§ 8. Окололунная орбитальная станция

Нормальное функционирование лунной транспортной системы предполагает создание постоянно действующих космопортов, т. е. орбитальных станций, вблизи Земли и вблизи Луны. Разумеется, окололунная орбитальная станция, помимо обслуживания экспедиций на поверхность Луны, может играть и важную роль научной обсерватории.

Во время пребывания американских космонавтов на орбите ожидания основного блока при экспедициях по программе «Аполлон» (особенно в последних полетах) выявилась эффективность наблюдения лунной поверхности человеком (например, были обнаружены разного рода вулканические явления, главным образом на обратной стороне Луны). Научное оборудование окололунной орбитальной станции может состоять из аппаратуры для цветной фотосъемки поверхности, радиолокаторов, детекторов инфракрасного и ультрафиолетового излучений и может использоваться для уточнения лунной топографии, изучения поверхностного и нижележащего слоев по их радиационной активности, обнаружения полезных ископаемых [3.39].

Рассмотрим подробнее работу окололунного космопорта.

Прибывший на станцию с околоземной орбиты лунный транспортный корабль, помимо грузов и пассажиров, доставляет топливо лунным буксирам, для которых космопорт служит ангаром. Буксиры доставляют грузы и космонавтов на поверхность Луны, а транспортный корабль забирает грузы (собранная информация, минералы и т. п.) и возвращающийся на Землю персонал и отбывает в обратный путь. Одновременно космопорт должен служить центром связи и управления всеми операциями на Луне и орбитах вокруг нее: встречами и стыковками транспортных кораблей, посадками и взлетами беспилотных лунных буксиров, перемещениями луноходов. Он должен обеспечивать связь с экспедициями на лунной поверхности. Персонал космопорта должен управлять манипуляторами на орбитальных аппаратах, обслуживающих автоматические спутники Луны. Для этих аппаратов, как, возможно, и для луноходов, космопорт будет служить ангаром и ремонтной станцией. Наконец, космопорт будет служить и базой для спасательных операций на окололунных орбитах [3.44].

На какой высоте и в какой плоскости должна быть расположена орбита окололунной станции?

Исходя главным образом из удобства научных исследований, в 1969 г. группа перспективного планирования при президенте США предложила создать космопорт на полярной окололунной орбите высотой (в рамках большой программы исследований Луны, рассчитанной на 80-е годы, которая так и не была утверждена). Однако для станции, играющей роль лунного космопорта, могут быть выбраны и другие, более выгодные орбиты, а именно станции, расположенные в коллинеарных точках либрации (рис. 31 в § 6 гл. 4) [3.41, 3.44, 3.45], неподвижных относительно линии Земля — Луна.

Рис. 112. Траектория выведения либрационного спутника Окололунный участок показан в увеличенном масштабе тормозной импульс) [3 441.

Космопорты могут удерживаться в окрестностях точек либрации (являющихся, как говорилось в § 6 гл. 4, неустойчивыми) с помощью электроракетных двигателей или даже солнечного паруса, создающих тягу для компенсации слабых возмущений [3.41]. (Заметим, что и низкая полярная орбита требует постоянных забот о компенсации возмущений, см. § 3 гл. 10.)

В § 3 гл. 10 мы, предполагая геоцентрическую орбиту подлета к точке полуэллиптической, получили для импульса перехода на либрационную орбиту в точке значение Такой же импульс, сообщенный в противоположном направлении (тормозной с геоцентрической точки зрения и разгонный с селеноцентрической), переведет корабль, находящийся на рейде в космопорте на полуэллиптическую траекторию возвращения к Земле, симметричную траектории прибытия.

Выведение в точку по полуэллиптической орбите невозможно, так как сфера действия Луны нагонит корабль значительно раньше подхода к точке На рис. 112 [3.44] показана траектория перелета к либрационной точке (в системе координат, вращающейся

вместе с линией Земля — Луна). Окрестность Луны достигается через после старта с околоземной орбиты высотой 185 км (импульс схода равен 3,14 км/с). В ближайшей к Луне точке (высота 110 км) сообщается тормозной импульс предупреждающий разгон корабля Луной, и в точке 12 — импульс Суммарная характеристическая скорость оказывается меньше, чем при двухимпульсном запуске спутника Луны на оптимальную орбиту. Возвращение на околоземную орбиту из точки должно осуществляться по траектории, симметричной показанной на рис. 112 относительно линии Луна — Земля.

Лунные транспортные корабли, достигающие точек либрации (как, впрочем, и выходящие на низкую орбиту) будут, вероятно, двухступенчатыми (если не будут ядерными), причем первая ступень, снизившись по эллиптической орбите, возвратится с помощью тормозного импульса на орбиту околоземного космопорта. Двухступенчатыми будут и лунные буксиры, улетающие на Луну из точек либрации: их первые ступени будут выходить на промежуточную низкую окололунную орбиту и возвращаться затем с нее в космопорт [3.44].

