неділя, 3 червня 2012 р.

Місяць - "Що там, за горизонтом?"


Місяць завжди повернутий до Землі однією і тією ж стороною, через те, що його обертання навколо осі синхронізоване з орбітальним рухом. З одним уточненням -- так як швидкість обертання постійна, а швидкість руху Місяця по його еліптичній орбіті змінюється, він трішки повертається до нас то одним то іншим боком. Це явище називається лібраціїєю, завдяки йому ми можемо бачити до 59% поверхні нашого природного супутника. Що відбувається на решті 41% з Землі не видно. Подивитися хотілося б -- раптом там база десептиконів? ;-)
Лібрації Місяця. (с) Tomruen
Вперше цю задачу вдалося вирішити СРСР.

"Луна-3", запуск 4 жовтня 1959

(с) «Техника-молодежи» 1979 №2
Перші супутники та "Луни" в польоті були неорієнтовані, менш-більш довільно, хаотично, оберталися. Багато так не нафотографуєш. (Див. наприклад відео з геофізичної ракети в одному з попередніх постів). Потрібно було зорієнтувати станцію, навівши її на Місяць, та "тримати" її в такому стані, поки відбувається фотографування. При чому, це в космосі ж ще й орієнтири знайти потрібно. Раніше така задача не вирішувалася.

Задача фотографування не менш складна -- слід було отримати зображення та передати його. Фотоапаратура, навіть наземна, доволі складна. Крім того, зображення -- значно більша кількість даних, ніж вимір магнітометра. А більшості сучасних нам технологій обробки та передачі інформації тоді просто не існувало ;-)

Тому, перш ніж побачити отримані Луна-3 фото, (те ще видовище), подивимося як описані вище складні інженерні задачі вирішувалися. 

Почнемо з банального:
  • Запущено станцію 4 жовтня 1959, 00:43:39.7 UTC. 
  • Мінімальна віддаль до Місяця -- 6200 км (7940 км від центру), 6 жовтня, о 14:16 UTC . 
  • Почалося фотографування на етапі відльоту від Місяця 7 жовтня, о 03:30 UTC,  з віддалі приблизно 65200-68400 км.
  • Координати, в селеноцентричній системі, на момент середини процесу фотографування: λ=117.4°, β=17.1°, ρ=66,800 км.
  • Знаходилася на витягнутій навколоземній орбіті: апогей -- 460 725 км, перигей -- 40 638 км. Підозрюю, що ці числа стосуються першої орбіти, до того, як тяжіння Місяця підправило траєкторію, тому що відомо -- на наступних орбітах вона помітно зачіпала атмосферу. Проіснувала, ймовірно, до квітня 1960, здійснивши приблизно 14 орбіт. Контакт зі станцією втрачено 22 жовтня 1959, після першого ж витка.
  • Вага -- 278.5 кг, крім того 156.5 кг апаратури було на розгінному блоці. 
  • Довжина -- 130 см (без антен), діаметр циліндричної частини -- 95 см, найбільший - 120 см.  Корпус заповнений азотом під тиском 1.5 атмосфери (значення в різних джерелах різні), потрібний для системи терморегуляції, що вмикаючи-вимикаючи вентилятор, (керуючи теплообміном апаратури з корпусом) та закриваючи-відкриваючи жалюзі, (керуючи теплообміном корпусу з космосом), підтримувала температуру 25°C.
Обладнана станція наступною апаратурою:
Зображення взято з "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" 1996. Клікабельно.
  • Черенковський детектор.
  • Сцинтиляційний лічильник.
  • Три газорозрядних лічильники, включаючи зовнішні.
  • Датчики мікрометеоритів, правда менші ніж на попередніх місячних апаратах, сумарною площею 0.1 м2.
  • Мас-спектрометр, однак, за даними Дона Мітчела, про нього більше не згадувалося, ймовірно -- відмовив. 
  • Два передавачі, на 183.6 і 39.986 МГц.
  • Живлення -- срібло-цинкові батареї, з напругою 26 вольт та ємністю 6 ампер-годин. Батареї перезаряджалися від сонячних батарей, розташованих по всьому корпусу -- щоб постачати енергію не залежно від орієнтації станції по відношенню до Сонця. Перший космічний апарат, який повністю живився сонячними батареями.
  • Система орієнтації "Чайка".
  • Фототелевізійна система "Енисей".
 На двох останніх зупинимося детальніше.

