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. Część czwarta poświęcona jest lądowaniu oraz pierwszemu dniu eksploracji rejonu Fra Mauro.
5 luty 1971r.
5 lutego 1971r. statek Apollo-14 okrążał Księżyc po eliptycznej orbicie na którą wszedł dzięki manewrowi Descent Orbit Insertion (DOI). Ten dzień jest szczególnie ważny dla Sheparda i Mitchella. To właśnie ta dwójka wykorzystując lądownik księżycowy “Antares” podejmie próbę lądowania na Księżycu. W odróżnieniu od misji Apollo-11 i 12, które lądowały na niemal płaskich równinach, wybrane miejsce lądowania jest dużo bardziej wymagające. Apollo-14 wyląduje w trudnym górzystym obszarze będącym częścią wzgórz Fra Mauro.
Wydarzeniem poprzedzającym inicjalizację podejścia do lądowania jest separacja lądownika księżycowego od modułu załogowego. Ten drugi pojazd pozostanie na orbicie okołoksiężycowej, a znajdujący się w nim Stuart Roosa będzie wykonywał obserwacje fotograficzne Księżyca. W 101h20m misji Shepard i Mitchell przeszli do lądownika “Antares” i chwilę później rozpoczęli aktywację systemów statku. Około dwie godziny później oba statki były gotowe do rozłączenia. Separacja nastąpiła dokładnie w T+103h47m41.6s
Materiały filmowe z 16mm kamer umieszczonych w statkach CSM i LM. Pierwszy fragment przedstawia odłączenie lądownika “Antares” od modułu załogowego “Kitty Hawk”. W drugiej części widzimy ujęcia z analogicznej kamery zamontowanej przy oknie lądownika księżycowego.
Wkrótce po rozłączeniu obu statków Stuart Roosa, pozostający w module załogowym, zainicjował manewr mający na celu wejście na orbitę bardziej kołową, z której miał potem prowadzić obserwacje Księżyca. Odpalenie silnika SPS nastąpiło w T+105h11m46.1s jednak niemal 16s manewr trwał nieco za długo. Mimo natychmiastowego użycia silniczków korekcyjnych RCS do skorygowania tego odpalenia nowa orbita wyniosła 56.0mil (103.7km) x 63.9mil (118.3km) wobec planowanej 55.6mil (102.9km) x 63.3mil (117.2km).
Schemat przedstawiający orbity statków podczas separacji oraz rozpoczęcia fazy lądowania (NASA).
W tym czasie Shepard i Mitchell byli zajęci ostatnimi przygotowaniami do rozpoczęcia fazy zejścia do lądowania tzw. Power Descent Initiation (PDI). Wtedy to uruchomieniu ulegnie silnik stopnia lądującego, który spowoduje zmianę trajektorii statku tak, że kończyć się ona będzie w pobliżu miejsca lądowania. Sam przebieg lądowania podzielony jest na odpowiednie fazy opisane poniżej. Każda z nich kontrolowana jest przez oddzielny programu komputerowy będący częścią komputera nawigacyjnego.
Podstawowe fazy lądowania lądownika księżycowego LM (NASA).
- Hamowanie – ta faza rozpoczyna się w punkcie PDI około 240mil(~440km) od miejsca lądowania. Lądownik księżycowy znajduje się wtedy na wysokości około 15km. Ideą tej fazy jest zmniejszenie prędkości orbitalnej z około 1670m/s do około 210m/s. Wtedy lądownik powinien znajdować się mniej więcej 2.4km nad powierzchnią Księżyca w rejonie docelowego miejsca lądowania. Faza hamowania jest kontrolowana przez program P63.
- Podejście do lądowania – po zakończeniu fazy hamowania komputer nawigacyjny uruchamia program P64, który rozpoczyna fazę podejścia do lądowania. Podczas działania P64 nachylenie lądownika maleje tak, że astronauci widzą miejsce lądowania. Zarówno w fazie hamowania jak i podejścia specjalny algorytm analizuje aktualne położenie i na tej podstawia kontroluje ciąg silnika tak, aby końcowy punkt trajektorii znajdował się w określonym miejscu.
