Лунный модуль «Аполлон» ( LM / ˈ lɛ m / ) , первоначально обозначенный как Лунный модуль экскурсий ( LEM ), был лунным посадочным космическим аппаратом , который летал между лунной орбитой и поверхностью Луны во время американской программы «Аполлон» . Это был первый пилотируемый космический корабль, работавший исключительно в безвоздушном вакууме космоса, и он остаётся единственным пилотируемым аппаратом, приземлившимся где-либо за пределами Земли.
Двухступенчатый лунный модуль , неспособный по своей конструкции и аэродинамике к полету через атмосферу Земли, был доставлен на лунную орбиту, прикрепленный к командно-сервисному модулю Apollo (CSM), примерно в два раза тяжелее его. Экипаж из двух человек доставил лунный модуль с лунной орбиты на поверхность Луны. Во время взлета отработанная посадочная ступень использовалась в качестве стартовой площадки для подъемной ступени, которая затем полетела обратно к командному модулю , после чего также была сброшена.
Под надзором Grumman разработка LM была осложнена проблемами, которые задержали его первый беспилотный полет примерно на десять месяцев, а первый пилотируемый полет — примерно на три месяца. Несмотря на это, LM стал самым надежным компонентом космического корабля Apollo–Saturn . [1] Общая стоимость разработки LM и произведенных единиц составила 21,65 млрд долларов в долларах 2016 года, скорректированная с номинальной суммы в 2,29 млрд долларов [2] с использованием индексов инфляции NASA New Start. [3]
Десять лунных модулей были запущены в космос. Из них шесть были высажены людьми на Луну с 1969 по 1972 год. Первые два полета были испытаниями на низкой околоземной орбите : Apollo 5 , без экипажа; и Apollo 9 с экипажем. Третий испытательный полет на низкой лунной орбите был Apollo 10 , генеральная репетиция первой посадки, проведенной на Apollo 11. Лунный модуль Apollo 13 функционировал как спасательная шлюпка для обеспечения жизнеобеспечения и движения, чтобы сохранить жизнь экипажу для поездки домой, когда их CSM был выведен из строя взрывом кислородного баллона по пути на Луну.
Шесть приземлившихся ступеней спуска остались на местах посадки; соответствующие им ступени подъема врезались в Луну после использования. Одна ступень подъема ( Snoopy Apollo 10 ) была сброшена на гелиоцентрической орбите после того, как ее ступень спуска была сброшена на лунной орбите. [4] Остальные три ЛМ были уничтожены во время контролируемого входа в атмосферу Земли: четыре ступени Apollo 5 и Apollo 9 вернулись по отдельности, в то время как Aquarius Apollo 13 вернулся как единое целое.
При запуске лунный модуль располагался непосредственно под командно-служебным модулем (КСМ) со сложенными опорами внутри адаптера космического корабля-лм (SLA), прикрепленного к третьей ступени S-IVB ракеты-носителя Saturn V. Там он оставался на околоземной парковочной орбите и до срабатывания ракеты транслунного выведения (TLI), чтобы направить корабль к Луне.
Вскоре после TLI открылся SLA; CSM выполнил маневр , в ходе которого он отделился, развернулся, вернулся для стыковки с лунным модулем и извлек его из S-IVB. Во время полета к Луне стыковочные люки были открыты, и пилот лунного модуля вошел в LM, чтобы временно включить питание и проверить все системы, кроме двигательной установки. Пилот лунного модуля выполнял роль инженера, контролируя системы обоих космических аппаратов.
После достижения лунной парковочной орбиты командир и пилот LM вошли и включили LM, заменили люки и стыковочное оборудование, развернули и заблокировали его посадочные опоры и отделились от CSM, летя самостоятельно. Командир управлял органами управления полетом и дроссельной заслонкой двигателя, в то время как пилот лунного модуля управлял другими системами космического корабля и информировал командира о состоянии систем и навигационной информации. После того, как пилот командного модуля визуально осмотрел шасси , LM был отведен на безопасное расстояние, затем повернут до тех пор, пока двигатель спуска не был направлен вперед по направлению движения. Был выполнен 30-секундный импульс выхода на орбиту спуска, чтобы снизить скорость и опустить периселение LM примерно на 50 000 футов (15 км) от поверхности [5] , примерно в 260 морских милях (480 км) от места посадки.
