С самого начала работ над станциями второго поколения ключевым моментом проекта стала система, обеспечивающая мягкую посадку или выход на окололунную орбиту.
«Было понятно, что для гашения скорости подлета к Луне нужна двигательная установка — без нее сохранить в целостности что-нибудь (разве кроме вымпела) невозможно, — отмечал Г. Ю. Максимов. — Мы знали, что американцы делали посадочную капсулу по программе Ranger, и видели, как они хотят гасить остаточную скорость. Их система рассчитывалась на жесткую посадку, то есть делалась с гораздо большими запасами по прочности, чем мы могли себе позволить. У нас не было их полупроводниковой электроники, да и на Луну мы собирались доставить не только сейсмометр».
Функционирование системы определялось общей схемой полёта. С точки зрения простоты конструкции для Е-6 была выбрана непосредственная (прямая) посадка с «попадающей» траектории, без выхода на окололунную орбиту. При старте с околоземной орбиты траекторию полёта к Луне требовалось скорректировать, обеспечив попадание в цель с необходимой точностью. При посадке нужно было за заданный промежуток времени затормозиться, снизив скорость с 2700 м/с практически до нуля.
Исходные соображения заставили крепко задуматься специалистов ОКБ-2 под руководством Алексея Михайловича Исаева, которым предстояло разработать двигательную установку. Поскольку к тому времени они только-только научились включать жидкостный «движок» в невесомости, им приходилось закладываться на двухдвигательную схему: один двигатель для коррекции, а второй — для посадки.
Однако вскоре от заказчиков — ОКБ-1 — пришла вводная: точная высота, на которой должен включиться тормозной двигатель большой тяги, зависит от множества факторов; время, за которое он должен погасить скорость до нуля перед касанием поверхности, рассчитать очень сложно; мгновенно выключить его в заданный момент не получится. Значит, в схему надо закладывать положительные запасы по времени и высоте включения, в результате обнуление скорости может произойти на каком-то расстоянии от поверхности. Чтобы аппарат с этого момента не просто падал на Луну, снова разгоняясь, следует предусмотреть участок медленного снижения с небольшой скоростью («парашютирования»), для чего малая — очень малая — тяга должна сохраняться практически до момента посадки. На кульманах появились уже три двигателя…
Такой подход заводил проект Е-6 в тупик: каждый двигатель имел собственные габариты и массу, требовал отдельной пневмогидравлической системы с насосами, трубопроводами и регулирующими клапанами, а в идеале и с собственными баками для топлива. С учетом громоздкого блока наведения и управления всё это «хозяйство» так раздувалось, что ни о каком значимом полезном грузе нельзя было и думать. Ко всем бедам прибавлялись сложность и низкая расчётная надёжность связки двигателей…
Проектантам Королёва пришлось всем своим авторитетом надавить на двигателистов Исаева, и те «сдались». Началась проработка корректирующе-тормозной двигательной установки, обозначенной КТДУ-5А, все функции в которой вешались на единственный движок. Это было нелёгкое решение: «Наши благие мечты «в одно касание» поучаствовать в «лунном проекте» повисали в воздухе, когда пришлось с ужасом приниматься за работу и реализовать все требования на одном двигателе, — вспоминал участник тех событий Георгий Михайлович Петраш, ведущий конструктор ОКБ-2. — Для быстрого торможения нужна была тяга [около] 5 тонн, при «парашютировании» — 1-2 тонны (лучше еще меньше), а для «нониусной» коррекции достаточно было 50 килограмм...»
КТДУ-5А поставлялась заказчику как законченный агрегат. Конструктивную основу составлял сферический бак окислителя (азотной кислоты), в нижней части которого через раму крепился торовый бак горючего (смеси аминов). В проёме «бублика» стоял однокамерный двигатель с турбонасосной системой подачи. От «экватора» тора до среза сопла установку закрывал конический теплозащитный экран. Баки и трубопроводы изготавливались из алюминиевых сплавов, камера двигателя с соплом — из титана. Укомплектованная КТДУ-5А имела вид диковинного самовара.
