Съёмки обратной стороны Луны

7 октября 1959 года советская автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-3» передала 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.

Полет «Луны-3». Небесная механика против. 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 носовой 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.

Система ориентации «Чайка». Вот так компоненты «Чайки» размещались на борту «Луны-3»

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».

Миссия «Луна-3». Если 4 октября 1957 г., день запуска Первого искусственного спутника Земли, был выбран в известной мере случайно, по мере готовности пуска, то этого нельзя сказать про запуск АМС «Луна-3», который состоялся через два года и тоже 4 октября. Фотографирование обратной стороны Луны на тогдашнем уровне развития космической техники возможно было только при запуске в определенный день и час – один раз за месяц (вернее, за «лунные сутки»). И запуск АМС «Луна-3» оказался удачным во всех отношениях, а именно:

1. Не было предварительных запусков станций с ТВ-аппаратурой.

2. Старт прошел в намеченное время.

3. АМС «Луна-3» вышла на расчетную траекторию, а это было очень важно, так как корректировать траектории полетов мы тогда еще не умели.

4. Комплекты бортовой и наземной аппаратуры, которые обеспечивали выполнение программы полета, сработали в основном успешно.

Комплекс ТВ-аппаратуры для получения на Земле фотографий обратной стороны Луны имел название «Енисей» и включал в себя:

а) бортовую фототелевизионную камеру, которая могла работать в двух режимах: «медленном» и «быстром»;

б) два типа наземной приемной аппаратуры: «Енисей-I» для «быстрого» режима передачи и «Енисей-II» – для «медленного».

В «медленном» режиме работы ТВ-комплекса длительность строки равнялась 1.25 сек, время передачи кадра – около 30 мин. Потенциальная разрешающая способность – 1000 элементов в строке. Этот режим приема на аппаратуру «Енисей-II» был предусмотрен при больших удалениях АМС от Земли.

В «быстром» режиме частота строчной развертки составляла 50 Гц, время передачи полного кадра (на пленке) – 15 сек. На этот режим камера переключалась при подлете АМС к Земле на достаточно близкое расстояние – 40000–50000 км. Соответственно работали комплекты приемной аппаратуры «Енисей-I».

Хотя техническое задание на разработку было согласовано и утверждено только в апреле 1958 г., созданием аппаратуры ТВ-комплекса «Енисей» специалисты ВНИИ телевидения занялись еще в конце 1957 г., и к лету 1959 г. было изготовлено необходимое количество комплектов бортовой и наземной (приемной) аппаратуры. Приемные комплексы «Енисей-I» и «Енисей-II» изготавливались как в стационарном, так и в автомобильном вариантах.

Для приема ТВ-сигнала с АМС были выделены и оснащены соответствующей аппаратурой два НИПа (наземных измерительных пункта): один, основной, в Крыму (на базе Крымской обсерватории в Симеизе), другой – на Камчатке.

Итак, в ночь с 3 на 4 октября 1959 г. ракетной системой «Восток» был произведен запуск АМС «Луна-3», а 7 октября она достигла района Луны. Тогда (впервые в космической технике) была проведена ориентация АМС по опорным объектам – по Солнцу и, естественно, по Луне. После этого ориентация АМС поддерживалась автоматически в течение всего времени фотографирования.

Затем на борт АМС была подана соответствующая команда – и в 06:30 по московскому времени фототелевизионная камера «Енисей» начала съемку невидимой с Земли стороны Луны. Время запуска АМС, траектория полета, время съемки были рассчитаны таким образом, чтобы на фотографиях была зафиксирована некоторая часть видимой с Земли поверхности нашей спутницы. Это необходимое условие для «привязки» объектов лунной поверхности.

Фотографирование производилось с выдержками 1/200, 1/400, 1/600 и 1/800 с в течение 40 мин входившим в состав бортовой передающей камеры фотоаппаратом с двумя объективами, которые имели фокусные расстояния Р = 200 мм и Р = 500 мм. Расстояние от центра Луны при этом было 65200–68400 км.

После окончания съемки бортовая фототелевизионная камера «Енисей» автоматически осуществила проявку экспонированной пленки, которая после этого была перемотана в специальный накопитель.

Наконец принятый с борта АМС телеметрический сигнал показал, что фототелевизионная камера «Енисей» сработала. Но есть что-нибудь на пленке или нет, пока было не ясно. И вот принимается решение о включении аппаратуры АМС на передачу ТВ-сигнала. Началась передача сигнала изображения штриховой миры, впечатанной на фотопленку еще на Земле. Эти два события – начало работы бортовой передающей камеры «Енисей» и передача тест-строки – ознаменовали рождение космического телевидения.

