Víte, kdy lidé letěli poprvé k Měsíci? Jaké zkušební lety předcházely této misi? Jaké byly její alternativy? A jak by mohl vypadat příští „první“ let k Měsíci? V dnešním článku se pokusíme odpovědět na všechny tyto otázky. Právě dnes totiž přichází výročí, které se nerozlučně pojí s historickou výpravou zástupců lidského pokolení k našemu nejbližšímu kosmickému sousedovi. Ale v článku nebude řeč jen o minulosti. Právě naopak. podíváme se na zoubek i pilotované výpravě v lodi Orion. I na ni totiž čeká v dalších letech velmi podobná mise. Srovnání se tedy samo nabízí.

Apollo 8

Je 21. prosince 1968 13:51 SEČ a v kosmické lodi Apollo 8 sedí tříčlenná posádka ve složení Frank Borman, James Lovell a William Anders. Z rampy 39A Kennedyho vesmírného střediska právě vzlétá největší americká nosná raketa všech dob Saturn V ke své historické misi trvající 6 dnů a 3 hodiny. Ano, dnes je tomu přesně 48 let.

Vůbec první let Apolla se uskutečnil při premiéře nosné rakety Saturn IB dne 26. února 1966. Šlo o kompletní loď, skládající se z velitelského a servisního modulu. Velitelský modul má tvar kužele o největším průměru 3,9 metru a servisní modul tvar válce o průměru 3,9 a délce 6,7 metru. Start se uskutečnil ze startovacího komplexu 34 na Cape Canaveral AFS. Let Apolla s kódovým označením AS-201 probíhal po suborbitální balistické dráze s apogeem ve výšce 499 km, návratovou rychlostí 8,3 km/s, a po 37 minutách skončil na hladině Atlantického oceánu.

Druhý suborbitální let Apolla AS-202 proběhl 25. srpna 1966, dosažené apogeum bylo 1128 km a návratová rychlost 8,9 km/s. Velitelský modul lodi přistál po necelém oběhu Země trvajícím 1 hodinu 33 minut v Tichém oceánu.

Na 21. února 1967 byl připravován let kosmické lodi Apollo 1. Dne 27. ledna probíhala cvičná simulace odpočítávání startu rakety Saturn 1B s kosmickou lodí. Uvnitř lodi se nacházela posádka ve složení Virgil Grissom, Edward White a Roger Chaffee. V čase T-11 minut, při přerušení odpočítávání, v důsledku závady na kabeláži kabiny přeskočila jiskra, která v atmosféře tvořené čistým kyslíkem způsobila požár. Všichni tři astronauti zahynuli.

V březnu 1967 vznikl návrh na přejmenování suborbitálních misí z roku 1966 AS-201 a AS-202. Následující bezpilotní mise byla tedy pojmenována Apollo 4, nicméně k navrženému zpětnému přejmenování obou letů nedošlo. Jako Apollo 2 a Apollo 3 je tak můžeme označovat pouze neoficiálně.

Po nezbytných úpravách lodi vzlétla 9. listopadu 1967 z rampy 39A Kennedyho vesmírného střediska nová nosná raketa Saturn V. Na špičce rakety byla umístěna nepilotovaná kosmická loď Apollo 4. Po dvou obězích na parkovací dráze o parametrech 184 x 192 km, na níž byly opakovaně prováděny prověrky systémů, byl v T+3 hodiny 12 minut proveden restart třetího stupně S-IVB na dobu 5 minut 25 sekund. Deset minut po dohoření motoru J-2 se Apollo 4 oddělilo od stupně. Kosmická loď prolétla apogeem ve výši 18.216 kilometrů a začala se vracet k Zemi. Hlavním úkolem bylo odzkoušení vlastností tepelného štítu za podmínek, ve kterých by se Apollo vracelo od Měsíce. Na návratové dráze byl proto zapálen motor SPS servisního modulu, který urychlil loď na 11,14 km/s. Velitelský modul přistál po misi trvající 8 hodin 37 minut v Tichém oceánu. Let Apolla 4 byl vyhodnocen jako plně úspěšný.

Apollo 5 byl jedenáctihodinový let prvního lunárního modulu na oběžné dráze kolem Země. Modul byl vynesen 22. ledna 1968 raketou Saturn IB.

