В этом году исполняется 60 лет с той даты, когда на Луне оказался первый искусственный объект — станция «Луна-2» (ее предшественница под номером один промахнулась и улетела по орбите вокруг Солнца). Сейчас на спутнике Земли — почти 80 рукотворных объектов. Среди них два советских «Лунохода», три американских лунных автомобиля Lunar Roving Vehicle (LRV) и добавившиеся к ним в XXI веке два китайских «Юйту».
Идею транспортного средства для передвижения по другим планетам в СССР впервые опубликовали в № 10 журнала «Знание — сила» в 1954 году. Журнал предложил своим авторам заглянуть на 20 лет вперед. И Юрий Хлебцевич описал идею лунного транспорта. Юрий Сергеевич был сотрудником Московского авиационного института, до этого занимался системами вооружений. Его аппарат назывался космической танкеткой и в общем был похож именно на небольшой танк, с гусеницами, управляемый по радио и оснащенный приборами для исследования окрестностей и взятия проб. Идея стала популярной — она казалась такой естественной, что без упоминаний о привезенных с Земли транспортных средствах не обходились ни писатели-фантасты, ни популяризаторы науки и техники.
В 1957 году Хлебцевич в статье, опубликованной в «Комсомольской правде», писал: «Наиболее удобно сначала послать на Луну в ракете не людей, а управляемую с Земли по радио танкетку-лабораторию. Расход топлива на полет составит только 250 тонн. Двигаясь по лунной поверхности, танкетка будет непрерывно вести и передавать на Землю телевизионную съемку, исследует грунт, температуру и состав лунной атмосферы. Связь с танкеткой будет абсолютно надежной. Если вдруг, вопреки всем расчетам, в радиотелеаппаратуре танкетки выйдет из строя какой-либо ответственный узел, танкетка сообщит нам об этом и сама заменит его на запасной или по команде с Земли так перестроит схему своей работы, что сможет обходиться без него».
Однако в 1959 году информация об этой идее стала исчезать из открытого доступа, а автору настоятельно не рекомендовали упоминать о «космической танкетке». В СССР началась разработка лунной программы, известной под кодовым названием «Программа Е», и транспортное средство для исследования других планет превратилось из фантастики в часть секретного проекта. Юрий Хлебцевич не дожил до реализации выдвинутой им идеи — он умер в 1966 году в возрасте 50 лет. Скорее всего, он так и не узнал, что в этом же году был утвержден эскизный проект «Лунохода». Правда, его конструкторы решили пойти по иному пути — первый лунный транспорт был совсем не похож на танк.
«Луноход» вообще не похож ни на какое транспортное средство. Внешне он напоминает коническую кастрюлю с крышкой на шарнире. Конструкцию машины продиктовали задачи по эксплуатации. Круглая форма минимизирует поверхность при максимальном объеме и обеспечивает прочность. Корпус изготовлен из магниевых сплавов. В откидывающейся «крышке» — солнечная батарея. На ночь — а ночь на Луне длится, как и день, примерно 14 земных суток — крышка закрывалась для улучшения теплоизоляции приборного отсека. А днем для зарядки ее поднимали. Положение регулировалось от полностью закрытого до открытия в горизонталь — на 180 градусов.
Вопрос терморегуляции был одним из самых важных. Приборы и аккумуляторы требуют довольно узкого диапазона температур — от 0 до 40 градусов по Цельсию, как на Земле. На Луне из-за отсутствия атмосферы ночью температура падает до минус 173 градусов по Цельсию — буквально космический холод, а днем поднимается до 127. Да и в светлое время лунных суток разница температур на освещенной стороне предмета и затененной превышает сотни градусов.
Поэтому на корпусе «Лунохода» есть теплоизоляция, а в верхней части — радиатор охлаждения. Для обогрева использовался источник тепла с радиоизотопом полония — выделяемое им при распаде тепло нагревает газ, который и переносит тепло в контур теплообменника. Сам радиоизотопный элемент вынесли за пределы корпуса.
Общей разработкой занимался машиностроительный завод имени Лавочкина в подмосковных Химках. А создание шасси доверили специализированному учреждению — ленинградскому Всесоюзному научно-исследовательскому институту номер 100. В наше время он называется ВНИИ транспортного машиностроения. Институт имел большой опыт создания ходовой части боевых машин, в том числе танков.