Когда корабль приблизился к периселению, двигатель спуска был снова запущен, чтобы начать активный спуск. В это время экипаж летел на спине, полагаясь на компьютер, чтобы замедлить поступательную и вертикальную скорость корабля почти до нуля. Управление осуществлялось с помощью комбинации дросселирования двигателя и двигателей ориентации, направляемых компьютером с помощью посадочного радара. Во время торможения LM снизился примерно до 10 000 футов (3,0 км), затем, на заключительном этапе захода на посадку, примерно до 700 футов (210 м). Во время последнего захода на посадку аппарат наклонился в почти вертикальное положение, что позволило экипажу посмотреть вперед и вниз, чтобы впервые увидеть лунную поверхность. [6]
Астронавты управляли космическим кораблем Apollo вручную только во время приближения к Луне. [7] Заключительная фаза посадки началась примерно в 2000 футах (0,61 км) от намеченного места посадки. В этот момент ручное управление было включено для командира, у которого было достаточно топлива , чтобы зависнуть на две минуты, чтобы осмотреть, куда компьютер вел корабль, и внести необходимые исправления. При необходимости посадку можно было прервать практически в любой момент, сбросив посадочную ступень и включив подъемный двигатель, чтобы подняться обратно на орбиту для экстренного возвращения к CSM. Наконец, один или несколько из трех 67,2-дюймовых (1,71 м) зондов, выступающих из опор на ногах посадочного модуля, коснулись поверхности, активировав индикатор контакта, который дал командиру сигнал выключить посадочный двигатель, позволяя LM опуститься на поверхность. При приземлении зонды согнулись бы на 180 градусов или даже сломались. Первоначальная конструкция предполагала использование зондов на всех четырех опорах, но начиная с первой посадки (LM-5 на «Аполлоне-11») зонд у лестницы был удален из-за опасений, что погнутый зонд после приземления может проколоть скафандр астронавта, когда он будет спускаться или сходить с лестницы.
Первоначальный план внекорабельной деятельности , по крайней мере до 1966 года, предполагал, что только один астронавт покинет лунный модуль, в то время как другой останется внутри «для поддержания связи». [8] В конечном итоге связь была признана достаточно надежной, чтобы позволить обоим членам экипажа ходить по поверхности, оставив космический корабль под дистанционным контролем Центра управления полетами.
Начиная с Apollo 14 , для спуска и посадки с двигателем было выделено дополнительное топливо LM, с помощью двигателя CSM для достижения периселении в 50 000 футов (15 км). После того, как космический корабль отстыковался, CSM поднял и сделал свою орбиту круговой для оставшейся части миссии.
Когда модуль был готов покинуть Луну, включился двигатель подъёмной ступени LM, оставив посадочную ступень на поверхности Луны. После нескольких корректирующих импульсов курса LM встретился с CSM и состыковался для передачи экипажа и образцов горных пород. Выполнив свою работу, ступень подъёмной ступени отделилась. Двигатель ступени подъёмной ступени Apollo 10 работал до тех пор, пока не израсходовалось его топливо, отправив его мимо Луны на гелиоцентрическую орбиту . [9] [10] Ступень подъёмной ступени Apollo 11 осталась на лунной орбите и в конечном итоге потерпела крушение; все последующие ступени подъёмной ступени (за исключением Apollo 13) были намеренно направлены на Луну, чтобы получить показания сейсмометров, размещенных на поверхности. [11]
Лунный модуль (первоначально названный Lunar Excursion Module, известный по аббревиатуре LEM) был разработан после того, как НАСА решила достичь Луны с помощью Lunar Orbit Rendezvous (LOR) вместо методов прямого восхождения или Earth Orbit Rendezvous (EOR). Как прямой подъем, так и EOR включали бы посадку гораздо более тяжелого, полного космического корабля Apollo на Луну. После того, как было принято решение использовать LOR, возникла необходимость в создании отдельного корабля, способного достичь поверхности Луны и подняться обратно на лунную орбиту.