- Lądowanie – gdy lądownik znajdował się nad miejscem lądowania uruchamiany mógł być program P65, który wykonywał całkowicie automatyczne lądowanie. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że we wszystkich misjach w końcowej fazie lądowania załogi używały programu P66. Ta opcja lądowania umożliwiała pół-automatyczną kontrolę nad statkiem. Astronauci kontrolowali położenie oraz prędkość zniżania, natomiast komputer odpowiednio dopasowywał wartość ciągu silnika do poleceń załogi. Istniał jeszcze program P67, który umożliwiał przeprowadzenie lądowania w sposób całkowicie manualny. W tym wypadku rola automatyki sprowadzała się tylko do prezentowania odpowiednich informacji dla załogi m.in. prędkość zniżania, wysokość itp. Programy P65, P66 i P67 mogły być inicjowane podczas trwania programów P63,P64 i P65.
Podejście do lądowania – nieoczekiwane problemy
Nim załoga dotarła do punktu PID kontrola naziemna zauważyła dosyć poważny problem. Okazało się, że uszkodzeniu uległ przełącznik aktywujący procedurę przerywającą lądowanie. W konsekwencji komputer nawigacyjny otrzymywał sygnał o konieczności jej inicjalizacji. Najprawdopodobniej uszkodzony element przełącznika zwierał obwód elektryczny generujący fałszywy sygnał o “aborcie”. Gdyby to się stało podczas lądowania, komputer doprowadziłby do przerwania lądowania. W konsekwencji “Antares” nigdy nie wylądowałby na Księżycu, a załoga byłaby zmuszona powrócić na Ziemię nie wykonując głównego celu misji.
Wkrótce NASA oraz zespół z instytutu MIT, który to projektował komputer nawigacyjny, przystąpili do rozwiązania tego problemu. Był to chyba najbardziej stresujący okres dla specjalistów z MIT. Mieli jakieś 3-4 godziny na opracowanie sposobu, który niejako zamaskowałby nieporządany sygnał pochodzący z wadliwego przycisku. W dalszej kolejności rozwiązanie należało przetestować w zakładach producenta lądownika firmy Grumman oraz w NASA. Dopiero wtedy tak opracowane procedury mogły być przesłane załodze jeszcze przed rozpoczęciem odpalenia w punkcie PDI.
Komputer lądownika księżycowego LM Guidance Computer (LGC) w swoim oprogramowaniu zawierał rutynę, która co 1/4s sprawdzała czy przycisk “abortu” był wciśnięty. Odpowiadało to zmiennej (bitowi) nazwanej LETABORT. Gdy wartość wynosiła “1”, uruchamiany był w zależności od aktualnych czynników jeden z dwóch programów: P70 lub P71, które natychmiast przerywały lądowanie. Pierwszy przy użyciu silnika stopnia lądującego, natomiast drugi po dokonaniu separacji przy pomocy silnika stopnia wznoszącego. Najprostszym rozwiązaniem była oczywiście zmiana bitu LETABORT na wartość przeciwną, jednak to najprostsze rozwiązanie okazało się nieskuteczne. Podczas testów, gdy rozpoczynano symulowane odpalenie silnika stopnia lądującego, wartość zmiennej ponownie ulegała zmianie na “1”. Udało się temu zaradzić wykorzystując fakt, że algorytm sprawdzający stan flagi LETABORT, sprawdzał także jaki jest obecnie uruchomiony program. W przypadku wykrycia programów P70 lub P71, algorytm ulegał zatrzymaniu, uznając, że przerwanie lądowania już nastąpiło i nie było potrzeby, aby uruchamiać jeden z tych programów ponownie. Podobnie jak zmianę wartości bitu LETABORT, także i modyfikację bitów odpowiadających nazwie/numerowi programu, jaki w danej chwili funkcjonował, można było wykonać przy pomocy interfejsu komputera LGC. Była to prosta klawiatura zaopatrzona w cyfry i pewne klawisze specjalne. Oprócz tego pewne dane wejściowe jak i wyjściowe były prezentowane na wyświetlaczu. Ten interfejs użytkownika nazywano Display and Keyboard (DSKY).
