Приветствую вас, мои космические друзья.
Программа "Аполлон", это не только пилотируемые космические полеты на околоземную и лунную орбиты, а также полеты на Луну, в ходе которых на ее поверхность высадились в общей сложности 12 человек. Обычно за всеми спорами по поводу того, летали ли люди на Луну или не летали, а также при освещении космической программы "Аполлон", остается огромный массив испытательной работы проведенный для того, чтобы миссии по высадке людей на Луну стали возможными. Одной из таких испытательный миссий является "Аполлон-5" - первый беспилотный испытательный полет лунного модуля, который сделал возможной высадку человека на поверхность Луны.
Первые испытательные полеты космической программы "Аполлон"
Лунные миссии космической программы "Аполлона" включали два космических аппарата: командно-служебный модуль, обеспечивавший перелет экипажа к Луне и обратно, и лунный модуль который обеспечивал посадку и взлет с поверхности Луны. Разработкой лунного модуля занималась компания Grumman Aircraft которая была выбрана в качестве главного подрядчика космического агентства НАСА.
Хотя для полета на Луну потребовалась бы трехступенчатая ракета "Сатурн-5", в первых испытательных полетах космических аппаратов программы "Аполлон", на низкую околоземную орбиту, использовалась более компактная двухступенчатая ракета "Сатурн-IB", которая представляла собой значительно модернизированную версию ракеты "Сатурн-I". Она была разработана командой инженеров под руководством Вернера фон Брауна, которая также занималась разработкой лунной ракеты "Сатурн-5" в Космическом центре имени Маршалла НАСА.
Первая ступень ракеты "Сатурн-IB", получившая обозначение S-IB, представляла собой модернизированную версию ступени S-I, которая была установлена на ракете "Сатурн-I", которая в свою очередь осуществила 10 безаварийных полетов в период с 1961 по 1965 год. Вторая ступень, S-IVB, представляла собой совершенно новую конструкцию. Немного модернизированная версия второй ступени (S-IVB-200), которая использовалась на ракете "Сатурн-IB", использовалась в качестве третьей ступени ракеты "Сатурн-5" под обозначением S-IVB-500. Обладая изначальной грузоподъемностью в 18 метрических тонн, ракета "Сатурн-IB" имела достаточную мощность для запуска командно-служебного или лунного модуля на низкую околоземную орбиту, для проведения первых испытательных полетов по программе "Аполлон".
Беспилотная миссия Apollo AS-201, стартовавшая 26 февраля 1966 года, стала первым космическим полетом серийной модели командно-служебного модуля Apollo Block I, а также первым полетом ракеты-носителя "Сатурн-IB".
Хотя командно-служебный модуль № 009 (CSM-009) справился со всеми основными задачами испытательной миссии, проблемы, возникшие во время 37-минутного суборбитального полета, а особенно во время двух включений маршевого двигателя, вынудили отложить следующую миссию AS-202 для устранения всех неполадок.
Тем временем, 5 июля 1966 года была осуществлена испытательная миссия AS-203. Она была запущена не в соответствии с первоначально запланированной последовательностью. Испытательный полет AS-203, был направлен на тестирование ракеты "Сатурн-IB", и различных конструктивных особенностей второй ступени S-IVB, до того как эта ступень будет использована на ракете "Сатурн-5".
Следующий беспилотный испытательный полет AS-202, стартовал 25 августа 1966 года. В 93-минутный суборбитальный испытательный полет был запущен командно-служебный модуль CSM-011. Полет завершился приводнением капсулы космического корабля "Аполлон" в Тихом океане. Космический аппарат выполнил все поставленные задачи, а командный модуль успешно выполнил профиль входа в атмосферу Земли с двойным отскоком, подтвердив таким образом пригодность командно-служебного модуля для пилотируемого орбитального полета.