В июле 1962 года одиннадцати фирмам было предложено представить предложения по LEM. Девять компаний ответили в сентябре, ответив на 20 вопросов, поставленных в запросе предложений NASA в 60-страничном ограниченном техническом предложении. Grumman официально получила контракт 7 ноября 1962 года. [12] Grumman начала исследования по сближению на лунной орбите в конце 1950-х годов и снова в 1961 году. Ожидалось, что стоимость контракта составит около 350 миллионов долларов. [13] Первоначально было четыре основных субподрядчика: Bell Aerosystems ( двигатель подъема ), Hamilton Standard (системы контроля окружающей среды), Marquardt (система управления реакцией) и Rocketdyne ( двигатель спуска ). [14]
Основная система наведения, навигации и управления (PGNCS) была разработана Лабораторией приборостроения Массачусетского технологического института ; компьютер наведения Apollo был изготовлен Raytheon (аналогичная система наведения использовалась в командном модуле ). Резервный навигационный инструмент, Система наведения аварийного прекращения (AGS), был разработан TRW . Шасси было изготовлено Héroux . [15]
Лунный модуль «Аполлон» был собран на заводе Grumman в Бетпейдже, штат Нью-Йорк . [16] [17]
Лунный модуль Apollo был в основном разработан инженером аэрокосмической компании Grumman Томасом Дж. Келли . [18] Первый проект LEM выглядел как уменьшенная версия командно-сервисного модуля Apollo (конусообразная кабина на цилиндрической двигательной секции) со складными ножками. Второй проект включал идею кабины вертолета с большими изогнутыми окнами и сиденьями, чтобы улучшить видимость астронавтов при зависании и посадке. Он также включал второй, передний стыковочный порт, позволяющий экипажу LEM принимать активное участие в стыковке с CSM.
По мере продолжения программы было проведено множество доработок для экономии веса, повышения безопасности и устранения проблем. Первыми были убраны тяжелые окна кабины и сиденья; астронавты должны были стоять во время полета на LEM, поддерживаемые системой тросов и шкивов, с меньшими треугольными окнами, обеспечивающими им достаточный обзор места посадки. Позже был удален избыточный передний стыковочный порт, что означало, что командный пилот передал активное управление стыковкой пилоту командного модуля; он все еще мог видеть приближающийся CSM через небольшое верхнее окно. Выход в громоздких скафандрах для внекорабельной деятельности был облегчен более простым передним люком (32 дюйма × 32 дюйма или 810 мм × 810 мм).
Конфигурация была заморожена в апреле 1963 года, когда были приняты решения по конструкции двигателя подъема и спуска. В дополнение к Rocketdyne, параллельная программа для двигателя спуска [19] была заказана у Space Technology Laboratories (TRW) в июле 1963 года, а к январю 1965 года контракт с Rocketdyne был аннулирован.
Первоначально предполагалось, что электроэнергия будет вырабатываться с помощью топливных элементов, разработанных Pratt and Whitney , похожих на CSM, но в марте 1965 года от них отказались в пользу конструкции, полностью состоящей из батарей. [20]
Первоначальная конструкция имела три опоры, самую легкую возможную конфигурацию. Но поскольку любая конкретная опора должна была бы нести вес транспортного средства, если бы оно приземлилось под значительным углом, это была бы также наименее устойчивая конфигурация, если бы одна из опор была повреждена во время приземления. Следующая итерация конструкции шасси имела пять опор и была самой устойчивой конфигурацией для приземления на неизвестную местность. Однако эта конфигурация была слишком тяжелой, и конструкторы пошли на компромисс, остановившись на четырех опорах. [21]
В июне 1966 года название было изменено на Лунный модуль (LM), что исключило слово « excursion» (экскурсия ). [22] [23] По словам Джорджа Лоу , менеджера Управления программы космических кораблей «Аполлон», это произошло потому, что НАСА опасалось, что слово «excursion» может придать Аполлону легкомысленный оттенок. [24] Несмотря на изменение названия, астронавты и другой персонал НАСА и Grumman продолжали произносить аббревиатуру как ( / l ɛ m / ) вместо букв «LM».