Display and Keyboard (DSKY) był interfejsem użytkownika dla komputera nawigacyjnego lądownika księżycowego, LM Guidance Computer (LGC). Zdjęcie przedstawia konsolę DSKY, która znajdowała się pomiędzy astronautami w lądowniku księżycowym. To właśnie za pomocą DSKY załoga wprowadziła listę komend, dzięki którym sygnał o “aborcie” został przez komputer zignorowany (NASA).
Niestety powyższy pomysł nadal wymagał dopracowania. Okazało się bowiem, iż program pierwszej fazy lądowania P63 także sprawdza numer załadowanego programu. W przypadku wykrycia innego niż “63” numeru pojawiały się problemy z automatyczną kontrolą ustawienia ciągu w początkowej fazie hamowania. Ostatecznie i ten problem udało się obejść. Gotowa procedura rozwiązująca problem uszkodzonego przycisku wyglądała następująco:
- zgodnie z normalną procedurą zostanie uruchomiony program pierwszej fazy lądowania P63
- tuż przed odpaleniem silnika stopnia lądującego podmieniony zostanie numer działającego programu na “71”, tak aby oszukać algorytm inicjujący przerwanie lądowania
- ze względu na chwilowy brak kontroli ciągu przez faktycznie działający program P63 załoga ręcznie zwiększy ciąg silników do maksimum
- w końcu nieszczęsny bit LETABORT zostanie podmieniony na wartość zerową, wyłączając tym samym inicjalizację przerwania lądowania
- aby zachować poprawne działanie programu P63, w tym kontrolę nad nawigacją i ciągiem silnika, ponownie podmieniony zostanie numer działającego programu. Tym razem na właściwy “63”
- ostatnią czynnością będzie ręczne zmniejszenie ciągu do minimum, tak aby program P63 mógł przejąć kontrolę na ustawianiem ciągu
Trzecie lądowanie na Księżycu
Tak przygotowana do lądowania załoga zainicjowała program P63. Hamowanie silnikiem stopnia lądującego rozpoczęto w T+108h02m26.52s. Zgodnie z planem wykonano również powyższą listę czynności, mającą uniemożliwić komputerowi przerwanie lądowania. Jednak gdy “Antares” zbliżał się do powierzchni Księżyca zarówno załoga jak i kontrola naziemna coraz bardziej były zaniepokojone niewłaściwym działaniem radaru lądującego. Była to kolejna przeszkoda w udanym lądowaniu. Ostatecznie rozwiązano problem resetując ustawienie bezpiecznika odpowiadającego za ten układ. Jak wykazała późniejsza analiza, problem był spowodowany nową procedurą, mającą uratować misję przed niechcianym “abortem”. Zmiana nazwy działającego programu P63 na P71 w efekcie skutkowała także zmianą skalowania danych z radaru.
“Antares” coraz bardziej obniżał wysokość. W końcu dotarł do punktu trajektorii gdzie zakończeniu uległ program P63. Nowo uruchomiony P64 zmienia pochylenie statku tak, że załoga widzi miejsce lądowania znajdujące się niedaleko krateru Stożkowego (Cone crater). Komputer nawigacyjny wyświetla teraz dane dotyczące przewidywanego miejsca lądowania tzw. Landing Point Designator (LPD). Pod tą nazwą kryła się liczba wyświetlana na pulpicie kontrolnym lądownika i jednocześnie odpowiadająca wartości na skali umieszczonej na lewym oknie lądownika księżycowego. Shepard patrząc na daną wartość skali widział w ten sposób gdzie znajduje się aktualny punkt lądowania. Jeśli miejsce z jakichś powodów nie odpowiadało załodze mógł zmienić wartość LPD, tak aby lądownik kierował się w inny punkt lądowania.
Zdjęcie okna lądownika księżycowego wraz ze skalą odpowiadającą przewidywanemu miejscu lądowania (LPD). Warto zauważyć, że skala znajduje się na wewnętrznej jak i zewnętrznej stronie okna. Dowódca tak ustawiał pozycję aby widzieć dokładnie jedną skalę. Takie ustawienie zapewniało poprawność odczytu wartości LPD na tej skali (NASA).
