К статье КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ ПИЛОТИРУЕМЫЕ
Основной блок КК "Аполлон". Как у кораблей "Меркурий" и "Джемини", отсек экипажа КК "Аполлон" имеет форму конуса с теплозащитным экраном из абляционного материала. Парашюты и оборудование для посадки располагаются в носовой части конуса. Три космонавта занимают места рядом друг с другом в специальных креслах, прикрепленных к основанию капсулы. Перед ними находится панель управления. В вершине конуса предусмотрен небольшой тоннель к выходному люку. На противоположной стороне имеется штырь стыковочного узла, который входит в стыковочное отверстие лунной кабины и плотно стягивает их так, чтобы захваты могли обеспечить герметичное соединение двух кораблей. На самом верху корабля установлена система аварийного спасения (более мощная, чем на ракете "Редстоун"), с помощью которой отсек экипажа может быть уведен на безопасное расстояние в случае аварии на старте.
27 января 1967 во время имитационного отсчета времени перед первым пилотируемым полетом случился пожар, в котором погибли три космонавта (В.Гриссом, Э.Уайт и Р.Чаффи).
Основные изменения в конструкции отсека экипажа после пожара заключались в следующем: 1) были введены ограничения на использование горючих материалов; 2) изменен состав атмосферы внутри отсека перед стартом на смесь 60% кислорода и 40% азота (в воздухе при нормальных условиях 20% кислорода и 80% азота), после запуска кабина продувалась, и атмосфера в ней заменялась на чисто кислородную при пониженном давлении (экипаж при этом, находясь в скафандрах, все время пользовался чистым кислородом); 3) добавлен быстро открывающийся аварийный люк, который позволял экипажу покинуть корабль менее чем за 30 с.
Отсек экипажа соединен с цилиндрическим двигательным отсеком, в котором находится маршевая двигательная установка (ДУ), двигатели системы ориентации (СО) и система электропитания (СЭП). ДУ состоит из маршевого ракетного двигателя, двух пар баков горючего и окислителя. Этот двигатель должен использоваться для торможения корабля при переходе на окололунную орбиту и разгона для возвращения на Землю; кроме того, он включается для промежуточных коррекций траектории полета. СО позволяет контролировать положение корабля и маневрировать при стыковке. СЭП обеспечивает корабль электроэнергией и водой (которая образуется при химической реакции между водородом и кислородом в топливных элементах).
Лунная кабина. В то время как основной блок корабля спроектирован с расчетом на вход в атмосферу, лунная кабина рассчитана только на полет в безвоздушном пространстве. Поскольку на Луне нет атмосферы и ускорение силы тяжести на ее поверхности в шесть раз меньше земного, посадка и взлет на Луне требуют значительно меньше энергетических затрат, чем на Земле.
Посадочная ступень лунной кабины имеет форму восьмигранника, внутри которого располагаются четыре бака с топливом и двигатель с регулируемой тягой. Четыре телескопические стойки посадочного шасси оканчиваются тарельчатыми опорами, чтобы кабина не провалилась в лунную пыль. Для амортизации удара при прилунении стойки посадочного шасси заполнены сминаемым сотовым заполнителем из алюминия. Экспериментальное оборудование размещается в специальных отсеках между стойками.
Взлетная ступень снабжена небольшим двигателем и двумя топливными баками. Из-за того что испытываемые космонавтами перегрузки сравнительно невелики (одно лунное g при работе двигателя и около пяти g при посадке), а ноги человека хорошо амортизируют умеренные ударные нагрузки, конструкторы лунной кабины не стали ставить кресла для космонавтов. Стоя в кабине, космонавты находятся близко к иллюминаторам и имеют хороший обзор; поэтому отпала необходимость в больших и тяжелых иллюминаторах. Иллюминаторы лунной кабины немногим больше размеров человеческого лица.
