Приключения космического робота

Для удержания температуры аппаратуры в приемлемых пределах зазор между стенками сферы заполнялся водой. Предполагалось, что во время лунного дня солнечные лучи разогреют поверхность сферы, температура внутри контейнера поднимется выше 30° C (86° F) и вода начнёт кипеть (всё-таки на Луне – почти вакуум), забирая избыток тепла. Во время холодной лунной ночи нагретая вода (плюс тепло, выделяемое электроникой) будет держать внутреннюю температуру выше нуля.

Перед отделением «лэндера» Ranger должен был передать изображения приближения космического аппарата к поверхности. Телекамера, построенная фирмой Radio Corporation of America (RCA) с объективом (фокусное расстояние 102 мм) разработки JPL могла снять более 150 кадров (развёртка – двести строк, примерно 40% от стандарта американских телепередач той эпохи).

24\43

Для того чтобы свести к минимуму шансы земных организмов выжить на Луне (имелись определённые опасения), весь зонд стерилизовался – сначала прогревом компонентов в течение 24 ч при 125° C, а затем и протиркой всех частей этиловым спиртом перед общей сборкой. В конце концов Ranger помещали в насыщенную газообразным оксидом этилена атмосферу, которую создавали в течение суток внутри головного обтекателя ракеты.

Особую проблему представлял выбор пускового окна. Во-первых, длительность перелёта к Луне ограничили 66 часами, чтобы максимально увеличить время, в которое зонд находился в зоне видимости антенны слежения в Голдстоуне – эта станция в штате Калифорния была наиболее чувствительным элементом сети дальней космической связи, созданной NASA к тому времени. Во-вторых, из-за требований по получению изображений на фоне небесных ориентиров посадка могла иметь место только на видимой стороне, да и то в строго определённые фазы Луны (в последней четверти). Наконец, требовалось, чтобы антенна посадочной капсулы смотрела на Землю, для чего последняя не должна была уходить из «воронки» со створом более 45° от центра лунного диска. Все эти пределы ограничивали место посадки «лэндера» близ лунного экватора в восточной части Океана Бурь.

25\43

Схема запуска в целом повторяла старт Ranger Block I, но с более строгими требованиями к параметрам повторного включения ступени Agena B. Предполагалось, что через 5 минут после отделения от ракеты зонд раскроет панели солнечных батарей, остронаправленную антенну и начнёт поиск Солнца для построения первичной ориентации. После получения информации о своём положении в пространстве космический аппарат перейдёт с аккумуляторов на солнечные элементы и начнёт медленно вращаться, пока антенна не захватит Землю. Это произойдёт примерно через четыре часа после запуска.

Если потребуется коррекция траектории, Ranger мог включить свой двигатель примерно через 15 часов после запуска, находясь на расстоянии 146 тысяч км от Земли.

26\43

При подлёте к Луне начинался терминальный манёвр спуска. Зонд переходит на питание от аккумуляторов и поворачивается «дном» по направлению к Луне. После того, как остронаправленная антенна захватит Землю, начнётся телесъёмка. Изображения должны передаваться каждые 13 секунд, начиная примерно с высоты 3900 км и до момента падения на поверхность. На последнем кадре, снятом с высоты 24 км, разработчики рассчитывали разглядеть объекты поперечником до 3 м.

За 8,1 секунды до столкновения с поверхностью Луны радиовысотомер должен был выдать сигнал о прохождении высоты 21,4 км. В этот момент пироболты отделяют посадочную капсулу от зонда, включается двигатель закрутки, придавая капсуле вращение с частотой 300 об/мин. Затем включается тормозная двигательная установка, которая замедляет скорость падения капсулы практически до нуля. Поскольку точность событий «гуляла», разработчики предусмотрели запас по высоте 335 м – на ней капсула отделялась от тормозного двигателя и начинала свободное падение.

