Непросто даже взлететь
Лунная гонка стартовала «с места в карьер» — задачу достичь естественного спутника Земли ученым СССР поставили в момент, когда люди только-только научились летать в космос. Из-за этого многие аварии лунной программы были связаны не с самими исследовательскими зондами, а с ракетами, на которых те стартовали.
Когда в 2013 году ракета «Протон-М» взорвалась при взлете в прямом эфире, это стало для страны шоком. Совсем иначе обстояли дела в 1950–1960-х годах.
В ту эпоху ракеты выходили из строя регулярно, и на единичный взрыв никто бы не обратил внимания, даже если бы советская космическая программа не была секретной.
Так, первые аппараты серии «Луна» стартовали на ракете 8К72 «Молния», основанной на баллистической ракете Р-7, и из 14 ее пусков удачными были лишь семь. Ракета 8К72К, на которой полетел Юрий Гагарин 12 апреля 1961 года, до него летала лишь три раза, из них два были удачными.
В этом не было вины советских конструкторов. От той же самой проблемы, но в меньшей степени, страдала и американская космонавтика. Многие аппараты запускали парами — с прицелом на то, что одна из ракет может взорваться. Более того, советская космонавтика получила мощное начальное преимущество: баллистическую ракету Р-7 разработали под избыточные требования по забрасываемой массе, поскольку ожидали, что отечественная атомная бомба получится слишком тяжелой. В итоге как оружие Р-7 все равно ни на что не годилась и была быстро заменена, зато ее стали использовать в мирных целях, что дало возможность сделать ее основной отечественной космической ракетой на долгие десятилетия.
Однако для того, чтобы долететь до Луны, одной ракеты мало: необходим разгонный блок, двигатели которого запускаются уже на орбите. Здесь данное Р-7 преимущество переставало играть значимую роль, и конструкторы вступали на неисследованную территорию.
«Долгая серия неудач была связана с разгонным блоком — самой верхней ступенью. Мы не могли придумать, как запускать двигатели в невесомости, чего раньше не требовалось», — рассказал «Газете.Ru» ведущий научный сотрудник ИКИ РАН Натан Эйсмонт.
В 1960-е годы он работал инженером в Особом конструкторском бюро № 1 (ОКБ-1) под руководством Сергея Королева, а в 2023-м должен был стать одним из руководителей экспериментов «Луны-25», если бы она не разбилась.
На Земле под действием гравитации жидкость в сосуде спускается вниз, а газ остается сверху. Запуск двигателей без силы тяжести труден, поскольку жидкое топливо плещется в баках и смешивается с газовой фазой. Поначалу ракеты семейства Р-7, к которому относятся и современные «Союз-2», обходили эту проблему, поскольку боковые и центральная ступени зажигались на стартовом столе, а верхняя — во время работы центральной, когда она создавала требуемую перегрузку. Однако для полетов к Луне куда эффективнее запускать верхнюю ступень позже, после отстыковки от нижних.
«Решение мы придумали на первый взгляд простое — создавать перегрузку с помощью вспомогательных маленьких твердотопливных двигателей. Им безразлична невесомость, зато за время их работы жидкое топливо стекает вниз. Идея была отличная, но лишь путем проб, ошибок и аварий мы поняли, как именно ее реализовать. Например, оказалось, что для достижения эффекта «газовать» требуется сильнее и дольше, чем думали изначально», — пояснил Эйсмонт.
Чтобы ускорить разработку этой системы и поощрить инновации, Королев поручил найти двух молодых инженеров и дать им полномочия для утверждения любых проектных документов с одним условием — чтобы через сутки прототип был «в металле». Одним из этих инженеров и был Эйсмонт.
Ракеты той эпохи страдали от множества проблем. Даже, казалось бы, уже разработанные узлы регулярно выходили из строя из-за неотработанных процедур по проверке и обслуживанию. Всего из-за отказа ракеты-носителя или разгонного блока провалились 29 советских лунных миссий, из них 12 — посадочных.