Lądownik przelatuje na południe od krateru Stożkowego. Ten 300m krater będzie celem drugiego dnia eksploracji rejonu Fra Mauro. Załoga widzi także coraz lepiej miejsce lądowania, znajdujące się na zachód od kompleksu trzech niewielkich kraterów, nazwanych Triplet. Shepard steruje lądownikiem “Antares” tak, że przelatuje on nad północnym kraterem wchodzącym w skład tego kompleksu. Lądowanie następuje kilkadziesiąt metrów na zachód od kraterów Triplet niedaleko planowanego miejsca lądowania. Jedną z najważniejszych czynności wykonywanych przez załogę zaraz po wylądowaniu jest konfiguracja lądownika do natychmiastowego startu z powierzchni księżyca na wypadek gdyby doszło do jakiejś awaryjnej sytuacji.
Mapa przedstawiająca trajektorię jaką poruszał się “Antares” podczas lądowania na obszarze Fra Mauro. Wyraźnie widać, że rzeczywisty punkt lądowania znajduje się bardzo blisko tego zaplanowanego (NASA).
Historyczny materiał z relacji telewizyjnej z lądowania misji Apollo-14. Transmisję komentują Walter Cronkite oraz jeden z siedmiu pierwszych astronautów programu Merkury Wally Schirra lunarmodule5.
Film nakręcony przez 16mm kamerę, umieszczoną w prawym oknie lądownika “Antares”. W materiale widzimy początek inicjalizacji programu P64. Chwilę później następuje zmiana nachylenia statku i załoga dostrzega miejsce lądowania.
Przy opisie historii misji Apollo-14 należy też wspomnieć o tym, jak potoczyłyby się wydarzenia, gdyby nie udało się rozwiązać problemu z radarem do lądowania. Istniejące historyczne wypowiedzi i opinie sugerują, że dowódca misji Alan Shepard najprawdopodobniej zignorowałby procedury i polecenia kontroli naziemnej próbując lądowania bez tego urządzenia. Z drugiej strony analizy techniczne sugerują, że najprawdopodobniej wiązałoby się to z dużo większym zużyciem paliwa. W konsekwencji załoga zmuszona byłaby do przerwania tej dosyć ryzykownej próby lądowania.
Zdjęcie wykonane wkrótce po lądowaniu przez prawe okno lądownika “Antares”. Widać na nim obszar na północny-zachód od miejsca lądowania (NASA/scan: Kipp Teague).
Fra Mauro – dzień pierwszy (EVA-1)
Kilka godzin po wylądowaniu załoga wykonuje ostatnie czynności przygotowujące ich do pierwszego spaceru po powierzchni Księżyca (EVA-1). Shepard i Mitchell zakładają wyposażenie niezbędne do poruszania się po powierzchni Księżyca, takie jak osłony na hełm czy plecaki z systemem dostarczającym tlen do oddychania. Następuje również dekompresja całego modułu. W końcu załoga otwiera właz znajdujący się w spodniej części lądownika “Antares” pomiędzy stanowiskami dowódcy i pilota modułu załogowego.
Zdjęcie włazu służącego do wyjścia na powierzchnię Księżyca (NASA).
Tradycyjnie pierwszy wychodzi dowódca – Alan Shepard. Podczas zejścia po drabince na powierzchnię Księżyca, Shepard opuszcza specjalną linę, która umożliwi późniejszy transport próbek geologicznych do wnętrza lądownika. Jest to część systemu Lunar Equipment Conveyor (LEC). Schodząc niżej po stopniach drabiny inicjalizuje otwarcie modułu Modular Equipment Stowage Assembly (MESA). MESA zawiera kamery telewizyjne oraz elementy wyposażenia geologicznego. Shepard schodzi dalej… jest już na powierzchni Księżyca…
Alan Shepard na powierzchni Księżyca (NASA/scan: Kipp Teague).
Mija 113h51m misji. Po kilkunastu minutach do Sheparda dołącza Mitchell. Oboje przechodzą do historii jako piąty i szósty człowiek na Księżycu. W dalszej kolejność Shepard wyjmuje wózek transportowy Mobile Equipment Transporter (MET) i zostawia go tymczasowo w pozycji złożonej przy jednej z nóg lądownika. Mitchell w tym czasie instaluje kamerę telewizyjną, która będzie filmować okolice lądownika i czynności wykonywane przez załogę.