Для того чтобы в невесомости отделить жидкие компоненты топлива от газа наддува, баки имели сетчатые сепараторы — действуя на эффекте поверхностного натяжения жидкости в мелких ячейках (капиллярах), они обеспечивали поступление в турбонасос первых порций топлива для запуска двигателя. В состав установки также входили шар-баллоны со сжатым гелием для наддува баков и управления автоматикой.
Снаружи на газоводах крепились неподвижные рулевые сопла, через которые истекал отработанный на турбонасосе генераторный газ. При посадке на Луну двигатель вначале работал на номинальной тяге, потом снижал ее, а затем для «парашютирования» переводился на режим сверхмалой тяги — основная камера выключилась, но газогенератор продолжал работать, сбрасывая газ через рулевые сопла.
Опыт предыдущей работы проектантов ОКБ-1 говорил, что двигательная установка является лишь малой частью космического аппарата. Но в данном случае всё оказалось наоборот — по сути дела, КТДУ-5А представляла собой неавтономную ракетную ступень, вокруг которой компоновался весь аппарат. С двух сторон к баку окислителя крепились сбрасываемые блоки: в одном находилась система астронавигации, во втором — радиовысотомер с электроникой. И то и другое можно было сбросить после выключения двигателя на торможение, экономя изрядное количество топлива. Сверху на бак окислителя устанавливался герметичный отсек с системой наведения и управления. Всё вместе составляло, как сказали бы сегодня, перелётно-посадочный модуль.
Он доставлял к цели автоматическую лунную станцию (АЛС) массой около 90 кг (примерно 1/16 от стартовой массы Е-6), которая отделялась от двигательной установки пружинным толкателем после подрыва пироболтов. Основу её конструкции составлял сферический приборный отсек, верхнюю полусферу которого в полёте закрывали четыре лепестка, придававшие станции форму яйца со свойствами ваньки-встаньки. Из-за низкого положения центра тяжести при посадке станция занимала положение «тупым концом» вниз, а раскрытые лепестки служили её опорами. В АЛС размещалась вся «наука».
Основным прибором была система панорамной телесъёмки с прямой передачей кадров на Землю. Её головка помещалась в верхней части приборного отсека под стеклянным цилиндром, имела качающееся зеркало и вращательный привод в качестве механизма сканирования и фотометр в качестве чувствительного элемента. Панорамное изображение лунного пейзажа получалось построчно за счёт медленного вращения головки по горизонтали и одновременного быстрого сканирования зеркалом, качающимся по вертикали. Автофокусировка системы позволяла получать контрастные изображения всех объектов с расстояния до сканирующей головкиот 1,5 м до бесконечности, и на панораме различались детали от полутора-двух миллиметров величиной.
Угол зрения системы по горизонтали составлял 360°, по вертикали — 30°. В одном кадре помещалось 6000 строк, в каждой строке 500 элементов. За секунду сканировалась полоса высотой в 30° и шириной в 3'. Скорость съемки и передачи изображения на Землю была низкой, всего одна строка в секунду. Основным ограничителем стала пропускная способность радиоканала, работающего на частоте 183,538 МГц. Трансляция велась с использованием метода частотной модуляции. Земля получала полную панораму лишь через 100 минут съемки.
Три небольших двухгранных зеркала на верхней полусфере АЛС позволяли получить трёхмерное изображение отдельных участков лунной поверхности. Из верхней же полусферы торчали четыре штыревых антенны, на которых висели калибровочные мишени для настройки яркости и контрастности изображений путём сравнения с ранее отснятыми эталонами. Кроме телевизионной системы в приборном отсеке станции размещались прибор для регистрации (как в полёте, так и на Луне) корпускулярного излучения и гамма-спектрометр.
Корпус АЛС был окружён пневматическим амортизатором из двух соединенных вместе подушек, которые при наддуве придавали станции сферическую форму. Они гасили остаточную скорость АЛС после выключения тормозной двигательной установки.