Vzlet druhého exempláře nosné rakety Saturn V s kosmickou lodí Apollo 6 proběhl 4. dubna 1968. Cílem bylo opětovně vyzkoušet návrat lodi do atmosféry druhou kosmickou rychlostí. Po problémech s druhým stupněm S-II však byla po dokončení práce třetího stupně výsledná parkovací dráha nižší – loď se pohybovala na dráze o parametrech 172 x 223 km. Po dvou obězích Země se nepodařilo třetí stupeň znovu nastartovat. Proto byl k urychlení kosmické lodi použit pohonný systém servisního modulu a po spotřebování veškerého paliva činilo výsledné apogeum 22.225 km. Na zpáteční dráze však již loď neměla žádné palivo k dalšímu urychlení, takže se velitelský modul vracel do atmosféry nižší rychlostí než Apollo 4 – pouze 9,99 km/s.

Při třetím letu rakety Saturn V měla být na orbitální dráhu Země vynesena pouze maketa BP-30 místo provozní kosmické lodi. Druhý stupeň S-II dorazil do Kennedyho vesmírného střediska 24. prosince 1967, první stupeň S-IC 27. prosince a třetí stupeň S-IVB 30. prosince. Relativní úspěch Apolla 6 však vedl dne 27. dubna 1968 k rozhodnutí, že další let rakety Saturn V bude pilotovaný s lodí Apollo a lunárním modulem, přičemž se tato mise uskuteční na nízké oběžné dráze Země. Přeměna na pilotovanou misi však vyžadovala návrat stupně S-II do Mississippi Test Facility pro “man-rating”. Testy byly úspěšně dokončeny 30. května 1968 a stupeň se 27. června vrátil do Kennedyho vesmírného střediska.

Dne 11. června byly zahájeny pozemní testy letového lunárního modulu LM-3. Po dvou měsících testování však bylo zjištěno, že lunární modul nebude pro prosincový start včas připraven, a proto bylo 19. srpna rozhodnuto, že uvnitř adaptéru třetího stupně S-IVB bude místo něj instalován devítitunový hmotnostní balast. Vedení NASA současně rozhodlo o prohození posádky Apolla 8 ve složení James McDivitt, David Scott a Russell Schweickart, která byla cvičena k letu s lunárním modulem LM-3, za posádku Frank Borman, James Lovell a William Anders, která se původně připravovala až pro další misi počátkem roku 1969. Náplní jejich původní mise měl být let na eliptickou oběžnou dráhu kolem Země s apogeem minimálně 7.400 km. Možnost uskutečnění lunární mise byla projednána s posádkou již 10. srpna s tím, že podle výsledků letu Apolla 7 bude upřesněno, jestli cílem Apolla 8 bude nízká oběžná dráha Země, cirkumlunární dráha s obletem Měsíce nebo s navedením na oběžnou dráhu kolem Měsíce.

Pověření trénovat na misi k Měsíci padlo 19. srpna. Celý výcvik se okamžitě zaměřil na nejtěžší z těch tří – lunární orbitální misi. Jednou z hlavních motivací tohoto nejtěžšího cíle bylo, že po letu sovětské nepilotované lodi Zond 4 v březnu 1968 do vzdálenosti 300.000 km od Země (který byl ukončen autodestrukcí během přistávací fáze, když bylo zřejmé, že se nepodaří návrat na území Sovětského svazu), poskytla v létě CIA agentuře NASA informaci, že se na kosmodromu Bajkonur připravuje ke startu další podobný let (raketa Proton s nepilotovanou lodí Zond 5 skutečně odstartovala 14. září k obletu Měsíce). Byla urychlena i pozemní podpora mise Apolla a první simulační cvičení bylo provedeno 9. září.

Nyní bylo nutné uskutečnit první pilotovaný let Apolla. Dne 11. října 1968 vzlétl z rampy 34 Saturn IB s kosmickou lodí Apollo 7 a posádkou ve složení Walter Schirra, Don Eisele a Walter Cunningham. Cílem byly testy kosmické lodi na nízké oběžné dráze Země. Na dráze o parametrech 232 × 309 km byla loď oddělena od stupně S-IVB, který v příštích dvou dnech sloužil jako cíl pro přibližovací manévry lodi. I v následujících dnech byl testován jak hlavní motor SPS včetně simulovaného navedení Apolla na dráhu kolem Měsíce, tak i motory systému RCS. Po letu trvajícím 10 dnů 20 hodin přistál velitelský modul 22. října v Atlantickém oceánu. Let byl tak úspěšný, že otevřel dveře ke změně dalšího plánu.

