Eksperymentalne laboratorium komunikacyjne LEM (1966)

0

W październiku 1945 roku, brytyjski orędownik wykorzystania przestrzeni kosmicznej i jednocześnie przyszły autor wielu znanych książek – Arthur C. Clarke, opublikował śmiałą propozycję wykorzystania specyficznej orbity, którą opisał na stronach magazynu Wireless World. Wyjaśnił, że jeśli obiekt poruszałby się na wysokości 35.786 kilometrów nad równikiem Ziemi, oraz z taką samą prędkością z jaką wykonuje ona obrót, to dla obserwatora naziemnego satelita taki stałby się obiektem nieruchomym na niebie, stale „wiszącym” nad konkretnym punktem równika.

Następnie zaproponował powstanie sieci złożonej z trzech takich urządzeń, stale przebywających na ziemskiej orbicie geostacjonarnej (GEO). Umożliwiłyby one, jak pisał,  przekazywanie sygnałów radiowych pomiędzy dowolnymi punktami na Ziemi. W większości przypadków artykuł Clarke’a nie został potraktowany poważnie, choć niemieckie pociski V-2 wykazały w tym czasie, że budowa ciężkich rakiet jest możliwa – jego propozycja wydawała się jednak projektem do realizacji w odległej przyszłości i w opinii wielu miała charakter wręcz „utopijny”.

Mniej niż 20 lat później (26 Lipca 1963 roku) NASA wystrzeliła satelitę Syncom-2 na orbitę o wysokości 35.786 kilometrów i inklinacji 33 stopni w stosunku do ziemskiego równika. Przebywając na tej orbicie, to 68-kilogramowe urządzenie posiadające kształt bębna, oscylowało na północ i południe od punktu znajdującego się na równiku, pokonując codziennie ścieżkę o długości 66 stopni. Tylko nieco ponad rok później (19 sierpnia 1964 roku) NASA wysłała satelitę Syncom-3 w punkt leżący dokładnie nad równikiem Ziemi, co uczyniło go pierwszym satelitą telekomunikacyjnym GEO. Nim upłynął rok (6 kwietnia 1965 roku) wystrzelono Intelsata I, pierwszego komercyjnego satelitę telekomunikacyjnego GEO, przezwanego przez międzynarodowe konsorcjum, które sfinansowało jego budowę „Early Bird” (Wczesny Ptak). Urządzenie to było w użyciu przez cztery lata.

Rok po tym jak Intelsat I osiągnął orbitę GEO, Samuel Fordyce, inżynier pracujący w Biurze Załogowych Lotów Kosmicznych (Office of Manned Space Flight) mieszczącym się w siedzibie NASA, rozprowadził memorandum, w którym proponował by nowo utworzone biuro NASA – Saturn/Apollo Applications (SAA) – zawarło w swoich planowanych misjach post-Apollo projekt załogowego lotu na GEO, zorientowanego na eksperymenty telekomunikacyjne. Jego Lunar Excursion Module Relay Experiment (LEM-RE) miałby korzystać z załogowego lądownika księżycowego programu Apollo, wyposażonego w urządzenia pozwalające mu pełnić rolę kosmicznego laboratorium komunikacyjnego. Jak sam napisał, laboratorium LEM byłoby „od czasu do czasu odwiedzane przez załogi, aby uzupełnić, naprawić, zainstalować, uruchomić i operować szerokim zakresem eksperymentów”.

Wiele z eksperymentów na pokładzie laboratorium LEM-RE miałoby za zadanie „przetestować możliwości przesyłu [GEO] w celu zastąpienia floty samolotów, statków i części stacji naziemnych, wyposażonych w anteny o 9 metrowej średnicy, stanowiących łącznie Manned Space Flight Network (MSFN)”. Fordyce wyjaśnił, że podczas misji Apollo potrzeba aż ośmiu specjalnie wyposażonych samolotów KC-135, pięć statków oraz 11 stacji naziemnych z antenami talerzowymi o średnicy 9 metrów, aby zapewnić łączność pomiędzy pojazdem kosmicznym a Centrum Kontroli. Napisał, że gdyby sieć komunikacyjna oparta o satelity GEO zastąpiła większość ośrodków MSFN, rezultatem tego mogłyby być „znaczne oszczędności dla NASA”.

Fordyce zauważył, że na swojej orbicie o wysokości 370 kilometrów pojazd kosmiczny przebywałby w polu widzenia satelity GEO przez 59% czasu trwania swojej orbity. Gdyby trójka satelitów GEO została umieszczona nad trzema punktami znajdującymi się nad równikiem i oddalonymi od siebie co 120 stopni (czyli tak jak zakładał Clarke), wtedy pojazd kosmiczny pozostałby w polu widzenia dwóch satelitów przez 74% swojej orbity. Jak sam napisał, niosłoby to „wiele różnych zalet w szybkim określeniu orbity”. Sieć satelitarna mogłaby również „udostępnić możliwość nawiązania ciągłego kontaktu”, który „umożliwiłby większą elastyczność w przeprowadzaniu operacji, ponieważ obniżyłby wymogi co do wykonywania trudnych manewrów [na przykład abortów]nad niektórymi obszarami”.

