Дата старта: 12 сентября 1970 г., 16 часов 25 минут 52 секунды МСК
Ракета-носитель: "Протон-К" с разгонным блоком Д.
Масса КА: 5725 кг
Масса возвратной ракеты: 512 кг
Масса спасаемого аппарата: 34 кг.

Назначение

Космический аппарат "Луна-16" был предназначен для доставки на Землю образцов лунного грунта.

Космический аппарат

Автоматический комплекс "Луна-16", состоял из корректирующе-тормозного модуля (КТ), возвратной ракеты и спасаемого аппарата.

Изначально корректирующе-тормозной модуль КТ создавался для доставки самоходного аппарата на поверхность Луны. Но, к сожалению, первая попытка запуска КА с луноходом на борту - 19 февраля 1969 года - закончилась неудачей.

В это же время в США шла усиленная подготовка экспедиции по высадке человека на Луну и, соответственно, доставке на Землю образцов лунного грунта - перед предприятием жестко была поставлена задача доставки образцов лунного грунта на Землю с помощью автоматического КА.
Руководством было принято решение при создании этого аппарата максимально использовать все конструктивные решения, полученные при подготовке полета самоходного аппарата.

Для размещения бортовой аппаратуры, которая должна была разместиться в гермоотсеке лунохода, дополнительно был разработан торовый приборный отсек. Были исключены трапы для съезда с посадочной платформы лунохода и остронаправленная антенна.

На посадочном модуле было установлено грунтозаборное устройство (ГЗУ), которое состоит из бурового станка с системой электрических приводов и бурового снаряда, механизма выноса ГЗУ - штанги, на которой укреплен буровой станок, и приводов, перемещающих штангу в вертикальной и горизонтальной плоскостях (по азимуту и углу места).

Для выбора места бурения - азимута разворота ГЗУ - на посадочной платформе были установлены два телефотометра, аналогичные установленным на "Луноходе". Для освещения зоны работы ГЗУ параллельно телефотометрам были установлены светильники.
Приборный отсек, имеющий форму тора, служил стартовой площадкой для возвратной ракеты.

Возвратная ракета представляет собой самостоятельный ракетный блок с однокамерным жидкостным реактивным двигателем тягой 1850 кг и системой из трех сферических баков с компонентами топлива тетроксид азота и несимметричный диметилгидразин. Диаметр центрального бака 67 см, диаметр каждого из периферийных баков 53 см. Система подачи топлива - вытеснительная. Для стабилизации ВР на активном участке служили рулевые сопла общей тягой 70 кг. На центральном баке укреплен цилиндрический приборный отсек диаметром 56 см, внутри которого установлены электронные счетно-решающие и гироскопические приборы системы управления ракетой, приборы бортового радиокомплекса метрового диапазона (101,965 МГц по линии Земля - борт и 183,537 МГц по линии борт - Земля) с телеметрической системой, аккумуляторные батареи и приборы бортовой автоматики.

В состав системы управления, обеспечивавшей построение и запоминание системы координат в момент старта, стабилизацию аппарата при работе двигательной установки, входили курсовой гироприбор, состоящий из двух свободных гироскопов, гироскопический интегратор продольных ускорений, автомат стабилизации и автомат отключения двигателя. В качестве исполнительных органов системы стабилизации на активном участке использовались рулевые сопла двигательной установки. Учитывая малое время полета возвратной ракеты, в системе энергопитания были использованы одноразовые серебряно-цинковые батареи емкостью 14 Ампер-часов. На внешней поверхности приборного отсека ВР установлены четыре штыревые приемно-передающие антенны.

В верхней части приборного отсека с помощью металлических стяжных лент прикреплен спасаемый аппарат сферической формы массой 36 кг, который отделяется от ракеты по радиокоманде с Земли.

Спасаемый аппарат представляет собой металлический шар диаметром 50 см, на внешней поверхности которого нанесено теплозащитное покрытие из асботекстолитового наружного слоя и наполнителя из стеклотекстолитовых сот, предохраняющее аппарат с установленным внутри него оборудованием от воздействия высоких температур при входе в атмосферу Земли.

Внутренний объем возвращаемого аппарата разделен на три изолированных отсека. В одном из них расположены радиопеленгационные передатчики УКВ-диапазона (121,5 и 114,167МГц), обеспечивающие возможность обнаружения возвращаемого аппарата при спуске на парашюте на Землю, серебряно-цинковая аккумуляторная батарея емкостью 4,8 Ампер-часа, элементы автоматики и программно-временное устройство, управляющее вводом в действие парашютной системы.