27\43

Первый зонд новой серии – Ranger 3 – стартовал 26 января 1962 года с четырёхдневным опозданием. При выведении произошёл отказ в системе наведения: вышла из строя командная радиолиния, выключающая двигатели ракеты в точное время. Носитель окончил работу быстрее, чем планировалось, но орбита оказалась выше расчётной. После короткого пассивного участка Agena B снова ожила – включилась и нормально перевела зонд на траекторию отлёта к Луне. Двигатель ступени сработал на ура, но из-за ошибок в программе курс исказился. Измерения траектории показали, что промах в 32000 км слишком велик для того, чтобы его можно было исправить относительно небольшой коррекцией курса.

28\43

Над присутствующими в зале управления повисло уныние. Поскольку жёсткая посадка выпала из списка решаемых вопросов, NASA решило проверить различные функции аппарата и сделать снимки пролёта Луны. Попытка коррекции траектории усугубила начальную проблему: импульс, выданный двигателем, был точен по величине, но направлен в другую сторону – ошибка знака в программе управления... Промах вырос до 36785 км.

Подлетая к Луне на расстояние 50 тыс. км, Ranger 3 получил команду развернуться и начать съёмку. Телеметрия показала, что изначально всё шло по плану, но компьютер вдруг дал сбой. Остронаправленная антенна не смогла наладить контакт с Землёй. Камера включилась и начала передавать изображения, как требовалось, но из-за неправильного положения антенны наземная станция ничего не получила. Зонд пролетел мимо Луны и вышел на гелиоцентрическую орбиту с перигелием 147 млн км, афелием 174 млн км и периодом обращения 406 дней. Единственными научными данными, полученными за время, пока аппарат находился в зоне видимости Голдстоуна, были показания фонового излучения от гамма-спектрометра, переданные всенаправленной антенной.

29\43

Ranger 4 стартовал 23 апреля 1962 года. Впервые носитель работал безупречно и перевёл аппарат на траекторию пересечения с Луной. К сожалению, оказалось, что программно-временное устройство остановилось и бортовой компьютер не реагирует на команды с Земли. Парализованный зонд продолжал полёт и сопровождался по сигналам из капсулы, предназначенной для жёсткой посадки. Через 64 часа траектория пересекла лимб Луны. Аппарат врезался в кратер, расположенный в точке 15,5° ю.ш. и 130,5° з.д., позднее названный Пашен (Paschen). Ranger 4 стал первым американским изделием, совершившим посадку на Луну, правда, совсем не так, как надеялись разработчики.

Все взгляды устремились на последний полёт аппарата серии Block II – Ranger 5. После анализа предыдущих неудач инженеры внесли в ступень Agena B несколько улучшений, в частности ввели резервные таймеры. Старт состоялся 18 октября 1962 года. При запуске на парковочную орбиту отказала система наведения ракеты Atlas, тем не менее зонд успешно вышел на траекторию полёта. Но… это его не спасло: примерно через 75 минут после старта, когда строилась необходимая ориентация в пространстве, произошло короткое замыкание в солнечных батареях. Несмотря на аппаратную защиту от немедленной аварии, Ranger не имел никакого питания, кроме сравнительно «дохленькой» буферной батареи, и умер от отсутствия электроэнергии. Безжизненное тело пролетело всего в 724 км от кромки Луны. Аппарат отслеживали до расстояния 1,27 млн км с использованием передатчика в посадочной капсуле. В конечном итоге Ranger 5 вышел на гелиоцентрическую орбиту с перигелием 142 млн км, афелием 157 млн км и периодом обращения 365 дней…

30\43

С потерей последнего зонда серии Block II всю программу Ranger сочли большой и полной неудачей. Официальное расследование причин аварий началось 30 октября 1962 года и завершилось месяц спустя. Доклад, выпущенный по результатам, рекомендовал «рационализировать управление и изменить цели миссии в большем соответствии с потребностями проекта Apollo». Рекомендовалось провести тщательную переоценку разработки, модифицировав уязвимые системы, включая большую степень дублирования, расширение наземных испытаний и улучшение контроля качества компонентов. Доклад также призвал к немедленному отказу от стерилизации, которая абсолютно точно определена в качестве причины многих неудач проекта.

