W tym miesiącu mija 40 lat od kolejnej załogowej wyprawy na Księżyc – misji Apollo-14. W ciągu najbliższych kilku dni przybliżymy historię wydarzeń jakie miały miejsce w styczniu i lutym roku 1971. Oto część trzecia w której opisujemy wydarzenia związane z lotem na Księżyc.
Najważniejszy czynnik – trajektoria
W porównaniu do wydarzeń jakie miały nastąpić, gdy Apollo-14 dotrze w pobliże Księżyca, lot w jego kierunku nie był jakoś szczególnie pracowitym okresem dla załogi. Mimo to jednym z najważniejszych zadań jakie czekały Sheparda, Mitchella i Roosa były korekty trajektorii, które miały zapewnić odpowiednie położenie statku w chwili wejścia na orbitę okołoksiężycową. Podczas pierwszych wypraw, w czasie misji Apollo-8, 10 i 11 stosowano tzw. trajektorię powrotu swobodnego. Jej wielką zaletą było duże bezpieczeństwo na wypadek awarii systemów napędowych statku. W przypadku nie możliwości wejścia na orbitę okołoksiężycową, jej parametry zapewniały bezpieczny powrót do atmosfery ziemskiej. Ze względu na chęć przeprowadzenia bardziej ambitnej eksploracji w dużo trudniejszych do lądowania rejonach Księżyca, powyższa bezpieczna trajektoria nie mogła być stosowana. Okazuje się, że zbiór rozwiązań możliwych kombinacji trajektorii powrotu swobodnego zawężały możliwe obszary eksploracji do rejonów równikowych.
Aby ominąć problemy wynikające ze stosowania trajektorii powrotu swobodnego, od misji Apollo-12 zaczęto kierować statki po torze odpowiadającym tzw. trajektorii hybrydowej. Polegała ona na tym, iż podczas drugiego odpalenia stopnia S-IVB statek wprowadzany był na tor, który zapewniał bezpieczny powrót na Ziemię. Po kilkudziesięciu godzinach następowało odpalenie korekcyjne, które zmieniało trajektorię w ten sposób, że statek Apollo mógł wejść na orbitę okołoksiężycową przy znaczniej bardziej korzystnych warunkach. Kosztem było oczywiście zmniejszenie bezpieczeństwa lotu. Ta nowa trajektoria wiodła wokół Księżyca, lecz nie kończyła się w wodach Pacyfiku. Statek minął by Ziemię w sporej odległości. W tym przypadku utrata możliwości manewrowych przez statki CMS/LM skutkowałaby niemożnością powrotu załogi bezpiecznie na Ziemię.
Aby Apollo-14 mógł bezpiecznie dotrzeć na Księżyc, niezbędne było przygotowanie manewrów korekcyjnych Midcourse Correction (MCC). Dla tej misji wstępnie zaplanowano ich cztery. Odpowiednio na +9h po wykonaniu odpalenia Trans lunar injection (TLI) MCC-1, w 33h misji MCC-2, oraz dwa MCC-3 i 4 odpowiednio na +22h i +5h od wejścia na orbitę okołoksiężycową. Najważniejszym z tych czterech był MCC-2, który miał spowodować zejście z orbity powrotu swobodnego.
Plan czterech manewrów korekcyjnych. Dla tych oznaczonych gwiazdką zmiana prędkości dla wykonywanego manewru miała zostać wyliczona w trakcie trwania misji po uwzględnieniu aktualnych parametrów trajektorii. Drugi manewr spowodował zejście z trajektorii powrotu swobodnego (NASA).
W drodze na Księżyc
Z pośród czterech możliwych odpaleń korekcyjnych wykonano tylko dwa – MCC-2 oraz MCC-4. Pierwsze miało miejsce w nocy 1/2 lutego, gdy zegar misji wskazywał T+30h36m. Manewr został wykonany przy pomocy silnika napędowego modułu serwisowego Service Propulsion System (SPS) statku “Kitty Hawk”. SPS napędzany był dwuskładnikowym paliwem hipergolowym. Oba składniki po zmieszaniu w komorze spalania ulegają samo-detonacji, produkując tym samym wymagany ciąg. Dzięki temu nie potrzebny jest układ zapłonowy mieszanki paliwowej. Upraszcza to konstrukcję i jednocześnie poprawia niezawodność silnika. Manewr MCC-2 trwał około 10s i zmienił prędkość statku o 71.4fps (21.8m/s).