О состоянии поверхности Луны было много гипотез, но главный конструктор Сергей Королев принял волевое решение считать поверхность твердой. Раз на Луне нет болот и грязи, то гусеницы не нужны. Что упрощало задачу: ведь гусеницы имеют довольно высокое сопротивление и довольно сложную конструкцию. Поэтому для «Лунохода» после длительных дискуссий самым подходящим движителем все-таки сочли колеса.
Сначала колес планировали сделать четыре, но затем для повышения надежности решили поставить восемь. Подвеска полностью независимая, на торсионах. Каждое колесо имело собственный электромотор мощностью 40 Вт и встроенный редуктор. В случае поломки пиропатрон по команде с Земли разрушал связь между мотором и колесом — так что при выходе из строя одного из них или даже нескольких машина сохраняла подвижность. «Луноход» был рассчитан на движение даже при отказе пяти моторов из восьми. Возможность разрушения редукторов добавили из-за вероятности сваривания деталей при сильном сжатии — при отсутствии воздуха на поверхности не образуется оксидная пленка, несмотря на смазку сульфидом молибдена. Но пиропатронами так и не пришлось воспользоваться — привод «Лунохода» оказался достаточно надежным.
Проблемой оказались тормоза. Хотя замедление осуществлялось переключением двигателей в режим торможения, для фиксации машины на уклонах использовались дисковые тормоза. На деле случилось непредвиденное: электромагнитный привод заблокировал тормоза еще в начале выполнения программы. Но запаса мощности двигателей хватило, чтобы «Луноход-1» проработал до своего естественного конца.
Поворот осуществлялся «танковым» методом, за счет разницы в скорости вращения колес правого и левого борта. Электромоторы могли вращаться и в обратную сторону, так что «Луноход» был способен двигаться и задним ходом или поворачивать на месте.
Было и еще одно колесо, девятое — оно предназначалось только для измерения пройденного пути. Ведущие колеса могли пробуксовывать и их обороты не давали точных данных, а небольшое и легкое дополнительное катилось позади свободно.
Для питания электромоторов использовали серебряно-кадмиевые аккумуляторные батареи общей емкостью 200 А∙ч, которые заряжались от солнечной батареи. Это всего в четыре раза больше, чем стартерные батареи легковых автомобилей. Но аккумуляторы «Лунохода» постоянно подзаряжались, да и скорость его движения была невелика.
Испытывали и обучали водителей «Лунохода» на специально построенном лунодроме под Симферополем, а затем на Камчатке, возле вулканов Шивелуч и Толбачик. Недавнее извержение 1964 года превратило их окрестности в хорошую имитацию лунной поверхности.
Чтобы не перегружать шасси, рассчитанное на силу тяжести, меньшую в шесть раз, машину полностью лишили полезной нагрузки, а для более точной имитации ее поведения поставили мачту — она подняла на нужный уровень центр тяжести. Сетчатые колеса на титановых ободьях для испытаний укрепили стальными пластинами. Управляли «Луноходом» по кабелю. Испытания сопровождались проблемами — авария вертолета, задержка с доставкой оборудования, — но все они были успешно решены.
Первый «Луноход» отправился к месту службы 50 лет назад, 19 февраля 1969 года. Но запуск оказался неудачным — после 51,4 секунды полета ракеты-носителя «Протон» произошло разрушение носового обтекателя, что привело к взрыву. Потерянный «Луноход» обычно называют нулевым. Первым считают тот, который доставила на место работы станция «Луна-17». Она стартовала 10 ноября 1970 года и прилунилась 17-го.
Кстати, это была третья мягкая посадка советского космического аппарата на естественном спутнике Земли после «Луны-9» и «Луны-13» в 1966 году. Другие посадки проходили иначе. Первое прилунение «Луны-2» произошло со скоростью 3,3 километра в секунду и оставило кратер диаметром в несколько десятков метров. Сложный «Луноход», начиненный измерительной аппаратурой, вряд ли сохранил бы работоспособность после такой посадки. Мягкой посадки удалось добиться после 11 неудачных попыток. Впрочем, далее лунная программа выполнялась со значительно меньшими потерями.
