TEMA BROJA

Dragan Lazarević

Čovek na Mesecu / Susret modula u Mesečevoj orbiti

Najbrži put za slanje astronauta

Nagli razvoj raketne tehnike posle Drugog svetskog rata i stvaranje interkontinentalnih balističkih projektila postavio je tehnološke osnove za stvaranje daleko snažnijih raketa nosača. Vizije kosmičkih letelica koje bi otišle mnogo dalje od Zemljine orbite dobile su realnu osnovu i poseta našem najbližem susedu u kosmosu, Mesecu postala je realna naučna mogućnost.
Put od sagledavanja mogućnosti da se nešto ostvari i samog tehničkog ostvarenja je vrlo dug i zahteva rešavanje niza praktičnih problema koji se ukažu tek kada se pristupi realizaciji onog što je izgledalo ostvarljivo. Ako je postavljen cilj: slanje čoveka na Mesec i bezbedno vraćanje na Zemlju, pitanje je: kako to zaista i ostvariti. Kolika treba da bude najmanja kosmička letelica sa kapsulom za posadu i sa koliko članova posade? Koju količinu i vrstu  goriva treba da ponese i koliko funkcionalnih blokova-stepena treba da ima? Od tih procena zavisi veličina rakete nosača koja treba sa Zemlje da uputi projektovani kosmički brod ka Mesecu.

Prva faza slanja kosmičke letelice na Mesec je lansiranje u orbitu oko Zemlje. Za to je potrebno da raketa nosač postigne prvu kosičku brzinu od 7,91 km/s i visinu bar najniže moguće, tzv. parking orbite od oko 180 km. Ispod te visine, Zemljina jonosfera koči satelit i on ne bi napravio nijedan krug oko Zemlje; a i na parking orbiti, posle nekoliko obilazaka, on će početi da pada ka gušćim slojevima atmosfere. Da bi se poslala kosmička letelica ka Mesecu, potrebno je da poslednji stepen rakete ubrza do brzine od oko 11,2 km/s.
Kako se letelica udaljava od Zemlje putanjom izdužene elipse tako gubi brzinu - dok ne dođe u Mesečevo gravitaciono polje koje je ubrzava i menja oblik putanje. Ona bi, ako je direktno usmerena, pala na njega brzinom od oko 2,7 km/s, nešto većom od 2,4 km/s, koliko iznosi Mesečeva druga kosmička brzina. Ako je pravac kretanja tako usmeren da priđe Mesecu sa prednje (one strane koja je u smeru njegovog kretanja oko Zemlje), pod uticajem Mesečeve gravitacije će obleteti oko njega i vratiti se ka Zemlji sa tangencijalnim ulaskom u njenu atmosferu. Takva putanja ima oblik veoma izdužene osmice i korišćena je pri svim misijama ulaska u orbitu oko Meseca.
Postizanje ulaska u orbitu visine oko 100 km iznad njegove površine zahteva retroraketno kočenje, i to kada se letelica nalazi sa druge strane Meseca, i smanjenje brzine sa 2,7 km/s na oko 1,63 km/s. Spušanje na Mesec zahteva poništenje orbitalne brzine kosmičke letelice i ubrzanja njegove sile teže pri silasku sa orbitalne visine na površinu. S obzirom da, pri sletanju, kosmički brod ima i fazu prilaza i period lebdenja pre spuštanja, njegova sposobnost za ukupan tzv. „delta v“ manevar treba da bude veća od minimalnih 2,7 km/s, tj. da bude bar oko 3 km/s.

Za poletanje sa Meseca, ulazak u orbitu oko njega i prelazak na putanju ka Zemlji (paljenje motora bi opet bilo sa druge strane Meseca), sa određenim viškom goriva radi veće sigurnosti potreban je približno isti „delta v“ manevar. Ukupna sposobnost kosmičkog broda za zbirni „delta v“ manevar bi iznosila oko 6 km/s, i to se očigledno može postići samo sa višestepenim raketnim sistemom.

