Заключительный этап работ по лунной программе СССР. Вторая редакция

Масса выводимого корабля «Аполлон» и блока S-IVB (с топливом для разгона на траекторию полета к Луне) составляла около 145 тонн.

Старт ракеты «Сатурн-5» с кораблем «Аполлон-16» (qil.ru/Опубликовано в интернете)

Три ракетных блока «Сатурн-5» с кораблем «Аполлон» (davidteixidor.cgsociety.org/Опубликовано в интернете)

Схема пристыкованного к блокуS-IV корабля «Аполлон» в составе – САС, адаптер, основной блок и лунный модуль. (keywordbaskets.com Saturn V Apollo Launch Configuration /Опубликовано в интернете)

Основной блок- командный и служебный модули.(CSM behance.net /Опубликовано в интернете)

Лунный модуль – посадочная и взлетная ступени. (otvet.mail.ru /Опубликовано в интернете)

Полет третьей ступени на орбиту. Участок разгона к Луне

На участке выведения, после завершения работы второй ступени, осуществлялось первое включение блока третьей ступени S-IVB для его довыведения (в связке с кораблем «Аполлон») на низкую круговую орбиту высотой (185 – 190) км.

Блок S-IVВ отличался от классических разгонных блоков ракет космического назначения, функционировавших по жестким циклограммам полетного задания. Оставаясь средством выведения, он обладал дополнительными функциями космического корабля.

Оборудование приборного отсека S-IVВ обеспечивало возможность решения навигационной задачи в околоземном пространстве на переходной орбите с последующим осуществлением программных разворотов и выдачи очередного разгонного импульса в заданный момент времени для перехода на расчетную траекторию полета к Луне.

Кроме того в контур управления полетом ракеты «Сатурн-5», в том числе и ее третьей ступени, был включен экипаж, находящийся в командном модуле корабля «Аполлон».

В частности, при отказе системы управления полетом третьей ступени экипаж переходил на ручное управление, посылая с пульта управления командного модуля (через его вычислительную машину) сигналы в приборный отсек блока S-IV.

Для реализации этих возможностей оборудование приборного отсека блока S-IVВ имело силовые и информационные интерфейсы с оборудованием командного модуля корабля «Аполлон».

После проверки на орбите бортовых систем корабля из Центра управления полетом (ЦУП) передавалось разрешение на старт к Луне.

Перестроение модулей корабля «Аполлон» и его отделение от третьей ступени. Полет к Луне

На траектории полета к Луне основной блок отделялся от адаптера, разворачивался на 180 градусов и стыковался с лунным модулем в составе S-IVВ. Затем корабль «Аполлон» в целом отделялся от ступени S-IVВ и уводился от нее для автономного полета.

Отделение и увод корабля «Аполлон» от ступени S-IVВ

(NASA-ra 24.hu /Опубликовано в интернете)

На орбите Луны. Отделение лунного модуля (ЛМ)

При подлете к Луне двигатель основного блока (ОБ) выдавал тормозной импульс для перевода корабля «Аполлон» на переходную орбиту Луны. Затем после второго импульса формировалась круговая орбита высотой порядка 110 км.

При полете над обратной стороной Луны лунный модуль с двумя астронавтами отделялся от основного блока, в котором на орбите Луны оставался третий астронавт.

Корабль «Аполлон-11» на орбите Луны. Коллаж (cropman.ru/apollo/index.html/Опубликовано в интернете)

Полет ЛМ после отделения от ОБ. Фото из ОБ (cropman.ru/a11/index.html /Опубликовано в интернете)

ОБ на орбите ожидания. Фото из ЛМ

(Сайт НАСА/Опубликовано в интернете)

Восход Земли. Фото из ОБ на орбите ожидания

(foto-ram.ru /Опубликовано в интернете)

Переход лунного модуля на эллиптическую орбиту. Торможение и посадка ЛМ на поверхность Луны

В автономном полете лунного модуля над обратной стороной Луны выдавался тормозной импульс после чего модуль снижался уже над видимым диском Луны по эллиптической орбите до высоты периселения (15 -16) км.

На этой высоте при скорости полета 1,6 км/с и расстоянии до места посадки более 400 км включался двигатель посадочной ступени для перехода на траекторию мягкой посадки с этапами торможения, приближения к точке посадки и собственно вертикальной посадки.

На участке торможения вектор тяги маршевого двигателя был направлен по касательной к траектории полета. Лунный модуль летел опорами вперёд. Его иллюминаторы были направлены на подстилающую поверхность Луны, давая возможность астронавтам отслеживать выбранные ориентиры на лунном рельефе.