Управление «Луноходом» было удаленным — его вел оператор с Земли. Обеспечением работы водителя занималась целая команда из пяти человек. Это было непросто — сигнал с Луны до Земли идет полторы секунды, а имевшиеся в те годы средства связи не позволяли передавать видео — слишком узкий канал. Поэтому операторы видели отдельные кадры, да еще и с промежутками от трех до 20 секунд. Изображение было очень контрастным, без полутеней, что затрудняло определение расстояния. Именно поэтому скорость движения ограничили, чтобы экипаж на Земле успевал своевременно вносить корректировки.
Скорость движения снижала также необходимость подзарядки в начале лунного дня — на это уходили примерно двое земных суток. Потом в середине лунного дня свет падал на поверхность вертикально и отсутствие теней затрудняло ориентацию. Периодически машина уходила из зоны видимости радиосигнала, и это тоже исключало возможность управления.
И наконец, перед окончанием лунного дня надо было развернуть «Луноход» так, чтобы при восходе раскрытая батарея сразу попала под лучи Солнца. На ночь ее закрывали, чтобы снизить потери тепла.
В команду по управлению «Луноходом» входили командир, оператор-водитель, оператор направленной антенны, штурман и бортинженер. Первые трое работали непосредственно у пульта. Несмотря на многочисленность, напряжение было таким, что экипажи менялись каждые два часа — работоспособность падала. Общая продолжительность одной смены из двух экипажей не превышала десяти часов.
Несмотря на все эти сложности, за три месяца «Луноход» полностью выполнил плановую программу. Но машина осталась работоспособной! Поэтому на каждый следующий лунный день придумывали новые задания. За без малого год активной работы «Луноход-1» прошел 10 540 метров, сделал и передал на Землю 211 панорамных снимков (можно посмотреть здесь) и около 25 000 кадров. Был проведен анализ грунта в более чем 500 точках.
В сентябре 1971 года был исчерпан ресурс источника тепла и с наступлением очередного лунного дня «Луноход» не вышел на связь.
«Луноход-2» был доставлен станцией «Луна-21» 15 января 1973 года в точку, находившуюся от места первого «Лунохода» в 172 км.
Новый аппарат несколько отличался от первого — для упрощения управления поставили дополнительную камеру на высоте около полутора метров, чтобы обеспечить обзор примерно с высоты человеческого роста, что отодвинуло границу зоны обзора с одного метра до трех. Также появились новые приборы, так что масса увеличилась до 836 килограммов. И конечно, были улучшены тормоза. Наработанный опыт позволил эксплуатировать «Луноход-2» более эффективно — за четыре месяца работы он прошел 39,1 км — сначала по данным одометра получилось 37, но позже картографы из МИИГАИК проанализировали траекторию и уточнили расстояние. Было сделано 80 панорамных фото, на Землю передано 80 тысяч телефотоснимков, проведены замеры и проанализирован состав лунного грунта.
Однако одно из усовершенствований его и погубило — датчик положения новой конструкции вышел из строя во время спуска «Лунохода-2» с транспортной площадки, операторам пришлось ориентироваться визуально и по положению колес. Возможно, именно это привело к его сваливанию в кратер. При попытке выбраться из него открытая солнечная батарея зачерпнула грунт. Затем ее попытались закрыть, и грунт насыпался на радиатор охлаждения. В итоге и покрытая остатками пыли батарея стала менее эффективной, и радиатор стал хуже отводить тепло. Температура внутри приборного отсека повысилась, приборы перестали работать.
Тем не менее программа в целом была выполнена. Официально «Луноход-2» закончил свою работу 4 июня 1973 года (рассекреченный отчет).
Следующий космический аппарат с Земли прилунился 14 декабря 2013 года — это был китайский «Юйту».
В СССР построили и «Луноход-3», но его запуск, запланированный на 1977 год, был отменен в связи с прекращением лунной программы. Сейчас абсолютно новый «Луноход-3» хранится в музее НПО имени Лавочкина.
Оставшийся на Луне «Луноход-2» еще раз послужил интересам российской науки через 20 лет. В декабре 1993 года он вместе со станцией «Луна-21» был продан на аукционе Sotheby’s за 68 500 долларов, которые получило НПО имени Лавочкина. Новый владелец Ричард Гэрриот, — создатель компьютерных игр Lineage, Ultima и Tabula Rasa, — получил возможность взглянуть на свою собственность лишь в 2010 году, и то только на снимках спутника NASA Lunar Reconnaissance Orbiter. До этого он успел побывать на околоземной орбите в качестве туриста в 2008 году. Также ему принадлежит копия первого искусственного спутника Земли. Любовь к космосу передалась ему по наследству — его отец Оуэн Гэрриот был астронавтом и побывал на орбите дважды. В 1973 и 1983 годах.
