40 lat od wielkiego skoku ludzkości

Treść

W tym miesiącu mija 40 lat od pierwszej wyprawy ludzi statkiem kosmicznym Apollo 11 na Księżyc. Od tego czasu niezwykle rozwinęły się programy podróży kosmicznych. Prawie pół wieku od pierwszego lotu na Księżyc naukowcy amerykańscy przygotowują się do pierwszego lotu na Marsa.
Historyczny lot Apollo 11 trwał od 16 do 24 lipca 1969 roku. Lądowanie na Srebrnym Globie dwóch astronautów amerykańskich Neila Armstronga i Edwina Aldrina nastąpiło 20 lipca o godzinie 20:17:39 UMT (czasu uniwersalnego) na terenie Morza Spokoju. W ramach księżycowego programu Apollo, który zakończył się w 1972 roku, aż 12 Amerykanów przebywało na powierzchni Księżyca. Amerykański program księżycowy był niewątpliwie bezprecedensowym, wspaniałym osiągnięciem technicznym, naukowym i organizacyjnym. Wymagał intensywnej pracy około 400 tys. ludzi przez okres blisko dziesięciu lat i kosztował około 200 mld USD (licząc w obecnych cenach).
Program Apollo przyczynił się do rozwoju wielu technologii, zwłaszcza w zakresie elektroniki, informatyki i telekomunikacji, które są obecnie wykorzystywane w życiu codziennym. Przede wszystkim zmienił on nasze spojrzenie na Ziemię. Astronauci, którzy z perspektywy Księżyca widzieli małą błękitną tarczę wschodzącą nad jego powierzchnią, zrozumieli, że w rzeczywistości mamy tylko jeden wspólny dom - niewielką błękitną planetę zagubioną w przeogromnej pustce przestrzeni kosmicznej. Astronauci amerykańscy przybyli na Księżyc w celach pokojowych i w imieniu całej ludzkości.
Kosmiczny wyścig
Korzenie cywilnego programu Apollo miały jednak naturę militarną. Jak wiadomo, w pierwszej połowie lat pięćdziesiątych USA i ZSRS dysponowały bronią atomową i termojądrową. Jednak ZSRS, w przeciwieństwie do USA, nie dysponował dobrze rozwiniętym lotnictwem strategicznym umożliwiającym przenoszenie tej broni na odległości międzykontynentalne.
W tej sytuacji władze ZSRS, korzystając ze zdobytej niemieckiej technologii rakietowej opracowanej przy produkcji V-2, postanowiły zbudować rakietę międzykontynentalną zdolną do przenoszenia ładunków jądrowych do Stanów Zjednoczonych w ciągu kilkudziesięciu minut. 3 sierpnia 1957 roku dokonano pierwszej udanej próby międzykontynentalnej rakiety balistycznej nazwanej R-7. Jej głównym konstruktorem był profesor Dmitrij Ilicz Kozłow (1919-2009), który w latach 1951-1958 pracował w biurze konstrukcyjnym Siergieja Korolowa, szefa sowieckiego programu kosmicznego. Ze względu na dużą masę startową (około 270 ton) i zastosowane paliwo (nafta i ciekły tlen) rakieta ta nie bardzo się nadawała do przenoszenia głowic termojądrowych. Z tego względu zainstalowano w bazie w Pliesiecku na północ od Moskwy tylko cztery rakiety R-7. Jednak ze względu na jej duży udźwig i wysoką niezawodność (ponad 1700 udanych startów) stała się ona podstawą sowieckich osiągnięć w kosmosie.
Przy jej pomocy wystrzelono m.in.: 4 października 1957 r. pierwszego sztucznego satelitę Ziemi, pierwszą sztuczną planetoidę (2.01.1959 r.), pierwszy próbnik księżycowy (12.09.1959 r.) i przede wszystkim 12 kwietnia 1961 r. statek kosmiczny Wostok o masie 4,7 tony z pierwszym kosmonautą świata Jurijem Gagarinem.