Система орієнтації "Чайка", особливості траєкторії станції

Розроблена  НИИ-1 МАП під керівництвом Раушенбаха.
Взято тут.
Система складалася із обчислювального пристрою на реле (гордо прозваного комп'ютер на малюнку);  батареї широко-направлених датчиків Сонця: чотирьох спереду, навколо вікна камери, позначених на рисунках B, і чотирьох ззаду (S); вузьконаправлених датчиків Місяця (m), трьох гіроскопів (d) для визначення кутової швидкості, та реактивних мікродвигунів на стиснутому азоті. Всього мікродвигунів вісім, чотири перпендикулярно осі Z, для того, щоб нахиляти станцію відносно цієї осі та дві пари для надання їй обертання за і проти руху годинникової стрілки. Могли працювати неперервно, або імпульсами по 0.1 секунди. Живилися азотом із балону, де він знаходилися під тиском 150 атм, через редуктор g, який знижував тиск до 4 атм. Під час роботи споживала 60 ват. Просторово розташовувалася ця вся апаратура системи орієнтації так:


Протягом польоту до Місяця станція повільно хаотично оберталася, з періодом приблизно 165 секунд. Наблизившись до Місяця, система орієнтації (здається, автономно, хоча виключити, що по команді із Землі, не можу), керуючись показами гіроскопів, зупинила обертання станції із точністю до 0.15 градусів за секунду. Зайняло це близько 10 хвилин, використовувалися всі вісім двигунів. Гіроскопи, за відсутністю тертя, служили демпферами -- щоб уникнути циклічних коливань навколо положення рівноваги, робота двигунів була пропорційна кутовій швидкості.

Траєкторія була вибрана так, щоб в цей момент станція знаходилася між Місяцем та Сонцем, а Земля була далеко в стороні, не заважаючи роботі датчиків.  Тому наступним кроком було розвернути станцію задньою частиною до Сонця. Для цього система керування, використовуючи чотири перпендикулярними до осі Z двигуни, мінімізувала сигнал передніх сонячних датчиків та максимізувала сигнал задніх. Це незалежно робилося парами сенсорів та двигунів, розташованих вздовж осей X та Y. Після завершення всіх операцій Місяць був в межах кута 30° до осі Z, в полі зору датчика Місяця (з кутом поля зору 60°). Тоді, використовуючи покази 5-сегментного датчика Місяця та двигуни, перпендикулярні до осі Z, камеру було наведено на Місяць із точністю 0.5°. Це зайняло ще 30 хвилин. 

Потім, протягом 40 хвилин, відбувалося фотографування. Після завершення фотографування, система керування надала станції обертання із періодом 180 секунд, для рівномірного нагрівання станції Сонцем, та вимкнулася, щоб зекономити електроенергію.

Взагалі, до орбіти було багато вимог. Крім того, що в момент фотографування станція мала знаходитися на прямій, яка з'єднувала Сонце та Місяць, потрібно було так вибрати траєкторію, щоб в цей момент камера захопила частину видимої поверхні Місяця, щоб можна було прив'язатися до відомих об'єктів. Крім того, станція, облетівши Місяць, мала повертатися до Землі, знаходячись в межах видимості телеметричних станцій СРСР. Досягнути цього вдалося лише виконавши гравітаційний маневр в полі Місяці -- він, своїм тяжінням, "довернув" станцію на правильний маршрут. Крім того, достатньо точно вийти на траєкторію слід було зразу, так як корекції в польоті тоді ще не вміли проводити. Відповідні складні балістичні розрахунки, з врахуванням впливу Землі, Місяця, Сонця, та підбір траєкторії, що задовольнятиме всім обмеженням, як перерахованим вище, так і чисто технічним, типу обмежень ракет, було проведено за допомогою комп'ютера "Стрела-1". Виглядала вона так:

Взято тут, хоча малюнок походить чи то з щорічника 1960-го року, чи то з газети "Правда".
Зверніть увагу, що разом із станцією рухався і Місяць, а площина її орбіти не співпадала із площиною його орбіти, та ще й змінилася після прольоту під дією сили тяжіння Місяця. 

