Введение
Транспортное средство, управляемое астронавтами на Луне (1971–72) – лунные роверы "Аполлон".
the Apollo rovers
Lunar Roving Vehicle (LRV) – это четырехколесный ровер, работающий от аккумуляторов, использовавшийся на Луне в ходе последних трех миссий американской программы "Аполлон" (15, 16 и 17) в 1971 и 1972 годах. В народе его часто называют "лунным багги", что является игрой слов с термином "дюнный багги". Созданный компанией Boeing, каждый LRV имел массу без полезной нагрузки. Он мог перевозить максимальную полезную нагрузку в , включая двух астронавтов, оборудование и груз, такой как лунные образцы, и был рассчитан на максимальную скорость , хотя на своей последней миссии, "Аполлон-17", он достиг скорости . Каждый LRV доставлялся на Луну в сложенном виде в отсеке Квадрант 1 лунного модуля. После развертывания каждый ровер преодолевал в среднем 30 км без серьезных происшествий. Эти три LRV до сих пор находятся на Луне.
История
Концепция лунного ровера предшествовала программе "Аполлон", с серией статей 1952–1954 годов в журнале Collier's Weekly Вернера фон Брауна и других, под названием "Человек скоро покорит космос!". В этих статьях фон Браун описал шестинедельное пребывание на Луне, включавшее в себя 10-тонные тягачи для перевозки грузов. В 1956 году Миечислав Г. Беккер, будучи профессором Мичиганского университета и консультантом Лаборатории наземной мобильности Командования бронетехники армии США, опубликовал две книги о наземном передвижении. Эти книги заложили значительную теоретическую основу для последующей разработки лунных аппаратов. В 1959 году Георг фон Тизенхаузен представил лунный ровер как транспортное средство с полным приводом на четырех колесах, оснащенное не надувными, гибкими колесами.
Ранние исследования лунной мобильности
В февральском выпуске журнала Popular Science в 1964 году фон Браун, тогдашний директор Космического центра Маршалла НАСА (MSFC), обсудил необходимость лунного транспортного средства и сообщил, что в Маршалле совместно с Lockheed, Bendix, Boeing, General Motors, Brown Engineering, Grumman и Bell Aerospace велись соответствующие исследования. Саверио Мореа был назначен руководителем проекта LRV в MSFC в 1961 году. Осенью 1962 года компании Grumman и Northrop приступили к проектированию герметичных транспортных средств с электродвигателями для каждого колеса. Примерно в то же время Bendix и Boeing начали собственные внутренние исследования лунных транспортных систем. Миечислав Беккер, в настоящее время работающий в оборонных исследовательских лабораториях General Motors в Санта-Барбаре, штат Калифорния, завершал исследование для Лаборатории реактивного движения НАСА по созданию небольшого беспилотного лунного ровера для программы Surveyor. Ференц Павлиц, родом из Венгрии, использовал конструкцию из проволочной сетки для "эластичных колес", которая была бы применена в будущих небольших роверах. В начале 1963 года НАСА выбрало Маршалл для проведения исследований в рамках системы логистической поддержки Apollo (ALSS). После анализа всех предыдущих работ был подготовлен отчет объемом в 10 томов, в котором была отмечена необходимость герметичного транспортного средства, способного вместить двух человек с необходимым оборудованием и припасами для экспедиций продолжительностью до двух недель. В июне 1964 года Маршалл заключил контракты с Bendix и Boeing, а лаборатория GM была назначена субподрядчиком по разработке технологий транспортных средств. Bell Aerospace уже имела контракт на исследования лунных летательных аппаратов. Параллельно с исследованиями Bendix и Boeing, Маршалл изучал менее амбициозный проект исследования поверхности – LSSM. Он состоял бы из стационарной обитаемой лаборатории-укрытия и небольшого лунного ровера, способного перевозить одного человека или управляться дистанционно. Эта миссия все равно потребовала бы двойного запуска, при котором лунное транспортное средство перевозилось бы на "лунном грузовике". Лаборатория двигательных установок и транспортных средств (P&VE) Маршалла заключила контракт с Hayes International на предварительное исследование укрытия и сопутствующего транспортного средства. В