Propozycja misji typu LSR (1961-1962)

0

25 maja 1961 roku, nowy prezydent stanów Zjednoczonych, John F. Kennedy wyznaczył NASA odważny cel: lądowanie człowieka na Księżycu i jego bezpieczny powrót na Ziemię przez Rosjanami oraz przed upływem dekady lat sześćdziesiątych. Celem jego przemówienia na specjalnej, wspólnej sesji Kongresu była demonstracja siły (i samej administracji Kennedy’ego) w obliczu sowieckich sukcesów w lotach kosmicznych oraz upokarzającej porażki sponsorowanej przez USA inwazji w Zatoce Świń komunistycznej Kuby.

Nowy cel był szokiem dla wielu pracowników NASA. Kiedy Kennedy wygłaszał swoje przemówienie, cywilna agencja dopiero niedawno zatwierdziła pierwszy i jedyny program lotów załogowych – Projekt Merkury – oraz zdołała wysłać jednego człowieka, Alana Sheparda, na 15-minutowy lot suborbitalny nad Atlantykiem. Pierwszy lot orbitalny był ciągle kwestią przyszłości – prawdopodobnie oddalonej o niemal rok. Tymczasem Apollo ciągle znajdował się we wczesnej fazie A/B studiów, które dodatkowo zakładały, że będzie to jedynie program funkcjonujący na orbicie Ziemi, który dopiero utoruje drogę do stacji kosmicznej w okolicach roku 1970 oraz prawdopodobnie późniejszego lotu kosmicznego wokół Księżyca.

Nie mniej, Prezydent wygłosił swoją mowę i większość Kongresu oraz amerykańskiej opinii publicznej, która obawiała się przewagi technologicznej Związku Radzieckiego poparła księżycowy cel. NASA stanęła zatem przed wyborem odpowiedniego ‘trybu’ przeprowadzenia misji, który miałby szansę spełnić mandat Kennedy’ego i to możliwie szybko. Latem 1961 roku, NASA sformowała w tym celu kilka komitetów, których zadaniem była ocena poszczególnych rozwiązań dla załogowego lądowania na Księżycu przed rokiem 1970.

W toku prowadzonych analiz powstały trzy, faworyzowane koncepcje misji. Pierwszą z nich było „Bezpośrednie Wznoszenie” (Direct Ascent), w której potężna rakieta (Nova) wyniosłaby lądownik księżycowy złożony z dwóch elementów (bezzałogowego modułu serwisowego i załogowego modułu dowódczego) pojazd kosmiczny Apollo oraz specjalny stopień umożliwiający lądowanie na Księżycu w jednym, bezpośrednim locie z powierzchni Ziemi na Srebrny Glob. Po krótkotrwałym pobycie, podczas którego astronauci wyszliby ze swojego pojazdu i zeszli po drabince, która mogłaby mieć nawet 18 metrów by stanąć na powierzchni, pojazd kosmiczny Apollo uruchomiłby silnik swojego modułu serwisowego, pozostawiając moduł lądownika na powierzchni Księżyca i powracając tym samym bezpośrednio na Ziemię. W jej pobliżu astronauci odrzuciliby zbędny już moduł serwisowy i w swojej chronionej kapsule weszliby w atmosferę.

Drugim proponowanym trybem było „zbliżenie na orbicie Ziemi” (Earth-Orbit Rendezvous – EOR), w którym kilka rakiet o mniejszych rozmiarach niż jedna, potrzebna w przypadku lotu „Direct Ascent” wyniosłoby moduły pojazdu kosmicznego na orbitę Ziemi. Moduły te następnie zacumowałyby do siebie tworząc tym samym lądownik księżycowy Apollo oraz stopień napędowy, który miałby skierować kompleks na trajektorię lunarną. Po opuszczeniu orbity naszej planety, przebieg misji miałby wyglądać identycznie jak opcja bezpośredniego wznoszenia.

