КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД "Пионер". Разработка первых пяти космических зондов США для пролета мимо Луны и для выхода на окололунную орбиту велась в Управлении перспективных исследований Министерства обороны, а затем была передана в только что образованное НАСА. Скромные возможности носителей того времени (баллистические ракеты среднего радиуса действия "Тор" и "Юпитер") ограничивали полезный груз для полетов к Луне массой от 6 до 40 кг. Постоянная ориентация продольной оси зондов в пространстве относительно звезд поддерживалась их вращением вокруг этой оси.
Первая попытка ("Пионер-0", запущен 17 августа 1958) закончилась взрывом носителя на 77-й секунде полета. Первым зондом США, достигшим второй космической скорости, был "Пионер-4", запущенный 3 марта 1959 и прошедший мимо Луны на расстоянии 60 тыс. км - слишком далеко для получения хороших фотографий. Однако он помог уточнить протяженность открытых незадолго до этого радиационных поясов Ван Аллена, окружающих Землю.
"Луна". Советский Союз тоже стремился направить зонд к Луне. После четырех неудачных попыток в 1958 2 января 1959 состоялся запуск "Луны-1", впервые достигшей второй космической скорости и прошедшей мимо Луны всего в 6000 км. 13 сентября 1959 "Луна-2" попала в Луну, ознаменовав первый прямой контакт человечества с иным небесным телом. Запущенный 4 октября 1959 зонд "Луна-3" передал по радио первые фотографии обратной стороны Луны, которая никогда не видна с Земли. В процессе фотографирования "Луна-3" очень точно сориентировалась по звездам.
Как и "Пионеры", первые зонды "Луна" питались электричеством от аккумуляторных батарей, что ограничивало срок их активной жизни. Но одним качеством они существенно отличались от "Пионеров". Мощные советские носители, выводящие на орбиту значительно больший вес, позволили советским инженерам разместить приборы зонда в герметичной оболочке, заполненной нормальным атмосферным воздухом. При этом, правда, небольшая утечка воздуха могла стать гибельной для аппарата. Оборудование на борту "Пионеров" функционировало в условиях вакуума. Чтобы добиться этого, пришлось решить сложные инженерные проблемы, но зато был сэкономлен вес и созданы приборы для работы в открытом космосе.
"Рейнджер". Американские исследования Луны автоматическими станциями активизировались, когда президент Дж.Кеннеди объявил, что высадка человека на Луну состоится до 1970. Для изучения поверхности, на которую должен был опуститься корабль "Аполлон", НАСА предприняло трехэтапную программу.
Первыми представителями нового поколения американских лунных зондов стали аппараты "Рейнджер". Два первых "Рейнджера" были выведены для испытания на высокую околоземную орбиту. Следующие три зонда предназначались для доставки на лунную поверхность сейсмографов; при этом с помощью твердотопливных тормозных двигателей скорость сближения зонда с поверхностью должна была уменьшиться до нескольких сотен км/ч. Последние зонды предназначались для получения детальных изображений поверхности перед тем, как они врежутся в нее на большой скорости. Таким образом, зонды "Рейнджер" имели различную конструкцию, но все они питались от солнечных батарей, были стабилизированы по трем осям и способны осуществлять тонкую коррекцию ориентации и траектории полета.
Способность зонда выполнять необходимые операции, кроме прочего, зависит от возможности поддерживать заданную ориентацию. У спутников на околоземной орбите для этого датчики могут фиксировать земной горизонт и определять по нему вертикальное и горизонтальное направления. Но зонд в открытом космосе для ориентации может использовать только небесные светила, как минимум - два, причем желательно, чтобы угол на небе между ними был ок. 90?. Для "Рейнджеров" и многих последующих американских зондов основным светилом для ориентации было выбрано Солнце, а вторым - Канопус, звезда южного неба, невидимая на наших северных широтах. Ее избрали потому, что это вторая по яркости звезда небосвода, и к тому же расположенная вблизи полюса эклиптики. Для поддержания или изменения ориентации использовались маленькие сопла, выбрасывающие строго контролируемое количество газообразного азота и действующие как миниатюрные ракетные двигатели. Во время маневра, когда датчики Солнца и Канопуса теряли свои светила из виду, специальные гироскопы сохраняли нужную ориентацию и указывали необходимую коррекцию, что значительно упрощало затем поиск двух опорных светил.