W zaistniałej sytuacji Stany Zjednoczone Ameryki musiały ze względów prestiżowych podjąć wyzwanie i wyprzedzić ZSRS w badaniach kosmosu. Półtora miesiąca po orbitalnym locie Jurija Gagarina prezydent John F. Kennedy wygłosił przed połączonymi izbami Kongresu i Senatu USA słynne przemówienie, w którym obiecywał wysłanie przed końcem lat sześćdziesiątych człowieka na Księżyc. Program księżycowy otrzymał właśnie nazwę Apollo od imienia boga piękna w greckiej mitologii. Termin ukończenia programu Apollo był tak krótki, ponieważ Związek Sowiecki pracował również nad wysłaniem człowieka na Księżyc przy pomocy rakiety N-1 o masie startowej około 2730 ton.
Na czym dolecieć do Księżyca
Dlaczego wysłanie człowieka na Księżyc i jego bezpieczny powrót na Ziemię jest tak trudnym problemem technicznym? Otóż Amerykanie przyjęli, że ze względów psychologicznych lądować na Księżycu powinno dwóch astronautów (Rosjanie w swoim niezrealizowanym programie księżycowym założyli ze względów technicznych, że na powierzchni Księżyca wyląduje tylko jeden kosmonauta).
Dokładne analizy pokazały, że na to, aby wysłać dwóch astronautów na Księżyc, trzeba wynieść ponad atmosferę ziemską i rozpędzić w ściśle określonym kierunku do prędkości blisko 40 tys. km/h masę około 45 ton (masa statku Apollo), tzn. masę porównywalną z masą średniego czołgu z prędkością piętnastokrotnie większą od prędkości kuli karabinowej. W tym celu amerykańska agencja kosmiczna NASA zbudowała gigantyczną, trójczłonową rakietę nazwaną Saturn V o masie startowej około 2950 ton. Jej głównym konstruktorem był twórca niemieckiej broni odwetowej V-2 Werner von Braun, pruski arystokrata urodzony w 1912 roku w wielkopolskim Wyrzysku.
Pierwszy człon Saturna V napędzany był pięcioma silnikami F-1 zasilanymi naftą i ciekłym tlenem. W ciągu jednej sekundy zużywały one 13,6 tony tej mieszanki paliwowej, wytwarzając ciąg około 3400 ton i osiągając maksymalną moc 160 milionów koni mechanicznych. Skonstruowanie tak potężnych silników było kluczem do osiągnięcia Księżyca. Warto zaznaczyć, że wiosną 1961 roku, gdy prezydent Kennedy ogłosił program księżycowy, silnik F-1 był już przetestowany. Spalanie w ciągu każdej sekundy cysterny kolejowej mieszanki paliwowej wytwarza ogromne wibracje całej rakiety. Z tego powodu elektronika rakiety musi być bardzo odporna na niekontrolowane drgania i wstrząsy. Drugi i trzeci człon rakiety Saturn V napędzany był więc mieszanką: ciekły wodór i ciekły tlen. Jest to najwydajniejsze paliwo rakietowe nadające się do praktycznego zastosowania. Skonstruowanie jednak silników J-2 wykorzystujących to paliwo było bardzo trudnym zagadnieniem technicznym z uwagi na bardzo małą gęstość i lepkość ciekłego wodoru i niskie temperatury (-273 st. C). Rosjanom udało się skonstruować taki silnik dopiero w połowie lat osiemdziesiątych.
Impuls dla rozwoju przemysłu
Statek Apollo składał się z trzech zespołów: kapsuły załogowej o masie około 5,5 tony, członu serwisowego o masie około 23 ton oraz lądownika księżycowego o masie około 15 ton.
Kapsuła załogowa mieściła trzech astronautów i była jedynym zespołem powracającym na Ziemię lądującym na 3 spadochronach na Oceanie Spokojnym.
Człon serwisowy natomiast zawierał silnik rakietowy umożliwiający wejście na orbitę Księżyca i odlot z tej orbity w kierunku Ziemi. Zainstalowano w nim także systemy orientacji, ogniwa paliwowe służące do wytwarzania energii elektrycznej, systemy łączności i układy zapewniające życie załogi. Człon ten był odrzucany bezpośrednio przed wejściem statku w atmosferę Ziemi.
Lądownik księżycowy składał się z dwóch elementów: członu zapewniającego łagodne lądowanie na powierzchni Księżyca oraz członu umożliwiającego wzlot z Księżyca załodze dwuosobowej.