Через четыре минуты, при работающем двигателе, на высоте 10 км, лунный модуль поворачивался по крену на 180 градусов для захвата посадочным радаром поверхности Луны. При этом иллюминаторы переворачивались в зенит и после дальнейшего разворота ЛМ по тангажу в вертикальное положение астронавты получали возможность наблюдать район посадки.

На девятой минуте начинался этап приближения к точке посадки до которой оставалось 7,5 км. Высота полета ЛМ составляла 2,3 км, при горизонтальной скорости 154 м/с и скорости снижения 45 м/с.

На высоте 50 м, над заданным районом, начинался этап вертикальной посадки. При этом горизонтальная скорость гасилась до нуля, а вертикальная скорость снижения ЛМ не превышала 1 м/с.

Общая продолжительность мягкой посадки после включения двигателя в периселении составляла 12 с лишним минут.

Экспедиции по программе «Аполлон». Коллаж (cropman.ru/apollo/index.html/Опубликовано в интернете)

Реальные схемы высадки на Луну отличались от их расчетных циклограмм по разным причинам. С этим столкнулись уже при посадке ЛМ миссии «Аполлон-11». Она была первой и поэтому, возможно, самой напряженной для экипажа и персонала ЦУП.

На высоте 10 км участка сниженияЛМ, после захвата поверхности Луны радаром посадочной ступени, поступил аварийный сигнал о перегрузке бортового компьютера.

Его причиной была ненужная при посадке информация от радара взлетной ступени (ВС), заранее включенного Армстронгом, командиром корабля, для обеспечения нештатной стыковки ВС с орбитальным блоком при аварийном прекращении посадки.

О случившемся экипаж доложил в ЦУП. До посадки оставалось не более 9 минут. Ситуация была нерасчетной и выход из нее определялся в условиях реального масштаба времени. ЦУП принял решение о продолжении посадки и сообщил об этом командиру корабля.

Основанием для принятия такого решения в стрессовой ситуации было не Заключение ответственных руководителей, как это принято (на это не было времени), а однозначное мнение специалиста по навигационным системам о допустимости продолжения этапа посадки (позже он вместе с экипажем корабля «Аполлон-11» получил президентскую медаль «Свобода»).

За время посадки аварийная сигнализация сработала 5 раз, что мешало управлению полетом. На высоте чуть менее 2 км начался этап приближения к месту посадки. Лунный модуль стал разворачиваться в вертикальное положение, и экипаж получил возможность наблюдать район посадки по курсу движения.

Полет проходил в автоматическом режиме. На высоте около 460 м Армстронг обнаружил, что автомат ведет корабль на обочину кратера диаметром до 200 м с крупными валунами, что было небезопасно. На высоте 135 м, за 6 км до места посадки, он перешел на полуавтоматический режим полета. Скорость снижения не более 1 м/с поддерживалась автоматически, а управление ориентацией ЛМ осуществлялось вручную.

Управляя направлением вектора тяги за счет изменения угла тангажа, Армстронг увеличил скорость ЛМ до 64 км/час, перелетел опасный кратер и выбрал район посадки. Эдвин Олдрин, пилот ЛМ, докладывал данные с приборов о высоте и скорости полета.

Вскоре он сообщил о начале интервала в 94 с, после которого оставалось только 20 с на принятие решения о завершении посадки или о ее экстренном прекращении с уходом взлетной ступени на орбиту Луны.

На высоте 30 м поднялась лунная пыль и ухудшилась видимость. Частота пульса Армстронга достигла 150 ударов в минуту. При контакте щупов стоек ЛМ с поверхностью, он выключил двигатель и завершил посадку.

Посадка ЛМ «Аполлон-11». Cristian I.S.. Фотоколлаж по лицензии Creative Commons Attribution 2.0 Generic. На изображении отрицательный угол тангажа. Управляя величиной такого угла, Армстронг совершал горизонтальный маневр, для выбора района посадки. (flickr.com/photos /Опубликовано в интернете)

Пребывание на поверхности Луны

Интересным, в человеческом плане, было восприятие экипажем условий пребывания на другой планете.

После первой посадки на Луну пыль осела непривычно быстро (без атмосферы отсутствует эффект парения) и Армстронг увидел через иллюминатор освещенную как днем поверхность Луны на фоне черного без звезд неба. Для него первым испытанием стала отличающаяся от земных условий динамика передвижения.

