«Луна-16»: как СССР доставил лунный грунт на Землю и сколько ему это стоило
Отгадайте загадку: что сделали инженеры СССР в 1970 году, что китайцы повторили спустя 60 лет, а американцы осуществить даже не пытались? Ответ: доставили лунный грунт на Землю с помощью автоматического космического аппарата. Эту миссию выполнила станция «Луна-16». Член Общественного совета Госкорпорации «Роскосмос» Игорь Маринин рассказывает, как она была устроена и во сколько Советскому Союзу обошелся один грамм лунного вещества.
Автоматическая станция «Луна-16» стартовала с космодрома Байконур 12 сентября 1970 года и уже 21 сентября доставила образцы лунного грунта на Землю. Этот факт подтвердил: чтобы получить лунный реголит для исследований, совсем не обязательно тратить огромные средства для отправки за ним на Луну космонавтов.
Зачем СССР хотел привезти грунт с Луны
Соревнование между СССР и США за то, чей представитель первым ступит на Луну, было в самом разгаре. Американцы тратили на достижение этой во многом политической цели миллиарды долларов. Советский Союз принял вызов, но позволить себе такие расходы не мог и поэтому существенно отставал.
Одной из главных задач, оправдывающих бешеные расходы на отправку человека к Луне, было привезти на Землю образцы грунта для исследований. Ученых интересовала не только природа происхождения естественного спутника Земли, но и наличие в грунте полезных ископаемых. Экипаж «Аполло-11» в июле 1969 года должен был впервые доставить лунный реголит на Землю.
Наша пилотируемая лунная программа Н1-Л3 серьезно буксовала. В 1967 году СССР решил попытаться опередить американцев с доставкой грунта если не людьми, то хотя бы автоматическими станциями. Нашей стране этот проект был просто необходим, так как программа пилотируемого полета на Луну была строго засекречена, а пресса, ссылаясь на неназванных советских ученых, утверждала, что Советский Союз не хочет рисковать жизнью людей и что все задачи могут решить автоматические космические аппараты.
23 января 1968 года министр общего машиностроения СССР издал приказ № 31, обязывающий разработать до 1 марта того же года аванпроект объекта Е-8-5 «в варианте возвращения на Землю». В эскизном проекте предусмотрели установку на Е-8 грунтозаборного устройства. После его утверждения на программу выделили финансирование, и работа в Конструкторском бюро и Государственном союзном машиностроительном заводе имени С.А. Лавочкина (позже НПО имени Лавочкина) под руководством главного конструктора Георгия Николаевича Бабакина и директора завода Ивана Николаевича Лукина закипела.
В эскизном проекте системы Е-8-5 можно найти расчетные данные по стоимости элементов для доставки грунта с Луны. Ракета-носитель 8К82К (Ур-500К) стоила 5800 тыс. руб., разгонный блок «Д» — 1100 тыс. руб., головной обтекатель — 185 тыс. руб., автоматическая лунная станция Е-8-5 — 2800 тыс. руб.
Конструкция советской автоматической станции Е-8-5
Новая автоматическая лунная станция состояла из следующих частей:
посадочная ступень Е-6 с одним посадочным тормозным двигателем, двумя двигателями малой тяги для коррекции спуска и четырьмя топливными баками;
возвратная ракета «Луна — Земля» с двигателем тягой 1580 кгс, бортовым радиокомплексом и приборным отсеком в виде цилиндра диаметром 56 см;
шарообразный спускаемый аппарат диаметром 50 см и массой 36 кг.
Разработка посадочной ступени Е-6 началась в ОКБ в середине 1960-х годов в рамках программы Л-2. Ее целью было доставить на поверхность спутника Земли луноход, который помог бы выбрать место для посадки космонавта и (при необходимости) его транспортировки к запасному лунному кораблю. Только на Е-6 вместо площадки для спуска лунохода установили грунтозаборное устройство массой 13,6 кг. Оно состояло из механизма бурения, закрепленного на манипуляторе, который способен был перемещаться по вертикали и горизонтали — это позволяло выбрать место для бурения, чтобы потом загрузить грунт в спускаемый аппарат.
