Предыстория проекта

Идея создания самоходных лунных аппаратов родилась в начале 60-х годов в ОКБ-1, которым руководил Сергей Павлович Королев. Именно тогда были разработаны проекты автоматической станции для мягкой посадки на Луну (Е6) и искусственного спутника Луны (Е7). Параллельно шла проработка вопросов создания самоходного лунного аппарата и его мягкой посадки на Луну (тема E8). Уже первые прикидки показали, что его масса, которую конструкторы оценивали в 600 кг, существенно превышает возможности ракеты-носителя 8К78. Поэтому в конце 1960 года было решено, что станция E8 будет запускаться с помощью ракеты серии Н (конкретно - Н-11) грузоподъемностью 20-25 тонн, разработка которой началась в ОКБ-1 в том же году.

Но работы по ракете Н-1 еще только разворачивались, и перспективы ее были весьма туманны. В частности, согласно Постановлению правительства от 16 апреля 1962 года работа по Н-1 ограничивалась эскизным проектом. Правда, комиссия М.В. Келдыша, рассмотревшая в 1962 году эскизный проект, одобрила его и рекомендовала продолжить работу по Н-1. Однако, отметив отсутствие конкретных полезных нагрузок для Н-1, рекомендовала также начать работу по созданию полезных нагрузок для нее.

24 сентября 1962 года вышло очередное Постановление правительства, посвященное Н-1. Одновременно с принятием этого Постановления по комплексу Н-1 Академии наук СССР было дано задание в трехмесячный срок представить конкретные предложения по космическим объектам под ракету Н-1. В декабре 1962 года на заседании МНТС по космическим исследованиям при Академии наук СССР был рассмотрен план, который предусматривал выполнение исследований в 1963-1964 годах в основном с помощью автоматических станций.

В свою очередь, к февралю 1963 года в ОКБ-1 были проработаны предложения по использованию ракеты-носителя Н-1 и созданию для него первоочередных космических объектов, а к сентябрю 1963 года в ОКБ-1 были подготовлены предложения по исследованию и освоению Луны в 1963-1968 годах. В них для изучения и освоения Луны предлагалось создание космических комплексов по пяти взаимосвязанным темам - Л1-Л5.

Темы Л1 и Л3 предусматривали полет человека с облетом Луны и с посадкой на ее поверхность. Тема Л2 предполагала доставку лунохода на поверхность Луны. Поскольку работы по ракете Н-1 были прекращены, для запуска лунохода планировалась сборка на околоземной орбите лунного комплекса, состоящего из ракетного блока 9К и лунного самоходного аппарата 13К. Все составные части лунного комплекса выводились на монтажную орбиту с помощью ракеты-носителя "Союз". При этом ракетный блок выводился в незаправленном состоянии, а затем четыре корабля-танкера 11К последовательно автоматически стыковались с ракетным блоком и заправляли его окислителем и горючим. Этот луноход помимо проведения научных исследований должен был помочь в выборе района посадки лунной экспедиции. Дистанционно управляемый с Земли лунный самоходный аппарат 13К фактически был развитием темы Е8.

Для более детального и долговременного изучения Луны предлагалось также создать тяжелый самоходный аппарат Л-5, способный перевозить 3-5 человек или 3500 кг груза со скоростью до 20 км/ч.

Надо сказать, что из всех пяти лунных проектов в своем изначальном виде ни один так и не пошел в дело. И, хотя работы по самоходному аппарату Л2 формально даже не начинались, С.П. Королев никогда не пренебрегал перспективой. Поэтому в июле 1963 года он предложил ленинградскому ВНИИ 100 (позже ВНИИТрансМаш) разработать "луноход", поскольку в мае того же года ведущий в стране Научно-исследовательский институт Госкомитета автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения (НАТИ) отказался от создания шасси лунохода в связи с жесткими, по их мнению, требованиями по весам. А в сентябре 1963 года это предложение было подкреплено указанием председателя Госкомитета по оборонной технике С.А. Зверева. Согласно ему в отделе новых принципов движения была организована группа изучения возможности создания самоходных средств передвижения по поверхности Луны. Работы по луноходу возглавил начальник этого отдела Александр Леонович Кемурджиан.

