ASTRONAUTIKA

Pripremio: Dragan Lazarević

Stari i novi sletni moduli-lenderi

Meko kao na aerodromu

Ove godine se navršava četrdeset godina od poslednjih sletanja kosmičkih brodova „apolo“ na Mesec. Iako taj kosmički program pripada istoriji, to je za sada jedina čovekova poseta nekom drugom nebeskom telu. U toku programa „Apolo“ obavljeno je šest spuštanja na Mesečevu površinu, od leta „apola 11“ sa Nilom Armstrongom i Edvinom Oldrinom (21. jula 1969) do „apola 17“ sa Judžinom Sernanom i Harisonom Šmitom (decembra 1972).

Kosmički brod sastojao se od komandno servisnog modula „CSM“ i lunarnog modula „LM“. U toku leta ka Mesecu, posle napuštanja niske Zemljine orbite i odvajanja od trećeg stepena rakete „saturn 5“, moduli su obavljali strogo definisane funkcije. Komandni modul je bio kabina kupastog oblika u kojoj su boravili astronauti tokom leta i upravljali servisnim modulom koji je bio pogonsko energetski odsek opremljen snažnim raketnim motorom koji je oba modula oveo u orbitu oko Meseca smanjujući brzinu za 823 m/s tzv. „delta v“ manevrom.

Potom su dva astronauta prešla u kabinu lunarnog modula, pokrenuli motor njegovog sletnog odseka i, smanjivanjem orbitalne brzine, započeli pad ka Mesečevoj površini. Daljim radom motora i ukupnim „delta v“ manevrom od 1740 m/s modul se gotovo zaustavio i prešao u fazu lebdenja. Usledio je let na maloj visini sa izborom mesta spuštanja pri čemu je, u momentu kada senzori koji su bili na visećim kablovima ispod nogu stajnog trapa dodirnu tle i pošalju odgovarajući signal, motor bio automatski isključen i modul sa visine od oko 1m pao na Mesečevu površinu. To je bilo neophodno jer bi rad motora do same površine podigao mnogo prašine, a možda bi oštetio i noge stajnog trapa.

U toku spuštanja potrošeno je gotovo svo gorivo sletnog odseka. Taj deo bi ostao na Mesecu ali bi poslužio kao platforma za lansiranje uzletnog odseka sa kabinom lunarnog modula posle završetka misije. Po poletanju sa Meseca usledilo je ubrzavanje do orbitalne brzine, tzv. mesečeve prve kosmičke brzine (približno1750 m/s) i postizanje visine od oko 100 km na kojoj je oko Meseca kružio „CSM“ sa trećim članom posade. Posle spajanja dva modula, posada lunarnog modula je prešla u komandni modul „apola“ i prenela 50-60 kg uzoraka Mesečevog tla. Kada su odbacili lunarni modul, u odgovarajućem trenutku pokrenuli su motor servisnog odseka, povećali brzinu za 823 m/s i prešli na putanju povratka na Zemlju. Pre ulaska u Zemljinu atmosferu, odbacili su prazan servisni modul. Na površinu Tihog okeana se, posle atmosferskog kočenja i otvaranja padobrana, vratila samo kapsula komandnog modula.

Ideja da se let na Mesec obavi lunarnim i komandno-servisnim modulima koji bi se razdvojili i spojili u mesečevoj orbiti potekla je od Džona Hubolta, čime je projekat ostvaren nekoliko godina ranije u odnosu na opciju direktnog leta. Širina lunarnog modula je iznosila oko 4,3 m, preko nogu stajnog trapa 9,4 m, a visina 7 m. Posebna namena raketnog motora sletnog odseka lunarnog modula bila je, osim smanjenja brzine, i faza lebdenja pri čemu je svojim potiskom potirao silu Mesečeve gravitacije.To je podrazumevalo da je motor imao promenljiv intenzitet sile potiska od 4,67 do 46,7 kN jer je stalnim utroškom goriva sila težine modula opadala čemu je sila potiska morala da se prilagođava.