Trzecim faworyzowanym rozwiązaniem było „zbliżenie na orbicie Księżyca” (Lunar-Orbit Rendezvous – LOR), które ostatecznie wygrało tę swoistą rywalizację. W locie LOR, pojazd Apollo przeniósłby niewielki lądownik LEM (Lunar Excursion Module) na orbitę księżycową. LEM następnie odłączyłby się od pojazdu orbitalnego Apollo i wraz z dwójką astronautów wylądowałby na powierzchni Srebrnego Globu. Po przeprowadzeniu badań powierzchni, opuściliby Księżyc w swoim pojeździe LEM, następnie zacumowali z pojazdem Apollo, przenieśliby próbki materiału księżycowego oraz kasety z kliszami fotograficznymi na pokład orbitera, by potem odrzucić swój zbędny już lądownik LEM. Po tej operacji pojazd kosmiczny Apollo uruchomiłby swój system napędowy by opuścić orbitę Księżyca i udać się w kierunku Ziemi. Po wejściu na trajektorię powrotną, misja LOR byłaby identyczna z „Direct Ascent” oraz „EOR”. Podejście LOR, które umieściłoby na Księżycu tylko sprzęt i systemy wymagane do przeprowadzenia lądowania,  badań powierzchni i powrotu na orbitę księżycową posiadało również przewagę w postaci zmniejszonej masy całkowitej misji, dzięki czemu możliwe stałoby się wysłanie jej na pojedynczej rakiecie niewiele większej od jednej z kilku rakiet potrzebnych do realizacji koncepcji EOR.

Nie były to jednak jedyne koncepcje. Choć dziś w większości zapomniane i pomijane, istniały także inne plany, biorące udział w tym wyścigu pomysłów: metody często agresywnie promowane przez swoich autorów i czasem przez inne strony; metody które jednak nigdy nie miały szansy stać się jedną z realnych opcji realizacji programu Apollo. Lider tych rozwiązań został przedstawiony przez inżynierów z Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) w Pasadenie (Kalifornia). Ich podejście, nazwane „zbliżeniem na powierzchni Księżyca” (Lunar-Surface Rendezvous – LSR), było jednym z pierwszych starań połączenia lotów pojazdów załogowych i bezzałogowych w ramach jednej misji.

Koncepcja LSR opierała się na zdalnie sterowanym montażu elementów na powierzchni Księżyca. Zespół JPL twierdził, że grawitacja naszego naturalnego satelity, wynosząca jedną szóstą ziemskiej, będzie znacznie bardziej wygodnym miejscem montażu niż środowisko mikrograwitacyjne przestrzeni kosmicznej. Księżyc, jak pisali, miałby posłużyć jako naturalna stacja kosmiczna.

Pojazdy LSR zostałyby oparte na technologii i technikach opracowanych na potrzeby zbudowanego w JPL programu Ranger oraz zbudowanych w zakładach Hughes Aircraft Company i zarządzanych przez JPL, lądowników księżycowych Surveyor. Każde miejsce załogowego lądowania LSR zostałoby wcześniej zbadane przez wystrzeloną za pośrednictwem rakiety Atlas-Agena sondę Ranger lub przez wysłany dzięki rakiecie Atlas-Centaur pojedynczy lądownik Surveyor, lub nawet dwa lądowniki tego typu, jeśli miejsce to wydawałoby się atrakcyjne. Sonda Ranger lub pierwszy z Surveyorów miałyby za zadanie dostarczenie obrazów rozpatrywanego miejsca lądowania, umożliwiając naukowcom i inżynierom ocenę jego przydatności do lądowania załogowego. Gdyby zostało wybrane na potrzeby takiej misji, wtedy drugi pojazd Surveyor o „długim okresie funkcjonowania” wylądowałby na tym obszarze i stałby się zarówno radiolatarnią jak i „systemem monitoringu miejsca lądowania”.

Każda trzyosobowa misja LSR wymagałaby startów co najmniej pięciu rakiet Saturn C-3. Choć nigdy nie zbudowana, to w połowie roku 1961 projekt C-3 zakładał zbudowanie trzystopniowej rakiety o wysokości 81 metrów (będąc na swojej wyrzutni) oraz o masie całkowitej w momencie zapłonu pierwszego stopnia wynoszącej około 1000 ton. Dwa silniki F-1 na stanowiącym pierwszy stopień S-IB spalałyby naftę (kerozynę) w ciekłym tlenie, podczas gdy cztery silniki J-2 w drugim stopniu S-II oraz sześć silników LLR-115 lub zmodyfikowane silniki RL-10 na trzecim stopniu S-IV zużywałyby ciekły tlen oraz ciekły wodór. Rakieta C-3 w tej konfiguracji mogłaby wynieść około 13.600 kilogramów na trajektorię księżycową.

