W lipcu 1968 roku, należący do NASA Apollo Applications Program (AAP) został poddany kolejnym cięciom budżetowym. Pomimo wyraźnego znaku, że ambitne projekty przypadające na okres po zakończeniu lotów Apollo miały niewielkie szanse realizacji, NASA kontynuowała swoje plany przyszłej stacji kosmicznej, która miała być umieszczona na orbicie za pomocą rakiety Saturn V i umożliwiać przebywanie na jej pokładzie załogi złożonej z sześciu do dziewięciu astronautów. Stacji, która umożliwiałaby przeprowadzanie eksperymentów naukowych z wielu różnych dyscyplin nauki. NASA planowała także nowy pojazd kosmiczny, aby móc transportować załogi i ładunek do projektowanego kompleksu orbitalnego w sposób bardziej ekonomiczny. Powszechnie oczekiwano, że pojazd ten przyjmie formę wehikułu wielokrotnego użytku, posiadającego skrzydła lub kadłub nośny.
W obliczu redukcji finansowania, część inżynierów zaproponowała niskobudżetowe alternatywy dla koncepcji stacji kosmicznej. Przykładowo inżynierowie firmy Bellcomm E. Marion i J. Schelke przedstawili 23 lipca 1968 roku koncepcję wykorzystującą rakiety Tytan III-M, które miałyby zostać użyte do wyniesienia na orbitę czterech „wyspecjalizowanych” stacji kosmicznych zamiast zaproponowanej przez NASA pojedynczej konstrukcji wielorakiego zastosowania. W owym czasie rakieta Tytan III-M była w fazie rozwoju na potrzeby stacji kosmicznej MOL (Manned Orbiting Laboratory), opracowywanej do użycia przez USAF (sił powietrznych USA), która w większości opierała się na technologii programu Gemini.
W planie przedstawionym przez Mariona i Schelke, zmodyfikowany pojazd Gemini miał zostać wystrzelony na szczycie dwupoziomowej stacji kosmicznej długiej na 5.18 metra oraz posiadającej średnicę 4.57 metra, wynosząc tym samym dwuosobową załogę na orbitę okołoziemską. Sposobem na dostarczanie zapasów na pokład stacji miało być wykorzystanie bezzałogowego pojazdu opartego o system Atlas-Agena, wykorzystywany w programie Gemini jako cel dla ćwiczeń manewrów zbliżania i dokowania. Ten sam pojazd miał także zabierać z pokładu stacji materiały, które planowano przesłać na Ziemię – na przykład poddane ekspozycji błony fotograficzne.
Autorzy cytowali również fragmenty studium przeprowadzonego w kwietniu 1968 roku, które sugerowało, że zaproponowana przez NASA duża stacja kosmiczna nie uniknie opóźnień w budowie z powodu swojego złożonego programu eksperymentów z wielu dyscyplin nauki i ten sam los spotka także budowany na jej potrzeby pojazd kosmiczny. Spowodowałoby to, że jej misja przypadłby na połowę lat 70-tych – znacznie później niż zakończenie programu AAP. Studium wykazało, że program przeprowadzenia różnorodnych eksperymentów możliwych do przeprowadzenia na pokładzie dużej stacji kosmicznej spowodowałby także wywołanie wielu konfliktów dotyczących ich wymagań – przykładowo część eksperymentów wymagałaby niskiej orbity okołoziemskiej, inne wysokiej, pewna liczba potrzebowałaby orbity o wysokiej inklinacji, dzięki której kompleks przelatywałby w pobliżu biegunów, podczas gdy inne wymagały by stacja orbitowała w pobliżu równika.
Co więcej, stacja kosmiczna wynoszona za pomocą ciężkiej rakiety Saturn-V prawdopodobnie nie mogłaby pełnić roli stricte wojskowej, ponieważ umieszczenie jej na korzystnej z punktu widzenia obserwacji Ziemi, niskiej orbicie polarnej oznaczałoby, że zużyty pierwszy stopień tej rakiety – S-IC – spadłby na Kubę (w przypadku startów w kierunku południowym) lub na Nowy Jork (w przypadku startów w kierunku północnym).