Гравитация на Луне в шесть раз меньше земной, что, по законам механики Ньютона, приводит к замедлению в два с половиной раза (корень квадратный из шести) перемещений в лунных условиях.

Армстронг, отмечал, что при попытке идти быстро после каждого шага он как бы взлетал вверх, поэтому было удобнее передвигаться прыжками, которые происходили словно в замедленной съемке.

На Луне вес человека в скафандре не превышает 30 кг, поэтому получалось прыгнуть вверх до 1,5 м.

Миссия «Аполлон-16». Прыжки на Луне. Съемка ТВ камерой с лунохода. (Сервер НАСА/Опубликовано в интернете)

Но при этом возникали проблемы с сохранением положения тела в пространстве. На Луне такие прыжки длятся до 3 секунд.

Вестибулярный аппарат с опорно-двигательной моторикой, позволяющие человеку ощущать свое положение в пространстве и сохранять свое равновесие при ходьбе, сформировались в течение длительного исторического периода под воздействием земной гравитации. В лунных условиях этот рефлекс не работал. Астронавтам было не просто владеть своим положением в пространстве.

Харрисон Шмитт, астронавт-геолог миссии «Аполлон-17», поднимаясь по склону холма Скарп уранил сумку с образцами лунного грунта. Пытаясь ее поднять, он несколько раз падал, катился по склону и снова ранял сумку. Когда из ЦУП ему предложили подняться выше, он отказался, объяснив, что это небезопасно. В Хьюстоне согласились.

Падение астронавта на Луне. Съемка ТВ камерой

(Сервер НАСА/Опубликовано в интернете)

Американские астронавты разных экспедиций сообщали о проблемах с ориентированием на местности в условиях лунного рельефа. Кривизна поверхности Луны сильнее чем у Земли из-за меньшего (в шесть раз) поперечного размера. Поэтому лунный горизонт воспринимается гораздо ближе.

При этом, по словам Н. Армстронга, скрадывалось расстояние до удаленных форм рельефа. Неровности создавали такое же впечатление, какое бывает у человека, плывущего по сильно взволнованному морю.

Миссия «Аполлон-16». ЛМ в волнах рельефа Луны. Фото

(M. Murray: ru.pinterest.com/Опубликовано в интернете)

Астронавты экспедиции «Аполлон-16» Джон Янг и Чарльз Дьюк при первом выходе проехали на луноходе более 4 км и посетили несколько кратеров.

В некоторые моменты они теряли ориентировку на местности и от последнего кратера возвращались к ЛМ по колее лунохода, не без основания пологая, что без этого ориентира они могли бы заблудиться с более чем серьёзными последствиями при восьмичасовом ресурсе ранцевой системы жизнеобеспечения. Астронавты других экспедиций при возвращении к ЛМ также использовали иногда колею лунохода в качестве навигатора.

Миссия «Аполлон-17». Луноход как средство перемещения. Фотоколлаж (Foto-ram.ru /Опубликовано в интернете)

Состав и объём прикладных и научных экспериментов на Луне совершенствовались с каждой экспедицией.

Основной задачей первого посещении Луны была отработка мягкой посадки и взлета с Луны, а также проверка способности астронавтов перемещаться по Луне и выполнять на ней запланированные работы.

Научная часть программы формировалась по остаточному принципу. Армстронг и Олдрин осуществили только один выход на Луну продолжительностью 2,3 часа с удалением не более 60 м от ЛМ.

При этом астронавты собрали 28 кг образцов лунного грунта, установили на поверхности флаг США, лазерный отражатель, пассивный сейсмометр и вернулись в ЛМ.

Миссия «Аполлон-11». Олдрин у сейсмометра. Фото

(Сервер НАСА/Опубликовано в интернете)

Программа работ на Луне в последнем полете (миссия «Aполлон-17») была наиболее насыщенной в научном плане. Лунный модуль совершил посадку в горной местности Тавр – Литтр за Морем Ясности, перспективной с точки зрения геологических исследований.

Ю. Сернан (командир) и X. Шмитт (пилот, геолог) выполнили три выхода на поверхность Луны (продолжительностью по 7 ч) с поездками на луноходе по разным маршрутам общей протяженностью около 37 км и максимальным удалением от лунного модуля до 7 км.

На разных участках поверхности Луны за время выходов было развернуто несколько комплектов научной аппаратуры с радиоизотопной энергоустановкой и собрано около 110 кг геологических образцов лунного грунта.