связи с потенциальной необходимостью закрытого транспортного средства для будущих расширенных лунных исследований, эти проектные работы продолжались некоторое время и привели к созданию нескольких полномасштабных опытных образцов. Под давлением Конгресса с целью снижения стоимости программы "Аполлон", производство ракет Saturn V было сокращено, что позволяло осуществлять только один запуск на каждую миссию. Любой ровер должен был поместиться в тот же лунный модуль, что и астронавты. В ноябре 1964 года разработка двух моделей ракет была приостановлена на неопределенный срок, но Bendix и Boeing получили контракты на исследования небольших роверов. Название лунного посадочного модуля было изменено на просто лунный модуль, что указывало на отсутствие в то время возможности совершать управляемые "экскурсии" от лунной посадочной площадки. Мобильной лаборатории не было – астронавты работали бы непосредственно из лунного модуля. Маршалл также продолжал изучать беспилотные роботизированные роверы, которыми можно было бы управлять с Земли. С самого начала работы в Маршалле, компания Brown Engineering из Хантсвилла, штат Алабама, участвовала во всех проектах по обеспечению мобильности на Луне. В 1965 году Brown стала основным подрядчиком по поддержке лаборатории P&VE Маршалла. В связи с острой необходимостью определить возможность создания автономного посадочного модуля на двоих, фон Браун обошел обычную процедуру закупок и поручил Отделу передовых исследований P&VE напрямую компании Brown разработать, построить и испытать прототип транспортного средства. В то время как Bendix и Boeing продолжали совершенствовать концепции и проекты посадочного модуля, опытные образцы роверов были жизненно важны для исследований человеческого фактора в Маршалле, включающих астронавтов в скафандрах, взаимодействующих с оборудованием для обеспечения питания, телеметрии, навигации и жизнеобеспечения. Команда Brown в полной мере использовала результаты предыдущих исследований небольших роверов, а коммерчески доступные компоненты включались, где это было возможно. Выбор колес был очень важен, и в то время почти ничего не было известно о лунной поверхности. Маршалльская лаборатория космических наук (SSL) отвечала за прогнозирование свойств поверхности, а Brown также была основным подрядчиком этой лаборатории; Brown создала испытательный полигон для изучения различных условий поверхности колес. Для имитации "эластичного колеса" Павлица использовалась внутренняя камера диаметром четыре фута, обмотанная нейлоновой лыжной веревкой. На небольшом опытном ровере каждое колесо имело небольшой электродвигатель, а питание обеспечивалось стандартными автомобильными аккумуляторами. Дуга безопасности обеспечивала защиту от опрокидывания. В начале 1966 года транспортное средство Brown стало доступным для изучения человеческого фактора и других испытаний. Маршалл построил небольшую испытательную трассу с кратерами и каменистыми завалами, где сравнивались различные макеты; стало очевидно, что небольшой ровер будет наиболее подходящим для предлагаемых миссий. Опытный образец также работал в дистанционном режиме для определения характеристик, которые могут быть опасны для водителя, таких как ускорение, высота отскока и склонность к опрокидыванию при движении на более высоких скоростях и по имитированным препятствиям. Производительность опытного ровера при гравитации в одну шестую была получена в результате полетов на самолете KC-135A с использованием параболического маневра пониженной гравитации; среди прочего, была показана необходимость очень мягкой комбинации колес и подвески. Хотя проволочные колеса Павлица изначально не были доступны для испытаний в условиях пониженной гравитации, проволочные колеса были испытаны на различных почвах в Экспериментальной станции Водных путей Корпуса инженеров армии США в Виксбурге, штат Миссисипи. Позже, при испытаниях проволочных колес в условиях низкой гравитации, была выявлена необходимость в колесных щитках для уменьшения загрязнения пылью. Модель также была тщательно протестирована на полигоне армии США в Юме, штат Аризона, а также на полигоне армии США в Абердине, штат Мэриленд.
