СССР в Лунной гонке. Этап 2. Мягкая посадка и Лунный спутник (1963-1966)
Новой задачей стала мягкая посадка на Луну. Задача не была тривиальной. Даже проблема мягкой посадки на Землю на 1963 еще не была полностью решена - даже "Восхода" способного совершить мягкую посадку на Землю еще не было - а "Востоки", "Меркурии" и "Джемини" на нее рассчитаны просто не были. Корабли того периода неплохо тормозились парашютами, но удар спускаемого аппарата о поверхность Земли все равно выходил жестким и создавал угрозу гибели или тяжелого травмирования экипажа - потому советские космонавты летавшие на "Востоках" катапультировались и приземлялись на парашютах - а американские корабли садились в воду, гасившую удар, несмотря на риск затопления корабля после посадки и сильное ограничение, накладываемые на возможность посадки метеоусловиями. В целом даже знаменитые "Аполлоны" не имели полноценной системы мягкой посадки и толком не могли садиться на поверхность Земли. Но решение все же было очевидным - парашюты и тормозные ракеты, срабатывавшие у самой поверхности Земли должны были обеспечить мягкую посадку в будущем. Однако посадка на Луну была другим делом - у нее не было атмосферы, использовать парашют и аэродинамическое торможение было невозможно, так что тормозить приходилось двигателем. Однако двигатель на давал необходимой мягкости посадки, остаточная скорость все еще была слишком велика для хрупкого оборудования - а для вертикальной посадки на струе газов работающего двигателя, как садились посадочные аппараты "Аполлонов", требовалось и оборудование посовершеннее - такого тогда тоже не было. Кроме того нужна была и ракета-носитель способная дотащить до Луны не только лунную станцию - но и топливо для её мягкой посадки. Такой тогда тоже не имелось - о носителях тяжелого класса тогда только задумывались и искали подходы к их разработке. Требовалось другое решение - и оно было найдено. Лунник должен был гасить удар о поверхность надувной подушкой или коконом... которая не должна была лопнуть от удара. Не так уж и просто, правда?
Вес планируемых станций существенно возрос, как у нас, так и у американцев. Первые станции были небольшими: "Луна-2" весила 390 килограмм, "Луна-3" - около 280. Небольшими были и "Пионеры" (38 кг) и "Рейнджеры" (330 кг). Станции рассчитанные на мягкую посадку были много тяжелее: советская станция типа E-6, рассчитанная на мягкую посадку в полном комплекте весила более 1,5 тонн, из них на лунный спускаемый аппарат приходилось всего 100 килограмм.. Первый спутник Луны,-"Луна-10", модифицированная E-6 в сборе был чуть тяжелее - 250 кг спутника и почти 1,5 тонны агрегатного отсека, включавшего тормозной двигатель для выхода на орбиту Луны. Америкнские "Лунар Орбитеры" и "Сервейеры" с агрегатным остеком и тормозным двигателем весили около тонны. Новые задачи - доставка 1-2 тонн груза на орбиту Луны требовали более мощных носителей.
Рабочей лошадкой этого этапа советской программы стала ракета-носитель "Молния" - её обрезанная трехступенчатая версия стала ракетой-носителем "Восход", которая, после не столь уж глубокой модернизации, превратилась в "Союз". Бедой "Молнии" была четвертая ступень (она же разгонный блок) - "Блок Л". Он отказывал два раза из трех и ничто, никакие попытки найти и устранить причину, не позволяли добиться лучших результатов довольно много лет - да и соорудить более удачный разгонный блок никак не выходило... На Земле блок работал как часы - но его двигатель должен запускаться в невесомости, на низкой орбите - и вот там начинались проблемы. Конечно к середине-концу 1960-х его наконец довели до ума - и "Молния" стала основным средним носителем СССР (и впоследствии России) для запуска спутников на высокие орбиты и оставалось таковой до появления очень годного разгонного блока "Фрегат" в 2000-м... Но до доведения "Блока Л" до ума было еще много времени - а на Луну требовалось лететь уже в 1964. Чтобы справиться с проблемой и сохранять темп космической гонки было решено строить и запускать станции тройками - по 3 однотипных станции за раз, в надежде что хоть одну из них "Молния" не угробит. Несмотря на эту ситуацию язык все же не поворачивается назвать "Молнию" горе-батутом. И не потому что она была наша, советская. Просто первые три ступени "Молнии" были просто великолепны - и потому мы все еще летаем в космос на её усовершенствованном трехступенчатом варианте - "Союзе", а довести до ума разгонный блок гораздо сложнее, чем саму все остальные ракеты: он запускается уже на орбите и его остатки при всем желании не долетают до земли в сколь бы то ни было пригодном для изучения виде - а данные телеметрии были недостаточны для того, чтобы понять почему "блок Л" взорвался или (чаще) заглох. Поэтому ОКБ-1 бился о проблему "БлокаЛ" год за годом. усовершенствовал, пытался довести до ума, устранить недостатки - и все равно всё очень долго заканчивалось одинаково - два блока отказывают, реже взрываются, а третий работает нормально...