Tuż po wykonaniu pierwszego udanego manewru korekcyjnego załoga przeprowadziła obserwację fotograficzną Ziemi oraz trzeciego stopnia S-IVB. Podążał on po trajektorii, która kończyła się impaktem o powierzchnię Księżyca. Rozpoczęto także przygotowania do użycia kamery do fotografii wybranych obszarów księżycowych tzw. Lunar Topographic Camera. Konstrukcja była oparta o lotniczą kamerą zwiadowczą KA-7A. W tym miejscu warto przytoczyć alternatywne scenariusze dla misji statków Apollo, które planowano na wypadek gdyby opuszczenie orbity okołoziemskiej okazało się niemożliwe. Część zadań, które mogły być wtedy wykonane, miała charakter militarny. Z tą ciekawą historią można zapoznać się m.in. w tych artykułach: link1, link2.
Przy pomocy Lunar Topographic Camera planowano wykonać dokumentację fotograficzną przyszłego miejsca lądowania misji Apollo-16 (Descartes) oraz innych ciekawych z naukowego punktu widzenia obszarów na powierzchni Księżyca. Kamera zaopatrzona była w 457mm-f/4 obiektyw. Posiadała również układ kompensujący ruch statku, co umożliwiało uzyskanie zdjęć bardzo dobrej jakości. Kamera montowana była we włazie modułu załogowego.
W dniu 3 lutego załoga rozpoczęła przygotowania do pierwszego wejścia do lądownika księżycowego. Otwarcie włazów oraz początek inspekcji i sprawdzania systemów lądownika rozpoczęto w 60h30m misji. Te pierwsze przygotowania lądownika do mającego wkrótce nastąpić lądowania trwały prawie 2h. W kolejnym dniu rozpoczęto wykonywanie procedur mających doprowadzić do ostatniego manewru korekcyjnego – MCC-4. Ostatniego, ponieważ podobnie jak MCC-1, także manewr MCC-3 nie okazał się wymagany. Ze względu na odpowiednio wysoką zmianę wartości prędkości, wynoszącą około 3.8fps (1.2m/s), celem oszczędności paliwa w silniczkach korekcyjnych RCS zdecydowano o ponownym użyciu silnika SPS. Ta wartość zmiany prędkości była odpowiednio wysoka, aby wykonać odpowiednio precyzyjne odpalenie przy pomocy tej jednostki napędowej. MCC-4 został przeprowadzony na kilka godzin przed wejściem na orbitę okołoksiężycową.
Uderzenie stopnia S-IVB o powierzchnię Księżyca
Na skutek problemów z mechanizmem dokującym, o którym wspominaliśmy w poprzedniej części artykułu, udało się przeprowadzić tylko jedno z dwóch zaplanowanych odpaleń korekcyjnych za pomocą silniczków systemu Auxillary Propulsion System (APS). Napęd APS składał się z dwóch zasobników umieszczonych w tylnej części członu S-IVB. Podczas działania silnika J-2 zapewniały kontrolę obrotu, natomiast w czasie lotu w kierunku Księżyca, także pozostałych osi obrotu. Niemniej istotną cechą APS-ów była możliwość wykonywania odpaleń np: celem korekt kursu. W konsekwencji każdy zasobnik posiadał po cztery silniczki: jeden SE 7-1 zaadaptowany z programu Gemini, oraz trzy TR-204.
Schemat budowy systemu napędowego APS wraz ze wszystkimi czterema silniczkami (NASA).