Во втором отсеке расположены в сложенном виде парашют, четыре упругие антенны пеленгационных передатчиков, два наполненных газом эластичных баллона, обеспечивающих необходимое положение возвращаемого аппарата на поверхности Земли после посадки. Площадь купола тормозного парашюта - 1,5 м², основного парашюта - 10 м².

Третьим отсеком является цилиндрический контейнер для образцов грунта, взятого с поверхности Луны. В контейнере с одной стороны есть приемное отверстие, герметично закрываемое специальной крышкой после помещения в него лунной породы.
На посадочной ступени "Луны-16" был установлен вымпел, а на спасаемом аппарате - государственный знак.

Схема полета

Схема полета станции Луна-16 от момента старта с Земли и до посадки на Луну полностью повторяла схему полета станций с самоходными аппаратами за исключением того, что существовали жесткие ограничения по выбору мест посадки. Эти ограничения диктовались условиями прямого старта возвратной ракеты к Земле после забора грунта. При этом время старта ВР также имело жесткие временные рамки.

Возможности ракеты-носителя "Протон-К" позволяли доставить на поверхность Луны возвратную ракету массой не более 520 кг - этого было явно недостаточно для обеспечения перелета Луна-Земля, учитывая необходимость проведения коррекций траектории. В этой критической ситуации было найдено совершенно оригинальное решение: посадку на Луну надо было осуществить в ограниченный район восточной части экваториальной зоны Луны - в этом случае вертикальный старт с Луны в строго заданное время обеспечивал попадание на Землю без коррекций траектории!

Выбранные траектории перелета существенно сужали возможные даты запуска аппаратов и районы посадок на поверхности Луны, но задача доставки грунта с Луны была принципиально решена при существующих весовых ограничениях и возможностях бортовой аппаратуры.

После забора грунта и определения лунной вертикали в заданное время возвратная ракета стартовала с поверхности Луны строго вертикально (допустимое первоначальное отклонение продольной оси аппарата от лунной вертикали не должно было превышать 25°). В процессе работы двигателя строго выдерживалось направление вектора скорости по лунной вертикали. Отсечка двигателя производилась при достижении заданной скорости(~2700 м/с) в направлении местной вертикали. После окончания работы ДУ отделялась.

Весь обратный перелет до Земли возвратная ракета проводила в неориентируемом состоянии с закруткой вокруг любой из осей для равномерного прогрева аппарата от Солнца. Перелет по трассе Луна-Земля, длившийся ~84 часа, проходил без коррекций траектории движения ВР.

За ~ 3 часа до входа в атмосферу по команде с Земли производилось отделение спасаемого аппарата с образцами грунта от возвратной ракеты. Спасаемый аппарат входил в атмосферу со скоростью ~11 км/с и совершал баллистический спуск. В процессе аэродинамического торможения перегрузки достигали 315 единиц. При снижении вертикальной скорости до ~300 м/с на высоте 15 км вводилась в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершал мягкую посадку.

Предыстория полета "Луны-16"

После полета станции "Луна-15", завершившегося аварийной посадкой на поверхность Луны, было предпринято еще три попытки запустить аппарат этого типа для доставки на Землю образцов лунного грунта.

Автоматическая станция, которая была запущена 23 сентября 1969 года в 17 часов 7 минут 37 секунд с помощью ракеты-носителя "Протон-К", потерпела аварию из-за того, что уже после выведения на опорную геоцентрическую орбиту на пассивном участке полета вследствие незакрытия разделительного клапана в магистрали произошло истекание окислителя из топливного бака блока Д. Возникший нерасчетный возмущающий момент парировался исполнительными органами системы обеспечения запуска, что привело к израсходованию рабочего тела СОЗ. В результате не прошло второе включение двигательной установки разгонного блока Д для перехода на траекторию полета к Луне. По сигналу "Аварийное выключение двигателя" произошло отделение космического аппарата, который получил название "Космос-300", от разгонного блока. На 67-м витке по командам с Земли с помощью двигательной установки было проведено торможение и затопление космического аппарата в акватории Тихого океана.

Автоматическая станция, которая была запущена 22 октября 1969 года в 17 часов 09 минут 51 секунду с помощью ракеты-носителя "Протон-К " потерпела аварию вследствии того, что из-за отказа одного из блоков радиокомплекса обратные развороты головного блока были проведены со значительной ошибкой, в результате, к моменту второго включения ДУ головной блок был неправильно сориентирован в пространстве. После отработки разгонного импульса автоматическая станция и разгонный блок вошли в плотные слои атмосферу над акваторией Тихого океана.

