Подобно плаваниям в прошлом, предпринимаемым с единственной целью - сделать какое-либо открытие, лунные экспедиции также не являлись частью плана систематических исследований. Изучение Луны с помощью пилотируемых космических аппаратов было закончено после шестой успешной высадки астронавтов на ее поверхность с корабля «Аполлон-17» в декабре 1972 г. В послании конгрессу 25 мая 1961 г. президент Дж. Кеннеди заявил: «Я верю, что наша нация может взять на себя обязательство достичь поставленной цели - высадить человека на поверхность Луны и благополучно вернуть его на Землю в этом десятилетии». Эта декларация привела к оживлению медленно развертывающихся исследований космоса в США и активизации поддержки этих работ со стороны общественности и конгресса.
Спустя три недели после своего послания конгрессу президент Кеннеди призвал к ускорению работ для осуществления Соединенными Штатами задачи - первыми высадить человека на Луну.
В 1958 г., когда только приступили к работам по программе «Меркурий», это была отдельная самостоятельная программа. Но в связи с появлением проекта высадки человека на Луну программа «Меркурий» стала рассматриваться как первый шаг на пути создания космического корабля для этой цели. Наиболее отработанной была вторая модель такого корабля «Джемини». Состоявший из двух отсеков, «Джемини», масса которого (3790 кг) вдвое превышала массу «Меркурия», мог вывести на орбиту экипаж из двух человек. В головном отсеке размещались астронавты, а также парашюты системы приземления, в хвостовом - двигательная установка, которая позволяла экипажу осуществлять маневры корабля в космическом пространстве. Непосредственно перед приземлением отсек экипажа отделялся от двигательного отсека. Возникающая при сверхзвуковых скоростях полета в атмосфере небольшая аэродинамическая подъемная сила, а также смещение центра масс аппарата позволяли удлинить траекторию спуска до 322 км.
 Вверху. 27 октября 1961 г. со стартового комплекса на мысе Канаверал в испытательный полет был запущен первый космический корабль «Сатурн», имеющий тягу двигателей первой ступени 580 тс. Проверка аэродинамических характеристик и конструкции корабля прошли успешно. Полет продолжался 8 мин 4 с. |
В период с 23 марта 1965 г. по 11 ноября 1966 г. было осуществлено десять запусков космических кораблей «Джемини». Во время этих полетов астронавты учились работать в открытом космосе, выполнять маневры по сближению кораблей, осуществлять на орбите стыковку с ракетой «Аджена», проводить научные эксперименты. Астронавты майор Ф. Борман и капитан-лейтенант ВМФ Дж. Ловелл находились в полете на борту «Джемини-7» две недели (4 - 18 декабря 1965 г. ). Полет продемонстрировал, что тренированный экипаж способен безболезненно перенести состояние невесомости в течение времени, требуемого для путешествия на Луну.
Работы по программе «Джемини», оказавшейся промежуточным этапом между программами «Меркурий» и «Аполлон», позволяли провести тренировочные полеты в космос с целью отработки маневров, которые потребуются при встрече космических аппаратов на селеноцентрической орбите, являющейся необходимой операцией при осуществлении предложенного Дж. Хуболтом (специалистом из НАСА) способа доставки человека на Луну. Именно этот способ был принят специалистами НАСА в качестве основного в июне 1962 г. после того, как два других - прямой перелет с поверхности Земли на поверхность Луны, а также полет с промежуточной стыковкой на околоземной орбите - были отклонены.
Способ доставки человека на Луну с расстыковкой и стыковкой космических аппаратов на селеноцентрической орбите оказался наиболее экономичным. При этом предполагалось, что на околоземной орбите никаких операций проводиться не будет и космический аппарат сразу будет выведен на селеноцентрическую орбиту. В то время как один из астронавтов будет оставаться в основном блоке, совершая полет вокруг Луны, два других астронавта в лунной кабине достигнут лунной поверхности. Закончив здесь все работы, астронавты во взлетной ступени лунной кабины вернутся на селеноцентрическую орбиту. Для возвращения на Землю они проведут сближение и стыковку с основным блоком корабля «Аполлон».
