Разъединение и сближение на окололунной орбите
     Идея выхода космического корабля на окололунную орбиту с последующим отделением от него посадочного отсека с целью получения энергетического выигрыша была впервые выдвинута советским ученым Ю.В.Кондратюком. Изложенный им вариант лунной экспедиции был положен в основу американской программы «Аполлон». По этой программе было совершено шесть удачных экспедиций и одна неудачная, которые стартовали: «Аполлон-11» - 16 июля 1969 г., «Аполлон-12» - 14 ноября 1969 г., «Аполлон-13» - 11 апреля 1970 г. (неудачная), «Аполлон-14» - 31 января 1971 г., «Аполлон-15» - 26 июля 1971 г., «Аполлон-16» - 16 апреля 1972 г., «Аполлон-17» - 7 декабря 1972 г. Осуществление программы стало возможным после создания ракеты-носителя «Сатурн-5», первый запуск которой состоялся в 1967 г.

а) структура системы в целом, б) компоновка корабля «Аполлон». S-IC - первая ступень, S-II - вторая ступень, S-IVB - третья ступень; 1 - бак горючего первой ступени, 2 - бак окислителя первой ступени, 3 - переходник между первой и второй ступенями, 4 - бак окислителя второй ступени, 5 - бак горючего, 6 - переходник между второй и третьей ступенями, 7 - бак окислителя третьей ступени, 8 - бак горючего третьей ступени, 9 - приборный отсек IU, 10 - лунный отсек, 11 - переходник LMA, 12 - служебный отсек, 13 - командный отсек, 14 - система аварийного спасения (САС), 15 - маршевый двигатель служебного отсека, 16 - блоки двигателей системы ориентации и стабилизации, 17 - теплозащитный экран, 18 - ферма САС, 19 - основной РДТТ САС, 20 - РДТТ для отбрасывания САС, 21 - вспомогательный РДТТ, 22 - аэродинамические рули САС.

