Автоматические устройства, обеспечивающие операции в процессе всего полета, устанавливались в герметизированном отсеке, а блоки, необходимые только при перелете к Луне (до выполнения посадочных операций), размешались в специальных отсеках, сбрасываемых перед началом торможения. Такая компоновочная схема позволяла значительно уменьшить массу служебных систем перед посадкой и значительно увеличить массу полезного груза.
Заключительный этап полета (рис. 3) начался за 6 ч до посадки — после передачи на борт АС данных для настройки системы управления. За 2 ч до встречи с Луной по радиокомандам с Земли была проведена подготовка систем к торможению. Порядок дальнейших операций разрабатывался логическими бортовыми устройствами системы управления, которая также обеспечивала ориентацию станции на основании работы оптических датчиков слежения за Землей и Солнцем (при этом ось двигателя была направлена на центр Луны).
После того как радиовысотомер зарегистрировал, что высота АС над поверхностью составляет около 75 км, ЖРД включился на торможение. При запуске ЖРД произошло отделение сбрасываемых отсеков, причем стабилизация АС осуществлялась при помощи управляющих сопел, использующих отработанный газ турбонасосного агрегата. Величина тяги двигателя регулировалась по определенному закону, так чтобы были достигнуты необходимая посадочная скорость и выход станции в конце торможения на заданную высоту над лунной поверхностью.
В связи с тем что ко времени полета АС «Луна-9» точных данных о свойствах лунной поверхности не было, система посадки рассчитывалась на широкий диапазон характеристик грунта — от скального до очень рыхлого. Посадочный контейнер станции был помещен в эластичную оболочку, которая перед прилунением надувалась сжатым газом. Непосредственно перед контактом с Луной шаровая оболочка с заключенным в ней контейнером была отделена от приборного отсека, упала на поверхность и, несколько раз подпрыгнув, остановилась. При этом она распалась на две части, была отброшена, а спускаемый аппарат АС оказался на грунте.
Рис. 3. Схема полета автоматической станции «Луна-9»
Спускаемый аппарат АС «Луна-9» по форме близок к шару. Снаружи к нему прикреплены четыре лепестковые антенны, а также четыре штыревые антенны с подвешенными на них эталонами яркости (для оценки альбедо поверхности в месте посадки) и три двухгранных зеркала. В верхней части контейнера располагалась телевизионная камера.
В полете антенны и зеркала находились в сложенном состоянии. Верхняя часть спускаемого аппарата закрыта лепестковыми антеннами (при этом он имел яйцевидную форму). Его центр тяжести располагался в нижней части, что обеспечивало правильное положение на грунте — практически при любых условиях посадки.
Через 4 мин после посадки по команде от программного устройства раскрылись антенны, и аппаратура была приведена в рабочее состояние. Открытые лепестки служили для передачи информации, а штыревые антенны использовались для приема сигналов с Земли. Во время полета прием и передача радиосигналов велись через лепестковые антенны.
Масса спускаемого аппарата около 100 кг, диаметр и высота (при раскрытых антеннах) — 160 и 112 см.
Для получения изображений лунного ландшафта на АС «Луна-9» была установлена оптико-механическая система, включающая в себя объектив, диафрагму, формирующую элемент изображения, и подвижное зеркало. Качаясь в вертикальной плоскости, что создавалось с помощью специального профилированного кулачка, зеркало осуществляло строчную развертку, а его движение в горизонтальной плоскости обеспечивало кадровую панорамную развертку. Оба эти движения производились одним электродвигателем со стабилизированной скоростью вращения. Причем развертывающее устройство камеры имело несколько режимов работы: передача могла вестись со скоростью одна строка в 1 с при времени полной передачи панорамы 100 мин, но мог использоваться также и ускоренный обзор окружающей местности. В этом случае время передачи панорамы сокращалось до 20 мин.
Вертикальный угол зрения камеры был выбран равным 29° — 18° вниз и 11° вверх от плоскости, перпендикулярной оси вращения камеры. Это делалось для того, чтобы получать преимущественно изображение поверхности. Поскольку вертикальная ось спускаемого аппарата при его посадке на горизонтальную площадку, имела наклон 16°, в поле зрения телекамеры попадали участки поверхности, начиная с расстояния 1,5 м, и поэтому объектив был сфокусирован для получения резкого изображения от 1,5 м до «бесконечности».
Температурный режим спускаемого аппарата обеспечивался эффективной защитой контейнера от влияния внешней среды и отводом избыточного тепла в окружающее пространство. Первая задача решалась с помощью имеющейся на корпусе тепловой изоляции, вторая — с помощью активной системы терморегулирования. Внутренний объем герметичного приборного отсека заполнялся газом, и при его перемешивании тепло от оборудования передавалось специальным бачкам с водой. При повышении температуры сверх необходимой нормы открывался электроклапан, происходило испарение воды в вакуум и осуществлялся отвод тепла от радиаторов. Для устранения перегрева телекамеры на ее верхней части устанавливался теплоизолирующий экран, наружная же поверхность покрывалась позолотой.
Аналогичной конструкцией обладала и «Луна-13» (рис. 4) — вторая советская станция, опустившаяся на Луну. В ее задачу входило первое непосредственное приборное исследование физических характеристик лунной поверхности, для чего использовались грунтомер-пенетрометр, радиационный плотномер, радиометры, система акселерометров.
Грунтомер-пенетрометр состоял из пластмассового корпуса, нижняя часть которого являлась кольцевым штампом с наружным диаметром 12 см и внутренним- 7,15 см, а также из титанового индснтора с нижней частью, выполненной в виде конуса (угол у вершины конуса 103°, диаметр основания 3,5 см). Грунтомер был закреплен на конце выносного механизма, представляющего собой складной многозвенник, раскрывающийся под действием пружины и обеспечивающий вынос прибора на расстояние 1,5 м от станции.
Рис. 4. Автоматическая станция «Луна-13»
После того как прибор был установлен в рабочем положении, подавалась команда на запуск твердотопливного ракетного двигателя с заданными тягой и временем работы, размешенного в корпусе индентора. Глубина погружения индентора в грунт регистрировалась с помощью потенциометра со скользящим контактом. Оценка механических свойств лунного грунта проводилась на основании результатов лабораторных исследований земных грунтов-аналогов, а также экспериментов в вакуумной камере и на борту самолета, летящего по траектории, позволяющей имитировать ускорение силы тяжести на Луне.
Радиационный плотномер предназначался для определения плотности поверхностного слоя грунта до глубины 15 см. Датчик плотномера крепился на выносном механизме и укладывался на грунт, а полученные показания поступали на электронный блок, находящийся а герметичном корпусе станции, и по каналам телеметрии передавались на Землю. Датчик плотномера включал в себя источник гамма-излучения (радиоактивный изотоп), а также счетчики для измерения регистрации «лунных» гамма-квантов: гамма-излучение от источника, падая на грунт, частично им поглощалось, но частично рассеивалось и попадало на счетчики. Для того чтобы устранить непосредственное попадание излучения источника на счетчики, между ними и изотопным источником был помещен специальный свинцовый экран. Расшифровка показаний датчика велась на основании наземной тарировки прибора, использующей различные материалы в диапазоне плотности р(ро)=0,16-2,6 г/куб. см.
Измерение теплового потока от лунной поверхности проводилось четырьмя датчиками, расположенными так, чтобы по крайней мере один из них никогда не затенялся самой станцией и его входное отверстие не было направлено на Солнце или в небо. Датчики радиометра были укреплены на шарнирных кронштейнах, сложенных во время полета и раскрывающихся при открытии лепестковых антенн станции (после посадки на поверхность Луны).