 Возвращение и посадкаДвигательный отсек космического корабля «Аполлон» перед входом в атмосферу Земли отделяется. Двигатели системы управления по тангажу разворачивают отсек экипажа таким образом, чтобы его теплозащитное покрытие выдерживало температуру до 2740°С. При входе в атмосферу с использованием аэродинамического качества командир корабля осуществляет маневрирование в пределах «коридора входа» шириной не более 42 км. На высоте 91 00 м включается тормозная двигательная установка и скорость движения корабля уменьшается примерно до скорости звука. На высоте 7620 м раскрываются тормозные парашюты, на высоте 4570 м - основные парашюты, и отсек экипажа приводняется в океан. |
Расчет массы, которая должна доставляться к Луне (50 т), показал, что мощности ракеты-носителя «Сатурн-5» будет достаточно для практического осуществления доставки человека на Луну с использованием операций на селеноцентрической орбите. В 1962 г. в Центре космических полетов им. Маршалла (Хантсвилл, шт. Алабама) успешно проводились работы по созданию семейства ракет-носителей «Сатурн».
Разработка ракет-носителей «Сатурн» под руководством известного немецкого специалиста В. фон Брауна проводилась тем же коллективом конструкторов, который во время второй мировой войны работал над созданием боевых ракет в Пенемюнде. Работая после эмиграции из Германии в Америку по заданию Управления баллистических ракет армии США в арсенале «Редстоун» и в Центре им. Маршалла, Браун с сотрудниками разработали ракеты-носители «Юпитер-С» и «Редстоун».
Ракета-носитель «Юпитер-С» («Юнона -1») вывела на орбиту первый американский искусственный спутник Земли «Эксплорер-1», а ракета-носитель «Редстоун» - два первых космических корабля «Меркурий».
27 октября 1961 г. ракета «Сатурн- 1», первая из семейства ракет-носителей «Сатурн», успешно прошла летные испытания. Не было ни одного неудачного запуска ракет этого семейства. Тяга двигателя первой ступени постепенно наращивалась от 580 тс («Сатурн-1») до 680 тс («Сатурн -1В»), а затем и до 3400 тс у предназначенной для полета на Луну ракеты-носителя «Сатурн-5».
Разработка в 60-е годы кислородно-водородных двигателей обеспечила создание высокоэнергетических верхних ступеней ракеты-носителя «Сатурн». Ракета S -4В с кислородно-водородным двигателем J-2 (тяга 102 тс) стала второй ступенью «Сатурна- 1В» и третьей ступенью «Сатурна-5». Второй ступенью «Сатурна-5» стала ракета J-2 с пятью двигателями J -2.
Во время проведения испытаний 5 июля 1966 г. с помощью ракеты «Сатурн- 1В» на околоземную орбиту высотой 188 км был выведен полезный груз массой 26,5 т - первый блок космического корабля «Аполлон». Для доставки на поверхность Луны более тяжелого полезного груза, включающего лунную кабину, потребовалась более мощная ракета-носитель «Сатурн-5»
| Человек на Луне. Работы британских ученых Хотя именно благодаря американской технике человек смог побывать на Луне, в известном смысле этот подвиг можно считать интернациональным, так как ученые и инженеры многих стран внесли свой вклад в разработку теоретических основ такого полета. Например, в работах Британского межпланетного общества (БМО) основные технические принципы исследований Луны были определены за 30 лет до первой практической реализации этой идеи. В этих работах были намечены пути технического решения ключевых проблем. Начало исследований относится к 1937 г., когда лишь немногие считали, что полет человека на Луну не является пустой фантазией, а может в обозримом будущем стать реальностью. Созданное всего лишь за четыре года до этого Британское межпланетное общество пыталось обосновать техническую возможность осуществления такого полета. Ученых особенно интересовала проблема, как трех человек доставить на Луну, а затем благополучно возвратить на Землю. Перед учеными стояла трудная задача, в то время еще не было космической промышленности, а мощные ракетные двигатели еще только предстояло создать. Весь небольшой опыт Великобритании в этом вопросе сводился к разработке небольших твердотопливных ракет для военных целей. Проведя исследования ракетных топлив с более высокими энергетическими характеристиками, группа специалистов сделала первые эскизные проработки. Они показали, что ракета должна иметь беспрецедентные по тем временам размеры: высоту 30,5 м, диаметр 6,09 м и массу около 1000 т. Ее двигательная установка состояла из 2490 твердотопливных двигателей, размещенных сотами в несколько слоев (ступеней).