На первом этапе были рассмотрены самые разные способы движения по Луне. Предлагались винтовые, шагающие, кувыркающиеся, перекатывающиеся и другие экзотические движители. Остановились же на привычных вариантах - гусеничном и колесном.

История создания

В конце 1964 - начале 1965 года в ОКБ-1 был разработан эскизный проект. В нем выбор был сделан в пользу гусеничного движителя. Однако утвердить его С.П. Королев так и не успел. ОКБ-1 было чрезмерно перегружено работами по многим космическим направлениям. Руководство отраслью приняло решение о передаче части работ в другие организации. Все работы по автоматическим межпланетным станциям в апреле 1965 года были переданы на Машиностроительный завод имени С.А. Лавочкина в Химках, где их возглавил Главный конструктор Георгий Николаевич Бабакин. Туда же в мае были переданы и работы по луноходу, поскольку он тоже подпадал под категорию автоматических аппаратов. Вместе с тематикой на Машиностроительный завод имени С.А. Лавочкина из ОКБ-1 перешла и часть сотрудников.

В августе 1965 года силами КБ завода имени С.А. Лавочкина были выпущены основные положения по Е8 в виде технического отчета. В них, по сути, были обобщены наработки ОКБ-1 по данной теме. Неслучайно на титульном листе этого документа были "забиты" фамилии Королева и Бабакина. Правда, Королев его так и не подписал.

Весь комплекс по доставке самоходного аппарата на поверхность Луны был назван Е8, хотя сам луноход по-прежнему назывался Л2. При этом за основу для последующей разработки в документе предлагался гусеничный вариант лунохода массой 640 кг.

Интересен сам перечень задач, стоявших перед луноходом:

1. Изучение района лунной поверхности в месте предполагаемой посадки первой лунной экспедиции.
2. Выбор посадочно-взлетной площадки для корабля первой лунной экспедиции.
3. Проведение комплексных научных исследований лунной поверхности.
4. Визуальное наблюдение за посадкой и взлетом лунного экспедиционного корабля.
5. Отработка конструкции посадочного устройства и аппаратуры, обеспечивающей мягкую посадку космического аппарата на поверхность Луны.
6. Отработка элементов конструкции и бортовой аппаратуры самоходного аппарата для передвижения космонавтов по поверхности Луны.

Одновременно луноход Л2 мог быть использован в качестве радиомаяка для кораблей лунной экспедиции Н1-Л3. Кроме того, в аварийной ситуации при первых лунных экспедициях он мог быть также использован для перевозки космонавтов на небольшие расстояния.

Ракетно-космический комплекс Е8, представленный в отчете, нес на себе печать первых проектов лунного облетного комплекса "Союз" (Л1). В основе его лежала сборка ракетно-космического комплекса на околоземной орбите, при этом каждая составная часть комплекса выводилась на орбиту ракетой-носителем "Союз". Для сборки комплекса достаточно было двух запусков. Первым пуском на монтажную орбиту выводился разгонный ракетный блок М. Вторым пуском доставлялся сам комплекс Е8, состоящий из следующих элементов:

• навесной приборный отсек, сбрасываемый перед стартом с монтажной орбиты;
• стыковочный узел;
• ракетная ступень - блок Н, обеспечивающая сближение на монтажной орбите, доразгон к Луне и коррекции траектории;
• посадочное устройство с юстировочной двигательной установкой (ЮДУ), предназначенной для обеспечения мягкой посадки;
• самоходный автоматический аппарат Л2;
• исполнительные органы системы управления движением - двигатели ориентации и системы управления сближением и стыковкой - двигатели причаливания и ориентации.

Разгонный ракетный блок М представлял собой уменьшенную копию блока Д с двигателем 11Д58 тягой 8,5 тонн. Он был оснащен стыковочным узлом и пассивной радиотехнической системой сближения и стыковки "Игла".

Ракетная ступень комплекса Е8 - блок Н была позаимствована из разрабатывавшегося лунного облетного корабля 7К ПЛК. Блок ЖРД состоял из однокамерного сближающе-корректирующего двигателя тягой 410 кг и двухкамерного разгонного двигателя однократного включения тягой 3,3 тонны. С корабля 7К-ПЛК была позаимствована и аппаратура сближения и стыковки.

ЖРД тормозной ракетной ступени был взят с посадочной ступени пилотируемого лунного корабля комплекса Л3.

