Исследование лунной поверхности экспедициями «Аполлонов» было гонкой со временем. Посадочный " Лунный модуль " имел на борту ограниченное количество воды для охлаждения авионики, ограниченное количество кислорода для дыхания астронавтов, а также ограниченное количество гидроксида лития, который поглощал углекислый. Кроме этого, заряд аккумуляторов в модуле был не безграничным. Портативная система жизнеобеспечения скафандра (PLSS), хоть и перезаряжалсь, но содержала в себе только определенное количество кислорода для дыхания, и воды для охлаждения.
Самый продолжительный период пребывания астронавтов на поверхности Луны, и самый долгий период внекорабельной деятельности на ее поверхности были во время миссии «Аполлон-17» (7-19 декабря 1972 года). Это был последний пилотируемый полет на Луну. Во время второго из трех выходов, астронавты Юджин Сернан и Харрисон Шмитт оставались снаружи лунного модуля "Челледжер", в течении 7 часов и 37 минут.
Эксплуатационные ограничения лунного модуля и оборудования, а также жесткие правила миссий, еще больше ограничивали деятельность, экипажей «Аполлонов» . Например, во время своих поездок на лунном ровере - Lunar Roving Vehicle (LRV), астронавты «Аполлонов» могли отдалятся от "Лунного модуля" только на определенное расстояние. Это расстояние определялось тем, что в случае поломки ровера, астронавты могли возвратится в "Лунный модуль" пешком, до того момента как у них закончится кислород для дыхания и вода для охлаждения.
Поэтому сначала экипаж ехал на максимальное расстояние от "Лунного модуля", а затем они ехали обратно делая остановки в заранее запланированных местах. По мере того, как они приближались к своему "Лунному модулю", количество кислорода и воды в рюкзаках системы жизнеобеспечения - PLSS, уменьшалось, но также уменьшалось и расстояние, которое экипажу нужно было преодолеть в случае поломки ровера.
Все вышесказанные ограничения, диктовали требования к посадочным площадкам которые экипажи "Аполлонов" могли посетить и исследовать. В середине 1960-х годов предполагаемые места посадок миссий «Аполлон» с интересными с научной точки зрения особенностями, расположенными слишком далеко друг от друга, были перенесены в списки для посещения и изучения будущими более продолжительными экспедициями. Предполагалось, что эти экспедиции будут проведены в середине-конце 1970-х годов в рамках Приложения к программе «Аполлон» (Apollo Applications Program-AAP).
31 июля 1967 года, за четыре года до того, как стартовал «Аполлон-15» (26 июля — 7 августа 1971 года), полет которого был первой миссией класса J, и имел на своем борту лунный ровер - LRV , группа ученых собрались в городке Санта-Крус, штат Калифорния, чтобы придти к единому мнению относительно того, каким должны стать будущие исследования Луны, как пилотируемыми так и беспилотными аппаратами. Вскоре после двухнедельной конференции они опубликовали рекомендации. В своем увесистом 398-страничном докладе они писали:
Важнейшая рекомендация конференции касается передвижения по лунной поверхности. Чтобы увеличить научную отдачу экспедиций, после первых нескольких посадок "Аполлонов" требуется увеличить дальность передвижения по лунной поверхности. Ожидается, что в первых миссиях "Аполлонов", астронавты будет передвигаться пешком в радиусе 500 метров от "Лунного модуля". Крайне важно, чтобы этот радиус был как можно скорее увеличен до 10 километров и более.
Для этого участники конференции в Санта-Крус рекомендовали немедленно разработать так называемый "Лунный летательный аппарат" (Lunar Flying Unit - LFU) для использования в программе "Аполлон" и, если возможно, в поздних полетах на Луну, для увеличения дальности передвижения астронавтов. Участники конференции ожидали, что дальность действия LFU составит от 5 до 10 километров, что, по их словам является значительным, но далеко не достаточным улучшением.