Американский Lunar Roving Vehicle (LRV), в отличие от советских луноходов, изначально создавался как средство для поездок астронавтов. Хотя Вернер фон Браун в 1964 году писал, что первоначальные исследования должны производить автоматические транспортные средства — в этом его мнение полностью совпало с идеями Юрия Хлебцевича. Однако в перипетиях лунной гонки двух сверхдержав США решили сделать ставку на то, чтобы первыми доставить на Луну человека, и транспортное средство должно было соответствовать этой задаче. Хотя и советские луноходы, по задумке, должны были стать участниками именно высадки человека на Луне, разведав обстановку перед посадкой лунного модуля с космонавтами. Да и возможность транспортирования человека на них планировалась — правда, как дополнительная функция. А вот у американцев на этом «лунном автомобиле» было два кресла.
LRV сопровождали космонавтов, посетивших Луну на трех «Аполлонах» — под номерами 15, 16 и 17. Первый из них прилунился 2 августа 1971 года, второй — 20 апреля 1972-го, а третий — 14 декабря 1972-го. Таким образом, все они отработали между окончанием работы первого «Лунохода» и прибытием второго. Так сказать, не давали Луне забыть о существовании земных транспортных средств.
Машины возить пришлось каждый раз — LRV были одноразовыми, их батареи не подлежали перезарядке.
В отличие от советской программы, стоимость постройки LRV известна довольно точно — всего на постройку четырех «роверов» (три улетевшие на Луну и один запасной) ушло 38 миллионов долларов.
Подрядчиком выступил Boeing, обойдя других претендентов, — его проект оказался самым рациональным. Другие компании предлагали слишком сложные машины. Однако Boeing разделил работу со специализированными компаниями — так, электромоторы были сделаны Delco, а привод и колеса создала General Motors.
Колеса несколько напоминают «Луноходы», что неудивительно — работа в одинаковых условиях предполагает схожие решения. Они также сетчатые, на алюминиевых ободьях и с титановыми накладками. В каждом колесе смонтирован электромотор мощностью всего 190 Вт, но при 10 000 об/мин, и редукторы с передаточным числом 80:1 — то есть реальная скорость вращения колеса не превышает 125 об/мин. Редукторы представляют собой волновую передачу (разновидность зубчатой передачи, предполагающая одновременное зацепление нескольких зубцов) — очень компактные и с высоким передаточным числом. За создание этих колес инженер General Motors Ференц Павлич получил особую благодарность NASA.
Поскольку LRV доставляли вместе с лунным модулем, он был складным — в раме были предусмотрены шарниры в трех местах. Складывались и сиденья. При этом крепили его снаружи — для машины, предназначенной для работы в вакууме, перелет с лунной орбиты не представлял никакой опасности. Он был сложен так, чтобы уже при извлечении раскладывался в рабочее состояние одним астронавтом при участии другого.
Машина представляет собой голую алюминиевую раму с установленными на ней сиденьями и аккумуляторами позади них. Собственная масса LRV равен 210 кг, а полезная нагрузка могла достигать 490 кг. Бóльшую ее часть составляли космонавты — один лунный скафандр имеет массу более 90 кг, так что два космонавта в скафандрах на Земле весят около 360 кг. Впрочем, в условиях Луны полный вес составлял примерно 117 кг. Как и «Луноходы», LRV имели по одному электромотору в каждом колесе. Также все колеса были управляемыми, причем с помощью электропривода. Для питания использовались две серебряно-цинковые батареи емкостью по 121 А∙ч каждая. Этого было достаточно для нескольких часов работы. В первой экспедиции LRV ездил в общей сложности три часа и две минуты, во второй — три часа 26 минут, а в третьей уже четыре часа 26 минут.
Управление осуществлялось единственной рукояткой между сиденьями — ее можно было двигать вперед, назад, вправо или влево в соответствии с желаемым направлением движения. Положение «до упора назад» включало стояночный тормоз.