Сразу же после запуска АМС «Луна-3» С.П.Королев, М.В.Келдыш, Б.Е.Черток и другие заместители и помощники С.П. Королева, главные конструкторы систем ракеты-носителя и АМС, в том числе Е.Я.Богуславский, главный конструктор ТВ-комплекса «Енисей» И.Л. Валик и другие прилетели на крымский НИП. Включение бортовой аппаратуры АМС производилось непосредственно оттуда же в удобное по условиям приема сигнала на НИПе время. Работе с АМС было уделено такое внимание, что, по словам участников этих работ на крымском НИПе, на время сеансов связи с АМС в Крыму выключались все радиоизлучающие средства, вплоть до прекращения движения автотранспорта в районе Симеиза, где на горе Кошка находился НИП.

Окрыленное первыми успехами начальство приняло решение о включении лентопротяжного устройства (ЛПУ) бортовой камеры «Енисей». Но поскольку штрихи миры были впечатаны параллельно движению фотопленки, сразу нельзя было сказать, работает ли лентопротяжка камеры и есть ли что-нибудь на пленке.

И только когда на экранах мониторов (видеоконтрольное устройство, ВКУ) в «шумах» появилось пятно – фото Луны, заснятой с Земли, впечатанное на бортовую фотопленку в качестве теста, – у всех «заинтересованных» лиц вырвался вздох облегчения.

И вот во время очередного сеанса связи с АМС фиолетовая точка на экране ВКУ начала строчка за строчкой (длительность строки – 1.25 сек) выписывать первое изображение лунной поверхности. В этот момент АМС находилась на расстоянии около 470000 км от Земли (что было зафиксировано в «Книге рекордов Гиннесса»). И хотя этот и последующие кадры принимались из космоса в «шумах», восторгу не было границ.

На камчатском НИПе после монтажа, отладки и сопряжения с другими средствами обеспечения работы с АМС «Луна-3» начиная со второго сеанса связи также велся прием ТВ-сигнала.

По мере приближения АМС к Земле контрастность принимаемых изображений увеличивалась и качество «картинки» улучшалось.

В связи с ограниченными энергоресурсами АМС «Луна-3», а также по условиям приема информации с нее, сеансы связи с АМС проводились, как правило, один раз в сутки. Однажды, после приема одного из кадров, а это было 18 октября, по громкоговорящей связи НИПа объявили, что на АМС будет включен «быстрый» режим. (В это время АМС подлетела достаточно близко к Земле – на 40000–50000 км.) Мы торопливо включаем и готовим к работе приемный комплекс «Енисей-I». Проходят несколько секунд... И на экранах мониторов (длительность кадра на экране – 10 сек) замелькали один за другим «шарики» – изображения обратной стороны Луны. Восхищение наших специалистов и многочисленных «зрителей», несмотря на все запреты до отказа набившихся в небольшое помещение «станции», невозможно описать. «Картинки» на экранах ВКУ были хорошей контрастности и с малыми «шумами». Но это удовольствие длилось недолго. При подлете «Луны-3» к радиогоризонту камчатского НИПа на борт АМС была подана команда на выключение бортового радиокомплекса – и АМС ушла в тень Земли.

После получения первых 3–4 снимков лунной поверхности кинопленки, экспонированные на ФРУ комплекса «Енисей-II», были с крымского НИПа нарочным отправлены в Москву и после некоторой ретуши 27 октября 1959 г. опубликованы в печати («Известия» №255 (13182)). Все пленки с ФРУ приемных комплексов «Енисей-I» и «Енисей-II» были переданы в Пулковскую обсерваторию для изучения и стали первичным документом для составления Атласа обратной стороны Луны.

Несколько слов о подробностях приема ТВ-сигнала. Необходимо лишний раз обратить внимание на то, что во время сеансов связи с «Луной-3» ТВ-сигнал фиксировался одновременно в «медленном» режиме всеми упомянутыми ранее видами регистрации (на крымском НИПе четырьмя, на камчатском тремя), а в «быстром» режиме – только одним способом, ФРУ приемных комплексов «Енисей-I». Но основным видом было все-таки экспонирование кинопленки на ФРУ приемных комплексов «Енисей», так как только в этом случае можно получить полутоновое изображение.

Перед заправкой в ФРУ кинопленка тщательно маркировалась. По окончании каждого сеанса связи с АМС на конец экспонированной кинопленки также наносилась соответствующая маркировка, а затем персонал НИПа изымал кинопленку из кассет ФРУ и в установленном порядке отправлял в Москву для проявки и изучения. Как уже говорилось, проявлять «боевые» пленки с ТВ-комплексов на НИПах запрещалось.