Проект лунного летательного аппарата
В 1965 и 1967 годах Летняя конференция по исследованию Луны и науке собрала ведущих ученых для оценки планов НАСА по исследованию Луны и выработки рекомендаций. Одним из их выводов было то, что LSSM имела решающее значение для успешной программы и требовала первоочередного внимания. В Центре Маршалла фон Браун создал команду по исследованию Луны, а в мае 1969 года НАСА одобрило программу пилотируемых лунных роверов как разработку оборудования в Центре Маршалла. Проект возглавлял Эберхард Рис, директор по исследованиям и разработкам в Центре Маршалла, который руководил проектированием и строительством ровера, а Саверио Мореа был назначен руководителем проекта. Ференц Павликс. Компания Boeing из Сиэтла, штат Вашингтон, должна была поставлять электронику и систему навигации. Испытания техники проводились на предприятии Boeing в Кенте, штат Вашингтон, а производство шасси и общая сборка – на предприятии Boeing в Хантсвилле. Первый контракт с Boeing на условиях «стоимость плюс стимулирующие надбавки» составлял 19 миллионов долларов и предусматривал поставку первого LRV к 1 апреля 1971 года. Однако перерасход средств привел к окончательной стоимости в 38 миллионов долларов, что примерно соответствовало первоначальной оценке НАСА. Было построено четыре лунных ровера: по одному для миссий «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17», а также один – для использования в качестве запасных частей после отмены дальнейших миссий «Аполлон». Были созданы и другие модели LRV: статический макет для помощи в проектировании с учетом антропометрических данных; инженерный макет для проектирования и интеграции подсистем; две модели с гравитацией в 1/6 для испытания механизма развертывания; тренировочный макет с гравитацией в 1g для обучения астронавтов управлению ровером и отработки навыков вождения; макет массы для оценки влияния ровера на конструкцию лунного модуля, его баланс и управляемость; испытательный образец для вибрационных нагрузок для изучения прочности LRV и его устойчивости к нагрузкам при запуске; и квалификационный испытательный образец для изучения интеграции всех подсистем LRV. В статье Саверио Мореа содержатся подробные сведения о системе LRV и ее разработке. LRV использовались для повышения мобильности на поверхности во время миссий класса J «Аполлон», «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17». Ровер был впервые использован 31 июля 1971 года во время миссии «Аполлон-15». Это значительно расширило радиус действия лунных исследователей. Предыдущие группы астронавтов были ограничены небольшими расстояниями вокруг места посадки из-за громоздкого оборудования скафандра, необходимого для поддержания жизнедеятельности в лунной среде. Однако радиус действия оперативно ограничивался, чтобы оставаться в пределах досягаемости пешком от лунного модуля на случай поломки ровера. Роверы были спроектированы с максимальной скоростью около , хотя Юджин Сернан зафиксировал максимальную скорость около , установив (неофициальный) рекорд скорости на Луне. LRV был разработан всего за 17 месяцев и выполнил все свои функции на Луне без серьезных сбоев. Астронавт-ученый Харрисон Шмитт из «Аполлона-17» сказал: «Лунный ровер оказался надежным, безопасным и гибким лунным исследовательским аппаратом, каким мы и ожидали его увидеть. Без него крупные научные открытия, сделанные в ходе миссий «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17», были бы невозможны, и наше нынешнее понимание эволюции Луны также было бы невозможным». Цветная телевизионная камера, установленная на передней части LRV, могла дистанционно управляться из Центра управления полетами по осям панорамирования и наклона, а также масштабирования. Это обеспечило гораздо лучшее телевизионное освещение выхода в открытый космос, чем в предыдущих миссиях. В каждой миссии, по завершении пребывания астронавтов на поверхности, командир выводил LRV в позицию вдали от лунного модуля, чтобы камера могла записать запуск взлетной ступени. Оператор камеры в Центре управления полетами испытывал трудности с синхронизацией различных задержек, чтобы взлетная ступень лунного модуля оставалась в кадре во время запуска. На третьей и последней попытке («Аполлон-17») запуск и взлет были успешно отслежены. Роверы НАСА, оставленные на Луне, являются одними из искусственных объектов на Луне, как и советские беспилотные роверы «Луноход-1» и «Луноход-2».