Ракетно-космическая система «Сатурн-5-Аполлон»: схема строения и размеры

     Общая длина ракетно-космической системы «Сатурн-5-Аполлон» составляет 111 м, а начальная масса примерно 2950 т. На схеме ракеты указаны некоторые размеры частей системы. Первая ступень ракеты «Сатурн-5», имеющая обозначение S-IC, имеет массу 2280 т, причем масса топлива равна 2149 т. На ступени установлены пять двигателей F-1: четыре - в кардановых подвесах, способные отклоняться на угол 7°, и один, фиксированный - в центре, направление тяги которого всегда совпадает с продольной осью ракеты. Двигатели F-1 рассчитаны на однократное включение и действуют в течение примерно 150 с. Кроме того, на корпусе ступени S-IC установлены восемь тормозных РДТТ тягой 39 тс каждый, предназначенных для отделения первой ступени после расцепки.
     Вторая ступень S-II имеет массу 485 т (с переходником), в том числе 444 т топлива (жидкий водород и жидкий кислород). На ней установлены пять двигателей J-2 (четыре - по периферии в кардановых подвесах, пятый, неподвижный - в центре). Двигатели работают в течение 370 с. На ступени установлены также пять РДТТ (каждый тягой 10,2 тс), сообщающих ступени после некоторого периода невесомости искусственную тяжесть на период 4 с для осадки топлива, и четыре тормозных РДТТ (17 тс) для отделения ступени.
     Третья ступень S-IVB имеет массу 122 т (с переходником), в том числе 107 т топлива (жидкий водород и жидкий кислород). Она содержит один двигатель J-2, включающийся примерно на 160 с при выведении корабля «Аполлон» на околоземную орбиту ожидания и на 320 с при выведении его на траекторию полета к Луне. Имеются также два двигателя для осадки топлива (тягой по 1,45 тс). К верхней части ступени жестко прикреплен приборный отсек IU (Instrumental Unit) массой 1,95 т, который содержит аппаратуру инерциальной системы управления, счетно-решающее устройство, телеметрическую систему, радиоаппаратуру для траекторных измерений, источники электроэнергии, а также систему терморегулирования. Полезная нагрузка ракеты состоит из трех отсеков космического корабля «Аполлон», переходника и системы аварийного спасения. Ее масса при полете корабля «Аполлон-11» составляла 49,7 т, при полете «Аполлона-15» - 53,5 т.
     Командный отсек CM (Command Module) массой 5561,5 кг, в том числе 111 кг топлива, является той частью всей ракетно-космической системы, которая после завершения экспедиции должна благополучно возвратиться на Землю. Кабина имеет объем 6 м³. На конической части отсека расположены 12 двигателей (каждый тягой 42,2 тс) системы управления ориентацией, которые используются только при входе в атмосферу. С их помощью регулируется подъемная сила (путем изменения угла крена), возникающая из-за отклонения центра масс отсека от продольной оси. Служебный (двигательный) отсек SM (Service Module) имел массу 23 264,3 кг, в том числе 18,5 т топлива для маршевого двигателя (горючее - 50% смесь безводного гидразина с несимметричным диметилгидразином, окислитель - четырехокись азота) и 608 кг топлива для вспомогательных двигателей. Маршевый двигатель может отклоняться на 8°, рассчитан на 50 включений, тяга его равна 9,3 тс (не регулируется), удельный импульс 308 с, запас зарактеристической скорости 2,5 км/с. Он используется для маневров на пути к Луне, вблизи Луны и возвращении на Землю. Вокруг отсека расположены 16 двигателей системы управления ориентацией и стабилизацией, собранных в четыре блока (45,4 кгс). Они используются также при операциях стыковки, так как могут сообщать и поступательное движение.
     Командный и служебный отсеки вместе образуют основной блок корабля «Аполлон». Он существует как одно целое до момента, предшествующего входу в земную атмосферу. Лунный отсек LM (Lunar Module), или лунный корабль, предназначен для высадки двух космонавтов на Луну и возвращения их на окололунную орбиту. Масса отсека 15 075,1 кг, в том числе 10,5 т топлива (того же, что и в служебном отсеке). Расстояние между противоположными пятами выпущенного шасси 9,5 м. Отсек состоит из посадочной ступени массой около 10 т и взлетной ступени массой около 4 т; каждая ступень имеет свои двигатели и топливные баки. Хрупкая конструкция отсека рассчитана на слабое лунное притяжение. Посадочная ступень (сухая масса 2035,3 кг) снабжена шарнирно подвешенным двигателем с регулируемой тягой, максимальная величина которой равна примерно 4,5 тс. При двух различных режимах работы двигателя тяга составляет 10-65% и 95-100% максимальной тяги. Удельный импульс двигателя 313 с, максимальная продолжительность работы 1000 с, характеристическая скорость 2,3 км/с (запас топлива 8217 кг).
     Взлетная ступень (сухая масса без космонавтов 2181,0 кг) содержит кабину (объем 6,7 м³, в том числе 4,53 м³ - свободный объем для двух космонавтов), основную часть системы жизнеобеспечения, системы навигации и управления, источники электроэнергии. Кабина лишена кресел; космонавты поддерживаются ременной системой. Основной двигатель взлетной ступени имеет постоянную тягу 1,59 тс и не поворачивается; характеристическая скорость равна 2,3 км/с (запас топлива 2367,2 кг). 16 вспомогательных двигателей собраны в четыре блока (тяга каждого двигателя 45,4 кгс) и служат для ориентации и стабилизации всего лунного отсека или взлетной ступени, а также для отделения лунного отсека от основного блока, горизонтальных перемещений при висении над лунной поверхностью и т.д.
     Начальная масса корабля «Аполлон-11», складывающаяся из перечисленных выше трех отсеков корабля, равнялась 43 900,9 кг. По мере осуществления программы «Аполлон» корабль подвергался некоторым модификациям. Увеличилась масса основного блока. В нем стал размещаться комплект научных приборов и «субспутник», выводившийся на самостоятельную орбиту вокруг Луны. Расширение программы пребывания космонавтов на Луне привело к увеличению массы лунного отсека. Масса корабля «Аполлон-15» уже составляла 48 760 кг.

