Surveyor, предшественник Аполлона

Surveyor — топограф, инспектор, геодезист.

Программа Surveyor имела своей основной целью отработку систем, обеспечивающих мягкую посадку аппарата, получение телевизионных изображений лунной поверхности, изучение физико-химических характеристик грунта в районе посадки. Программа Surveyor начата в 1960 г. и закончена в 1968 г. К стадии работ 1962—1966 гг. примыкала программа создания и отработки специально созданной для запусков аппаратов Surveyor ракеты-носителя Atlas-Centaur. Программой предусматривалось решение ряда новых технических проблем: проведение испытаний двигательной установки, работающей на жидких кислороде и водороде, осуществление повторного включения двигателя. Осуществлено 8 запусков (АС-1-АС-6, АС-8 и АС-9) экспериментальной ракеты-носителя Atlas-Centaur. Были проведены испытания ракеты-носителя и отработка программы вывода аппаратов Surveyor на траекторию полета к Луне, для чего использовались модели аппарата Surveyor.

Места прилунения аппаратов по программам «Луна» (СССР), «Сервейер» (США) и «Аполлон» (США).

На стадии работ 1966—1968 гг. решались научно-технические задачи, имеющие как самостоятельное значение, так и прикладное значение в рамках программы Apollo. Основными задачами являлись доставка и осуществление мягкой посадки аппарата Surveyor на Луну; отработка систем, обеспечивающих мягкую посадку аппарата, получение телевизионных изображений лунной поверхности в месте посадки, проведение исследований в месте посадки (определение механических и физико-химических характеристик грунта к др.). Осуществлено 7 запусков аппаратов Surveyor, из которых 2 закончились неудачей. На первых двух аппаратах научная аппаратура не устанавливалась; они предназначались только для получения телевизионных изображений в месте посадки. На последующих аппаратах устанавливалась как телевизионная, так и специальная научная аппаратура (механизм с ковшом-захватом, α-анализатор, магниты), предназначенная для изучения характеристик лунного грунта. Аппаратами проводились телевизионная съемка — исследование топографии лунного рельефа; определение консистенции, морфологии и структуры грунта; измерение альбедо; фотометрия, колориметрия, поляриметрия; изучение химического состава грунта—определение процентного содержания различных элементов; изучение механических свойств лунного грунта—предельной статической нагрузки, проницаемости, плотности, пористости, величины частиц, упругости, когезии, адгезии, эррозии, прочности скальных пород; изучение электромагнитных свойств поверхности—отражательной способности в рабочих диапазонах радиолокаторов, диэлектрической постоянной, содержания магнитных частиц; изучение теплового режима на поверхности Луны; телевизионная съемка Земли; регистрация посылаемого с Земли лазерного излучения; астрономические исследования (телевизионная съемка звезд, планет, солнечной короны, Земли, солнечного затмения).

Рама аппарата сделана из тонкостенных алюминиевых труб. Она представляет собой треножник из трёх посадочных опор длиной 4,3 м с амортизаторами и тарелями. Подошвы опорных тарелей и амортизирующие блоки, укреплённые на каждой опоре, выполнены из алюминиевых сот, за счет деформации которых поглощается энергия посадочного удара. В двух отсеках с контролируемой температурой размещена электронная аппаратура, на вертикальной мачте высотой 1 м, укреплённой на вершине треножника, находятся солнечная батарея и планарная узконаправленная антенная решётка.

Схема аппарата «Сервейер»

Схема аппарата «Сервейер» в посадочной конфигурации. 1 — тарели посадочных опор; 2 — краш-блоки из алюминиевых сот; 3 — антенны радиовысотомера и доплеровского измерителя скорости; 4 — маневровый ЖРД; 5 — спектрометр обратного рассеяния альфа-частиц (отсутствовал в первых четырёх аппаратах серии «Сервейер»); 6 — всенаправленные конические антенны; 7 — телекамера; 8 — планарная антенная решётка; 9 — узел позиционирования антенны и солнечной батареи; 10 — сенсор солнечной батареи; 11 — солнечная батарея; 12 — узел разблокировки посадочных опор.

 

Surveyor - схема.

Аппарат имел основной тормозной твердотопливный двигатель и три служащих для управления посадкой жидкостных двигателя, а также двигатели ориентации, питаемые сжатым азотом.

Посадочное устройство аппарата при старте находилось в сложенном состоянии и развертывалось только лишь после того, как аппарат выводился на траекторию полета к Луне. Максимальный диаметр «Сервейера» составлял 4,27 м, а высота (при сложенном шасси) около 3 м.

