Советские лунные программы

Лунный корабль для проекта Н1-Л3.

Проект Н1-Л3 был слишком большим для одного предприятия (в США на "Аполлон" работало свыше 20000 организаций). ОКБ-1 Королёва было назначено главным по Н1-Л3. Сам лунный корабль было поручено разработать ОКБ-586 (КБ "Южное" в Днепропетровске), а руководителем по этой части был назначен Янгель.

В общем виде проект Н1-Л3 был закончен 30 декабря 1964 года, тогда же были назначены предварительные сроки выполнения всех этапов. Первый запуск Н1 должен был состояться уже в 1966 году, а первый космонавт на Луне смог бы высадится уже в 1967-68 году, что позволяло бы опередить американцев, назначивших высадку на 1969 год.

Но как только в "Южном" начали детальную разработку лунного корабля, оказалось, что предыдущие оценки массы ЛК оказались сильно заниженными, и уложиться в установленную ранее массу не представляется возможным. Это случалось из-за слишком грубого подхода к ЛК в эскизном подходе. Например, горизонтальная скорость аппарата при посадке на самом деле не позволяла радару-высотомеру, который планировали установить на ЛК, определить реальную высоту. Скорость аппарата, оцененная на одном из участков полёта в 30-40 м/с, на самом деле составляла бы 200-300 м/с. В первом варианте ЛК весил только 2.2 т, причём был рассчитан на двух человек. Для устранения этих и других недочётов пришлось увеличивать массу аппарата до 5.5 т, а экипаж сократить до одного человека.

Первоначально Янгель хотел оставить место для второго космонавта в лунной кабине, но всё-таки это оказалось невозможным. Сокращение веса стало главной задачей, вставшей перед конструкторами, за каждое нововведение, которое уменьшало бы вес лунного корабля на один кг, назначалась премия в размере 60 рублей. Улучшая некоторые системы орбитальной части, удалось сократить массу только на 500 кг.

Определение текущей скорости и высоты после отделения блока Д также оказалось проблематичным. От того, насколько эффективно эта система работала, зависела масса необходимого топлива и все связанные с этим параметры, такие как расположение и форма топливных баков.

Созданная радарная система получила название "Планета". Она имела четыре антенны. Первые три создавали лучи, отстоящие друг от друга на 120 о, и по изменению частоты сигнала из-за эффекта Доплера можно было точно определить горизонтальную скорость корабля. Четвёртая антенна направлена перпендикулярно к поверхности и служила для определения высоты. Такая система оказалась сравнительно простой и надёжной, и хотя она так и не поработала по своему прямому назначению, "Планета" показала свою надёжность в ходе полётов АМС серии Е-8 (автоматическая доставка лунного грунта на Землю).

При проведении испытаний радара на борту "МиГа-17" были найдены некоторые проблемы, которые были решаемы. Из-за ограничений Мишин (продолжавший работу умершего Королёва) позволяет разместить только 280 кг резервного топлива, что тоже задерживает создание радара-высотомера, который должен теперь очень точно проводить измерения для избежания перерасхода топлива.

В 1967 г. Янгель уведомляет Мишина о том, что лунный корабль будет готов не ранее 1971 года (т.е. с опозданием на три года). В 1968 году программа опять претерпевает изменения. Первоначально предусматривалось совершить посадку на лунном экваторе, т.е. лунный орбитальный корабль находился бы на экваториальной орбите и каждый час пролетал над местом посадки лунной кабины. Это существенно облегчало сближение и стыковку аппаратов, но в то же время наиболее интересные места для посадки не всегда расположены именно на экваторе. В случае выбора другого места усложнялась процедура сближения лунного отсека (после его старта с Луны) и лунного орбитального корабля, который смог оказываться над местом посадки в 2-3 раза реже. В таком случае было три варианта:

• Лунный корабль оснащался точной инерциальной навигационной системой, позволяющей совершать сложные манёвры на окололунной орбите для стыковки с орбитальным кораблём.
• Лунный корабль после старта с поверхности постепенно менял свою орбиту до тех пор, пока она не совмещалась с орбитой орбитального аппарата. В этом случае не требовалась сложного навигационного оборудования.
• Лунный корабль заранее просчитывал траекторию сближения ещё до старта с Луны, и, стартовав с её поверхности, осуществлял стыковку по просчитанной схеме.
• Американцы выбрали первый вариант, в советской программе предпочли второй. Стыковка должна была проходить на высоте 25-30 км. Поскольку цифровая ЭВМ для этих целей использоваться не могла (из-за её отсутствия), была разработана аналоговая система, просчитывающая необходимые элементы орбиты и моменты включения двигательной установки. Такая система для лунного корабля была создана и была весьма эффективна.

