Как получить снимки обратной стороны Луны. Математически-технический аспект

[pilot-pirks.livejournal.com]

7 октября 1959 года в 6.30 по московскому времени был послан сигнал на фотографирование. Умный аппарат прекратил беспорядочное вращение, датчики нашли на небе Солнце и нацелили аппарат на него. Программа полета была подобрана так, что с другой стороны станции была Луна. Лунный датчик нашел ее и автоматика перенацелила станцию, после этого в дело вступил фотоаппарат. Все 40 минут фотографирования система управления строго следила за Луной и корректировала возникающие возмущения. Дальше в дело пошла система проявки пленки. Потом эти снимки назовут «фотографиями века». Это была победа!

Но для этой победы пришлось решить очень много весьма необычных задач. Больше всего поражает то, что всю эту систему удалось создать всего за полтора года. Решение о разработке станции появилось в начале 1958 года.

Что-же было необычного в этом полете с технической точки зрения?


Для начала, сама траектория полета. Первоначально, траекторию станции проложили вне сферы действия Луны. Эту траекторию было удобно рассчитывать, легко было вывести при помощи системы управления ракеты, и на фотографирование она не влияла. Просто, на той версии станции, должны были бы стоять более длиннофокусные объективы. Благо, уже появились зеркально-линзовые объективы. К сожалению, при всех плюсах этой траектории у нее был один минус. Наша дальняя система космической связи тогда делала первые шаги. Уже начались разработки, которые приведут к созданию наших первых радиотелескопов, но на момент создания Луны-3 ничего конкретного у нас не было.
Для связи планировали использовать самые разнообразные инструменты, что были в наличии у радиоастрономов. А они, именно для космической связи,мало что могли предложить. Просто их аппаратура не предназначались для таких целей.
В результате, уверенную передачу изображения можно было осуществить только когда станция вернеться к Земле. И здесь начались проблемы

Космодром (как и весь Советский Союз) находился в Северном полушарии Земли. Псле облета Луны станция должна была вернуться в Южное полушарие. Где никаких станций у СССР не было. Можно было, правда, поместить необходимое приемное оборудование на какой-нибудь крейсер и отправить его в Южное полушарие. Но серьезно это не обсуждалось, так как у математиков появилось гораздо более интересное предложение. Они предложили воспользоваться гравитационным полем Луны для разворачивания плоскости орбиты станции. В результате этого маневра, она должна была вернуться именно в Северное полушарие и успешно передать данные на Землю.



Работа была настолько необычной и новаторской что, во время этой (по сути, узкоспециализированной работы) был открыт важный факт о всей Солнечной системе. Когда, по горячим следам, ТАСС сообщил параметры орбиты Луны-3, многие астрономы поспешили обрадовать читателей через газеты, что эта станция просуществует в космосе очень и очень долго. Действительно, перигей и апогей очень высокий, торможения об атмосферу нет. И тем занятно было заявление ТАСС, что станция довольно скоро войдет в атмосферу и сгорит. Что характерно, оказалась права.

В чем дело? При оценки траектории полета, ЭВМ показала, что стабильные орбиты могут находиться только в плоскости эклиптики. С небольшим отклонением в разные стороны. Если какой либо объект будет заметно выбиваться, то долго он не просуществует. И речь не только об АМС. Возьмём Луну и мысленно переведем ее на полярную орбиту. При этом, сохраним все остальное, ее массу, период обращения, большую полуось. Сколько она продержится на такой орбите? Оказалось очень мало. Всего несколько лет.




Проекция траектории полета на Луну

Вторым вопросом была пленка. Сейчас очень любят упоминать, что Луне-3 была использована фотопленка со сбитых американских шпионских аэростатных зондов. Но почему, было решено использовать именно ее?

По воспоминаниям разработчиков на это было две причины. Во первых, у нее был необычно тонкий и сильно задубленный эмульсионный слой, который в процессе обработки впитывал так мало влаги, что пленку нельзя было назвать мокрой, а только слегка влажной. Соответственно и сушка могла производиться путем простого прокатывания пленки на горячем барабане, окруженном влагопоглотителем, тем более, что и подложка и эмульсионный слой выдерживали высокую температуру.

Вторая причина была интересней. Для людей, которые хотя бы немного соприкасались с любительской фотографией, наверное, будет удивительным тот факт, что для обработки пленки использовался только один раствор, вместо обычных двух - проявителя и закрепителя с обязательной промежуточной промывкой. Знакомство с технической природой одностадийного процесса (его у нас называли одноступенчатым) еще более удивительно, что в растворе с определенной пропорцией были перемешаны несовместимые компоненты: проявитель и закрепитель.