Часть 5. Победа

Имея на руках рекомендации, JPL приступила к реорганизации проекта и переделке аппаратов новой серии Block III. Основной задачей стало получение изображения Луны в высоком разрешении вплоть до момента удара о поверхность. Но, даже отказавшись от других экспериментов, до запусков необходимо было решить критические проблемы с космическим аппаратом.

Первый усовершенствованный зонд был, наконец, готов к концу 1963 года. В его конструкцию внесли множество изменений. Раму изготовили из алюминия для улучшения тепловых характеристик. Для дублирования питания добавили второй аккумулятор. Ёмкость бортового топливного бака увеличили, двигатель модернизировали (общий корректирующий импульс вырос почти вдвое по сравнению с серией Block II). Программно-временное устройство было переработано и теперь включало функции, увеличивающие шансы на успех миссии в случае выхода из строя оборудования. Для резервирования ввели вторую независимую систему управления ориентацией. Платформа имела собственный восьмиканальный передатчик мощностью 3 Вт, который передавал только телеметрию. Кроме прочего, появились новые панели солнечных батарей прямоугольной формы, обеспечивающие мощность 240 Вт.

Из-за модификаций выросла масса аппарата, и с него пришлось снять все научные приборы, заменив их комплектом телевизионных камер. Это позволило уложиться в предел по массе для ракеты-носителя Atlas-Agena B для данных миссий.

31\43

Целевая нагрузка – шесть сканирующих камер, поставленных фирмами Astro-Electronics и RCA, – монтировалась в «башне» высотой 1,5 м, заменившей ферму на первой и «лэндер» на второй сериях зондов. Башня представляла собой длинный конус со срезанной вершиной, на которой стояла всенаправленная антенна. Внутри башни размещались программно-временные устройства и два независимых источника питания – по одному на каждый комплект камер.

Чувствительным элементом камер, сгруппированных в два независимых комплекта, была электронно-лучевая трубка типа видикон диаметром 25 мм с электростатическим управлением. Все объективы смотрели через общее 33-сантиметровое квадратное отверстие, их оптические оси были скошены под углом 28° от продольной оси зонда и (для частичного перекрытия изображений) расположены под небольшим углом друг к другу.

32\43

В первый комплект входили две камеры полного сканирования типа F (Full-scan): Fa – с широким, и Fb – с узким углом обзора. Каждая камера работала короткими сеансами – 2,56 секунды снимала и 2,56 секунды готовилась (считывание «картинки» осуществлялось за 2,24 секунды). Изображения (имели размер кадра 11,17 × 11,17 мм) от камер первого комплекта поступали непрерывно. Каждая камера сканировала все 1152 строки видикона, принятые во время экспозиции: это более чем вдвое превосходило разрешение обычного американского телевизора на тот момент и было сопоставимо с сегодняшним форматом телевидения высокой чёткости.

Во второй комплект входили четыре камеры частичного сканирования типа Р (Partial-scan): Р2 и Р4 – с широким, P1 и Р3 – с узким углом обзора. Они служили для съёмки центральной части того участка поверхности Луны, который попадал в кадр камеры типа F. Каждая камера типа Р работала 0,2 секунды, затем в течение 0,6 секунды готовилась (время считывания – 0,36 секунды). Пока одна производила съёмку и передавала изображения, остальные три пребывали в разной степени готовности. Таким образом, «картинки» со второго комплекта (2,79 × 2,79 мм) также шли непрерывно

Система передачи изображений имела два автономных передатчика мощностью по 60 Вт, связанных с двумя антеннами с отражателем диаметром по 26 м приёмной станцией в Голдстоуне. «Картинка» записывалась на магнитную ленту и одновременно снималась с экрана приёмной телевизионной трубки на 35-миллиметровую плёнку. В целом всё было сделано так, чтобы с наибольшей вероятностью достичь поставленных целей. Этому же способствовали дублирование систем и 500…800 часов предстартовых проверок аппарата.

