Посадка на місяць - польоти до Місяця

Зустріч космічного апарату з Місяцем, якщо не будуть прийняті спеціальні заходи, повинна привести до його руйнування внаслідок удару об поверхню Місяця. Спробуємо з'ясувати величину швидкості зіткнення.

Нехай політ відбувається по напівеліптичними траєкторії з початковою швидкістю 11,09 км / с, повідомляється у поверхні Землі в напрямку її обертання. В апогеї в момент досягнення орбіти Місяця відстань космічного апарату від Землі становитиме 60 земних радіусів. Відповідно до формули швидкість апарату в цей момент буде дорівнює км / с, причому рух буде відбуватися в ту ж сторону, куди рухається Місяць. Але швидкість Місяця дорівнює 1 км / с. Тому відносна швидкість зближення космічного апарату з наганяє його Місяцем складе км / с.

З такою швидкістю апарат вдарився б об поверхню Місяця, якби Місяць не притягають його. Сфера дії Місяця наганяє апарат в той момент, коли він наближається до свого апогею. При цьому швидкості апарату і Місяця мають майже однакові напрямки. Тому можна вважати, що початкова селеноцентрична швидкість руху космічного апарату всередині сфери дії Місяця (селеноцентрична швидкість входу в сферу дії) дорівнює 0,8 км / с. З огляду на, що початкова відстань між ними дорівнюватиме 66000 км, ми зможемо обчислити швидкість апарату на відстані радіуса Місяця (1737 км), т. Е. В момент удару. Вона виявляється рівною 2,5 км / с.

Якщо збільшити швидкість відльоту з Землі, то ще сильніше збільшиться швидкість космічного апарату на підході до Місяця. Якщо, наприклад, політ відбувається по параболічної траєкторії з початковою швидкістю 11,19 км / с, то апарат в момент перетину кордону сфери дії Місяця буде мати швидкість порядку 1,3--1,6 км / с), тобто збільшення швидкості відльоту з Землі всього лише на 1% (в порівнянні з мінімальною швидкістю) призводить до збільшення швидкості на кордоні сфери дії Місяця і 6-8 разів. До того ж Місяць тепер буде рухатися не навздогін апарату, а напереріз йому. В результаті відносна швидкість входу апарату в сферу дії Місяця складе 1,7-1,9 км / с. Відповідно швидкість падіння на поверхню Місяця складе 2,9-3,0 км / с.

Як бачимо, зі збільшенням початкової швидкості швидкість падіння на Місяць помітно збільшується, хоча і не в такій мірі, як швидкість зустрічі зі сферою дії Місяця.

Принагідно зауважимо примітна властивість селеноцентрична траєкторій всередині сфери дії Місяця. Швидкість звільнення від місячного тяжіння на кордоні сфери дії Місяця дорівнює 383 м / с. Отже, навіть мінімальна селеноцентрична швидкість входу в сферу дії (0,8 км / с) більш ніж удвічі перевищує параболічну. Тому селеноцентрична траєкторії всередині сфери дії завжди представляють совою яскраво виражені, гіперболи.

Благополучна посадка на Лупу автоматичної станції вимагає повного пли майже повного погашення швидкості її падіння. Так як Місяць не володіє атмосферою, то єдиним способом погашення швидкості є гальмування за допомогою ракетного двигуна.

Запас палива для гальмової рухової установки (ТДУ) повинен міститися на борту космічного апарату. Який цей запас? Якщо припустити, що характеристична швидкість гальмування (швидкість, яка гаситься, плюс гравітаційні втрати) дорівнює 3 км / с, а швидкість витікання продуктів згоряння також дорівнює 3 км / с, то згідно з формулою Ціолковського маса космічного апарату при початку гальмування повинна бути в 2, 7 рази більша за масу в кінці гальмування, т. е. паливо повинне становити 63% маси апарату.