Бур мог работать в ударном или вращательном режимах и имел несколько скоростей: это позволяло добыть образцы непосредственно из камня или реголита с глубины до 35 см. Для выбора места бурения на посадочной ступени установили две телекамеры и светильники. Е-6 использовалась в качестве стартовой площадки для взлета возвратной ракеты.
Что касается возвратной ракеты, то в ее приборном отсеке установили электронные счетно-решающие и гироскопические приборы системы управления, бортовой радиокомплекс с телеметрической системой, аккумуляторы и приборы бортовой автоматики. А на внешней стороне приборного отсека — четыре штыревые приемно-передающие антенны.
Сверху на возвратную ракету устанавливался спускаемый аппарат. Он был покрыт мощным слоем теплоизоляции и имел три отсека. В первом размещались радиопередатчики, предназначенные для пеленга при поиске его на Земле, аккумуляторы, механизм управления парашютом. Во втором — парашют, антенны радиопередатчиков, баллоны с газом для ориентации после посадки. В третьем — контейнер с лунным грунтом, в котором было приемное отверстие. Последнее герметично закрывалось специальной крышкой после того, как в него помещали лунную породу.
Всего инженеры изготовили четыре автоматические лунные станции Е-8-5, затем еще две. Они получились довольно тяжелыми. В заправленном состоянии станции весили 5667–5880 кг при взлете с Земли, 1880 кг на поверхности Луны и 512 кг при старте с Луны. Такая масса была предельной для грузоподъемности ракеты «Протон-К» (8К82К), поэтому двигатель разгонного блока «Д» первый раз включался лишь для довыведения станции на околоземную орбиту. И только при втором включении станция отправлялась к Луне.
Как СССР уступил США в доставке лунного грунта
Программу полета космического корабля «Аполло-11» и дату его старта NASA объявило заранее. Запуск миссии планировался на 16 июля 1969 года. Между тем на Байконуре военные и гражданские специалисты делали все возможное, чтобы запустить ракету «Протон-К» со станцией Е-8-5 № 402 в апреле 1969 года, как планировалось. Но не все шло гладко. Пуск состоялся только 14 июня 1969 года ровно 7:00 по Москве. Если бы все пошло по плану, лунный грунт был бы у советских ученых на месяц раньше американцев.
Три ступени ракеты-носителя отработали нормально, но не включился двигатель разгонного блока «Д», который должен был вывести станцию на околоземную орбиту. В результате Е-8-5 № 402 с блоком «Д» вошли в атмосферу Земли и сгорели. Впрочем, шанс опередить американцев еще оставался. На Байконуре в высокой степени готовности находились ракета-носитель и станция Е-8-5 № 401.
Настал момент истины. Старт состоялся 13 июля 1969 года в 5:54, за три дня до запуска «Аполло-11». Вывод станции на траекторию полета к Луне прошел нормально. ТАСС раскрыл название новой лунной станции — «Луна-15». После двух коррекций 17 июля 1969 года «Луна-15» вышла на окололунную орбиту. Еще две коррекции — и она оказалась на эллиптической посадочной орбите со следующими параметрами: 110 х 16 км над поверхностью, наклонение 127° к лунному экватору, период обращения 1 час 54 минуты.
21 июля 1969 года на 53 витке включилась двигательная установка посадочной ступени, и «Луна-15» устремилась в южную часть Моря Кризисов. Тормозной импульс должен был завершиться через 267 секунд на высоте от 1750 до 1850 метров, но на 237 секунде сигнал со станции пропал. По расчетам инженеров, до поверхности оставалось около 5 км.