9. října byl na rampu 39A vyvezen Saturn V s kosmickou lodí Apollo 8. Dne 11. listopadu, tedy dvacet dnů po přistání Apolla 7 a pouhý den po startu sovětské nepilotované kosmické lodě Zond 5, směřující k průletu kolem Měsíce, rozhodla komise vedená administrátorem NASA: Apollo 8 poletí k Měsíci. Rozhodnutí bylo učiněno po důkladném vyhodnocení desetidenního letu Apolla 7 na oběžné dráze Země a vyhodnocení rizik spojených s lunární orbitální misí. Tato rizika zahrnovala naprostou závislost na motoru servisního modulu a třídenní dobu návratu z oběžné dráhy Měsíce ve srovnání s pouhou půlhodinou až třemi hodinami z oběžné dráhy Země. Hlavní hodnotou letu byla podpora cíle přistání člověka na Měsíci před koncem roku 1969, zkušenosti s navigací ve vzdáleném kosmickém prostoru, komunikací a sledováním, větší znalosti o tepelné reakci kosmické lodě v tomto prostoru a operační zkušenosti posádky, přímo použitelné pro přistání na Měsíci, spočívající například v potvrzení správnosti určené oběžné dráhy a v demonstraci setkávacích postupů na oběžné dráze Měsíce.

Pro trajektorii Apolla 8 bylo rozpracováno několik záložních variant:

• Varianta 1 – Pokud se pro závadu podobnou závadě z předchozího startu Saturnu V nepodaří dosáhnout parkovací oběžné dráhy Země motorem J-2 stupně S-IVB, bude k navedení použito motoru SPS servisního modulu. Pokud poté ještě zbyde palivo, mohla by loď přejít na dráhu s apogeem až 8.500 km, na které by pak létala asi 10 dnů.
• Varianta 2 – Pokud nebude možné na parkovací oběžné dráze restartovat stupeň S-IVB, bude dráha zvýšena podobně jako v první variantě, a později bude opět snížena na nízkou oběžnou dráhu.
• Varianta 3A – Pokud bude zážeh motoru J-2 stupně S-IVB tak krátký, že apogeum nepřesáhne 2.100 km, bude se pokračovat podle varianty 2.
• Varianta 3B – Pokud bude apogeum mezi 2.100 a 55.000 km, upraví se pomocí motoru SPS opět na 8.500 km bez dalšího snížení na nízkou oběžnou dráhu, tedy stejně jako u varianty 1.
• Varianta 3C – V případě apogea ležícího mezi 55.000 a 128.000 km se motorem SPS dráha upraví na protáhlou eliptickou dráhu s dobou oběhu dvanáct hodin, a délka mise by byla opět deset dnů, stejně jako v předchozích variantách.
• Varianta 3D – Pokud bude zážeh motoru J-2 tak dlouhý, že apogeum bude větší než 128.000 km, bude motorem SPS zvýšeno tak, aby navedl kosmickou loď na průlet kolem Měsíce.

21. prosince 1968 v 12:51 UT vzlétl Saturn V z rampy 39A a vynesl kosmickou loď Apollo 8 s třetím stupněm nosné rakety na parkovací dráhu o parametrech 180 x 193 km a sklonu 32,5 o . Hmotnost lodi včetně paliva byla 28,8 tuny, a navíc byl uvnitř adaptéru třetího stupně S-IVB devítitunový balast imitující hmotnost lunárního modulu. Po dvou obězích byl v 15:41 UT zapálen motor třetího stupně, který úspěšně navedl kosmickou loď na dráhu k Měsíci. Do blízkosti Měsíce se trojice pozemšťanů dostala ráno 24. prosince. 68 hodin po startu zmizelo Apollo 8 za okrajem Měsíce a o hodinu později, v 9:59 UT provedli astronauti nad odvrácenou stranou Měsíce zážehem motoru SPS manévr LOI, kterým byla loď navedena na oběžnou dráhu Měsíce s parametry 312 x 111 km.