Юстировочная двигательная установка представляла собой пороховой двигатель со спускаемого аппарата корабля "Союз".

Центральным элементом ракетно-космического комплекса Е8 являлся, конечно же, луноход Л2. Нам, привыкшим к снимкам "Луноходов", его вид показался бы необычным. Его корпус напоминал вертикально стоящее, приплюснутое яйцо. Верхняя часть лунохода представляла собой сферический сегмент радиусом 95 см, а нижняя - тоже сферический сегмент, но радиусом 170 см. Обе части крепились к шпангоуту диаметром 180 см. На верхней части лунохода была установлена серповидная солнечная батарея. На тот момент в качестве самоходного шасси предпочтение было отдано гусеницам. Масса лунохода составляла 640 кг.

Планировалось, что луноход сможет передвигатеься по 6-8 часов в сутки. При максимальной скорости движения 45 км/час за 3-6 месяцев работы на поверхности Луны он мог пройти расстояние до 1500 км.

Старт ракет-носителей "Союз" с составными частями комплекса Е8 производился практически одновременно с площадок №1 и №31 космодрома Байконур. При этом после выведения расстояние между аппаратами не должно было превышать 23 км. С этого расстояния в течение не более 45 минут происходило сближение. Еще 20 минут длилось причаливание. После окончания сборки производились измерение параметров орбиты, расчет и ввод уставок в систему управления Е8 для перевода комплекса на траекторию полета к Луне.

Посадка на поверхность Луны происходила по прямой схеме, то есть без промежуточного выхода на селеноцентрическую орбиту. На высоте 75-100 км над поверхностью Луны включалась тормозная ракетная ступень в режиме большой тяги, которая к высоте 5 км гасила вертикальную скорость. С этого момента двигатель тормозной ступени переключался в режим малой тяги с регулированием уровня. На высоте 100-150 метров тормозная ракетная ступень отделялась, и космический аппарат совершал свободное падение. На высоте 4-5 метров по сигналу со щупа включалась юстировочная ДУ и аппарат совершал мягкую посадку на поверхность Луны.

Масса ракетно-космического комплекса на монтажной орбите составляла 13 тонн, из которых 7,3 тонны - сам комплекс Е8.

В декабре 1965 года под руководством С.П. Королева в ОКБ-1 был разработан альтернативный вариант пилотируемого облета Луны (тема Л-1). В нем пилотируемый космический корабль 7К-Л1 выводился на трассу полета к Луне ракетой-носителем УР-500К, разработанной под руководством В.Н. Челомея. В качестве разгонного блока использовалась пятая ступень (блок Д) лунной ракеты Н-1. К этому моменту ракета УР-500 уже летала в двухступенчатом варианте и готовилась к летным испытаниям в трехступенчатом варианте. Поэтому в конце 1965 года проекты, разрабатывавшиеся ранее под ракету Н-1, были переориентированы на запуск ракетой УР-500К, обладавшей той же грузоподъемностью. В их числе был и луноход.

В КБ МЗЛ он получил свое первоначальное название - Е8. В рамках первой советской пилотируемой лунной экспедиции по программе Л3 луноходу отводилось немаловажное место. Он не только должен был детально обследовать предполагаемый район посадки пилотируемой лунной кабины с космонавтом, но и играть роль радиомаяка. Запас топлива в лунной кабине комплекса Л3 был сильно ограничен, большие боковые маневры при выборе места посадки она выполнить не могла. Чтобы идти в заранее выбранное место и был нужен луноход.

Предполагалось, что перед осуществлением высадки космонавта на Луну будут отправлены два лунохода для выбора основного и запасного района прилунения. В запасной район потом должна была сесть в автоматическом режиме резервная беспилотная лунная кабина ЛК-Р. Наконец в основном районе прилунилась бы лунная кабина с космонавтом. Основной режим посадки этой ЛК тоже был автоматический на радиомаяк лунохода. Космонавт, как и во всех других советских космических кораблях, был всего лишь пассажиром, который, правда, мог взять на себя управление в аварийной ситуации.

После завершения пилотируемой экспедиции планировалось использовать луноход для проведения научных исследований.

