Американский лунный трактор

«Луноход-1» в павильоне «Космос» на ВДНХ (1971 год). Фото Александра Конькова (ТАСС), источник: https://mbk-news.appspot.com/suzhet/lunohodu-50/

⇡#В погоню за Советами

Быстрое и для многих неожиданное развитие ракетной техники и радиоэлектроники открыло перед учёными по обе стороны Атлантики небывалые перспективы для инструментальных исследований других небесных тел. Разумеется, в первую очередь астрономы и планетологи обратили взоры к Луне: она рядом, энергетика для её достижения представлялась вполне доступной, а вопросов научного характера к вечному спутнику Земли — множество. Особая её ценность заключалась в том, что серебряный лик не изувечило длительное воздействие атмосферы, и поверхность (или доступные слои под ней), по логике, должна была сохранить первозданные следы эпохи зарождения Солнечной системы. По мнению западных историков, «многие ученые считали Луну «Розеттским камнем» освоения космоса, полагая, что ее девственность поможет раскрыть секреты происхождения Вселенной».

Поначалу собственные космические программы развили все американские военные ведомства. Однако, как показали события октября 1957 года, преуспеть им особо не удалось, и для координации разрозненных усилий по инициативе президента Дуайта Эйзенхауэра (Dwight David Eisenhower) в феврале 1958 года было создано Агентство перспективных исследовательских проектов ARPA (Advanced Research Projects Agency). Его основной задачей стала разработка новых (в основном закрытых) технологий для использования в вооруженных силах.

ARPA и NASA были созданы в 1958 году по инициативе президента Эйзенхауэра. Источник: https://www.nasa.gov/feature/60-years-ago-eisenhower-proposes-nasa-to-congress

Космос быстро вошёл в сферу интересов людей в погонах, но, как выяснилось, не менее (а на тот момент и более) важным оказался его политический аспект. Вследствие такого «расслоения» по инициативе того же Эйзенхауэра в июле 1958 года было образовано Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства NASA (National Aeronautics and Space Administration) с задачей реализации гражданской космической программы. Последняя была призвана поддержать пошатнувшийся престиж США.

Очередное упоминание космической гонки, вероятно, уже набило оскомину. Однако большинство проектов изучения пространства на рубеже пятидесятых-шестидесятых невозможно рассматривать в отрыве от этого феномена: после запуска Первого спутника при их закладке первичным зачастую становился именно фактор реванша, а не научные соображения. Эти настроения в концентрированном виде выразил руководитель Директората космических полетов NASA Эйб Сильверстайн (Abe Silverstein), написавший как-то: «Люди [мира] с ожиданием наблюдают, есть ли у Соединенных Штатов научная любознательность, технические способности и национальная энергия, соответствующие усилиям Советов». Не удивительно, что вскоре после создания NASA взялось за реализацию более амбициозных задач.

Среди работ, начатых военными и переданных в гражданское космическое агентство, были доставка человека за пределы земной атмосферы (превратилась в проект Mercury), создание мощного средства выведения путем соединения «в связку» существующих управляемых ракет Redstone и Jupiter (вылилось в программу Saturn) и запуск первых автоматов для прощупывания окололунного пространства (вошёл в историю под именем зондов серии Pioneer). Как показывают документы, изучение Луны и ближайших планет Солнечной системы считалось весьма перспективной задачей. Теперь эти усилия следовало упорядочить, добавив к ним новизны и актуальности.

17 августа 1958 года была предпринята первая попытка запуска искусственного спутника Луны с помощью ракеты-носителя Thor DM-18 Able I. Фото NASA. Источник: https://www.nasaspaceflight.com/2018/09/evolution-thor-delta-swansong/

Поначалу первый администратор NASA Томас Кейт Гленнан (Thomas Keith Glennan), отражая осторожный подход президента США, не горел желанием инициировать сложные проекты, сосредоточившись на относительно простых задачах, под которые нетрудно было выбить поддержку Конгресса и, разумеется, бюджет. Однако вскоре под давлением общественного мнения ему пришлось заняться чем-то более интересным и сложным. Впрочем, как отмечают западные историки, помимо очевидных мотивов национального престижа, призывы к более смелому подходу раздавались и со стороны учёных, стремившихся использовать новые возможности техники для исследований космоса.

Основной задачей теоретического отдела, созданного среди прочих в NASA, была оценка технических потребностей и научных целей в таких областях, как планетология, астрономия и космология. Вскоре руководитель отдела, известный астроном Роберт Джастроу (Robert Jastrow), предложил сосредоточиться на Луне: по сравнению с дальними планетами её изучение сулило крупный результат при меньших затратах времени и средств. Внутри Национальной администрации была создана рабочая группа, которая должна была сформулировать основные задачи по исследованию Луны. В неё вошли многие ведущие эксперты, работавшие в этом направлении.