 

Установка кожуха Surveyor/Atlas/Centaur в космических силовых камерах для испытания на утечку в Национальном исследовательском центре Льюиса Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Июнь 1967 года.

Доставка аппаратов «Surveyor» к Луне осуществлялась ракетной системой «Atlas Centaur», а посадка в заданную точку — с помощью основного тормозного твердотопливного двигателя, который заканчивал свою работу и отбрасывался на высоте около 10 км, после чего замедление спуска осуществлялось жидкостными двигателями.

Запуск SC-3 аппарата произведен 17 апреля 1967 г. в 7 час. 05 мин., со стартового комплекса № 36В ракетой-носителем Atlas—Centaur AC-12. Это был первый запуск ракеты-носителя Atlas—Centaur с аппаратом Surveyor со стартового комплекса № 36В и первый запуск, произведенный ночью (2 час. 05 мин. по местному времени).

Atlas-Centaur, ракета-носитель для Surveyor, была одной из самых современных ракет НАСА на тот момент. Разгонный блок Centaur использовал жидкий водород и жидкий кислород в качестве топлива - первая ракета, которая имела такое топливо. Эта комбинация обеспечивала вдвое большую тягу, чем та же масса обычных порохов, используемых тогда. Ракета-носитель Atlas, используемая с Centaur, была модифицированной версией межконтинентальной баллистической ракеты Atlas D. Передний топливный бак был изменен, чтобы принять более широкую и тяжелую верхнюю ступень и новый двигатель МА-5, обеспечивающий на десять процентов большую тягу на старте, чем при использовании базовой системы МА-2.

 

Схема в разрезе "Атлас-Кентавр" с лунным спускаемым аппаратом "Surveyor".

На «Сервейере-1» были установлены две телевизионные камеры на видиконах (одна из них была направлена вниз) и около 100 датчиков для измерения температур, напряжений, положения подвижных элементов аппарата, а также акселерометры. Специальной научной аппаратуры на «Сервейере-1» не было. Телевизионная система массой 7,31 кг могла работать в двух режимах: с разложением изображения на 200 или на 600 строк.

Источниками электропитания Surveyor служили солнечная батарея (792 отдельных элемента общей площадью 0,855 м2, мощность до 85 ватт) и два серебряно-цинковых химических источника тока (один из них заряжаемый).

Один из отсеков с контролируемой температурой (от +5 до +50 °C) содержал всю электронику связи и блок питания. Второй, где температура поддерживалась в диапазоне от −20 до +50 °C, предназначался для электроники, которая дешифровала команды и обрабатывала сигналы.

Хронология запусков.

«Сервейер-1» был запущен 30 мая 1966 года в 14:41:00 UT с помощью ракеты-носителя «Атлас-Центавр», сразу направившись с сторону Луны, без выхода на промежуточную околоземную орбиту. В ходе полёта в 06:45 UT 31 мая была выполнена коррекция траектории. На расстоянии 75,3 км от поверхности Луны по сигналу от радара был запущен тормозной твердотопливный двигатель, отработавший в течение 40 секунд и затормозивший аппарат со скорости 2612 м/с до 110 м/с (относительно поверхности); после этого на высоте около 11 км двигатель был отстрелен, и дальнейшее торможение осуществлялось жидкостными двигателями под управлением бортового компьютера, получавшего данные от радиовысотомера и доплеровского измерителя скорости. «Сервейер-1» осуществил успешное прилунение в 6:17:36 UT 2 июня 1966 года в юго-восточной части Океана Бурь в точке с координатами 2°28′28″ ю. ш. 43°20′23″ з. д.G (в 50 км к северо-северо-востоку от кратера Флемстид). Двигатели были выключены на высоте 3,4 метра от поверхности Луны. Удар о поверхность, произошедший с вертикальной скоростью около 3,6 м/с и горизонтальной составляющей 0,3 м/с, погасили амортизированные опоры. Аппарат после первого контакта подскочил примерно на 6 м и через 1,0 секунды вновь встал на поверхность.

Кадры кинохроники, посвященные «Сервейер-1».

«Сервейер-1» начал телевизионную съемку поверхности Луны через час после прилунения. На момент посадки Солнце находилось на высоте 28° над восточным горизонтом, двигаясь к верхней кульминации.

Астронавты Томас Стаффорд (справа) и Юджин Сернан рассматривают первые снимки лунной поверхности, сделанные Surveyor-1. Фото 2 июня 1966 года.