Мягко сесть на твердый грунт
К 1965 году проблему с разгонным блоком удалось решить, и начали сказываться трудности с мягкой посадкой на Луну. К тому времени СССР пытался доставить на земной спутник зонды серии Е-6. В стартовом положении они внешне напоминают яйцо диаметром 50 см, установленное сверху аппарата с тормозным ракетным двигателем (корректирующей тормозной двигательной установкой, КТДУ). Согласно полетной программе, КТДУ должна была с помощью тормозных импульсов вывести аппарат к поверхности Луны на малой скорости, в идеале — несколько м/с. В момент, когда установленный внизу щуп коснется поверхности, сферический зонд должен был отделиться от двигательной установки и упасть на грунт.
Зонд был ударопрочным, а снаружи со всех сторон укутан надувными амортизаторами («подушками безопасности»). Поскольку нижняя сторона «яйца» была тяжелее верхней, зонд в любом случае после серии скачков должен был встать правильно, сбросив надувные баллоны, и раскрыть свои лепестки.
Эта схема гораздо проще и надежнее, чем более поздние лунные аппараты, чьи двигатели должны были мягко поставить опоры на грунт. Несмотря на это, аппараты с «Луна-5» по «Луна-8» достигли естественного спутника Земли, но сесть на него не смогли. Конструкторы долго не могли понять, в чем причина.
«У нас ведь не было прямого контроля над процессом, как если бы посадка происходила перед нашими глазами. Аппарат летел согласно вложенному в него алгоритму, реагировал на радиокоманды с Земли и периодически отправлял к ней простенький сигнал. О том, что миссия провалилась, мы узнавали лишь по тому, что не состоялся очередной сеанс связи. Современных систем диагностики и датчиков, которые можно установить на космические аппараты в наши дни, тоже не было, и потому о причинах неудачи приходилось догадываться по косвенным признакам. То есть собирались специалисты из разных отделов и начинали бурные дебаты: «Вы виноваты! — Нет, вы виноваты!» Ну, дружелюбно только, без интриг», — рассказал «Газете.Ru» Григорий Заславский, ветеран космической отрасли, который занимался баллистическими расчетами для советской лунной программы.
Окончательный вывод о причинах аварии «Лун» с пятой по восьмую, вероятно, не удастся сделать никогда. В будущем подсказку может дать анализ сохранившихся на Луне обломков, но сейчас можно лишь довериться заключениям конструкторов. Они же нашли ответ только после того, как разбилась «Луна-8». На стадии снижения, уже после надувания амортизаторов, но до включения тормозного двигателя, она начала сильно закручиваться в одну сторону и не смогла верно сориентироваться для посадки. Подобного эффекта можно было добиться лишь в одном случае — если пробить надутую камеру и позволить воздуху струей из нее вылетать, создавая реактивный момент (эта причина указана в книге «Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований», изданной в «МАИ-Принт»).
«Я помню, как [главный конструктор КБ им. Лавочкина] Георгий Николаевич Бабакин ходил радостный и всем рассказывал эту новость — проблема была в дырявом амортизаторе, который из-за дефекта производства протыкался чем-то острым. Он был уверен, что нашел корень всей нашей череды неудач», — вспоминает Заславский.
Анализ показал, что камеру пробил стеклопластиковый кронштейн крепления «лепестков» яйца. После этого конструкторы сделали покрышку амортизатора намного прочнее, но проблема, как оказалось, возникала не только при разрывах. Стабильность полета аппарата нарушали даже потоки газа внутри него (при надувании амортизаторов из баллонов). Тяга двигателей системы ориентации составляла всего 33 грамма-сил, справиться с возмущениями они не могли, и в итоге тормозная установка не могла начать работать правильно. Эту проблему решили, отложив надувание амортизаторов на более поздний момент: когда включалась тормозная двигательная установка, чьи рулевые сопла развивали силу в 34 килограмма-сил.
После того, как все эти проблемы были решены, аппарат «Луна-9» совершил первую в истории мягкую посадку на спутник Земли. Это произошло 31 января 1966 года.
Покататься и вернуться
Аппараты Е-6 имели простую цель — достичь поверхности Луны и доказать принципиальную возможность мягкой посадки. После этого встала новая задача: приступить к полномасштабной научной работе, для которой требовались куда более сложные и тяжелые зонды. Новое поколение советских «лунников» получило именование Е8-5, и в эту серию входили средства доставки как луноходов, так и взлетной ракеты для отправки на Землю образцов лунного грунта.
