Misja księżycowa Rosena i Schwenka (1959)

0

Sześćdziesiąt trzy dni po wystrzeleniu Sputnika I, pierwszego sztucznego satelity Ziemi i jednocześnie 30 dni po starcie ważącego 507 kilogramów Sputnika II z psem Łajka na pokładzie, USA było w końcu gotowe do podjęcia wyścigu. Na Przylądku Canaveral (Floryda) na wyrzutni numer 18 rakieta Vanguard oczekiwała na lot, w którym miała wynieść w przestrzeń kosmiczną niewielkiego, ważącego około 2 kilogramy satelitę testowego (przezwanego ‘grejpfrutem’). Lot noszący oznaczenie TV-3 miał być pierwszym testem wszystkich trzech stopni, wysokiej na około 23 metry rakiety Vanguard.

Odliczanie osiągnęło zero i silnik rakietowy X-405 napędzany kombinacją nafty i ciekłego tlenu wyrzucił z siebie strumień płomieni, unosząc rakietę na wysokość blisko 90 centymetrów ponad wyrzutnię. Wtem, silnik wyłączył się i Vanguard opadł na wyrzutnię 18-A, rozrywając jednocześnie swoje zbiorniki paliwa. Satelita spadł ze szczytu rakiety w szybko rozprzestrzeniającą się kulę ognia wciąż transmitując sygnały, które miano wykorzystać do jego śledzenia.

{youtube}JK6a6Hkp94o{/youtube}
Zapis przygotowań do lotu i eksplozji rakiety Vanguard TV-3 (NASA/DoD/Youtube/superpowerplay)

Prezydent Dwight Eisenhower wyraził zgodę na finansowanie programu Vanguard w 1955 roku. Generał z czasów Drugiej Wojny Światowej oraz Republikanin widział niewielkie korzyści z badań przestrzeni kosmicznej – o wiele bardziej interesowało go śledzenie militarnej działalności Związku Radzieckiego. W tym czasie jego Biały Dom miał coraz większe obawy, że Sowieci mogą rozważać wykonanie lotów swoich satelitów wywiadowczych OPTINT ponad terytorium USA, naruszając zarazem przestrzeń powietrzną Stanów Zjednoczonych. Vanguard był zatem pomyślany jako „cywilny” program, który miałby doprowadzić do ustanowienia nowego prawa międzynarodowego – „wolnej przestrzeni kosmicznej”, która w zamyśle miała być odpowiednikiem zasady swobody na otwartym morzu. Uważano, że po wprowadzeniu tego prawa, Sowieci mieliby mniej powodów do sprzeciwu wobec amerykańskich satelitów wywiadowczych.

Na swój sposób Sputnik odniósł się jednak do zasady swobody w przestrzeni kosmicznej. Według jednego z urzędników Departamentu Obrony, Sowieci zrobili wręcz USA „przysługę” poprzez wystrzelenie pierwszych satelitów Ziemi. Ani Eisenhower, ani jego doradcy nie widzieli jednak w tym fakcie powodów do bicia na alarm, jednocześnie całkowicie mylnie odczytując nastroje opinii publicznej. Wpłynęło to na Demokratów w Kongresie, którzy pod kierownictwem szefa partii – Lyndona Bainesa Johnsona – skrytykowali Biały Dom za pomijanie i niedofinansowanie krytycznych technologii kosmicznych. Johnson prowadził przesłuchania, które utrzymały zainteresowanie jego osobą w oczach opinii publicznej i przyniosły mu przydomek „Mr. Space”.

Porażka Vanguarda TV-3 skutkowała wezwaniem do wykonania bardziej ambitnych projektów kosmicznych USA, wliczając w to bezzałogowe misje księżycowe oraz załogowe loty kosmiczne, których celem byłoby ustanowienie przewagi technologicznej USA tak szybko jak to możliwe. Udane wystrzelenie pierwszego satelity USA, Explorera 1, na szczycie zmodyfikowanego pocisku rakietowego US Army (Jupiter-C) w dniu 31 stycznia 1958 roku jeszcze bardziej ośmieliło przyszłych badaczy kosmosu. Explorer 1 przenosił bowiem detektor promieniowania zapożyczony z projektu Vanguard. Dane z tego instrumentu doprowadziły do pierwszego wielkiego odkrycia ery kosmicznej – wykrycia pasów radiacyjnych Van Allena. Odkrycie to wykazało w sposób dobitny, że satelity i sondy kosmiczne mogą być wykorzystane do przeprowadzenia istotnych badań astronautycznych.