В течение первого лунного дня, до захода Солнца 14 июня, аппарат передал 10 338 фотографий.

Изображение тени Surveyor 1 на лунной поверхности в конце лунного дня с горизонтом в правом верхнем углу.

 

Химический анализ по результатам программы.

В таблице приведены результаты исследований α-анализатором для различных образцов пород:

результаты исследований α-анализатором для различных образцов пород в разных зонах посадок.

Состав пород близок к составу базальта; содержание Fe относительно велико в морских участках и мало в материковой области. Содержание свободного железа, собираемого магнитом, менее 0,25% (по объему), что также согласуется с составом базальтов. Температуры поверхности днем близки к тем, которые получаются при измерениях с Земли. Beличина параметра тепловой инерции (кρс)-½ несколько ниже, чем по данным земных измерений, и близ кратера Тихо примерно вдвое ниже, чем в морских районах. Данные допплеровского радио-наблюдения аппаратов позволяют уточнить фигуру Луны и теорию ее движения. На поверхности Луны уровень радиации невысокий и не представляет опасности для высадившихся на поверхность Луны космонавтов.

«Surveyor 3» прилунился 20 апреля 1967 года в Океане Бурь. Как впоследствии было установлено, посадка осуществлялась в кратер, из-за чего радар выдал ошибочные данные, и посадочные двигатели не отключились вовремя. Из-за этого аппарат дважды подпрыгнул. После первого касания он поднялся на высоту 10 м, после второго — на высоту 11 м. После третьего касания аппарат остался на поверхности.

«Surveyor 3» впервые имел на борту устройство для сбора и анализа грунта, расположенное на раздвижном манипуляторе, управляемом электромотором. С его помощью в лунной поверхности было прорыто четыре канавки длиной до 18 см. Образцы грунта перемещались в поле зрения телекамеры, их изображения передавались на Землю по радиолинии. Всего аппарат передал на Землю 6315 различных изображений.

Surveyor 3, который был сфотографирован во время внекорабельной активности (EVA-2) Аполлона-12 на поверхности Луны. 20 ноября 1969 года.

С наступлением лунной ночи 3 мая 1967 года аппарат был отключён, так как его солнечные панели не вырабатывали достаточно энергии. По окончании лунной ночи через 336 часов «Surveyor 3» вернуть в работоспособное состояние не удалось из-за воздействия низкой температуры.

Surveyor 6 отбрасывает тень длиной 18 метров, а Солнце находится всего на 8 ° над горизонтом.

Аппарат прилунился 10 ноября 1967 года в Центральном Заливе Луны. Это изображение было сделано Lunar Reconnaissance Orbiter НАСА в марте 2010 года.

Расположение Центрального Залива на Луне

Температурные характеристики из результатов программы.

Surveyor 7 в январе 1968 года завершил очень успешную программу, которая приблизила НАСА к достижению цели безопасной высадки людей на Луну. Пять из семи миссий совершили мягкую посадку на лунную поверхность и исследовали районы, которые выглядели многообещающими для посещения астронавтами Аполлона. В совокупности пять космических аппаратов, эксплуатировавшихся около 17 месяцев, отправили на Землю 87 000 фотографий с лунной поверхности и провели химический анализ почвы на трех посадочных площадках.

Место посадки Surveyor-7, который прилунился 10 января 1968 года в 25,6 км к северу от кратера Тихо, самого интересного места Луны.

Фото-мозаика панорамы места приземления Surveyor 7.

Изучение характеристик лунного грунта позволили американским ученым сделать следующие предварительные выводы:

Прочность грунта достаточна для того, чтобы лунная кабина корабля Apollo при посадке не погрузилась в него. Прочность поверхностного слоя такова, что астронавты, вышедшие на лунную поверхность, могут передвигаться без опасения провалиться. Толстого слоя мелкой пыли, в которой астронавты могли бы провалиться, не обнаружено. Астронавты, вышедшие на поверхность Луны, будут создавать нагрузку на грунт около 0,035 кг/см2, т. е. примерно такую же, как и аппараты Surveyor после успокоения. Однако самый верхний слой грунта сравнительно непрочен, и астронавты, по-видимому, будут оставлять неглубокие следы. Глубина следов, возможно, будет достичь 2—3 см. Величина адгезии с металлом, краской, стеклом использованными в конструкции аппаратов, меньше чем величина когезии (~10-2 н/см2 для наружного слоя). Установлено, что лунная поверхность сложена преимущественно мелкодисперсным слабосвязанным материалом с диаметром частиц менее 1 мм, среди которого встречаются и более крупные агломераты, а также отдельные камни. Глубина этого слоя различна; она меньше на валах кратеров и больше на их дне.