В отличие от этих задач задача сохранения центра масс была весьма сложной. Центр масс не должен был перемещаться более чем на 3 см (!). Это требовало особого устройства топливных баков блока Е и двигателей точной ориентации. Космонавт в лунной кабине также был сильно стеснён в своих действиях. Всё оборудование ЛК также пришлось разрабатывать и размещать согласно этим требованиям. Для компенсации смещения во время посадки и взлёта, когда происходило уменьшение массы лунного модуля в процессе расхода топлива при работе двигателя, такие тяжёлые элементы аппарата, как батареи, постоянно перемещались.

Та часть аппарата, которая непосредственно касалась поверхности, называлась аббревиатурой ЛПУ (лунное посадочное устройство). Помимо обеспечения посадки этот модуль служил стартовой площадкой для блока Е, с помощью которого лунный корабль взлетал с Луны. На ЛПУ также размещалось оборудование, которое было задействовано только при спуске или оно могло работать в лунных условиях и использовалось до взлёта с поверхности. Это были радар-высотомер, параболические антенны, химические источники тока, три бака (впоследствии был добавлен четвёртый) с водой для испарительной системы охлаждения и видеокамера, которая снимала бы работу космонавта на поверхности. ЛПУ имело массу 1440 кг при полном весе лунного корабля 5560 кг. Как говорилось выше, из-за ограничения массы аппарата двигательная установка могла переместить корабль не далее, чем на 100 метров от заранее выбранной точки. В этом месте могли находиться довольно крупные кратеры, поэтому лунное посадочное устройство должно было обеспечивать нормальную посадку (и последующий взлёт) на поверхность так, чтобы аппарат мог нормально функционировать и в тех случаях, когда он образовывал с поверхностью довольно большие углы (до 30 градусов). Это было необходимо ещё и для обеспечения "слепой" посадки аппарата в беспилотных вариантах, когда отсутствовавший космонавт не мог контролировать работу автоматики. Перед конструкторами встаёт вопрос: чем именно аппарат должен касаться Луны? Минимальным вариантом было использование трёх посадочных опор, именно такая схема использовалась для посадки на Луну их "Сервейеров" (автоматических аппаратов для исследования и фотографирования поверхности). Для советского лунного корабля такой вариант не подходил, поскольку он не обеспечивал необходимую устойчивость и не гарантировал сохранение центра масс. ЛПУ начинают разрабатывать сразу несколько КБ, и появляется большое количество разных проектов: от нескольких опор до особого посадочного кольца. В конце концов, остались две возможные схемы: пассивная и активная. В первом случае аппарат садился на несколько пассивных опор, но тогда требовалось обеспечить очень плавный подлёт к поверхности. Во втором случае посадочные опоры имели собственный корректирующие двигатели, которые включались непосредственно в момент контакта для точного позиционирования аппарата.

Для окончательного выбора был создан целый комплекс для имитации посадки на лунный грунт: большое помещение было заполнено вулканическим туфом из Армении (по своим физическим свойствам он похож на лунный реголит), и в нём проводилась имитация касания Луны. Испытания показали, что более предпочтительна активная схема (использовались твёрдотопливные двигатели), которая и была выбрана для лунного корабля.

Лунная Кабина

Лунная кабина предназначалась для размещения одного космонавта. В центре (относительно космонавта, сидящего в кабине) имелся большой иллюминатор, в который проводились наблюдения во время посадки. Выше него находилось ещё одно окно, которое должно было использоваться для наблюдения процесса стыковки с лунным орбитальным кораблём. Наиболее важные средства управления аппаратом находились справа, а менее - слева от сидящего внутри человека.

