Масса искусственного спутника луны

Наше время так насыщено крупными научными открытиями и разнообразными доказательствами поистине безбрежного могущества техники, что мы, пожалуй, утратили в какой-то мере способность удивляться очередным научно-техническим чудесам.

Мы уже считаем само собой разумеющимся запуск очередного спутника серии «Космос». Никто не изумляется, услышав, как телефонистка Центрального телеграфа в Москве профессионально-ровным голосом приглашает очередного абонента в кабину, поясняя: «Будете говорить с Владивостоком через спутник связи «Молния». И все же бывают космические старты, новизна запуска и сложность исполнения которых не может не поразить наше воображение. Именно таким является наш новый шаг в реализации программы изучения Луны — полет автоматической станции «Луна-10», подаривший ночному светилу первый в мире рукотворный спутник.

Прежде чем начать рассказ о первом искусственном спутнике Луны, полезно беглым взглядом окинуть путь, пройденный нашей космической наукой и техникой за шесть лет штурма лунных секретов.

Наступление на Луну началось после того, как был накоплен достаточный опыт запусков искусственных спутников Земли. Прежде чем отправляться в дальнюю дорогу, надо было выяснить, как работает бортовая аппаратура космических лабораторий в условиях невесомости, глубокого вакуума и излучений, пронизывающих пространство за пределами атмосферы. Надо было удостовериться в том, что радиотехнические средства способны надежно обеспечивать дальнюю двустороннюю связь и управление на расстояниях в десятки и сотни тысяч километров. Наконец, для того, чтобы отправить научные приборы за пределы окрестностей Земли, надо было от освоенных рубежей первой космической скорости совершить прыжок ко второй космической скорости порядка 11 километров в секунду. Значит, нужны были достаточно мощные ракеты-носители.

2 января 1959 года в сторону Луны отправилась первая советская автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-1». Она прошла вблизи Луны, примерно в 6 тысячах километров, и, выйдя на околосолнечную орбиту, стала искусственной планетой.

В этом полете впервые в истории науки было начато непосредственное изучение межпланетной среды, корпускулярных потоков, испускаемых Солнцем, космических излучений в их первозданном виде, не искаженном толщей атмосферы Земли. Для того, чтобы с помощью оптических телескопов можно было проверить, насколько точно радиосредства позволяют следить за фактической траекторией полета, с борта ракеты было выпущено на достаточном удалении от Земли ярко светящееся натриевое облако.

12 сентября 1959 года была запущена вторая АМС — «Луна-2». Она доставила на поверхность естественного спутника Земли вымпел с Гербом Советского Союза. Это был первый перелет на другое космическое тело. В полете было положено начало экспериментальным исследованиям магнитных свойств Луны. Магнитометр, установленный на борту «Луны-2», показал, что напряженность магнитного поля Луны, если оно есть вообще, по крайней мере в тысячу раз меньше, чем напряженность земного магнитного поля.

Меньше чем через месяц — 4 октября 1959 года — третья космическая ракета вывела автоматическую станцию «Луна-3» на траекторию, огибающую Луну. В этом полете, который и сегодня поражает нас сложностью программы, решалась совершенно новая для космической техники задача — фотографирование обратной стороны Луны и передача полученных изображений на Землю. Здесь многое выполнялось впервые. Пролетая мимо Луны, станция «Луна-3» должна была прекратить произвольное вращение вокруг центра тяжести и сохранить строго определенное положение относительно Луны на протяжении всех 2400 секунд, пока шло фотографирование. Иначе кадры получились бы такими же, как у репортера, который пытался снимать пейзаж, летя кувырком с горы.

Для решения этой задачи была создана система ориентации станции по небесным светилам, состоявшая из электронно-оптических датчиков направления, исполнительных микродвигателей, разворачивавших станцию в нужных направлениях, и система стабилизации.