33\43

Профиль миссии аппаратов второй и третьей серий был очень похож, вплоть до столкновения с Луной, но новый зонд не имел жёсткой привязки к месту посадки капсулы. Примерно за час до удара начинался терминальный манёвр, который нацеливал камеры на лунную поверхность, а остронаправленную антенну – на Землю. Примерно за 15–17 минут до удара первая цепь камер получала команду на прогрев. Затем прогревалась вторая цепь. За 14 минут до удара на высоте около 1900 км передатчик первой цепи начинал слать изображения на Землю, еще через 150 сек включалась вторая цепь. Передача продолжалась до удара: если всё срабатывало штатно, Земля могла получить более 4200 телевизионных изображений лунной поверхности. В момент начала съёмки аппарат находится на расстоянии 1450 км от Луны. Последний кадр делался на высоте 535 м от поверхности.

34\43

Ranger 6 стартовал с первой попытки 30 января 1964 года. Запуск и выведение на траекторию полёта к Луне прошли отлично. Основной целью миссии была съёмка лунного Моря Спокойствия, которое рассматривалось как место посадок «Аполлона».

Определение параметров траектории показало, что зонд пройдёт на расстоянии 796 км от Луны. Последовала коррекция, которая направила Ranger 6 на западную окраину Моря Спокойствия, в 65 км к югу от кратера Росс (Ross). 2 февраля аппарат приблизился к Луне на 2076 км, двигаясь со скоростью 1,998 км/с. Все системы функционировали нормально, телекамеры перешли в режим нагрева, но… отказали — Земля получила только несущую частоту. Управленцы передали ряд срочных команд, но всё безрезультатно: Ranger 6 врезался в лунную поверхность в точке 9,39° с.ш. и 21,51° в.д. на скорости 2,658 км/сек, не передав ни одной картинки…

35\43

Расследовав аварию, NASA возложило вину непосредственно на сами камеры: было установлено, что полное дублирование сработало не так, как хотели. Каким-то образом команда на включение блока камер ушла… на участке выведения: устройства включились в относительно плотной атмосфере, что привело к образованию дуги в электросхемах и короткому замыканию. Позднее выяснилось, что источником отказа стала детонация остатков топлива, выброшенного при отделении хвостового блока двигателей первой ступени Atlas.

В отчёте аварийной комиссии содержались замечания по конструкции и программе испытаний: комплекты камер не были полностью независимыми и имели общие элементы; телевизионное оборудование неоправданно сложно; изоляция электроцепей недостаточна; конструкция аппарата не позволяла провести всеобъемлющую предстартовую подготовку; не проведены испытания остронаправленной антенны в сочетании с передатчиками; во избежание повреждений аппарата непосредственно перед стартом не проверен ряд систем; телевизионное оборудование проверялось последний раз за 12 суток до старта.

На устранение замечаний ушло пять месяцев. К лету 1964 года к запуску был готов Ranger 7. Его хотели нацелить на точку падения предыдущего аппарата, чтобы рассмотреть образованный кратер, но ограничения траектории стартового окна не позволили сделать это. Были рассмотрены несколько других целей на каждый стартовый день пускового окна.

36\43

28 июля Ranger 7 успешно стартовал, направляясь в точку 11° ю.ш. и 21° в.д. в северо-западной части Моря Облаков. Когда он был в 2277 км над поверхностью Луны и летел со скоростью 1,917 км/сек, цепь камеры F перешла в режим нагрева через 92 сек после разогрева цепи Р. Многие должностные лица JPL и NASA вздохнули облегчённо, когда за 17 мин 30 сек до удара начали потоком поступать картинки с камеры цепи F. К моменту, когда Ranger 7 врезался в лунную поверхность, на Землю было передано 4316 изображений. Последнее было сделано на высоте всего 300 м и имело разрешение около метра. Это был первый крупный успех американской лунной миссии после почти шести лет попыток!