К концу 1966 года планы НАСА по следующему этапу испытательных полетов были окончательно определены. Первой миссией должен был стать испытательный полет AS-204, во время которого должен был состояться первый орбитальный испытательный полет командно-служебного модуля Apollo Block I с экипажем на борту. Следующий испытательный полет, получившем обозначение AS-205, также должен был стать пилотируемым. Следующей должна была быть запущена миссия AS-206, которая стала бы первым беспилотным испытательным полетом лунного модуля.
Поскольку первый из двух запланированных испытательных полетов ракеты "Сатурн-5" должен был состояться только во второй половине 1967 года, то для первого пилотируемого испытательного полета лунного модуля потребовалось бы два запуска с помощью ракеты-носителя "Сатурн-IB" в рамках миссии получившей обозначение AS-207/208. Миссия SA-207 должна была стать первым пилотируемым полетом модернизированного командно-служебного модуля Apollo Block II, за которым последовал бы беспилотный запуск первого пилотируемого лунного модуля с помощью ракеты-носителя "Сатурн-IB" SA-208. Два космических аппарата должны были состыковаться на низкой околоземной орбите, чтобы начать пилотируемые испытания лунного модуля.
Однако задержки в поставке ключевых элементов оборудования программы "Аполлон" привели к тому, что этот амбициозный график НАСА всё больше смещался, и в ноябре 1966 года планировщики программы изменили график испытательных полётов. Пилотируемый испытательный полет AS-204 должен был быть запущен 21 февраля 1967 года в рамках миссии "Аполлон-1". Было решено исключить второй пилотируемый полёт командно-служебного модуля Apollo Block I, поскольку теперь он считался избыточным. Следующим, в апреле 1967 года, должен был состояться первый беспилотный испытательный полёт лунного модуля во время миссии AS-206. В августе того же года должна была состояться миссия AS-207/208 с двумя запусками (переименованная теперь в миссию AS-205/208).
Испытательный полет лунного модуля
Лунный модуль был разработан для высадки двух астронавтов на лунную поверхность и их возвращения на лунную орбиту к находящемуся там командно-служебному модулю. Лунный модуль был спроектирован для работы в вакууме космоса, что обуславливало его облегченную конструкцию с характерной угловатой формой. Лунный модуль состоял из двух ступеней: посадочной и взлетной. Как следует из названия, посадочная ступень использовалась для спуска с лунной орбиты на поверхность Луны. Она включала в свою конструкцию шасси, запас расходных материалов и ракетный двигатель посадочной ступени лунного модуля (Lunar Module Descent Engine - LMDE), кроме того в ее конструкцию входили баки в которых находилось гиперголическое (воспламеняющееся при контакте) топливо. Двигатель посадочной ступени лунного модуля, был разработан компанией TRW. Он представлял собой ракетный двигатель с регулируемой тягой и подачей топлива под давлением, который сжигал Aerozine 50 (смесь гидразина и несимметричного диметилгидразина, в соотношении 50/50) и тетраоксид диазота, создавая при этом тягу до 46 килоньютон (4,6 тонн-силы).
В герметичной кабине взлетной ступени лунного модуля, с жилым объемом около 4,5 кубических метров, размещались два астронавта. Помимо оборудования жизнеобеспечения и припасов для экипажа, конструкция взлетной ступени включала в себя ракетный двигатель (LM Ascent Engine - LMAE) с подачей топлива под давлением, а также баки для топлива. Ракетный двигатель взлетной ступени лунного модуля был разработан и построен компаниями Bell Aerospace и Rocketdyne. Двигатель LMAE развивал тягу в 16 килоньютон (1,6 тонн-силы). Он был способен поднять взлетную ступень лунного модуля с экипажем на борту с лунной поверхности и вывести ее на лунную орбиту, где взлетная ступень должна была состыковаться с командно-служебным модулем. Взлетная ступень лунного модуля также включал в себя систему управления ориентацией (RCS), обеспечивающую управление положением лунного модуля во время полета и позволяющую ему выполнять маневры, необходимые во время операций сближения и стыковки. Высота лунного модуля с выпущенным шасси составляла около семи метров и в полностью загруженном состоянии имела массу около 15 метрических тонн.