Сравнивая посадку на Луну с «операцией зависания», Гас Гриссом сказал в 1963 году, что, хотя большинство первых астронавтов были летчиками-истребителями, «теперь мы задаемся вопросом, не должен ли пилот, совершающий эту первую посадку на Луну, быть высокоопытным пилотом вертолета». [25] Чтобы позволить астронавтам изучить методы посадки на Луну, в 1964 году НАСА заключило контракт с Bell Aerosystems на создание исследовательского аппарата для посадки на Луну (LLRV), который использовал установленный на карданном подвесе вертикальный реактивный двигатель для противодействия пяти шестым своего веса для имитации гравитации Луны, в дополнение к собственным двигателям на перекиси водорода для имитации двигателя спуска и управления ориентацией лунного модуля. Успешные испытания двух прототипов LLRV в Исследовательском центре полетов Драйдена привели в 1966 году к выпуску трех серийных тренировочных аппаратов для посадки на Луну (LLTV), которые вместе с LLRV использовались для обучения астронавтов в Центре пилотируемых космических аппаратов Хьюстона. Этот самолет оказался довольно опасным для полетов, поскольку три из пяти были уничтожены в результате аварий. Он был оснащен катапультируемым креслом с ракетным двигателем, поэтому в каждом случае пилот выживал, включая первого человека, ступившего на Луну, Нила Армстронга . [26]
LM-1 был построен для совершения первого беспилотного полета для испытания двигательных систем, запущенного на низкую околоземную орбиту на вершине Saturn IB . Первоначально это было запланировано на апрель 1967 года, а затем в том же году должен был последовать первый пилотируемый полет. Но проблемы разработки LM были недооценены, и полет LM-1 был отложен до 22 января 1968 года, как Apollo 5. В то время LM-2 держался в резерве на случай неудачного полета LM-1, чего не произошло.
LM-3 теперь стал первым пилотируемым LM, который снова был запущен на низкую околоземную орбиту для проверки всех систем и отработки разделения, сближения и стыковки, запланированных для Apollo 8 в декабре 1968 года. Но снова проблемы в последнюю минуту задержали его полет до Apollo 9 3 марта 1969 года. После LM-3 планировался второй, более высокий околоземной орбитальный тренировочный полет, но его отменили, чтобы сохранить график программы.
Apollo 10 был запущен 18 мая 1969 года, используя LM-4 для «генеральной репетиции» посадки на Луну, отрабатывая все фазы миссии, за исключением запуска спуска с двигателем через взлет. LM снизился до 47 400 футов (9,0 миль; 14,4 км) над поверхностью Луны, затем сбросил посадочную ступень и использовал свой подъемный двигатель, чтобы вернуться в CSM. [27]
Первая пилотируемая высадка на Луну состоялась 20 июля 1969 года на Apollo 11 LM-5 Eagle . Четыре дня спустя экипаж Apollo 11 в командном модуле Columbia приводнился в Тихом океане, выполнив цель президента Джона Ф. Кеннеди : «...до конца этого десятилетия высадить человека на Луну и благополучно вернуть его на Землю».
За этим последовали посадки Apollo 12 (LM-6 Intrepid ) и Apollo 14 (LM-8 Antares ). В апреле 1970 года Apollo 13 LM-7 Aquarius сыграл неожиданную роль в спасении жизней трех астронавтов после того, как кислородный баллон в сервисном модуле разорвался, выведя из строя CSM. Aquarius служил «спасательной шлюпкой» для астронавтов во время их возвращения на Землю. Его двигатель посадочной ступени [19] использовался для замены поврежденного двигателя сервисной двигательной системы CSM, а его батареи обеспечивали питание для возвращения домой и подзаряжали батареи командного модуля, критически важные для возвращения в атмосферу. Астронавты благополучно приводнились 17 апреля 1970 года. Системы лунного модуля, рассчитанные на поддержку двух астронавтов в течение 45 часов (включая два цикла разгерметизации и повторной герметизации, вызывающих потерю кислорода), на самом деле были рассчитаны на поддержку трех астронавтов в течение 90 часов (без циклов герметизации и потери кислорода).