В носовой части ракеты находилась герметизированная кабина, не похожая на отсек экипажа корабля «Аполлон». Ниже кабины размещались ступенями связки ракетных двигателей. После отработки каждой ступени она отстреливалась и начинала работать следующая и так до тех пор, пока корабль не преодолеет силу притяжения Земли и не достигнет скорости 40 230 км/ч. После разворота ракеты на 180° с помощью реактивных двигателей часть слоев из еще не работавших твердотопливных двигателей будет использована для преодоления силы притяжения Луны. Аналогичные реактивные двигатели предполагалось использовать для коррекций траектории и маневрирования перед посадкой. Важной особенностью предложенной БМО конструкции, воплощенной впоследствии на космическом корабле «Аполлон», была вертикальная посадка на опоры посадочного шасси при торможении корабля включенными в нескольких десятках сантиметров от лунной поверхности тормозными ракетными двигателями. Затем этот корабль надлежало установить вертикально и запустить на Землю с помощью оставшихся ракетных двигателей с посадочного шасси, используемого в качестве пускового стола. Члены БМО предполагали также использовать для навигации инерциальные приборы. Такие приборы в настоящее время достигли высокой степени совершенства и широко применяются не только на космических кораблях, но и на подводных лодках, самолетах и реактивных снарядах. Для питания бортового электрооборудования предлагалось использовать легкие аккумуляторные батареи. Поскольку не было известно влияние невесомости на состояние космонавтов, в предложенной обществом конструкции предусматривалось вращение корабля вокруг продольной оси с целью создания за счет центробежной силы искусственной тяжести. Чтобы экипаж корабля мог постоянно наблюдать окружающую небесную обстановку, было изобретено оптическое устройство «коэлостат», которое можно рассматривать как первый прибор, сконструированный для использования в космическом аппарате. Работающая модель прибора в 1939 г. демонстрировалась в Музее науки в Лондоне.
Рассматривались и другие особенности размещения человека в космическом корабле. Астронавты должны были находиться в горизонтально расположенных подогнанных по фигуре креслах, а двойная стенка кабины экипажа уменьшала опасность пробоя ее метеоритами, а также обеспечивала надежную теплоизоляцию. Уносимое теплозащитное покрытие защищало кабину от воздействия тепловых потоков, возникающих из-за трения о воздух при взлете корабля с Земли. Предполагалось, что при возвращении скорость движения корабля по эллиптической орбите вокруг Земли будет постепенно уменьшаться путем «касания» верхних слоев атмосферы. После снижения скорости до допустимого значения отделившаяся капсула с экипажем приземлится на парашюте. Каждый астронавт должен иметь скафандр с запасом газа для дыхания на случай непредвиденных обстоятельств и ранец с инструментом для проведения ремонтных работ. Ученые представляли себе скафандр изготовленным из тонкой, но прочной резины и кожи, с просторным шлемом и запасом кислорода в ранце. Для проведения исследований на теневой стороне Луны предусматривался электрический подогрев скафандров. Состав атмосферы в кабине с экипажем предлагалось регулировать практически таким же способом, как и на современных космических кораблях; выделяющиеся при дыхании астронавтов двуокись углерода и водяные пары удалялись с помощью химических фильтров. Для обеспечения санитарных условий предлагалось отходы жизнедеятельности человека помещать в небольшой шлюз. После закрытия внутренней (обращенной к кабине) крышки шлюза и механического открытия наружной крышки оставшийся в шлюзе воздух должен был выбросить их из корабля. Пища астронавтов подбиралась так, чтобы преобладали компоненты с высокой калорийностью и меньшим содержанием протеина. Хлеб и масло, сыр, овсяная каша, шоколад и сладкое какао - вот основные продукты, входящие в рацион питания. Чтобы избежать однообразия в питании, предлагалось добавлять в небольших количествах изюм, ветчину, мед и семгу. Вода должна была стать (в ограниченном количестве) основой всех напитков. Кофе в строго ограниченном количестве предусматривалось для чисто практических целей - «как возбуждающее средство для штурманов, засыпающих от бесконечных расчетов» - ведь в то время еще не было вычислительных машин. |
 |  |
| Вверху. Испытания ракетного двигателя F- 1 на принадлежащем НАСА стенде для испытаний ракетных двигателей в Эдвардсе, шт. Калифорния. Топливом для двигателя являются керосин и жидкий кислород. При охлаждении отражателя пламени стенда водой над ним образуются клубы пара. Справа. 9 ноября 1967 г. в Центре космических полетов им. Кеннеди впервые был осуществлен запуск космического корабля «Аполлон» с помощью ракеты-носителя «Сатурн-5» . В процессе непилотируемого орбитального полета вокруг Земли была подтверждена совместимость ракеты-носителя и корабля «Аполлон-4». |
Первый запуск ракеты-носителя «Сатурн-5»
9 ноября 1967 г. в Центре космических полетов им. Кеннеди состоялся запуск ракеты-носителя «Сатурн-5» с тремя ступенями и находящегося на самом верху космического корабля «Аполлон» массой 20,4 т. От незаглушенного рева двигателей находящиеся поблизости здания заколебались, как при землетрясении. В пяти километрах от стартового комплекса рухнула крыша павильона телевизионной компании «Колумбиа бродкастинг системе». Возникший грохот по уровню шума был сравним с извержением в 1883 г. вулкана Кракатау в Зондском проливе. Вызванная работой двигателей первой ступени воздушная ударная волна была зарегистрирована Геологической обсерваторией Ламон-Доэрти в Палисейдсе, шт. Нью-Йорк, расположенном в 1770 км от места старта.