После того, как объективы станции неподвижно уставились на невиданную доселе поверхность обратной стороны Луны, в действие вступил полностью автоматизированный блок фототелевизионной аппаратуры. Определение экспозиции по освещенности поверхности, перемотка пленки кадр за кадром, обработка отснятой пленки в миниатюрной бортовой фотолаборатории — все это выполняли автоматы. Условия космоса, открытого для потоков первичных космических лучей, потребовали от создателей станции специальных мер для надежной защиты драгоценной пленки от «засвечивания» излучениями. После окончания работы небывалого «фотоателье» по команде с Земли вступила в действие «космическая телестудия», передавшая на Землю уникальные изображения, которые были названы в газетах «фотографиями века».

Первые три космических полета к Луне, проведенные в 1959 году, решали различные задачи. Однако есть у них и принципиальная общность. Все три станции выводились на траекторию движения к цели непосредственно с Земли, без промежуточного старта с околоземной орбиты. Не было и коррекции траектории в полете. В общем, станции летали так же, как когда-то герои фантастического романа Жюля Верна «Из пушки на Луну», с той лишь разницей, что роль пушки выполняла мощная многоступенчатая ракета-носитель.

При таком методе запуска выводить станцию на расчетную траекторию очень сложно. Нужно с точностью до секунды включать стартовые двигатели ракеты-носителя и обеспечить высочайшую точность выполнения программы работы всех ступеней и управляющих устройств на участке разгона, чтобы к моменту выключения двигателей величина и направление скорости движения станции строго соответствовали расчетным. Превышение или недобор скорости на несколько метров в секунду (и это при скорости более 10000 метров в секунду), отклонение от заданного направления всего на 1-2 градуса могли привести к колоссальному промаху при полете к такой дальней цели, как Луна.

Кроме того, чтобы уменьшить возможность накопления ошибки в скорости и направлении полета, приходилось выбирать далеко не самую выгодную продолжительность полета до Луны. Для первой и второй космических ракет она равнялась примерно полутора суткам, для третьей — немногим превышала двое суток. Между тем расчеты показывали, что наивыгоднейшая с точки зрения затрат топлива продолжительность путешествия к Луне — примерно трое с половиной суток. Начальная скорость свободного полета последней ступени при этом поменьше, а значит, и топлива на разгон приходится тратить не так много. А за счет сэкономленного веса топлива станцию можно загрузить дополнительной научной аппаратурой и, следовательно, получить больше различной информации за время полета.

Словом, выигрыш прямой. Но, как всегда, у всякой медали есть и оборотная сторона. Чем продолжительнее полет, тем дольше идет накопление различных неизбежных ошибок в скорости и направлении движения станции. Чтобы исправить их, нужен корректирующий двигатель на борту автоматической станции. И если выбрать слишком медлительный маршрут, то расход топлива на коррекцию съест всю экономию, полученную во время разгона ракеты на начальном участке полета.

Наиболее подходящим методом реализации полетов по наивыгоднейшим траекториям к Луне (как, впрочем, и к другим небесным телам — Марсу, Венере) является старт космической ракеты не с наземного космодрома, а с околоземной орбиты. Мощная ракета-носитель выводит автоматическую станцию вместе с разгонным ракетным блоком — проще говоря, космическую ракету — на орбиту спутника Земли. Затем она некоторое время движется по орбите, причем система стабилизации удерживает ракету в нужном положении (надо, чтобы сопла двигательной установки были направлены назад по ходу движения, иначе может оказаться, что, включив двигатели, мы затормозим станцию, вместо того чтобы разгонять ее, и она вернется на Землю, вернее, сгорит в плотных слоях атмосферы). В заранее рассчитанной точке орбиты с Земли подается команда на включение разгонного блока, и межпланетная лаборатория плавно взмывает с орбиты по направлению к цели.

Именно так стартовали все последующие автоматические станции. Коррекция траектории в ходе полета после промежуточного старта проводилась начиная со станции «Луна-5». В ходе этих экспериментов отрабатывались системы астроориентации по Солнцу, Луне и Земле, системы управления полетом, системы терморегулирования, накапливались данные, нужные для создания надежной системы мягкой посадки.