Телеметричні станції розташували на краях СРСР, в Криму, на горі Кошка, в Сімеїзькій обсерваторії та на Камчатці.

Цікавинка: згідно спогадів Чертока, перед підльотом до Місяця телеметрія не проходила. В Крим терміново прилетів Корольов із заступниками та помічниками. Виявилося, що на пункті зв'язку забагато командирів. Після того, як Корольов наказав виконувати тільки команди Богуславського, технічного керівника, оператори почали працювати більш злагоджено і зв'язок налагодився. Взагалі, зв'язок здійснювався тяжко -- на станції був заслабкий передавач. На період сеансів зв'язку замовкав у радіодіапазоні Чорноморський флот, а гаїшники не допускали на дороги поруч із центром зв'язку автомобілі.

Фото-телевізійна система "Енисей"
Повноцінну телекамеру використати було неможливо -- розмір, вага, потік інформації, який вона генеруватиме, доступна роздільна здатність, в кінці кінців, робили їх неприйнятними. Тому перші космічні камери були так званими фото-телевізійними пристроями (ФТП). Вони фотографували на звичайну фотоплівку, потім проявляли її, а далі, за потреби, наприклад по команді з Землі, могли довільну кількість раз сканувати і передавати.

Комплекс наземної та космічної фотоапаратури апаратури "Луни-3" називався "Енисей". Він включав бортову фото-телевізійну камеру та кілька комплектів наземних приймальних пристроїв двох типів -- "Енисей-1" і "Енисей-2", для прийому в "швидкому" та "повільному" режимах, відповідно. Що це за режими -- трішки нижче, спершу розглянемо більш цікаву та романтичну, бортову (космічну) апаратуру, яку конструктори та інші учасники тих подій між собою називали "банно-прачечный трест".

Конструкція ФТП. Взято з сайту Don P. Mitchell, переклад мій.
Вигляд ФТУ. Взято звідтіля ж.
Плівка зберігалася у свинцевій касеті, звідки подавалася у спеціальну фотокамеру, із двома об'єктивами, один -- з фокусною віддаллю 200 мм та апертурою f/5.6, інший -- 500 мм та f/9.5 відповідно. Тому одночасно робилися два кадри, "короткофокусний" та "довгофокусний". Ймовірно, для спрощення конструкції, тих чи інших експонометрів не використовувалося, витримка послідовно змінювалася між значеннями 1/200, 1/400, 1/600 і 1/800 секунди. Після фотографування плівка поміщалася в тимчасове сховище. Далі вона проявлялася і фіксувалася за допомогою спеціально розробленого одноетапного процесу (плівка просто протягувалася крізь в'язкий реагент, тривалість обробки порядку 15 хвилин), сушилася та поміщалася на барабан, з якого по команді могла перемотуватися та скануватися для передачі на Землю. Касета містила 40 кадрів плівки із наперед нанесеними мітками для калібрування, а також штрихову міру, фотографію стандартної телевізійної таблиці 0249 і фотографію Місяця, зроблену телескопом з Землі, для оцінки ефективності сканування та передачі -- знаючи, яке зображення було, можна оцінити спотворення внесені під час того, як воно передавалося.