С другой стороны американцы к 1962 довели до ума носитель среднего класса "Атлас" с разгонным блоком "Аджена" - очень удачный носитель разработанный под руководством Карела Боссарта на базе баллистической ракеты "Тор", но уже изначально замышлявшийся как баллистическая и космическая ракета, безотказная и довольно надежная - только 16 из 109 запусков пары "Атлас-Аджена" окончились неудачей. Её вполне хватала на точные и успешные запуски к Луне "Рейнджеров" - но мощности на вывод к Луне тяжелой станции нового поколения не хватало. К 1964 году американцы все же довели до ума и третий разгонный блок - "Центавр", пригодный для использования со средним носителем "Атлас" и тяжелым "Титан". "Центавр" - очень мощный разгонный блок. В этом блоке используются мощные двигатели с огромной для устройств такого класса тягой двигателей в 10 тонн-сил каждый - а их на блок ставится как правило два (хотя есть и однодвигательный вариант). А 20 тонн сил - это очень прилично - двигатель "Аджены" выдала 8 тонн-сил, "Блок Л" - 7, а "Блок Д" - единственная хорошо работавшая ступень ракеты Н-1, впоследствии ставившаяся на "Протоны" для запуска межпланетных станций - 8,5. "Центавр" используется и поныне - чаще всего вместе с носителем "Дельта". Дикая мощность "Центавра" достигалась использованием капризных, технически сложных, дорогих и просто опасных двигателей на жидком водороде. Кислород-водородные двигатели имеют ряд недостатков - как топливо так и окислитель надо хранить в криогенных баках, при этом жидкий водород обладает низкой плотностью, делая ступени с такими двигателями крайне громоздкими - однако их удельный импульс (отношение тяги к расходу топлива), являющемуся главной характеристикой ракетных двигателей, просто великолепен и в вакууме почти в 1,5 раза выше, чем удельный импульс обычных ракетных двигателей на керосине и кислороде. Говоря попросту - кислород-водородный двигатель развивает в 1,5 раза большую тягу на 1 тонну топлива, позволяя выводить на траекторию большие грузы при меньшем расходе топлива. К успехам, достигнутым с помощью блока "Центавр" и ракет "Атлас" разных модификаций можно отнести не только американские лунные запуски - но и вполне современную часть космической программы, и в усовершенствованном и модернизированном виде используются и поныне. Кстати именно Тяжелыми ракетами "Титан-Центавр" с этим разгонным блоком, запускались американские марсианские станции "Викинг", а так же знаменитые "Вояджеры". В СССР так и не сумели создать аналог этого замечательного разгонного блока - потому советская программа отнюдь не блещет успехами в изучении внешних планет солнечной системы. В целом же "Атлас-Центавр" ни в чем не уступал "Молнии": он был едва ли не лучше в плане мощности и грузоподъемности и выигрывал в надежности, появление же даже однодвигательного варианта "Центавра" позволило американцам получить еще более мощный и эффективный носитель и начать череду побед. Появление этого блока сделало лунную гонку куда жестче - СССР постепенно терял преимущество в носителях.