На основе обширного исследовательского материала, полученного из ОКБ-1, в КБ МЗЛ работа над луноходом шла достаточно быстро. Однако здесь решили не доводить до ума королевский проект Е8, а разработали свой вариант. Тем более, что станция Е-6М №13 ("Луна-9") передала информацию о характеристиках лунного грунта, чего во время разработки лунохода в ОКБ-1 не было. Грунт оказался достаточно твердым, слой пыли - небольшим. Поэтому конструкторы пересмотрели проект шасси, отказавшись от гусениц в пользу колес.

Первые результаты этой проработки были изложены в аванпроекте по теме Е8, головной том которого Г.Н. Бабакин подписал 18 мая 1966 года. В нем отказались почти от всех наработок, полученных из ОКБ-1. В качестве средства выведения на траекторию полета к Луне использовалась трехступенчатая ракета-носитель УР-500К с разгонным блоком Д. Все последующие маневры, включая выход на орбиту искусственного спутника Луны, сход с орбиты, снижение и мягкую посадку, космический аппарат выполнял с помощью своей двигательной установки - КТДУ.

На стадии аванпроекта было рассмотрено несколько вариантов построения космического аппарата. Один из них предусматривал создание КТДУ, состоящей из четырех сферических топливных баков и ЖРД С5.52 тягой 1600 кг, ранее планировавшимся для применения на спутнике Луны Е7, и специальной посадочной платформы, при этом в качестве посадочного устройства служил тор с шаровыми амортизаторами. На торцевой части посадочного устройства были установлены двигатели мягкой посадки. Этот вариант оказался худшим по весовой отдаче.

Во втором варианте для каждого этапа полета предусматривалось использование отдельной связки пороховых двигателей.

Однако для рабочего проектирования был выбран вариант с КТДУ, состоящей из четырех сферических топливных баков и двух приборных контейнеров. При этом в качестве посадочного устройства и амортизаторов служили сами топливные баки.

Во всех трех вариантах на Луну должен был доставляться самоходный аппарат массой не менее 650 кг. Основу его составлял герметичный контейнер в виде горизонтально расположенного цилиндра диаметром 1 метр с двумя сферическими днищами. Общая длина его составляла 2 метра. В верхней части гермоконтейнера был установлен отражатель, образованный двумя листами, которые соединены двумя диафрагмами. Отражатель предназначался для защиты верхней части гермоконтейнера от потока тепла с поверхности Луны и излучения тепла из гермоконтейнера, то есть он же являлся частью холодного контура системы терморегулирования.

В передней части лунохода были установлены 2 телекамеры, в задней части - одна. На верхней части гермоконтейнера устанавливался купол для кругового обзора с помощью телефотометра и остронаправленная антенна.

Примечательной в луноходе стала система энергопитания, построенная на базе двух радиоизотопных термоэлектрических генераторов суммарной электрической мощностью 750 ватт в начале полета и 360 ватт в конце срока активного существования, то есть через 3-4 месяца.

В аванпроекте были также рассмотрены два варианта колесных шасси: с четырьмя и восьмью ведущими колесами. Для рабочего проектирования была выбрана схема 8x8.

После выпуска аванпроекта началась конструкторская проработка аппарата, а уже к концу 1967 года была полностью готова вся конструкторская документация по объекту Е8. Тут стоит заметить, что индексом Е8 обозначался весь комплекс, запускаемый ракетой УР-500К. В него входили посадочная ступень КТ и собственно луноход 8ЕЛ.

В ходе разработки коренным образом изменился облик, как самого космического аппарата, так и лунохода. В первую очередь это коснулось ракетной ступени КТ, предназначенной для доставки лунохода на поверхность Луны. Ее назначением было не только обеспечение мягкой посадки на лунную поверхность, но проведение коррекций на трассе Земля-Луна, торможение с выходом на селеноцентрическую орбиту, а также сход с нее перед посадкой. Промежуточный выход на селеноцентрическую орбиту был выбран с целью уменьшения влияния ошибок прогноза, погрешностей системы управления и обеспечения посадки в заданный район Луны.