Maksimalno vreme lebdenja nad Mesečevom površinom moglo je da iznosi 2 min. Korišćena je samozapaljiva kombinacija goriva i oksidatora : nesimetrični dimetilhidrazin i azot-tetraoksid. Lunarni modul je imao i udvostučen manevarski sistem od 16 malih motora, svaki potiska 445 N. Svi su bili na uzletnom odseku. Motor uzletnog odseka je imao stalan potisak od 15,56 kN i koristio je isto gorivo kao i sletni odsek.

U toku projektovanja i konstruisanja kosmičkog broda, prvi put je upotrebljen izraz „modul“ za neki njegov segment, a izraz „lender“ za sletni modul.

Prethodnica programa „Apolo“

Prvo meko spuštanje na Mesečevu površinu ostvarila je sovjetska sonda „luna 9“, 3.februara 1966. Njena masa na putanji ka Mesecu iznosila je 1580 kg zajedno sa kočećim stepenom, a sama sonda oko 100 kg. Sletni odsek je obavljao raketno kočenje gotovo do same površine Meseca da bi tada sonda bila odbačena i udarila o Mesečevu površinu brzinom od oko 20 km/h. Imala je oblik elipsioda pri čemu su se, posle sletanja, gornja četiri poklopca otvarala u vidu latica dovodeći sondu u horizontalan položaj. Prvi televizijski snimci panorame Mesečeve površine stigli su na Zemlju zahvaljujući „luna 9“ a potom se na Mesečevu površinu meko spustila i „luna 13“.

Pošto su pripreme NASA-e da ostvari spuštanje broda sa astronautima zahtevale detaljno upoznavanje fizičkih i hemijskih odlika Mesečeve površine, obavljen je program mekog spuštanja sondi tipa „lunar surveyor“. U periodu 1966-68. obavljeno je sedam misija od kojih pet uspešnih. Letelice su imali masu od 1000 kg sa raketnim motorom na čvrsto gorivo, koji je po završetku rada bio odbacivan i razbijao se o Mesečevu površinu. Završno kočenje i meko spuštanje obavljala su tri motora na samoj sondi, koja je po spuštanju imala masu od 278 kg. Njen stajni trap su činile tri noge sa odgovarajućim stopama za oslanjanje na tle.

Glavna nepoznanica je bila koliki pritisak može da izdrži prašnjavo Mesečevo tlo, tj. da li je moguće propadanje stajnog trapa što bi dovelo u pitanje slanje kosmičkog broda sa ljudskom posadom. Rezultati misije su ukazali da, sa odgovarajućom površinom stopa stajnog trapa, do ozbiljnijeg propadanja ne može doći. Time je bio otvoren put misiji „Apolo“. „Surveyori“ su poslali izuzetne slike Mesečevih predela u koje su se spustili, izvršili hemijske analize tla, a „surveyor 7“ je izveo i prvo poletanje sa Mesečeve površine; ponovnim paljenjem raketnih motora napravio je skok 3m u visinu i pomerio se za 2,5 m od mesta sletanja.

Neostvareni sovjetski program

Sovjetski Savez je imao sopstveni program slanja na Mesec letelice sa ljudskom posadom. Odluka o njegovom započinjanju donešena je dve i po godine posle odluke američkog predsednika Kenedija o početku programa „Apolo“. U okviru tog projekta napravljen lunarni modul za jednog kosmonauta nazvan „LK“ (Lunij Korablj), a kao komandno servisni je trebalo da posluži kosmički brod „sojuz“. Misija je trebalo da bude slična programu „Apolo“, ali sa dva kosmonauta; razdvajanje u Mesečevoj orbiti, spuštanje na njegovu površinu, boravak na njoj u trajanju od 2 sata i potom uzletanje i spajanje u Mesečevoj orbiti, napuštanje i odbacivanje lunarnog modula i povratak na Zemlju.