Выводы о физических свойствах Лунной поверхности.

С увеличением глубины грунт имеет более темный цвет, преобладающим цветом является серый, в т. ч. и поверхностного слоя. Характер поляризации близок к известному по наземным наблюдениям. Одно из изображений лунной поверхности, полученной телекамерой аппарата Surveyor VI после того, как он совершил маневр по перемещению, показывает, что грунт, несколько взрыхленный при работе двигателя, имеет более темную окраску, чем поверхностный слой. Выдвинуто предположение, что это объясняется обратимым обесцвечиванием поверхностного слоя под воздействием коротковолнового излучения Солнца. Слегка красноватая окраска лунной поверхности, возможно, определяется ионами трехвалентного железа. Под воздействием солнечной радиации соединения Fe+3 превращаются в соединения Fе+2, что приводит к видимому обесцвечиванию пород. Поскольку грунт, отброшенный ковшом-захватом аппаратов Surveyor III и VII, не проявил никаких признаков посветления в течение около полутора десятка дней, было сделано предположение, что постоянная времени реакции обесцвечивания должна быть минимум 1 год. На основании данных, полученных аппаратами Surveyor, сделаны выводы, что светлый слой имеет толщину в несколько частиц, а участки поверхности комков лунного грунта, которые все время находятся в тени, имеют более темную окраску, чем участки, подвергающиеся облучению солнечным светом. При этом химический состав светлого поверхностного слоя такой же, как и у более темных подстилающих слоев. При воздействии струй истекающих газов реактивных сопел и двигателя в грунте не образовалось глубоких кратеров и воронок, но было отмечено небольшое облако пыли, поднятой с поверхности. Глубина образовавшихся при работе двигателя кратеров не превышает нескольких сантиметров. Выброса лунного грунта при посадке аппаратов и выдувания его при работе двигателей не было отмечено.

По результатам исследований в феврале 1968 года Совет по отбору площадок НАСА выбрал пять потенциальных зон посадки для первой пилотируемой миссии «Аполлон», отвечая таким критериям пригодности, как ровная местность и четкая траектория захода на посадку, на основе информации, собранной Геодезистами на поверхности Луны и лунными орбитальными аппаратами на орбите вокруг Луны.

Красные точки обозначают пять возможных площадок посадки Аполлона-11 и Аполлона-12 по состоянию на февраль 1968 года. Желтые кружки представляют последние три целевые площадки-Аполлона-11. Зелёный кружок обозначает Зону 2, первичную площадку Аполлона-11, где на самом деле приземлился Лунный Модуль Орел.

Впервые в мировой истории детали Surveyor 3 были возвращены на Землю экипажем Аполлона-12 для изучения. Впервые ученые и инженеры получили возможность проанализировать оборудование после длительного нахождения на поверхности Луны.

Задачи полёта корабля Аполлон-12 в ноябре 1969 года предусматривали поиск аппарата «Surveyor-3», демонтаж некоторых его деталей и доставку их на Землю для изучения влияния длительного пребывания в экстремальных лунных условиях. Эти данные были важны для Лаборатории реактивного движения, чтобы предоставить данные для проектирования космических кораблей «Меркурий-Венера», полёты которых были запланированы на 1973 год.

 

6 октября 1969 г. Астронавты Чарльз Конрад (справа), командир; и Алан Л. Бин, пилот лунного модуля, моделируют операции по демонтажу оборудования с беспилотного космического корабля Surveyor 3 в учебном корпусе летных экипажей космического центра Кеннеди (KSC).

По просьбе экипажа «Аполлона-12» внутренняя первичная система наведения и навигационного контроля, предназначенная для спуска, была изменена таким образом, чтобы автоматическое наведение высадило LM-6 ближе к Surveyor-3, а не в точке смещения в 305 метрах к востоку и 153 метрах к северу, как изначально планировалось.

20 ноября 1969 года во время второго выхода на Лунную поверхность, экипаж корабля «Аполлон-12» Бин и Конрад демонтировали телевизионную камеру с космического корабля с Surveyor-3 , примерно через два с половиной года после прилунения аппарата, и впоследствии вернули её на Землю:

Посадочная площадка Аполлона-12, посадочная ступень Лунного модуля, пакет Эксперимента (ALSEP) и космический аппарат Surveyor 3, а также следы астронавтов (немаркированные стрелки). Фото LROC NASA.