Помимо подтверждения летной годности лунного модуля, основными задачами беспилотной миссии Apollo AS-206 были летные испытания ракетных двигателей обеих ступеней лунного модуля. Также предполагалось проверить режим аварийного прерывания полета, активация которого потребовалась бы в случае возникновения проблем во время спуска лунного модуля на лунную поверхность, что привело бы к досрочному возвращению экипажа на орбиту Луны. В случае активации аварийного режима, двигатель взлетной ступени должен был запустится в тот момент, когда обе ступени были состыкованы друг с другом – метод, известный как fire-in-the-hole ( на русский язык это можно перевести как "огонь в дыре"). Существовали опасения, что посадочная ступень может начать неконтролируемо вращаться после отделения, представляя потенциальную опасность для отходящей взлетной ступени. Летные испытания системы аварийного прекращения полета были необходимы для проверки прогнозов динамики ступени во время режима аварийного прекращения полета, перед тем как экипаж мог бы приступить к испытаниям лунного модуля в полете. Поскольку лунный модуль не имел средств для посадки на Землю, его возвращение и посадка были невозможны.
Космический аппарат для миссии AS-206 стал первым летным образцом лунного модуля который изготовила компания Grumman. Он получил обозначение LM-1. Из-за специфики своей миссии LM-1 значительно отличался от последующих пилотируемых версий данного космического аппарата. Наиболее заметным отличием было отсутствие шасси которое не требовалось для этого полета. Помимо опытной аппаратуры и транспондера C-диапазона, в компьютер LM-1 была загружена программа управления миссией, позволяющую управлять лунным модулем либо посредством предварительно запрограммированной последовательности задач, либо путем прямого наземного управления. Поскольку это был беспилотный испытательный полет, многие системы связанные с жизнеобеспечением экипажа, отсутствовали, также отсутствовали некоторые пилотажные дисплеи, часть системы климат-контроля и другие второстепенные элементы. Из-за проблем, выявленных во время испытаний, окна LM-1 были заменены алюминиевыми панелями. Другие подсистемы, которые не были необходимы для выполнения миссии AS-206; такие как радары посадки и сближения, также были исключены. В своей окончательной конфигурации LM-1 имел стартовую массу 14 300 килограмм – лишь немного меньше, чем масса пилотируемого лунного модуля в реальной миссии по высадке человека на Луну. Тем не менее это была самая массивная полезная нагрузка, выводимая на орбиту в тот период времени.
Во время лунной миссии командно-служебный модуль соединялся с третей ступенью ракеты "Сатурн-5" с помощью конусообразного адаптера (SLA), который представлял собой четыре панели. Внутри адаптера находился лунный модуль. После выхода на траекторию полета к Луне четыре панели SLA раскрывались, после чего командно-служебный модуль отстыковывался от третей ступени, разворачивался, и состыковавшись с лунным модулем извлекал его из третей ступени. Для испытательных полетов командно-служебного модуля на низкую околоземную орбиту ,SLA также использовался для стыковки космического корабля со второй ступенью ракеты "Сатурн-IB", но при этом он был пустым. Во время миссии AS-206 командно-служебный модуль и система аварийного спасения (LES) отсутствовали, в внутри SLA размещался лунный модуль LM-1.
Над адаптером SLA находился головной обтекатель высотой 3,4 метра. Высота ракеты "Сатурн-IB" для данного испытательного полета составляла 55,1 метра.
Ракета-носитель для миссии AS-206, "Сатурн-IB" SA-206, стала первой, в конструкции которой были внесены многочисленные улучшения по сравнению с носителем использовавшимся в предыдущих миссиях. Первая ступень S-IB-6 была оснащена восемью модернизированными двигателями H-1, которые увеличили суммарную тягу при старте на 2,5% до 7285 килоньютон.