Этот цикл запусков увенчался триумфом автоматической станции «Луна-9», которая мягко опустилась на поверхность естественного спутника Земли и передала оттуда круговую панораму лунного ландшафта.

С помощью подобных лабораторий можно провести исследование грунта, тщательно измерить напряженность магнитного поля и выяснить радиационную обстановку на поверхности небесного тела, узнать, есть ли там хотя бы простейшие формы жизни, установить химический состав атмосферы, выполнить целый ряд других исследований. Но эти исследования дадут нам представление лишь о небольшом участочке поверхности небесного тела. Цельной картины физических и иных характеристик с помощью таких станций не получишь. Для «глобального» обследования, скажем, Луны и процессов, разыгрывающихся в ее окрестностях, нужны научные станции, выведенные на окололунные орбиты. Вот почему в советской программе изучения Луны было предусмотрено создание искусственного спутника Луны.

Таким спутником впервые в мире стала автоматическая станция «Луна-10», запущенная в дни работы XXIII съезда КПСС.

В полете автоматической станции «Луна-10» много общего с полетом ее предшественницы — «Луны-9». Первые два этапа: выведение на промежуточную околоземную орбиту и старт с нее к Луне — в обоих пусках были одинаковы. Дальше начались существенные отличия. В полете «Луны-9» коррекция производилась для того, чтобы обеспечить попадание станции в Луну, а траекторию «Луны-10» надо было подправить так, чтобы она прошла через определенную точку окололунного пространства, удаленную от поверхности Луны на расстояние около 1000 километров. Различались и заключительные этапы полета. В первом случае нужно было так выбрать момент включения и продолжительность работы тормозного двигателя, чтобы уменьшить скорость космического аппарата в момент прилунения практически до нуля. Это достаточно сложная задача, особенно если учесть, что скорость станции «Луна-9» перед торможением была больше 2,5 километра в секунду.

В полете «Луны-10» решалась другая, не менее сложная задача. Нужно было снизить скорость станции ровно настолько, чтобы она стала искусственным спутником Луны. Даже незначительные отклонения в выполнении сложного маневра торможения сильно изменили бы характер окололунной орбиты спутника. А это могло существенно осложнить выполнение научной программы. Дело в том, что орбита спутника выбиралась с учетом целого ряда требований, подчас трудно совместимых друг с другом.

Во-первых, нужно было обеспечить достаточно длительное существование спутника. Продолжительность жизни околоземного спутника определяется в основном его торможением в атмосфере планеты. У Луны атмосферы нет, и, следовательно, спутник движется, практически не испытывая сопротивления. Но там вступают в силу другие факторы. Спутник, в частности, «стягивается» с первоначальной окололунной орбиты полем земного притяжения. Кроме того, перед полетом ученые не располагали достаточно подробными сведениями о поле тяготения самой Луны. Надо было учитыватъ, что распределение массы Луны в ее недрах может оказаться неоднородным, что Луна может несколько отличаться по форме от шара. А такие отклонения неизбежно сказываются на изменении орбиты.

Эволюция орбиты в результате может привести либо к падению спутника на Луну, либо к отходу его на устойчивую, но очень отдаленную от поверхности Луны орбиту. Разумеется, начальную орбиту надо было выбрать так, чтобы отдалить финал в обоих его вариантах.

Надо было учесть и другое важное обстоятельство.

Для нормальной работы оборудования и научных приборов спутника внутри контейнера необходимо поддерживать заданный тепловой режим, иначе говоря, умеренную температуру. Между тем многочисленные приборы выделяют значительное количество тепла. Снаружи спутник нагревается за счет теплового излучения Луны и Солнца. На «Луне-10» предусмотрена система терморегулирования, использующая отвод тепла от приборов к оболочке за счет циркуляции газа, заполняющего контейнер. Стенки контейнера излучают лишнее тепло в окружающее пространство. Это было достигнуто соответствующим подбором покрытий внешней поверхности спутника. Однако эта система может отвести в окружающее пространство лишь определенное количество тепла. Если бы спутник, летящий по орбите, слишком близко подходил к пышущей жаром поверхности Луны (не надо забывать, что во время лунного дня она разогревается до 120 градусов), это неизбежно привело бы к перегреву аппаратуры и выходу ее из строя.