Особенности и спецификации
Луноход программы "Аполлон" – это электромобиль, разработанный для работы в условиях низкого вакуума и слабой гравитации Луны, способный передвигаться по лунной поверхности и позволяющий астронавтам "Аполлона" расширить радиус своих выходов в открытый космос. Три лунохода были использованы на Луне: один в рамках миссии "Аполлон-15" астронавтами Дэвидом Скоттом и Джимом Ирвином, один в миссии "Аполлон-16" – Джоном Янгом и Чарльзом Дьюком, и один в миссии "Аполлон-17" – Юджином Сернаном и Харрисоном Шмиттом. Командир экипажа выполнял роль водителя, занимая левое сиденье каждого лунохода. Подробности можно найти в работах Мореа и Кудиша.
Масса и полезная нагрузка
Лунные роверы имели массу , и были разработаны для перевозки дополнительной полезной нагрузки весом в Ференц Павлич получил специальное признание от NASA за разработку "устойчивого колеса". Колесо состояло из цельного алюминиевого ступичного узла и шины шириной , изготовленной из цинкопокрытых тканых стальных нитей диаметром , прикрепленных к ободу. Титановые шевроны покрывали 50% площади контакта для обеспечения сцепления с поверхностью. Внутри шины находилась титановая рамка-ограничитель диаметром для защиты ступицы. Над колесами были установлены пылезащитные экраны. Каждое колесо имело собственный электрический привод производства Delco – коллекторный электродвигатель постоянного тока, способный развивать мощность при 10 000 об/мин, соединенный с колесом посредством гармонического привода с передаточным числом 80:1 и механического тормозного устройства. В случае отказа привода астронавты могли извлечь штифты для отключения привода от колеса, позволяя колесу вращаться свободно. Маневрирование обеспечивалось за счет использования передних и задних рулевых двигателей. Передние и задние колеса могли поворачиваться в противоположных направлениях для достижения минимального радиуса поворота в 10 футов (3 м), или могли быть разъединены, чтобы руление осуществлялось только передними или только задними колесами. Колеса были соединены в соответствии с геометрией рулевого управления Акермана, при которой внутренние колеса имеют больший угол поворота, чем внешние, для предотвращения бокового скольжения. Питание обеспечивалось двумя 36-вольтовыми неперезаряжаемыми батареями серебряно-цинково-калийного гидроксида, разработанными компанией Eagle Picher, с емкостью 121 А·ч каждая (в общей сложности 242 А·ч), что обеспечивало дальность хода 57 миль (92 км). Они использовались для питания двигателей привода и рулевого управления, а также 36-вольтовой розетки, установленной на передней части ровера, для питания релейной станции связи или телевизионной камеры. Батареи и электроника ровера охлаждались пассивно, с использованием теплоаккумуляторов на основе воска с фазовым переходом и отражающих, направленных вверх излучающих поверхностей. Во время движения радиаторы покрывались миларовыми экранами для минимизации накопления пыли. При остановке астронавты открывали экраны и вручную удаляли излишки пыли с охлаждающих поверхностей с помощью ручных щеток.
Управление и навигация
Ручной контроллер в форме буквы "Т", расположенный между двумя сиденьями, управлял четырьмя двигателями привода, двумя рулевыми двигателями и тормозами. Перемещение рычага вперед приводило LRV в движение, отклонение влево и вправо поворачивало аппарат влево и вправо, а оттягивание назад активировало тормоза. Активация переключателя на рукоятке перед оттягиванием переводила LRV в режим заднего хода. Полное оттягивание рукоятки активировало стояночный тормоз. Модули управления и индикации располагались перед рукояткой и отображали информацию о скорости, курсе, угле наклона, уровне мощности и температуре. Навигация осуществлялась на основе непрерывной регистрации направления и пройденного расстояния с помощью направленного гироскопа и одометра, данные с которых передавались в компьютер для отслеживания общего направления и расстояния до посадочного модуля (LM). Также имелось устройство для определения курса по тени от Солнца, которое позволяло вручную определять направление, основываясь на положении Солнца, учитывая его медленное движение по небу.