Ракета-носитель "Сатурн-5". КК "Аполлон" запускался ракетой "Сатурн-5", самой большой и мощной из успешно испытанных в полете. Она построена на основе проекта, разрабатанного группой В. фон Брауна в управлении баллистических ракет армии США в Хантсвилле (шт. Алабама). Были построены и летали три модификации ракеты - "Сатурн-1", "Сатурн-1В" и "Сатурн-5". Первые две ракеты были построены для проверки совместной работы нескольких двигателей в космосе и для экспериментальных запусков корабля "Аполлон" (одного беспилотного и одного пилотируемого) на околоземную орбиту.
Самая мощная из них - ракета-носитель "Сатурн-5" - имеет три ступени S-IC, S-II и S-IVB и приборный отсек, к которому крепится КК "Аполлон". На первой ступени S-IC установлено пять двигателей F-1, работающих на жидком кислороде и керосине. Каждый двигатель во время старта развивает тягу 6,67 МН. Вторая ступень S-II имеет пять кислородо-водородных двигателей J-2 тягой 1 МН каждый; на третьей ступени S-IVB установлен один такой двигатель. В приборном отсеке находится оборудование системы наведения, обеспечивающей навигацию и управление полетом вплоть до отделения корабля "Аполлон".
Общая схема полета. КК "Аполлон" запускался с космодрома им. Кеннеди, расположенного на о. Мерритт (шт. Флорида). Лунная кабина при этом располагалась внутри специального кожуха над третьей ступенью ракеты "Сатурн-5", а основной блок крепился к верхней части кожуха. Три ступени ракеты "Сатурн" выводили космический корабль на низкую околоземную орбиту, где экипаж в течение трех витков проверял все системы перед повторным включением двигателей третьей ступени для выведения корабля на траекторию полета к Луне. Вскоре после выключения двигателей третьей ступени экипаж отстыковывал основной блок, разворачивал его и пристыковывал к лунной кабине. После этого связка основного блока и лунной кабины отделялась от третьей ступени и корабль в течение следующих 60 ч совершал полет к Луне.
Вблизи Луны связка основной блок - лунная кабина описывала напоминающую восьмерку траекторию. Находясь над обратной стороной Луны, космонавты включали маршевый двигатель основного блока для торможения и перевода корабля на окололунную орбиту. На следующий день два космонавта переходили в лунную кабину и начинали пологий спуск к поверхности Луны. Сначала аппарат летит посадочными стойками вперед, а двигатель посадочной ступени тормозит его движение. При приближении к месту посадки кабина разворачивается вертикально (посадочными стойками вниз), чтобы космонавты могли видеть поверхность Луны и осуществлять ручное управление процессом посадки.
Для исследования Луны космонавты, находясь в скафандрах, должны были разгерметизировать кабину, открыть люк и спуститься на поверхность по лестнице, расположенной на передней стойке посадочного шасси. Их скафандры обеспечивали автономную жизнедеятельность и связь на поверхности продолжительностью до 8 ч.
После окончания исследований космонавты поднимались во взлетную ступень и, стартуя с посадочной ступени, возвращались на окололунную орбиту. Затем они должны были сблизиться и состыковаться с основным блоком, покинуть взлетную ступень и присоединиться к третьему космонавту, дожидавшемуся их в отсеке экипажа. Во время последнего витка, находясь с обратной стороны Луны, они включали маршевый двигатель, чтобы завершить восьмерку и вернуться на Землю. Обратное путешествие (также продолжительностью около 60 ч) заканчивалось огненным прохождением через земную атмосферу, плавным спуском на парашютах и приводнением в Тихом океане.
Подготовительные полеты. Чрезвычайная сложность высадки на Луну вынудила НАСА перед первой посадкой совершить серию из четырех предварительных полетов. Кроме того, НАСА решилось на два весьма рискованных мероприятия, которые сделали возможной высадку в 1969. Первым из них было решение провести два испытательных полета (9 ноября 1967 и 8 апреля 1968) ракеты "Сатурн-5" как общие приемо-сдаточные испытания. Вместо того чтобы проводить отдельные приемочные полеты каждой ступени, инженеры НАСА испытали сразу три ступени вместе с переделанным кораблем "Аполлон".