Direktan let i povratak sa Meseca

Polazna osnova za projektovanje kosmičke letelice je veličina kapsule za posadu u kojoj bi astronauti boravili tokom leta i sa kojom bi se vratili u Zemljinu atmosferu drugom kosmičkom brzinom, što podrazumeva da konstrukcija kapsule bude prilagođena da izdrži veća mehanička i termička opterećenja od onih korišćenih za povratak sa Zemljine orbite. Na osnovu mase kabine-kapsule, projektovali bi se pogonski stepeni sa raketnim motorima i potrebnom količinom goriva za sve predviđene manevre promene brzine i svi drugi sistemi, poseban sistem manjih raketnih motora za manevrisanje, sistem za snabdevanje električnom energijom, kao i odgovarajući naučni teret.
Vrsta goriva određuje njegovu količinu, potrebnu da se obave navedeni „delta v“ manevri, ali tu ne postoji velike mogućnosti izbora. Raketni motor sa visokokaloričnim kriogenim gorivom, tečnim vodonikom i kiseonikom, ima brzinu isticanja oko 4,2 km/s, gde je problem vrlo niska temperatura tečnog vodonika od -254ºC i njegova mala gustina (svega 65 kg/m3), što bi zahtevalo velike rezervoare i sisteme za hlađenje tokom dužeg leta. Prvi ozbiljni  projekti za let na Mesec bili su zasnovani na, iako manje kaloričnom, sigurnijem, gušćem, visokokipućem i samozapaljivom gorivu, mono ili dimetilhidrazinu i oksidatoru azottetraoksidu, koje u raketnom motoru ostvaruje brzinu isticanja gasova od oko 3 km/s.
Na osnovu osobina tog goriva, nastali su prvi projekti leta na Mesec. To je bila koncepcija tzv. direktnog leta pri kojoj bi se kosmička kapsula sa astronautima u višestepenom kosmičkom brodu spuštala na Mesec a potom, sa posebnim pogonskim stepenom, uzletala i, postizanjem brzine od 2,7 km/s, postavljala se na putanju povratka na Zemlju.
Kapsula bi bila na vrhu niza od bar tri stepena. Najniži stepen bi obezbedio ulazak u orbitu oko Meseca a potom i spuštanje na površinu i trebalo je da ima veoma velike amortizujuće stajne noge. Ako bi se koristila dva stepena, jedan bi služio za ulaz u orbitu oko Meseca a drugi za spuštanje na površinu, sa manjim stajnim nogama u odnosu na prethodni koncept. Prazan sletni stepen bi bio platforma sa koje bi poleteo uzletni stepen koji bi podigao kapsulu i manevarski blok prvo u orbitu oko Meseca a potom i na putanju ka Zemlji.
Svi projekti zasnovani na koncepciji direktnog leta zahtevali su veliki sletni stepen  i malu kapsulu slične veličine kao  kapsula „džemini“ u kojoj su dva astronauta bila smeštena u približno 2 m3. Jedan projekat direktnog leta na Mesec koji je bio razmatran 1958-1961. od strane USAF (imao je i određen vojni aspekt),  nazvan LUNEX, podrazumevao je masu mesečevog broda od 61 t sa stajnim nogama preko 10 m raspona. Povratna letelica je trebalo da bude neka vrsta mikro-šatla za povratak u atmosferu drugom kosmičkom brzinom.

Svi ovi projekti direktnog leta u SAD su bili daleko od realizacije ali SSSR je, sondama „luna 16,20 i 24“ direktnim letom uspešno ostvario sletanje na Mesec, uzimanje i smeštanje uzoraka tla (do 200 gr mase) u malu kapsulu koja je uspešno lansirana i vraćena na Zemlju. Sonde su imale poseban raketni odsek za ulazak u orbitu oko Meseca, poseban za sletanje na površinu i uzletni stepen koji je kapsulu vraćao na Zemlju. Ukupna masa sonde je bila oko 5,6 t, uzletni stepen je imao (sa kapsulom) oko 560 kg a masa kapsule prečnika 50 cm je bila 39 kg, što je preko 140 puta manje od mase cele letelice. Sistem direktnog leta, iako uspešno primenjen na sovjetskim sondama, očigledno nije dovoljno efikasan za misije sa ljudskom posadom.

Koncepcija odvojenih modula i susreta u Mesečevoj orbiti

Da postoji drugi način slanja astronauta na Mesec, ukazao je 1962. naučnik, zaposlen u NASA-inom razvojnom centru u Lengliju, dr  Džon Hubolt (John C. Houbolt). On je analizirao utroške goriva pri raznim fazama leta i zaključio da je spuštanje sa orbite oko Meseca kapsule i stepena sa gorivom (za kasniji povratak na Zemlju) i ponovno vraćanje u Mesečevu orbitu, nepotrebno rasipanje goriva (ukupan “delta v“ manevar bi iznosio oko 3,3 km/s). Kapsula i povratni stepen za putanju ka Zemlji mogu da ostanu  u orbiti oko Meseca a spuštanje na površinu  i povratak u orbitu se može obaviti znatno manjim sletnim odsekom, sa kabinom višestruko lakšom od kapsule.Tako je nastala ideja lunarnog modula.
Od početka je bilo jasno da se on mora sastojati iz dva modula: sletnog (descent stage), sa stajnim nogama, i uzletnog (ascent stage), sa kabinom za astronaute. Lunarni modul bi, prethodno spojen sa komandno-servisnim modulom (koji bi obavio retroraketno kočenje), ušao u orbitu oko Meseca a potom bi se lunarni modul odvojio i spustio na Mesec. Posle poletanja uzletnog modula u orbitu oko Meseca, on bi se susreo i spojio sa komandno- servisnim modulom. Zbog susreta (randevua) u Mesečevoj orbiti ovakva koncepcija je nazvana LOR (Lunar Orbit Rendez-vous). Spajanjem modula odgovarajućim mehaničkim sistemom astronauti bi prešli u komandni modul a potom bi uzletni deo lunarnog modula bio odbačen.
Izbacivanje na putanju ka Zemlji bi se obavilo radom motora servisnog modula, istog koji je i uveo kompleks modula u orbitu oko Meseca. Dr Hubolt je svoju kocepciju objasnio skepticima crtanjem po tabli (u početku je bio ismejavan) a lunarni modul je nazivao LEV (Lunar Excursion Vehicle). Kasnije je nazvan LEM (Lunar Excursion Module) i, na kraju, samo LM.