Дополнительным требованием перед разработчиками явилось то, что ЛК должен был способен к беспилотному полёту: автоматически садится на Луну и автоматически стыковываться с орбитальным кораблём. Это требовалось как для испытаний аппарата в беспилотном режиме, так и для осуществления возможных "спасательных" операций, когда в случае повреждения блока Е ЛК не мог взлететь с Луны и космонавт оставался на поверхности. Это требовало, конечно, одновременного запуска к Луне двух аппаратов: рабочего (пилотируемого) и резервного. Автономность лунного корабля обеспечивалось телевизионными камерами, что позволяло с Земли видеть всё происходящее и дистанционно управлять космическим кораблём.

В задней части лунной кабины размещался дискообразный модуль с оборудованием, таким, как:

• Система управления
• Радиотехнические модули
• Система управления электропитанием
• Система терморегуляции
• Аппаратура для обеспечения стыковки.

Первоначально в лунной кабине предполагалось использовать чистый кислород под давлением 0.4 атмосферы. Но это была слишком огнеопасная среда, поэтому впоследствии долю кислорода, добавив азота и повысив давление до 0.74 атмосфер. При этом хоть и требовалось увеличивать массу запасов воздуха в два раза, тем не менее, корабль становился более безопасным в плане пожароопасности. На последнем этапе посадки лунной кабины, как уже говорилось, управление брал на себя космонавт. Однако на момент разработки посадочного аппарата создание подобной системы тормозило полное отсутствие опыта. Все пришлось начинать сначала. Помимо сохранения центра масс необходимо было обеспечить полную работоспособность даже в случае возможной разгерметизации кабины. Хотя все системы при разгерметизации должны были остаться целыми, скафандр был рассчитан только на 10 часов, т.е. в этом случае требовалось немедленно возвращаться на лунный орбитальный корабль. В связи с этим пришлось отказаться от использования ножных педалей. Разработчикам пришлось изучать опыт авиаконструкторов, создававших в те годы самолёты вертикального взлёта-посадки.

Долго прорабатывались и варианты размещения приборных панелей и иллюминаторов. Было выяснено, что для обзора поверхности Луны при подсадке оптимальный угол обзора составляет 7 градусов. Иллюминатор, использующий для контроля за спуском, имел координатную сетку для определения и коррекции места касания грунта. Приходилось создавать и скафандр, позволяющий довольно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название "Кречет" и стал прообразом скафандров "Орлан", которые используются сегодня российскими космонавтами для работы в открытом космосе. "Кречет", также как и его сегодняшний аналог "Орлан" представлял собой очень сложное устройство. Он не надевался на человека, а наоборот, человек входил в скафандр - для этого в задней части этого снаряжения имелся люк. В нём имелась система специальных растяжек и фиксаторов, которые были необходимы для обеспечения неподвижности человека на время манёвров, поскольку при маленькой массе всего лунного корабля смещение центра тяжести всего аппарата из-за неловкого движения человека могло повлечь за собой весьма крупные неприятности.

Для испытания скафандра (как, впрочем, и не только его) был построен полномасштабный макет лунного корабля, на котором различные проводились испытания и тренировки экипажа. Наверное, многие видели эти кадры в хронике. Для того, чтобы имитировать лунную гравитацию, которая в 6 раз земной, была построена специальная наклонная башня. Человек ходил по её внешней стене, образовывавшей с вертикалью угол приблизительно 30 градусов. При этом земное притяжение "тянуло" вниз и забирало большую часть веса (чтоб не упасть, человек в "Кречете" перед этими операциями подвешивался на тросике), а на упор ногами оставалась лишь шестая часть веса, что и обеспечивало "лунные условия". Поскольку скафандр получился довольно большим, пришлось заново разрабатывать и люк. По этой же причине размещение приборов и агрегатов лунной кабины также согласовывалось с местоположением человека (опять-таки для сохранения центра масс).

В целях экономии массы стыковочный узел имел довольно простое устройство (по сравнению с этим же узлом у "Союзов", летающих на околоземной орбите сегодня). Это одновременно снижало стоимость аппарата и повышало надёжность. Поскольку космонавт переходил из лунного орбитального аппарата в посадочный модуль и обратно в ходе выхода в открытый космос, никакой жёсткой стыковки, обеспечивающую герметичный переходной тоннель между модулями не требовалось. Разработанная для этих целей система "Контакт" обеспечивало простое сближение аппаратов (после того старта лунного корабля с Луны) и их механический захват.