Автоматическая станция, которая была запущена 6 февраля 1970 года в 7 часов 16 минут 5 секунд с помощью ракеты-носителя "Протон-К" потерпела аварию из-за неправильной работы ракеты-носителя: при запуске двигательной установки второй ступени из-за отказа сигнализатора давления в камере сгорания одного из двигателей прошла команда на их отключение.

Выполнение программы полета

Автоматическая станция "Луна-16" была запущена с космодрома Байконур 12 сентября 1970 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К". На трассе перелета к Луне 14 сентября была проведена коррекция траектории. От проведения второй коррекции отказались

17 сентября в 2 часа 38 минут 14 секунд было произведено включение двигателя, который, отработав 236 секунд, обеспечил торможение и выход автоматической станции "Луна-16" на селеноцентрическую орбиту с высотой в апоселении 118,6 км, в периселении 102,6 км, наклонением относительно плоскости лунного экватора 70њ и периодом орбиты 1 час 58 минут 53 секунды.

Первая коррекция орбиты, проведенная 18 сентября, обеспечила прохождение аппарата над выбранным районом посадки с одновременным понижением высоты периселения до 20,8 км. С помощью второй коррекции (19 сентября) перицентр был понижен до 11,86 км.

20 сентября была вновь включена двигательная установка, которая обеспечила торможение и сход с орбиты станции "Луна-16". Высота над поверхностью Луны на начало торможения составила 13,28 км, а на момент выключения двигателя - 2,45 км. После выключения двигателя аппарат в течение 43 секунд совершал свободное падение. На высоте 600 метров от поверхности вновь начал работать основной двигатель станции в режиме регулируемой тяги в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией от допплеровского измерителя скорости ДА-018 и радиовысотомера "Вега".

На высоте 20 метров скорость станции была снижена примерно до 2 м/сек. Здесь основной ЖРД был выключен и дальнейшее торможение происходило с помощью двигателей малой тяги. На высоте около 2 метров по команде от гамма-высотомера "Квант" они были выключены, и 20 сентября в 8 часов 18 минут автоматическая станция "Луна-16" совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия. При этом вертикальная скорость аппарата в момент касания поверхности составила 4,8 м/с. Селенографические координаты места прилунения: 0њ41' ю.ш. и 56њ18' в.д. Отклонение от расчетной точки посадки составило 1,5 км. Протяженность трассы полета от точки схода с орбиты до точки посадки составила 250 км. Масса станции при посадке на Луну составила 1880 кг.

После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров были предприняты попытки получить изображения места бурения. Всего были три включения телефотометров. Из-за недостаточной освещенности изображения места бурения получено не было. На двух изображениях видна Земля в виде светлого пятна.

Затем по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору грунта, включая бурение грунта до глубины 35 см, причем без разворота ГЗУ по азимуту. Взятые образцы грунта были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы.

Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 21 сентября в 10 часов 43 минуты 21 секунду. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа.

24 сентября за 8 часов до входа спасаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты. Скорость входа в атмосферу составила 10950 м/с, а максимальные перегрузки, действующие на спускаемый аппарат в процессе аэродинамического торможения, достигали 315 единиц. При снижении вертикальной скорости до 250 м/с на высоте 14,5 км была введена в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 80 км юго-восточнее Джезказгана. Программа полета станции "Луна-16" была выполнена полностью.

Результаты полета

Главным результатом полета "Луны-16" стала первая в мире доставка автоматическим аппаратом на Землю образцов лунного грунта. Общая масса колонки грунта, доставленного "Луной-16", составила 101 грамм.

После вскрытия капсулы в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР имени В.И. Вернадского (ГЕОХИ) выяснилось, что бур заполнен сыпучим лунным грунтом - реголитом, представляющим собой разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает грунт (реголит) от земной бесструктурной пыли; по этому свойству он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв. При этом зернистость реголита увеличивается с глубиной.
По химическому составу вещество лунного грунта представляет размельченную горную породу базальтового типа.

По результатам полета "Луны-16" Международная авиационная федерация (FAI) зарегистрировала приоритетные научно-технические достижения станции:

- возвращение на Землю после посадки на поверхность Луны;
- доставка на поверхность Луны космической ракеты "Луна-Земля" с возвращаемым аппаратом;
- автоматический старт с Луны и доставка лунного грунта на Землю.

Станцией "Луна-16" были установлены рекорды, зарегистрированные и подтвержденные дипломами FAI:

- мировой рекорд максимальной массы, доставленной на лунную поверхность в классе "С";
- мировой рекорд максимальной массы, возвращенной на Землю с поверхности Луны в классе "С";
- мировой рекорд максимальной массы лунных пород, доставленной на Землю автоматической станцией в классе "С".