Для посадки на Луну готовилась новая серия аппаратов - E-6. Это были большие, полуторатонные аппараты, поскольку поставленные задачи требовали коррекции траектории на пути к Луне и торможения у самой Луны для того, чтобы относительная скорость лунной станции и луны составляла несколько десятков метров в секунду. Общеизвестно, что для полета к Луне необходима скорость около 11 км/c, однако эта скорость нужна именно для выхода на орбиту Луны, при этом скорость аппарата относительно собственно Луны может быть абсолютно разной - все зависит от траектории выхода - но всегда будет много меньше собственно скорости до которой будет разогнан аппарат. Станции серии E-6 запускались чтобы как бы догонять Луну и подходили к ней с относительной скоростью около 2,5 км/c, так чтобы относительная скорость снижалась за счет движениям самой Луны. Эту скорость нужно было снизить до скорости сброса в несколько десятков метров в секунду - сама лунная станция вместе с надувным коконом весила не более 100-150 кг, все прочее 1,4 тонны приходилось на отсек двигателей и управления, включавший тормозной жидкостно-ракетный двигатель, двигатели ориентации и сложную систему управления, необходимую для выполнения всех маневров и сброса кокона с лунным модулем на заданной высоте. Первая серия из трех лунных аппаратов была запущена в январе-апреле 1963. Первые два запуска были неудачными, но третья - "Луна-4" вышла на траекторию к Луне...и промахнулась мимо Луны на 6000 километров. Правда причина была не в ракете. Механизмы управления двигателем и сами двигатели коррекции были еще не совершенными и очень ненадежными - в итоге станцию постигла судьба первой станции отправленной к Марсу - она не долетела. Причины были разные - на марсианской станции "Марс-1" неправильно оценили расход топлива двигателей коррекции, поэтому к последней коррекции менять курс было уже нечем, а на "Луне-4" отказала сама система управления полетом. Так что миссия была по большому счету провалена - хотя по пути станция все же успела поизучать земную магнитосферу и космические излучения и собрать сколько-то новых данных.
Советская космическая программа расширялась, запускались новые спутники, поэтому к полетам на Луну вернулись только в следующем, 1964 году. Начало 1964 ознаменовалось тем, что очередной американский аппарат серии "Рейджер", выведенный "Атлас-Адженой" достиг Луны (то есть в нее врезался) - и очередной американской неудачной попыткой пофотографировать луну с подлетной траектории - на аппарате (в который уже раз) отказало технически сложное, хотя и более совершенное чем советское бортовое оборудование. В марте-апреле 1964 СССР запустил еще две станции - по большому счету копии "Луны-4" с небольшими доработками. Обе были потеряны из-за отказа "блока Л" "Молнии". Зато американцам в августе того же года удалось запустить аппарат, который все таки смог сфотографировать Луну до того, как разбиться. Аппарат ("Рейнджер-7") начал съемку за 17 минут до удара и передал на Землю более 4000 кадров хорошего качества и разрешения - сказалось превосходство США в электронике. Тут американцы конечно блеснули - им удалось втиснуть в корпус аппарата полноценную телекамеру и высокоэффективный, способный к быстрой передаче данных передатчик, способный выплевывать в эфир 4 кадра высокого разрешения в секунду, в то время как наша аппаратура передавала каждый кадр минимум по 10 секунд, не говоря уже о времени необходимом для проявления и закреплении пленки. Единственным недостатком американской системы была дичайшая ненадежность. На устранение недочетов потребовался не один год, но когда система наконец заработала - она блеснула по полной.
Продвинуться в достижении поставленных задач СССР удалось только в 1965 - с марта по июнь были отправлены еще 4 однотипные станции, две из которых были потеряны из-за отказа "Молнии", но две - запущенные 9 мая ("Луна-5") и 8 июня ("Луна-6") все же смогли выйти на траекторию к Луне - однако полеты снова окончились неудачно. У "Луны-5" не отработал тормозной двигатель и станция разбилась о поверхность Луны, "Луна-6" повторила судьбу "Луны-4" - отказала система управления и станция прошла мимо Луны. На фоне этого обидным выглядел небольшой - но успех американцев: "Рейнджер-8" запущенный в феврале и "Рейджер-9", запущенный в марте смогли передать тысячи фотографий Луны, причем последние фотографии перед ударом были сделаны с очень небольшой высоты - на них были видны предметы размером до полуметра - американцы наконец-то смогли поднять надежность фототелеаппаратуры на надлежащий уровень. . При этом фотосеанс "Рейнджера-9" транслировался в прямом эфире - снимки передавались по ТВ сразу по получению их со станции. Последнее стало если не триумфом американцев, то очень хорошим публичным ходом, показавшим, что США не намерена уступать СССР и может продемонстрировать то, что не смог Советский Союз - и хотя с технической точки зрения подобные полеты для СССР выглядели (и были) во многом пройденным этапом - требовались новые успехи.