Эта система должна была быть разработана и испытана ещё к 1968 году. Предусматривалось запустить два "Союза" в беспилотном режиме для отработки стыковки, после чего должен был быть осуществлён подобный полёт пилотируемых "Союзов". Однако беспилотные попытки не удались, а запуск сразу после этого "Союза-1" с Комаровым также закончился трагедией: он погибает при посадке на Землю. Вместо четырёх "Союзов" было истрачено больше десятка аппаратов, а советская лунная программа задержалась (хотя и не только из-за этого) на полтора года. "Контакт" был полностью готов к работе лишь в течение программы "Салют" (пилотируемые орбитальные станции), точнее - к октябрю 1971 года. Вместе с системой ориентации-стабилизации и топливом для неё лунная кабина весила около 1300 кг.

Всего же в лунном корабле советской программы Н1-Л3 присутствовали следующие системы.

• Система автоматического управления. Эта система, основы которой были взяты с систем наведения у военных ракетных комплексах. Она обеспечивала управление кораблём на всех стадиях полёта лунного модуля: снижения, посадки, взлёта и стыковки. Все необходимые для работы вычисления обеспечивала БЦВМ (бортовая электронно-вычислительная машина), которая обрабатывала данные, поступающие с измерительных датчиков, и отдавала команды двигательной установке. Основные данные об ориентации обеспечивали гироскопы и радар, измеряющий горизонтальную и вертикальную скорости аппарата. Космонавт имел возможность корректировать команды, выдаваемые бортовым компьютером, к тому же вблизи поверхности он уже видел точку, в которую садился аппарат (при помощи особых обозначений на иллюминаторе) и мог изменять её (выбрать новое место посадки, расположенное не далее 100 метров от старого места). Все вычисления проводились в трёх независимых параллельных потоках для уменьшения количества возможных ошибок.
• Радарная система для измерения скорости аппарата. Располагалась снаружи космического корабля около оборудования для выхода на лунную поверхность.
• Лунное посадочное устройство.
• Стыковочная система "Контакт". Она имела небольшой вес и обеспечивала простой физический контакт и захват кораблей. "Контакт" мог работать как в ручном, так и в автоматическом режиме.
• Система электрораспределения. Она расположена в нижнем приборном отсеке. Состояла из системы электрических кабелей и пяти химических батарей: три в ЛПУ и две в лунной кабине. Эти электрические батареи имели относительно большой срок хранения: они могли применяться по своему прямому назначению даже после трёх месяцев нахождения в космическом пространстве.
• Анализатор остальных бортовых систем, определяющих их исправность.
• Кабина для космонавта.
• Бортовой компьютер. Используется в системе автоматического управления. Быстродействие - 20 000 операций в секунду. Обеспечивал параллельное вычисления трёх независимых потоков данных.
• Система раскрытия антенн.
• Сами антенны: две метровые параболические антенны для высокоскоростной передачи данных и трансляции телевизионного изображения и одна всенаправленная антенна для связи на низкой скорости с Землёй и лунным орбитальным кораблём.
• Телевизионные камеры. Предназначены для передачи кадров лунной поверхности при посадке беспилотного аппарата и передачи видеоизображения космонавта, выходящего на лунную поверхность и работающего на неё.
• Система, передающая телеметрические данные о работе всех систем корабля.
• Скафандр "Кречет". Обеспечивал выход в открытый космос и на поверхность. Автономность - 10 часов.
• Система поддержания атмосферы лунной кабины.
• Система терморегуляции, обеспечивающая нормальный температурный режим при температуре за пределами лунного аппарата от +130°С о до -200°С.
• Научное оборудование. Из-за ограничений массы ЛК оно не было окончательно выбрано, однако понятно, что главным "научным экспериментом" до 1969 года была установка советского флага на Луне раньше, чем американцы установят свой.
• Система пожаротушения.

Блок Е.

Двигательной установке, которая обозначалась блоком Е и предназначалась для мягкой посадки и взлёта с Луны, уделялось весьма пристальное внимание. Уже при первых набросках лунного корабля присутствовали рисунки этого блока. Первоначально планировалось уложиться в 510 кг, однако уже скоро стало понятно, что это нереально.