Лунный отсек корабля «Аполлон»: 1 - стыковочный люк, 2 - антенна метрового диапазона волн, 3 - стыковочная мишень, 4 - хвостовая секция взлетной ступени для размещения оборудования, 5 - блок вспомогательных двигателей, 6 - антенна, работающая в диапазоне частот С, 7 - источник света, 8 - посадочное шасси, 9 - тарельчатая пята ноги шасси, 10 - антенна радиолокатора системы управления посадкой, 11 - средняя секция взлетной ступени, 12 - двигатель посадочной ступени, 13 - площадка у переднего люка, 14 - лестница для спуска на поверхность Луны, 15 - передний люк для выхода на поверхность, 16 - треугольное окно для командира корабля, 17 - импульсный источник света, 18 - серповидная антенна приемника метрового диапазона, 19 - фиксированная антенна, работающая в диапазоне частот S, 20 - антенна радиолокатора для встречи на орбите, 21 - герметичная кабина космонавтов, 22 - поворотная антенна, работающая в диапазоне частот S, 23 - инерциальный измерительный блок, 24 - окно в потолке для наблюдения при встрече и стыковке с основным блоком.

Ракетно-космическая система «Сатурн-5-Аполлон»: Лунный отсек корабля Аполлон

     Лунный отсек при старте с Земли помещен внутри переходника LMA (Lunar Module Adapter) массой 1816 кг, который предохраняет отсек от аэродинамических нагрузок при прохождении плотных слоев атмосферы. К переходнику (а не к лунному отсеку!) пристыкован основной блок. На самом верху системы «Сатурн-5-Аполлон» крепится система аварийного спасения LES (Launch Escape Tower) массой 4045 кг. Ее ферма укреплена на теплозащитном экране, предохраняющем командный отсек на участке подъема в атмосфере. Система состоит из трех РДТТ: в случае угрозы аварии одновременно включаются два РДТТ, и командный отсек, отделившись от служебного, уносится в море. В верхней точке включается третий РДТТ, отбрасывающий систему спасения, после чего раскрываются парашюты. Если аварии не произошло, этот двигатель отбрасывает систему спасения вместе с теплозащитным экраном на высоте 70-80 км.
     Перейдем теперь к последовательному изложению операций, которыми сопровождается экспедиция на Луну. В соответствии с программой в момент Т+2 мин 15 с (Т - момент отрыва от стартового стола) должен быть выключен центральный двигатель первой ступени, а в момент Т+2 мин 40,8 с - остальные. Еще через 2,4 с включаются двигатели второй ступени S-II, а через 25 с после этого сбрасывается система аварийного спасения вместе с теплозащитным экраном. Двигатели второй ступени выключаются в момент Т+9 мин 11,4 с на высоте 185,9 км при дальности 1640 км и скорости 6,94 км/с. В момент Т+9 мин 15,4 с включается двигатель J-2 третьей ступени S-IVB, который, не выработав всего топлива, выключается в момент Т+11 мин 40,1 с. В результате третья ступень вместе с приборным отсеком IU и кораблем «Аполлон» (масса 136 т) достигает скорости 7,79 км/с на расстоянии 2713 км от мыса Канаверал и выходит на орбиту высотой 188 км и наклонением 32,6°.
     В момент Т+2 ч 44 мин 14,8 с на втором витке повторно включается двигатель J-2 ступени S-IVB и через 5 мин 48,3 с сообщает приращение скорости 3041,2 м/с. В результате третья ступень с кораблем «Аполлон» (общая масса 63 т) выходит на траекторию полета к Луне на высоте 322,7 км с начальной скоростью 10 846,7 м/с. На пути к Луне производится перестроение отсеков корабля. После этого корабль принимает конфигурацию, показанную на схеме этапов полета по программе "Аполлон", (б), повторно разворачивается на 180° и после получения слабого импульса (6 м/с при полете «Аполлона-11») удаляется от ступени S-IVB. Ступени S-IVB при полетах кораблей «Аполлон-11» и «Аполлон-12» затем получали небольшой импульс путем слива остатков топлива и, перейдя на новую орбиту, разгонялись потом в сфере действия Луны и покидали сферу действия Земли. Во всех последующих полетах ступени направлялись на Луну для искусственного возбуждения сейсмических колебаний лунной коры, эквивалентных последствиям взрыва 11 т тринитротолуола (скорость удара при падении порядка 2,5 км/с). На фотоснимках, сделанных с окололунной орбиты в ходе операций программы «Аполлон», были обнаружены кратеры диаметром несколько десятков метров, образовавшиеся на Луне при падении ступеней S-IVB.
     При первой экспедиции на Луну траектория корабля «Аполлон-11» являлась траекторией свободного возвращения: в случае отказа маршевого двигателя служебного отсека корабль, обогнув Луну на расстоянии 110 км от поверхности, вернулся бы полого в атмосферу Земли и и в момент Т+145 ч 04 мин приводнился в запасном районе Тихого океана, причем необходимые корекции могли быть совершены с помощью маломощных двигателей ориентации и стабилизации командного отсека. Благодаря уверенности в том, что маршевый двигатель «не подведет», последующие полеты к Луне проходили иначе. Сначала корабль двигался по траектории, отстоящей на 3000 км от лунной поверхности. Без дополнительных импульсов корабль при этом, выйдя из сферы действия Луны, стал бы двигаться по геоцентрической траектории и, пройдя на расстоянии 82 000 км от Земли, вышел бы из сферы действия Земли. Для входа в атмосферу понадобились бы коррекции, производимые с помощью маршевого двигателя или или вспомогательных двигателей основного блока, или двигателей лунного отсека. При невозможности их осуществить корабль обречен на вечное движение по орбите вокруг Солнца... Однако в действительности обязательная вторая коррекция, производимая после 31 часа полета к Луне (из четырех возможных на пути к Луне), переводит посредством импульса 19,5 м/с корабль на «гибридную» траекторию, проходящую на растоянии примерно 120 км от Луны. Преимущество «гибридной» траектории - в экономии топлива и в лучших условиях управления и слежения с Земли на начальном участке и в момент посадки на Луну.