Eisenhower, ze swojej strony, stał się bardziej skłonny do finansowania amerykańskich projektów kosmicznych, ale nadal pragnął uniknąć „wielkich osiągnięć bez pełnego uznania ich wysokich kosztów”. Był także zdeterminowany by kosmiczne „wyczyny” i naukowa eksploracja nie były powodem, który mógłby odwrócić uwagę inżynierów od poważnego biznesu, opartego o budowę pocisków rakietowych i satelitów wywiadowczych.

Częściowo z tego powodu właśnie, Eisenhower poparł wezwanie do utworzenia cywilnej agencji, zajmującej się koordynacją naukowej eksploracji przestrzeni kosmicznej i załogowych lotów kosmicznych. W dniu 29 lipca 1957 roku, po długich negocjacjach z Johnsonem i innymi członkami Kongresu, podpisał on ustawę National Aeronautics and Space Act, która utworzyła Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Cywilna agencja kosmiczna, oparta o wcześniejszą Narodową Radę Doradczą ds. Aeronautyki (NACA) i jej laboratoria, a także inne organizacje powiązane z kosmosem, funkcjonujące wewnątrz struktur Departamentu Obrony, rozpoczęła działalność w dniu 1 października 1958 roku. Sześć dni później uruchomiła swój pierwszy program „człowiek-w-kosmosie” – Projekt Merkury.

{module [346]}

Jednakże przyszłość NASA nadal jawiła się w czarnych barwach, ponieważ Eisenhower robił co mógł by ograniczyć rozmowy na temat kosztownych programów eksploracji przestrzeni kosmicznej. Zarówno on jak i jego pracownicy byli szczególnie krytyczni wobec wezwań do przeprowadzenia załogowych misji księżycowych. Nie zniechęciło to jednak inżynierów NASA do planowania takich wypraw.

Na dziesiątym Kongresie Międzynarodowej Federacji Astronautycznej w Londynie (31 sierpnia – 5 września 1959), inżynierowie NASA Milton Rosen oraz F. Carl Schwenk opisali misję opartą o Bezpośrednie Wznoszenie (Direct Ascent), którą nazywali „najprostszą metodą operacyjną” dla załogowego lotu na Księżyc. Rosen, były dyrektor techniczny projektu Vanguard, w październiku 1958 roku został dyrektorem działu Rakiet Nośnych i Napędów w Biurze NASA ds. Załogowych Lotów Kosmicznych. Schwenk został pracownikiem NASA kiedy Centrum Badawcze Lewisa (Lewis Research Center) znajdujące się w Cleveland (Ohio) i jednocześnie wieloletnie laboratorium NACA, weszło w skład ośrodków badawczych NASA.

Obaj inżynierowie stwierdzili na Kongresie IAF, że wiele osób w Stanach Zjednoczonych, pracujących w dziedzinie przestrzeni kosmicznej, przewidywało więcej niż dekadę coraz bardziej złożonych, lunarnych misji robotycznych nim możliwa będzie pierwsza próba wysłania załogowej wyprawy. Nazywali tę politykę „wpierw urządzenia – później ludzie”. Wysłane sondy dokonywałyby twardego lądowania na tajemniczej powierzchni Księżyca aby zbadać poziom promieniowania i być może przesłać pewną liczbę zdjęć, a następnie orbitery wykonałyby mapowanie powierzchni z dużą dokładnością, aby umożliwić inżynierom i naukowcom wybór odpowiedniego miejsca dla automatycznych pojazdów lądujących w sposób miękki. Te z początku pozostałyby na miejscu przyziemienia, lecz później zaczęłyby przemieszczać się po powierzchni. Dopiero po osiągnięciu tego etapu NASA mogłaby rozważyć podjęcie misji polegającej na wysłaniu ludzi na Księżyc.

