Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 76

Компьютерра

04.07.2011 - 10.07.2011

Статьи

Как сделали первые снимки тёмной стороны Луны

Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 05 июля 2011 года

Что бы мы делали без Голливуда? Не посмотри я на днях третью часть боевика «Трансформеры», так бы никогда и не узнал, что на обратной стороне Луны была база десептиконов. И что ее фотоснимки получены советским космическим аппаратом «Луна-4», отправленным к нашему спутнику в апреле 1960 года. Как в «Трансформерах» сообщил один из русских космонавтов, которых готовили к пилотируемому полету на Луну, снимки, полученные автоматической межпланетной станцией «Луна-4» были намного детальнее тех, первых в истории человечества снимков, которые сделала станция «Луна-3». Именно они и позволили выявить наличие на соседке Земли следы пребывания супостата, что в дальнейшем привело к свертыванию советской и американской лунных программ, и остальной завязке сюжета мирового блокбастера.

Версия этой истории, рассказанная в фильме, конечно, занимательна. Только вот станция «Луна-4А» так и не добралась до Луны — из-за недолива горючего в бак третьей ступени ее ракеты-носителя, а «Луна-4B» вообще не взлетела из-за аварии на старте. А ведь именно эти аппараты должны были продолжить успешную фотосессию темной стороны Луны, выполненную седьмого октября 1959 года станцией «Луна-3». Именно в этот день (точнее, в три часа ночи) советский космический аппарат передал серию из 29 фотографий части лунной поверхности, которая с Земли никогда не видна. За этим достижением стоял труд сотен инженеров, разработавших ракету-носитель, разгонный блок межпланетной станции, уникальную фототелевизионную аппаратуру "Енисей" и (впервые!) реализовавших управление положением космического аппарата в межпланетном пространстве — с помощью автономной системы ориентации «Чайка».

Успешная реализация идеи, заложенной в «Чайке», положила начало эре управляемых космических полетов, а также возможности сближения и стыковки космических аппаратов.

Представьте, что вы фотограф, мчащийся на полной скорости в автомобиле по покрытому льдом шоссе. Вашей камере с мощным телеобъективом предстоит сделать снимок огонька на верхушке Останкинской телебашни, находящейся от вас в ста километрах. Всё бы ничего, только вот из-за отсутствия сцепления колес с дорогой машина мчится вперед, «вальсируя» — вращаясь вокруг своей оси. Представили? Именно с такой ситуацией столкнулись разработчики автоматической межпланетоной станции «Луна-3».

Сотни фантастических фильмов накрепко вбили нам в голову тот факт, что в космосе движение корабля происходит по вполне земным законам. То есть корабль движется носом вперед, подталкиваемый с кормы реактивными струями из двигателей. А когда надо повернуть, бравый капитан отклоняет джойстик вправо или влево, и корабль послушно меняет свой курс — словно автомобиль на дороге.

Увы, всё это неправда. В отличие от земных условий в космическом пространстве нет внешней среды, в которой осуществляется движение (аналога дороги, воздуха или воды). С одной стороны, это замечательно. Ракета-носитель разгоняет корабль до нужной скорости и придает ему нужное направление движения. Не встречая никакого внешнего сопротивления, корабль будет двигаться в заданном направлении бесконечно долго (не будем сейчас обсуждать воздействие на него гравитации окружающих небесных тел). Именно эта возможность позволяет при точном прицеливании направить космический аппарат в строго заданную точку пространства. На Земле такой фокус не пройдет: ветер, морские течения или выбоины на дороге неизбежно собьют движущийся объект с курса. Зато эти враги целенаправленного движения позволяют сделать его управляемым. Мы поворачиваем руль и благодаря сцеплению колес с дорогой машина поворачивает в нужном направлении. Ту же роль играют рули судна или самолета. Мы изменяем движение, словно отталкиваясь от внешней среды.

Но в космосе нет вообще ничего, и центр масс корабля и вращение его корпуса вокруг центра масс оказываются «развязанными». При этом центр масс движется по заданной траектории, а корпус корабля в отсутствие всяких влияющих факторов может беспорядочно вращаться. Так «вальсирует» на обледеневшей трассе движущийся автомобиль, колеса которого утратили сцепление с дорогой. Именно так, кувыркаясь, и движутся к цели межпланетные станции. Никакого гордого движения новосой частью вперед.

Кувыркание движущегося комического аппарата — обычно не большая помеха выполнению экспериментов на его борту. Но только не в случае «Луны-3». Перед этой межпланетной станцией была поставлена задача сфотографировать невидимую с Земли сторону нашей небесной соседки. Для этого объектив фотоаппарата нужно жестко зафиксировать в определенном направлении. Сама же станция должна продолжать свой полет по заданной ей с Земли траектории. То есть требуется как раз то самое красивое движение из фильмов.

Перед коллективом ученых и инженеров, возглавляемым Борисом Викторовичем Раушенбахом, была поставлена задача управления ориентацией станции: получением нужного положения корпуса корабля относительно внешних ориентиров, в данном случае Луны. Благодаря их усилиям к середине пятидесятых годов прошлого столетия была разработана теория управления ориентацией космических аппаратов, в которой в четкой форме математических выражений описаны принципы управления положением корпуса аппарата в космическом пространстве, коррекции траектории его движения и гравитационных маневров, предложены инженерные решения этих непростых задач.

К 1958 году лаборатория Раушенбаха создала действующий прототип автономной системы ориентации, названный «Чайка». 5 мая 1959 года на исследовательском полигоне Тюратам (будущий Байконур) были проведены автономные испытания новой системы ориентации.

Вот как их описывает один из участников: "После этого для полной проверки «Чайки» будущий спутник поднимается краном на гибкой подвеске, раскачивается и закручивается вручную относительно трёх осей. Микродвигатели, к всеобщей радости, «фыркают», подтверждая, что при последних перепайках на борту адреса команд не перепутаны".

Что до испытания в боевых условиях, то его «Чайка» проходила на межпланетной космической станции-фотографе «Луна-3».

Как Раушенбаху и его сотрудникам удалось четко зафиксировать объетивы фотокамер мчащейся во весь опор «Луны-3» за сотни тысяч километров от Земли?

Автономная система ориентации «Чайка» имела в своем составе следующие, взаимодействующие между собой, компоненты: восемь сенсоров солнечного света — по четыре на днище станции (на рисунках обозначены "S") и вокруг объектива окна объективов фотокамер (на рисунках обозначены "В"), три гироскопических сенсора-стабилизатора (на рисунках обозначены "d"), непрерывно измеряющих угловую скорость «Луны-3» в трех плоскостях. Один серсор лунного света (на рисунках обозначен "m"), находившийся между объективами фотокамер, четыре реактивных микродвигателя (на рисунке обозначены «V1-V4»), крестообразно расположенные перпендикулярно центральной оси станции и две пары реактивных микродвигателей (на рисунке обозначены «V5» и «V6»), крестообразно расположенные по касательной к центральной оси станции.

Информацию от сенсоров получал и обрабатывал электромеханический компьютер, логика работы единственной программы которого базировалась на уравнениях управления ориентацией, разработанных коллективом Раушенбаха. Этот же компьютер управлял моментами запуска и продолжительностью работы восьми реактивных микродвигателей. В качестве топлива в них использовался сжатый азот, хранящийся в специальном баке под давлением 150 атмосфер и подающийся в сопла через редуктор под давлением четыре атмосферы. Компьютер был связан с программно-временным устройством, в котором была заложена циклограмма всего полета «Луны-3».