Uderzenie o powierzchnię Księżyca nastąpiło 4 lutego w T+82h37m53.4s w miejscu o współrzędnych 8.09 stopnia szerokości południowej, 26.02 stopnia długości zachodniej. Miejsce uderzenie zlokalizowane było 159mil (294km) od miejsca planowanego oraz 94mil (174km) od miejsca lądowania misji Apollo-12, gdzie znajdował się sejsmometr mierzący wstrząsy wywołane impaktem. Dane zarejestrowane przez sejsmometr pozwoliły przeanalizować strukturę wewnętrzną Księżyca. W 2009r. krater o średnicy około 35m powstały podczas uderzenia został sfotografowany przez kamerę wysokiej rozdzielczości Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC) sondy Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO).
Mapa pokazująca planowane przed misją miejsce uderzenia wraz z zaznaczonym obszarem z błędem obliczeń 3sigma (trzy odchylenia standardowe). Faktyczne miejsce impaktu zaznaczono kolorem czerwonym (NASA).
Zdjęcie wykonane przez sondę Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), ukazujące miejsce uderzenia członu S-IVB (NASA).
Wejście na orbitę okołoksiężycową
Na około czterdzieści minut przed zderzeniem S-IVB z powierzchnią Księżyca główny silnik statku “Kitty Hawk” rozpoczął manewr wejścia na orbitę okołoksiężycową tzw. Lunar Orbit Insertion (LOI). Zapłon silnika SPS nastąpił w T+81h56m40.7s. Odpalenie silnika trwało 370.8s i wprowadziło statki CSM/LM na eliptyczną orbitę okołoksiężycową o peryselium 58.4mil (108.2km) i aposelium 169.0mil (312.9km).
Na tej orbicie Apollo-14 znajdował się przez dwie pierwsze orbity. Następnie miał zostać przeprowadzony manewr Descent Orbit Insertion (DOI). Konsekwencją była nowa, mocno eliptyczną orbita, której najniższy punkt przebiega około 13-17km nad miejscem lądowania. W odróżnieniu od misji Apollo-11 i 12 nowa wersja manewru DOI była wykonywana przez silnik SPS. To z kolei było bardzo korzystne z punktu widzenia oszczędności paliwa lądownika księżycowego. Dlaczego? Otóż, we wcześniejszych misjach, DOI był przeprowadzany po odłączeniu od modułu załogowego przez silnik stopnia lądującego LM. Teraz kolejne załogowe wyprawy księżycowe mogły zabierać więcej wyposażenia oraz posiadały większe możliwości manewrowe podczas ostatniej fazy podejścia do lądowania.
Była jeszcze jedna bardzo istotna cecha dla której warto było stosować nową wersję manewru DOI. Bardzo ważne były dokładne pomiary tej nowej eliptycznej orbity przez stacje naziemne. To właśnie z tej orbity miało zostać zainicjowane ostateczne zejście do lądowania. Odpowiednio dokładne pomiary były więc niezbędne, aby zaktualizować dane dla komputera nawigacyjnego lądownika księżycowego. Ponieważ na nowej orbicie statki znajdowały się aż przez dwanaście orbit, to pomiar wektora położenia i prędkości statków mógł być wykonywany przez dłuższy czas. Dokładność tych pomiarów była ważna, jeśli wziąć pod uwagę trudny teren jakim był obszar Fra Mauro. Należy również podkreślić, że nowa wersja DOI miała po raz pierwszy zostać wykonana podczas misji Apollo-13.
Orbity okołoksiężycowe po manewrach LOI oraz DOI (NASA).
Załoga rozpoczęła manewr DOI w T+86h10m52.97s. Odpalenie silnikiem SPS trwało 20.8s i ustawiło statki “Kitty Hawk” i “Antares” na mocno eliptycznej orbicie o aposelium 58.8mil (108.9km) i peryselium 9.1mil (16.8km).
Na tym kończymy kolejny artykuł poświęcony misji Apollo-14. W kolejnej części skupimy się na najważniejszych wydarzeniach tej misji, jakimi były lądowanie oraz eksploracja rejonu Fra Mauro. Wcześniej opublikowane części są dostępne pod poniższymi linkami:
Apollo-14. Część druga: początek misji
Apollo-14. Część pierwsza: opis i przygotowania do misji
Źródło: NASA