 

20 ноября 1969 г Луна, Океан Бурь.

Surveyor приземлился на внутреннем склоне того, что позже называлось кратером Surveyor. Были некоторые опасения, что, когда астронавты будут снимать части для возвращения на Землю, космический корабль может начать скользить вниз. Именно поэтому астронавты всегда оставались выше аппарата, находящегося под наклоном.

Конрад с камерой от Surveyor-3 в Лунной приёмной лаборатории LRL. Масса телевизионной системы составляла 7,31 кг.

В настоящий момент камера находится в Smithsonian's National Air and Space Museum:

Экспонат Smithsonian's National Air and Space Museum

Из материалов по анализу возвращённых Аполлоном-12 материалов с корабля Surveyor-3:
Данные измеренной отражательной способности были проанализированы, чтобы понять последствия воздействия лунной пыли и радиационного облучения. Было обнаружено, что радиационное изменение цвета на различных поверхностях пропорционально степени солнечного освещения и находится в разумном согласии с лабораторным моделированием. Было обнаружено, что изменение цвета вызывает фотоиндуцированное кислородное отбеливание. Это обесцвечивание привело к значительному изменению цвета, видимого после возвращения на Землю. Органическое загрязнение не является существенным фактором в наблюдаемом обесцвечивании внешних поверхностей.
Почти все открытые поверхности камеры были частично покрыты тонким слоем лунной пыли. Существовали значительные различия в количестве и видимом размере частиц пыли на различных поверхностях. Распределение пыли указывает на то, что пыль была внедрена в космический корабль в основном при первоначальной посадке Surveyor 3 и при заходе на посадку и посадке лунного модуля Аполлон-12 (LM). Присутствие пыли даже в очень небольших количествах может оказать существенное влияние на контроль температуры и оптические характеристики оборудования на поверхности Луны.
Лунная пыль, прилипшая к оптическим фильтрам камеры, состоит из частиц шириной менее 1–40 мкм. Большинство частиц представляют собой сложные смеси из более чем одной кристаллической фазы, а не кусочков однофазных минералов размером с микрометр. Предполагаемый исходный материал этой пыли - мелкозернистая брекчия или почва из такого типа породы.
Пыль на зеркале камеры состоит из частиц, достаточно больших, чтобы видеть их невооруженным глазом (загрязняющие вещества, состоящие из волокон гипса, кальцита и бета-ткани) и мелкозернистых угловых фрагментов. Сферические частицы ограничены в основном меньшими размерами; около 1 процента частиц имеют сферическую форму при диаметре 0,7 мм / мм по сравнению с 10 процентами при диаметре менее 0,2 мкм / мкм.

Отрывок из отчёта по исследованию возвращённых образцов с Surveyor-3.

Инженерные исследования показали, что телекамеры и другое оборудование не демонстрировали никаких признаков отказа, что привело к выводу, «что нынешнее состояние технологий, даже в том виде, в каком оно существовало [до запуска Surveyor 3 в 1966 году], позволяет производить надежные аппараты, которые делают возможными долговечные лунные и планетные миссии».

В других исследованиях изучали оборудование зонда на предмет воздействия солнечного ветра и ударов микрометеоритов. Что касается последнего, исследование пришло к выводу, что ни один из видимых поверхностных элементов не имеет метеоритного происхождения.

Бактерии, обнаруженные внутри телекамеры, изначально считались отложениями до того, как Surveyor 3 был запущен на Луну, а это означало, что они прожили на Луне 31 месяц. Более поздние исследования показали, что это, скорее всего, было результатом заражения от группы, проверявшей камеру после того, как она была возвращена на Землю, в результате «плохих» процедур в «чистом» помещении.

Инженерная модель S-10, используемая для испытаний термоконтроля. Он был перенастроен для представления полетной модели Surveyor 3, поскольку он был первым, у которого был пробоотборник с совком и когтем. После получения в 1968 году он был выставлен в Смитсоновском здании Arts & Industries Building

По предварительным расчетам, стоимость работ по программе Surveyor оценивалась в 496 млн. долл. К началу 1965 г. расходы составили 531 млн. долл. Для изготовления 7 аппаратов Surveyor Лабораторией реактивного движения был заключен контракт в размере 70 млн. долл. с Hughes Aircraft Co. Стоимость создания, обеспечения запуска и полета 7 экспериментальных аппаратов Surveyor составила 563 млн. долл., в т. ч. 3-х отработанных аппаратов— 155 млн. долл.

Суммарные расходы на программу Surveyor составили около 750 млн. долл.