Другое рискованное мероприятие явилось результатом задержек в изготовлении лунной кабины. Первый пилотируемый полет основного блока КК "Аполлон" ("Аполлон" 7, У.Ширра, Д.Эйзеле и У.Каннингем, 11-22 октября 1968), запущенного ракетой "Сатурн-1В" на околоземную орбиту, показал, что основной блок готов к полету к Луне. Далее следовало испытать основной блок с лунной кабиной на околоземной орбите. Однако в связи с задержкой изготовления лунной кабины и слухами, что Советский Союз может попытаться отправить человека в полет вокруг Луны и одержать победу в космической гонке, руководство НАСА решило, что "Аполлон" 8 (Ф.Борман, Дж.Ловелл и У.Андерс, 21-27 декабря 1968) совершит полет к Луне в основном блоке, проведет сутки на окололунной орбите и затем вернется на Землю. Полет прошел успешно; экипаж передавал на Землю захватывающие видеорепортажи с лунной орбиты в канун Рождества.
В полете "Аполлон" 9 (Дж.Макдивитт, Д.Скотт и Р.Швейкарт, 3-13 марта 1969) основной блок и лунная кабина испытывались на околоземной орбите. Полет "Аполлон" 10 (Т.Стаффорд, Дж.Янг и Ю.Сернан, 18-26 мая 1969) проходил почти по полной программе, за исключением посадки лунной кабины.
Советская программа пилотируемых полетов на Луну. Вслед за "Востоком" советские ученые и инженеры создали "Союз" - космический корабль, который занимает промежуточное место между "Джемини" и "Аполлоном" по своей сложности и возможностям. Спускаемый отсек располагается над агрегатным отсеком, а над ним находится бытовой отсек. Во время старта или спуска в спускаемом отсеке могут находится два или три космонавта. Двигательная установка, системы электроснабжения и связи находятся в агрегатном отсеке. "Союз" выводился на орбиту ракетой-носителем А-2, которая была разработана на смену носителю А-1, использовавшемуся для вывода кораблей "Восток".
Согласно первоначальному плану полета человека вокруг Луны, сначала должен был запускаться беспилотный разгонный блок "Союз-Б", а затем - четыре грузовых корабля "Союз-А" для заправки его топливом. После этого спускаемый отсек "Союза-А" с экипажем из трех человек стыковался с разгонным блоком и направлялся к Луне. Вместо этого довольно сложного плана в конце концов было решено использовать более мощную ракету "Протон" для запуска к Луне модифицированного "Союза", названного "Зонд". Состоялись два беспилотных полета к Луне ("Зонд" 5 и 6, 15-21 сентября и 10-17 ноября 1968), которые включали возвращение аппаратов на Землю, однако запуск 8 января внепланового "Зонда" оказался неудачным (вторая ступень ракеты-носителя взорвалась).
Схема полета к Луне была примерно такой же, как в программе "Аполлон". Трехместный корабль "Союз" и одноместный спускаемый аппарат должны были выводиться на траекторию полета к Луне ракетой-носителем Н-1, имевшей несколько большие размеры и мощность, чем "Сатурн-5". Специальная двигательная установка должна была затормозить связку для перехода на окололунную орбиту и обеспечить торможение спускаемого аппарата. Заключительный этап посадки спускаемый аппарат должен был осуществлять самостоятельно. Слабым местом этого проекта было то, что лунный модуль имел один двигатель, который использовался и для спуска, и для взлета (баки с топливом для каждого этапа были раздельными), поэтому положение космонавтов становилось безвыходным в случае отказа двигателя на спуске. После кратковременного пребывания на поверхности Луны космонавты возвращались на окололунную орбиту и присоединялись к своему товарищу. Возвращение на Землю в корабле "Союз" происходило подобно тому, как было описано выше для КК "Аполлон".
