Луна-16

Луна-16 - советская автоматическая межпланетная станция для изучения Луны и космического пространства. «Луна-16» стала первым автоматическим аппаратом, доставившим внеземное вещество на Землю. Грунтозаборное устройство станции было сконструировано Алимовым Олегом Дмитриевичем - советским и российским ученым в области горных машин и горного ударного бурения.

Макет в музее истории Томского политехнического университета

Состав

Автоматический космический комплекс по доставке грунта с Луны состоял из:

посадочной платформы;

возвратной ракеты;

возвращаемого аппарата.

Посадочная платформа была унифицирована для всех станций серии Е-8, к ним относилось три типа: Е-8-5, Е-8М и Е-8С. Станции Е-8С («Луна-19» и «Луна-22») были спутниками Луны, и посадки не совершали. Е-8-5, к которым относилась и «Луна-16», предназначались для доставки на Землю лунного грунта, а Е-8М — для доставки на Луну самоходного аппарата «Луноход». Из-за жёсткого лимита возвращаемой массы невозможно было оснастить возвратную ракету полноценной системой управления, поэтому в качестве района посадки на Луну станций Е-8-5 выбирались места в пределах такой области Луны, где начальная часть траектории возвращения совпадала с местной лунной вертикалью. Это позволяло радикально упростить систему управления и даже избежать коррекций траектории на трассе перелёта Луна—Земля.

На посадочном модуле было установлено грунтозаборное устройство (ГЗУ), которое состоит из бурового станка с системой электрических приводов и бурового снаряда, механизма выноса ГЗУ - штанги, на которой укреплен буровой станок, и приводов, перемещающих штангу в вертикальной и горизонтальной плоскостях (по азимуту и углу места).

Для выбора места бурения - азимута разворота ГЗУ - на посадочной платформе были установлены два телефотометра, аналогичные установленным на "Луноходе". Для освещения зоны работы ГЗУ параллельно телефотометрам были установлены светильники.

Приборный отсек, имеющий форму тора, служил стартовой площадкой для возвратной ракеты.

Грунтозаборное устройство

Схема грунтозаборного устройства «Луны-16» 1. возвращаемый аппарат; 2. буровой станок; 3. исходное положение штанги; 4. демпфер штанги; 5. привод поворота штанги в вертикальной плоскости; 6. рабочее положение штанги; 7. привод сканирования штанги по азимуту

Общий вид бурового станка: 1. корпус бурового станка; 2. вращатель; 3. буровой снаряд

Операции по забору лунного грунта совершались с помощью грунтозаборных механизмов. Грунтозаборное устройство, используемое, при полетах АС «Луна-16, -20», состояло из штанги с укрепленным на ней буровым станком и электромеханических приводов, перемещающих штангу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Рабочим органом бурового станка был виброударный бур с резцами на конце (внутри он был полым).

Буровые механизмы обеспечивали работу с горными породами, имеющими широкий диапазон физико-механических свойств — от пылевато-песчаных до скальных. Максимальная глубина бурения составляла 35 см. Это оборудование приводилось в движение электродвигателями, скорость углубления бура в грунт и мощность, потребляемая электродвигателями, контролировались с Земли телеметрически.

Бурение при работе АС «Луна-16» продолжалось около 6 мин и проводилось на полную глубину. В конце рабочего хода электродвигатели бурового станка автоматически отключались. Масса добытого образца составила около 100 г.

Штанга позволяет опустить буровой станок на поверхность Луны и обеспечивает его подъем в положение, необходимое для помещения бурового снаряда с пробой грунта в спускаемый аппарат ракеты «ЛУНА-ЗЕМЛЯ». Поворот штанги в вертикальной плоскости осуществляется механическим приводом. На выходном валу этого привода имеется рычаг, соединенный со штангой пружинным демпфером для плавного нагружения электродвигателя привода. Привод, поворачивающий штангу по углу места, закреплен на фланце выходного вала привода сканирования штанги по азимуту. Привод сканирования по азимуту производит разворот штанги вокруг вертикальной оси на 180 градусов, ориентируя рабочую часть бурового станка в сторону спускаемого аппарата (для введения грунта в контейнер ) или в противоположную сторону (для взятия пробы ). Привод сканирования по азимуту обеспечивает выбор места для взятия пробы грунта в пределах дуги, определяемой длиной штанги и углом 120 градусов. Основные положения ГЗУ: 1) Полетное положение и положение для введения бурового снаряда с образцом лунного грунта в спускаемый аппарат ракеты «ЛУНА-ЗЕМЛЯ»; 2) Положение для разворота штанги на 180 градусов; 3) Положение при сканировании штанги по азимуту для выбора места бурения; 4) Положение при бурении. Преимущества ударно-вращательного бурения состоят прежде всего в том, что оно осуществляется с использованием твердосплавного породоразрушающего инструмента, что не ставит жестких требований к их охлаждению. Сочетание вращения и ударных нагрузок увеличивает ресурс полезной работы коронки, а также уменьшает вероятность подклинки керна при колонковом бурении. В результате повышается скорость бурения. Кроме того, буровое оборудование имеет сравнительно малые габариты и вес, а также потребляет небольшое количество энергии. При использовании ударно-вращательного бурения искажение свойств породы при проходке скважины и отборе керна минимальное.