Серьезная полезная нагрузка заставила отказаться от надежной схемы с надувными амортизаторами в пользу посадочных двигателей малой тяги. Они включались после отключения КТДУ на высоте около 30 метров и обеспечивали спуск с постоянной скоростью в 2–5 м/с.
Чтобы запустить такую конструкцию в небо, пришлось использовать новую тяжелую ракету «Протон-К». С ней советская космонавтика будто бы шагнула на десятилетие вперед и... лишилась сразу нескольких зондов.
Так, из-за аварии носителя был потерян первый луноход (он не получил публичного номера и упоминается в документах как Е-8 № 201), — при старте получил повреждения головной обтекатель. Кроме того, «Протон-К» и ее разгонный блок отправили в «вечный полет» непосредственного предшественника «Луны-15», которая должна была доставить на Землю грунт, а также еще четыре аппарата той же серии.
Запуск на «Протоне» смогли пережить четыре идентичных аппарата: «Луна-15», «16», «18» и «20». Зонды номер 16 и 20 с задачей справились, их возвратные ракеты доставили на Землю примерно сотню граммов реголита каждая. Зато два других разбились, что в итоге дает долю успехов в 50%.
Потеря «Луны-15» вышла мистической. Она смогла начать снижение и находилась в хорошем состоянии, будучи на высоте, как минимум, 2,5 км над поверхностью. Однако вскоре после прохождения этой отметки связь с аппаратом пропала, — и никто из инженеров не смог понять, почему.
Кто-то выдвигал гипотезу, что станция прилетела в нерасчетный район и столкнулась с горой, но подтвердить эту версию удастся только при обнаружении обломков или кратера.
Зато причины аварии «Луны-18» удалось точно установить по данным телеметрии. Во время маневрирования перед посадкой инженеры обнаружили, что после одного из импульсов двигателя аппарат оказался на орбите не 16,9 х 123,9 км, а 93,4 х 180,3. Это произошло из-за того, что один из двигателей ориентации попросту не загорелся из-за непоступления окислителя — лишь «пшикал» горючим под давлением, создавая тягу в 40 раз слабее нужной. Эту ошибку удалось скорректировать и отправить аппарат на траекторию снижения. Однако во время выдачи второго тормозного импульса все тот же двигатель ориентации вышел из строя и стал причиной перерасхода горючего и потери стабилизации по всем трем осям. В итоге почти неуправляемый аппарат разбился о Луну.
До окончания лунной программы СССР успел запустить еще два зонда, переживших полет на «Протоне», — серии Е-8-5М. Их коренное отличие от предыдущих было лишь в конструкции грунтозаборника, который позволял получить образец в виде целостного столбика (керна), столь важного для геологов. «Луна-24» задачу выполнила и стала последним успешным отечественным лунным аппаратом. Зато ее «сестру-близнеца» «Луну-23», постигла уникальная неудача, которую конструкторы космических аппаратов ждали и боялись давно.
На высоте около 500 м сломался доплеровский (использующий эффект Доплера в радиодиапазоне) измеритель скорости, и последние сотни метров аппарат долетал «вслепую». В результате в момент касания грунта он падал со скоростью 11 м/с вместо расчетных 5 м/с, но само по себе это не несло угрозу аппарату — его опоры проектировались с заделом. Однако из-за невезения касание произошло там, где уклон составлял 10-15 градусов. При нормальном спуске оставались шансы на удачную посадку, но из-за превышения скорости зонд опрокинулся на бок, хоть и уцелел. Грунтозаборное устройство попытались запустить из такого положения, но безуспешно.
Всего в рамках лунной программы СССР запустил 27 аппаратов, которые должны были прилуниться на спутник, но сделать это смогли лишь семь. Может показаться, что неудачи программы, если не брать в расчет аварии носителя, всякий раз были связаны с какой-то мелочью и случайностью. Однако космические полеты не просто так считаются эталоном сложной задачи, где нельзя допускать ошибок. Талантливые инженеры были и есть во многих странах мира, но заставить их работать в количестве многих тысяч, в рамках единой системы и с учетом всех мелочей, в XX веке могли лишь сверхдержавы. И даже у них возникали ошибки.