Поскольку в процессе проектирования масса лунохода выросла с 650 до 750 кг, а возможности ракеты-носителя и разгонного блока остались прежними, необходимо было обеспечить снижение сухой массы посадочной ступени на поверхности Луны. Решение было найдено за счет размещения части топлива, необходимого для выхода на окололунную орбиту, в сбрасываемых отсеках. На них же устанавливалась система астроориентации, работа которой заканчивалась после схода с орбиты. Кроме того, вся служебная аппаратура, используемая как при полете космического аппарата, так и при работе лунохода, устанавливалась в гермоотсеке самого лунохода. Тем самым исключалось излишнее дублирование служебных систем.

Ракетная ступень КТ представляла собой корректирующе-тормозной модуль, имеющий в своем составе КТДУ-417, разработанную в КБ Химмаш под руководством А.М. Исаева, аппаратуру управления перелетом и посадкой с исполнительными органами, а также посадочные амортизирующие устройства.

Основу силовой конструкции КТ составляли четыре сферических топливных бака, соединенных между собой цилиндрическими проставками, две из которых выполняли роль приборных отсеков для размещения аппаратуры системы управления перелетом и посадкой. Масса топлива в баках составляла 3435 кг. На диагональной крестовине, соединяющей топливные баки, крепился корректирующе-тормозной двигатель 11Д417, работающий на четырехокиси азота и НДМГ. Тяга двигателя регулировалась в пределах от 750 до 1929 кг.

К топливным бакам крепились амортизирующие посадочные устройства, что также было новшеством по сравнению с аванпроектом, радиовысотомер больших высот "Вега", доплеровская аппаратура для измерения скорости и высоты снижения ДА 018, малонаправленные антенны, а также складывающиеся трапы для съезда лунохода на поверхность Луны ("вперед" - "назад", в зависимости от рельефа в месте посадки).

Помимо основных баков топливо размещалось также в баках сбрасываемых отсеков. Каждый их двух сбрасываемых отсеков представлял собой два цилиндрических топливных бака со сферическими днищами, соединенных между собой проставками, на которых крепились герметичные приборные контейнеры с аккумуляторными батареями, используемыми для питания бортовой аппаратуры до момента схода с окололунной орбиты, основное программно-временное устройство и аппаратура системы астроориентации. Сброс отсеков производился перед включением двигателя для схода с орбиты.

В приборных отсеках корректирующе-тормозного модуля КТ размещалась аппаратура системы управления и системы автономной ориентации. Система управления была предназначена для управления ориентацией, стабилизацией и двигательной установкой на всех активных участках полета, включая участок работы блока Д, коррекции и торможения, и весь участок снижения и посадки вплоть до касания лунной поверхности. С целью максимального увеличения массы выводимого полезного груза управление работой разгонного блока осуществлялась "с головы", для чего система управления космического аппарата включалась перед стартом.

В первом приборном отсеке размещались трехстепенная гиростабилизированная платформа, вычислительное устройство автомата отсечки двигателя, вычислительное устройство регулятора кажущейся скорости и гироскопический интегратор продольных ускорений, а во втором - автомат стабилизации на активных и пассивных участках, блок дальности, принимающий и обрабатывающий информацию с доплеровского радиолокатора, блок программированных высот, принимающий и обрабатывающий информацию с радиовысотомера. Для управления работой блока Д часть аппаратуры системы управления была размещена на переходной ферме.

На участках второго торможения, снижения и посадки в качестве измерительных средств система управления использовались радиовысотомер больших высот (РВ В) "Вега", доплеровский измеритель скорости ДА 018, в состав которого входил и измеритель дальности. Для отсечки блока двигателей малой тяги при достижении заданной высоты над Луной служил высотомер малых высот "Квант-2", разработанный КБ технической кибернетики Ленинградского политехнического института имени М.И. Калинина.

Систему астроориентации для космического аппарата Е8, как и для Е6, разработало отделение №1 НИИ-923 под руководством В.П. Морачевского. С 1990 года эта организация стала называться МОКБ "Марс". Соответственно и идеология ее построения осталась той же. Для построения трехосной ориентации использовались датчики Солнца и Земли в составе астроблока, а также блок датчиков угловых скоростей. Исполнительными органами служили газовые микродвигатели. Впрочем, сама трехосная ориентация требовалась лишь перед проведением коррекции или торможения. В остальное время аппарат закручивался вокруг направления на Солнце для поддержания стабильного теплового режима и устойчивой связи с Землей.