Снимки, которые передал Ranger 7, подтвердили, что моря – довольно гладкие регионы и, скорее всего, не закрыты слоем пыли, которой опасались многие учёные. Существовала гипотеза, что за миллиарды лет из-за резких температурных перепадов значительная часть поверхностных лунных пород разрушилась и превратилась в пыль, толстым слоем покрывающую скальное основание. Отражением таких предположений служил роман Артура Кларка «Лунная пыль», изданный в 1961 году.

37\43

Ranger 8 был успешно запущен 17 февраля 1965 года и направлен в наиболее перспективные места посадки Apollo – в экваториальные моря. Для этой миссии выбрали точку в 3° с.ш. и 24° в.д. в Море Спокойствия, примерно в 210 км к югу от точки падения неудачного Ranger 6.

После выведения на траекторию средства слежения показали, что в пассивном полёте Ranger 8 пройдёт в 1828 км от Луны. Промах свели на нет коррекцией курса на расстоянии 159743 км от Земли. Вдруг пропала телеметрия от космического аппарата. Обеспокоенные этим обстоятельством управленцы решили исключить из программы терминальный манёвр для спуска. Хотя ось камер находилась под некоторым углом от вертикали и геометрия снимков могла быть искажена, предлагалось получить изображения более широкой области, что позволило частично перекрыть самые ранние изображения, переданные миссией Ranger 7.

Камеры включились за 23 минуты до удара, почти на 10 минут раньше, чем планировалось. Разрешение первых изображений было сопоставимо с лучшими снимками, полученными наземными телескопами. Они показали, что все лунные моря имеют сходную топографию и не вызовут никаких серьёзных проблем для посадки человека. Ranger 8 врезался в Луну, породив 14-метровый кратер всего в 23 км к юго-востоку от расчётной точки, в месте с координатами 2,59° с.ш. и 24.77° в.д. Ranger 8 передал в общей сложности 7137 фотографий. На лучших различались детали менее 1,5 м в поперечнике. В процессе были получены даже стереопары.

38\43

Ranger 9 – последний зонд из серии Block III – был готов к запуску к середине марта 1965 года. В отличие от собратьев, его нацеливали на более интересные для науки места, нежели скучные лунные моря: запуск 21 марта должен был обеспечить падение в кратере Альфонс (Alphonsus), который показал некоторые признаки истечения газов, намекая на геологическую активность в недавнем прошлом. В случае старта 22 марта целью были светлые лучи кратера Коперник. Если старт переносился на 23 марта, то зонд прямиком прибыл бы в кратер Кеплер, в то время как запуск, выполненный 24 или 25 марта, позволял врезаться в лунную поверхность вблизи долины Шрётера (Schroter’s Valley) – извилистой борозды, сформированной в результате вулканической деятельности.

Ranger 9 стартовал с первой попытки в первый же стартовый день – 21 марта, направляясь в точку на 13° ю.ш. и 2,5° з.д., расположенную в кратере Альфонс. Точность выведения была самой высокой для данных миссий – зонд летел в точку, расположенную в 640 км к северу от своей цели, но коррекция курса обеспечила попадание «в яблочко».

За 20 минут до удара начался прогрев камер. Передача изображений пошла с высоты 2100 км от поверхности Луны, общее число кадров составило 5814. При этом разрешение неуклонно росло, достигнув рекордных 25 см! Космический аппарат врезался в дно кратера в точке 13,3° ю.ш. и 3,0° з.д., всего в 6,5 км от своей цели. Можно было закуривать сигары в честь полного успеха!