Razlika u odnosu na lunarni modul „apola“ bila u tome što je sovjetski bio gotovo trostruko manji (5,6 t) a postupak spuštanja nešto drugačiji, donekle sličan spuštanju sondi „luna 9“ i „survejor“. Poseban pogonski odsek bi svojim raketnim motorom smanjio brzinu od 1750 m/s do 100 m/s i, na visini od 4 km iznad Meseca, bio odbačen. Lunarni modul „LK“ bi upalio svoje raketne motore i obavio meko spuštanje na Mesec. Pri poletanju bi koristio iste motore kao i pri spuštanju (imao je zbog sigurnosti dva motora: glavni - jednokomorni RD858 i rezervni - dvokomorni RD859 mada je bio dovoljan potisak samo jednog). Na Mesečevoj površini bi ostavio stajni trap sa četiri noge.

Kabina sa kosmonautom bi se u Mesečevoj orbiti spojila sa lunarnim orbitalnim brodom i dalja procedura bi tekla kao u programu „Apolo“. Taj koncept je trebalo da posluži samo za obavljanje prvih letova na Mesec. „LK“ lunarni moduli su lansirani u Zemljinu orbitu 1970-71. radi ispitivanja pod nazivom „Kosmos 379, 398 i 434“, bez posade. Svi testovi su uspešno obavljeni, ali projekat je obustavljen zbog četiri neuspešna lansiranja džinovske rakete „N 1“ koja je trebala da kosmički brod pošalje ka Mesecu.

Sovjetski Savez je, posle napuštanja ideje o slanju kosmonauta na Mesec, u peroidu 1970-1976. obavio uspešan program istraživanja Meseca sondama „luna 16-24“, koje su obavile dopremanje uzoraka mesečevog tla na Zemlju i spuštanje automatskih vozila, lunohoda. Masa te znatno veće „lune“ je bila oko 5,6 t (po spuštanju na površinu Meseca 1,7 t, od čega je koristan teret, povratni stepen ili lunohod, iznosio 800 do 1000 kg. Posle ulaska sonde u obitu oko Meseca, na visini od oko 111 km, prazni rezervoari za gorivo su odbacivani, raketnim motorima smanjivana je orbitalna brzina i, na kraju, obavljana su meka spuštanja na mesečevu površinu.

Lenderi za spuštanje na Mars

Spuštanje kosmičkih sondi na povšinu Marsa u znatnoj meri olakšava njegova atmosfera. Iako je atmosferski pritisak na površini Marsa oko sto puta manji nego na Zemlji, postojanje i tako retke atmosfere omogućava aerokočenje odgovarajućim aerotermičkim štitom a potom i korišćenje padobrana, čime se brzina smanjuje sa oko 5,7 km/s na oko 100 m/s. Završno usporavanje i meko spuštanje se obavlja retroraketnim sistemom slično spuštanju na Mesec.

Prva sonda koja se meko spustila na Mars 1972. je bila sovjetska „mars 3“. Imala je masu 358 kg, a sa toplotnim štitom 1210 kg. Uspešno je obavila sve faze spuštanja ali je posle samo 14 sekundi emitovanja sa površine usledio prekid, verovatno zbog peščane oluje u kojoj se našla. I sonda „mars 6“, spuštena 1974, iako nešto veća od prethodne, prestala je sa emitovanjem neposredno pred kontakt sa tlom.

Američke sonde „viking“ (1 i 2) spuštene na Mars 1976. ostvarile su izuzetno uspešne misije i, osim vrlo jasnih slika okoline, poslale su i veliki broj podataka o Marsovom tlu, atmosferi i klimi a vršeni su i eksperimenti sa ciljem da se otkriju mikroorganizmu u Marsovom tlu.

Masa lendera „viking“ je bila 576 kg a sa termičkim štitom 1257 kg. Spuštanje je započeto odvajanjem od orbitalnog modula i ulaskom u Marsovu atmosferu brzinom od oko 5 km/s da bi, na oko 6,4 km visine i pri brzini od 1600 km/h, bio odbačen termički štit i otvoren padobran čime je brzina pada smanjena na 113 m/s. Na visini od 1250 m odbacivan je padobran, paljeni su raketni motori koji su usporavali do 2,4m/s da bi se iznad samog tla isključili. Lenderi „viking“ su imali nuklearne izvora energije i slali su podatke nekoliko godina.

