Иван Шунейко - Пилотируемые полеты на Луну

• Название: Пилотируемые полеты на Луну
• Автор: Иван Шунейко
• Издательство: Государственный Комитет Совета министров СССР по науке и технике
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1973

Выпуск Итоги науки и техники из серии Ракетостроение, том 3, «Пилотируемые полеты на Луну, конструкция и характеристики Saturn V Apollo» является обзором и систематизацией работ, информация о которых опубликована в изданиях ВИНИТИ АН СССР в 1969—1972 гг.

В томе 3 описываются конструкция, весовые, летные характеристики и космические летные испытания ракеты-носителя Saturn V и корабля Apollo. Рассматриваются системы управления корабля Apollo, принципы прицеливания траектории полета Земля-Луна-Земля, навигация, коррекция траектории полета, методы аварийного возвращения.

Описываются полеты на Луну кораблей Apollo-11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17, анализируется механика полета, посадка на Луну, взлет с Луны и возвращение на Землю.

Библиографический обзор литературы и рефератов, опубликованных в изданиях ВИНИТИ АН СССР, приводится в конце каждой главы.

Выпуск рассчитан на научных работников, инженеров-конструкторов, специалистов по испытанию и эксплуатации, преподавателей, аспирантов, работающих в области астронавтики, космической ракетной техники и авиации. Книга предназначается и для специалистов смежных с астронавтикой наук, интересующихся космической ракетной техникой, обеспечивающей полет человека на Луну.

---

15. Apollo-10. Aerospace Daily 1969, 36, № 40; 1969, 37, №№ 1; 16; 17; 22; 28; Aviation Week and Space Technol., 1969, 90, №№ 23; 25; 26; 24; 22; Interavia Air Letter, 1969, №№ 6745; 6747; 6751; 6758; 6760; 6763, ЭИ АиР, 1969, № 30; ЭИ АиР, 1970, № 8; РЖ, 1969, 10.41.62—10.41.77

16. Apollo-8. Apollo-9. Apollo-10. Weltraumfahrt, 1969, 20, № 1—2; (ЭИ АиР, 1969, № 38)

17. Apollo-11. Interavia Air Letters, 1969, №№ 6776; 6782; 6787; 6789; 6790; 6791; 6795; 6796; 6797; 6799; 6801; 6802; 6803; 6805; 6809; 6814; 6815 (ЭИ АиР, 1969, № 40); РЖ, 1970, 1.41.65—1.41.88; РЖ, 1970, 3.41.34– 3.41.36; РЖ, 1970, 5.41.47—5.41.55; РЖ, 1970, 6.41.26—6,41.32

18. Apollo-12. Flight Internal, 1969, 96, № 3164; «Interavia Air Letter», 1969, №№ 6866; 6880; 6892; Aviation Week and Space Technol., 1969, 91, №№ 19; 21; 22; 23; Aerospace Daily, 1969, 40, №№ 3; 4; 9; 12; 13; 17; 28, ЭИ АиР, 1970, № 12; РЖ, 1970, 4.41.12—4.41.49

19. Apollo-13. Interavia Air Letter, 1970, № 6965; 6980; 6982; 6984; 7013 «Aerospace Daily», 1970, 41, № 26; 42, № 44; Interavia, 1970, 25, № 5. ЭИ АиР, 1970, № 36; РЖ, 1970, 5.41.56—5.41.66; РЖ, 1970, 7.41.78—7.41.90; РЖ, 1970, 8.41.29—8.41.47; РЖ, 1970, 10.41.83—10.41.89; РЖ, 1970.1.41.2—11.4186; РЖ, 1971,3.41.29—3.41.32

