С какви проблеми са се сблъскали конструкторите на първия луноход и как са ги решили

На десети ноември 1970 година, автоматичната станция «Луна-17» успешно стартирала към Луната с първия „Луноход” на борда. Той работил 322 земни денонощия (11 лунни), три пъти повече от планираното, и минал по лунната повърхност 10,5 км. „Луноход-2”, стигнал до Луната на 16 януари 1973 година, е минал почти четири пъти по-голямо разстояние — 37 км.

Поръчката за секретната разработка е дадена през 1964-та, за да се разбере какви трябва да са невижданите колела, отишли три години.

Двата главни проблема пред конструкторите били неизвестните свойства на лунния грунт, и работата на зъбните предавки в открития космос. Дотогава космическата механика никога не била работила за дълго при високи натоварвания. Опасенията, че зъбните предавки, и другите триещи се двойки може да залепват във вакуум при ниска температура, обаче не се потвърдили.

Главната загадка по онова време бил съставът на лунния грунт (първите образци са получени и доставени на Земята по-късно). Работата е една, ако там е пясък, и друга – ако са камъни. Решили да сложат колела, но и те са по „танкова” схема – побортно са в един ред, с неизменна ориентация. Луноходът завива с реверс на въртенето на колелата на единия борд и може да се върти на място, като верижна машина.

Тогава се смятало, че повърхността на Луната е сформирана изцяло под външни въздействия, по взривни механизми, в резултат от метеоритни удари. Общоприета била и теорията, че заради микрометеоритната бомбардировка, е покрита с многометров слой прах. Което обаче противоречало на данните от радиотелескопа в Горки. Освен това, направените в началото на 60-те аерофотоснимки на Камчатка, показали сходство между вулканичните, и лунните ландшафти. Значи, ако във формирането на лунната повърхност значителна роля са играли вулканични, а не метеоритни взривове, прашният слой няма да е дебел, а повърхността ще има свойства, близки до вулканичния шлак. Което се и потвърдило на трети февруари 1966 година, когато „Луна-9” за пръв път кацнала на Луната.

Първите измервания са направени в края на годината от „Луна-13”, и станало ясно, че реголита лесно се пресова, след това не възстановява началната си форма, и че има ниско вътрешно триене. Което в частност означава, че в него лесно се буксува. За изпитанията е намерен полигон на камчатския вулкан Толбачик, за който по резултатите от работата на Луноход-1, се доказало че съответства на лунните условия 96%.

В началото, паралелно обсъждали различни движители: колесен, гъсеничен, крачещ, шнеков, гъвкава лента, скачащ, претъркалващ се, премятащ се, и даже пълзящ като змия. Заради високата сложност и свързаната с нея ниска надеждност, екзотичните варианти отпаднали, останали само гъсеничния и колесния. Гъсеничният осигурява много висока проходимост, но е тежък, има ниско КПД, и не е добър за маломощни машини. Освен това, при скъсване на гъсеница, или заклинването й от камък между нея и опорните ролки, като няма кой да я поправи, това ще означава край на всичко. За капак, гъсеницата има много шарнири, а във вакуум те работят лошо – върху металите не се образува окисен слой, и при голямо натоварване детайлите може просто да се заварят един за друг.

Непрекъсната лента, вместо гъсеница, пък изобщо няма от какво да се направи, при температурен диапазон от -150 до 180 градуса по Целзий, колкото е нощем/денем на повърхността. Слизащият от космическата станция апарат трябва да има леко и свръхнадеждно шаси. Велосипедът няма нужда да се изобретява наново, щом вече съществува. Велосипедното колело има голям запас от якост при малко тегло. Така разработката отишла в ЦКБ по велостроене, в Харковския велосипеден завод.

Това е твърда конструкция, образувана от три титанови обръча, съединени помежду си с титанови грунтозацепи. Страничните обръчи са с по-малък диаметър от средния. Спиците са стоманени, беговата пътечка е мрежа от неръждавейка (за намаляване на теглото). На твърда подложка, има практически точков контакт, което значи високо КПД и се пести ток. На мека подложка, грунтът се смачква под средния обръч и започва да работи по-голяма площ от колелото, с което се увеличава петното на контакта, а от там - и проходимостта. Известният на земните джипери номер с изпускането на гумите.

Колелото тежи около три килограма (заедно с редуктора и електромотора – 6,640 килограма). Всяко издържа почти половин тон натоварване, а луноходите тежат 756 и 840 килограма. Произведени са около 300, с различни конструкции и размери. Вече в космоса се проявил проблем – стоманените спици създавали магнитно поле, което смущавало предаваната към Земята информация. За втория луноход опитали да направят титанови спици, но те се разтегляли като ластик при натягането, и останали стоманените. 