Щоб витрати палива на гальмування були мінімальні, необхідно вивести автоматичну станцію на траєкторію польоту до Місяця з мінімальною початковою швидкістю. При цьому, як ми бачили, швидкість, яку треба погасити, дорівнює 2,5 км / с.

Таким чином, траєкторії перельоту, призначені для посадки на Місяць, відрізняються від "ударних" траєкторій попадання тим, що перші - еліптичні, а другі, як правило, - гіперболічні, близькі до параболи. Але еліптичні траєкторії особливо чутливі до похибок у величині початкової швидкості і політ по ним вимагає додаткового запасу палива для корекції.

Щоб зменшити кількість палива, що витрачається на гальмування, теоретично найвигідніше починати гасити швидкість на мінімальній відстані від Місяця. Чим довше відбувається гальмування, тим більше гравітаційні втрати (гальмівний двигун повинен не тільки погасити вже наявну швидкість, але і довше перешкоджати її подальшого зростання під дією тяжіння Місяця). Обмеженням тут є те, що надто швидке гальмування поблизу Місяця може привести до настільки великим перевантаженням, що вони зруйнують наукову апаратуру або знищать космонавтів. Недоцільно також розбивати гальмування на кілька активних ділянок (наприклад, перший розташувати на висоті 1000 км над Місяцем), так як це тільки збільшило б енергетичні витрати.

Тут діє загальний принцип механіки космічного польоту: завжди вигідніше витрачати паливо поблизу від небесного тіла, ніж удалині від нього.

Управління при посадці має здійснюватися бортовий автономною системою, так як точність стеження за рухом апарату з Землі є недостатньою і до того ж сигнали з Землі будуть запізнюватися (радіосигнал від Землі до Місяця і назад йде 2,5 с). Лише перший сигнал про початок маневрів по спуску може даватися з Землі. Гальмівна рухова установка не може включатися по сигналу програмного тимчасового влаштування, що знаходиться на борту космічного апарату, так як незначна помилка в величині початкової швидкості відльоту з Землі, що дорівнює, наприклад, 0,3 м / с, призведе до помилки в часі зустрічі з Місяцем на 100 с, і гальмування почнеться на нерозрахункової висоті, оскільки апарат за цей час пролетить приблизно 260 км.

Залежно від можливостей системи управління посадка може бути грубої (або, як ще кажуть, "жорсткої" або "полужесткой"), коли швидкість зустрічі апарату з місячною поверхнею складає десятки метрів в секунду (швидкість автомобіля, налітає на перешкоду, і м'якою, коли примісячення відбувається настільки ж плавно, як приземлення парашутиста.

При грубої посадці швидкість зближення космічного апарату з Місяцем гаситься повністю на деякій висоті над місячною поверхнею, після чого апарат вільно падає. За нездійсненого американським проектом (варіант програми "Рейнджер"), наприклад, точне падіння мало розпочатися на висоті 350 м і привести до зустрічі з Місяцем зі швидкістю 40 м / с.

При м'яку посадку після повного або майже повного погашення швидкості основним двигуном можуть включатися допоміжні малі ( "верньерного") ракетні двигуни. Вони управляються в залежності від показань радіолокатора (дані про швидкість) і радіовисотомір (дані про висоту) і повинні утримувати швидкість падіння в вузьких межах, а також не дозволяти апарату перекинутися. Верньерного двигуни можуть працювати безперервно або в імпульсному режимі. Порівняно слабкий удар при посадці амортизується за допомогою спеціальних пристосувань.

Уявімо собі, наприклад, що ми хочемо запустити вертикально вгору ракетний апарат з параболічної швидкістю (т. Е. 11,19 км / с біля поверхні Землі), але ми недобрали швидкість і повідомили йому 11,09 км / с. При цьому, як ми знаємо, апарат досягне орбіти Місяця з нульовою швидкістю. Якщо ми хочемо тепер тут, на відстані 384 400 км від Землі, змусити апарат все ж "досягти нескінченності", то повинні вже добратися не 0,1 км / с, а 1,4 км / с (параболічна швидкість на орбіті Місяця).