O dvě hodiny později byla dráha upravena na kruhovou ve výši 112 km. Hlavním vědeckým programem letu bylo snímkování povrchu Měsíce. Apollo 8 uskutečnilo celkem 10 oběhů kolem Měsíce. Na devátém oběhu v průběhu živého televizního přenosu pořídil William Anders mj. známou fotografii Země a povrchu Měsíce, později pojmenovanou „Earthrise“, a vysílání astronauti ukončili střídavým čtením z knihy Genesis a přáním šťastných a veselých Vánoc lidem na Zemi. Po dvaceti hodinách strávených na oběžné dráze přešlo Apollo 25. prosince v 6:10 UT zážehem motoru SPS na přeletovou dráhu k Zemi. Dne 27. prosince v 15:25 UT se velitelský modul oddělil od servisního modulu a v 15:51 UT přistál ve vodách Tichého oceánu.

(Autor článku má k letu Apolla 8 osobní vztah – narodil se 13 hodin po startu, když byla kosmická loď vzdálena od Země 115 000 km)

V letech 1969 až 1972 NASA uskutečnila dalších osm expedic k Měsíci, z nichž šest na Měsíci přistálo. Poslední Apollo 17 se vrátilo od Měsíce 19. prosince 1972. Poté následovalo půlstoletí letů na nízkou oběžnou dráhu. Až v poslední době se NASA reálně chystá opět poslat své astronauty mimo gravitační sevření Země…

Orion

5. prosince 2014 vzlétla ze startovacího komplexu 37B na Cape Canaveral AFS raketa Delta IV Heavy s nepilotovanou kosmickou lodí Orion, tvořenou modulem pro posádku. Modul má stejně jako velitelský modul Apolla tvar kužele, je však větší – největší průměr je 5 metrů. Servisní modul o průměru 4,1 metru a délce 4 metry byl nahrazen atrapou a jeho funkce suploval horní stupeň DCSS. Během letu s označením EFT-1 provedl Orion dva oběhy Země, přičemž při druhém oběhu dosáhl apogea 5 800 km. Do zemské atmosféry vstoupil po 4,5 hodinách rychlostí 8,9 km/s a přistál v Tichém oceánu.

Na konec roku 2018 je ze startovacího komplexu 39B na Kennedyho vesmírném středisku plánována premiéra největší americké nosné rakety od dob Saturnu V, nazvané SLS. V současnosti se staví jak nosná raketa, tak její náklad, kterým bude kompletní nepilotovaná kosmická loď Orion, tedy včetně servisního modulu. Servisní modul dodá na základě dohody z prosince 2012 Evropská kosmická agentura, jako hlavní motor bude použit motor OMS z raketoplánu. Hlavním úkolem bude demonstrace systémů kosmické lodi před pilotovaným letem včetně návratu na Zemi rychlostí 11 km/s. Loď však bude postrádat některé důležité systémy, například systém zabezpečení životních podmínek nebude kompletní, budou chybět systémy pro posádku a aktivní záchranná věžička pro případ selhání nosné rakety. Pro urychlení na přeletovou dráhu k Měsíci bude použit horní stupeň ICPS.

Původní plán mise s označením EM-1 počítal s obletem Měsíce na dráze volného návratu a s přistáním do Tichého oceánu po sedmi dnech letu. V roce 2013 však manažeři NASA prosadili ambiciózní misi – 26tidenní let na vysokou oběžnou dráhu Měsíce, na které vykoná půlkruh ve vzdálenosti 70.000 km od Měsíce. Přeletová dráha k Měsíci má trvat 10 dnů, dva blízké průlety kolem Měsíce ve výši 100 km nad povrchem a let na jeho oběžné dráze přibližně 7 dnů, a přelet zpět k Zemi má být 9-denní. Mise se tak stala součástí studie proveditelnosti pilotovaného letu k několikametrovému asteroidu, který by byl předtím dopraven nepilotovanou sondou z původní dráhy kolem Slunce na vysokou dráhu kolem Měsíce. Od počátku bylo zřejmé, že asteroid nebude možné umístit na dráhu dostupnou pro Orion dříve než v roce 2024, ředitelství NASA pro průzkum a pilotované lety však chtělo být na takovou misi připraveno již od roku 2021.