Pierwsze trzy lądowniki LSR – bezzałogowe pojazdy transportowe (Refueling Spacecraft), składałyby się z ważącej 1123 kilogramy platformy systemowej („bus”) zawierającej „ładunek napędowy”, ważący 3458 kilogramów moduł z silnikiem rakietowym na paliwo stałe. Do boków platformy przyłączono by trzy silniki na paliwo stałe, identyczne do ładunku napędowego. Te jednostki zostałyby odpalone w momencie, gdy lądownik rozpocząłby opadanie na powierzchnię Księżyca, bez tymczasowego postoju na jego orbicie. Te silniki rakietowe pracowałyby do całkowitego spalenia swojego paliwa i następnie zostałyby odrzucone tak, by spadły na powierzchnię Księżyca w odległości kilku do kilkunastu kilometrów od miejsca lądowania. Napędzane paliwem ciekłym, niewielkie silniczki verniera zostałyby następnie uruchomione na wysokości około 8 kilometrów i sterowałyby pojazdem transportowym do precyzyjnego, miękkiego lądowania w miejscu, znajdującym się w zasięgu terenu obserwowanego przez kamerę lądownika Surveyor.

Pojazd powrotny (Return Spacecraft), umożliwiający lot na Ziemie – czwarty lądownik LSR, składałby się z platformy systemowej z trzema silnikami hamującymi oraz pozbawionym załogi, ważącym 2144 kilogramy modułem Apollo, a także ważącym 149 kilogramów systemie kontroli środowiska (Enviroment Control System – ECS) oraz 1360-kilogramową rezerwową jednostką napędową verniera. Pojazd powrotny opadałby na powierzchnię Księżyca, zużył swoje silniki hamujące na paliwo stałe, odrzucił je i następnie użył swojego głównego systemu silniczków verniera do lądowania w pobliżu trzech pojazdów przenoszących po jednym silniku na paliwo stałe.

Po wylądowaniu pojazdu powrotnego na Księżycu, rozpoczęłoby się przenoszenie modułów napędowych z umieszczonych wcześniej pojazdów. Preferowaną metodą było rozłożenie wysięgników z lądowników, które sięgałyby do pojazdu powrotnego, a których rozłożenie byłoby kontrolowane za pośrednictwem zdalnego sterowania z Ziemi. Moduły napędowe zostały by następnie przewiezione na specjalnym „wózku” po rozłożonym wysięgniku i zajęłyby miejsce odrzuconych wcześniej silników rakietowych na pojeździe powrotnym. Kamera umieszczona na lądowniku Surveyor oraz pozostałych pojazdach umożliwiłaby kontrolerom znajdującym się na Ziemi na monitorowanie delikatnej operacji.

Aby metoda transferu przy użyciu wysięgnika była możliwa do przeprowadzenia, pojazd powrotny załogi oraz pojazdy zaopatrzeniowe musiałyby wylądować nie dalej niż w odległości około 12 metrów (+- 3 metry) od siebie. Innymi słowy inżynierowie JPL założyli, że naprowadzanie radiowe będzie w stanie umożliwić lądowanie automatyczne z precyzją nieosiągniętą obecnie, niemal pół wieku po pierwszej prezentacji LSR. Mieli oni nadzieję, że technika naprowadzania radiowego będzie mogła być z powodzeniem zademonstrowana w trakcie trwania programu lądowników Surveyor. Byli jednak zgodni, że sposób ten może nie działać za każdym razem. Jeśli więc którykolwiek z pierwszej czwórki lądowników LSR wylądowałby poza planowanym miejscem, wtedy z Ziemi wysłano by zamiennik, by spróbować jeszcze raz. Inżynierowie JPL założyli, że w pierwszych lądowaniach ich programu, skuteczność precyzyjnego naprowadzania mogła wynieść 50%.

Druga metoda przenosin silników rakietowych podnosiła wymaganą, minimalną liczbę startów rakiet C-3 do sześciu i opierałaby się na wykorzystanie zdalnie sterowanego łazika, który wylądowałby w pobliżu pojazdów dostarczających moduły napędowe i samego statku powrotnego. Zasilany bateryjnie łazik zjechałby na powierzchnie wykorzystując rampy, a następnie kontrolerzy z Ziemi użyliby jego ramienia do usunięcia modułów napędowych z pojazdów transportowych i umieszczenia ich na pojeździe powrotnym, który miałby udać się na Ziemię.

Po zdalnym sprawdzeniu stanu złożonego pojazdu powrotnego, NASA wystrzeliłaby rakietę Saturn C-3 zawierającą platformę z trzema silnikami hamującymi na paliwo stałe, ważącą 2389 kilogramów kapsułę Apollo, pakiet ECS oraz moduł misji, ważący blisko półtorej tony, zawierający sprzęt potrzebny do eksploracji oraz oferujący dodatkową przestrzeń mieszkalną. Wykorzystując ten sam sposób lądowania jak pozostałe pojazdy LSR, „Pojazd Lądujący” (Landing Spacecraft) z trójką astronautów na pokładzie wylądowałby w pobliżu zespołu wcześniejszych lądowników i w odległości umożliwiającej dotarcie pieszo do oczekującego pojazdu powrotnego.