Sledeće sletanje na Mars je obavljeno posle 21 godine, sondom „petfainder“, 1997. Procedura spuštanja se donekle razlikovala od prethodnih misija. Posle obavljenog aerokočenja i odbacivanja termičkog štita, usavršen padobranski sistem usporavao je sondu do brzine od 68 m/s da bi, na oko 350 m iznad tla, bili naduvani vazdušni jastuci a na oko 98 m paljene su retrorakete koje su usporavale brzinu gotovo do nule da bi, na visini od 20 m, sonda bila otkačena od gornjeg štita i udarila u površinu brzinom o 14 m/s. Prvi odskok od tla je bio 15 m. Posle više desetina odskoka, konačno se umirila na Marsovoj površini.

Lender „feniks“ spušten je blizu sevene polarne oblasti na Marsu 2008. slično kao sonde „viking“ - raketnim kočenjem do samog tla. Imao je masu od 350 kg i glavni uspeh te misije je otkriće vodenog leda neposredno ispod Marsove površine.

Marsu se trenutno približava najsloženija sonda do sada koja nosi rover „kjurioziti“. Njegov ulazak u atmosferu i kočenje ima iste faze kao i kod prethodnih lendera, ali je završno sletanje znatno drugačije. Sletni stepen će, na visini od 1,8 km, posle paljenja kočećih 8 upravljivih raketnih motora promenljivog potiska 400-3100 N, postepeno, na posebim užadima spustiti rover koji će visiti ispod njega sve dok ne dodirne tlo brzinom od 0,75m/s, kada će se veze prekinuti a sletni odsek podići uvis, poleteti u stranu i, po utrošku goriva, pasti daleko od rovera.

Ovakav koncept sletanja ima prednosti u odnosu na prethodne jer nema potrebe za posebnim sletnim trapom, tj. rover se spušta na sopstvene točkove sa amortizerima, čime se postiže ušteda u masi sletnog odseka a smanjuje se i dizanje prašine sa tla. „Kjurioziti“ je najveći rover koji je do sada upućen na Mars, mase oko 900 kg. Čitava misija košta 2,5 milijardi dolara. Opremljen je nuklearnim izvorima energije koji mogu da traju nekoliko decenija i možda će i dočekati prve astronaute na Marsu.

Eksperimentalni lenderi na Zemlji

Meko spuštanje na površinu neke planete koje se obavlja retroraketnim kočenjem ima smisla ako ta planeta nema atmosferu ili je ona vrlo retka, kao u slučaju Marsa. Sonde koje su se meko spustile na Veneru ili Titan, sa relativno gustom atmosferom, koristile su odgovarajuće aerodinamičke štitove ili padobrane do samog kontakta sa tlom. Pri završnom spuštanju kabine kosmičkog broda „sojuz“, na visini od 2m i jednu sekundu pre dodira tla, raketni motori smanjivali su brzinu sa 7 m/s gotovo da nule, glavno kočenje je obavljeno padobranskim sistemom i pitanje je da li se „sojuz“ može smatrati lenderom u smislu prethodnih letelica.

Razni sistemi aviona sa vertikalnim poletanjem i sletanjem koriste turbomlazne motore. Takav pogon je imala i letelica „LLRV“, zemaljski simulator lunarnog modula za trening astronauta u programu „Apolo“.

Postoje eksperimentalne letelice koje su poletale i meko se spuštale korišćenjem raketnih motora. Jedan od takvih projekata je bio „DC X“, trostroko umanjeni eksperimentalni model planirane orbitalne jednostepene letelice koja je trebala da dosegne Zemljinu orbitu, vrati se u Zemljinu atmosferu i meko se spusti korišćenjem istih motora kao i za poletanje. U periodu 1993-95. obavljeno je više eksperimenata verikalnog poletanja i sletanja. Posle jednog grubljeg sletanja, letelica je rekonstruisana i, pod nazivom DC XA, nastavilo se sa eksperimentima.