Rosen i Schwenk twierdzili, że „moglibyśmy dowiedzieć się znacznie więcej we wcześniejszym terminie dzięki śmiałemu i bardziej bezpośredniemu podejściu do załogowej eksploracji Księżyca”. To jednak, jak przyznali, pociągałoby za sobą zwiększone ryzyko dla życia ludzkiego. Zauważyli jednak, że zbudowanie robotów, które mogłyby powielić możliwości eksploracyjne załogi ludzkiej byłoby niezwykle kosztowne i być może niemożliwe. Powiedzieli swojej publiczności zebranej na IAF, że eksploracja Księżyca przez ludzi we wcześniejszym okresie ma większy sens ekonomiczny, niż badania przeprowadzone później, po długiej i kosztownej serii misji przeprowadzonych przez roboty.

Aby umożliwić lot ich misji typu Direct Ascent, Rosen i Schwenk założyli istnienie wysokiej na 67 metrów rakiety Nova złożonej z pięciu stopni. Pierwszy, mierzący 13.5 lub 14.5 metra średnicy (w ich opracowaniach pojawiały się obie te liczby), zawierałby zespół siedmiu cylindrycznych zbiorników materiałów pędnych o średnicy 4.8 metra każdy. Zbiorniki posłużyłyby do przechowywania paliwa (nafty) oraz utleniacza (ciekłego tlenu) dla sześciu silników rakietowych F-1 o ciągu 680 ton każdy, dających łącznie niemal 4100 ton ciągu. W momencie zapłonu silników pierwszego stopnia, rakieta Nova w misji Rosena i Schwenka posiadałaby masę 3039 ton.

Obaj przewidywali start swojej rakiety z wyspy położonej w rejonie równikowym Pacyfiku, aby uniknąć koniecznych zmian w płaszczyźnie orbity oraz ograniczeń czasowych związanych z lokalizacjami znajdującymi się z dala od równika. Silniki pierwszego stopnia pracowałyby przez 135 sekund, wynosząc rakietę na wysokość 56 kilometrów. Następnie wyłączyłyby się, stopień by się oddzielił, wyrzucił spadochron i opadł do morza, gdzie byłby odzyskany i przystosowany do ponownego użycia.

Drugi stopień miał być wyposażony w cztery zbiorniki o średnicy blisko 5 metrów każdy, zawierające naftę i ciekły tlen dla pojedynczego silnika F-1. Zostałby on uruchomiony natychmiast po odłączeniu pierwszego stopnia i działałby przez 177 sekund, zwiększając prędkość rakiety do 4.81 kilometra na sekundę. Następnie, po osiągnięciu wysokości 241.1 kilometra uruchomiono by trzeci stopień rakiety o budowie zbliżonej do drugiego, który posiadałby silniki o ciągu 68 ton. Rosen i Schwenk nie określili typu silnika trzeciego stopnia, choć prawdopodobnym kandydatem był silnik H-1. Silniki spalałyby „wysokoenergetyczny” ciekły wodór i ciekły tlen aby wprowadzić czwarty stopień, piąty stopień oraz dwuosobową kapsułę – łącznie tworzące księżycowy pojazd kosmiczny – na bezpośrednią, 60-godzinną trajektorię prowadzącą na Księżyc.

Czwarty stopień rakiety Nova – stopień lądownika księżycowego – użyłby swoich wysokoenergetycznych materiałów pędnych oraz czterech silników o regularnym ciągu do wykonania „manewru lądowania” pod koniec trwania 60-godzinnej podróży z Ziemi. Przenosząc kapsułę załogi oraz piąty stopień, pojazd wylądowałby na czterech płaskich podporach o rozpiętości 12 metrów.

Rosen i Schwenk opisali kapsułę załogową swojej misji Direct Ascent jako „powiększoną wersję pojazdu użytego w Projekcie Merkury”. Posiadałaby ona średnicę 3.6 metra przy podstawie i byłaby wysoka na 4.2 metra. W dolnej części zawierałaby siedzenia załogi, elementy sterowania oraz „składaną śluzę” zapewniającą możliwość zejścia na powierzchnię Księżyca. Mniejsza, górna część mieściłaby żywność, systemy generujące energię elektryczną, wyposażenie potrzebne do eksploracji oraz miejsce do pracy.

