Как фотографировалась невидимая сторона Луны

К концу 50-х годов XX века отечественная наука и техника достигли уровня, который позволял запустить автоматическую станцию к Луне. И вот, 4 октября 1959 года, впервые в мире, “лунный фотограф” – автоматическая межпланетная станция (АМС) “Луна-3” направилась в сторону нашего естественного спутника. Вес последней ступени ракеты-носителя достигал по тому времени колоссальной величины-1553 кг, из которых 278,5 кг приходилось на научную станцию. Внутри контейнера с научной аппаратурой находилась фототелевизионная установка для получения и последующей передачи на Землю космических снимков Луны.

АМС
АМС “Луна-3”

К 7 октября АМС “Луна-3” достигла района Луны, тогда была проведена (впервые в космической технике) ориентация АМС по опорным объектам – Солнцу и Луне. После этого, ориентация АМС поддерживалась автоматически в течение всего времени фотографирования.

После подачи на борт соответствующей команды с Земли, в 6 ч. 30 мин. по московскому времени, фототелевизионная камера “Енисей” начала съемку невидимой с Земли стороны Луны.

“Съёмка проводилась 7 октября 1959 года, когда Солнце освещало около 70% обратной стороны спутника Земли. Луна-3 сфотографировала почти половину поверхности Луны, из них две трети – невидимой с Земли стороны. Закончив съёмку, “Енисей” осуществил проявку экспонированной плёнки, которая после этого была перемотана в специальный накопитель. Принятый с борта телеметрический сигнал показал, что камера “Енисей” сработала. Но есть что-нибудь на плёнке или нет, поначалу было не ясно. Поступила команда включения аппаратуры станции на передачу телевизионного сигнала. Сначала пошло изображение тест-строки, впечатанной на плёнку ещё на Земле. Окрылённые успехом руководители космической программы приняли решение о включении лентопротяжного устройства. И вот, во время очередного сеанса связи с Луной-3, фиолетовая точка на экране монитора начала строчка за строчкой выписывать первое изображение лунной поверхности. И хотя этот и последующие кадры принимались из космоса изрядно подпорченные “помехами”, восторгу учёных и ракетчиков не было предела.

По мере приближения станции к Земле контрастность изображений увеличивалась, а качество “картинки” улучшалась. Когда станция ушла в “тень”, часть специалистов получила разрешение покинуть НИПы (наземные измерительные пункты), но основной состав бригад был оставлен для продолжения работ после выхода её из “тени”, которое ожидалось 19-20 октября. Увы, в назначенное время Луна-3 не подала признаков жизни – с борта не удалось принять не только телевизионный сигнал, но и телеметрические данные. Самая вероятная причина внезапного молчания – выход из строя передатчиков или источников энергии.

Луна-3 просуществовала ещё несколько месяцев, сделав 11 витков по своей вытянутой орбите, и сгорела в земной атмосфере в апреле 1960 года.”

Антон Первушин – “108 минут, изменившие мир”

На Землю удалось передать всего 17 «отсканированных» изображений, после чего связь с космическим аппаратом была потеряна. Прием сигнала осуществляли в Симеизской обсерватории. Материалы съёмок, переданные на Землю, были направлены для изучения в три астрономических учреждения СССР: Главную астрономическую обсерваторию в Пулково, Астрономическую обсерваторию Харьковского университета и Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга МГУ.

Один из снимков обратной стороны Луны, переданный на Землю
Один из снимков обратной стороны Луны, переданный на Землю

Разработка межпланетной автоматической станции Луна-3 включала в себя три равнозначных этапа:

  1. Разработка бортовой фототелевизионной камеры “Енисей”
  2. Разработка процесса химико-фотографической обработки фотоплёнки и малогабаритного устройства для его осуществления
  3. Разработка бортовой телепередающей аппаратуры “Енисей-I” и аппаратуры “Енисей-II” для приёма информации на Земле с плёнки, обработанной на борту Луны-3

Все три этапа по значимости действительно равны, ибо отказ на любом из них не позволил бы достичь желаемой цели – получить фотографии обратной стороны Луны. Но на всех этих этапах, связанных между собой, аппаратура сработала точно по заданной программе, и был получен превосходный, уникальный результат.

В соответствии с техническим заданием заказчика плёнка на борту МАС (межпланетной автоматической станции) Луна-3 должна была обрабатываться с учётом следующих обстоятельств:

  1. наличие невесомости и значительной вибрации;
  2. температура обрабатывающих растворов могла колебаться в пределах 15 градусов (на Земле температура при обработке чёрно-белой плёнки поддерживается с точностью 0,3 градуса); в дальнейшем оказалось, что температура на станции Луна-3 могла повышаться до 50 и даже 70 градусов;
  3. отсутствие условий для сушки плёнки после её химико-фотографической обработки;
  4. объём, выделенный для устройства обработки плёнки, не позволял использовать оборудование, вмещающее более 1 л раствора;
  5. посадка МАС Луна-3 на Землю не предусматривалась.