Некоторые этапы полета по программе «Аполлон»: а) перестроение отсеков на пути к Луне (отход основного блока от третьей ступени, поворот на 180°, отделение и отход перестроенного корабля от третьей ступени); б) корабль вблизи Луны (шасси в рабочем положении); в) отделение лунного отсека от основного блока; г) сход лунного отсека с окололунной орбиты; д) посадка лунного отсека; е) старт взлетной ступени лунного отсека; ж) стыковка взлетной ступени с основным блоком; з) вход командного отсека в земную атмосферу (AA - продольная ось отсека, v, X, Y - направления векторов скорости, силы лобового сопротивления и подъемной силы).

Ракетно-космическая система «Сатурн-5-Аполлон»: перестройка при полете на Луну

     Около ближайшей к Луне точки траектории (над обратной стороной Луны) включается примерно на 6 мин маршевый двигатель основного блока, уменьшающий селеноцентрическую скорость примерно с 2,5 км/с до 1,7 км/с и корабль переходит на эллиптическую окололунную орбиту с апоселением на высоте примерно 315 км. При полетах кораблей «Аполлон-11, -12» далее с помощью нового тормозного импульса маршевого двигателя корабль переводился на слабоэллиптическую орбиту высотой от 100 до 120 км, которая вследствие возмущений из-за нецентральности поля тяготения Луны сама затем по расчетам должна была превратиться в круговую высотой 111 км. С этой «базовой» орбиты и совершается переход отделившегося лунного отсека с двумя космонавтами на эллиптическую орбиту снижения с периселением на высоте примерно 15 км вблизи избранного места посадки. Тормозной импульс сообщается двигателем посадочной ступени.
     По более позднему варианту плана (начиная с полета «Аполлона-13») на орбиту снижения с высотой периселения 15 км с помощью маршевого двигателя основного блока должен был переводиться весь корабль «Аполлон» прямо с начальной эллиптической орбиты, и отделение лунного отсека производится уже после этого. Основной блок затем с помощью разгонного импульса переходит на базовую орбиту ожидания высотой 111 км. Этот маневр позволял экономить топливо посадочной ступени лунного отсека для увеличения времени зависания над Луной в конце посадки. Заключительный этап посадки начинается включением двигателя посадочной ступени вблизи периселения, на высоте 15 км и расстоянии 480 км от места посадки. Через 26 с тяга двигателя делается максимальной. Еще через 4 мин бортовой радиолокатор начинает сообщать высоту, а через 2 мин после этого - скорость корабля относительно поверхности. При этом тяга уменьшается до 60% от максимальной. Через 8 мин 24 с торможения на высоте 2,35 км и расстоянии 8,2 км от места посадки, при горизонтальной скорости 152 м/с и вертикальной 45,7 м/с начинается этап дальнего подхода с возможностью ручного управления. Наконец, через 10 мин 6 с после начала торможения начинается этап ближнего подхода - до места посадки 550 м, высота 159 м, горизонтальная составляющая скорости 16,8 м/с, спуск почти вертикален. Вертикальное снижение начинается на высоте 46 м, причем автоматически поддерживается постоянной скорость 0,9 м/с. Предусмотрена возможность зависания над Луной, для чего тяга должна уменьшаться в точном соответствии с массой корабля, чтобы не начался подъем. Двигатель выключается космонавтами через 1 с после того, как получен сигнал о касании поверхности одним из щупов (стержни длиной 170 см) на пятах посадочных опор. Такова расчетная схема посадки корабля «Аполлон-11».
     Пребывание двух космонавтов на Луне сопровождалось в каждой экспедиции их двух-трехкратным выходом на поверхность для установки научной аппаратуры, проведения экспериментов, прогулок к заданным объектам (например, при полете «Аполлона-12» - к аппарату «Сервейер-3», совершившему посадку на расстоянии 180 м в 1967 г.), сбора образцов минералов. При полете «Аполлона-14» в распоряжении космонавтов была ручная тележка, а начиная с полета «Аполлона-15» - вездеход массой 208 кг (рис. 108), способный развивать максимальную скорость 13 км/ч (рекордная скорость 17 км/ч на небольшом склоне при полете «Аполлона-16»), обладающий ходом до 92 км и выдерживающий нагрузку до 490 кг. Шесть экспедиций доставили на Землю около 400 кг лунных образцов. Из доставлявшихся на Луну каждой экспедицией комплектов «Алсеп» - приборов, предназначенных для многолетних послеполетных экспериментов, - особо должны быть отмечены сейсмометры и лазерные отражатели (все они были выключены лишь в сентябре 1977 г. из-за истощения источников энергии и, главным образом, сокращения ассигнований на наземное обслуживание). В полетах кораблей «Аполлон-15, -16, 17» большой комплект научной аппаратуры находился в одной из секций служебного отсека. Необходимые материалы забирались отсюда при выходе в космос пилота командного отсека.