Фокус заключается в разных скоростях действия этих компонентов. Проявитель действовал активнее и быстрее, а закрепитель автоматически блокировал процесс проявления, когда достигалась требуемая контрастность изображения.
Кто придумал одноступенчатый процесс не известно, но он на первых порах считался важным элементом, упрощающим построение ФТУ. Помимо относительной простоты реализации, он обладал малой зависимостью от окружающей температуры и стабильностью получения нужных характеристик обработки. Этот процесс всесторонне изучался, считался весьма перспективным и разрабатывался применительно к использованию только определенных типов фотопленки. Здесь и пригодилась американская пленка. Она как нельзя лучше подошла под него.



Хорошо, Луна успешно сфотографирована, передана на Землю и фотографии предъявлены всем желающим.
С точки зрения политики, миссия станция была завершена. С точки зрения ученых все еще только начиналось.
Ведь нужно было вытащить из этих снимков, покрытыми следами помех, нужную информацию и поместить ее на карту.

Для получения дополнительной информации снимки накладывали друг на друга, проецировали на глобус. Переведя в магнитную пленку увеличивали контрастность. Дело осложнилось тем, что почти сразу после полета умудрились потерять пленки с оригинальной телеметрией (найдены в 1965).

В связи с низким качеством изображения, было решено построить вероятностную карту обратной стороны Луны. Поместив на нее все выявленные объекты, но дополнительно указав шансы на то, что это Луна а не помехи

Получилась такая карта



http://sovams.narod.ru/Luna/Luna3/moon_map.jpg

Сразу возникает вопрос: Насколько она точна?

Я совместил карту составленную по результатам Луны -3 с современной. Видно, что ошибка чаще всего именно в координатах, а не в форме объектов. Только с советским хребтом напутали. Хотя винить здесь некого, с ЭВМ тогда была напряженка и пересчет координат приходилось делать вручную.


http://photo.qip.ru/photo/ppa/2629005/50044502.jpg


P.S Насчет любителей. Можно сказать, что обработка снимков с Луны-3 идет и сейчас. В частности, по ее данным, такой снимок обратной стороны Луны получил любитель космонавтики Рикардо Нунес в 2010 году

Comments

[magryba.livejournal.com]

А про возвращение в южное полушарие это о чем вообще? Разве существует космический аппарат, способный висеть над полушарием, а не двигаться по орбите? (если это не ГСО)

[pilot-pirks.livejournal.com]

Аппарат двигается по эллипсу и на каждом витке должен проходить как северное так и южное полушарие (если это не экваториальная орбита). Передавать можно было только при прохождении станции перегея. А при выходе на обычный эллипс перигей был бы в южном полушарии. Внимательно изучите схему. Она достаточно точно передает полет станции.

[cat-miaow.livejournal.com]

Жуть. 1959 год... Какая на Луне-3 автоматика стояла тогда? На каких логических элементах?

[oleg-dl.livejournal.com]

"Восток-1" - примерно по полутысяче ламп, транзисторов и реле. Не думаю, что на этой "Луне" было намного иначе.

[pilot-pirks.livejournal.com]

Большая часть - на транзисторах. Это был первый аппарат в котором они активно использовались.

[jr0.livejournal.com]

Задачка из Злых птичек. Теперь семечки.

[22sobaki.livejournal.com]

В википедии написано про хитрый способ передачи изображений на Землю, потери в качестве при их расшифровке и т.д.. Почему нельзя было сбросить оригинальные снимки на Землю?

[pilot-pirks.livejournal.com]

По сути, ничего экстремально сложного, если отработать автоматизированную проявку пленки. Если смотеть на систему сканирования, то в телеграфах было нечто подобное..

Насчет вернуть. Для этого нужно капсула, в которой можно было вернуть их на Землю. Причем капсула способная выдержать вхождение со второй космической скоростью. Также она должна защитить пленку от перегрева и иметь системы для допоиска ее на Земле. Все решается, но на это нужно время и деньги.

На тот момент не была решения подобная задача для земной орбиты, с вхождением в атмосферу с меньшей скоростью. США отработали ее только через год(вернули пленку с орбиты Земли) , разбив с десяток аппаратов. А задача с Луной где-то на порядок сложнее.

Хотя ее мы потом тоже решили. Реализовав в станциях серии Зонд-5-8

[http://users.livejournal.com/__alex_loki_/]

радиация . зернам фотоэмульсии всё равно но что реагировать - на квант света из объектива , или на протон космической радиации , или на вторичный гамма-квант , возникший в обшивке КА из-за той же космической радиации .