Исходя из указанных выше весьма жёстких условий и технического задания, а также учитывая весьма ограниченную площадь для размещения прибора для химико-фотографической обработки плёнки на борту МАС Луна-3, его разработка потребовала огромных усилий, большого объёма научных исследований и конструкторской деятельности.

Эта работа, относящаяся ко II этапу, была поручена Научно-исследовательскому кинофотоинституту (НИКФИ). Она проводилась в лаборатории фотовоспроизведения под общим руководством профессора Н.И. Кириллова.

Непосредственным разработчиком и автором процесса химико-фотографической обработки плёнки для его применения на борту МАС в состоянии невесомости являлась автор настоящей статьи, а малогабаритное устройство для обработки плёнки в этом процессе было сконструировано и изготовлено Е.М.Фельдшеровым.”

Из воспоминаний Александры Павловны Стрельниковой – сотрудника НИКФИ, непосредственного разработчика и автора процесса химико-фотографической обработки плёнки Журнал “Мир техники кино” 2-2006 с.36

“Для фотографирования Луны наши конструкторы создали фототелевизионную аппаратуру, способную работать в сложных условиях космического полёта, устойчивую к изменениям температурного режима, сохраняющую фотоматериалы, несмотря на вредное воздействие космических излучений. Одним из условий работы этой аппаратуры было чёткое взаимодействие всех её механизмов в условиях невесомости.

На межпланетной станции использовался фотоаппарат с двумя объективами. Как известно, от величины фокусного расстояния объектива зависит масштаб даваемого объективом изображения. Один объектив станции имел фокусное расстояние 200 мм и относительное отверстие 1:5,6. Этот объектив давал изображение лунного диска, которое полностью вписывалось в кадр. Другой имел фокусное расстояние 500 мм и относительное отверстие 1:9,5 и позволял фотографировать детали.

После того, как система ориентации навела объективы на Луну, в течение 40 мин. производилась съёмка. Фотографирование велось на специальную 35-миллиметровую плёнку. Сигнал о начале съёмки был подан с Земли по радио, после чего дальнейший процесс съёмки и сложный процесс обработки фотоплёнки производились автоматически по заданной программе. Последний снимок был сделан при расстоянии автоматической межпланетной станции от Луны 68 400 км.

Съёмка производилась с автоматическим изменением экспозиции, с тем чтобы не ошибиться и наверняка получить снимки высокого качества.

Уникальные кадры были проявлены и зафиксированы специальным малогабаритным автоматизированным устройством. Процесс обработки был продуман таким образом, что он почти не зависел от изменения температуры внутри станции и не нарушался вследствие почти полной невесомости аппаратуры и химических реактивов. После обработки плёнка просушивалась, а испарённая влага поглощалась, благодаря чему была обеспечена длительная сохранность фотоплёнки. После всей этой обработки фотоплёнка также автоматически поступала в специальную кассету, где и сохранялась до момента передачи зафиксированных на ней изображений на Землю.

Ещё на Земле, перед посылкой ракеты в сторону Луны, на фотоплёнку были экспонированы испытательные знаки, причём часть этих знаков тут же на Земле была проявлена. Другая часть знаков проявлялась уже на борту межпланетной автоматической станции в процессе обработки заснятых кадров с изображением обратной стороны Луны. Эти знаки были переданы на Землю и дали возможность осуществить контроль процессов съёмки, обработки и передачи изображений . И всё это при расстоянии между наземными наблюдательными пунктами и космической лабораторией почти 500 000 км!”

Массовая Радиобиблиотека (МРБ) #385 – Г.Б.Богатов – Как было получено изображение обратной стороны Луны, Ленинград, 1961

Для того, чтобы получить изображение поверхности Луны потребовалось разработать специальный фототелевизионный комплекс.

Основу этой системы составляют фотоаппарат, компактная проявочная машина и сканирующее устройство. Такое сочетание позволяет передавать большие объёмы информации в течение длительного времени маломощным передатчиком, используя каналы связи с невысокими помехоустойчивостью и частотно-фазовыми характеристиками. Телевизионный способ передачи с большим разрешением предполагает немедленную передачу с широкой полосой частот, чаще всего недоступной на больших расстояниях. В фототелевизионной системе снимок, сделанный с моментальной выдержкой, после проявления и сканирования может передаваться сколько угодно долго. Это позволяет получать качество изображения, недоступное телекамерам.

Следует учитывать, что в момент запуска космической станции “Луна-3” космическая связь делала лишь первые свои шаги. Принимавшаяся на Земле часть излучения бортового передатчика станции была по мощности в 100 млн. раз меньше сигнала, который поступает на антенну обычного бытового телевизора.