Pojedynczy silnik rakietowy na smukłym, piątym stopniu – elemencie powrotnym lądownika – spalałby naftę oraz ciekły tlen. Stopień zajmowałby miejsce w centrum czwartego stopnia, co zapewniłoby mu bezpieczeństwo przed meteoroidami oraz zmianami temperatury, których spodziewano się na Księżycu. Piąty stopień łączyłby się ze środkową częścią osłony termicznej kapsuły załogowej, posiadającą kształt misy.

Rosen i Schwenk nie opisali 12-dniowej misji na powierzchni; napisali jednak, że „będzie ona lepiej opisana przez tych, którzy przez lata spekulowali o właściwościach księżycowej skorupy”. Gdy nadszedłby czas opuszczenia Srebrnego Globu, astronauci uruchomiliby silnik rakietowy piątego stopnia, który pracując przez 220 sekund skierowałby kapsułę z załogą na 60-godzinną trajektorię wiodącą na Ziemię.

Po zbliżeniu się do Ziemi załoga odrzuciłaby zużyty piąty stopień i ostrożnie zmieniłaby ustawienie swojej kapsuły, przygotowując ją do wejścia w atmosferę. Na wysokości około 9 kilometrów kapsuła wyrzuciłaby pojedynczy spadochron, na którym opadłaby spokojnie do momentu wodowania na morzu.

Każda misja księżycowa Rosena i Schwenka wykorzystywałaby dwa identyczne lądowniki wynoszone za pomocą rakiet Nova. Pierwszy, pozbawiony załogi, osiadłby na Księżycu aby zapewnić możliwość powrotu załodze w przypadku wystąpienia problemów z drugim, załogowym pojazdem. Oba statki kosmiczne wykonałyby lądowanie wykorzystując sygnał naprowadzający pochodzący z bezzałogowego urządzenia, które znalazłby się na miejscu jako pierwsze.

Autorzy przyznali, że metoda Direct Ascent nie była jedyną możliwością przeprowadzenia załogowej misji księżycowej. Rakiety Saturn, będące w tym czasie w fazie rozwoju mogłyby – jak napisali – w teorii posłużyć do wyniesienia części oraz paliwa na orbitę Ziemi, gdzie zostałyby one zmontowane w stopień umożliwiający lot na Księżyc oraz pojazd lądujący na jego powierzchni, podobny do ich własnej koncepcji. Oszacowali oni jednak, że każde załogowe lądowanie księżycowe wymagałoby ośmiu udanych startów rakiet Saturn oraz dodatkowo wysyłanych załóg, które dokonałaby właściwego montażu na orbicie Ziemi. Dodatkowy lot testowy przed misją załogową wymagałby kolejnych ośmiu udanych startów. Gdyby zadecydowano o konieczności wysłania awaryjnego pojazdu powrotnego, wtedy całkowita liczba udanych startów rakiet Saturn dla pojedynczej misji księżycowej wzrosłaby do 24.

Rosen i Schwenk ocenili tę liczbę jako niepraktyczną. Uznali jednak, że loty orbitalne, w tym polegające na montażu na orbicie Ziemi, mogą być połączone z lotem Direct Ascent w niektórych projektach kosmicznych – na przykład gdyby doprowadzono do budowy bazy księżycowej. W takim przypadku, montaż na orbicie mógłby zostać wykorzystany do wysyłania załóg, a metoda Direct Ascent do wysyłania ładunków. Podejście to było zresztą sugerowane przez U.S. Army w czerwcu 1959 roku w ramach raportu Projektu Horyzont (Project Horizon), który wzywał do ustanowienia księżycowego „fortu” w 1966 roku.

Dwóch inżynierów NASA zakończyło swoją pracę na promocji osiągnięć rakietowych systemów napędowych z roku 1959 oraz oszacowania możliwości (przynajmniej w zakresie inżynierii napędów) rozpoczęcia wysyłania ludzi na Księżyc.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:
“A Rocket for Manned Lunar Exploration,” Milton W. Rosen and F. Carl Schwenk; paper presented at the 10th International Astronautical Federation Congress in London, U.K., August 31-September 5, 1959.

NASA’s Origins and the Dawn of the Space Age, Monographs in Aerospace History #10, David S. F. Portree, NASA History Division, Washington, D.C., September 1998.

Rakieta kosmiczna Nova w projekcie Direct Ascent Rosena i Schwenka (NASA)

Porównanie silników przeznaczonych dla amerykańskiego programu załogowego (NASA)

Share.

Comments are closed.