Однако проблемы - как с кораблем "Союз", так и с носителем Н-1 - не позволили Советскому Союзу осуществить программу высадки человека на Луну. Первый полет корабля "Союз" (В.М.Комаров, 23-24 апреля 1967) закончился гибелью космонавта. При полете "Союза-1" появились проблемы с солнечными батареями и системой ориентации, поэтому полет было решено прервать. После первоначально нормального спуска капсула начала кувыркаться и запуталась в стропах тормозного парашюта, спускаемый аппарат с большой скоростью врезался в землю, и Комаров погиб.
После 18-месячного перерыва запуски по программе "Союз" возобновились полетами кораблей "Союз-2" (беспилотный, 25-28 октября 1968) и "Союз-3" (Г.Т.Береговой, 26-30 октября 1968). Береговой осуществлял маневры и сближался с кораблем "Союз-2" до расстояния 200 м. В полетах "Союза-4" (В.А.Шаталов, 14-17 января 1969) и "Союза-5" (Б.В.Волынов, Е.В.Хрунов и А.С.Елисеев, 15-18 января 1969) был достигнут дальнейший прогресс; Хрунов и Елисеев перешли в "Союз-4" через открытый космос после стыковки кораблей. (Стыковочный механизм советских кораблей не позволял переходить из корабля в корабль непосредственно.)
Кроме того, между различными конструкторскими бюро существовало острое соперничество, которое не позволяло многим талантливым ученым и инженерам не только работать над лунной программой, но даже использовать необходимое оборудование. В результате на первой ступени ракеты Н-1 было установлено 30 двигателей (24 по периметру и 6 в центре) средней мощности, а не пять больших двигателей, как на первой ступени ракеты "Сатурн-5" (такие двигатели в стране имелись), и ступени не проходили огневых испытаний перед полетом. Первая ракета Н-1, запущенная 20 февраля 1969, загорелась на 55-й секунде после старта и упала в 50 км от места запуска. Вторая ракета Н-1 взорвалась на стартовом столе 3 июля 1969.
Экспедиции на Луну. Успех подготовительных полетов по программе "Аполлон" ("Аполлон" 7-10) позволил кораблю "Аполлон"11 (Н.Армстронг, Э.Олдрин и М.Коллинз, 16-24 июля 1969) совершить исторический первый полет с высадкой человека на Луне. Полет проходил исключительно успешно в почти поминутном соответствии с программой.
Однако три существенных события во время спуска Армстронга и Олдрина в лунной кабине "Игл" ("Орел") 20 июля подтвердили важную роль присутствия человека и выдвинутого первыми американскими космонавтами требования, чтобы они имели возможность управлять кораблем. На высоте ок. 12 000 м компьютер "Игл" начал выдавать звуковой сигнал тревоги (как впоследствии выяснилось, в результате работы посадочного радара). Олдрин решил, что это результат перегрузки компьютера, и экипаж проигнорировал сигнал тревоги. Затем в последние минуты спуска, после того как "Игл" развернулся в вертикальное положение, Армстронг и Олдрин увидели, что кабина приземляется прямо в нагромождение каменных глыб - небольшие аномалии гравитационного поля Луны отклонили их от курса. Армстронг взял управление кабиной на себя и пролетел несколько дальше к более ровной площадке. В это же время бульканье топлива в баках показало, что топлива осталось мало. Центр управления полетом сообщил экипажу, что у них есть запас времени, однако Армстронг осуществил мягкую посадку на четыре опоры стоек шасси приблизительно в 6,4 км от намеченной точки, причем топлива оставалось еще лишь на 20 с полета.
Несколько часов спустя Армстронг вышел из кабины и спустился на лунную поверхность. В соответствии с планом полета, предусматривавшим максимальную осторожность, они вместе с Олдрином провели всего лишь 2 ч 31 мин вне кабины на поверхности Луны. На следующий день после 21 ч 36 мин пребывания на Луне они стартовали с ее поверхности и присоединились к Коллинзу, находившемуся в основном блоке "Колумбия", в котором и возвратились на Землю.
