Первый испытательный полет ракеты-носителя Saturn V "Аполлон-4"

Введение

Первый испытательный полет ракеты-носителя "Сатурн V"

Apollo 4 (9 ноября 1967 года), также известный как SA 501, был первым беспилотным испытательным полетом ракеты-носителя "Сатурн V", ракеты, которая в конечном итоге доставила астронавтов на Луну. Космический аппарат был собран в здании сборки ракетно-космических комплексов и стал первым, запущенным с Космического центра Кеннеди (KSC) во Флориде, стартовавшим с пускового комплекса 39, где были построены специальные сооружения для "Сатурн V". Apollo 4 был "полным" испытанием, то есть все ступени ракеты и космический корабль были полностью функциональны во время первого полета – это было впервые для NASA. Это был первый полет первой ступени S-IC и второй ступени S-II. Также была продемонстрирована первая в полете перезапуск третьей ступени S-IVB. В ходе миссии был использован командный и служебный модуль Block I, модифицированный для испытания нескольких ключевых усовершенствований Block II, включая его теплозащитный экран при имитации лунной скорости возвращения и угла входа в атмосферу. Запуск планировался на начало 1967 года, но был перенесен на 9 ноября из-за проблем с различными элементами космического аппарата и трудностей, возникших во время предполетных испытаний. Дополнительные проверки потребовались после пожара, в результате которого в январе 1967 года погиб экипаж "Аполлона-1". Миссия завершилась приводнением в Тихом океане менее чем через девять часов после запуска, достигнув поставленных целей. NASA посчитала миссию полностью успешной, доказав работоспособность "Сатурн V" – важный шаг к достижению главной цели: высадке астронавтов на Луну и их безопасному возвращению на Землю до конца 1960-х годов.

Предыстория

В 1961 году президент США Джон Ф. Кеннеди предложил, чтобы его страна высадила астронавта на Луну к концу десятилетия, с безопасным возвращением на Землю. Одним из первых решений, которые необходимо было принять для достижения этой цели, был выбор ракеты-носителя. НАСА остановилось на ракете Saturn C 5 – трехступенчатой ракете-носителе, основанной на ракетах, находившихся в разработке. В 1962 году это решение было утверждено НАСА, которое планировало провести первый испытательный запуск в 1965 году и первый пилотируемый полет к 1967 году, что оставляло достаточно времени для реализации цели Кеннеди. В начале 1963 года НАСА переименовала C 5 в Saturn V.

После продолжительных дебатов внутри НАСА в конце 1962 года было решено, что лунные миссии будут осуществляться по схеме «выхода на окололунную орбиту и встречи», при которой весь космический корабль «Аполлон» будет выведен на лунную орбиту третьей ступенью ракеты-носителя S IVB. На лунной орбите астронавты, предназначенные для посадки, переходили бы в лунный модуль (тогда известный как Lunar Excursion Module), который отделялся бы от остальной части корабля, совершал посадку, а после взлета с поверхности Луны отбрасывался бы после возвращения экипажа. Остальная часть корабля возвращалась бы на Землю. Строящиеся стартовые комплексы были бы недостаточны для новой ракеты-носителя, и в 1962 году НАСА объявило о планах строительства нового комплекса на побережье Флориды, с которого планировалось осуществлять запуски лунных миссий «Аполлон». Комплекс получил название Центр запуска, но после убийства Кеннеди в ноябре 1963 года был переименован в Космический центр имени Джона Ф. Кеннеди (ККК). Apollo 4 стал первым полетом с ККК и первым, осуществленным со стартового комплекса 39 (LC 39), построенного для ракеты Saturn V. Первые три полета с оборудованием «Аполлона» были осуществлены с использованием ракет Saturn IB. Эта ракета-носитель меньшего размера не использовала инфраструктуру ККК, но проблемы, решенные в ходе полетов Saturn IB, были применимы и к запускам Saturn V. И Saturn IB, и Saturn V использовали ступень S IVB, однако в Saturn IB она являлась второй, заключительной ступенью, а не третьей, как в Saturn V. Таким образом, многие летные испытания полезной нагрузки, предназначенной для Saturn V, можно было провести без использования одной из крупных ракет-носителей. Помимо летной квалификации оборудования, необходимо было доказать, что наземные системы ККК способны успешно запустить Saturn V, прежде чем рисковать жизнями астронавтов. В 1966 году было осуществлено три запуска Saturn IB (в порядке запуска: AS 201, AS 203 и AS 202); все они завершились успешно. Согласно Чарльзу Д. Бенсону и Уильяму Б. Флаэрти в их истории ККК, «запуски Apollo Saturn IB в 1966 году стали важным достижением для команды запуска НАСА. Испытательные стенды LC 34 и LC 37, предназначенные для автоматизированной проверки, оказались несостоятельными. За двадцать месяцев между AS 201 и SA 501 [Apollo 4] ККК устранил основные проблемы автоматизации. Без этих проб и ошибок запуск SA 501, самого сложного запуска в истории программы «Аполлон», был бы гораздо более трудным».