Миссия «Аполлон-17». Х. Шмитт у скалы Station 6 Rock. На заднем плане справа луноход. (Сайт НАСА/Опубликовано в интернете)

Старт и выведение взлетной ступени (ВС) на ОИСЛ, стыковка с ОБ. Отделение ВС и переход ОБ на траекторию возвращения к Земле.

При подготовке ЛМ к старту, после завершения выходов на лунную поверхность, астронавты выбрасывали из ВС ненужные предметы, включая ранцы скафандров и верхнюю лунную обувь, наддували взлетную ступень кислородом и приводили ее бортовые системы в состояние готовности к взлету.

После завершения первой лунной экспедиции Олдрин отмечал, что при старте с Луны видел сквозь иллюминатор разлетающиеся фрагменты теплоизоляции посадочной ступени и падающий флаг США под воздействием реактивной струи двигателя.

Старт и полет взлетной ступени корабля «Аполлон-17» в последней миссии на Луну снимала ТВ камера лунохода, которая управлялась из ЦУП Хьюстона.

Миссия «Аполлон-17». Старт с Луны, снятый ТВ камерой на луноходе. (Сайт НАСА/Опубликовано в интернете)

Миссия «Аполлон-17». М. Karron. Фотоколлаж старта ВС с Луны. На заднем плане луноход, с которого шла съемка ТВ камерой. (ru.pinterest.com /Опубликовано в интернете)

После старта ВС, камера по командам из ЦУП показала обезлюдевшую поверхность Луны с рукотворной посадочной ступенью. (Сайт НАСА/Опубликовано в интернете)

Лунный пейзаж. Фотоколлаж

(Сайт НАСА/Опубликовано в интернете)

Выведение на промежуточную орбиту Луны занимало не более 8 минут. Время до стыковки ЛМ с ОБ в разных экспедициях не превышало нескольких часов. Затем взлетная ступень отделялась и после тормозного импульса падала на Луну.

На ОИСЛ во время нахождения астронавтов на Луне и после их возвращения в отсек экипажа орбитального блока проводились исследования лунной поверхности с помощью научного оборудования, расположенного в двигательном отсеке ОБ. После перехода ОБ на траекторию полета к Земле пилот отсека экипажа выходил в открытый космос и забирал из двигательного отсека кассеты с результатами исследований.

Миссия «Аполлон-17». Р. Эванс в открытом космосе переносит пленки в отсек экипажа. Фото. (Сайт НАСА/Опубликовано в интернете)

Разделение отсека экипажа (ОЭ) и двигательного отсека, вход ОЭ в атмосферу, спуск и приводнение.

При подлете к Земле отсек экипажа отделялся от двигательного отсека ОБ и, примерно, через 15 минут входил в атмосферу на высоте 120 км. Спуск осуществляется в течение получаса, после чего отсек экипажа совершал мягкое приводнение в заданной акватории мирового океана…

Возвращаясь к событиям начала 70-х годов, следует сказать, что специалисты ЦКБЭМ, сравнивая обе программы по имеющейся тогда информации, сходились в том, что американский лунный комплекс по показателям технического риска выглядел предпочтительнее из-за меньшего количества ракетных блоков в своем составе.

Помимо этого в программе полета американцев отсутствовали рискованные операции по переходам астронавтов между различными частями корабля «Аполлон» через открытый космос, а также динамические операции, аналогичные отделению блока Д от лунного корабля и запуску двигателя ЛК на траектории падения в непосредственной близости от поверхности Луны.

Летные испытания Н1 начались позже, чем ракеты «Сатурн-5» и не имели успеха. Первый пуск состоялся в феврале 1969 г. и закончился аварией на 69 секунде полета. Уже в июле 1969 г. состоялся второй пуск, который также закончился неудачно с тяжелыми последствиями – ракета упала на стартовый стол, взорвалась и разрушила стартовое сооружение.

Испытания были остановлены. Выводы аварийной комиссии, а также отзывы министерства обороны содержали принципиальные замечания о неприемлемости принятых методов отработки масштабного комплекса Н1-Л3, с устранением недостатков не за счет расширения наземной отработки, а по результатам натурных пусков. Эти методы наследовали практику создания боевых ракетных комплексов, имевших меньшую сложность и размерность.

В замечаниях предлагалось изменить объём и характер наземной отработки Н1, обеспечить многоразовость включения маршевых двигателей, проводить их предполётные огневые испытания с целью отбраковки дефектных образцов до установки на летное изделие.

В мае 1971 г. прошло заседание Межведомственного научно – технического совета по космическим исследованиям при Академии наук СССР (МНТС) под председательством М. В. Келдыша с обсуждением состояния работ по лунной программе.