Relacja telewizyjna z EVA-1. Materiał pokazuje najbliższe okolice lądownika. Po lewej stronie widoczny jest złożony wózek MET. Transmisję komentują Walter Cronkite oraz jeden z siedmiu pierwszych astronautów programu Merkury Wally Schirra zellco321.
Podczas pierwszych minut eksploracji rejonów Fra Mauro astronauci zbierają również pierwsze próbki skalne na wypadek gdyby pojawiła się niespodziewana konieczność opuszczenia powierzchni Księżyca. Próbki zostały pobrane w odległości 8-10m od lądownika i w dalszej części spaceru przetransportowane na pokład lądownika. W dalszej części eksploracji Mitchell zajmuje się rozstawianiem eksperymentu wyłapującego cząstki wiatru słonecznego. Składa się on z cienkiej foli aluminiowej umieszczonej na specjalnym stelażu. Folia będzie wystawiana na działanie cząstek pochodzących ze Słońca. Po zakończonym eksperymencie zostanie przywieziona na Ziemię celem dokładnego jej zbadania.
Folia wyłapująca cząstki pochodzące ze Słońca tzw. Solar Wind Composition Experiment (NASA).
W tym samym czasie Shepard rozpoczyna rozkładanie anteny pracującej na paśmie S (S-band). Następnie już wspólnie astronauci kierują talerz anteny w stronę Ziemi. Antena umożliwi przesyłanie silniejszego sygnału telewizyjnego. Za jej pomocą zostaną również przeprowadzone eksperymenty radiowe. Poprzednio antena S-band była na wyposażeniu misji Apollo-11 i 12. Jednak podczas tej pierwszej zrezygnowano z jej rozłożenia.
Grafika pokazująca sposób rozkładania anteny pracującej na paśmie S (NASA).
Zdjęcie Alana Sheparda w pobliżu amerykańskiej flagi. Obok widoczny jest także cień rzucany przez antenę S-band (NASA/scan: Kipp Teague).
W dalszej części EVA-1 załoga ustawia amerykańską flagę, składa wózek MET oraz rozstawia szereg eksperymentów naukowych w tym:
- Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) – jest to specjalny pakiet z eksperymentami naukowymi. Został rozstawiony około 180m od lądownika księżycowego. W jego skład wchodziły takie instrumenty naukowe jak: pasywne i aktywne eksperymenty sejsmiczne, detektor jonów, instrument mający za zadanie wykryć potencjalne śladowe ilości cząstek ewentualnej atmosfery księżycowej, detektor cząstek naładowanych, detektor pyłu księżycowego.
- Retroreflektor – jest to układ specjalnych pryzmatów mający na celu odbijać wiązkę światła laserowego. Eksperyment pozwoli na pomiar odległości Ziemia-Księżyc z dokładnością do kilku centymetrów.
Zdjęcie Mitchella oraz w oddali rozłożonej stacji ALSEP (NASA/scan: Kipp Teague).
Retroreflektor ustawiony na powierzchni Księżyca (NASA/scan: Kipp Teague).
Pierwszy dzień eksploracji Fra Mauro kończy się w 118h19m, kiedy to Shepard a wcześniej Mitchell wracają do lądownika “Antares”. Czas pierwszego spaceru wyniósł około 4h47m. Teraz załoga ma czas na odpoczynek przed kolejnym dniem eksploracji Księżyca. Drugi dzień zapowiada się niezwykle ciekawie. Shepard i Mitchell udadzą się w stronę krawędzi krateru Stożkowego, gdzie powinny się znajdować interesujące naukowców próbki skalne.
Obszar znajdujący się na północ od miejsca lądowania, jaki przemierzyli Shepard i Mitchell podczas EVA-1 (NASA/Google).
Na tym kończymy kolejny artykuł poświęcony misji Apollo-14. W kolejnej części skupimy się na drugim dniu eksploracji rejonu Fra Mauro. Już teraz serdecznie zapraszamy na kolejną część. Wcześniej opublikowane części są dostępne pod poniższymi linkami:
Apollo-14. Część trzecia: wejście na orbitę okołoksiężycową
Apollo-14. Część druga: początek misji
Apollo-14. Część pierwsza: opis i przygotowania do misji
Źródło: NASA