After considerable debate within NASA, it was decided in late 1962 that lunar missions would have a "lunar orbit rendezvous" mode whereby the complete Apollo spacecraft would be propelled towards lunar orbit by the third stage of the launch vehicle, the S IVB. Once in lunar orbit, the astronauts who would land would enter what was then known as the Lunar Excursion Module, which would separate from the rest of the spacecraft, land, and after taking off again be discarded once the crew had transferred back. The remainder of the vehicle would then return to Earth. The launch facilities under development would not be sufficient for the new launch vehicle, and in 1962, NASA announced plans for a new complex on the Florida coast from which the Apollo lunar missions could be launched. This was dubbed the Launch Operations Center, but after Kennedy's assassination in November 1963 was renamed the John F. Kennedy Space Center (KSC). Apollo4 was the first flight from KSC, and the first using Launch Complex 39 (LC 39) there, built to accommodate the SaturnV. The first three flights carrying Apollo equipment were launched using Saturn IBs. This smaller launch vehicle did not use the facilities at KSC, but issues resolved by SaturnIB flights would be valid for those to be launched by the SaturnV. Both the SaturnIB and the SaturnV would use a S IVB, though the IB would use it as its second, final stage, rather than the third stage as on the SaturnV. Thus, many of the flight qualifications for the payload the SaturnV would carry could be resolved without having to expend one of the large launch vehicles. In addition to flight qualifying the hardware, it was necessary to prove that the ground systems at KSC could successfully launch a Saturn V before risking the lives of astronauts on one. Three Saturn IB launches (in order of launch, AS 201, AS 203 and AS 202) took place in 1966; all were successful. According to Charles D. Benson and William B. Flaherty in their history of KSC, "The Apollo SaturnIB launches of 1966 represented important gains for NASA's launch team. LC 34 and LC 37, testbeds for automated checkout, were found wanting. In the twenty months between AS 201 and SA 501 [Apollo4], KSC corrected the major automation problems. Without these trial and error advances, SA 501, the toughest launch in Apollo's history, would have been far more difficult."

