Приключения космического робота

⇡#Часть 1. Замыслы

Какими бы ни были проблемы – реальными или мнимыми, может показаться, что они присущи исключительно российской космической программе. Это не так. Особенности людской памяти и отсутствие интереса к деталям показывают, что не мы одни регулярно наступаем на грабли, щедро разбросанные на пути познания. И грабли эти отнюдь не уникальны – всё уже было. Сейчас мы подчас с суеверным страхом следим за каждым пуском «Союза» или «Протона», считая в уме секунды до отделения космического аппарата и забывая, что когда-то точно так же вели себя наши американские партнёры. Это ныне они числят себя смелыми законодателями мод, но нельзя забывать, что когда-то почти каждый американский космический запуск оканчивался неудачей, и думалось – ничто и никогда не пойдёт так, как запланировано.

Первые годы космической гонки – прекрасный пример того, как реальные неудачи выковали из слабой и поначалу аморфной космической программы Соединённых Штатов жёсткий и блестящий инструмент непреклонного движения вперёд наперекор всему – даже, как казалось некоторым, наперекор здравому смыслу...

Ни один из первых аппаратов серии Pioneer для исследования Луны не проявил себя в полной мере

Проект Ranger – один из символов перехода количества безуспешных попыток в качество полученного результата. В американском английском этим словом чаще обозначают военнослужащего, специально подготовленного для действия в тылу противника (например, в составе разведывательно-диверсионного отряда), либо конного полицейского.

Можно сколь угодно долго рассуждать о вставленных вверх ногами датчиках или перелитом в баки топливе, но проблемы, с которыми создатели и эксплуатанты отечественной ракетно-космической техники сталкиваются сейчас, весьма напоминают те, что приходилось преодолевать нашим отцам и дедам... и их заокеанским визави. Оглядываясь на золотой век освоения космического пространства, можно вспомнить, что шесть из девяти миссий проекта Ranger закончились неудачей, на фоне которых вообще было непонятно, как эти же люди смогли через семь-восемь лет после описываемых событий высадить астронавтов на Луну и благополучно вернуть их обратно?

Шесть из девяти миссий проекта Ranger закончились неудачей

Первые пуски высотных геофизических ракет за границу атмосферы показали, что космическое пространство таит в себе массу тайн: вакуум, в котором плавают небесные тела, не является абсолютной пустотой – его наполняют частицы газа, пыли и облака плазмы, пронизывают излучения, электромагнитные поля и метеоры. Все эти явления представляли огромный интерес с научной точки зрения. Например, к началу космической эры природа излучений была изучена крайне слабо, поскольку исследования ограничивались возможностями имевшейся аппаратуры, запускаемой на аэростатах. Развитие ракетной техники дало в руки учёных совершенно новый способ непосредственного изучения планет и межпланетного пространства – с помощью космических аппаратов.

Сразу после достижения околоземной орбиты естественной целью космических полётов стала Луна как ближайшее к Земле небесное тело – проекты посылки зондов к нашему ночному светилу появились параллельно с запуском первых спутников.

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

⇡#Часть 4. Разочарования

Несмотря на то, что в мае 1961 года президент Кеннеди провозгласил национальной задачей высадку американских астронавтов на Луну до конца текущего десятилетия, и цели проекта Ranger необходимо было несколько подкорректировать под «новые реалии», лаборатория JPL продолжила подготовку к запуску трёх аппаратов второй серии, предназначенных для прилунения капсулы с приборами. При выросшей примерно на 10% начальной массе они имели несколько модифицированную платформу зондов предыдущей серии. Во-первых, вместо программно-временного устройства поставили почти полноценный бортовой компьютер. Во-вторых, серебряно-цинковую «батарейку» огромных размеров сменил перезаряжаемый аккумулятор примерно на порядок меньшей ёмкости. В-третьих, на борт поставили жидкостный двигатель для коррекции курса при точном сближении с Луной.