Время зависания было максимально увеличено в последних четырех миссиях по посадке за счет использования двигателя служебного модуля для выполнения начального импульса выхода на орбиту спуска за 22 часа до отделения LM от CSM, практика, начатая на Аполлоне 14. Это означало, что весь космический корабль, включая CSM, вращался вокруг Луны с периселением в 9,1 морских миль (16,9 км), что позволяло LM начать свой активный спуск с этой высоты с полной загрузкой топлива ступени спуска, оставляя больше резервного топлива для финального сближения. Затем CSM поднимал свой периселений обратно до обычных 60 морских миль (110 км). [28]
Расширенный лунный модуль (ELM), использовавшийся в последних трех «миссиях J-класса» — Apollo 15 , 16 и 17 — был модернизирован для посадки более крупных грузов и более длительного пребывания на поверхности Луны. Тяга двигателя спуска была увеличена путем добавления 10-дюймового (250 мм) расширения к колоколу двигателя, а топливные баки спуска были увеличены. Бак для хранения отходов был добавлен к посадочной ступени с трубопроводом из подъемной ступени. Эти модернизации позволили оставаться на Луне до 75 часов.
Lunar Roving Vehicle был сложен и перевозился в квадранте 1 посадочной ступени. Он был развернут астронавтами после приземления, что позволило им исследовать большие площади и вернуть большее разнообразие лунных образцов.
Вес, указанный здесь, является средним для оригинальных транспортных средств до спецификации ELM. Для получения конкретных весов для каждой миссии см. отдельные статьи о миссии.
Подъемная ступень содержала кабину экипажа с приборными панелями и органами управления полетом. Она содержала свой двигатель Ascent Propulsion System (APS) и два гиперголических топливных бака для возвращения на лунную орбиту и встречи с командно-сервисным модулем Apollo . Она также содержала Reaction Control System (RCS) для управления ориентацией и трансляцией , которая состояла из шестнадцати гиперголических двигателей, подобных тем, которые использовались в сервисном модуле, установленных в четырех квадратах, с собственным запасом топлива. Передний люк для внекорабельной деятельности обеспечивал доступ на лунную поверхность и с нее, в то время как верхний люк и стыковочный порт обеспечивали доступ к командному модулю и с него.
Внутреннее оборудование включало систему контроля окружающей среды (жизнеобеспечения); систему связи VHF с двумя антеннами для связи с командным модулем; унифицированную систему S-диапазона и управляемую параболическую антенну для связи с Землей; антенну для работы вне корабля, напоминающую миниатюрный зонтик, которая передавала сообщения с антенн на портативных системах жизнеобеспечения астронавтов через LM; основную (PGNCS) и резервную (AGS) системы наведения и навигации; оптический телескоп для визуального определения ориентации космического корабля; радар сближения с собственной управляемой антенной; и систему активного терморегулирования. Электрические аккумуляторные батареи, охлаждающая вода и кислород для дыхания хранились в количествах, достаточных для пребывания на поверхности Луны в течение 48 часов изначально, а для последующих миссий этот запас был увеличен до 75 часов.
Во время отдыха на Луне экипаж будет спать на гамаках, подвешенных по всей кабине.
Возвращаемый груз включал образцы лунной породы и грунта, собранные экипажем (до 238 фунтов (108 кг) на Аполлоне-17), а также отснятую фотопленку .
Основная задача посадочной ступени заключалась в поддержке силовой посадки и внекорабельной деятельности на поверхности. Когда экскурсия была закончена, она служила стартовой площадкой для подъемной ступени. Ее восьмиугольная форма поддерживалась четырьмя складными опорами шасси и содержала двигатель с дроссельной заслонкой системы спуска (DPS) с четырьмя гиперголическими топливными баками. Антенна доплеровского радара непрерывного излучения была установлена на тепловом щите двигателя на нижней поверхности, чтобы отправлять данные о высоте и скорости спуска в систему наведения и на дисплей пилота во время посадки. Почти все внешние поверхности, за исключением верхней части, платформы, лестницы, посадочного двигателя и теплозащитного экрана, были покрыты янтарным, темно-янтарным (красновато-янтарным), черным, серебристым и желтым алюминизированными одеялами из фольги Kapton для теплоизоляции. Посадочная опора номер 1 (передняя) имела прикрепленную платформу (неофициально известную как «крыльцо») перед люком для внекорабельной деятельности подъемной ступени и лестницей, по которой астронавты поднимались и спускались между кабиной и поверхностью. Посадочная площадка каждой опоры включала датчик контакта с поверхностью длиной 67 дюймов (1,7 м), который подавал командиру сигнал о необходимости выключить двигатель спуска. (Зонд не использовался на опоре номер 1 каждой посадочной миссии, чтобы избежать опасности прокола скафандра астронавтов, поскольку зонды имели тенденцию отламываться и выступать вверх от поверхности.)