Задержки

В январе 1965 года генерал-майор Сэмюэл К. Филлипс, директор программы «Аполлон», запланировал SA 501, первый испытательный полет Saturn V, на январь 1967 года. Это оставляло мало времени на возможные задержки, особенно учитывая, что в 1967 году планировалось еще два запуска Saturn V. Многие представители программы «Аполлон» сомневались в предложенной дате запуска, и эти опасения оказались оправданными. После взрыва в линии подачи жидкого кислорода к стартовой площадке LC 39, с которой должен был стартовать SA 501, возникла вероятность задержки на несколько недель. Техники обнаружили трещины в ступени S II, что задержало ее приемочные испытания. Пока North American работала над устранением неисправностей S II, части ракеты начали прибывать в KSC: сначала ступень S IVB 14 августа 1966 года (на самолете Pregnant Guppy), а затем первая ступень S IC 12 сентября (на барже). Специальный «проставочный» элемент, заменявший S II, позволил NASA начать сборку ракеты в здании сборки транспортных средств (VAB) в процессе ее проверки. Поскольку S II так и не прибыла к ноябрю 1966 года (первоначально планировалось на июль), NASA перенесла дату ее прибытия на январь 1967 года, а запуск – на три месяца позже. Командный модуль (CSM) прибыл 24 декабря 1966 года, а S II – 21 января 1967 года. Последним прибыл межступенчатый отсек (конструкция между первой и второй ступенями) 31 января. Пожар на «Аполлоне-1» 27 января 1967 года, в результате которого погибли три астронавта во время испытаний на стартовой площадке, еще больше поставил под вопрос графики NASA. Несмотря на то, что SA 501 был беспилотным, представители NASA хотели тщательно изучить его командный модуль. NASA планировала повторно собрать ракету после этого. Были обнаружены и другие проблемы, например, лишний болт в одном из двигателей J-2. NASA беспокоилась не только о возврате излишнего оборудования, но и о том, как оно туда попало. На встрече в марте 1967 года, в которой участвовал Филлипс, было выявлено двенадцать сотен проблем с Saturn V, которые техники предложили устранять со скоростью восемьдесят в день. Пока командный модуль проходил ремонт, проставочный элемент был удален из собранной конструкции, и на его место была установлена ступень S II. 24 мая было объявлено, что S II будет снята для проверки после обнаружения волосовых трещин в другой строящейся S II. Эта работа была завершена к середине июня, после чего командный модуль также был возвращен в конструкцию, и впервые ракета-носитель и космический корабль были полностью собраны. 26 августа 1967 года ракета была вывезена на стартовую площадку LC 39. Опасаясь возможных утечек в тефлоновых уплотнительных кольцах и сливных клапанах резервуаров жидкого кислорода из-за длительного пребывания ракеты на стартовой площадке под флоридским солнцем, 2 ноября Филлипс перенес запуск на 9 ноября.

In January 1965 Major General Samuel C. Phillips, the Apollo Program Director, scheduled SA 501, the first test flight of the SaturnV, for January 1967. This left little spare time for delay, especially since two additional SaturnV launches were planned to follow in 1967. Many Apollo officials lacked confidence in the proposed launch date, and these misgivings proved accurate. After an explosion involving a liquid oxygen line flowing to LC 39, from which SA 501 was to be launched, there was a potential for a delay of several weeks. Technicians found cracks in the S II, delaying its test firings prior to acceptance by NASA. As North American worked to fix the S II, parts of the rocket began to arrive at KSC, beginning with the S IVB on August 14, 1966, (by Pregnant Guppy aircraft) and followed closely by the first stage S IC on September 12 (by barge). A spool shaped "spacer" that took the place of the S II allowed NASA to stack the vehicle as its checkout proceeded in the Vehicle Assembly Building (VAB). With the S II still not arrived by November 1966 (it had originally been planned for July), NASA planned January 1967 for its arrival, with launch three months later. The CSM arrived on December 24, 1966, with the S II arriving on January 21, 1967. Last to arrive was the aft interstage (the structure between the first and second stages), on January 31. The Apollo 1 fire on January 27, 1967, which killed three astronauts during a launch pad test, threw NASA's schedules into further questioneven though SA 501 was uncrewed, NASA officials wanted to closely examine its CSM. NASA had planned to restack the vehicle once this was done,

Other problems were discovered, such as an extra, out of place bolt in one of the J 2 engines; NASA was concerned not only with retrieving the surplus hardware, but also with discovering how it got there. A meeting in March 1967, with Phillips in attendance, disclosed twelve hundred problems with the SaturnV, which the technicians proposed to deal with at the rate of eighty per day. While the CSM was undergoing repairs, the spacer was removed from the vehicle stack, and the S II positioned. On May 24 it was announced that the S II would be removed for inspection following the discovery of hairline cracks in another S II then being constructed, this work being completed by mid June, after which the CSM was also returned to the stack, the first time the launch vehicle and spacecraft had been fully assembled. It was rolled out to LC 39 on August 26, 1967, Concerned about the potential for leaks in the Teflon seal rings and drain valves of the liquid oxygen tanks on board the vehicle due to the long time it had been sitting on the launch pad in the Florida sun, on November2 Phillips postponed the launch until November9.