[roquefort-tln.livejournal.com]

Потому, что для этого нужно тащить на вокруглунную орбиту спускаемый аппарат, способный влетать в атмосферу на второй космической. А он сцуко, тяжелый и переть далеко.


Первые спускаемые аппараты в СССР - это "востоки", они же в варианте без Гагарина но с фотопаапратом - "зениты"

Спуск с орбиты Луны, вход в атмосферу на второй скорости - это спускаемый аппарат пилотируемой лунной программы - в будущем перепиленный в "союз"

[rsx11m.livejournal.com]

для обработки пленки использовался только один раствор, вместо обычных двух - проявителя и закрепителя с обязательной промежуточной промывкой

Позже это называли "фиксирующий проявитель".
Рецептуры были описаны в профессиональной и любительской литературе (напр., "Справочник фотолюбителя", издание самое начало 70х, у меня такая книга была, увы, реквизиты сейчас не найду). В начале 80х, а, может, и раньше,- это я обратил внимание, так как до этого пользовался концентратами, которые готовил в лаборатории,- такой проявитель был в продаже под маркой ПФ (или ПФ-1,- "Проявитель Фиксирующий"). Он прекрасно обрабатывал стандартные ч/б фотопленки типа "Фото" ("Фото-32", -64, -125, -250). Время обработки первой пленки было 15 минут, каждой последующей на 2 минуты больше, чем предыдущей.

Что касается 50х годов, то у меня нету сведений о применении такого способа обработки фотоматериалов. В то же время, вся химия для работы с классическими ч/б пленками (панхром, ортохром, ихопанхром...) была разработана до конца 30х годов.

Зеркально-линзовые объективы МТО-500 и МТО-1000 выпускались Красногорским заводом с 1956г - это уже для фотолюбителей. понятно, что для серьезных целей такие системы применялись, наверняка, раньше. МТО-350 той же системы был разработан в 1953 году.

[pilot-pirks.livejournal.com]

Спасибо, про ПФ не знал. В свое время экспериментировал только со стандартными проявителем/закрепителем. Если вернуться к истории, то версия про зеркально-линзовые системы, это только моя версия, не более. Правда, они потом полетели в космос (объектив Зуфар), но заметно позже. Также для Луны-3 объективы разрабатывал и изготавливал ГОИ. А возможно и для других аппаратов (шрифт на объективах похож на тот, что они использовали)

[nlothik.livejournal.com]

> на Луне-3 была использована фотопленка со сбитых американских шпионских аэростатных зондов

Тем более удивительно, что здесь СССР опередил США, при таких пробелах в технологии. Уж казалось бы -- наладить выпуск плёнки ведь проще, чем построить такой сложный космический аппарат?

Спасибо, интересный пост.

[pilot-pirks.livejournal.com]

Всегда пожалуйста :) Что до замечания.

Не было никаких серьезных пробелов. Различных типов фотопленки существует очень много. Каждый для своей цели. На этом типе было проще устроить систему проявки, не более. Мы довольно быстро наладили выпуск аналогов этой пленки. И на остальных аппаратах была уже наша пленка. Да и в целом, нам достались километры высококачественной пленки. Чистый воды трофей. И лично я очень рад, что она послужила реальному делу, а не осталась очередным фрагментом в истории холодной войны.

Что до технологического отставания. В деле АМС, в 1959 году, оно тогда было у США. Там тоже пытались разработать станции для фотографирования обратной стороны Луны. И они тоже улетали в космос. Но ничего не сфотографировали.
Даже если бы США повезло и они получили бы изображение, то эти снимки были бы на несколько порядков хуже тех, что передала Луна-3. Разрешение систем США 100х100 пикселей. У Луны-3 1000х1000..

[velikoff.livejournal.com]

Было интересно прочесть. Правда мне, как неосведомленному человеку планету 'луна' и станцию 'луна' в тексте было трудно разделить.
И сначала я думал, что снимки были посланы радиосигналом, что было очень интересным, для 59го.

[roquefort-tln.livejournal.com]

они и были посланы радиосигналом. Снимали на пленку. проявляли в космосе. сканировали и посылали. И все на технологиях 50-х

[azr0.livejournal.com]

Дело осложнилось тем, что почти сразу после полета умудрились потерять пленки с оригинальной телеметрией (найдены в 1965).
---
Узнаю страну!

[kofusun.livejournal.com]

Хмм... Писали, что чертежи Сатурна-5 были утеряны (безвозвратно) вскоре после завершения лунной программы.