В сборе Е-6 являла собой довольно массивный (около полутора тонн) аппарат высотой 2,7 метра. Из-за весовых ограничений тепловой режим работы обеспечивался пассивными средствами: в космосе приборы сбрасывали избыток тепла путем теплопередачи и прямой радиации через стенку отсеков, имеющих специально подобранные коэффициенты поглощения и излучения. При полёте к Луне станция Е-6 медленно вращалась вокруг продольной оси, подставляя солнцу то один, то другой бок.
Весовые ограничения непосредственно сказались и на архитектуре системы управления. Это сегодня ее можно уместить в один-другой килограмм, в те же годы у нас в стране она строилась на электронных лампах, первых полупроводниках и электромеханических устройствах. Чтобы сэкономить массу, инженеры шли на множество ухищрений. Система управления и наведения И-100 включала гиростабилизированную платформу, которая служила не только для управления полётом Е-6, но ещё и для наведения третьей и четвертой ступеней ракеты-носителя. Такое решение было оригинальным, но, как выяснилось позднее, рискованным: именно сбои И-100 стали причиной девяти аварий «Молнии».
Схема полета была следующей. Первыми тремя ступенями «Молния» выводила на низкую околоземную орбиту Е-6 с разгонным блоком — четвертой ступенью. Последняя включалась в требуемое время и переводила объект на траекторию отлёта к Луне. При перелёте, продолжавшемся более трех суток, предусматривались девять сеансов радиосвязи и одна коррекция. Параметры последней определялись на Земле по результатам измерений фактической траектории, после чего на борт объекта передавались уставки для включения двигателя на расстоянии 110-130 тыс. км от цели. Коррекция обеспечивала попадание станции в расчетную зону диаметром не более 150 км.
Место и время посадки выбирались заранее из условий освещенности (чтобы по длинным теням на снимках определить величину объектов ландшафта) и соображений теплового режима (находясь на Луне, АЛС не должна была перегреваться). Поэтому прилуниться планировали в районе терминатора в Океане Бурь сразу после восхода солнца.
Наиболее интересным был последний участок полёта. Именно здесь баллистики и управленцы проявили смекалку прежде всего. Никакого бортового компьютера Е-6 не имел, да и сам по себе пересчет траектории торможения с учетом тяги двигателя и возмущающих факторов представлялся крайне сложным даже для земных систем. В реальном времени делать это было невозможно, как и передавать команды управления на регулирование тяги и выключение с Земли — не позволяли малое быстродействие исполнительных механизмов станции и запаздывание радиосигнала. Посадка должна была производиться автоматически, как выстрел в анекдоте про автомат Калашникова
В идеале следовало когда надо включить двигатель и удерживать объект «на гироскопе» до момента, пока интегратор не наберет необходимое значение скорости. Желательно при этом, чтобы последняя не имела боковых составляющих — то есть снижение должно проходить строго вертикально. В этом случае на какой-то (хорошо бы небольшой) высоте скорость «обнулится», и можно будет переходить на «парашютирование» до момента контакта с поверхностью.
Но эту самую лунную вертикаль ещё требовалось найти! Проблему решили оригинально, на основе свойств гиперболической траектории: вектор скорости в определённой её точке оказывался параллелен направлению конечного участка полета. Достаточно было поймать этот момент, сориентировать объект в нужном направлении, а затем уже поддерживать ориентацию с помощью гироскопов.
Требуемое положение станции относительно Солнца, Луны и Земли выстраивалось за два часа до посадки, когда на расстоянии примерно 8700 (по другим данным — 8300) км до Луны ось аппарата направлялась параллельно «отловленной» местной вертикали. Затем включался радиовысотомер, который на высоте 70-75 км и при скорости примерно 2630 м/с сбрасывал навесные блоки с ненужной уже аппаратурой, наддувал пневматический амортизатор и запускал двигатель. Проработав расчетное время (примерно полминуты), последний переводился в режим парашютирования на высоте около 250 м.
SITE: Remarkable life on the island.(Elk Island) //////////////// Email: tolia2315@gmail.com \\\\\\\\\\\Home