Цели

Целью миссии "Аполлон-4" (вместе с другим беспилотным испытательным полетом Saturn V, "Аполлон-6") являлась квалификация ракеты-носителя, космического корабля "Аполлон" и наземных систем для последующих пилотируемых лунных экспедиций. Помимо того, что "Аполлон-4" стал первым полетом Saturn V, он ознаменовал первый полет двух его ступеней: первой ступени S-IC и второй ступени S-II (S-IVB уже летал в составе Saturn IB). Задачи миссии "Аполлон-4" заключались в получении данных о полете, структурной целостности и взаимной совместимости ракеты-носителя и космического аппарата, включая данные о нагрузках в полете и при разделении ступеней Saturn V после их выработки. NASA также нуждалось в данных о работе подсистем, включая подсистему обнаружения нештатных ситуаций, и стремилось оценить теплозащитный экран командного модуля "Аполлон" (CM) в условиях, имитирующих возвращение с лунной миссии. Кроме того, NASA планировало проверить возможность повторного запуска ступени S-IVB в космосе. Для целей сертификации в командный модуль CSM 017 было внесено несколько существенных изменений, соответствующих стандарту Block II, поскольку ни один космический корабль Block II не должен был летать без экипажа. Эти изменения включали модернизацию теплозащитного экрана до стандарта Block II, использование пуповинного соединения Block II между командным и служебным модулями (CM и SM), а также установку антенн VHF и S-диапазона, соответствующих стандарту Block II. Также были внесены изменения в конструкцию люка командного модуля. Тот факт, что люк космического корабля не мог быть быстро открыт в аварийной ситуации, привел к тому, что астронавты "Аполлона-1" оказались заблокированными внутри во время пожара, который унес их жизни, и послужил причиной перепроектирования люка. Запуск нового люка был запланирован на второе испытание Saturn V ("Аполлон-6"), но его уплотнения должны были пройти летные испытания в рамках миссии "Аполлон-4". Окно люка было заменено испытательной панелью, имитирующей уплотнения и внешний теплозащитный экран. Теплозащитный экран был модернизирован до стандарта Block II, поскольку высокоскоростное возвращение "Аполлона-4" в атмосферу Земли должно было имитировать возвращение с Луны. Было установлено специальное оборудование, позволяющее Центру управления полетами удаленно управлять системами CSM, а также камера, которая автоматически делала снимки из одного из окон командного модуля на последней орбите. Поскольку на борту "Аполлона-4" не было экипажа, командный модуль не был оснащен креслами, органами управления и приборными панелями.

The purpose of Apollo 4 (together with the SaturnV's other uncrewed test flight, Apollo6) was to qualify the launch vehicle, the Apollo spacecraft, and the ground systems, for the crewed lunar landing missions that would follow. In addition to being the first flight of the SaturnV, Apollo4 marked the first flight for two of its stages: the S IC first stage and the S II second stage (the S IVB had flown as part of the SaturnIB). Objectives for the Apollo 4 mission were to gain flight data on the SaturnV and spacecraft structural integrity and mutual compatibility, including on flight loads and during the separations as each SaturnV stage was exhausted and was discarded. NASA also wanted data on subsystem operations, including the emergency detection subsystem, and sought to evaluate the Apollo CM's heat shield under conditions simulating a return from a lunar mission. NASA was also seeking to test the restart capability of the S IVB in space. Several significant Block II modifications were made to CSM 017 for certification purposes, since no BlockII spacecraft would fly without a crew. These included upgrading the heat shield to BlockII standards, using a BlockII CM to SM umbilical connector, and installing BlockII style VHF and S band antennae. Additionally, there were modifications to the CM's hatch. The fact that the spacecraft hatch could not be readily opened in case of emergency had trapped the Apollo1 astronauts in the fire that took their lives, and led to a redesign of the hatch. The new hatch was not scheduled to fly until the second SaturnV test (Apollo 6), but its seals were to be flight qualified on Apollo4the hatch window was replaced with a test panel simulating the seals and exterior heat shield. The heat shield was upgraded to BlockII standards since Apollo4's high speed re entry into Earth's atmosphere was intended to simulate a return from the Moon. Special equipment had been installed to allow Mission Control to operate the CSM's systems remotely, and there was a camera that would automatically take pictures out of one of the CM's windows on its final orbit. Since Apollo4 carried no crew the CM lacked couches, controls and displays.