20. NASA goes for lunar langing for Apollo-14. Aerospace D.aily, 1971, 47, № 22, ЭИ АиР, 1971, № 35; РЖ, 1971. 7.41.68

21. Fra Mauro. Flight Int., 1971, 99, № 3233. РЖ, 1971, 7.41.81

22. Apollo-14 stresses experiments, geology. Aviat. Week and Space Technol., 1971, 94, № 9. РЖ, 1971, 7.41.75

23. Fra Mauro explored. Flight Int., 1971, 99, № 3232. РЖ, 1971, 8.41.55

24. Varied experiments planned for Apollo-14. Aviation Week and' Space Technol. 1971, 94, № 4. РЖ, 1971, 8.41.50

25. Apollo-14 photos detail Fra Mauro terrain. Aviat Week and Space Technol., 1971, 94, № 8. РЖ, 1971, 8.41.51

26. Baker D. Apollo-14 a visit to Fra Mauro. Spaceflight, 1971, 13, № 6, ЭИ АиР, 1971, № 35; РЖ, 1971, 9.41.51

27. Fryer R. J. The Apollo-14 landing site. Spaceflight, 1970, 12, № 9, (ЭИ АиР, 1971, № 5)

28. NASA adds two more changes to Apollo command and service modules. Aerospace Daily, 1970, 45, № 3, РЖ, 1971, 2.41.158

29. Apollo-14 timetable. Flight Int., 1970, 98, № 3214, РЖ, 1971, 2.41.166

30. М Strickland Z. Apollo-14 plan include cart, new test gear. Aviat. Week and Space Technol., 1970, 93, № 17. РЖ, 1971, 3.41.129

31. Apollo-15. Aviation Week and Space Technology v. 95, №№ 1—8, 16, 19, i 23, 1971. Ineravia Air Lett, 1971, № 7359; Spaceflight 1971, v. 13, ;№№ 11, 12 Space Business daily, 1971, v. 58, № 11; Science News, 1971, v. 100, №№ 9, 10; ЭИ АиР, 1972, № 8.

Выводы

1. Программа Apollo, предпринятая с целью «высадить человека на Луну и возвратить его благополучно на Землю», была начата 25 мая 1961 г. и завершена в декабре 1972 г.

2. По программе Apollo выполнено 6 полетов с посадкой на Луну Apollo-11, 12, 14, 15, 16 и 17.

В полете Apollo-13 в результате взрыва, происшедшего в служебном отсеке, посадка на Луну стала невозможной и для спасения экипажа потребовалось аварийное возвращение корабля на Землю.

3. Посадки лунных кораблей, за исключением Apollo-15 и 17 осуществлены в экваториальной зоне Луны, в точках с координатами:

Apollo-11, 0°41'15'' с. ш. 23°26' в. д. Море Спокойствия

Apollo-12, 3,03° ю. ш., 23,416° з. д. северо-западнее кратера Фра Мауро.

Apollo-14, 3°40'27" ю. ш., 17°27'58" з. д. севернее кратера Фра Мауро.

Apollo-15, 26°04'54" с. ш. 3°39'30" в. д. Апеннины.

Apollo-16, 9°00'01" ю. ш., 15°30'59" в. д. в районе кратера Декарта.

Apollo-17, 20°9'41" с. ш. и 30°45'25,9" в. д., район Тавр Литтров.

4. Экипажи лунных кораблей на поверхности Луны работали в общей сложности 150 чел-ч; установили на Луне 6 комплектов научной аппаратуры, занимались научными наблюдениями, собрали и доставили на Землю около 400 кг различных образцов лунных пород, привезли снятые на Луне детали с автоматической станции Surveyor-3; путешествовали по Луне пешком и на луноходе.

5. Для осуществления цели программы Apollo была принята схема полета со встречей на орбите ИСЛ, требующая ракету-носитель меньшего стартового веса, чем в случае прямого полета на Луну.

6. Программа Apollo потребовала решения целого ряда новых научно-технических проблем в области космонавтики..

Создана космическая система Saturn V Apollo со стартовым весом 2700—2950 г, выводящая полезную нагрузку на орбиту ИСЗ 130…138 г и на траекторию полета к Луне 45 т, корабль Apollo для экипажа из трех человек и лунный корабль, осуществляющий посадку на Луну с двумя астронавтами. Разработаны надежные и эффективные двигатели: ЖРД F-1 с тягой 680…850 т; ЖРД J-2 на жидком водороде и жидком кислороде с тягой 104 т; ЖРД с тягой 9760 кг и многократным включением; посадочный ЖРД с дросселируемой тягой от номинальной 4760 кг до минимальной 476 кг; ЖРД взлетной ступени с тягой 1590 кг, и различные ЖРД для реактивной системы управления.

7. Полеты на Луну продемонстрировали правильное решение проблемы распределения функций между человеком и автоматом в системе управления и навигации корабля Apollo, разработанной Приборной лабораторией Массачусетского технологического института. Астронавтам поручен контроль за работой автоматической системы управления,ее настройка и регулировка. На критических этапах полета при причаливании, стыковке, посадке на Луну и в других сложных и аварийных ситуациях астронавт управляет кораблем вручную. Хороший обзор из кабины командного отсека и лунного корабля обеспечивает эффективное ручное управление при стыковке и посадке на Луну, позволяя с целью увеличения надежности свести к минимуму использование электроники.