Поэтому было принято решение осуществлять фотографирование обратной стороны Луны в два этапа: произвести фотосъёмку и обработку фотоматериала и сканирование фотоизображения и, в дальнейшем, передать радиосигнал на землю. Передача радиосигнала также предусматривала два режима: один — при помощи частотной модуляции — позволял передавать быстро, но менее качественно. Второй — с использованием фазовой модуляции — был более медленным.

Киноустановка для фиксации снимков на 35-мм пленку
Киноустановка для фиксации снимков на 35-мм пленку

В “медленном” режиме работы ТВ комплекса длительность строки равнялась 1,25 с., время передачи кадра – около 30 мин. Потенциальная разрешающая способность – 100 элементов в строке, при 1600 строках в кадре. Этот режим работы был необходим, когда АМС находилась на больших расстояниях от Земли.

Полукомплект приемного комплекса
Полукомплект приемного комплекса “Енисей-I”, для “быстрого” варианта

В “быстром” режиме частота строчной развертки составляла 50 Гц, время передачи полного кадра (на пленке) – 15 с. На этот режим камера переключалась при подлете АМС к Земле на достаточно близкое расстояние – 40-50 тыс.км.

Комплекс бортовой фототелевизионной аппаратуры
Комплекс бортовой фототелевизионной аппаратуры “Енисей” для станции Луна-3

7 октября 1959 года во время сеанса фотографирования была заснята почти половина поверхности Луны (одна треть — в краевой зоне, две трети — на обратной невидимой с Земли стороне). Фототелевизионное устройство «Енисей» было разработано Ленинградским НИИ телевидения (сам фотоаппарат АФА-Е1 — Красногорским механическим заводом). Фотографирование производилось с выдержками 1/200, 1/400, 1/600 и 1/ 800 с. в течение 40 мин.

Cпециальный фотографический процесс, успешно примененный при первых в истории съемках обратной стороны Луны, был разработан cпециалистами НИКФИ (под руководством С. М. Антонова, К. С. Богомолова, Н. И. Кириллова, Н. С. Овечкиса и В. И. Успенского).

Для тех, кто хотя бы немного знаком с плёночной фотографией, будет удивительным тот факт, что для обработки пленки использовался только один раствор, вместо обычных двух — проявителя и закрепителя с обязательной промежуточной промывкой. В растворе в определенной пропорции были перемешаны несовместимые компоненты: проявитель и закрепитель. Ключевым моментом является разная скорость действия этих компонентов. Проявитель действовал активнее и быстрее, а закрепитель автоматически блокировал процесс проявления, когда достигалась требуемая контрастность изображения.
Для проявления и фиксирования в одном растворе, к которому добавлялись вещества, увеличивающие вязкость (что необходимо в условиях вибрации и невесомости). Для проявки было разработано и изготовлено специальное малогабаритное устройство. Проявление продолжалось около 3 минут. Рабочий раствор не менял свойств при хранении в условиях АМС в течение 15 суток. Процесс допускал интервал температур от 30° до 50° и даже до 70° при небольшом увеличении вуали.

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.

Сведений о том, кто изобрёл одноступенчатый процесс, нет. Людям всего мира эта технология известна по достижениям космических аппаратов и моментальным камерам Polaroid, которые придумал Эдвин Герберт Лэнд.

Основной соперник СССР в космической гонке, США, реализовал такой подход лишь спустя шесть лет, в ходе миссии Lunar Orbiter.

История примененной в камере “Енисей” фотопленки типа АШ шириной 35 мм необычна. По свидетельству специалистов, промышленность СССР к тому времени еще не освоила производства фотопленки, удовлетворявшей необходимым требованиям. Но выручила “русская смекалка”. С середины 50-х годов США стали использовать в разведывательных целях воздушные шары, снабженные специальной фотоаппаратурой. Они запускались с военных баз в странах Западной Европы и, следуя по направлению воздушных течений, появлялись над СССР. Сбито этих “шариков” было немало. Фотопленка с этих шаров-шпионов оказалось по своим параметрам пригодна для использования в бортовой аппаратуре “Енисей”. У плёнки 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. Пленка также была предварительно испытана облучением пучков электронов с энергией 12 мэв из бетатрона, причем было доказано, что действие обычных потоков космических лучей не вызовет ее значительного почернения и не затруднит фотографирование, исключая потоки от солнечных вспышек, когда радиация может возрасти до 103 раза (что, однако, происходит не чаще 1—2 раз в год).

Тогда и было принято, в тайне от высокого начальства, решение разрезать её на требуемый размер, отперфорировать и применить для фотографирования невидимой стороны Луны. Отсюда становится понятным озорное обозначение типа фотопленки – “АШ” (“американские шарики”).