Таким образом, казалось бы, чем дальше орбита пролегает от поверхности Луны, тем лучше. Однако целый ряд научных исследований Луны и окололунного пространства надо проводить на различных удалениях, в том числе и достаточно близко от поверхности. Весь комплекс разноречивых требований удается выполнить, если заставить спутник вращаться по эллиптической орбите. В периселении (это то же самое, что для околоземной орбиты перигей — точка, самая близкая к центру массы планеты) он подходит достаточно близко к Луне, а затем, двигаясь к апоселению, проходит через различно удаленные от нее точки окололунного пространства. Именно такая орбита и была выбрана для «Луны-10». Как же совершался переход станции на эту орбиту?

Характерной особенностью траекторий всех лунников является то, что при движении в сфере действия Луны они описывают в пространстве гиперболу.

Как известно, сферой действия небесного тела называется та часть пространства, где сила притяжения данного небесного тела превышает все остальные. Размеры ее зависят от массы небесного тела. Масса Луны значительно меньше массы Земли и составляет всего 1/81,3 земной, поэтому сфера действия Луны (ее радиус равен примерно 66000 километров) находится внутри сферы действия Земли (ее радиус равен примерно 930000 километров). Напомним, что среднее расстояние между Луной и Землей — около 384000 километров.

Сейчас почти всем знакомы понятия первой и второй космической скорости. Как известно, для Земли эти скорости соответственно равны 7,91 и 11,2 километра в секунду. Однако эти скорости не есть что-то постоянное для всех небесных тел, их величина определяется силой, с которой то или иное небесное тело притягивает другие тела. При этом надо учитывать, что с увеличением расстояния от притягивающего тела гравитационные силы уменьшаются.

Рассмотрим понятия первой и второй космической скорости для Луны. Ее гравитационное поле значительно меньше земного, поэтому и космические скорости меньше соответствующих земных. Так, например, значения этих скоростей на границе сферы действия Луны (иначе говоря, в 66000 километров от центра Луны) соответственно равны 0,272 и 0,383 километра в секунду.

Когда космический аппарат стартует к Луне с околоземной орбиты, то скорость его доводится до величины порядка 11 километров в секунду. При скорости меньше 10,8 километра в секунду аппарат вообще не сможет достигнуть Луны и станет спутником Земли.

Имея скорость в момент старта около 11 км/сек., аппарат подходит к сфере действия Луны со скоростью около 1 километра в секунду относительно Луны. Это значительно превышает вторую космическую скорость для Луны в данной точке пространства. Поэтому дальше аппарат движется по гиперболической пролетной траектории, при этом он разгоняется силами лунного притяжения, и в момент прохождения вершины гиперболы (это точка пролетной траектории, минимально удаленная от поверхности Луны) скорость его по-прежнему превышает вторую космическую.

При полете станции «Луна-10» указанная точка траектории была удалена почти на 1000 километров от поверхности. Скорость станции в момент ее прохождения этой точки была около 2,1 километра в секунду, а вторая космическая для этой точки равна 1,59 километра в секунду. Из сравнения этих цифр видно, что Луна не могла захватить аппарат и превратить его в спутник: слишком велика была скорость станции. Поэтому перевести ее на орбиту спутника Луны можно было только с помощью тормозного двигателя. Направление и величина тормозного импульса, время включения двигателя были рассчитаны на Земле и переданы на борт станции. Подчиняясь этим командам, «Луна-10» заблаговременно, за 8000 километров от поверхности, развернулась соплом двигателя по направлению на центр Луны. Разворот совершался относительно опорных направлений на Землю, Луну и Солнце, которые были найдены системой астроориентации. Система стабилизации обеспечивала сохранение этого направления на протяжении полутора часов до включения двигателя. Благодаря этому тяга тормозного двигателя оказалась направленной точно против движения. Скорость станции уменьшилась до 1,25 километра в секунду, и она перешла на орбиту спутника, очень близкую к расчетной.