39\43

Часть 6. Начало длинного пути

Появившись как перспективное предложение Лаборатории реактивного движения, проект Ranger стал первой дальней космической миссией, реализованной JPL под руководством NASA. Потратив шесть лет напряжённых усилий и $ 267 млн бюджетных денег (что эквивалентно более чем трём миллиардам в современном исчислении), пережив шесть больших неудач и огромное количество «мелких шероховатостей» при трёх относительно успешных полётах, первая крупная американская программа исследований Луны пришла к победному финишу.

40\43

Правда, к этому моменту цели проекта пришлось основательно пересмотреть в сторону снижения пафоса и уменьшения амбициозности (в части создания аппарата, способного достичь Луны, Советский Союз далеко обошёл Соединённые Штаты; особенно велико тогда было превосходство в средствах запуска – тот же старт с околоземной орбиты был впервые успешно реализован 12 февраля 1961 года с помощью советской ракеты-носителя 8К78 («Молния»), которая могла отправить к Луне груз почти в пять раз больше, чем американская Atlas-Agena B), но и отрицать достигнутое глупо – в последних вариантах аппаратов Ranger американцы смогли использовать технические достижения в области телевизионной космической съёмки.

Первые фотографии лунной поверхности высокого разрешения дали много пищи для ума не только учёных, но и инженеров проекта Apollo: в частности, показали, что лунные высокогорья обладают более грубым ландшафтом, чем моря, но всё же достаточно гладкие для организации посадочной площадки для будущей высадки астронавтов. Сопровождение аппаратов серии Block III также указало, что гравитационный центр Луны смещён от геометрического центра – этот факт помог улучшить точность навигации пилотируемых кораблей. Подготовку (глобальную съёмку лунной поверхности) и генеральную репетицию (мягкую посадку) будущих миссий возложили на плечи оставшихся элементов лунной триады NASA – аппаратов Lunar Orbiter и Surveyor.

41\43

Инженерным итогом программы стал тот факт, что исходные данные по ракете, платформе или полезной нагрузке – не догма: постоянные изменения, вносимые разработчиками, непосредственно влияют на проект, но не обязательно полностью убивают его. Крест на программе не поставил даже тот факт, что, когда зонд, наконец, был готов к запуску, причиной неудач в трёх миссиях стала именно новая ступень Agena

42\43

Более того: когда проектанты поняли, что значительно более мощный Atlas-Centaur к старту «тяжёлого» (500 кг) зонда Mariner А к Венере в августе 1962 года не успевает, NASA переключалось на разработку дублирующего варианта, для запуска которого годилась существующая Atlas-Agena В: Mariner R был предельно «ободранной» (облегчённой в полтора раза) версией Ranger Block I, несущей минимальный набор научных инструментов. И, как ни странно, он не стал очередным паллиативом, каким были первые «Пионеры»: именно на основе этого проекта были реализованы все зонды Mariner – как ранние, запущенные к Марсу в 1964 году, так и последующие.

Зарубежные историки космонавтики считают «золотым веком» межпланетных аппаратов наше время: более десятка зондов работают по всей Солнечной системе. Это так, но всё же первым «золотым веком» следовало бы назвать период с середины 1960-х до конца 1970-х гг., когда были получены первые значимые результаты полётов таких межпланетных аппаратов, как Mariner, Viking, Pioneer и Voyager. Важную роль в создании базиса для этих достижений сыграли первые реальные космические автоматы типа Ranger.

43\43

Кто прочитал эту простыню, что там вкратце? Когда летим?

Я прочитал.
ТС - спасибо! Действительно очень познавательная статья! Целая эпоха изучения луны!

Спасибо ТС! Отличная статья, объемно и кратко изложено.

Осилил, спасибо, ТС, довольно познавательно. Статья о том, как люди буквально вгрызались в космос!

И дабы не разводить очередного околонаучного срача, просто скажу, что пост только усилил моё мнение, что кое-кто кое-куда не ле-тал...