Использование
LRV использовался во время лунных операций на поверхности в миссиях "Аполлон-15", "Аполлон-16" и "Аполлон-17", миссиях J программы "Аполлон". В каждой миссии LRV использовался в ходе трех отдельных выходов в открытый космос (EVA), в общей сложности девять лунных переходов или выездов. Во время эксплуатации командир (CDR) всегда был водителем, а пилот лунного модуля (LMP) – пассажиром, помогавшим в навигации.
An operational constraint on the use of the LRV was that the astronauts must be able to walk back to the LM if the LRV were to fail at any time during the EVA (called the "Walkback Limit"). Thus, the traverses were limited in the distance they could go at the start and at any time later in the EVA. Therefore, they went to the farthest point away from the LM and worked their way back to it so that, as the life support consumables were depleted, their remaining walk back distance was equally diminished. This constraint was relaxed during the longest traverse on Apollo 17, based on the demonstrated reliability of the LRV and spacesuits on previous missions. A paper by Burkhalter and Sharp provides details on usage.
Миссия | Общая дистанция | Общее время | Самый длинный одиночный переход | Максимальное удаление от LM
------- | -------- | -------- | -------- | --------
"Аполлон-15" (LRV 1) | 17,25 мили (28 км) | 3 ч 02 мин | 7,75 мили (12 км) | 3,1 мили (5 км)
"Аполлон-16" (LRV 2) | 16,50 мили (27 км) | 3 ч 26 мин | 7,20 мили (12 км) | 2,8 мили (5 км)
"Аполлон-17" (LRV 3) | 22,30 мили (36 км) | 4 ч 26 мин | 12,50 мили (20 км) | 4,7 мили (8 км)
An operational constraint on the use of the LRV was that the astronauts must be able to walk back to the LM if the LRV were to fail at any time during the EVA (called the "Walkback Limit"). Thus, the traverses were limited in the distance they could go at the start and at any time later in the EVA. Therefore, they went to the farthest point away from the LM and worked their way back to it so that, as the life support consumables were depleted, their remaining walk back distance was equally diminished. This constraint was relaxed during the longest traverse on Apollo 17, based on the demonstrated reliability of the LRV and spacesuits on previous missions. A paper by Burkhalter and Sharp provides details on usage.
Оперативным ограничением при использовании LRV было требование, чтобы астронавты могли вернуться к LM пешком в случае выхода LRV из строя в любой момент во время EVA (это условие называлось "Пределом возвращения пешком"). Таким образом, дистанция, на которую они могли удалиться от LM в начале и в любой момент во время EVA, была ограничена. Поэтому они направлялись к самой удаленной точке от LM и возвращались обратно, чтобы по мере расходования ресурсов жизнеобеспечения дистанция, которую им предстояло пройти пешком, также уменьшалась. Это ограничение было ослаблено во время самого длинного перехода в миссии "Аполлон-17" благодаря продемонстрированной надежности LRV и скафандров в предыдущих миссиях. Подробности об использовании приведены в статье Burkhalter и Sharp.
An operational constraint on the use of the LRV was that the astronauts must be able to walk back to the LM if the LRV were to fail at any time during the EVA (called the "Walkback Limit"). Thus, the traverses were limited in the distance they could go at the start and at any time later in the EVA. Therefore, they went to the farthest point away from the LM and worked their way back to it so that, as the life support consumables were depleted, their remaining walk back distance was equally diminished. This constraint was relaxed during the longest traverse on Apollo 17, based on the demonstrated reliability of the LRV and spacesuits on previous missions. A paper by Burkhalter and Sharp provides details on usage.