В соответствии с утвержденной кооперацией Машиностроительный завод имени С.А. Лавочкина отвечал за создание не только космического комплекса Е8, но и за создание лунохода, а ВНИИ-100 - за создание самоходного шасси с блоком автоматического управления движением и системой безопасности движения. Для экспериментальной проверки выбранных конструктивных решений на станции "Луна-13" был установлен прибор "Грунтомер", позволивший определить характеристики грунта в месте посадки. Кроме того, на лунных спутниках "Луна-11" и "Луна-12" был установлен экспериментальный редуктор Р 1, который работал в открытом космосе.

К моменту завершения эскизного проекта по Е8, то есть к концу 1967 года, прошло отработку и шасси: сначала в ВНИИТрансМаш, а потом на МЗЛ. Масса шасси составила 84 кг, то есть ВНИИТрансМаш вписался в отпущенный лимит. Диаметр каждого из восьми ведущих колес по грунтозацепам составлял 510 мм, ширина 200 мм, колесная база шасси - 170 мм, а ширина колеи 1600 мм.

Сам аппарат 8EЛ, то есть луноход, состоял из герметичного приборного контейнера и самоходного шасси. В приборном контейнере размещалась вся служебная аппаратура. Контейнер имел форму усеченного конуса, причем верхнее основание конуса, служащее радиатором для сброса тепла, имело больший диаметр, чем нижнее. На время лунной ночи радиатор закрывалось крышкой. Внутренняя поверхность крышки былапокрыта фотоэлементами солнечной батареи, что обеспечивало подзаряд аккумуляторной батареи в течение лунного дня. Площадь солнечной батареи составляла 3,5 кв. м, а вырабатываемая мощность - 180 Ватт. В рабочем положении панель солнечной батареи могла располагаться под разными углами, чтобы оптимально использовать энергию Солнца при его различной высоте над лунным горизонтом. Наведение солнечной батареи по азимуту осуществлялось поворотом всего лунохода.

Внутри приборного контейнера были установлены приборы телевизионного и радиокомплекса, телеметрической системы, системы управления луноходом, блоки автоматики, а также серебряно-кадмиевая буферная батарея емкостью 200 Ампер-часов системы электропитания. Надо сказать, что при проектировании лунохода в качестве генератора тока рассматривались также топливные элементы, радиоизотопные генераторы и турбогенераторы, использующие энергию Солнца, но все они были отвергнуты по тем или иным причинам.

За основу радиокомплекса ДРК-Е8 был принят ДРК "Союз", разработанный в для лунных пилотируемых программ Л1 и Л3. В состав бортового радиокомплекса входили приемоответчик дециметрового диапазона, программно-временное устройство с блоком уставок, сбрасываемое перед посадкой, и программно-временное устройство мягкой посадки. Для повышения надежности команды на борт могли передаваться и в метровом диапазоне. По линии Борт-Земля передавалась как телеметрическая информация, так и телевизионная информация, причем для передачи телевизионных изображений на луноходе была установлена остронаправленная антенна на приводе. Управлением приводом для наведения антенны на Землю осуществлялось по командам с Земли.

Учитывая малое время прохождения радиосигнала до Луны и обратно, составляющее 2,5 секунды, систему управления луноходом решено было сделать дистанционной, то есть по командам с Земли. Впрочем, и для такого управления экипажу требовался значительный объем информации о состоянии систем лунохода и окружающем пространстве. С этой целью на борту лунохода установлена система курсоуказания. Кроме того, курсовой гироскоп обеспечивал выдерживание заданного направления движения в процессе выполнения маневров объезда.

Дополнительно на луноходе был установлен датчик лунной вертикали, который представлял собой чашу со сферической внутренней поверхностью, по которой свободно перекатывается шарик.

Для получения информации об окружающем луноход пространстве на его борту был установлен телевизионный комплекс, в состав которого вошли малокадровая телевизионная система и фототелевизионная система. Первая из них была предназначена для получения изображений лунной поверхности, необходимых для оперативного управления движением. В основу малокадровой телевизионной системы был положен стробоскопический метод преобразования спектра телевизионного сигнала. Она состояла из двух курсовых телевизионных камер, в которых применены полудюймовые видиконы с памятью (память до 1 минуты). Поле зрения каждой камеры - 48 на 36 градусов, время передачи одного кадра изображения - 3,2, 5,76, 10,88 или 21,12 секунды.