     Возвращение двух космонавтов (РИС. 1) с Луны начинается вертикальным стартом взлетной ступени с помощью основного двигателя. Затем ступень отклоняется от вертикали и через 7 мин после старта выходит (в точке 2, рис. 1) на начальную орбиту с периселением на высоте 16,7 км и апоселением на высоте 83,3 км. Последующее сложное маневрирование производится с помощью двигателей системы ориентации и стабилизации. Взлетные ступени при первых двух экспедициях на Луну сначала посредством импульса 15,07 м/с в апоселении 3 выходили на круговую орбиту, затем, после исправления, если было необходимо, плоскости орбиты в точке 4, переводились в точке 5 импульсом 1,37 м/с на близкую к круговой эллиптическую орбиту, имеющую ту же линию апсид, что и орбита ожидания основного блока (разность выот орбит была повсюду почти одинакова - около 28 км). Теперь космонавты могли ждать подходящего момента для начала заключительного маневра сближения с основным блоком (нестрашно было его и пропустить и дождаться следующего). После импульса 7,5 м/с начала маневра в точке 6 и коррекций 7 и 8 взлетная ступень, находясь в точке 9 ниже и впереди нагонявшего ее основного блока, начинала разгон (13,7 м/с), чтобы в точке 10 выйти на орбиту основного блока. (Это выравнивание скоростей воспринималось с борта основного блока как торможение приближающейся взлетной ступени. Указанные выше значения импульсов и параметры орбит - расчетные, фактические значения от них несколько отличались.) Групповой полет заканчивался сближением с помощью вспомогательных двигателей основного блока и стыковкой в точке 11 (через 3 ч 37 мин после старта). Маневры были рассчитаны так, что происходили при удобных условиях связи взлетной ступени с основным блоком и освещенности на последнем этапе сближения. Их сложность обеспечивала высокий уровень безопасности, за которую, правда, платилось лишней затратой топлива и большой длительностью всей операции.
     Начиная с полета «Аполлона-14», после выхода в точке 2 (рис. 2) на начальную орбиту и увеличения в точке 3 скорости на 4,6 м/с осуществлялся переход в точке 4 на траекторию перехвата, затем следовали коррекции 5, 6, разгон 7, выход 8 на орбиту основного блока и стыковка; вся операция от старта до стыковки занимала лишь 1 ч 45 мин. Переход к ней объяснялся возросшей уверенностью в надежности двигательных систем лунного корабля. После перехода двух космонавтов в основной блок, взлетная ступень лунного корабля отделялась. Начиная с полета «Аполлона-12», она затем с помощью тормозного импульса основного двигателя по очень пологой траектории сбрасывалась на Луну. Скорость удара 1,68 км/с позволяла провести сейсмический эксперимент.
     Основной блок после некоторого периода обращения вокруг Луны разгонялся с помошью маршевого двигателя на 0,9-:-1,0 км/с, что доводило его селеноцентрическую скорость до примерно 2,5 км/с. Перед входом в атмосферу Земли, через 2,5-3 сут, отделялся служебный отсек, а командный отсек совершал спуск с аэродинамическим качеством до 0,4 (возможны маневры по дальности от 100 до 5000 км), завершавшийся приводнением на парашютах в Тихом океане со скоростью 10 м/с. Минимальная продолжительность экспедиции («Аполлон-11») составила 195 ч 17 мин 53 с, максимальная («Аполлон-17») - 301 ч 51 мин 5 с. После трех первых возвращений космонавтов с Луны они проходили карантин в виду возможности занесения на Землю чужеродных микроорганизмов. Эта мера была отменена с «Аполлона-15».
     Чуть было не закончился трагически полет корабля «Аполлон-13». 14 апреля 1970 г. в 3 часа по Гринвичу на пути к Луне при расстоянии от Земли 330 000 км вследствие неисправности электропроводки в служебном отсеке произошел взрыв кислородного бака, который питал водородно-кислородные топливные элементы и систему жизнеобеспечения. вышли из строя все три топливных элемента, расположенных в служебном отсеке и служивших источником электроэнергии для основного блока и питьевой воды для космонавтов, а следовательно, и все двигатели служебного отсека; отказала система жизнеобеспечения командного отсека. В запасе остались лишь батареи командного отсека и запас кислорода в нем, предназначенные для этапа спуска в атмосфере. Лунный отсек стал играть роль спасательной шлюпки. В режиме крайней экономии использовались его ресурсы электроэнергии, воды и кислорода. Ориентация и коррекция траектории осуществлялись с помощью двигателей системы ориентации лунного отсека и посадочного двигателя. Ориентация часто нарушалась истечением газов из служебного отсека. Корабль был окружен в полете роем осколков.