Магнитная запись ТВ-сигналов, имеющая большие преимущества перед другими видами регистрации, в конце концов все равно требует воспроизведения на мониторе или записи на кино- или фотопленку.

При разработке приемных комплексов «Енисей-II» мыслилось, что одним из видов фиксации передаваемого ТВ-изображения обратной стороны Луны должно быть сохранение наилучших кадров на экранах скиатронов или даже фотографирование изображения с экранов этих ЭЛТ обычными фотоаппаратами. В этом случае оператор мог отключить автоматику управления работой монитора* тумблером на лицевой панели ВКУ.

Однако практически мониторами приемного комплекса «Енисей-П» пользовались лишь для целей фазирования и контроля качества изображения, т.е. по прямому назначению.

Что же касается аппаратов открытой записи с получением изображения на электрохимической бумаге, то их преимущество перед мониторами на скиатронах было невелико. Оно состояло в том, что «картинка» там воспроизводилась в несколько увеличенном размере и аппараты открытой записи позволяли видеть изображение одновременно большему кругу наблюдателей. Качество изображения, однако, было низким.

Позже, обмениваясь информацией с упоминавшимся уже ведущим инженером по бортовому «Енисею» Ю.П.Лагутиным, мы пришли к выводу о том, что, несмотря на сравнительно большое количество кадров с изображением обратной стороны Луны, полученных во время сеансов связи с «Луной-3», фотопленка, заправленная в бортовую камеру, была «прокручена» не до конца. А жаль!

После описанных выше событий было произведено еще два запуска АМС с той же целью, что и «Луна-3», но оба они были неудачными. Имевшиеся в наличии «летные» комплекты бортовой ТВ-аппаратуры были израсходованы.

Так была закончена часть темы «Е-2» отечественной лунной программы – фотографирование обратной стороны Луны. Окончанием темы «Е-2» был успешный запуск КА «Зонд-3», который произвел фотографирование части поверхности Луны, незаснятой ранее АМС «Луна-3».

Начало эпохи управляемых полетов. Полученные «Луной-3» снимки обратной стороны Луны были не ахти какого качества. Это и понятно - сделанные на обычную фотопленку, они проявлялись прямо на борту станции, да и аппаратура их телепередачи методом бегущего луча (того самого, что применяется в современных сканерах) только начинала свое развитие. Но все это было не важно.

Полет «Луны-3» и выполненная ею на «пятерку» фотосессия земного спутника, во второй раз после запуска «Спутника-1» произвели эффект разорвавшейся бомбы. Шутка ли - в то время, как после ряда неудачных запусков микроспутников (Хрущев за маленький вес называл их «грейпфрутами») американского проекта «Авангард», 18 сентября 1959 года США успешно запускают двадцатитрёхкилограмовый «Vanguard-3» на высоту восемь тысяч километров, русские 4 октября того же года отправляют к Луне целую фотолабораторию «Луна-3» весом 287 килограммов. И не просто запускают, а успешно делают и передают снимки лунной поверхности.

Отправленный на орбиту месяцем раньше американский спутник «Vanguard-3» был в десять раз меньше «Луны-3»

Миссия «Луны-3» подстегнула настоящую космическую гонку двух супердержав. Именно она стала причиной увеличения ассигнований на развитие космических технологий и в США и в СССР. И именно благодаря ней в США появилось агентство NASA, а теория управления ориентацией космических аппаратов вышла на новый уровень развития.

Её первопроходец, система ориентации «Чайка» легла в основу множества систем управления межпланетными и пилотируемыми космическими кораблями. В лаборатории Раушенбаха в семидесятые годы были разработаны и усовершенствованы системы ориентации станций «Марс» и «Венера», системы коррекции орбиты спутников Земли, а также системы автоматического и ручного управления и стыковки пилотируемых космических аппаратов.

На смену электромеханическому компьютеру «Чайки» пришли бортовые цифровые ЭВМ серии «Салют». А для ориентации над не освещенной Солнцем стороной Земли, была придумана система ИКВ - инфракрасной вертикали, сенсоры которой использовали инфракрасное излучение нашей планеты.

Вот что сказал о заслугах коллектива Раушенбаха в области управления ориентацией в космосе заместитель генерального директора НИИ Космического Приборостроения доктор технических наук Арнольд Селиванов: «Луна-3» - первый космический аппарат, для которого была разработана система ориентации в космическом пространстве. До этого искусственные спутники летали вокруг Земли, кувыркаясь на заданной орбите. Математические расчеты Раушенбаха позволили нацелить спутник на обратную сторону Луны. Без этой победы дальнейшее освоение космоса напоминало бы запуск воздушного змея - интересно, красиво и абсолютно бесполезно».