Незадолго до того, как группа собралась на свое первое заседание, русские запустили «Мечту». Первый в мире рукотворный объект, развивший вторую космическую скорость и впоследствии названный «Луной-1», добавил к любопытству американских ученых чувство уязвленного самолюбия. Возникла острая необходимость сформировать задачи для первых проектов близких — фактически контактных — исследований ночного спутника.

После непродолжительных обсуждений группа пришла к консенсусу. Эксперты признали, что максимальный результат принесёт прямой зондаж Селены путем визуального осмотра её поверхности с близкого расстояния и доставки туда научной аппаратуры, а также возвращение образцов лунного грунта для лабораторных исследований.

Запуск «Мечты» («Луны-1») заставил NASA форсировать работы по исследованию Селены космическими аппаратами. Фото Александра Моклецова / РИА «Новости». Источник: https://rg.ru/2019/01/02/60-let-nazad-byla-zapushchena-pervaia-v-mire-kosmicheskaia-stanciia-luna-1.html

⇡#Поиск концепции

Для понимания развития дальнейших событий надо держать в уме один важный аспект. Проработка самой грандиозной из программ NASA — проекта высадки человека на Луну — началась ещё до образования агентства и с определённого момента рассматривалась как логичный шаг после реализации первого проекта запуска человека в космос. Эта логика наложила отпечаток на остальные работы NASA начала 1960-х: всё, что было связано с космосом, так или иначе рассматривалось через призму полезности для лунной миссии.

Инженерные проработки аппаратов для решения перспективных задач начали Лаборатория реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory) и Агентство по баллистическим ракетам армии США ABMA (Army Ballistic Missile Agency). Обе организации, вошедшие в состав NASA — первая в качестве основного центра по исследованию планет, на основе второй был образован Центр космических полётов имени Маршалла, — весной 1959 года представили предварительные результаты своих изысканий.

Отчёт «Исследование Луны, планет и межпланетного пространства», подготовленный Лабораторией JPL, которой поручалось составить пятилетнюю программу изучения дальнего космоса, включал план десятка миссий, в том числе по облёту Венеры и Марса, выходу аппаратов на орбиту искусственных спутников планет и изучению их с поверхности. Зримое место занимала мягкая посадка на Луну стационарной станции и двух видов самоходных аппаратов-роверов: первая размещала сейсмографы, термометры и магнитометры, вторые должны были нести оборудование для исследования лунной поверхности и окружающей среды в различных точках, удалённых от места посадки. Первый ровер «всё своё носил с собой», второй был более простым — в его задачу входил сбор образцов грунта и передача их на стационарную станцию.

Хотя второй самоходный аппарат считался более надёжным (в случае его поломки терялась отменялась лишь часть программы миссии), с высот конца 1950-х все три проекта казались смелыми, амбициозными и… излишне рискованными. Не следует забывать, что к моменту выхода отчёта США предприняли в общей сложности 26 попыток космических запусков, и лишь 9 из них можно считать успешными. Ещё предстояло освоить даже не мягкую посадку, а сам полёт к Луне. Что уж говорить про сложные автономные напланетные станции и самоходных роботов!

Лаборатория JPL предлагала одним прыжком преодолеть пропасть между простейшими аппаратами для исследования Луны (на фото – Pioneer 3) и самоходными роверами-роботами. Фото NASA. Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pioneer_3.jpg

Подводя итог, специалисты JPL сделали вывод: если передвижение по поверхности и манипуляции с образцами окажутся слишком сложными, то разумнее отказаться от ровера и ограничиться стационарным посадочным аппаратом, а о возврате образцов грунта пока вообще не думать.

Предложения армейских ракетчиков, поданные в отчёте «Предварительные исследования беспилотного летательного аппарата для мягкой посадки на Луну», были менее смелыми (тяжёлая стационарная напланетная станция с большим набором инструментов), но опирались на носитель Saturn и позволяли «не экономить на спичках» в части массы научного оборудования. Ракета, над которой в ABMA начали работать в апреле 1957 года, считалась очень мощной (на порядок превосходила самые тяжёлые средства выведения, разрабатываемые на тот момент), сложной и дорогой. Поскольку военных задач под неё не находилось, разработка не двигалась из-за отсутствия финансирования. «Продать» её NASA представлялось возможным, загрузив Saturn сложной лунной миссией.

Космическому ведомству идея приглянулась, поскольку в ней увидели возможность отработать предварительную стадию программы высадки на Луну. И уже в феврале 1960 года армейцы представили доработанный отчёт «Программа исследования Луны на основе систем, запускаемых носителем Saturn», где излагалась стройная концепция из трёх взаимосвязанных проектов.

Первым был тяжёлый аппарат для облёта Луны и возвращения на Землю — по сути, полноценный корабль, на котором предполагалось выполнить сначала беспилотные миссии, затем полёты с приматами, а потом и вовсе с экипажем из двух человек. Он мог бы служить основой пилотируемого лунного посадочного корабля, к которому прилагалась система орбитальной сборки и дозаправки.