В то время как ученые встречались в Санта-Крус, Конгресс США в Вашингтоне обсуждал серьезные сокращения финансирования программ НАСА. Отчасти в качестве «наказания» за пожар на «Аполлоне-1» (27 января 1967 года). 16 августа 1967 года бюджет на 1968 финансовый год был сокращен. Президент Линдон Джонсон, столкнувшись с войной в Индокитае, беспорядками в городах США и растущим дефицитом бюджета, неохотно согласился на сокращения. В итоге амбициозный план по исследованию Луны сформулированный по итогам конференции в Санта-Крус умер не успев родиться. Но не умерла идея о "Лунном летательном аппарате" (Lunar Flying Unit - LFU), которую продвигали ученые.
В январе 1969 года Центр пилотируемых космических кораблей НАСА (Manned Spacecraft Center-MSC) в Хьюстоне, штат Техас (ныне Космический центр имени Линдона Джонсона), заключил два контракта сроком на 7 месяцев на проектирование LFU. В июне 1969 года, за месяц до того, как «Аполлон-11» (16-24 июля 1969 года) осуществил первую посадку на Луну, два конкурирующих подрядчика, Bell Aerosystems (BA) и North American Rockwell (NAR), представили свои заключительные проекты представителям MSC и штаб-квартиры НАСА.
LFU от Bell Aerosystems
В конце 1950-х годов компания Bell Aerosystems разрабатывала так называемый "ракетный пояс", на самом деле реактивный ранец, по контракту с армией США.
В ранце использовался специальный катализатор для разложения перекиси водорода до высокотемпературного пара. Пар выходил через два сопла создавая тягу. В 1966 году компания продемонстрировала ранец ученым Геологической службы США (USGS), среди холмов местечка Хопи-Бьюттс к востоку от Флагстаффа, штат Аризона. Юджин Шумейкер, основатель и руководитель Отделения астрогеологии, Геологической службы США, стал свидетелем данной демонстрации. В следующем году он стал сопредседателем рабочей группы по геологии на конференции в Санта-Крус, которая выработала рекомендации по LFU.
LFU от Bell представлял собой платформу с четырьмя посадочными опорами, это не был реактивный ранец, но в конструкции применены основные идеи этого ранца. Астронавт летел стоя, управляя аппаратом, с помощью двух рукояток , механически связанных с двумя боковыми соплами ракетных двигателей. Рукоятки по конструкции были похожи на контролеры "Лунного модуля" "Аполлон". Несмотря на то, что ремни безопасности будут ограничивать движение астронавта из стороны в сторону, он сможет сгибать колени, это по замыслу конструкторов, должно было смягчить удар при приземлении аппарата. Посадочные опоры аппарата не имели амортизаторов.
В компании Bell планировали, что на Луну отправится стразу два LFU. Один 106-ти килограммовый аппарат и астронавт будут находится возле "Лунного модуля", на случай если с первым аппаратом и астронавтом что-то случится, и понадобится помощь. Другой астронавт на втором аппарате летел к выбранной цели на лунной поверхности, на расстояние от 16 до 25 км.
В начале разработки, НАСА поставило перед фирмами Bell Aerosystems и North American Rockwell задачу - спроектировать свои аппараты так, чтобы они могли нести до 170 кг полезной нагрузки. Это позволило бы спасти астронавта в скафандре весом 170 кг, если бы он оказался за пределами радиуса пешего возвращения. Но позже, на промежуточном брифинге, НАСА поручило подрядчикам перепроектировать свои LFU так, чтобы они могли нести не более 45 килограмм полезной нагрузки. В фирме Bell отметили, что, если полезная нагрузка действительно будет ограничена 45 килограммами, то второй аппарат и астронавт все равно могут выполнить спасательную функцию, доставляя запас кислорода и воды для пополнения системы жизнеобеспечения астронавта попавшего в беду.
В соответствии с основными требованиями НАСА при проектировании, фирма Bell спроектировала свой лунный летательный аппарат, с учетом того, что он будет использовать остатки топлива извлеченные из баков посадочной ступени "Лунного модуля". Компания Grumman, проектировавшая и строившая "Лунные модули", подсчитала, что от 136 до 680 кг гиперголического топлива (самопроизвольно воспламеняющегося при контакте) останется в посадочной ступени после того, как "Лунный модуль" приземлится на Луну. Для заправки баков LFU, астронавты будут использовать три шланга длиной 6 метров : один для окислителя - тетраоксида азота, один для гидразинового топлива, и один для гелия.