Следующие полеты по программе "Аполлон" значительно расширили знания человека о Луне. Во время полета КК "Аполлон" 12 (Ч.Конрад, А.Бин и Р.Гордон, 14-24 ноября 1969) Гордон и Бин посадили свою лунную кабину "Интрепид" ("Отважный") в 180 м от автоматического космического зонда "Сервейор-3" и забрали его узлы для возвращения на Землю во время одного из двух своих выходов на поверхность, каждый из которых продолжался около четырех часов.
Запуск и переход на траекторию полета к Луне корабля "Аполлон" 13 (11-17 апреля 1970) прошли нормально. Однако приблизительно через 56 ч после старта центр управления полетом попросил экипаж (Дж.Ловелл, Ф.Хейзе-мл. и Дж.Швайгерт-мл.) включить все мешалки и нагреватели баков, после чего последовал громкий хлопок, полная потеря кислорода из одного бака и утечка из другого. (Как было позже выяснено аварийной комиссией НАСА, взрыв бака произошел в результате производственных дефектов и повреждений, полученных в предстартовых испытаниях.) Через несколько минут экипаж и центр управления полетом поняли, что основной блок "Одиссей" вскоре потеряет весь кислород и останется без электроэнергии и что лунную кабину "Аквариус" ("Водолей") придется использовать как спасательную шлюпку при облете космического корабля вокруг Луны и на обратном пути к Земле. В течение почти пяти с половиной суток экипаж вынужден был находиться при температуре, близкой к нулевой, обходясь ограниченным запасом воды и отключив почти все служебные системы корабля для экономии электроэнергии. Космонавты трижды включали двигатели "Аквариуса" для коррекции траектории. Перед входом в атмосферу Земли экипаж включил системы корабля "Одиссей", используя предназначенные для посадки химические источники тока, и отделился от "Аквариуса". После нормального спуска в атмосфере "Одиссей" благополучно приводнился в Тихом океане.
После этой аварии специалисты НАСА установили дополнительные аварийные химические батареи и кислородный бак в отдельный отсек основного блока и изменили конструкцию кислородных баков. Пилотируемые лунные экспедиции возобновились с полетом КК "Аполлон" 14 (А.Шепард, Э.Митчелл и С.Руза, 31 января - 9 февраля 1971). Шепард и Митчелл пробыли на поверхности Луны 33 ч и совершили два выхода на поверхность. Последние три экспедиции КК "Аполлон" 15 (Д.Скотт, Дж.Ирвин и А.Уорден, 26 июля - 7 августа 1971), 16 (Дж.Янг, Ч.Дьюк-мл. и К.Маттингли II, 16-27 апреля 1972) и 17 (Ю.Сернан, Г.Шмитт и Р.Эванс, 1-19 декабря 1972) были наиболее плодотворными с научной точки зрения. Каждая лунная кабина имела в своем составе лунный вездеход (луноход) на электрических батареях, который позволял космонавтам удаляться на расстояние до 8 км от кабины в каждом из трех выходов на поверхность; кроме того, каждый основной блок имел телевизионные камеры и другие измерительные инструменты в одном из отсеков оборудования.
Доставленные экспедициями "Аполлон" образцы для научных исследований составили более 379,5 кг камней и грунта, которые изменили и расширили представление человека о происхождении Солнечной системы.
Последние полеты советской программы пилотируемых полетов к Луне. После успеха первых полетов по программе "Аполлон" Советский Союз произвел лишь несколько запусков кораблей "Союз", космических аппаратов "Зонд" и ракеты-носителя Н-1 в рамках программы пилотируемых полетов к Луне и высадки на Луну. Космический корабль "Союз" с 1971 использовался как транспортный корабль в рамках программы полетов космических станций "Салют" и "Мир".