсеков на раме и устройство типичного модуля радиоэлектроники

Положение зонда в пространстве определяла система, включающая шесть датчиков Солнца, два датчика Земли и три гироскопа. Её данные сравнивались с паттернами, заложенными в бортовое программно-временное устройство, уточнялись командами наземных операторов и шли на органы управления – десять реактивных сопел, потребляющие сжатый азот из трёх сферических баллонов. Большую часть времени аппарат смотрел солнечными батареями на светило; остронаправленная антенна имела приводы и могла отслеживать Землю. Однако в отдельных случаях ориентацию приходилось менять. Двигателя, способного корректировать траекторию полёта, первые «Рейнджеры» не имели.

В передней части рамы стояла стержневая ферма из алюминиевых трубок, заканчивающаяся всенаправленной антенной с низким коэффициентом усиления. Она дублировала основную антенну, которую в полёте мог затенять корпус зонда. Основной задачей первых миссий была отработка конструкции и систем, а также проведение инженерных тестов, касающихся трения в вакууме и определения характеристик солнечных батарей. Кроме того, в течение ожидаемого полугода работы зонда предполагалось собрать данные о радиации в космическом пространстве, особенно о солнечном корпускулярном излучении и факторах, влияющих на это излучение, а также о космической пыли, магнитных и электрических полях.

Делегация представителей Калифорнийского технологического института осматривает участок сборки аппаратов Ranger Block I

В создании научной аппаратуры «Рейнджера» участвовали Центр космических полётов имени Годдарда (NASA), Калифорнийский технологический институт, Научно-исследовательская лаборатория ВМС и Лаборатория реактивного движения JPL. Приборы и инструменты устанавливались как на основной раме, так и на передней ферме. Некоторые работали от независимых химических источников тока.

К лету 1961 года были готовы первый Ranger и его ракета-носитель. Пусковая кампания на мысе Канаверал началась 26 июля, но первую попытку запуска удалось провести только 29 июля. Увы, её прервали за несколько минут до старта из-за сбоя электропитания. В следующие три дня были предприняты ещё три попытки. Последняя, четвёртая, вообще закончилась плохо: 1 августа при обратном отсчёте из-за скачка напряжения, возникшего во время проверки научных приборов зонда, случайно включился таймер: взорвавшиеся пироболты раскрыли панели солнечных батарей внутри головного обтекателя… аппарат вернули в ангар, по-быстрому восстановили, исправив все выявленные ошибки.

С 22 августа всё повторилось. Наконец, утром 26 августа 1961 года Ranger 1 стартовал и вышел на идеальную парковочную орбиту высотой 174 × 280 км.

Старт ракеты-носителя Atlas-Agena B с космическим аппаратом Ranger I

После тридцатиминутного пассивного полёта верхняя ступень Agena B должна была на 90 секунд включить двигатель и перевести зонд на очень вытянутую эллиптическую орбиту. Но из-за неисправной схемы управления клапаном (по-видимому, перегрелась в космосе) состоялось лишь очень короткое включение. Апогей орбиты вырос, но всего до 500 км... Ranger 1 отделился от замолкнувшей ступени, послушно раскрыл панели солнечных батарей и сориентировался на Солнце.

Полугодовой эксперимент с залётом в дальний космос сорвался, но специалисты предприняли проверку систем. Хотя зонд и не предназначался для работы на низкой орбите с девяностоминутным циклом смены дня и ночи, борт функционировал: каждый раз, когда аппарат заходил в тень Земли, струи азота пытались развернуть его в безумной попытке сориентировать на несуществующее Солнце. Датчики находили его только после выхода из тени, и ориентация восстанавливалась. Во время таких рывков Ranger исчерпал запас сжатого газа системы ориентации, уже через сутки потерял управление и начал беспорядочно кувыркаться.

Устройство и установка Ranger Block I под головной обтекатель

Перемещаясь по нисходящей спирали, зонд завяз в атмосфере, сошёл с орбиты и сгорел над Мексиканским заливом 30 августа. Во время своей короткой жизни Ranger 1 показал, что может ориентироваться по трём осям, а также собрал некоторое количество данных о радиации и космических лучах, однако из-за близкого соседства с Землёй не работал магнитометр…

Поскольку первая миссия закончилась преждевременно, специалистам пришлось ускорить подготовку второй. Мучительные проверки ракеты-носителя, выявляющие одну неисправность за другой, проходили с 20 по 28 октября. Наконец, техники наткнулись на такой глюк, исправление которого требовало больше времени: запуск перенесли на середину ноября.

Модель Ranger Block I

Старт состоялся 18 ноября 1961 года. Первое включение двигателя верхней ступени прошло удачно, и система вышла на парковочную орбиту высотой 153 × 235 км. Второе включение смазалось – на этот раз Agena закрутилась по каналу крена из-за неисправности соответствующего гироскопа (по-видимому, её не заметили при запуске). Центробежные силы отжали топливо к внешним краям баков от питающих трубопроводов — когда была дана команда на повторное включение, двигатель коротко рыкнул на компонентах, оставшихся в турбонасосе, и замолк. Ranger 2 застрял на быстро снижающейся орбите. Американские инженеры наступили на те же грабли, что их советские коллеги, когда обнаружили, что реализовать возможность повторного запуска двигателя верхней ступени на орбите нелегко.

В этот раз никакие испытания в космосе не предпринимались, и Ranger 2 сгорел в атмосфере всего через шесть часов после старта.

Хотя оба аппарата серии Block I никуда дальше низкой околоземной орбиты не улетели, они дали достаточно технической информацией для проверки базовой конструкции зонда. Было установлено, что основные проблемы – в ракете Atlas-Agena B и их надо решить до запуска остальных миссий.

Сборка ступеней Agen