Оборудование для исследования Луны перевозилось в Модульной сборке оборудования (MESA), ящике, установленном на откидной панели, выдвигающейся из левого переднего отсека. Помимо инструментов для раскопок на поверхности астронавта и ящиков для сбора образцов, MESA содержала телевизионную камеру со штативом; когда командир открывал MESA, потянув за шнур во время спуска по лестнице, камера автоматически активировалась, чтобы отправить первые фотографии астронавтов на поверхности обратно на Землю. Флаг Соединенных Штатов , который астронавты должны были установить на поверхности, перевозился в контейнере, установленном на лестнице каждой посадочной миссии.
Пакет ранних экспериментов на поверхности Аполлона (позже — пакет экспериментов на поверхности Луны Аполлона ) перевозился в противоположном отсеке позади ЛМ. Внешний отсек на правой передней панели нес развертываемую антенну S-диапазона, которая в открытом виде выглядела как перевернутый зонтик на треноге. Она не использовалась при первой посадке из-за ограничений по времени и того факта, что приемлемые сообщения принимались с помощью антенны S-диапазона ЛМ, но использовалась на Аполлоне-12 и 14. Ручной транспортер модульного оборудования (MET), похожий по внешнему виду на гольф-кар, перевозился на Аполлоне-13 и 14 для облегчения перевозки инструментов и образцов во время длительных прогулок по Луне. Во время расширенных миссий ( Аполлон-15 и позже) антенна и телекамера были установлены на лунном вездеходе , который перевозился сложенным и закрепленным на внешней панели. В отсеках также находились сменные батареи портативной системы жизнеобеспечения (PLSS) и дополнительные канистры с гидроксидом лития во время расширенных миссий.
One proposed Apollo application was an orbital solar telescope constructed from a surplus LM with its descent engine replaced with a telescope controlled from the ascent stage cabin, the landing legs removed and four "windmill" solar panels extending from the descent stage quadrants. This would have been launched on an uncrewed Saturn IB, and docked with a crewed command and service module, named the Apollo Telescope Mission (ATM).
This idea was later transferred to the original wet workshop design for the Skylab orbital workshop and renamed the Apollo Telescope Mount to be docked on a side port of the workshop's multiple docking adapter (MDA). When Skylab changed to a "dry workshop" design pre-fabricated on the ground and launched on a Saturn V, the telescope was mounted on a hinged arm and controlled from inside the MDA. Only the octagonal shape of the telescope container, solar panels and the Apollo Telescope Mount name were kept, though there was no longer any association with the LM.
The Apollo LM Truck (also known as Lunar Payload Module) was a stand-alone LM descent stage intended to deliver up to 11,000 pounds (5.0 t) of payload to the Moon for an uncrewed landing.[52] This technique was intended to deliver equipment and supplies to a permanent crewed lunar base. As originally proposed, it would be launched on a Saturn V with a full Apollo crew to accompany it to lunar orbit and guide it to a landing next to the base; then the base crew would unload the "truck" while the orbiting crew returned to Earth.[53] In later AAP plans, the LPM would have been delivered by an uncrewed lunar ferry vehicle.[54]
The 1995 Ron Howard film Apollo 13, a dramatization of that mission starring Tom Hanks, Kevin Bacon, and Bill Paxton, was filmed using realistic spacecraft interior reconstructions of the Aquarius and the Command Module Odyssey. In 2013 in the television show Arrested Development, a fictionalized version of Howard is depicted as having the Apollo 11 "LEM" in his office, which his character claims was used to fake the 1969 moon landing.
The development and construction of the lunar module is dramatized in the 1998 miniseries From the Earth to the Moon episode entitled "Spider". This is in reference to LM-3, used on Apollo 9, which the crew named Spider after its spidery appearance. The unused LM-13 stood in during the teleplay to depict LM-3 and LM-5, Eagle, used by Apollo 11.
The Apollo 11 Lunar Module Eagle is depicted in the 2018 film First Man, a biopic of Neil Armstrong.
While one astronaut explores the area around the LEM, the second remains inside to maintain communications.