Одним из таких успехов стал "Зонд-3". Серия станций "Зонд" была предназначена для исследования межпланетной среды, а так же планет с пролетной траектории. "Зонд-1" был отправлен на Венеру и нес первую посадочную капсулу - но вышел из строя так и не достигнув "утренней звезды" из-за недостатков конструкции. Не дотянул до Марса и "Зонд-2". Однако "Зонд-3", запущенный 18 июля, успешно сделал полувиток вокруг Луны, отсняв в неплохом качестве ту часть поверхности Луны, которая не была отснята "Луной-3", а так же пересняв в более высоком качестве значительную часть обратной стороны нашего спутника, что позволило составить первую более-менее точную полную карту Луны - неотснятыми остались только приполярные области. Дешифровка снимков позволила выявить еще около 500 объектов - мелких морей, гор и кратеров. По итогам полета был выпущен первый в истории "Атлас обратной стороны Луны", за ним последовал первый в истории глобус Луны. После этого станция успешно продолжила изучать межпланетное пространство, включая состав межпланетного вещества путем спектрографии - это тоже было успехом и достойным шагом в изучении космоса. В целом же полет Зонда был очень неплохим успехом, прилично подзатмившим полёты "Рейджеров" - ведь все фотографии американцев были сделаны с "нашей" стороны Луны - а вот обратная сторона для них пока что оставалась недоступной - и хотя американцам удалось догнать СССР в ракетостроении - успех "Зонда" еще раз продемонстрировал превосходство в системах управления станциями.
Тем временем к полету готовилась новая очередь советских лунников серии Е-6. Еще три станции были готовы к полету на Луну. Все ожидали уже ставшими привычных потерь при запуске - но борьба за повышение надежности "Блока Л" наконец-то начала сказываться: разгонные блоки всех трёх "Молний" отработали нормально - и к Луне отправились "Луна-7" (4 октября 1965), "Луна-8" (3 декабря 1065) и "Луна-9" (31 января 1966). Станции были почти однотипны "Луне-4", но все недоработки, связанные с системами управления и двигателем были устранены, всё что отказало в прошлые разы были исправлено, переделано и доработано. И все равно у "Луны-7" отказал тормозной двигатель - и она разбилась о Луну так же, как "Луна-5" до нее. "Луна-8", однако всё же смогла затормозить и начать посадку - но мягкой она не вышла. Станция успешно затормозила, произошло отделение посадочного аппарата - все шло нормально, но посадочный аппарат погубил заводской брак надуваемого азотом амортизатора, который должен был погасить остаточную скорость - он лопнул при надувании, в итоге закувыркавшаяся под реактивной тягой вырывающегося из дыры азота, почти не амортизированная при ударе станция, ударилась о Луну и не вышла на связь. Зато спускаемый аппарат "Луны-9" смог успешно сесть на поверхность Луны став первой в истории космической станцией, совершившей мягкую посадку на другое небесное тело.
Посадка была потрясающим результатом. Станция передала три панорамы лунной поверхности при разных высотах Солнца над горизонтом, замерила радиоактивность лунного грунта (худшие ожидания о его наведенной веками облучения жесткой радиоактивности не оправдались), измерила уровень радиации на поверхности (оказавшийся достаточно безопасным и допускающим высадку человека на Луну), провела первые сейсмические измерения для оценки частоты попаданий по Луне метеоритов (что позволило доказать, что большинство кратеров имеют древнее происхождение). Изучение панорамы позволило так же отмести многие гипотезы о лунной поверхности - например предположение о том, что поверхность Луны покрыта толстым, многометровым, слоем пыли, образовавшейся при ударах метеоритов, космическом выветривании за счет перепадов температур между лунным днем и ночью, и остатков микрометеоритов. Стало ясно, что на Луну может сесть не только станция в надувном коконе, но и пилотируемый корабль. Безусловно посадка была важным шагом и очень многое рассказала людям о Луне. Это было воспринято как очередной триумф советской космонавтики.
Вслед за этим была еще одна победа: была достигнута и вторая цель этого этапа - запуск первого орбитального спутника Луны - "Луны-10". Станция представляла собой модифицированную станцию серии Е-6, технически близкую к станциям "Луна-4"..."Луна-9", но оснащенную уже не посадочной капсулой, а спутником луны. Схема полета этой станции была сложнее. Если траектория посадочных станций была куда проще - догнать Луну, развернуться к ней хвостом и тормозить что есть силы, а на заданной высоте и скорости отстрелить спускаемый аппарат, то Луне-10 требовалось двигаться так, чтобы торможение окончилось вблизи Луны, на высоте от 300 до 1000 км от Луны, а скорость аппарата была чуть выше 1,6 км/c - первой космической скорости для Луны. При меньшей скорости - станция бы рухнула на Луну, при большей 2,4 км/c - улетела бы прочь от Луны. Управление полета такой станции было более сложным - она нуждалась в очень точной коррекции траектории перед сближением с Луной и точным управлением тормозным двигателем - при этом система при торможении не могла полагаться на радиовысотомер, позволявший измерять скорость относительно Луны напрямую - как на обычных станция серии E-6. Основой программы полета стал очень точный расчёт траектории на Земле.