Межведомственный совет являлся совещательным органом, решения которого готовились для военно – промышленной комиссии (ВПК) при Совете министров СССР и носили рекомендательный характер.

На заседании МНТС подчеркивалось, что советская лунная программа должна быть не хуже, чем в США, и что высадка только одного космонавта на Луну в этом смысле уже не приоритетна. При этом Келдыш предлагал осуществлять переходы из ЛК в ЛОК через внутренний люк-лаз, дублировать систему сближения кораблей, предусмотреть огневые технологические испытания каждого блока ракеты H1. Руководству ЦКБЭМ и Главным конструкторам других предприятий рекомендовалось подготовить предложения по дальнейшим этапам лунной программы, а министерству общего машиностроения (министру С. А. Афанасьеву) организовать работы по этим предложениям.

В июне 1971 г. очередной, третий пуск Н1, вновь закончился аварией на 51 секунде полета из-за потери управляемости по крену.

Неопределенность с актуальностью лунной программы СССР и сроками ее реализации усугублялась. Поэтому уже в августе 1971 г. состоялось следующее заседание МНТС с конкретным предложением не осуществлять высадку на Луну одного космонавта.

Министерству общего машиностроения рекомендовалось выработать предложения по перспективам использования имеющегося задела работ по Н1-Л3. Для понимания складывающейся ситуации следует сказать, что принятие рекомендаций МНТС неизбежно приводило бы к остановке работ по созданию лунного корабля ЛК и лунного орбитального корабля ЛОК.

На фоне наших неудач американцы уже в июле 1969 года осуществили первую лунную экспедицию в составе корабля «Аполлон-11» с посещением поверхности Луны двумя астронавтами, а в декабре 1972 года завершили свою лунную программу полётом корабля «Аполлон-17». За это время было реализовано шесть успешных экспедиций на Луну. Вопрос о первенстве в лунной гонке был закрыт. Но оставался другой – что делать с нашей программой Н1-Л3?

В этой ситуации по инициативе Мишина в отделе Безвербого с конца 60-х годов стали проводиться исследования по возможным вариантам реализации модифицированной лунной программы Н1-Л3М с улучшенными характеристиками.

Все инициативы сводились к двум направлениям работ – повышению энергетических возможностей (грузоподъемности) ракеты Н1 и выбору облика модифицированного лунного корабля ЛКМ с анализом возможных схем его полета.

Увеличение грузоподъемности Н1 (в перспективе до 103—104 тонн массы полезного груза на низкой околоземной орбите) предполагалось обеспечить за счет использования жидкого водорода вместо керосина на второй и третьей ступенях ракеты, увеличения удельной плотности криогенного топлива при его переохлаждении, форсирования тяги двигателей первой ступени и других мероприятий. Рассматривались также варианты доработки конструкции ракетных блоков РН с целью увеличения массы заправляемого топлива.

В соседней группе Бориса Танюшина его сотрудниками Иваном Сидоровым, Сергеем Филипповым, Хусейном Бешли-Оглы и другими инженерами велась разработка многоцелевого кислородно-водородного разгонного блока Ср для использования в составе Н1 вместо блоков Г и Д.

Фирмой A.M. Исаева (сегодня КБ «ХимМаш») для этого блока разрабатывался двигатель 11Д56М. На стендовых изделиях проходили проверку новые для того времени решения, связанные с внедрением водорода в ракетную технику.1

Для проработки всего объема мероприятий по увеличению энергетических возможностей ракеты Н1 были привлечены подразделения ЦКБЭМ по принадлежности, а также соответствующая кооперация смежных предприятий. По предварительным оценкам, с учетом этих мероприятий, массу доставляемой на орбиту Луны полезной нагрузки можно было довести до 23 – 24 тонн.

Одновременно в группе Владимира Зайцева проводились поисковые работы по созданию модифицированного лунного корабля ЛКМ с массой не более 24 тонн и экипажем из трех человек. Назначение корабля и отдельные аспекты его тактико – технических характеристик уже докладывались в министерство. Предприятие прощупывало почву.

Моя работа в ЦКБЭМ началась с изучения документов по лунной программе. Многие из них были подписаны Королевым. Я с интересом рассматривал эту подпись с разных сторон и, похоже, тратил на это больше времени, чем на прочтение самого документа.

Однажды позвонил Безвербый. Я поднял трубку.

– Где Зайцев? – спросил он и, не дожидаясь ответа, попросил зайти.