[radiotv-lover.livejournal.com]

Насколько я понимаю, атлас был совмещенным результатом Луны-3 и вот этого Зонда-3

[pilot-pirks.livejournal.com]

По результатам Луны-3 был выпущен "Атлас обратной стороны Луны"
По результатам Зонда-3 и Луны-3 "Атлас обратной стороны Луны. Часть 2". А также почти полный глобус. Потом была еще "Часть-3". По результатом полетов Зондов-Л1 :)

[nikolaos1962.livejournal.com]

Интересно!

[antoshananarivo.livejournal.com]

очень интересно, но позвольте обратить внимание на следующие два момента:

"При оценки траектории полета, ЭВМ показала, что стабильные орбиты могут находиться только в плоскости эклиптики. С небольшим отклонением в разные стороны."

"... с ЭВМ тогда была напряженка и пересчет координат приходилось делать вручную"

Нет ли здесь противоречия? рассчитать траекторию ЭВМ была, а на пересчёт координат уже закончилась что ли?

[pilot-pirks.livejournal.com]

Нет. ЭВМ тогда конечно были. И Келдыш специально писал записки для выделения времени на расчеты траекторий. Этим занимался его институт прикладной математики. Практически закрытая организация, так как вела многие военные проекты. Собственно у них и был доступ к ЭВМ. По сути, тогда только у них они и были.Ну еще и у атомщиков.

Обрабатывали же снимки обычные, гражданские астрономы. В их ведомстве собственных ЭВМ, в конце 50х, не было. А обращаться за помощью в другое, причем закрытое, ведомство было не просто.

В 60х ситуация поменялась. И уже над снимками Зонда-3 работала и ЭВМ (хотя не знаю в каком качестве)

[kofusun.livejournal.com]

А где бы узнать про неустойчивость не-эклептической орбиты. Ведь спутники на полярных орбитах долго живут. Для Луны-3, очевидно, помехи вносит Луна. А для самой Луны, если бы она была на полярной орбите? Возмущения центра тяжести пары Луна-Земля?

[pilot-pirks.livejournal.com]

Полярные спутники "выживают" за счет низкой орбиты. Луна должны была свалиться уже за счет уже взаимодействия Земля-Солнце. Найдите книгу Белецкого "Очерки о движении космических тел" (есть в сети) там описывается эта история.

[masteryoda007.livejournal.com]

дополню?
книжного - "...Е-2 УХОДИТ К ЛУНЕ

В сентябре 1959 года мы доказали всему миру, что третья ступень межконтинентальной ракеты способна доставить полезный груз даже на Луну. Теперь на очереди было фотографирование невидимой стороны Луны – новый сюрприз, о котором, как у нас уже было принято, никаких предварительных публикаций не допускалось.

По сравнению с прямым попаданием в Луну задача фотографирования ее обратной стороны была несоизмеримо более сложной. Впервые в истории космонавтики был создан управляемый автономно и по командам с Земли космический аппарат. На автоматической станции (АС), или объекте Е-2, устанавливалось ФТУ -фототелевизионное устройство. По достижении района Луны АС должна была системой ориентации повернуться так, чтобы объективы фотоаппарата были направлены на невидимую с Земли обратную сторону Луны. При этом система управления обязана стабилизировать АС, вовремя включить ФТУ и по истечении 40-50 минут его выключить.

Расстояние от станции до поверхности Луны во время процесса фотографирования по расчетам, которые были проведены совместно математическими группами Охоцимского в ОПМ, Лаврова в ОКБ-1 и Эльясберга в НИИ-4, составляло около 7000 км. Была выбрана сильно вытянутая эллиптическая орбита, охватывающая Луну и Землю.

Для формирования нужной орбиты, огибающей Луну с обратной стороны, «небесные механики» из ОПМ предложили использовать влияние притяжения Луны. Траектория облета рассчитывалась так, чтобы получить максимальное количество информации на первом витке облета. Запаса фотопленки на борту должно было хватить и на второй виток облета Луны и Земли. Но будет ли он, этот второй виток? Споров о выборе траектории было много. Проблема осложнялась еще и тем, что для успешной передачи на Землю результатов фотосъемки по радиоканалу при возвращении к Земле АС должна была находиться со стороны северного полушария, так как первый в стране пункт межпланетной связи был сооружен в Крыму на горе Кошка в районе Симеиза.