Верхнюю ферму заменили «лэндером» – небольшой сферической капсулой для жёсткой посадки на Луну, оснащённой твердотопливной тормозной двигательной установкой. Момент отделения посадочного аппарата и включения двигателя задавал радиолокационный высотомер. На платформе также разместили гамма-спектрометр, установленный на откидной штанге длиной 1,8 м, для определения состава поверхности, и телевизионную установку для получения изображений Луны на подлёте.

Установка Ranger Block II на переходник: 1 – малонаправленная антенна; 2 – антенна радиовысотомера; 3 – гамма-спектрометр; 4 – тормозной ракетный двигатель; 5 – телекамера; 6 – остронаправленная антенна; 8 – корректирующая двигательная установка; 9 – теплозащитный чехол; 10 – панели солнечных батарей; 11 – капсула с магнитометром

Капсула, изготовленная фирмой Ford Aeronutronic, имела массу 43 кг и представляла собой «орех»: внешняя оболочка диаметром 64 см, сделанная из бальзового дерева, поглощала удар о лунную поверхность, а стеклопластиковое ядро диаметром менее 31 см содержало плавающую в жидкости металлическую капсулу с источниками электроэнергии (шесть серебряно-кадмиевых батарей) и передатчиком мощностью 50 мВт. Главным научным инструментом капсулы являлся сейсмометр, достаточно чувствительный, чтобы обнаружить удар метеорита массой 2,3 кг о противоположную сторону Луны. Чтобы пережить старт, перелёт и жёсткую посадку (по расчётам, капсула могла уцелеть при ударе со скоростью 67 м/с), чувствительные компоненты сейсмометра заливались гептаном.

Сейсмометр из капсулы в разобранном виде

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).

Бальзовая оболочка для поглощения удара при прилунении

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.

Ограничения траектории при выборе места жёсткой посадки капсулы

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.

Устройство Ranger Block II и схема жёсткой посадки

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.

Схема посадочного устройства и сборка Ranger Block II: 1 – электроника; 2 – внутренняя теплоизоляция; 3 – батареи; 4 – сейсмометр; 5 – основной топливный заряд; 6 – провода зажигания стабилизирующего двигателя; 7 – пробка в критическом сечении; 8 – провода зажигания основного двигателя; 9 – стабилизирующий двигатель; 10 – линия установки на платформе; 11 радиовысотомер; 12, 14 – кольца разделения; 13 – воспламенитель основного двигателя; 15 – стопорное устройство; 16 – вода; 17 – жидкость, в которой плавает приборный контейнер; 18 – стеклопластиковая внешняя оболочка; 19 – антенный блок; 20 – внешняя оболочка, поглощающая удар

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.

Центр управления полётом в лаборатории JPL

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.

Ranger-3 перед отделением посадочного устройства

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…

Безжизненный Ranger 5 пролетел всего в 724 км от кромки Луны.

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.

Макет Ranger-7 в Национальном аэрокосмическом музее

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.

На модели Ranger-7 хорошо видно окно, через которое проводилась съёмка Луны

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.

Испытания телевизионной установки Ranger Block III

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.

Сборка Ranger 6

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…

Ranger 6 врезался в лунную поверхность, не передав ни одного изображения

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.

Старт ракеты-носителя Atlas-Agena B с зондом Ranger 7

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.

Изображения лунной поверхности, переданные зондом Ranger 7

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.

Почтовая карточка в честь запуска Ranger 8

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!

Изображения лунной поверхности,переданные зондом Ranger 9

⇡#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.

Памятная медаль в честь запуска Ranger I

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.

Зонды Ranger заняли достойное место среди автоматических разведчиков Луны. Рисунок http://historicspacecraft.com

Особенности зондов, созданных по программе Ranger, представлены в таблице.

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

Директор JPL Уильям Пикеринг представляет макет станции Mariner президенту Джону Кеннеди

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.

Памятная табличка в честь успеха Ranger 7 на станции дальней космической связи