Изменение планов
Первым элементом оборудования, прибывшим на мыс Кеннеди 14 декабря 1966 года стала вторая ступень S-IVB-206, а первая ступень S-IB-6 прибыла на барже четырьмя днями позже. Поскольку поставка лунного модуля LM-1 к ноябрю 1966 года не была выполнена, а компания Grumman продолжала испытывать ряд проблем во время его окончательной сборки и испытаний, планировщики программы "Аполлон" решили начать подготовку к миссии AS-206 в надежде запустить её после старта долго откладывавшейся пилотируемой миссии "Аполлон-1". После того, как ракета-носитель SA-204 миссии "Аполлон-1" заняла площадку 34-го стартового комплекса (LC-34), 22 января 1967 года на стартовой площадке "B" 37-го стартового комплекса (LC-37B) была установлена первая ступень ракеты "Сатурн IB" S-IB-6. 23 января к ней была добавлена вторая ступень S-IVB-206 для начала проведения предстартовых испытаний.
Но когда на стартовой площадке LC-37B началась активная подготовка к запуску миссии AS-206, произошла трагедия. 27 января 1967 года астронавты Гас Гриссом, Эд Уайт и Роджер Чаффи погибли при пожаре, охватившем их командно-служебный модуль во время репетиции обратного отсчета перед предстоящей пилотируемой миссией "Аполлон-1". Напряженный график испытательных полетов был приостановлен на время расследования причин пожара.
В связи с продолжающимися задержками в поставке лунного модуля, 20 марта 1967 года руководство программы "Аполлон" приняло решение о замене ракеты-носителя для испытательного полета лунного модуля. Теперь будет использоваться ракета SA-204, не пострадавшая в результате аварии "Аполлона-1". Ракета SA-206 впоследствии была снята со стартовой площадки LC-37B и помещена на хранение для дальнейшего использования. Демонтаж ракеты SA-204 на стартовой площадке LC-34 был завершен к 6 апреля 1967 года. Поскольку ракета находилась на стартовой площадке с конца августа 1966 года, существовали опасения, что неблагоприятные метеоусловия могли привести к коррозии или другим проблемам.
Ракета "Сатурн-IB", под обозначением SA-204R, получила заключение о летной годности и была перевезена на стартовую площадку LC-37. 7 апреля на стартовой площадке была установлена первая ступень S-IB-4, а три дня спустя – вторая ступень S-IVB-204. Поскольку сроки поставки LM-1 постоянно сдвигались, компания Grumman построила фанерный макет лунного модуля в качестве временной замены, чтобы продолжить проверку оборудования.
После расследования пожара "Аполлона-1" был рекомендован ряд изменений в конструкции лунного модуля, включая проводку, систему климат-контроля и материалы кабины, которые могли быть пожароопасными. Хотя многие изменения в конструкцию лунного модуля уже были внесены, некоторые из них потребовали задержки испытательного полета. В конечном итоге были приняты компромиссные решения. Например, для проведения беспилотного полета была сертифицирована проводка в лунном модуле LM-1 и модуле LM-2 (который теперь должен был служить в качестве резерва в случае аварии LM-1 во время испытательного полета). В то же время более масштабные изменения конструкции проводки и других систем были отложены до строительства следующих лунных модулей. Лунный модуль LM-1 прибыл на мыс Кеннеди 23 июня 1967 года, а четыре дня спустя его ступени были стыкованы друг с другом.
В ходе первоначальной проверки было обнаружено, что лунный модуль LM-1 нуждается в ремонте. В августе ступени лунного модуля были расстыкованы для устранения утечки, обнаруженной в двигателе взлетной ступени. В сентябре, после повторной стыковки, была обнаружена еще одна утечка, что вынудило инженеров вновь разделить ступени, чтобы снять ключевые компоненты и отправить их на завод компании Grumman для ремонта. В октябре, после стыковки ступеней и проведения дополнительных испытаний, LM-1 был установлен в адаптер полезной нагрузки SLA-7 " и перемещен на стартовую площадку LC-37B. Лунный модуль, помещенный в адаптер SLA, был окончательно соединен с ракетой-носителем 19 ноября 1967 года для проведения серии испытаний на готовность к запуску, которые продолжались вплоть до декабря 1987 года. В конце концов испытательный полет лунного модуля, получивший название "Аполлон-5", был запланирован на 18 января 1968 года.