Третото и шестото колело имат датчици за скоростта на въртене, които се използват в навигационната система, заедно с деветото колело, което е закрепено зад машината, върти се свободно, и мери скоростта на движение, изминатия път, и коефициента на буксуване. Всички колела имат датчици на тока, за да не изгарят моторите от претоварване при буксуване.

Приводът на мотор-колелото е постояннотоков електродвигател с четки от специален материал за работа във вакуум, редуктор (1:216), и механична спирачка с електромагнитно управление. Изходният вал на трансмисията има локално отслабване на сечението, за да може да бъде разрушен по команда от Земята със специален пиропатрон, в случай на заклинване на колелото. Тогава то става водено и не пречи на движението. Конструкцията позволява разблокиране на пет от осемте колела, без Лунохода да загуби подвижност. Това така и не се е наложило, въпреки че конструкторите много са настоявали да опитат, когато Лунохода вече многократно е надхвърлил първоначално разчетения срок на работа. Окачването е независимо торсионно, с надлъжни щанги. Осигурява преодоляване на препятствия с височина 40 см, без удар в опората.

Пенетраторът прониквал в грунта, проверявайки носещата му способност. До него - деветото свободно въртящо се колело, служещо за одометър (вляво, по средата на снимката)

Динамичните натоварвания, възникващи при рязко спиране или завиване, зависят не от теглото, а от масата, и на Луната са същите, като на Земята. Затова устойчивостта към преобръщане в условията на слаба гравитации, намалява. Поради това Луноход-1 не може да се движи с повече от 2 км/ч, и има система за безопасност на основата на жироскопични датчици, която просто изключва захранването при достигане на критични ъгли на наклона.

Изучаването на механичните свойства на повърхностния слой на лунния грунт, е извършвано чрез определяне на якостните и деформационните характеристики на реголита в естественото му залягане. Изследвани са носещата способност на грунта, неговата уплътняемост, и съпротивлението на въртелив срез (с пенетрометър на кърмата на лунохода); правен е анализ на телевизионните изображения, позволяващи по дълбочината на коловоза на луноходите и характера на деформацията на грунта да се изяснят особеностите на структурата и строежа на грунта.

Лунният коловоз

Резултатите, получени от Луноход-1, показват, че носещата способност на реголита в различни точки на повърхността се менят в достатъчно широки граници, и в болшинството случаи е около 0,34 кг/кв. см. С примерно толкова натоварва и 30 – 35 тонната верижна техника на Земята. Съпротивлението на въртящо приплъзване на слоя средно е около 0,048 кг/кв. см. Носещата способност на най-горния (1 – 2 см) прашен слой е 0,02-0,03 кг/кв. см. Най-здрави са участъците, които не са осеяни с камъни, най-слаби - кръговите валове на кратерите.

Открита е способността на лунния грунт към значително уплътняване и заздравяване при повторно натоварване. Което значи, че лунните пътища се построяват с простото преминаване на една машина, където трябва. Грунтът, лежащ на дълбочина 8-10 см, достиган при маневрите на Лунохода, е с много по-високи механични свойства: носеща способност около 1 кг/кв. см (това е примерно, с колкото пешеходец натиска на Земята), съпротивление на приплъзване - 0,06 кг/кв. см. Разрушаването на грунта под колелата, води до образуване на пукнатини, срезове, стръмни несвличащи се стени, и буци. Максималният ъгъл на изкачване, преодоляван от Луноход-2 е бил от 22° до 27°. Средната стойност на коефициента на буксуване е 5-7%.

На американските космонавти веднъж се е наложило да измъкват на ръце ровъра си от коловоза, така че освен теоретично, лунният офроуд ще е почти като земния на плажа, или в рохкав сняг. И за машината, и за щурмана:)

Технически характеристики:

Обща маса - 756 кг,
на шасито - 105 кг
Източници на енергия:
слънчеви батерии,
полониев топлогенератор
Скорост:
първа - 0,8 км/ч,
втора - 2,0 км/ч
Колесна формула - 8x8
Мощност на двигателите - 40 Вт (във всяко колело)
Колесна база - 1705 мм
Коловоз - 1600 мм
Клиренс - 380 мм
Диаметър на колелата (по грунтозацепите) — 510 мм
Ширина на колелото - 200 мм
Ъгъл на статическа устойчивост – 43 ... 45 градуса
Височина на преодоляваните препятствия - 0,35-0,4 м
Ъгъл на изкачване по сипкав грунт - 20 градуса
Период на работа - 17.11.1970-04.10.1971
Изминат път - 10 540 м

Още по темата

05/01/2015

Космос

Петте най-луди космически мисии на бъдещето

21/01/2015

Космос

Значимите постижения в космоса за 2014