Inżynierowie z JPL utrzymywali, że wykorzystanie wspólnych systemów i technik lądowania w pięciu lądownikach LSR zapewniłoby bezpieczeństwo załodze. Elementy te, potrzebne do załogowego lądowania na Księżycu zostałyby użyte co najmniej czterokrotnie, zanim astronauci misji załogowej mieliby na nich polegać.

Po okresie eksploracji Księżyca, astronauci weszliby na pokład i sprawdzili pojazd powrotny. Następnie, w dogodnym momencie, uruchomiliby trzy silniki rakietowe na paliwo stałe by opuścić Księżyc. Pojazd ten, wykorzystywałby następnie zamontowany na nim system silniczków verniera do wykonywania korekt kursu w trakcie lotu powrotnego na Ziemię. W jej pobliżu, kapsuła Apollo oddzieliłaby się od platformy i ustawiła w położeniu umożliwiającym wejście w atmosferę naszej planety. Niepotrzebna już platforma również weszłaby w atmosferę, ale pozbawiona osłony spaliłaby się. W tym czasie kapsuła załogowa po wyhamowaniu rozwinęłaby spadochrony i opadła na nich do momentu lądowania na wodzie.

Inżynierowie JPL zauważyli, że jeśli pojazd powrotny załogi uległby awarii w czasie gdy astronauci lecieliby na Księżyc, mogliby oni nadal wykonać swoją misję. Po wylądowaniu, musieliby przenieść moduły silnikowe z uszkodzonego statku powrotnego do pojazdu, który dowiózł ich na powierzchnię Księżyca. Musieliby także zastąpić swój moduł misji, rezerwowym systemem napędowym verniera, pochodzącym również z pojazdu powrotnego.

JPL zaproponowało również uproszczoną, jednoosobowa wersję misji LSR. Zmniejszenie załogi do jednego człowieka umożliwiłoby użycie mniejszych systemów o zredukowanej masie, oraz zmniejszenie minimalnej liczby startów rakiet Saturn C-3 do czterech – pojazd powrotny wymagałby jedynie dwóch modułów napędowych, by umożliwić powrót samotnego astronauty na Ziemię. Oszacowano, że koszta przeprowadzenia trzyosobowej misji LSR wyniosłyby około 2.5 miliarda dolarów, przy czym misja jednoosobowa pozwoliłaby na zaoszczędzenie około 400 milionów.

Zespół JPL podkreślił, że platformy lądowników z rakietami hamującymi mogłyby dostarczyć wiele rodzajów ładunków na powierzchnię Księżyca. Mogły to być łaziki dalekiego zasięgu oraz elementy bazy księżycowej, umożliwiającej dłuższy pobyt na jego powierzchni. Zasugerowali także, że kapsuły Apollo pozostawione na Księżycu oraz moduły misji księżycowych użyte w ramach LSR mogłyby zostać użyte ponownie jako elementy bazy księżycowej.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:
Man-to-the-Moon and Return Mission Utilizing Lunar-Surface Rendezvous, Technical Memorandum 33-53, P. Buwalda, W. Downhower, P. Eckman, E. Pounder, R. Reider, and F. Sola, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, August 3, 1961.

Man-to-the-Moon and Return Mission Utilizing Lunar-Surface Rendezvous, J. Small and W. Downhower; paper presented at the American Rocket Society Lunar Missions Meeting in Cleveland, Ohio, July 17-19, 1962.

“Man to the Moon and Back Through – Lunar-Surface Rendezvous,” W. Downhower, P. Buwalda, P. Eckman, E. Pounder, R. Reider, and F. Sola, Astronautics, October 1962, pp. 60-65.

{module [346]}

Schemat rozmieszczenia pojazdów na powierzchni Księżyca w ramach misji typu LSR (NASA/JPL)

Schemat rakiety Saturn C-3 (NASA/JPL)

Przenosiny modułu napędowego z pojazdu transportowego (Refueling Spacecraft) do pojazdu powrotnego (Return Spacecraft) za pośrednictwem wysięgnika (NASA/JPL)

Pojazdy metody LSR wykorzystujące łazik do transportu modułów napędowych (NASA/JPL)

Share.

Comments are closed.