Marion i Schelke założyli, że „najważniejszym zadaniem” ich programu stacji kosmicznych byłoby „uzyskanie doświadczenia w długoterminowych, kosmicznych lotach załogowych”, choć pospiesznie dodali, że „doświadczenie to nie może samo w sobie uzasadnić całego programu” – innymi słowy, aby stacja kosmiczna była „warta” budowy, konieczne byłoby przeprowadzanie na jej pokładzie dodatkowych eksperymentów. Aby odpowiedzieć na to zapotrzebowanie, zaproponowali cztery misje „podstawowe”, z czego każda zawierała w sobie eksperyment „Man-in-Space” oraz przynajmniej jeden dodatkowy o innej specjalności.
Misja 1, którą nazwali misją „Earth-Looking/Man-in-Space/Biology”, rozpoczęłaby się w połowie 1974 roku. Wymagałaby dwóch startów załogowych rakiety Tytan III-M na orbitę o wysokości 231 kilometrów, o inklinacji wynoszącej 60° w stosunku do równika – orbicie świetnie odpowiadającej na wymagania dotyczące obserwacji Ziemi. Pojedyncza rakieta Tytan III-M była zdolna do wyniesienia na orbitę Misji 1 do 16329 kilogramów ładunku. W każdym z zaplanowanych lotów na ładunek składałby się zmodyfikowany pojazd Gemini o wadze 3084 kilogramów oraz dwupoziomowy moduł stacji orbitalnej. Co ciekawe, moduł ten posiadałby większą średnicę niż sam główny stopień rakiety Tytan III-M* na którym miałby odbyć lot – jego średnica miała wynosić około 4.5 metra średnicy, podczas gdy Tytan tylko około 3 metry (właśnie takie rozmiary posiadał ostatecznie projekt MOL). Oba kompleksy modułów orbitalnych/kapsuł Gemini spotkałyby się na orbicie i połączyły ze sobą końcami, w wyniku czego pojazdy Gemini znalazłyby się na przeciwległych jego końcach – w ten sposób utworzyłyby tym samym stację kosmiczną Misji 1.
Pierwszy moduł Misji 1, ważąca 9616 kilogramów Control Cabin, zawierałaby urządzenia do łączności oraz system nawigacji i sterowania (guidance & control – GC). System GC zawierałby zestaw żyroskopów do określania położenia w przestrzeni oraz silniczki rakietowe wraz ze zbiornikami przechowującymi 1179 kilogramów paliwa, koniecznego do „utrzymywania orbity”. Moduł zawierałby także przestrzeń mieszkalną dla dwuosobowej załogi, która odbyłaby lot na orbitę w podłączonej do niego kapsule Gemini, a także 1133 kilogramowy zestaw instrumentów służących do obserwacji Ziemi, zwiększając tym samym całkowitą masę ładunku do 15149 kilogramów, pozostawiając zatem margines 1315 kilogramów dostępnych na rakiecie Tytan III-M.
Po osiągnięciu orbity, załoga otworzyłaby właz umieszczony w dole kapsuły, po czym przedostałaby się przez otwór w osłonie termicznej pojazdu Gemini na górny pokład Control Cabin. Tam dokonaliby uruchomienia układów pokładowych, włącznie z generatorem izotopowym z cyklem Braytona (B/I generator) zasilającym moduł w energię elektryczną. Marion i Schelke byli zwolennikami nuklearnego źródła zasilania, ponieważ wyeliminowałoby ono opór atmosferyczny oraz ograniczenia w orientacji przestrzennej stacji, spowodowane zastosowaniem rozkładanych skrzydeł o dużej powierzchni, wyposażonych w ogniwa fotowoltaiczne.