Анализ полученной со станции телеметрической информации показал, что до пропадания сигнала все системы работали нормально. Единственная причина такой ситуации — ошибка на высоте примерно 15 км с определением положения станции в момент включения тормозного двигателя. При этом станция могла разбиться о гору гряды Терьмер. Позже выяснилось, что положение станции ошибочно определили из -за воздействия на нее масконов — лунных гравитационных аномалий.
Так шанс опередить американцев был упущен. Экипаж «Аполло-11» доставил грунт на Землю спустя трое суток — 24 июля 1968 года.
Неудачные попытки запустить станции к Луне
Через два месяца к старту подготовили новую станцию Е-8-5 № 404. Она стартовала 23 сентября 1969 года в 17:07. Ракета-носитель «Протон-К» успешно вывела станцию на промежуточную околоземную орбиту 189 х 184 км и наклонением 51°50'. Но опять подвел блок «Д». Не произошло второе включение двигателя, и станция осталась на околоземной орбите. Чтобы скрыть неудачу, ей дали официальное, но безликое название — «Космос-300».
На 67-м витке по командам с Земли включился посадочно-тормозной двигатель. Станция вошла в атмосферу Земли над Тихим океаном и сгорела. Но желание получить лунный грунт не пропало.
Следующую попытку его добыть предприняли 20 октября 1969 года в 17:09. Ракета-носитель «Протон-К» успешно вывела станцию Е-8-5 № 404 на промежуточную околоземную орбиту 208 х 182 км, наклонением 51°40'. Но на этот раз отказал радиокомплекс. В результате разгонный блок «Д» неправильно сориентировался — вместо того, чтобы перевести станцию на траекторию полета к Луне, он свел ее с орбиты над Тихим океаном. Станция «по традиции» получила наименование очередного спутника — «Космос-305».
Пятая попытка запустить к Луне станцию серии Е-8-5 пришлась на 6 февраля 1970 года в 7:16, но тоже не удалось. Отказала вторая ступень ракеты-носителя.
На этом первая серия из шести станций Е-8-5 и такого же количества ракет-носителей «Протон-К» с блоками «Д» закончилась. Потребовалось более семи месяцев, чтобы возобновить попытки.
Как проходила посадка на Луну
Станция Е-8-5 № 406 оторвалась от Земли 12 сентября 1970 года в 16:25. Ракета-носитель «Протон-К» отработала идеально, и разгонный блок «Д» с лунной станцией вышел на опорную околоземную орбиту высотой 212,2 км и наклонением 51°36'. Через 70 минут двигатель блока «Д» включился во второй раз и перевел станцию на траекторию полета к Луне. Она получила название «Луна-16».
14 сентября коррекцию траектории ее движения удалось провести с такой точностью, что вторая не понадобилась. 17 сентября включилась тормозная двигательная установка, после чего станция перешла на окололунную орбиту 118,6 х 102,6 км, наклонением к плоскости лунного экватора 70° и периодом обращения 1 час 58 минут 53 секунды. После двух коррекций 18 и 19 сентября была сформирована предпосадочная орбита.
20 сентября в 8:12 станция начала спускаться с высоты 13,28 км над Луной. На высоте 2,45 км двигатель отключился, и 43 секунды «Луна-16» свободно падала. Когда до поверхности оставалось 600 м двигатель вновь включился. Его тяга регулировалась по командам программы управления, получающей информацию о скорости и высоте от спидометра ДА-018 и радиовысотомера «Вега». На высоте 20 м при скорости около 2 м/сек тормозной двигатель выключили окончательно — дальнейшая посадка происходила на двух двигателях малой тяги. На высоте 2 м они выключились.
Наконец, в 8:18 «Луна-16» со скоростью всего 4,8 м/с прилунилась в Море Изобилия, в 100 км западнее кратера Уэбб, в точке с координатами 0°41' ю.ш. и 56°18' в.д. Отклонение от расчетной точки составило всего 1,5 км.