Миссия «Аполлон-5»
Из-за дальнейших задержек в подготовке миссии "Аполлон-5" к запуску, окончательное закрытие кабины лунного модуля состоялось только в 15:50 по восточному времени 18 января 1968 года во время демонстрационного испытания обратного отсчета, которое завершилось на следующий день. Заключительный обратный отсчет начался за 10 часов 30 минут до старта 21 января 1968 года. В ходе обратного отсчета было выполнено несколько запланированных и несколько внеплановых остановок обратного отчета для устранения различных проблем, включая отказ телеметрического компьютера за 3 часа 30 минут до старта. Хотя его работа считалось обязательным условием для данного испытательного полета, было решено, что командный компьютер обеспечит достаточное покрытие функций, чтобы продолжить обратный отсчет. После нескольких часов задержек ракета "Сатурн-IB" SA-204R успешно стартовала со стартовой площадки LC-37B в 17:48:08 по восточному времени (22:48:08 по Гринвичу) 22 января 1968 года, незадолго до захода солнца. Это оказался последний запуск со стартовой площадки LC-37B на следующие 35 лет.
После 10 минут полета ракета-носитель вывела вторую ступень S-IVB-204 и ее полезную нагрузку на начальную орбиту параметром 163 × 222 километра с наклонением 31,6°. Еще через 35 секунд был успешно сброшен головной обтекатель, а четыре панели адаптера полезной нагрузки (SLA) были развернуты через 9 минут и 15 секунд. LM-1 использовал систему управления ориентацией (RCS) для отделения от второй ступени, выйдя на орбиту параметром 167 × 224 километра. После отделения LM-1 изменил свою ориентацию для проведения предварительного тестирования.
Вторая ступень S-IVB-204 прошла ряд инженерных испытаний, включая сброс остатков криогенного топлива и гелия через ракетный двигатель J-2. Эта процедура должна была облегчить ступень для ее лучшего управления на орбите и подготовить будущие ступени S-IVB к использованию в качестве "мокрой" орбитальной мастерской, как это было предложено для программы Apollo Application Program, запуск которой планировался после первых успешных лунных миссий программы "Аполлон".
После трехчасовой паузы было запланировано два включения двигателя посадочной ступени, за которыми последуют два включения двигателя взлетной ступени. Первое 39-секундное включение двигателя посадочной ступени должно было начаться с тяги в 10%, затем она постепенно увеличивалась до 100% в течение последних 12 секунд, имитируя начальный спуск с лунной орбиты. Второе включение должно было длиться 739 секунд с тягой двигателя соответствующей реальному спуску к лунной поверхности. Сразу после этого должна была быть проверена система аварийного прекращения полета с помощью первого пятисекундного включения двигателя взлетной ступени. Последующее включение двигателя взлетной ступени должно было продолжаться в течении 445 секунд до тех пор, пока не закончится топливо, завершив таким образом основную испытательную миссию. Поскольку предполагалось, что после завершения последнего включения двигателя взлетной ступени она будет оставаться на орбите параметром 315 на 815 километров; были запланированы расширенные испытания которые должны были проводится до тех пор, пока не кончатся расходные материалы взлетной ступени, которых, как предполагалось, должно было хватить еще на семь часов полета.
Чуть менее чем через четыре часа после старта 23 января в 02:47:49 по Гринвичу был запущен двигатель посадочной ступени лунного модуля, но всего через четыре секунды работы он неожиданно отключился, оставив космический аппарат на орбите параметром 170 на 222 километра вместо его вывода на орбиту высотой 215 на 330 километров. После анализа телеметрии диспетчеры быстро обнаружили источник проблемы. Компьютер управления лунного модуля был запрограммирован на прерывание маневра и отключение двигателя посадочной ступени, если через четыре секунды работы он не обеспечит ожидаемый уровень ускорения. Поскольку для проведения испытаний двигатель намеренно работал при давлении ниже номинального, то для достижения полной тяги требовалось шесть секунд. Именно эта ошибка привела к преждевременному отключению двигателя посадочной ступени.