Вторым шла автоматическая напланетная станция с большим блоком научной аппаратуры, способная проработать на поверхности два лунных дня, или 28 земных суток.

Третьим значился автоматический вездеход, который должен был за один лунный день пройти 80 км, неся почти аналогичный комплект приборов.

Все три аппарата проектировались для запуска четырёхступенчатым вариантом носителя, который на тот момент обозначался как Saturn B-1. Станция и ровер строились на общей базе, и прилунять их предполагалось с помощью единого блока, включающего двигательную установку и посадочную платформу.

Ракета Saturn была на тот момент самым мощным из разрабатываемых космических носителей. Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Файл:Early_Rocketry_Models_0501018.jpg

Схема миссии выглядела любопытно. Аппарат отделялся от ракеты-носителя лишь на последнем участке перелёта «Земля — Луна», через 57 часов после старта с околоземной орбиты, и начинал выдавать тормозные импульсы, чередующиеся с паузами свободного падения на Луну. На активных участках он управлялся своей инерциальной системой, а на пассивных — по командам с Земли, идущим в режиме реального времени по телевизионному каналу.

С точки зрения минимального расхода топлива такая схема не была оптимальной, но при непрерывной работе двигателя существовал риск засветки систем точных теле- и радиоизмерений реактивным выхлопом. Кроме того, проектанты считали, что в любом случае управление с Земли даёт больше времени для бокового манёвра над поверхностью Луны, позволяя аппарату совершать точное прилунение в расчётной области.

После трёх тормозных импульсов платформа с полезной нагрузкой подходила к лунной поверхности на расстояние в 60 м со скоростью около 1 м/с. В этот момент двигательная установка отбрасывалась, а платформа прилунялась со скоростью примерно 14 м/с, используя для смягчения удара надувной мешок, примерно так, как советская станция типа Е-6/6М («Луна-9»).

Лунная арба

Как видим, большое внимание в работах JPL и ABMA уделялось мягкой посадке на Луну научных инструментов. Особо подчёркивалось, что ценность исследований возрастёт, если после прилунения появится возможность перемещать приборы по поверхности, что позволяет не только выбрать, но и «на месте» изучить районы будущих посадок астронавтов.

И если точная форма аппаратов, предложенных JPL, во многом зависела от результатов работы ранних пролётных и ударных (предназначенных для ж ёсткой посадки) зондов, то в отч ёте ABMA говорилось более конкретно.

Поскольку к конструкции предъявлялись строгие требования (при посадке ровер должен был выдерживать ударную перегрузку до 20 единиц и при дальности хода не менее 80 км преодолевать подъём крутизной в 15° и валуны размером до метра), а разработчики не имели точных знаний о характере и свойствах грунта, они заложили в проект возможность двигаться как по гладкой каменистой поверхности, так и по толстому слою пыли.

Один из способов посадки ровера Prospector. Источник: https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=28478.20

Из-за этих противоречий самоходный аппарат, управляемый дистанционно находящимся на Земле оператором, выглядел довольно нетрадиционно и напоминал нечто среднее между детским тр ёхколесным велосипедом и арбой — восточной телегой на двух высоких колесах.

По проекту, он перемещался на двух больших баллонах-дутиках диаметром 4,9 м, крепившихся к ступице спицами и сидевших на оси-платформе, на которую навешивалось всё служебное и научное оборудование. Устойчивость аппарату давал реактивный рычаг, состоявший из длинной штанги и ролика. Последний упирался в грунт, когда момент сопротивления на колёсах превышал крутящий момент двигателей. При смене направления движения штанга с роликом перебрасывалась на противоположную сторону ровера. Странная на первый взгляд конструкция казалась самой лёгкой и маневренной из всех рассмотренных вариантов.

Силовая установка состояла из турбоэлектрогенератора мощностью не менее 0,38 л.с. (280 Вт). Рабочим телом служила ртуть, нагреваемая зеркальным солнечным концентратором — он устанавливался над осью-платформой. Генератор, в свою очередь, питал два тяговых электродвигателя, стоявших в ступицах колёс, а также все служебные и целевые системы.

По замыслу разработчиков, ровер должен был ехать по поверхности Луны с постоянной скоростью 4,8 км/час. Такой режим движения выбрали из соображений простоты. Для управления работой каждого двигателя требовалось передать всего три команды: «включить», «выключить» и «реверс». Если оба двигателя включались одновременно, ровер двигался вперед или назад, а при остановке или реверсе одного из колес мог выполнить разворот «практически на месте». С высот сегодняшнего дня такие решения кажутся примитивными, однако уровень систем дистанционного управления, а также доступные технологии диктовали выбор в пользу простоты и надёжности.

Слева — ровер съезжает с посадочной платформы, справа – макет ровера в натуральную величину. Источник: https://gizmodo.com/this-early-lunar-rover-prototype-was-almost-forgotten-493099329