В марте 1966 были запущены две лунные станции этого типа, одна из которых смогла достичь Луны (ну а вторая была потеряна опять же из-за неисправности "Блока Л" очередной "Молнии" - повысить его надежность удалось, но блоки всё равно часто отказывали), после чего точно вывела на орбиту Луны отделяемый спутник массой около 300 кг. Орбита была эллиптической, около 1000 км в апоселении и около 300 в периселении. Это был полный успех. Задачей спутника стало изучение гравитации, радиации и состава луны. Было изучено гравитационное поле Луны (внезапно оказавшееся несферичным ввиду значительной неоднородности внутреннего строения спутника Земли), проведены продолжительные наблюдения за солнечной радиацией (в том числе во время вспышек) и уровнями радиации на поверхности. Была дифференцирована наведенная и естественная радиоактивность поверхности Луны - при этом изучение естественного излучения пород самой Луны показало, что значительную роль в сложении лунной коры играют базальты - такие же, как на Землей. Более чуткие магнитометры станции показали, что Луна все же обладает очень слабым (на 3 порядка слабее земного) магнитным полем, недостаточным для отражения любых космических частиц. Результат был подтвержден, когда станция (внезапно для многих тогдашних исследователей) обнаружила что Луна проходит через хвост земной магнитосферы - тогда точная форма магнитосферы Земли еще устанавливалась, и то что её хвост достигает Луны для многих было сюрпризом. Так же было установлено, что вокруг Луны почти в 100 раз больше микрометеоритов чем в пространстве между Землей и Луной - датчики микрометеоритов регистрировали более 10 попаданий микрообъектов по датчикам в час. Кроме того, на борту станции был установлен пакет мультивибраторов, подобранных так, чтобы по команде с Земли проигрывать в эфир "Интернационал". Музыка передаваемая станцией с орбиты Луны прозвучала на одном из заседаний XXIII съезда КПСС, её транслировали по радио. Миссия спутника была одним из последних больших успехов советской лунной программы - попытки Америки догнать и перегнать СССР начали оправдываться.
НАСА удалось осуществить свою первую мягкую посадку только в июне 1966, почти полугодом после "Луны-9" - но их аппарат - сходный с "Луной-9" по составу бортового оборудования и целям "Сервейер-1", запущенный ракетой "Атлас" с разгонным блоком "Центавр" - смог совершить первую в истории мягкую посадку на Луну за счет торможения двигателем, без использования двигателя мягкой посадки - без надувного кокона. При этом даже стартовый вес "Сервейера" составил чуть меньше тонны - в 1,5 раза легче станций типа Е-6, а вес посадочного модуля (вместе с двигателем мягкой посадки) - около 300 кг. В целом - это был очень большой шаг вперед, недоступный пока для СССР - американцам удалось нас догнать и по системам управления, и даже немного перегнать в плане конструирования собственно межпланетных станций.
Для ученых СССР же стало очевидно, что следующий шаг в освоении Луны невозможен без более мощного носителя, чем "Молния" - и этим носителем стал "Протон", на тот момент - новейший, созданный в 1965 году, и на 1966 год еще не имевший разгонного блока позволявшего полеты на Луну - но вскоре ему предстояло появиться. Посадка "Сервейера" была крупным шагом американцев вперед - и началом отработки способа посадки для лунных кабин кораблей "Аполлон" -и в этот момент американцы начали помаленьку обходить СССР. За "Сервейером-1" последовал "Лунар Орбитер-1" - первый американский спутник Луны, запущенный носителем "Атлас-Ценавтр" в августе 1966. В отличии от "Луны-10" он нес в основном не селенофизическое, а фотографическое оборудование - началась разведка возможных точек посадке будущего лунного корабля. Успех "Лунар Орбитера-1" и "Сервейера-1" показал, что американский технологический уровень не только догнал, но начал обходить советский.
В Лунной Гонке начинался следующий этап, самый ожесточенный и драматичный - подготовка к высадке человека на Луну...
====================================================================================
В заключении хотелось бы поблагодарить своих подписчиков, ожидавших продолжения рассказа про лунную гонку.
Отдельное спасибо @Tollss, @Techno54, @timur1976, @Timl, @mayamba, @Dencheig, @GrayEva, @berkyt1944, @stan.vv75 и другим пикабушникам за моральную поддержку, которая помогла мне так быстро доделать из готовых набросков эту часть.
А еще спасибо @Timl и еще одному пикабушнику, который предпочел остаться неизвестным, за небольшие, но очень приятные донаты.