Program Apollo, koordynowany przez NASA, umożliwił dostarczenie na Ziemię 382 kg próbek gruntu księżycowego oraz wykazał, że Księżyc powstał na skutek kolizji Ziemi z planetą wielkości Marsa, która miała miejsce kilka miliardów lat temu. Program ten pokazał, jak należy skutecznie organizować wielkie przedsięwzięcia naukowo-techniczne. Uruchomienie tak wielkiego programu popchnęło przemysł Stanów Zjednoczonych na zupełnie nowe tory pod względem jego zarządzania i stosowanych technologii.
Koniec epoki wahadłowców
Przy realizacji programu Apollo NASA miała praktycznie nieograniczone fundusze. Po wygraniu wyścigu na Księżyc i tryumfie Apollo 11 zainteresowanie kosmosem społeczeństwa i polityków amerykańskich gwałtownie spadło. Spowodowało to redukcję wydatków na badania kosmiczne. Zaznaczmy, że licząc w obecnych cenach, każdy lot na Księżyc kosztował ponad 2 mld USD. Koszty były tak wysokie, ponieważ każdej rakiety można było użyć tylko jeden raz.
Z tego powodu na początku lat siedemdziesiątych w USA zadecydowano, że trzeba zbudować uniwersalny pojazd kosmiczny wielokrotnego użycia (wahadłowiec) umożliwiający dostarczanie ludzi i ładunków na niską orbitę okołoziemską. Okazało się jednak, że skonstruowanie wahadłowca o rozmiarach spełniających wymogi Pentagonu i w pełni wielokrotnego użytku przekracza możliwości finansowe NASA. Przyjęto więc wariant oszczędniejszy, tylko częściowo wielokrotnego użycia, składający się z: samolotu kosmicznego, głównego zewnętrznego nieodzyskiwanego zbiornika paliwa (ciekłego wodoru i ciekłego tlenu) i dwóch silników startowych na paliwo stałe.
W ten sposób narodził się w 1972 roku projekt wahadłowca Space Shuttle o masie startowej około 2040 ton. Jego pierwszy start nastąpił 12 kwietnia 1981 roku.
Założono, że wahadłowiec zdecydowanie obniży koszty lotów kosmicznych i będzie równie niezawodny jak odrzutowe samoloty pasażerskie. Z tego powodu nie przewidziano - podobnie jak w samolotach pasażerskich - praktycznie żadnego systemu ratowniczego. Obydwa te założenia okazały się nieprawdziwe. Przygotowanie Space Shuttle do kolejnego lotu wymagało pracy ponad tysiąca ludzi przez kilka miesięcy. Sprawiło to, że koszty wyniesienia ładunku na orbitę okołoziemską przy pomocy wahadłowca stały się wyższe niż przy pomocy rakiet jednorazowego użycia, a koszt tylko jednego startu wahadłowca przekracza obecnie pół miliarda USD. Koszty te przerastają aktualne możliwości finansowe NASA. Brak systemów ratowniczych, jak pamiętamy, był przyczyną śmierci 14 astronautów i spowodował utratę wahadłowca Challenger w 1986 roku i wahadłowca Columbia w 2003 roku. Wahadłowce Space Shuttle mają wprawdzie duże możliwości techniczne, lecz okazały się za drogie i bardzo niebezpieczne. Powstał więc problem, jak USA ma "honorowo" wycofać się z programu lotów wahadłowców.
Program Constellation - powrót ludzi na Księżyc
14 stycznia 2004 roku prezydent George W. Bush przedstawił nowy program eksploracji kosmosu przez Stany Zjednoczone, który później nazwano programem Constellation (konstelacja). Zakłada on: eksploatację wahadłowców tylko do 2010 roku, zbudowanie statku kosmicznego umożliwiającego loty poza niską orbitę okołoziemską (w sierpniu 2006 roku statkowi temu nadano nazwę Orion), powrót człowieka na Księżyc w 2020 roku, zbudowanie po 2020 roku stałej międzynarodowej bazy na Księżycu, a w dalszej perspektywie - lot na planetę Mars.