При розгоні з орбіти станція отримала швидкість, яка забезпечувала досягнення Місяця через 3,5 добу. Завдяки цьому в момент примісячення станція повинна була бути наблюдаема з Землі високо над горизонтом. Як видно з малюнка траєкторія польоту була близька до траєкторії мінімальної швидкості. Швидкість зіткнення з Місяцем, яку потрібно було погасити при посадці, дорівнювала 2,6 км / с. Її можна було б зменшити, зменшивши швидкість сходу з навколоземної орбіти, але це привело б до більшої чутливості траєкторії перельоту до помилок і, як наслідок, до зростання кількості палива для корекції, від чого корисне навантаження станції тільки б зменшилася.

Після виходу на траєкторію польоту до Місяця станція "Луна-9" відокремилася від розгінного блоку. Її маса становила +1583 кг. Станції було надано обертання навколо осі, перпендикулярної до напрямку на Сонце. Це забезпечило постійний температурний режим станції.

Щоб була погашена швидкість зближення станції з Місяцем, вісь гальмівного двигуна повинна бути розташована уздовж вектора швидкості, соплом вперед. Орієнтація станції в такому напрямку була б легко досягнута, якби падіння на Місяць відбувалося вертикально по траєкторії, що проходить через центр Місяця, так як оптичні засоби дозволяють легко визначити напрямок на центр видимого зі станції диска Місяця, тобто побудувати місячну вертикаль.

Проведемо через центр Місяця Про пряму, паралельну вектору швидкості зіткнення в точці А. до перетину її в точці В з гіперболою падіння на Місяць. Змусимо вісь гальмівного двигуна розташуватися в точці В по місячній вертикалі ОВ, і нехай при подальшому русі до точки А система орієнтації буде утримувати космічний апарат в заданому положенні, так що апарат буде переміщатися поступально. Таким шляхом в точці А тяга двигуна зможе бути спрямована необхідним чином.

Іншим прикладом програми м'якої посадки може служити програма, яка використовувалася при польотах американських космічних апаратів серії "Сервейер".

Маса апарату "Сервейер" дорівнювала 950 кг, причому дві третини її доводилося на гальмівну рухову установку. Апарати виводилися на траєкторії польоту до Місяця за допомогою ракет-носіїв типу "Атлас - Центавр". Через три дні польоту на відстані 1600 км від поверхні Місяця двигуни системи орієнтації розгортали апарат таким чином, щоб тяга гальмівного двигуна була направлена ​​прямо протилежно швидкості. посадка просторовий місяць траєкторія

Одночасно включалася телекамера, що передавала на Землю кожні 3 з одне зображення ділянки місячної поверхні. Камера дозволяла встановити місце посадки з точністю близько 1,6 км. На висоті 83 км, коли швидкість апарату дорівнювала 2,62 км / с, включався гальмівний двигун, робота якого припинялася на висоті 8500 м (± 2700 м) при швидкості 122 м / с (+38 м / с). Включалися верньерного двигуни, а головний гальмівний двигун скидався.

Верньерного двигуни поступово переводили рух апарату на вертикаль, зменшували швидкість до 1,5 м / с на висоті 12 м і підтримували її постійної (реактивне прискорення в точності дорівнювала прискоренню місячного тяжіння 1,62 м / с 2) до висоти 4 м, після чого вимикалися. Апарат падав на поверхню, відхиляючись від вертикалі не більше ніж на 5 0. зі швидкістю від 3 до 5 м / с. Удар зм'якшувався трьома милицями - амортизаторами. Вся операція посадки тривала 2 хв. У момент посадки маса апарату становила приблизно 270 кг, з яких на наукову апаратуру доводилося 68 кг.

Розглянуті нами програми м'якої посадки на Місяць відповідають випадку так званої прямої посадки, тобто посадки, що не супроводжується попередніми виходом на орбіту супутника Місяця.

Якщо Ви помітили помилку в тексті виділіть слово і натисніть Shift + Enter