Общественный интерес и освещение в СМИ

ВИП-персоны стекались в ККК в дни, предшествовавшие запуску. Фон Браун прибыл 6 ноября, его ждал эксклюзивный ужин и конференция для высшего руководства в тот же вечер. Руководители НАСА, представители промышленности, лидеры Конгресса и дипломаты также приехали на запуск. В каждом центре НАСА был свой список VIP-гостей, как и в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, и дублирования были устранены, чтобы директора каждого центра могли лично пригласить гостей. Они наблюдали за запуском с открытых трибун рядом с МЗС. НАСА организовало пресс-центр в Кокоа-Бич, где аккредитовывались представители СМИ, и предлагало приезжающим журналистам экскурсии по ККК, а также автобусное сообщение с интервалом в полчаса. НАСА предоставило СМИ обширные телефонные возможности в пресс-центре рядом с ПУ-39 за свой счет. Работники ККК и их семьи наблюдали за запуском с мест, близких к их рабочим местам. Кроме того, 43 сотрудника подрядных организаций, проявивших себя образцово, были удостоены награды "Осознание пилотируемых полетов", им был предложен VIP-тур по ККК, торжественный вечер с участием шести астронавтов и возможность увидеть запуск. Apollo 4, как первый полет Saturn V, получил широкое освещение в СМИ, и журналистам было сложно передать публике размеры ракеты-носителя, отмечая, что она значительно превысит высоту Статуи Свободы и будет в тринадцать раз тяжелее. North American в пресс-релизе сообщила, что 3000-тонный Saturn V с комфортом превосходит по весу "довольно крупный эсминец". За день до запуска Мюллер, Филлипс, фон Браун, заместитель администратора Роберт Симанс и директор Космического центра Кеннеди Курт Дебус провели пресс-конференцию под открытым небом для более чем тысячи журналистов, в том числе из Советского Союза, на фоне Saturn V.