Fordyce zaproponował dwie metody umieszczania laboratorium LEM Relay Experiment na jego orbicie operacyjnej (podobnej do orbity synchronicznej Syncom 2, ale nachylonej o 13.2 stopnia w stosunku do równika Ziemi). Wpierw, trzystopniowa rakieta Saturn V wyniosłaby laboratorium oraz pojazd kosmiczny Apollo CSM (Command and Service Module) wraz z trójką astronautów. Pierwsze dwa stopnie wykorzystałyby swoje silniki, aż do całkowitego wyczerpania zapasu paliwa, następnie trzeci stopień S-IVB odpaliłby swój napęd na krótki czas, tak aby umieścić siebie, pojazd CSM oraz laboratorium LEM na tymczasowej, 185-kilometrowej orbicie Ziemi. Jakiś czas później stopień S-IVB uruchomiłby swoje silniki ponownie – dzięki trzykrotnemu ich odpaleniu przez okres sześciu godzin zmieniłby nachylenie orbity pojazdu względem równika oraz zwiększył jego wysokość.

Po trzecim odpaleniu stopnia S-IVB, pojazd CSM oddzieliłby się, obrócił i zacumował do górnej części laboratorium LEM, by następnie wycofać je z zużytego już stopnia S-IVB. W końcu, system napędowy CSM (Service Propulsion System – SPS) zostałby uruchomiony, by wprowadzić laboratorium LEM na docelową orbitę operacyjną GEO. Po zakończeniu swojej misji, astronauci odcumowaliby od laboratorium LEM w swoim pojeździe CSM, odpalili system napędowy SPS, który skierowałby ich z powrotem na Ziemię.

Alternatywnie, laboratorium LEM Relay Experiment mogłoby wejść na docelową orbitę samodzielnie. Laboratorium LEM oraz pojazd CSM mogłyby znaleźć się na tymczasowej orbicie wstępnej o wysokości 185 kilometrów w pojedynczym locie rakiety Saturn V lub być wystrzelone oddzielnie za pomocą pary rakiet Saturn IB. Pojazd Apollo CSM zacumowałby do laboratorium LEM, aby trójka astronautów mogła przygotować LEMa do bezzałogowej podróży na właściwą orbitę operacyjną. Następnie odcumowaliby od laboratorium, które uruchomiłoby swój silnik zamontowany w dolnym stopniu lądownika i rozpoczęło tym samym podróż na właściwą orbitę, która zabrałaby około 5.25 godziny. Ilość paliwa w dolnym stopniu nie wystarczyłaby jednak do osiągnięcia właściwych jej parametrów – z tego powodu stopień ten po wyczerpaniu paliwa zostałby odłączony i uruchomiono by silnik górnego stopnia, który zakończyłby manewr umieszczania laboratorium na orbicie operacyjnej. Fordyce nazwał tę opcję wykorzystującą tylko górny stopień LEMa „prototypowym” laboratorium.

Mniej więcej w tym samym czasie, gdy Fordyce zaprezentował swój projekt, SAA stało się znane jako Apollo Applications Program (AAP). Cięcia w budżecie AAP, które rozpoczęły się w roku fiskalnym 1968, wpłynęły jednak na decyzję NASA by nie przyjmować tej propozycji.

Ostatecznie jednak NASA utworzyła sieć komunikacyjną oparta o satelity GEO, które wyparły większość elementów sieci naziemnej MSFN. Pierwszy satelita w systemie TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System), ważący 2268 kilogramów TDRS-1, znalazł się na orbicie geostacjonarnej w kwietniu 1983 roku, po tym jak został wyniesiony na niską orbitę na pokładzie wahadłowca kosmicznego Challenger w ramach misji STS-6. Po uwolnieniu z ładowni promu, masywny, górny stopień napędowy wykorzystujący stałe paliwo został uruchomiony i satelita TDRS-1 znalazł się niemal na orbicie GEO. Następnie kontrolerzy na Ziemi wykorzystali jego system kontroli orientacji do zakończenia wejścia na tę orbitę. Szacowano, że satelita będzie pracował przez siedem lat.

Drugi satelita TDRSS, który miał zostać umieszczony na podobnej orbicie uległ zniszczeniu w katastrofie wahadłowca Challenger, do której doszło podczas misji STS 51-L (styczeń 1986 roku) w trakcie wznoszenia. W wypadku tym stracono również całą siedmioosobową załogę.

Orbitę geostacjonarną osiągnęło jeszcze pięć satelitów TDRSS pierwszej generacji, wyniesionych na niskie orbity wstępne za pośrednictwem promów kosmicznych. Miało to miejsce w 1988, 1989, 1991, 1993 i 1995 roku. Trzy kolejne satelity TDRSS – choć już drugiej generacji – zostały wystrzelone na rakietach Atlas IIA i weszły na swoje orbity w 2000 i 2002 roku.

Ostatni wzmacniacz zainstalowany na pokładzie TDRS-1 uległ awarii w październiku 2009 roku, co spowodowało, że w czerwcu bieżącego roku został on wycofany ze służby po 27 latach pracy. Aby wypełnić powstałą lukę w systemie TDRSS, Agencja wykorzystała satelitę TDRS-3, który został przesunięty na nową pozycję, umożliwiającą przejęcie funkcji wycofanego satelity.

System TDRSS nadal stanowi kluczowy środek komunikacji w programie amerykańskich lotów załogowych.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:
Memorandum with attachment, MLO/Samuel Fordyce, SAA Flight Operations, to MLD/Deputy Director, Saturn/Apollo Applications and MLA/Director, Apollo Applications, AAP Synchronous Mission, April 29, 1966.

Wizja artystyczna satelitów systemu TDRSS (NASA)

Share.

Comments are closed.