Никто не совершенен, вот и у LRV уже в первой экспедиции вышел из строя привод управления передними колесами. Так что астронавту Дэйву Скотту пришлось удостовериться, что машина достаточно хорошо управляется только при помощи поворота задних колес. У обоих следующих LRV астронавты случайно отрывали заднее крыло, и поднимаемая колесами лунная пыль засыпала приборы и аккумуляторы, которые из-за этого перегревались и отдавали меньше энергии. Астронавтам пришлось закрывать колесо подручными материалами.
Машина была оснащена телекамерой и комплексом связи с Землей. Так что управление мог взять на себя и оператор из ЦУПа — в этом плане они не отличались от «Луноходов». Но LRV передвигались по Луне только с астронавтами.
Главной задачей LRV было увеличить район действия астронавтов — при уменьшенной в шесть раз силе тяжести скорость пешего передвижения была невысока, а люди в скафандрах были ограничены временем, на которое хватило бы запасов воздуха и воды для питья и системы охлаждения. Машины могли развивать до 18 км/ч — эта скорость, кстати, до сих пор остается рекордной для Луны. Но обычно ездили медленнее — машину ощутимо трясло даже при полной нагрузке. Первое время дальность поездки от посадочного модуля ограничивалась временем, за которое человек в скафандре мог бы вернуться к кораблю пешком в случае поломки. Но позже этот лимит сняли, и астронавты позволяли себе уезжать на дистанцию до 7,6 км. Благодаря LRV уже в экспедиции на «Аполлоне-15» они преодолели бóльшую дистанцию, чем участники первых трех экспедиций вместе взятые.
Китайский аппарат «Юйту», что в переводе означает «Нефритовый заяц», прилунился в декабре 2013 года — более чем через 40 лет после прекращения работы «Лунохода-2». Хотя сравнивать его с «Луноходами» или тем более с LRV как-то не просто — уж очень он оказался медленным. Двигался со скоростью 200 метров в час и хоть и проработал два с половиной года, прошел за это время всего 114 метров. В заявленном режиме он прослужил два месяца, хотя подавал сигналы без малого три года, до августа 2016-го. С его помощью китайские ученые получили ценный материал — на мачте высотой 1,5 метра установлена стереокамера, есть и другое исследовательское оборудование.
В 2019 году на Луну прибыл «Юйту-2» — он стал первым луноходом, двигающимся по обратной стороне Луны. По состоянию на 9 апреля этого года он проехал 171 метр. На нем установлены вращающаяся стереокамера с углом обзора 360 градусов, радары, спектрометр и другие приборы, позволяющие получить много новой информации.
Аппарат | Период работы | Пробег, м | Размеры | Масса, кг | Мощность, Вт | Аккумуляторы |
«Луноход-1» | 17.11.70 – 14.09.71 | 10 540 | 2215х2150х1920 | 756 | 8х40 | Серебряно-кадмиевые, 200 А·ч |
LRV «Аполлон-15» | 31.07.71 – 02.08.71 | 27 760 | 3099х2060х1140 | 210 | 4х190 | Серебряно-цинковые, 2х121 А·ч |
LRV «Аполлон-16» | 21.04.72 – 23.04.72 | 26 550 | 3099х2060х1140 | 210 | 4х190 | Серебряно-цинковые, 2х121 А·ч |
LRV «Аполлон-17» | 14.12.72 – 16.12.72 | 35 740 | 3099х2060х1140 | 210 | 4х190 | Серебряно-цинковые, 2х121 А·ч |
«Луноход-2» | 15.01.73 – 14.07.73 | 39 100 | 2215х2150х1920 | 836 | 8х40 | Серебряно-кадмиевые, 200 А·ч |
Yutu-1 | 14.12.13 – 03.08.16 | 1 44 | 1500х1000х1100 | 120 | Н. д. | Н. д. |
Yutu-2 | 03.01.19 – н.в. | 171* | 1500х1000х1000** | 135** | Н. д. | Н. д. |
Если когда-нибудь на Луну все-таки начнутся экскурсии, в программу можно включить помимо природных и техногенные достопримечательности. Все-таки восемь десятков рукотворных объектов — уже кое-что. И совсем необязательно, что экскурсии будут пешими. Благо ездить по Луне мы уже умеем.