Autorzy ocenili, że trzy-kilowatowy system B/I dla pojedynczego modułu stacji posiadałby masę około 1091 kilogramów wraz z częściami zamiennymi – ekwiwalent dla stacji wielomodułowej posiadałby masę tylko 964 kilogramów, ponieważ mógłby się obyć bez części zapasowych (było to uzasadnione możliwością wykorzystania energii elektrycznej z innego modułu lub modułów na zasadzie zasilania awaryjnego). W przypadku zastosowania systemu B/I o mocy 5 kilowatów masa urządzenia wynosiłaby odpowiednio 1519 kilogramów dla stacji zaproponowanej przez Marion i Schelke oraz 1474 kilogramów dla dużej stacji ogólnego zastosowania.
Drugi moduł Misji 1, ważąca 8300 kilogramów Experiment Cabin, zostałby wystrzelony miesiąc po Control Cabin. Jeden pokład tego modułu zawierałby 3946 kilogramów instrumentów koniecznych do przeprowadzenia eksperymentów z zakresu Man-in-Space oraz Biologii, podczas gdy drugi pokład byłby przeznaczony dla dwóch astronautów, którzy przybyliby w zmodyfikowanej kapsule Gemini wraz z modułem. Całkowita masa przy starcie wyniosłaby 15331 kilogramów, pozostawiając margines 998 kilogramów.
Misja 1 trwałaby dłużej niż dwa lata. Dziewięćdziesiąt dni po tym jak Control Cabin osiągnąłby orbitę, pierwszy pojazd zaopatrzeniowy oparty o konstrukcję Atlas-Agena znalazłby się w pobliżu stacji kosmicznej. Załoga pilotowałaby go zdalnie do jednego z dwóch węzłów cumowniczych, umieszczonych na po bokach Control Cabin. Następnie przetoczyliby 1315 kilogramów paliwa z pojazdu zaopatrzeniowego do systemu napędowego Control Cabin, służącego do stabilizacji orbity, a następnie odrzucili system napędowy Atlas-Agena, pozostawiając kapsułę połączoną ze stacją wraz z kratownicowym systemem cumowniczym.
Załoga następnie przeniosłaby blisko 590 kilogramów materiałów zaopatrzeniowych z kapsuły, umieściła na pokładzie wyniki eksperymentów, by w końcu zamknąć i odrzucić ją od stacji. Kapsuła po uwolnieniu uruchomiłaby swoje niewielkie silniki rakietowe na paliwo stałe by zmniejszyć swoją prędkość schodząc tym samym z orbity, by następnie wejść w atmosferę Ziemi i wylądować w miejscu umożliwiającym jej odzyskanie. W międzyczasie astronauci odrzuciliby zbędną już infrastrukturę cumowniczą. Loty zaopatrzeniowe Atlas-Agena miałyby miejsce co 90 dni, podczas całego okresu funkcjonowania stacji kosmicznej.
Nadrzędnym celem w programie stacji kosmicznej Marion i Schelke byłoby utrzymanie dwóch ludzi w stanie nieważkości przez okres 730 dni (24 miesięcy) w ramach przygotowań do przyszłych długotrwałych misji kosmicznych (na przykład podróży na Marsa). Założyli, że astronauci zachowają sprawność na orbicie przez okres do 60 dni w ramach AAP, a zatem, że możliwe będzie dwukrotne wydłużenie tego czasu wraz z rozpoczęciem działalności Załogi 1 Misji 1, oraz, że astronauci, którzy powrócą na Ziemię będą musieli przejść 30-dniowe badania lekarskie przed uzyskaniem pozwolenia na dalszy pobyt na stacji kosmicznej.