Для надёжности блок Е имел не один, а два двигателя: РД-858 и РД-859. Как только от аппарата отделялся блок Д, они запускались одновременно. Если в работе первого двигателя автоматика отмечала какие-либо сбои, то он сразу выключался, и посадочный аппарат возвращался на втором, запасном двигателе к лунному орбитальному кораблю. Если всё было нормально, то лунный модуль продолжал снижаться на основном двигателе, второй оставался в то время в резерве. Понятно, что бы вызвал отказ сразу двух двигателей.

В режиме снижения было необходимо развивать тягу 850 кг, а в режиме взлёта --2000 кг. РД-858 мог изменять свою мощность в этих пределах, а РД-859 имел фиксированное значение - 2000 кг, т.е. с ним посадку совершить было нельзя. В течение всей работы блока Е должно было сгореть 2900 кг топлива.

Создание двигателя многократного включения с регулируемой тягой потребовало титанических усилий. Для его разработки пришлось изобретать новые материалы и технологии. Ключевой проблемой в разработке блока Е (как и лунного посадочного устройства) явилось "отражение" газов, истекающих из сопел, от лунного грунта в течение посадки. В американском "Аполлоне" для посадки и взлёта применялись разные двигатели, что существенно облегчало задачу. Подобный вариант в советском проекте не был возможен из-за ограничений по массе всего аппарата. Если у американского лунного модуля двигатель мягкой посадки при контакте с поверхностью засорялся или повреждался (что и случилось несколько раз), то это не имело никакого значения. Для лунного корабля пришлось разрабатывать систему, которая направляла реактивную струю газов в непосредственной близости от поверхности как можно дальше от ЛПУ. В момент выключения блока Е (в режиме "посадка") сопла сразу же закрывались для избежания попадания в них инородных частиц, к примеру, лунной пыли, которая поднималась в момент касания грунта.

Для сохранения центра масс топливным бакам (объёмом по 1.2 м3) пришлось придать необычную форму: окиситель расходовался в 2 раза быстрее, чем топливо. В качестве топлива/окисителя использовались долго хранимые самовозгорающиеся компоненты: гидразин и азотный тетраксид. Масса полностью заправленного блока Е составляла 2950 кг, пустая ступень весила около 550 кг. Для осуществления мягкой посадки необходимо было сжечь около 700 кг топлива, а для взлёта требовалось 2100 кг.

Система ориентации

Для корректирующих манёвров была предназначена отдельная двигательная система. Как и в блоке Е, в ней использовались гидразин/тетраксид азота. Она размещалась над лунной кабиной и могла обеспечивать не только горизонтальные, но и вертикальные коррекции. Для повышенной надёжности лунный корабль имел не одну, а две независимых системы ориентации и мог работать даже в том случае, когда одна из них полностью выходила из строя. Для их работы имелось 100 кг компонентов ракетного топлива. Как и в случае с основными топливными баками, пришлось повозиться с центром масс: бак с окисителем размещался внутри бака с топливом и имел особую структуру.

Для подачи топлива в топливные баки подкачивался гелий под давлением 10 атмосфер, вытесняющий жидкость из бака. Двигатель можно было включать многократно, длительность минимального импульса составляла 9 миллисекунд, максимального - 10 секунд. Для сопел, размещённых под углом 20 градусов к горизонтали, был применён новый графито-ниобиевый сплав.

На вершине всего корабля, помимо системы ориентации, находились радиаторы системы терморегулирования и захват стыковочного узла.

Оглавление

Введение

Л1-Р7 - Облёт Луны.

Л1 - Облёт Луны.

Л2 - Луноход (выбор места посадки пилотируемого аппарата).

Л3 - Посадка на Луну.

Л4 - Облёт Луны.

Л5 - Луноход (для работы космонавтов на Луне).

ЛК1-УР500К - Облёт Луны.

ЛК-700 - Высадка на Луну.

7К-Л1 - Облёт Луны.

Н1-Л3 - высадка на Луну.

ЛК - лунный корабль для проекта Н1-Л3.

Звезда - лунная база (дополнение к программе Н1-Л3).

Вулкан - лунная база (без использования Н1-Л3).

Энергия - последний проект высадки на Луну.