Внизу. Астронавт Р. Швейкарт с борта лунной кабины сфотографировал стоящего в открытом люке пилота основного блока корабля «Аполлон-9» Д. Скотта во время орбитального полета в состыкованном состоянии вокруг Земли. |
Все три ступени отработали нормально. Последняя ступень (S- 4В) вместе с кораблем «Аполлон» была выведена на околоземную орбиту высотой 185 км. Запущенный в космосе мощный двигатель последней ступени поднял орбиту ракеты и корабля до 17 210 км. Затем космический корабль «Аполлон» отделился от последней ступени ракеты-носителя и после включения своего маршевого двигателя увеличил высоту орбиты до 18 072 км. При повторном включении маршевого двигателя корабля «Аполлон» он начал входить в атмосферу Земли, моделируя условия возвращения корабля по окончании лунной экспедиции.
Успешное окончание этих испытаний, зарегистрированных как испытания космического корабля «Аполлон-4», показало, что транспортная система «Аполлон - Сатурн» способна достичь поверхности Луны. После этого запуска была доработана система подавления шума, возникающего при работе двигателей первой ступени ракеты-носителя «Сатурн-5».
Осенью 1961 г. фирма «Норт америкен авиэйшн» получила заказ на разработку космического корабля «Аполлон». Как и «Джемини», корабль «Аполлон» состоял из двух отсеков: имевшего коническую форму отсека экипажа, где размещались астронавты, и имевшего цилиндрическую форму двигательного отсека, где находились основной двигатель, батареи топливных элементов и система терморегулирования. Как и в космическом корабле «Джемини», атмосфера была кислородной при давлении 0,35 ат.
Внизу. Во время автономного орбитального полета лунной кабины космического корабля «Аполлон-10» с целью имитации основных маневров на селеноцентрической орбите лунная кабина сблизилась с Луной до 14,3 км, однако посадка не производилась. На лунном горизонте видна восходящая Земля. |
 Вверху. Находящийся на высоте 97 км над наиболее удаленной от Земли областью лунной поверхности основной блок корабля «Аполлон-10», пилотируемый Дж. Янгом, сверкает в солнечных лучах. Корабль сфотографирован с борта находящейся в нескольких метрах лунной кабины, пилотируемой астронавтами Сернаном и Стаффордом. |
Для эффективного управления движением корабля «Аполлон» использовалась система ориентации и стабилизации, управляющая включением вспомогательных двигателей (скомпонованных в четыре блока по четыре двигателя в каждом и размещенных равномерно по периметру двигательного отсека), а также устанавливающая (путем поворотов и изменения положения в кардановом подвесе) в расчетное положение маршевый двигатель. С помощью этой системы были проведены следующие основные операции: перестыковка с лунной кабиной после выведения третьей ступенью ракеты-носителя основного блока корабля «Аполлон» на траекторию движения к Луне; коррекции траектории на трассе Земля - Луна, формирование селеноцентрической орбиты; посадка лунной кабины и последующий старт ее взлетной ступени с Луны и стыковка с основным блоком; выведение на траекторию полета к Земле; проведение коррекций траектории при возвращении на Землю; ориентация отсека экипажа после разделения с двигательным отсеком перед входом в атмосферу Земли. Лунный вариант корабля «Аполлон» (блок II) имел длину 10,4 м и массу 30,4 т. В его конической части с диаметром основания 3,9 м находился отсек, в котором размещались парашюты системы приземления. Лаз в стыковочном устройстве и штырь на вершине конуса обеспечивали возможность стыковки с лунной кабиной, в которой два астронавта отправлялись на поверхность Луны, а затем возвращались на селеноцентрическую орбиту. Двигательный отсек имел длину 7,4 м и диаметр 3,9 м, при возвращении на Землю перед входом в атмосферу он отстыковывался. Абляционный теплозащитный экран предохранял отсек экипажа от перегрева в атмосфере Земли при возвращении с Луны.