В результате возникшей проблемы диспетчеры приняли заранее спланированный альтернативный вариант испытательной миссии, который соответствовал минимальным требованиям, обеспечивая при этом связь LM-1 с наземными станциями слежения для выполнения ключевых маневров. После отключения автоматической системы наведения, на четвертом витке по команде с Земли на 33 секунды был запущен двигатель посадочной ступени. Второй запуск двигателя был запланирован на 04:59:54 GMT, при этом время его работы составило 28 секунд. После этого состоялось испытание аварийного выхода на орбиту во время которого двигатель взлетной ступени работал в течении 60 секунд. Суммарное изменение скорости составило 228 метров в секунду в результате чего лунный модуль LM-1 вышел на орбиту ввысотой 172 на 961 километр.
После трех включений двигателей лунного модуля была активирована основная система управления для продолжения испытательной миссии. Но во время активации аварийного режима, бортовой компьютер, который находился в пассивном режиме, не учел изменение массы космического аппарата в следствии чего, система управления ориентацией (RCS) работала так как если бы к космическому аппарату была прикреплена полностью загруженная посадочная ступень. Это привело к более высокому расходу топлива для системы RCS и оно закончилось всего через час. Тем не менее, систему управление ориентацией удалось настроить на использование топлива которое подавалось в двигатель взлетной ступени. Второе включение двигателя взлетной ступени должно было произойти в ретроградном направлении. Это привело бы к тому, что космический аппарат вошел бы в атмосферу Земли, завершив тем самым испытательную миссию "Аполлон-5".
Из-за задержки на один виток для выполнения нового плана полета, траектория полета LM-1 начала отклоняться от наземных станций слежения, поэтому оставшуюся часть миссии необходимо было завершить к следующему витку. Второе включение включение двигателя взлетной ступени началось на пятом витке. Как и планировалось, примерно через 161 секунду система управления автоматически закрыла клапаны, подающие топливо в систему управления ориентацией (RCS). Без системы управления ориентацией взлетная ступень начала вращаться, в то время как ее двигатель продолжал работать еще 190 секунд, пока топливо окончательно не закончилось. Последние телеметрические данные с LM-1 были получены в 06:40:18 GMT 23 января 1967 года, через 7 часов, 52 минуты и 10 секунд после старта. Взлетная ступень лунного модуля LM-1 вошла в атмосферу Земли и сгорела над Тихим океаном примерно в 640 километрах от побережья Центральной Америки. Неактивная посадочная ступень лунного модуля LM-1 сошла с орбиты 12 февраля того же года.
Хотя во время миссии "Аполлон-5" возник ряд проблем, что вынудило перейти к альтернативному плану, общая работа всех систем лунного модуля была признана удовлетворительной. А поскольку требование по сертификации лунного модуля для пилотируемых испытательных полетов было выполнено, второй беспилотный испытательный полет с лунным модулем LM-2 был отменен, что позволило сократить еще одну миссию из графика космической программы "Аполлон".
Поскольку лунный модуль LM-2 был непригоден для выполнения пилотируемых полетов без существенной доработки, его отправили на хранение. В то же время продолжалась работа над лунным модулем LM-3 для первого пилотируемого испытательного полета (миссия "Аполлон-9"). В конечном итоге LM-2 был выставлены в Национальном музее авиации и космонавтики Смитсоновского института.
Ну а тем временем космическое агентство НАСА приблизилось к Луне еще на один шаг, и продолжало подготовку к первым пилотируемым полетам программы "Аполлон", которые должны были начаться в конце 1968 года.
Ну а на сегодня у меня всё. Спасибо за внимание!