Masa letelice je bila 16,3 t a prazne 7,2 t, visina 14 m, prečnik 3,1 m. Pokretala se pomoću četiri motora na tečni vodonik i kiseonik „RL 10 A5“. Motori su imali promenljiv potisak. Ostvareni su letovi u trajanju od 140 sec, najveća visina od 3,1 km, ali je pri poslednjem spuštanju došlo do popuštanja noge stajnog trapa, preturanja letelice i eksplozije kiseoničkog rezervoara, posle čega je program bio obustavljen. Testovi su ukazali da, pri sporom vertikalnom spuštanju, visoka temperatura raketih motora topi podlogu, što može da ošteti stajni trap.

Iako se projekat „DC X“ završio eksplozijom letelice, ipak je bio uspešna potvrda koncepta u svim fazama leta i inspiracija projektu zasnovanom na istim principima poletanja i mekog vertikalnog spuštanja raketnim motorima manje privatne kompanije „Blu Oridžin“. Njen prvi eksperimentalni modul nazvan „nju šepard“ imao je oblik konične kapsule mase 54 t, visine 15 m i prečnika 7 m, pokretan sa devet motora na kerozin i vodonik peroksid. Ostvario je uspešno poletanje i vertikalno sletanje 2007. u trajanju od 40 sec i visinu od 85 m. Sličan eksperimentalni let je obavljen sa većom letelicom valjkastog oblika sa poluloptastim gornjim delom, ali je pri kasnijem letu došlo do eksplozije.

Eksperimenti su vršeni sa malim lenderima u cilju ispitivanja novih načina sletanja na Mesec. Kompanija „Nortrop Gramen“ je organizovala nagradno tamičenje pod nazivom „Lunar lending čelindž“ u kome su manje kompanije prikazale svoja ostvarenja. Nagrade je dodelila NASA: za prvi nivo demonstracije kompaniji „Armadilo erspeis“, sa lenderom „piksel“ a za drugi nivo kompaniji „Masten erspeis“ sa modulom „ksoi“. Zajedničko ovim projektima je da imaju samo jedan upravljivi motor promenljivog potiska čime se smanjuje masa modula jer se eliminišu dodatni manevarski motori .

Ovi lenderi su vrlo uspešno obavili poletanje i precizno vertikalno sletanje zahvaljujući optičkim žiroskopima koji su davali podatke kompjuterskom sistemu. Modul „Armadilo“ kompanije je poslužio kao inspiracija NASA-i za njene eksperimentalne lendere „majti igl“ i „morfeus“ iz kojeg treba da se razvije lender sa ciljem da se pošalje na Mesečevu površinu humanoidni robot, naslednik sadašnjeg robonauta.

Eksperimenti sa raketnim verikalnim sletanjem se vrše i u Japanu (modul RVT), razmatraju se u Izraelu, Evropskoj svemirskoj agenciji i dr.

Nove sonde lendere za Mesec priprema Rusija u saradnji sa Indijom, Kina, Japan i brojne privatne organizacije. NASA je za sada odložila povratak astronauta na Mesec ali je urađen projekat novog lunarnog modula „altair“ koji je tri puta masivniji od sada već legendarnog „LM“ iz programa „Apolo“. On čeka bolje vreme da na Mesec spusti četvoročlanu posadu i kasnije uspostavi tamošnju bazu „Lunar outpost“.

Sadašnja tehnička rešenja su dovoljna osnova da se ostvari spuštanje sletnih modula lendera na sva tela bez atmosfere u Sunčevom sistemu osim Merkura,čija je gravitacija gotovo ravna Marsovoj, što bi zahtevalo znatan utrošak goriva za meko spuštanje, uz problem zagrevanja usled blizine Sunca. Za sada se odustalo od slanja lendera na Merkur u okviru projekta „Bepi Colombo“ evropske kosmičke agencije ESA.

Dragan Lazarević