8. На корабле Apollo в системах управления и навигации командного отсека и лунного корабля был впервые в практике летательных аппаратов применен ЦАП. Анализ результатов полетов показал хорошее совпадение предсказанных и фактически наблюдаемых процессов управления, поведение угловой ошибки ориентации, отклонений ЖРД на кардане и ошибки поперечной скорости. ЦАП во многих отношениях превосходит аналоговую систему, он не только обеспечивает требуемые динамические характеристики, но и обладает свойствами, недоступными для аналоговой системы. К этим свойствам относятся оценка ориентации и коррекция эксцентриситета вектора тяги, автоматическое изменение коэффициентов усиления по мере выгорания топлива, возможность осуществления различных режимов управления ориентацией и стабилизации.

9. Управление траекторией полета космической системы Saturn V Apollo на разных этапах осуществляется различными методами. При выводе корабля Apollo на орбиту ожидания управление ракетой-носителем Saturn V осуществляется адаптационным методом. Он прост по идее, легок в описании; уравнения управления траекторией и отключения двигателя инвариантны к изменениям задач, характеристик управляемого объекта и удовлетворяют требованиям общности метода.

Однако идеальное решение задачи управления, состоящее в том, чтобы по существующим начальным и желаемым конечным условиям определить оптимальную траекторию и управлять направлением тяги так, чтобы эту оптимальную траекторию реализовать, оказалось непрактичным.

Поэтому методом вариационного исчисления заранее определяют семейство ожидаемых для данного объекта и данного этапа полета траекторий. Для решения задачи управления применяют численные методы криволинейной аппроксимации. Управляющие команды и момент отключения двигателя вычисляются как полиномы координат положения, скорости, ускорения и времени.

В плотных слоях атмосферы основная задача управления полетом ракеты-носителя Saturn V заключается в стабилизации, уменьшении нагрузок на упругую и аэродинамически неустойчивую ракету, никаких компенсаций возмущений отклонением вектора тяги не производится, чтобы не тормозить ракету. На этапе работы первой ступени S-IC осуществляется гравитационный поворот и программа управления вычисляется как полином только времени. За пределом плотных слоев атмосферы после сброса системы аварийного спасения во время работы ступеней S-II и S-IVB главной задачей управления является точное выполнение требуемых параметров полета в конце активного участка траектории. Полет ракеты осуществляется по оптимальной траектории, требующей минимального расхода топлива, управляющие команды вычисляются итерационным методом.

Результаты полетов к Луне кораблей Apollo-8, 10, 11…17 доказывают что такими методами управления достигается хорошая прицельная точность траектории полета к Луне, не требующая дополнительной коррекции, кроме специальной для превращения траектории свободного возвращения в гибридную.

Большинство орбитальных маневров корабля Apollo – зывод на орбиту ИСЛ, переход на круговую орбиту ИСЛ и на траекторию снижения на Луну, а также переход с орбиты ИСЛ на траекторию возвращения к Земле и коррекция траектории – выполняются на основе принципа об импульсном изменении скорости, считая начальную и конечную орбиты коническими сечениями. Такой принцип управления упрощает расчет и выполнение маневра.

10. Все без исключения осуществленные посадки лунного корабля на Луну доказали, что только ручное пилотирование кораблем может обеспечить на последних этапах выбор места посадки и надежную и безопасную посадку на Луну.

11. Разработанный метод осуществления посадки лунного корабля с двумя коридорами входа при параметрах полета в дальнем коридоре (высота над поверхностью Луны 2,3 км., горизонтальная скорость 550 км/ч, вертикальная скорость 45 м/сек) и в ближнем коридоре (высота 150 м, скорость по траектории 74 км/ч) делает управление заходом на посадку лунного корабля похожим на управление самолетом, а вертикальное прилунение похоже на посадку вертолета. При таких летных характеристиках лунного корабля можно, по-видимому, считать пилотирование при посадке на Луну не сложным. Единственным фактором, затрудняющим посадку, является облако лунной пыли, поднимаемое струёй выхлопных газов из ЖРД, и посадку приходится осуществлять с высоты ~30 м «вслепую», по приборам.