NASA je prihvatila ovu koncepciju i započet je razvoj lunarnog modula za dva astronauta, dok bi treći ostao u orbiti oko Meseca u komandno-servisnm modulu.Tako je rođen projekat „Apolo“ kojim će koncepcija LOR uspešno biti ostvarena.
Bilo je zamerki da je spajanje u Mesečevoj orbiti riskantan poduhvat i da je projekat nepogodan za stvaranje baze na Mesecu jer bi komandno-servisni modul morao da čeka u Mesečevoj orbiti i do pola godine, koliko bi astronauti boravili u bazi na površini. S obzirom da je cilj, deklarisan od strane tadašnjeg političkog vrha SAD, bio spuštanje astronauta na Mesec i bezbedno vraćanje na Zemlju pre 1970. (nikakva baza nije pomenuta), koncepcija LOR je najbrži put ka tom cilju. Zahvaljujući toj koncepciji, modul za sletanje je 3 do 4 puta manje mase od sletnog stepena pri direktnom letu, što omogućava njegov brži i lakši razvoj.
Kosmički brod bi pri direktnom letu imao masu od oko 65 t sa dva astronauta u vrlo maloj kabini-kapsuli. Masa svih modula iz programa „Apolo“ je na kraju iznosila oko 45 t. Brod je nosio tri astronauta. Koncepcija LOR je bila bar dvostruko efikasnija od prethodne. Ovu koncepciju je trebalo da primeni i sovjetski projekat za let na Mesec „N1-LK“ sa dva kosmonauta i spuštanjem samo jednog na Mesec. Projekat je prekinut, a predviđao je razdvajanje i susret i spajanje modula u orbiti oko Meseca.

Koncept LOR i za buduće letove na Mesec

Susret u orbiti oko Meseca namerava da primeni i Kina pri misiji dopremanja uzoraka Mesečevog tla na Zemlju sondom „change 5“.
Mala kapsula za povratak u Zemljinu atmosferu (koja je već isprobana) ostaće u orbiti oko Meseca dok će se lender spustiti na površinu i, slično sondama „luna“ uzeti uzorke tla i staviti ih u uzletni odsek. On će se podići u orbitu, spojiti sa kapsulom i preneti uzorke tla u nju. Posle njihovog razdvajanja, pogonski odsek će je lansirati sa Mesečeve orbite na putanju ka Zemlji.
Kina planira sopstveni let na Mesec sa posadom i već vrši ispitivanje kapsule slične „CM apolo“ pa će slediti koncept leta LOR.

SAD planiraju povratak astronauta na Mesec 2024-2026. Komandni modul „CEV orion“ je razvijen i ispitan a servisni modul će izgraditi evropska agencija ESA. Prvi cilj „oriona“ je da preveze astronaute do stanice DSG (Deep Space Gate), u visokoj orbiti oko Meseca, koja bi se uspostavila pre misije spuštanja na površinu. Priprema se i novi lunarni modul pod nazivom „artemis“. Gradiće ga kompanija „Locheed“ Trebalo da bude možda i dvostruko veći od „LM apolo“ jer se spušta sa visoke orbite oko Meseca na površinu i vraća u visoku orbitu.
Moduli će biti lansirani odvojeno s obzirom na nosivost rakete SLS  („LM artemis“ naravno bez posade) i spojiće se sa Mesečevom orbitalnom stanicom „DSG“. Posada za Mesec će preći u LM i obaviti spuštanje, zatim dugotrajniju misiju na površini i postepenu izgradnju baze. Po povratku u orbitu i susretom i spajanjem sa „DSG“, preći će u „orion“ koji će ih vratiti na Zemlju.
Iako je ova misija drugačija od misije „Apolo“, i ona podrazumeva randevu u orbiti oko Meseca i u okviru je koncepta LOR - ali će posrednik između modula biti orbitalna stanica oko Meseca „DSG“.
Od sredine naredne decenije, oko Meseca i ka njemu će se uspostaviti intenzivan saobraćaj, u kome će glavna operacija biti susret i spajenje u Mesečevoj orbiti, po konceptu razvijenom iz koncepta LOR, koji je na početku kosmičke ere dalekovido predvideo dr Džon Hubolt i po kojem je uspešno ostvaren program „Apolo“.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"