Станция «Луна-16» пробурила реголит и взяла курс на Землю
После посадки нужно было выбрать место для бурения. По командам с Земли на станции включили телекамеры (телефотометры) и светильники. Однако поскольку посадка произошла через 60 часов после захода Солнца в лунную ночь, мощности светильников для освещения грунта рядом с местом посадки, видимо, не хватило. Поэтому определить место для бурения и получить телеизображения панорамы не получилось.
Тем не менее через 45 минут включилось грунтозаборное устройство. При скорости 500 оборотов в минуту буру удалось погрузиться на 35 см, после чего он наткнулся на твердый камень и остановился. Сбор образцов в контейнер продолжался полчаса. Полученный керн был успешно перемещен в специальный отсек спускаемого аппарата на возвратной ракете и загерметизирован.
Старт возвратной ракеты с поверхности Луны произошел через 26 часов 25 минут после посадки — 21 сентября в 10:43. До Земли станция добралась всего за 84 часа. За восемь часов до входа в атмосферу на расстоянии 48000 км от Земли спускаемый аппарат отделился от возвратной ракеты и вошел в атмосферу со скоростью 10,95 км/с. При этом он испытал перегрузки 315 G. На скорости около 250 м/с и высоте 14,5 км сработала парашютная система, и спускаемый аппарат приземлился в 80 км юго-восточнее Джезказгана.
После посадки возвращаемый аппарат перевезли из Казахстана в Химки на завод № 104 им. С.А. Лавочкина. Контейнер с образцами извлекли с помощью дрели, проделав отверстие в теплозащитном экране. Только тогда специалисты получили подтверждение, что цель экспедиции достигнута и внутри контейнера образцы лунного грунта.
Какой была термоизоляция первых космических аппаратов в СССР
Во сколько СССР обошлась доставка лунного грунта
Советские ученые Научно-исследовательского института тепловых процессов получили в свое распоряжение 101 грамм сыпучего лунного «морского» реголита. К этому времени они создали специальную установку ЛГ-1 для его исследования. Уже через год директор института Валентин Лихушин подписал «Экспресс-отчет с предварительными результатами исследования физических свойств лунного грунта, доставленного АМС “Луна-16”». В отчете содержались результаты исследований внешнего вида отдельных включений, плотности, удельной теплоемкости и диэлектирической проводимости.
Теперь две страны, СССР и США, имели возможность непосредственного исследования лунного грунта, а Советский Союз стал первой страной в мире, которая получила лунный грунт с помощью автоматического космического аппарата.
В том же эскизном проекте (февраль 1968 года) указана стоимость одного пуска ракеты 8К82К с разгонным блоком и автоматической станцией — 12 миллионов рублей. В 1968 году официальный курс рубля к доллару США был такой: 1$ = 0,9 рубля. Простая арифметика дает результат: 1 грамм лунного вещества, доставленного «Луной-16», обошелся Советскому Союзу в $642 тысячи.
Позже три грамма грунта с «Луны-16» поменяли на три грамма грунта, доставленного экипажем «Аполло-11», и на три грамма, собранного «Аполло-12». За эту уникальную операцию, а также за создание первого «Лунохода», главного конструктора Бабакина удостоили звания Герой Социалистического Труда. В Кремле ему вручили медаль «Золота Звезда» и орден Ленина. Директора завода Лукина наградили вторым орденом Ленина.
В последующие годы, уже после кончины Бабакина и ухода на пенсию Лукина, по программе Е-8-5 запустили еще пять «грунточерпалок», но доставили грунт на Землю только две: «Луна-20» и «Луна-24». США даже не пытались повторить достижения советских инженеров-конструкторов.
Собрать на Луне реголит и исследовать его ведущие космические державы стремятся и сегодня. Рассказываем, чем ценен лунный грунт и как глубоко нужно копать, чтобы извлечь ценные образцы.