Поскольку "Рейнджеры" могли сохранять ориентацию, они имели остронаправленную антенну, позволявшую эффективно передавать данные на Землю. Такая способность особенно важна для зондов, исследующих далекие области Солнечной системы. Первые шесть "Рейнджеров" постигла неудача из-за отказов носителя или самого аппарата. Но седьмой, восьмой и девятый сработали нормально, попав в Луну 31 июля 1964, 20 февраля 1965 и 24 марта 1965 и передав на Землю изображения лунной поверхности, в тысячи раз превосходящие то, что прежде было получено с помощью наземных телескопов. На них не обнаружилось ничего такого, что сделало бы невозможным прилунение человека.
"Сервейор". Следующим шагом НАСА по изучению Луны стала программа "Сервейор", первоначально включавшая два типа экспериментов: мягкую посадку зонда на поверхность Луны и ее детальное фотографирование с окололунной орбиты.
Для управляемого спуска аппарат "Сервейор", приближаясь к Луне, переходил от ориентации по Солнцу и Канопусу к ориентации по лунной поверхности. Бортовой радар непрерывно измерял высоту и скорость спуска, чтобы перед самым касанием включить мощный твердотопливный двигатель, который почти полностью гасил скорость. В заключение небольшие регулируемые жидкостные двигатели обеспечивали мягкую посадку на грунт.
"Сервейор-1" мягко опустился в Океане Бурь 2 июня 1966 и передал фотографии и результаты измерений на Землю. Четыре (3-й, 5-й, 6-й и 7-й) из шести следующих "Сервейоров" также успешно опустились (20 апреля, 11 сентября, 10 ноября 1967 и 10 января 1968) и окончательно доказали, что для посадок на Луну экспедиций "Аполлонов" путь открыт.
"Лунар орбитер". Для выбора мест посадки кораблей "Аполлон" НАСА срочно нуждалось в качественных изображениях больших областей лунной поверхности. Когда орбитальная программа "Сервейор" по разным причинам остановилась, НАСА начало программу с прозаическим названием "Лунар орбитер", зонды которой должны были фотографировать поверхность Луны на пленку и проявляли ее на борту. Затем негативы сканировались лучом света, и по радио изображение передавалось на Землю. Все пять аппаратов "Лунар орбитер" (запущены 10 августа и 6 ноября 1966, 5 февраля, 4 мая и 1 августа 1967) сработали нормально, дав первое детальное изображение почти всей поверхности Луны.
Другие полеты к Луне. После нескольких неудачных попыток Советский Союз посадил на Луну 3 февраля 1966 "Луну-9" и передал (за четыре месяца до "Сервейора-1") несколько панорам ее поверхности. Однако "Луна-9" представляла собой жестко садящийся аппарат с малым ресурсом и меньшими возможностями, чем "Сервейор". "Луна-10" 3 апреля 1966 стала первым спутником Луны. Затем еще множество посадочных и орбитальных аппаратов было направлено к Луне в период с 1966 по 1976.
Для подготовки пилотируемых полетов на Луну Советский Союз запустил серию беспилотных кораблей ("Зонд-5, -6, -7 и -8", запущены 14 сентября и 10 ноября 1968, 8 августа 1969 и 20 октября 1970), облетевших Луну и благополучно вернувшихся на Землю. Затем были доставлены на Луну автоматические движущиеся аппараты ("Луноход-1 и -2", сели 17 ноября 1970 и 15 января 1973) и станции ("Луна-16, -20 и -24", сели 20 сентября 1970, 21 февраля 1972 и 18 августа 1976) для доставки образцов лунного грунта на Землю. Однако эти достижения померкли перед пилотируемыми полетами на Луну "Аполлонов" (1969-1972). См. также КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ ПИЛОТИРУЕМЫЕ.
"Клементина". В совместном проекте "Клементина" НАСА и Организация стратегической оборонной инициативы (СОИ) использовали оставшуюся со времен холодной войны ракету "Титан" и не находившее применения оборудование. Запущенный 25 января 1994 аппарат несколько месяцев работал на орбите вокруг Луны, получая с помощью четырех фотокамер изображения ее поверхности в различных диапазонах спектра, от ультрафиолетового до инфракрасного.
"Лунар проспектор". Для исследования состава поверхности Луны, а также ее магнитного и гравитационного полей 7 января 1998 США вывели на окололунную орбиту легкий спутник "Лунар проспектор", который в середине 1999 упал на Луну.