Třetí let Orionu má být pilotovaný, a na rozdíl od Apolla má jít rovnou o let k Měsíci. Mise s označením EM-2 by se mohla uskutečnit již za pět let. V počátcích jejího plánování byla navržena jako 9-13tidenní s třídenním pobytem na oběžné dráze Měsíce o parametrech 100-10.000 km. Návrh počítal s použitím horního stupně ICPS a s trajektorií volného návratu pro případ poruchy motoru OMS po navedení na přeletovou dráhu k Měsíci. Certifikace stupně ICPS pro jediný let s lidskou posádkou před přechodem na nový, výkonný stupeň EUS však byla později napadnuta jako nehospodárná, a NASA obdržela na finanční rok 2016 peníze na urychlení vývoje EUS. Použití EUS umožní vynést kromě Orionu ještě sekundární náklad CPL o hmotnosti přibližně 7 tun.

V říjnu 2016 NASA vyzvala své partnery k předložení návrhů CPL s tím, že vítězný návrh má být vybrán v červnu 2017. Dne 30. listopadu 2016 byl představen nový návrh trajektorie mise. Podle nového profilu se Orion se stupněm EUS dostane nejprve na parkovací oběžnou dráhu Země, na které vykoná dva oběhy. Poté budou krátce zapáleny motory horního stupně EUS, které zvýší oběžnou dráhu na eliptickou s apogeem 35.000 km. Na této dráze se EUS oddělí od Orionu a urychlí náklad CPL umístěný v adaptéru na vlastní separátní dráhu k Měsíci. Posádka Orionu provede test kritických systémů, které budou následně vyhodnoceny. V případě kladného výsledku bude Orion naveden zážehem motoru OMS na oblet Měsíce, naopak v případě neodstranitelné závady se vrátí během několika hodin zpět na Zemi.

Na dráze volného návratu s průletem kolem Měsíce se Orion dostane zpět k Zemi osm dnů po startu. Ještě předtím však budou známy výsledky dalších analýz, na jejichž základě může být rozhodnuto o jednom až dvou dodatečných obletech Měsíce. Mise tak může být prodloužena až na 21 dní. Navržený letový plán je založen na lepším pochopení rizik spojených s letem a s ohledem na to, že na rozdíl od Apolla 8 půjde v případě Orionu o první let s posádkou. Trajektorie byla navržena podle míry rizika, které jsou manažeři NASA ochotni přijmout. Jedním z konkrétních důvodů je systém podpory životních podmínek. Bude to poprvé, kdy bude tento nově vyvinutý systém použit na Orionu v kompletní podobě.

Proto bylo navrženo, pokud by bylo v systému cokoli špatně, mít možnost elegantním způsobem let na nízké, a poté na eliptické dráze přerušit. Zatímco při nepilotované misi EM-1 je cílem vyždímat z Orionu maximum, rozhodnutí o trajektorii volného návratu pro EM-2 bez zážehu motoru OMS v blízkosti Měsíce minimalizuje riziko spojené s misí. Revidovaná koncepce má ještě jeden přínos – představuje test Orionu pro případ poruchy stupně EUS, kdy je další zážeh proveden motorem servisního modulu. V prosinci 2016 byla podepsána dohoda s Evropskou kosmickou agenturou o dodání servisního modulu pro EM-2, čímž se mise opět přiblížila své realizaci.

Zdroje informací:
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/
http://history.nasa.gov/ap08fj/
https://www.nasa.gov/pdf/
https://www.nasaspaceflight.com/
http://www.spaceflightinsider.com/
https://www.nasaspaceflight.com/
https://www.nasa.gov/
http://spacenews.com/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/images/338801main_08-lg.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Apollo-8-mission-profile.png
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a410/ap8-KSC-68PC-147.jpg
http://bloximages.chicago2.vip.townnews.com/nwitimes.com/…/578f8ead55010.image.jpg
http://history.nasa.gov/ap08fj/photos/ground/s68-55416.jpg
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a410/ap8-KSC-68PC-329.jpg
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a410/AS8-14-2383HR.jpg
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a410/ap8-S68-56310.jpg
http://www.esa.int/var/…/Orion_Exploration_Mission_1_infographic_Airbus.jpg