Zaznaczmy, że program Constellation jest dopiero w początkowej, koncepcyjnej - projektowej fazie rozwoju. Opiera się on na kilku podstawowych założeniach:
- nowy system transportu kosmicznego musi mieć rozdzielone funkcje transportu ludzi i towarów,
- transport ludzi na orbitę okołoziemską musi być dziesięciokrotnie bezpieczniejszy niż przy pomocy wahadłowców,
- przy budowie nowego systemu transportu kosmicznego w maksymalnym stopniu należy wykorzystać infrastrukturę naziemną i technologie stosowane w programie Space Shuttle,
- statek kosmiczny Orion, który ma odbywać loty poza orbitę okołoziemską, nie może mieć formy samolotu kosmicznego, lecz budowę podobną do statków Apollo,
- Orion ma umożliwić dotarcie 6 astronautom do międzynarodowej stacji kosmicznej i 4 na powierzchnię Księżyca.
W celu spełnienia tych wymogów NASA projektuje budowę dwóch rakiet Ares I i Ares V. Dwustopniowa rakieta Ares I ma służyć wyłącznie do transportu ludzi w statku Orion na niską orbitę okołoziemską. Masa startowa tej rakiety ma wynosić około 930 ton, wysokość 99 m, a maksymalna średnica 5,5 metra. Konfiguracja tej rakiety jest najprostszą z możliwych, co podnosi jej niezawodność.
Pierwszy jej stopień stanowi powiększony i zmodyfikowany silnik startowy na paliwo stałe stosowany w Space Shuttle. Warto zaznaczyć, że silniki na paliwo stałe są ok. 4-krotnie bardziej niezawodne od silników na paliwo ciekłe, lecz w ostatniej fazie działania generują bardzo silne wibracje. Z tego powodu w rakiecie Ares I przewiduje się zainstalowanie systemów amortyzujących te szkodliwe drgania.
Drugi stopień tej rakiety jest napędzany silnikiem J-2X będącym wersją rozwojową silnika J-2 stosowanego w rakiecie Saturn V z programu Apollo. Na jego szczycie umieszczony jest statek kosmiczny Orion, którego masa wraz z systemem ratunkowym dochodzi do 30 ton. Orion składa się, podobnie jak Apollo, z kapsuły załogowej, w kształcie ściętego stożka z wypukłą podstawą o średnicy 5,03 m, wysokości 3,3 m i o masie od 8,9 do 9,7 tony oraz członu serwisowego o masie od 8,8 do 12,3 tony.
Gigantyczna rakieta Ares V ma służyć głównie do transportu ładunków. Jej masa szacowana jest na 3700 ton, a wysokość ma wynieść 116 metrów. Przyjmuje się, że będzie ona w stanie umieścić na orbicie okołoziemskiej ładunek o masie do 170 ton. W tej chwili tylko Stany Zjednoczone dysponują technologią umożliwiającą zbudowanie tak potężnej i sprawnej rakiety. Jej parametry są tylko przybliżone, ponieważ znajduje się ona dopiero w fazie studyjnej. Oczekuje się, że przy pomocy jednej rakiety Ares I i jednej rakiety Ares V czterech astronautów odbędzie w latach dwudziestych tego wieku podróż na Księżyc. Natomiast przy pomocy ośmiu rakiet Ares V i jednej Ares I za dwadzieścia kilka lat być może czterech astronautów odbędzie ponadtrzyletnią podróż na Marsa.
Można przypuszczać, że podobnie jak program Apollo z lat sześćdziesiątych XX wieku, program Constellation przyczyni się do znacznego rozwoju techniki i technologii w XXI wieku oraz do rozszerzenia ludzkiej obecności w Układzie Słonecznym. Mamy też nadzieję, że systematyczne badanie Księżyca, którego powierzchnia jest porównywalna z powierzchnią Afryki, przyniesie wymierne korzyści dla całej ludzkości.
Prof. Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz
Autor jest profesorem fizyki, kierownikiem Zakładu Fizyki Kwantowej Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu, autorem wielu publikacji naukowych z dziedziny kosmologii kwantowej, m.in. podręcznika akademickiego "Kosmogeneza kwantowa", a także członkiem Rady Naukowej Wyższej Szkoły Kultury Społecznej i Medialnej w Toruniu.
"Nasz Dziennik" 2009-07-25

Autor: wa