В своих сдвоенных баках, LFU от Bell будет нести до 80 кг топлива, при этом общая масса аппарата с астронавтом в скафандре и полезной нагрузкой будет доходить до 455 кг. Гелий будет вытеснять топливо в два дросселируемых ракетных двигателя, каждый из которых будет производить от 50 до 300 фунтов тяги. Количество времени, проведенного в полете, составит около 30 минут. Аппарат будет летать со скоростью до 112 км/ч.
В компании предполагали, что НАСА совершит в общей сложности 10 миссий по высадке "Аполлонов" на Луну до конца 1973 года. Поэтому предусматривалась поэтапная программа полетов LFU. Самые первые аппараты, должны были работать на перекиси водорода, по аналогии с реактивными ранцами, который, как заявила компания, совершил более 3000 полетов на Земле. Это позволило бы проводить испытательные полеты на Луне на короткие расстояния с минимальным риском, начиная с пятого полета "Аполлонов" в 1971 году.
Первые полеты LFU на гиперголическом топливе должны были начаться с середины 1972 года. При этом пилоты LFU должны были летать на относительно короткие расстояния и подниматься не выше 22 метров над поверхностью Луны. В более поздних миссиях высота полетов будет увеличена, а дальность составит свыше 24 км. У фирмы Bell были далеко идущие планы на свой аппарат. Так планировалось с помощью 230 кг запаса топлива поднять LFU на орбиту Луны. Также предлагался беспилотный вариант аппарата, либо его пилотируемый аналог для полетов на Марсе.
LFU от North American Rockwell (NAR)
Другой разработчик LFU в 1969 году - компания North American Rockwell (NAR) была новичком. Хотя у компании и был опыт разработки подобных аппаратов. В 1964 году компания, тогда известная как North American Aviation (NAA), предложила компактный складной LFU, чем-то похожий на конструкцию Bell. Астронавт управлял аппаратом стоя на небольшой платформе, держась за ручки управления. Этот LFU проекта 1964 года также имел платформу полезной нагрузки для транспортировки оборудования или лежачего астронавта. Для увеличения дальности полета могли быть добавлены сферические вспомогательные топливные баки.
LFU от NAR 1969 года сильно отличался как от конструкции аппарата 1964 года, так и от своего конкурента от Bell. В компании отклонили проекты LFU, в которых астронавт стоял, выявив что такая конфигурация аппарата нестабильна в полете, и он может опрокинуться при посадке. Вместо этого была предложена конструкция, в которой астронавт сидел в кресле, слегка наклоненным вперед для улучшения обзора. Чтобы ослабить удары при посадке, на посадочных опорах аппарата были амортизаторы.
В LFU должны были быть 4 дросселируемых двигателя, каждый с максимальной тягой 105 фунтов, расположенные прямо под астронавтом. Это, как утверждала компания, обеспечит повышенную стабильность в полете, а также резервирование в случае отказа одного двигателя. Конструкция от Bell была непригодна для полета в случае отказа одного двигателя. Если в аппарате отказывал двигатель, то пилот отключал противоположный ему двигатель для поддержания устойчивости и летел обратно к "Лунному модулю", используя два оставшихся двигателя.
Резервирование двигателей, сиденье и амортизаторы привели к увеличению массы аппарата. В компании подсчитали, что в общей сложности он будет весить 138 кг без топлива, и около 488 кг с астронавтом в скафандре.
Выбор расположения двигателя усложнял эксплуатацию LFU. Низко расположенные двигатели будут поднимать лунную пыль и камни при взлете и посадке. Пыль и камни, выбрасываемые двигателями, могут повредить "Лунный модуль", систему жизнеобеспечения скафандра, или сам аппарат. Поэтому этот LFU взлетал и садился не ближе чем в 12 метрах от "Лунного модуля". Чтобы дополнительно гарантировать безопасность при взлетах и посадках, аппарат должен был взлетать и приземляться на тканевую стартовую площадку расположенную на поверхности Луны.