Блок I корабля «Аполлон», разработанный только для орбитального полета вокруг Земли, был выведен в космос 26 февраля 1966 г. «Сатурном-1В» для проведения суборбитального полета и приводнения в заданном районе Атлантического океана. Этот блок успешно приводнился на парашютах в Южной Атлантике. За исключением падения давления в топливных магистралях двигателя, который вначале заработал, потом прекратил работу, а через некоторое время опять заработал, неполадок не было, и руководители программы «Аполлон» были удовлетворены результатами.
Первый пилотируемый орбитальный полет космического корабля «Аполлон» предполагалось провести в 1967 г., но трагический несчастный случай нарушил намеченную программу работ и отложил осуществление этого полета на год. Когда 27 января 1967 г. корабль «Аполлон» был уже смонтирован на ракете «Сатурн-1В» , неожиданно вспыхнувший на борту огонь воспламенил пластиковую обшивку кабины. Члены экипажа корабля, проводившие в это время проверку работы бортовых систем, задохнулись в густом дыму горящего пластика, прежде чем успели открыть люк.
 Вверху. За месяц до полета у макета лунной кабины сфотографирован экипаж космического корабля «Аполлон-11»: М. Коллинз - пилот основного блока, Н. Армстронг - командир экипажа, Э. Олдрин - пилот лунной кабины. |
Погибли полковник ВВС В. Гриссом, совершивший полеты на кораблях «Меркурий» и «Джемини», подполковник ВВС Э. Уайт-II , первый американский астронавт, осуществивший выход в открытый космос во время полета на корабле «Джемини-4» , и капитан-лейтенант ВМФ Р. Чаффи, который готовился к своему первому полету.
При последующем расследовании было установлено, что причиной пожара явилась искра, возникшая на борту из-за неисправности в электропроводке. Искра воспламенила пластики, которые, как предполагалось, должны были плохо гореть. Они действительно плохо горели в обычной азотно-кислородной атмосфере, но легко воспламенились в атмосфере чистого кислорода, которым была заполнена кабина корабля, чтобы моделировать условия в полете.
11 октября 1968 г. после успешного испытательного полета непилотируемой связки «Аполлон» - «Сатурн-5» НАСА осуществило запуск первого пилотируемого корабля «Аполлон-7» . Полет, проходивший на околоземной орбите в течение 11 сут, в целом оказался успешным, хотя время от времени возникали отклонения от штатного режима. На борту «Аполлона-7» находились астронавты: капитан ВМФ У. Ширра, майор ВВС Д. Эйзел и гражданское лицо - исследователь У. Каннингем. Экипаж жаловался, что был перегружен экспериментами.
В начале осени 1968 г. стало очевидно, что НАСА намеревается во время следующего испытательного полета отправить корабль «Аполлон-8» к Луне. 21 декабря эта экспедиция началась. На борту корабля находились астронавты: полковник Ф. Борман, капитан Дж. Ловелл и подполковник У. Андерс. Во время этого полета в Центре управления в Хьюстоне возникло беспокойство, когда Борман почувствовал недомогание после прохождения космическим кораблем радиационных поясов Земли и магнитосферы. Однако его самочувствие быстро улучшилось.
Попав в зону притяжения Луны, утром 24 декабря космический корабль «Аполлон-8» приблизился к ее поверхности на расстояние 112,6 км. После включения маршевого двигателя корабль перешел на селеноцентрическую орбиту высотой 111 км.
Экипаж корабля совершил десять оборотов вокруг Луны. В Центре управления полетом в Хьюстоне с тревогой ожидали момента подачи команды на включение маршевого двигателя для возвращения на Землю, так как в это время корабль находился за Луной.