Лунные буксиры, базирующиеся на точки либрации, нуждаются в большем количестве топлива, чем буксиры, обслуживающие космопорт на низкой орбите, так как первые должны при посадке на Луну тормозить околопараболическую скорость, а для вторых сумма затрат для схода с орбиты и торможения при посадке лишь незначительно будет превышать круговую. Но зато из либрационного космопорта практически доступны все точки лунной поверхности (включая невидимую из космопорта сторону Луны), так как для поворота плоскости селеноцентрической орбиты на любой угол требуются очень небольшие затраты скорости из-за малости селеноцентрических скоростей либрационных станций (0,15 км/с в точке в точке L2). Заметим, чтотраектория лунного буксира, спускающегося из точки либрации, не может рассматриваться как кеплерова (движение и самого космопорта не является кеплеровым). Спуск будет продолжаться несколько суток.

Однако главное преимущество либрационных космопортов заключается в выполнении ими роли центров связи и управления всеми операциями вблизи Луны и на ней. Правда, залунный космопорт гораздо выгоднее при этом вывести не в точку а в ее окрестность, чтобы он в соответствии с одним из решений задачи трех тел совершал движение по замкнутой орбите вокруг точки («гало-орбита», рис. 113, а). Имеется в виду, конечно, движение в трехмерной системе координат, связанной с линией Земля — Луна (см. § 6

гл. 4). При радиусе гало-орбиты станция будет совершать оборот за 2 недели. В отличие от спутника в точке спутник на гало-орбите всегда будет виден с Земли (рис. 113,б). Он обеспечивает связь Земли с любой точкой невидимого лунного полушария, а Земля обеспечивает связь космопорта на гало-орбите с любой точкой видимого полушария.

Рис. 113. Стаиция на гало орбите вокруг точки связь Земли с обратной стороной Луны» б) вид на гало-орбиту с Земли

Если Землю заменить в этой схеме релейным спутником в точке (откуда гало-орбита также видна), то мы получим глобальную систему связи для Луны, автономную от Земли. Это уменьшит время прохождения радиосигналов, что может иметь значение, например, для управления манипуляторами и луноходами, невидимыми из космопорта на гало-орбите. Борьба с возмущениями гало-орбиты потребует затраты характеристической скорости порядка в год. Если же разрешить станции изредка заходить за Луну, то достаточно будет и в год [3 44, 3.46].

Как центр связи и управления космопорт на низкой орбите (высота порядка не выдерживает конкуренции с гало-орбитой: в течение не более трех суток в месяц он не заходит за Луну (когда его орбита имеет с Земли вид, показанный на рис. 113, б); лунная база по 11 сут не будет иметь контактов с орбитальной

старцией; когда такие контакты будут, то каждый из них будет продолжаться лишь около 10 мин за виток. Такому космопорту не обойтись без целой системы релейных спутников Луны.

Представляет интерес проект сравнительно дешевого устройства, заменяющего либрационный спутник связи в окрестности точки Пусть позади Луны находится некоторая масса — космический аппарат (КА), - связанная тросом с невидимой с Земли стороной Луны. Если бы Луна не обладала собственным притяжением, то, согласно сказанному в § 11 гл. 5, при определенных начальных условиях вся гантелеобразная система Луна — трос — КА должна была бы благодаря градиенту земной гравитации занять устойчивое положение вдоль продолжения линии Земля — Луна. Для этого КА должен был бы получить начальную скорость, равную расстоянию Земля — КА, умноженному на величину где сидерический месяц; направление скорости должно было быть перпендикулярно продолжению линии Земля — Луна. При не слишком больших начальных скоростях, отличающихся от указанной, космический аппарат должен был бы колебаться, как маятник, относительно линии Земля — Луна. Притяжение Луны вносит важную поправку в наши рассуждения, а именно: если трос мал, то наш аппарат попросту упадет на Луну. Но этого не произойдет, если длина троса будет превышать расстояние от Луны до точки либрации Чем больше это превышение, тем меньше может быть масса аппарата. При малых превышениях слишком велико может быть влияние массы той части троса, которая находится между Луной и точкой Проектная длина троса [3.47] - 70- 90 тыс. км. Космическому аппарату на конце троса можно задать маятниковые пространственные колебания, при которых он будет выписывать на небе, если смотреть с Земли или с Луны, «фигуры Лиссажу». При углах размаха 30° только примерно на 0,2% траектории космический аппарат — релейная станция связи — будет загорожен от Земли Луной. Существуют уже сейчас достаточно прочные композитные материалы малой плотности, из которых может быть сделан трос, причем его толщина должна увеличиваться от космического аппарата до Луны, например, в 30 раз. Масса космического аппарата для указанной выше проектной длины троса, будет составлять несколько тонн, а троса — несколько сот килограмм

Предлагается 13.471 сначала вывести с помощью ракеты «Титан-Центавр» аппарат на гало-орбиту вокруг точки (чтобы его можно было наблюдать с Земли). Небольшой двигатель на сжатом газе вытягивает конец троса на несколько километров в сторону Луны, а там уже трос движется сам к Луне под действием градиента гравитации. Одновременно в противоположную сторону должна

направляться масса-«противовес», чтобы вся система оставалась на линии Земля — Луна. Через несколько недель конец троса достигает Луны и зацепляется за нее. Далее трос разматывается дополнительно еще на несколько тысяч километров, чтобы аппарат отодвинулся от Луны.

Станция не нуждается в системе ориентации, и лишь изредка может понадобиться коррекция фигур Лиссажу.