Полетом советской АС «Луна-9» начался новый этап селенологии — этап проведения экспериментов непосредственно на поверхности Луны. Комплекс данных о лунной поверхности, полученных станцией «Луна-9», положили конец спорам о структуре и прочности верхних слоев грунта. Было доказано, что поверхность Луны обладает достаточной прочностью, чтобы не только выдержать статический вес аппарата без существенных деформаций, но и «устоять» после его удара при посадке на лунную поверхность. Анализ панорам выявил характер структуры лунного грунта и распределение на нем мелких кратеров и камней. Очень важно, что впервые стало возможным рассмотреть детали поверхности с размерами 1–2 мм, а случайное смещение станции позволило получить стереопару к первой панораме; при анализе стереоснимка удалось точнее понять рельеф поверхности. Оказалось, что он является более плавным, чем представлялось ранее по данным наземных наблюдений.
Станция «Луна-13» принесла первые объективные количественные данные о физико-механических характеристиках лунного грунта, полученные непосредственными измерениями. Новая информация не только имела большое научное значение, но и использовалась в дальнейшем для расчета элементов конструкции значительно более крупных станций следующего поколения, способных нести на себе буровое оборудование, ракеты «Луна-Земля», доставившие лунный грунт на Землю и автоматические лаборатории «Луноход».
Рис 5. Автоматическая станция «Луна-10»
Искусственные спутники Луны этого периода имели значительную по тогдашним понятиям массу и были оборудованы многочисленными научными приборами. Например, масса ИСЛ — «Луна-10» составляла 245 кг, тогда как масса спускаемого аппарата станции «Луна-9» была около 100 кг. Увеличение массы АС с ИСЛ по сравнению с другими объясняется тем, что для выполнения маневра перевода космического аппарата на окололунную орбиту требуется значительно меньше топлива, чем при осуществлении мягкой посадки на Луну, и поэтому за счет топливной «экономии» можно поместить на такую АС больше приборов.
Искусственные спутники Луны имели на своем борту научные приборы, радиооборудование, источники электропитания и т. д. Необходимый тепловой режим поддерживался с помощью специальной системы терморегулирования. В состав научного оборудования ИСЛ могли входить весьма разнообразные приборы. На станции «Луна-10» (рис. 5), например, устанавливались: магнитометр для уточнения нижнего предела магнитного поля Луны, гамма-спектрометр для изучения спектрального состава и интенсивности гамма-излучения пород, слагающих поверхность Луны, приборы для регистрации корпускулярного солнечного и космического излучений, заряженных частиц земной магнитосферы. ионные ловушки для исследования солнечного ветра и лунной ионосферы, датчики для регистрации микрометеоритов на трассе перелета Земля-Луна и в окрестности Луны, инфракрасный датчик для регистрации теплового излучения Луны.
В состав научного бортового оборудования станции «Луна-11» входили приборы для регистрации гамма- и рентгеновского излучений поверхности (что позволяло получать данные по химическому составу лунных пород), датчики для изучения характеристик метеорных потоков и жесткой корпускулярной радиации в окололунном пространстве, приборы для измерения длинноволнового космического радиоизлучения.
Одной из основных задач третьего советского ИСЛ- автоматической станции «Луна-12» — было выполнение крупномасштабного фотографирования поверхности Луны, проводимого с различных высот орбиты ИСЛ. Площадь, охватываемая каждым снимком, равнялась 25 кв. км, и на них можно было различить детали поверхности размерами 5-20 м. Фототелевизионное устройство автоматически обрабатывало пленку и затем передавало изображения на Землю. Кроме фотографических экспериментов станция продолжала исследования, начатые и полетах предыдущих станций.
Автоматические аппараты, находящиеся на окололунных орбитах, являются эффективным инструментом выявления глобальных особенностей строения Луны, характеристик и свойств ее поверхности, изучения окололунной среды. Например, к фундаментальным исследованиям, проведенным с орбит искусственных спутников Луны, относится определение глобальных характеристик химического состава лунных пород. Выяснение же состава пород, слагающих поверхность Луны, давало ключ к проверке геохимических представлений об эволюции небесных тел.
Для дистанционного анализа химического состава лунного грунта предлагался целый ряд методов. Среди них и регистрация нейтронов, возникающих при взаимодействии космических лучей с веществом поверхности, измерение рентгеновского излучения, возбуждаемого солнечной радиацией, и некоторые другие. На АС «Луна-10» был установлен сцинтилляционный гамма-спектрометр, измерявший спектр лунного гамма-излучения. За время его работы на борту этого ИСЛ было получено девять спектров гамма-излучения в двух интервалах энергий 0,15-0,16 и 0,3–3,2 МэВ, а в 39 точках лунной поверхности была измерена интенсивность излучения в интервале энергий 0,3–0,7 эВ.
Сопоставление полученных спектров с калибровочными, а также со спектрами земных материалов показало, что поверхность Луны в глобальном масштабе слагают породы, имеющие базальтовый характер. В результате были отброшены предположения о том, что поверхность Луны имеет гранитный или ультраосновной состав, а также что она выстлана слоем хондритовых метеоритов или тектитами. Тем самым был получен важный аргумент в пользу магматического происхождения лунных пород.
Фотографическая съемка лунной поверхности использовалась для астрономоселенодезического и селенографического изучения Луны при проведении картографических работ. Полученные изображения (с различным разрешением) деталей поверхности позволили изучить характеристики лунного рельефа, распределение и особенности строения тектонических структур, последовательность лавовых излияний в морских районах.
Несколько магнитографических разрезов окололунного пространства, выполненных с помощью магнитометров ИСЛ, позволили выявить наличие слабого магнитного поля, вызванного взаимодействием Луны с солнечным ветром. Плазменные эксперименты положили начало изучению распределения заряженных частиц и условий их существования в окололунном пространстве как части общих закономерностей, свойственных процессу взаимодействия плазмы солнечного ветра с планетами Солнечной системы.
Анализ изменения параметров движения ИСЛ, проводимый наземными радиотехническими комплексами при полете космических аппаратов по различным орбитам, давал возможность провести предварительное определение гравитационного поля Луны. Оказалось, что возмущения движения станции за счет нецентральности поля тяготения Луны в 5–6 раз превышают возмущения, вызванные притяжением Земли и Солнца. Была установлена несимметричность поля на видимой и обратной сторонах Луны.
Систематические длительные наблюдения за изменением параметров орбиты позволили значительно уточнить отношение масс Луны и Земли, форму Луны и ее движение.
Полеты ИСЛ принесли значительный объем информации об условиях прохождения и стабильности радиосигналов, передаваемых с Земли на борт АС и обратно. Были получены очень интересные сведения о характеристиках отражения радиоволн поверхностью Луны, что позволило не только выявить изменение характеристик отражения радиоволн, но и оценить диэлектрическую проницаемость и плотность вещества различных районов Луны.
ЗА ЛУННЫМ КАМНЕМ. ЛУНОХОДЫ
К 70-м годам в Советском Союзе создается новое поколение «лунных» космических аппаратов, позволявших решать широкий спектр научных задач. В основу конструктивного построения этих автоматических станций было положено их разделение на ступени, первая из которой (посадочная) представляла собой унифицированный автономный ракетный блок, обеспечивающий выполнение коррекции траектории при перелете Земля-Луна, выход на селеноцентрические орбиты с широким диапазоном орбитальных параметров, маневрирование в окололунном пространстве и, наконец, осуществление посадки в различных районах лунной поверхности. В качестве полезного груза ступень могла нести различное оборудование.