Во время обсуждения предложенного баллистиками варианта траектории от них требовали клятвенного подтверждения, что при возвращении к Земле на первом обороте станция не заденет за атмосферу Земли и не сгорит. Споры вокруг возможных сроков существования станции были весьма ожесточенные. Меня это касалось непосредственно, потому что исходя из времени жизненного цикла и числа сеансов связи надо было вместе с проектантами определить параметры системы электропитания и программно-временных устройств, договориться с Рязанским и Богуславским о ресурсах и количестве команд в радиосистеме и решить еще массу вопросов, которые выплывали впервые. Над всеми этими теперь уже учебно-классическими примерами думать и работать было чертовски интересно.

В 1959 году шло производство и испытания систем. Я имел уже большой опыт по отработке приборов системы управления боевых ракет и пытался всячески перенести его на системы Е-2. Скепсис, касавшийся надежности, был очень силен и имел достаточно оснований. Если по современной теории надежности подсчитать вероятность получения фотографии невидимой стороны Луны созданными тогда средствами, шансы на успех не превышали бы 20-30 %.

[masteryoda007.livejournal.com]

Вслед за системой стабилизации и ориентации, разработанной в НИИ-1 отделом Раушенбаха, наибольшие хлопоты доставляло фототелевизионное устройство «Енисей», которое все именовали «банно-прачечным трестом». Это ФТУ разработал по нашему заданию ленинградский НИИ-380, впоследствии известный как Всесоюзный научно-исследовательский институт телевидения. Команда энтузиастов во главе с директором Игорем Росселевичем, инженерами Петром Брацлавцем и Игорем Валиком в совершенно фантастические по современным представлениям сроки разработала саморегулирующуюся фототелевизионную аппаратуру. Фотоаппарат с двумя объективами проводил съемку с автоматическим изменением экспозиции. Процесс начинался только по получении команды о точном наведении на Луну. После окончания съемки пленка поступала в устройство автоматической обработки, где проводилось ее проявление, фиксирование, сушка, перемотка в специальную кассету и подготовка к передаче изображения.

Я был фотолюбителем еще с детских лет. Может быть, по этой причине проникся особой симпатией к коллективу фототелевизионщиков, на который во время испытаний «Енисея» на полигоне обрушивался гнев начальства и упреки испытателей за многочисленные отказы и постоянные срывы графика подготовки.

Для преобразования негативного изображения, полученного на пленке, в электрические сигналы использовались электронно-лучевые трубки и фотоэлектронный умножитель. Далее следовала электроника развертки луча, усиления, формирования сигнала и все прочее, необходимое для подачи информации в радиолинию. Новостью было широкое применение полупроводников – транзисторов – вместо ламп. Тогда это считалось экзотикой и было связано с большим риском.

Передача изображения с борта на Землю осуществлялась по линии радиосвязи, которая служила для измерения параметров движения самой станции и передачи телеметрических параметров. По этой же радиолинии осуществлялась передача радиокоманд для управления бортовыми системами и получения ответных квитанций. Это была сложная комплексированная радиосистема, разработанная в НИИ-885 под руководством Богуславского. Во время работы над этой системой у меня с ним было много довольно мирных споров по поводу выбора принципа радиопередачи.

Еще в Германии, изучая немецкий опыт радиоуправления и телеметрии, Богуславский критиковал немцев за использование непрерывного излучения радиоволн вместо импульсного, широко применявшегося в радиолокации. Разрабатывая самостоятельно новые системы, Богуславский всячески проталкивал импульсные идеи. В этом я его поддерживал. Я был приучен к импульсным методам еще с 1943 года при работе с Поповым над системой определения координат самолета.

Для Е-2 Богуславский вопреки предыдущим пристрастиям стал разрабатывать комплексированную радиолинию непрерывного излучения. Не только я, но и все наши радисты, а их в ОКБ-1 уже собралось довольно много, требовали активного воздействия для восстановления импульсного «мировоззрения» Богуславского. Но он стоял на своем.

Наши разногласия дошли до СП. Он потребовал объяснений от Рязанского, который отвечал за радиосистему в целом. Вопрос был вынесен на узкое совещание, на котором Богуславский честно заявил, что от своей приверженности импульсным методам он не отступает, но в такие сроки разработать надежную систему можно только на проверенных методах непрерывного излучения. На том и помирились в интересах сроков и надежности.

Победителей, как правило, не судят, но вялое и неконтрастное изображение, которое было впервые получено при передаче, объяснялось недостаточной энергетикой радиолинии. Об этом мы с Богуславским, не теряя дружбы, дискутировали много лет спустя после сеансов связи во время вечерних прогулок по территориям Симферопольского и Евпаторийского радиоцентров космической связи.

.......

.

[incognito.livejournal.com]

ну хоть какая-то польза от американцев...я про плёнку...спасибо за интересный пост