Рис 1. Немасштабная схема встречи взлетной ступени с основным блоком в ходе полетов кораблей «Аполлон-11,-12». Рис 2. Немасштабная схема встречи взлетной ступени с основным блоком в ходе полетов кораблей «Аполлон-14-17».

Ракетно-космическая система «Сатурн-5-Аполлон»: схемы встречи на орбите Луны

     Корректирующий импульс 11,3 м/с перевел в 8 ч 43 мин корабль на траекторию облета Луны с возвращением в атмосферу. После облета Луны (минимальное расстояние - 250 км) 15 апреля в 02 ч 40 мин был сообщен корректирующий импульс 265 м/с (посадочный двигатель работал 4 мин 24 с), что сократило на 10 ч полет до Земли и обеспечило приводнение в Тихом океане. 17 апреля в 12 ч 53 мин на расстоянии 72 000 км от Земли с помощью двигателей системы ориентации лунного отсека была проведена последняя коррекция, увеличившая угол входа в атмосферу до 6,85°. В 13 ч 16 мин был отделен служебный отсек, а в 16 ч 43 мин на расстоянии 21 000 км от Земли - лунный (до этого двое космонавтов помещались в лунном отсеке, а один - в переходном туннеле). Благополучное приводнение командного отсека с космонавтами произошло 17 апреля в 18 ч 08 мин в расчетной точке юго-восточнее островов Самоа (время всюду по Гринвичу).
     Затраты на каждую лунную экспедицию составляли около 400 млн. долл. (в том числе 185 млн. долл. - стоимость ракеты-носителя и 95 млн. долл. - корабля «Аполлон»). Стоимость всей программы «Аполлон» с учетом теоретических и экспериментальных разработок, отработки различных систем, экспериментальных полетов вокруг Земли и вокруг Луны оценивается в 25-26 млрд. долл.