Inżynierowie Bellcomm sprawdzili kilka rozwiązań umożliwiających osiągnięcie celu, jakim był 730-dniowy pobyt astronautów na orbicie. W jednym z przypadków, dwuosobowa załoga wysłana wraz z Control Cabin (Załoga 1 Misji 1) pozostałaby na orbicie przez okres 120 dni, a następnie powróciła na Ziemię by poddać się 30-dniowym badaniom lekarskim. Dwóch astronautów (Załoga 3 Misji 1) miałoby zając ich miejsce dzięki zacumowaniu do stacji za pośrednictwem zmodyfikowanej kapsuły Gemini, wystrzelonej za pomocą zespołu rakietowego Gemini-Tytan. Po pomyślnym przejściu badań lekarskich przez pierwszą załogę wydałoby pozwolenie astronautom, którzy odbyli lot wraz z Experiment Cabin (Załoga 2 Misji 1) i aktualnie znajdowaliby się na orbicie przez 120 dni na pozostanie na stacji przez dwukrotnie dłuższy czas, wydłużając zatem ich pobyt do 240 dni.
W międzyczasie rozpoczęłaby się Misja 2 – „Astronomy/Advanced Technologies/Man-in-Space”. Pierwszy z trzech modułów tworzących kompleks stacji Misji 2 – Control Cabin – zostałby umieszczony na orbicie kołowej o wysokości 370 kilometrów, przy inklinacji 28° około 60 dni po rozpoczęciu Misji 1. Rakieta Tytan III-M byłaby zdolna do umieszczenia do 16102 kilogramów na orbicie o takich parametrach. Moduł ważący nieco ponad 9.5 tony zabierałby 1860 kilogramów eksperymentów technologicznych, a także około 590 kilogramów materiałów pędnych. Wraz ze zmodyfikowanym pojazdem Gemini masa całego ładunku wyniosła 15694 kilogramów, pozostawiając zatem margines 952 kilogramów dostępnych na rakiecie.
Drugi moduł o masie 8,3 tony – Experiment Cabin – zabrałaby ponad 1800 kilogramów materiałów dla doświadczeń w ramach programu „Man-in-Space” oraz 2495 kilogramów materiałów dla eksperymentów z zakresu podtrzymywania życia. Moduł wystartowałby tuż po tym jak Control Cabin opuściłaby wyrzutnie wraz z astronautami Misji 2 – stałoby się to możliwe dzięki wybudowaniu na Przylądku Kennedy’ego drugiego stanowiska startowego dla rakiety Tytan III-M specjalnie pod kątem programu stacji kosmicznych projektu Marion i Schelke. Masa całego zestawu na rakiecie wyniosłaby łącznie 15694 kilogramów, pozostawiając niewielki margines 408 kilogramów. Moduły Misji 2 zacumowałyby do siebie na orbicie, tworząc tym samym drugą stację kosmiczną o czteroosobowej załodze, zewnętrznie bardzo podobnej do pierwszej.
Miesiąc lub dwa później – po naprawie jednej z dwóch wyrzutni rakiet Tytan III-M – NASA miała wystrzelić trzecią rakietę tego typu, tym razem wynoszącą nowy typ modułu nazwanego Experiment Shell. Byłby to uproszczony moduł o wadze 5488 kilogramów, którego ładunkiem byłoby 8255 kilogramów instrumentów astronomicznych, wystrzelony bez załogi i co za tym idzie zmodyfikowanej kapsuły Gemini. Masa wynoszonego ładunku wyniosłaby zatem 13744 kilogramy – margines wyniósłby więc w tym przypadku 2359 kilogramów. Przed przybyciem modułu załoga Experiment Cabin (Załoga 2 Misji 2) dokonałaby przestawienia swojej kapsuły Gemini na jeden z portów cumowniczych umieszczonych z boku modułu, aby zwolnić tym samym węzeł na jednym z końców stacji, gdzie zacumować miał nowy element. Następnie załoga odrzuciłaby osłonę chroniącą zestaw teleskopów Experiment Shell, umożliwiając im rozpoczęcie pracy.