Технические данные бурового станка ударно-вращательного действия:

Глубина бурения ..................................... 380 мм

Диаметр бурения ..................................... 26 мм

Число оборотов вращателя ........................ 508 об/мин

Скорость подачи бурового станка .............. 56 мм/мин

Усилие подачи бурового станка ................. 80-120 Н

Число ударов ударного механизма ................1524 уд/мин

Длина бурового снаряда ............................ 417 мм

Мощность электродвигателя .......................140 Вт

Габаритные размеры ................................ 690ґ290 мм

Масса .......................................................13,6 кг

Грунтозаборное устройство, впервые примененное на станции «Луна-16», явилось принципиально новым агрегатом космического аппарата. В его задачи входили и бурение лунного грунта различной плотности в условиях вакуума, и транспортировка образцов в контейнер возвращаемого аппарата, и последующая герметизация этого контейнера.

Полет

Посадочная ступень Луны-16 на лунной поверхности. Снимок сделан в марте 2010 г. с окололунной орбиты искусственным спутником Луны LRO

Автоматическая станция "Луна-16" была запущена с космодрома Байконур 12 сентября 1970 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К". На трассе перелета к Луне 14 сентября была проведена коррекция траектории. От проведения второй коррекции отказались 17 сентября в 2 часа 38 минут 14 секунд было произведено включение двигателя, который, отработав 236 секунд, обеспечил торможение и выход автоматической станции "Луна-16" на селеноцентрическую орбиту с высотой в апоселении 118,6 км, в периселении 102,6 км, наклонением относительно плоскости лунного экватора 70° и периодом орбиты 1 час 58 минут 53 секунды. Первая коррекция орбиты, проведенная 18 сентября, обеспечила прохождение аппарата над выбранным районом посадки с одновременным понижением высоты периселения до 20,8 км. С помощью второй коррекции (19 сентября) перицентр был понижен до 11,86 км.

20 сентября была вновь включена двигательная установка, которая обеспечила торможение и сход с орбиты станции "Луна-16". Высота над поверхностью Луны на начало торможения составила 13,28 км, а на момент выключения двигателя - 2,45 км. После выключения двигателя аппарат в течение 43секунд совершал свободное падение. На высоте 600 метров от поверхности вновь начал работать основной двигатель станции в режиме регулируемой тяги в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией от допплеровского измерителя скорости ДА-018 и радиовысотомера "Вега".

На высоте 20 метров скорость станции была снижена примерно до 2 м/сек. Здесь основной ЖРД был выключен и дальнейшее торможение происходило с помощью двигателей малой тяги. На высоте около 2метров по команде от гамма-высотомера "Квант" они были выключены, и 20 сентября в 8 часов 18 минут автоматическая станция "Луна-16" совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия. При этом вертикальная скорость аппарата в момент касания поверхности составила 4,8 м/с. Селенографические координаты места прилунения: 0°41' ю.ш. и 56°18' в.д. Отклонение от расчетной точки посадки составило 1,5 км. Протяженность трассы полета от точки схода с орбиты до точки посадки составила 250 км. Масса станции при посадке на Луну составила 1880 кг. После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров были предприняты попытки получить изображения места бурения. Всего были три включения телефотометров. Из-за недостаточной освещенности изображения места бурения получено не было. На двух изображениях видна Земля в виде светлого пятна.

Затем по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору грунта, включая бурение грунта до глубины 35 см, причем без разворота ГЗУ по азимуту. Взятые образцы грунта были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы. Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 21 сентября в 10 часов 43 минуты 21 секунду. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа. 24 сентября за 8 часов до входа спасаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты. Скорость входа в атмосферу составила 10950 м/с, а максимальные перегрузки, действующие на спускаемый аппарат в процессе аэродинамического торможения, достигали 315 единиц. При снижении вертикальной скорости до 250 м/с на высоте 14,5 км была введена в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 80 км юго-восточнее Джезказгана. Программа полета станции "Луна-16" была выполнена полностью. Ученые внимательно наблюдали за возвращением космического аппарата. Едва над ним раскрылся парашют и заработал передатчик, сообщивший координаты полета, к месту посадки устремились вертолеты поисковой команды. 24 сентября 1970 года возвращаемый аппарат благополучно приземлился в казахстанской степи.

Лунный грунт

Главным результатом полета "Луны-16" стала первая в мире доставка автоматическим аппаратом на Землю образцов лунного грунта. Лунный грунт –разнозернистый порошок, который легко слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает его от земной пыли: он скорее напоминает песок или комковатую структуру земных почв. Цвет лунного грунта темно-серый или черноватый.

Химический состав грунта «ЛУНЫ-16»:

Колонка реголита до глубины 35 см представляет собой разнозернистый материал темного цвета. Структура грунта, тонкозернистая у поверхности, с глубиной, в нижней части колонки, становится крупнозернистой; средняя величина частиц размерами менее 1 мм соответственно составляет 70 и 120 микрон. Ниже колонки в месте взятия грунта идет горная порода. Методом нейтронно-активационного анализа с использованием реакторных нейтронов определено содержание алюминия, марганца, натрия, хрома, железа и кобальта, с использованием быстрых нейтронов генератора- содержание кислорода и кремния.