По команді з Землі плівка прокручувалася і сканувалася. Сканування здійснювалося так: промінь осцилоскопа (електронної трубки 8ЛК2Б) проходив скрізь плівку та приймався фотопомножувачем (ФЭУ-15). Сканування могло відбуватися в двох режимах, "швидкому" (приймати сигнал якого міг "Енисей-1") -- 50 ліній за секунду, 15 секунд на кадр, та повільному (приймався "Енисей-2") -- 1500 ліній на кадр, 0.8 лінії за секунду (лінія за 1.25 секунди), 30 хвилин на кадр. Ефективно роздільна здатність досягала 1000 пікселів на лінію. Відеосигнал передавався на частоті 183.6МГц, потужність передавача 3Вт (ще раз -- сигнал потужністю 3Вт, 1/33 потужності звичайної лампи-"сотки", приймався на віддалях аж до 470 тисяч кілометрів, хоча, слід зауважити, пристойні результати було отримано лише на віддалях порядку 40 тисяч км).

На Землю було передано 17 кадрів (кадри 26-38, плюс калібрувальні). Ймовірно, було зроблено 29 фото, але плівку не перемотали до кінця.

"Енисей-2". Взято з сайту Don P. Mitchell.
На Землі сигнал приймався пристроями типу того, що на фото ліворуч. Один комплект "Енисей-1" та "Енисей-2" знаходився на горі Кошка в Криму, інший -- на Камчатці, в Елізово. (Ще один, стаціонарний, використовувався для налагодження роботи з апаратурою станції перед її запуском).

"Пійманий" у повільному режимі сигнал записувався на магнітну плівку; фотореєстраційним пристроєм (ФРП) зберігався на 35мм кіноплівку; відображався на моніторах з "пам'яттю", типу скіатрон; відтворювався на електрохімічному папері. В швидкому режимі зображення зберігалися лише за допомогою ФРП. Крім того, планувалося фотографувати монітори звичайним фотоапаратом. Все це, всі перераховані "фокуси", лише для того, щоб не втратити успішно отримані та передані станцією зображення. Таки в доцифрову епоху було важко вирішувати багато які задачі, тому й не вважаю, що "люди проміняли космос на IT".

Через недостатню потужність передавача, спершу зображення було дуже неякісним, цитуючи Чертока:

На бумаге строчка за строчкой появляется серое изображение. Круг, на котором различить подробности можно при достаточно большом воображении.
Королев не выдержал и ворвался к нам в тесную комнатку.
- Ну что там у вас?
- У нас получилось, что Луна круглая, - сказал я.

Однак, це було вперше, коли люди побачили зворотню сторону Місяця! Наступних кілька запусків однотипних станцій були невдалими, і знову побачити зворотню сторону вдалося лише в 1965, за допомогою станції "Зонд-3".

Отримані фото передавалися протягом 8 годин, при тому, через низький енергетичний ресурс станції, передача відбувалася приблизно протягом години, після чого дві години батареї підзаряджалися від сонячних батарей, тому сумарний час передачі склав 25 годин. На жаль, після того як станція вийшла за горизонт приймачів, зв'язок перервався, і відновити його, після її повернення над горизонтом, не вдалося -- очевидно, щось зламалося.

Зворотня сторона. Нарешті фото!

Фотографування розпочалося на віддалі 65 200 км від Місяця, тривало 40 хвилин і завершилося на віддалі 68 400 км. Для оптимальної освітленості Місяця, момент фотографування було вибрано так, щоб Сонце знаходилося за станцією. Негативний побічний ефект цього -- на поверхні майже відсутні тіні, а контраст низький. (Згадайте, як виглядає в телескоп повний Місяць та його серп). Було охоплено 70% невидимої частини, решта 30 захоплювали видиму частину, для прив'язки до відомих об'єктів.

Почнемо з прикладу пари фото, отриманих 500 мм та 200 мм об'єктивами:
Кадр 28, 500 мм Кард 29, 200 мм
Взято на сайті Don P. Mitchell

Справді, те що Місяць круглий, видно добре. Шум, "сміття", крім всього іншого, пов'язані із "сліпими плямами" антени передавача, а їх регулярність (вертикальні смуги) викликана  повільним обертанням станції (див. вище), що регулярно поверталася до приймачів невдалою стороною.