Załoga 2 Misji 1 powróciłaby na Ziemię po 240 dniach (dziewięciu miesiącach) pobytu na orbicie, by następnie przejść 30-dniowe badania lekarskie. Gdyby ich wyniki były zadowalające, wtedy wydałoby pozwolenie pierwszej, dwuosobowej załodze Misji 2 (Załodze 1 Misji 2), przebywającej w tym czasie na stacji już przez okres siedmiu miesięcy na dalsze pozostanie do uzyskania łącznego czasu na orbicie równego 480 dniom (18 miesiącom). W międzyczasie załogę pierwszej stacji uzupełniłaby dwójka kolejnych astronautów (Załoga 4 Misji 1), która przybyłaby na pokładzie zmodyfikowanej kapsuły Gemini aby zastąpić Załogę 2 Misji 1.
Po 480-dniowym pobycie na orbicie, Załoga 1 Misji 2 powróciłaby na Ziemię, aby przejść trwające miesiąc badania lekarskie. Zastąpiłaby ją Załoga 3 Misji 2, ostatnia, która odbyłaby lot na czteroosobowa stację kosmiczną. Zakładając, że Załoga 1 Misji 2 przeszłaby badania lekarskie z wynikiem pozytywnym, wtedy dwójka, która znalazła się na pokładzie wraz z Experiment Cabin Misji 2 (Załoga 2 Misji 2) otrzymałaby pozwolenie na pozostanie na orbicie przez pełny okres 730 dni (24 miesięcy). Wypełniliby tym samym cel główny programu po upływie 26 miesięcy od jego rozpoczęcia.
Tymczasem czwórka astronautów na pokładzie stacji Misji 1 powróciłaby na Ziemię w tym samym czasie, wykorzystując obie kapsuły Gemini. Załoga 3 Misji 1, która zastąpiła Załogę 1 powróciłaby po osiągnięciu 600 dni na orbicie, podczas gdy Załoga 4, wysłana w celu zmiany Załogi 2 – 450 dni. Następnie stacja kosmiczna Misji 1 zostałaby usunięta z orbity, ponieważ przekroczyłaby dopuszczalny okres funkcjonowania na jaki była zaprojektowana.
Dwa miesiące później, Załoga 3 Misji 2, która zmieniła Załogę 1, powróciłaby na Ziemie po zaliczeniu podobnego czasu jak Załoga 2 Misji 2, powracająca po spędzeniu 240 dni w kosmosie. Następnie pusta już stacja Misji 2 została by zdeorbitowana z powodu przekroczenia zaprojektowanego okresu jej funkcjonowania.
Nie oznaczało to jednak, że wraz z zakończeniem działalności drugiej stacji kosmicznej, NASA zakończy prace tego typu na orbicie. Marion i Schelke przedstawili także mniej szczegółowa koncepcję Misji 3, którą nazwali „Physical Sciences/Man-in-Space”. Początek wyprawy miałby miejsce w trzecim kwartale 1975 roku wraz ze startem zmodyfikowanej kapsuły Gemini wraz z dwoma astronautami, znajdującej się na szczycie ważącej 9616 kilogramów Control Cabin, przenoszącej 1814 kilogramów eksperymentów z zakresu „Man-in-Space” oraz 590 kilogramów materiałów pędnych. Kompletny zestaw ładunku trzeciej misji posiadałby masę 15105 kilogramów i ponieważ Tytan III-M byłby zdolny do wyniesienia 16103 kilogramów na planowaną orbitę, margines ładunku wyniósłby około 998 kilogramów. Autorzy nie wspomnieli jednak o rotacji załóg w trakcie tej misji – astronauci najwyraźniej pozostaliby na pokładzie aż do trzeciego kwartału roku 1977, przy czym czas ich pobytu byłby stopniowo wydłużany wraz z pozytywną realizacją celów poprzednich misji.