После развертывания аппарата из отсека "Лунного модуля" астронавты должны были перетащить LFU к центру тканевой площадки, а затем используя 12-ти метровые шланги заправить топливом два топливных бака. По оценкам NAR, в среднем в посадочной ступени "Лунного модуля" должно остаться 365 кг топлива. Этого было достаточно чтобы выполнить три заправки аппарата.
После загрузки оборудованием двух отсеков полезной нагрузки на LFU, астронавт садился в кресло, устанавливал панель управления на поворотном рычаге и подставку для ног, а также пристегивался ремнем безопасности и плечевыми ремнями. Полеты должны были проходить на высотах до 600 метров на расстояние до 8,5 км от "Лунного модуля". Это расстояние, конечно, было намного меньше, чем у аппарата от Bell -16-24 км, тем не менее компания рассчитывала запустить только один LFU за миссию «Аполлон». Компания подсчитала, что добавление 45 кг топлива увеличит расстояние полета до 15 км, кроме этого LFU мог быть использован для достижения объектов на высоких склонах гор.
Во время посадки к выбранной цели LFU совершал посадку на неподготовленный лунный грунт. Это могло вызывать угрозу повреждения от пыли и камней поднятыми двигателями. Чтобы избежать этого, было предложено выключить двигатели на некоторой высоте над поверхностью. При этом аппарат будет приземляться на свои четыре амортизирующие опоры. Тем не менее, в компании признали, что точная оценка высоты над поверхностью перед выключением двигателей может быть проблематичной.
После завершения работы астронавт разворачивал тканевую стартовую площадку и тащил на нее LFU, затем взлетал и возвращался к "Лунному модулю" Между полетами экипаж заправлял топливные баки LFU, бак же с гелием менялся на запасной, который астронавты привозили с собой в "Лунном модуле".
Лунный ровер (LRV) вместо LFU.
В июле 1969 года, примерно через месяц после того, как инженеры North American Aviation и Bell представили свои проекты в Центр пилотируемых космических кораблей MSC и штаб-квартиру НАСА , было объявлено что Центр космических полетов им. Маршалла (MSFC) будет руководить разработкой Лунного ровера- LRV «Аполлон». 28 октября 1969 года НАСА официально выбрало "колеса", вместо лунных летательных аппаратов, а компания "Боинг" стала генеральным подрядчиком в проекте LRV.
В полностью развернутом состоянии ровер LRV имел размеры 3 метра в длину и 2,3 метра в ширину. Несмотря на то, что его масса составляла всего 210 кг, он мог нести полезную нагрузку (включая двух астронавтов в скафандрах) массой до 490 кг.
Во время миссии «Аполлон-15» астронавты Дэвид Скотт и Джеймс Ирвин отъехали на своем ровере на расстояние в пять километров по прямой от "Лунного модуля" "Фалькон". В миссии «Аполлон-16» (16-27 апреля 1972 года), астронавты Джон Янг и Чарльз Дьюк отъехали на расстояние в 4,5 километра по прямой от "Лунного модуля" "Фалькон". Для миссии «Аполлон-17» требования были несколько смягчены, поэтому Юджин Сернан и Харрисон Шмитт смогли достичь точки, находящейся на расстоянии по прямой в 7,6 километрах от "Лунного модуля "Челленджер".
В настоящее время три ровера LRV находятся на вечной стоянке на Луне, там где их припарковали водители-астронавты «Аполлонов». Применение роверов, расширило дальность исследований, если бы не они, мы бы узнали значительно меньше о Луне.
Однако, если бы в миссиях были LFU, астронавты могли бы перемещаться по более сложным маршрутам и разнообразным посадочным площадкам посадочным площадкам. Астронавты бы могли отправится на склоны гор, или края кратеров. И как знать - что бы могли еще узнать о Луне?
Ну а на сегодня всё. Спасибо за внимание и всего самого наилучшего!