Запуск и полет

6 ноября 1967 года в 22:30 по восточному времени (03:30 7 ноября по UTC) началась 56,5-часовая последовательность отсчета с заправки топливом. Всего было доставлено 89 грузовиков с жидким кислородом, 28 грузовиков с жидким водородом и 27 железнодорожных вагонов с высокоочищенным керосином. В этот раз возникло немного проблем, и они были незначительными, – отметил Уильям Донн из Колумбийского университета. – Это был один из самых громких звуков, естественного или искусственного происхождения, в истории человечества, за исключением ядерных взрывов. Комментатор CBS Уолтер Кронкайт и продюсер Джефф Гралник прижали руки к смотровому окну трейлера, чтобы оно не разбилось от падающей с потолка плитки. Кронкайт назвал "Аполлон-4" самой пугающей космической миссией, которую ему довелось освещать. Запуск вывел S IVB и CSM на почти круговую орбиту – номинальную парковочную орбиту, которая впоследствии использовалась в лунных миссиях. После двух оборотов, в имитации транслунной инъекции, которая в последующих миссиях "Аполлон" должна была направить корабли к Луне, первое в космосе повторное включение двигателей S IVB вывело космический аппарат на эллиптическую орбиту с апогеем и перигеем, намеренно ориентированным ниже поверхности Земли; это обеспечивало как высокоскоростной атмосферный вход командного модуля, так и уничтожение S IVB после возвращения в атмосферу. Вскоре после этого CSM отделился от S IVB и включил двигатель служебного модуля для корректировки апогея до. После прохождения апогея двигатель служебного модуля был запущен повторно на 281 секунду для увеличения скорости возвращения до на высоте 400 000 футов (121 920 м) и с углом траектории полета −6,93 градуса, имитируя условия возвращения с Луны. Спускаемый аппарат CM приземлился примерно в от целевой точки посадки к северо-западу от острова Мидуэй в Северном Тихом океане. Его спуск был виден с палубы авианосца "Беннингтон", ведущего судна поисково-спасательной операции, который в течение двух часов обнаружил его и один из парашютов, впервые парашют "Аполлона" был поднят на борт для осмотра. Космический аппарат был доставлен на Гавайи для вывода из эксплуатации, после чего его перевезли на объект North American в Дауни, штат Калифорния, для проведения послеполетного анализа.

On November 6, 1967, at 10:30pm EST (03:30 November7 UTC), the 56 1/2 hour countdown sequence began with propellant loading. In total there were 89 trailer truck loads of liquid oxygen, 28 trailer loads of LH2 (liquid hydrogen), and 27 rail cars of RP 1 (highly refined kerosene). This time the problems encountered were few and minor, William Donn of Columbia University described the blast as one of the loudest noises, natural or artificial, in human history, excepting nuclear explosions. CBS's commentator, Walter Cronkite, and producer Jeff Gralnick put their hands on their trailer's observation window to stop it from shattering as ceiling tiles fell from above. Cronkite found Apollo4 to be the most frightening space mission he covered. The launch placed the S IVB and CSM into a nearly circular orbit, a nominal parking orbit that would be used on the lunar missions. After two orbits, in a simulation of the trans lunar injection burn that would take later Apollo missions towards the Moon, the S IVB's first in space re ignition put the spacecraft into an elliptical orbit with an apogee of and a perigee deliberately aimed below the Earth's surface; this would ensure both a high speed atmospheric re entry of the command module, and destruction after re entry of the S IVB. Shortly after this burn, the CSM separated from the S IVB and fired its service module engine to adjust the apogee to After passing apogee, the service module engine fired again for 281 seconds to increase re entry speed to , at an altitude of 400000 feet (121920 m) and a flight path angle of −6.93 degrees, simulating conditions on a return from the Moon. The CM landed approximately from the target landing site northwest of Midway Island in the North Pacific Ocean. Its descent was visible from the deck of the aircraft carrier Bennington, the prime recovery ship, which within two hours had recovered it and one of its parachutes, the first time an Apollo parachute had been recovered for inspection. The spacecraft was brought to Hawaii for deactivation, after which it was taken to North American's facility in Downey, California, for post flight analysis.

Бортовые камеры

На борту "Аполлона-4" находились две кинокамеры. Они были установлены на ракете Saturn V для съемки отделения первой ступени и межступенчатого отсека от ракеты-носителя. После этого камеры должны были быть выброшены, спуститься в Атлантический океан в спускаемых капсулах с парашютами и радиомаяками, и подняты приблизительно в районе, расположенном на дальности полета от Космического центра Кеннеди. В командном модуле находилась автоматическая 70-мм пленочная камера, которая сделала снимки почти всей Земли. В течение двух часов и тринадцати минут, по мере приближения и прохождения аппаратом апогея, через переднее окно Командира корабля (смотрящего вперед, с левой стороны) было сделано в общей сложности 755 цветных снимков с высот от. Это были цветные изображения, сделанные с самой большой высоты на тот момент. Фотографии не имели достаточного разрешения для получения детальных научных данных, но все же представляли интерес для специалистов в области наук о Земле.