Диапазон исследований, которые проводятся автоматической станцией «Луна-10», очень широк и позволяет получить ответ на многочисленные вопросы, касающиеся нашего естественного спутника. Причем на такие, на которые нельзя ответить, используя традиционные, наземные методы изучения небесных тел. Только спутник Луны может изучить плотность метеорных потоков, корпускулярную радиацию, магнитное поле около Луны. Только спутник может ответить на вопрос, какова форма Луны и насколько ее гравитационное поле отличается от сферически симметричного.

Объем научной информации, полученной со спутника Луны, огромен, поэтому говорить о каких-то окончательных результатах исследований пока рано: они будут сформулированы после тщательной обработки, изучения и систематизации всей информации. Но уже первые, предварительные данные говорят о том, что вклад в науку, в изучение физических свойств Луны и окололунного космического пространства сделан значительный. Вот некоторые из этих результатов.

Чувствительный магнитометр, установленный на станции «Луна-10», позволил более точно оценить величину напряженности магнитного поля в окрестности Луны. Измерения показали, что напряженность магнитного поля находилась в пределах 15-30 гамм и мало менялась в различных точках орбиты. Эти значения несколько превышают уровень магнитных полей в свободном межпланетном пространстве в магнито-спокойное время. Однако пока еще нельзя утверждать, что у Луны есть собственное магнитное поле, так как при измерениях могло сказаться влияние магнитного хвоста Земли, который образуется в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. Если магнитный хвост Земли простирается до Луны, то во время первых измерений станция «Луна-10» находилась внутри него. В дальнейшем Луна выйдет из области магнитного хвоста. Измерения вне этой области позволят решить вопрос о наличии у Луны магнитного поля, что, в свою очередь, прольет свет на внутреннее строение Луны.

Первые результаты измерений, выполненных при помощи ловушек заряженных частиц, позволяют сделать предварительный вывод о том, что на участке полета между Землей и Луной и на орбите спутника Луны были зарегистрированы потоки как отрицательных, так и положительных частиц.

Счетчики космического излучения регистрировали космический фон между Землей и Луной, который был несколько повышен (5 частиц на квадратный сантиметр в секунду). На орбите вокруг Луны получены данные, которые можно трактовать следующим образом: выход Луны из зоны, являющейся предполагаемым продолжением «хвоста» земной магнитосферы, сопровождается значительным возрастанием потоков положительно заряженных ионов. Это обстоятельство говорит в пользу предположения о том, что «хвост» земной магнитосферы простирается до орбиты Луны.

Что касается радиационного пояса Луны, то уже по первым данным можно сделать вывод, что если такой пояс и существует, то интенсивность его по крайней мере в 100000 раз меньше, чем в радиационных поясах Земли.

Исследования метеорной обстановки около Луны проводятся с помощью пьезоэлектрических датчиков, укрепленных на оболочке станции. Площадь, чувствительная к ударам метеорных частиц, составляет около квадратного метра. Предварительные результаты говорят о том, что в окололунном пространстве концентрация метеорного вещества примерно в 100 раз больше, чем в межпланетном пространстве.

Автоматическая станция «Луна-10» передала спектры гамма-излучения, полученные над различными районами лунной поверхности. При этом обнаружена повышенная интенсивность гамма-излучения, обусловленного главным образом взаимодействием космических лучей с поверхностным слоем лунного вещества. Первые данные говорят о том, что уровень естественного радиоактивного излучения лунных пород, связанный с радиоактивностью урана, тория и калия, при сравнении с аналогичной радиоактивностью горных пород приближается к радиоактивности основных пород — базальтов.

Получены и обрабатываются первые данные по тепловому излучению и флюоресцентному излучению лунной поверхности, полученные с помощью инфракрасного датчика.

Даже этот короткий перечень исследований показывает, какие огромные возможности открывают перед наукой искусственные спутники Луны, а в дальнейшем, возможно, и других небесных тел.

Арсенал науки, изучающей Вселенную, пополнился еще одним мощным инструментом.

Источник