Miesiąc po osiągnięciu orbity przez zmodyfikowaną kapsułę Gemini, załogę oraz Control Cabin Misji 3, do stacji przybyłby kolejny moduł – Experiment Shell – zawierający 6350 kilogramów eksperymentów z zakresu “Physical Sciences”. Ponieważ zestaw łącznie ważyłby około 12837 kilogramów, margines w tym wypadku wynosiłby 3266 kilogramów. Dwa miesiące później pojawiłby się następny pojazd – tym razem zaopatrzeniowy, oparty o system Atlas-Agena, który zostałby pilotowany zdalnie i w ten sposób zacumowany do stacji. Po przeniesieniu ładunku oraz przetoczeniu paliwa, astronauci zgromadziliby w jego kapsule powrotnej pierwsze próbki i wyniki swoich eksperymentów, które miałyby powrócić na Ziemię.
Marion i Schelke zauważyli, że program naukowy Misji 3 nie był zależny od orbity (jak sami napisali orbita ta mogła być „dowolna”). Wybrali zatem 370 kilometrową orbitę kołową o inklinacji 28° w stosunku do równika Ziemi. Stosunkowo wysoka orbita oznaczałaby zmniejszenie ilości wymaganego paliwa, koniecznego do utrzymania tej orbity, podczas gdy 28° inklinacja była najkorzystniejsza z punktu widzenia wyrzutni umieszczonej na Przylądku Kennedy’ego, znajdującej się na 28° szerokości geograficznej północnej.
Inżynierowie Bellcomm nie zawarli w projekcie Misji 4, podobnej w założeniach do planowanej dla MOL „Misji wojskowej”. Uzasadnili to stwierdzeniem, że „przez dekret” Sił Powietrznych USA, Misja Wojskowa wymagałaby tylko pojedynczego startu. Tytan III-M wysłałby na orbitę Control Cabin wraz z przyłączonym zmodyfikowanym, dwuosobowym pojazdem kosmicznym Gemini na kołową orbitę polarną o inklinacji 90° i wysokości 185 kilometrów. Dzięki temu stacja dokonywałaby przelotu nad oboma biegunami podczas każdej orbity, umożliwiając obserwację całego globu w przeciągu 24 godzin. Inżynierowie Bellcomm wyobrażali sobie, że misja taka mogła potrwać od dwóch do czterech miesięcy.
Marion i Schelke załączyli rozkład kosztów i plan wydatków dla swojego programu. W 1969 roku – pierwszego roku jego działania – NASA wydałaby 29 milionów dolarów na rozpoczęcie opracowywania i rozwoju sprzętu mającego znaleźć w nim zastosowanie. Kolejnego roku, wydałoby 42 miliony dolarów na rozpoczęcie budowy modułu stacji. Początek budowy nowego stanowiska startowego dla rakiety Tytan III-M miałby mieć miejsce w 1971 roku. W tym samym roku, NASA wydałaby 64 miliony dolarów na rozpoczęcie budowy zmodyfikowanej kapsuły Gemini. W 1972 roku – szczytowym pod względem wydatków – NASA wydałaby 787 milionów dolarów, co zwiększyłoby koszta całkowite do poziomu 1.361 miliarda dolarów.
Z kolei 1973 rok byłby szczytowy pod względem wydatków na rozwój modułu stacji kosmicznej (396 milionów dolarów); tego samego roku NASA zakończyłaby budowę nowej wyrzutni startowej dla rakiety Tytan III-M, oraz modyfikacje na istniejącym kompleksie wyrzutni LC-41 Tytana III. Starty rakiet Tytan III-M w 1974 i 1975 roku kosztowałyby w sumie 48 milionów dolarów. Ostatecznie NASA wydałaby 2.559 miliarda dolarów pomiędzy 1969 a 1977 rokiem na wysłanie czterech wyspecjalizowanych stacji kosmicznych.
David S.F. Portree
Beyond Apollo blog
Na podstawie:
A Titan-IIIM Launched Space Station Program – Case 710, E. Marion and J. Schelke, Bellcomm, Inc., July 23, 1968.
* rakieta ta przypominała w koncepcji rakietę Ariane 5, posiadając stopień główny oraz dwie ciężkie rakiety pomocnicze na paliwo stałe.