Згідно інформації Дона Мітчела, зображення, збережене на плівці, теж цілком пристойне:
Кадр 26, 500 мм, фото зроблено в 1965 році, під час відтворення з плівки. Взято на сайті Don P. Mitchell.
27 жовтня 1959 року, всього через пару тижнів, газета "Правда" опублікувала, дещо покращені доступними тоді методами, зображення:
Зразу ж, в боротьбі за пріоритет, було запропоновано назви:
Запропоновані СРСР назви об'єктів на зворотній стороні Місяця. Частина була відхилена. Згідно оригінального підпису, суцільною лінією виділені об'єкти, в ідентифікації яких дослідники були впевнені, пунктиром - ті, границі яких ще слід уточнити, крапками - не класифіковані. 1. Море Москви,  2. Залив Астронавтів, 3. Продовження Південного Моря, 4. Кратер Ціолковського, 5. Картер Ломоносова, 6. Кратер Жоліо-Кюрі, 7. Радянські гори, 8. Море Мрій. Римськими цифрами помічено об'єкти видимої сторони: I - Море Гумбольдта, II - Море Криз, III - Море Крайове,  IV - Море Хвиль, V - Море Сміта, VI - Море Достатку, VII - Море Південне.
Найбільш разюча характеристика зворотнього боку Місяця -- практична відсутність морів.

Частину запропонованих назв було потім відхилено. Образно кажучи, жадність -- гріх. Щоб захопити пріоритет, назви присвоювалися всім плямкам підряд. Зокрема, Радянські гори виявилися системою променів кратера, залив Астронавтів занадто слабо виражений, а Море Мрій занадто слабо схоже на море, щоб залишитися на картах.

В 1960-му році, на підставі отриманих фотоматеріалів, було опубліковано "Атлас обратной стороны Луны".

Нещодавно Ricardo Nunes показав, якої якості можна досягнути, обробляючи ті фотографії сучасними засобами:
Взято тут: Processed images from the Luna 3 mission.

Додатково, всі вихідні кадри, (26, 27, 28, 29, 31, 32, 33, 34, 35, 36), які вдалося знайти Дону Мітчеллу, можна побачити тут: Soviet Moon Images.

На завершення, пара роликів про політ "Луна-3", для допомоги уяві ;-)
Від (містить певні неточності, зокрема, Землю станція не фотографувала):
 та менш якісний в плані виконання, але по своєму привабливий, від
 

Цікавинки
  • Техніка була молода, безтолкова, працювала відповідно. Знакова цитата Чертока: "В 16 часов 6 октября прошел сеанс приема телеметрии. К всеобщему удивлению, постепенно, по мере обработки выяснилось, что на борту все в порядке."
  • Андрей Северний, директор Кримської сонячної обсерваторії стверджував, що сенсу хвилюватися про роботу ФТП немає -- плівка буде засвічена космічною радіацією, бо для екранування, згідно його розрахунків, потрібно було 5-6 см свинцю. Не вгадав :-)
  • Ім'я "Луна-3" було присвоєно після запуску "Луна-4", до того її називали "Третя космічна ракета" або, особливо на Заході, "Лунник-3".
  • На фото із пропозиціями назв є Залив Астронавтів -- слово "космонавт" тоді в Союзі ще не використовувалося!
  • Тогочасна промисловість СРСР не могла виготовити плівку, яка б підходила для системи "Енисей". Допомогли, хоч і мимоволі, американці. В 50-х роках вони активно запускали шпигунські повітряні кулі з фотоапаратурою, які з баз у Західній Європі несло повітряними течіями над територією СРСР. Виявилося, що плівка, яка використовувалася для них, ідеально підходила! Тому її, таємно від вищого керівництва, нарізали, "відперфорували", назвали АШ ("Американсикй Шарик" :) і відправили до Місяця. 
  • Отримані на Камчатці записи на магнітну плівку не вдалося відтворити. Тому в багатьох джерелах говориться, що магнітні записи взагалі не було отримано. Однак, наскільки я зміг розібратися, кримські чудово читалися, про що свідчить одне з фото вище.

Література
    Опубліковано о
    Мітки: , , , ,

    Немає коментарів:

    Дописати коментар

    Підписатися на: Дописати коментарі (Atom)