Apollo 8 – pierwsza misja kosmiczna poza orbitą okołoziemską

Misja Apollo 8 stanowiła punkt zwrotny w historii podboju kosmosu, przekształcając program księżycowy z ostrożnych testów na orbicie okołoziemskiej w brawurowy wyścig o dominację technologiczną. Decyzja o wysłaniu ludzi w podróż dookoła Księżyca w grudniu 1968 roku nie była logicznym następstwem wcześniejszych kroków, lecz ryzykowną decyzją wymuszoną przez geopolitykę, problemy techniczne lądownika i intuicję inżynierów NASA. Była to pierwsza misja kosmiczna poza orbitą okołoziemską, która potwierdziła, że lot na Księżyc jest w ogóle możliwy.

Geneza

Program Apollo przeszedł wiele zmian po tragicznym wypadku Apollo 1. W nowym harmonogramie ustalono, że misja Apollo 8 miała być testem modułu księżycowego (Lunar Module – LM) na wysokiej orbicie okołoziemskiej. Jednakże firma Grumman Aircraft Engineering Corporation, główny wykonawca lądownika, borykała się z olbrzymimi problemami technicznymi i logistycznymi. Pierwszy egzemplarz lądownika, dostarczony NASA latem 1968 roku i oznaczony jako LM-3, miał tyle wad, że trzeba było wprowadzić w nim poprawki. Oznaczało to opóźnienia w harmonogramie lotów testowych. Co istotne, nie było pewności kiedy moduł będzie gotowy, przy czym najwcześniej szacowano gotowość na wiosnę 1969 roku.

Trzymanie się sztywnego harmonogramu oznaczałoby, że NASA musiałaby czekać miesiącami na gotowość sprzętu, tracąc cenny czas. Kontynuowanie lotów testowych samego modułu dowodzenia (Command/Service Module – CSM) na niskiej orbicie Ziemi, jak to miało miejsce w przypadku Apollo 7, nie wnosiło już nowej wiedzy inżynieryjnej i nie przybliżało Amerykanów do wyznaczonego przez prezydenta Johna F. Kennedy’ego celu, jakim było lądowanie na Księżycu przed końcem dekady. Rosło również ryzyko, że ewentualne opóźnienia kolejnych misji całkowicie uniemożliwią zrealizowanie tego celu, co byłoby propagandową porażką. Potrzebna była radykalna zmiana planów, która pozwoliłaby wykorzystać dostępny sprzęt – rakietę Saturn V i statek CSM – bez czekania na opóźniony lądownik Grummana.

W tym momencie na scenę wkroczył George Low, kierownik biura programu statków Apollo (Apollo Spacecraft Program Office). W sierpniu 1968 roku, zdając sobie sprawę z rosnących opóźnień, przedstawił śmiałą propozycję: wyślijmy statek CSM na orbitę Księżyca bez lądownika. Było to posunięcie o niewyobrażalnym stopniu ryzyka. Rakieta Saturn V nigdy wcześniej nie wyniosła ludzi w kosmos, a statek Apollo nie był testowany w głębokiej przestrzeni kosmicznej, z dala od ochronnej magnetosfery Ziemi. Co więcej, systemy nawigacyjne i komunikacyjne (Deep Space Network) musiałyby zadziałać bezbłędnie przy pierwszej próbie.

Low musiał przekonać do tego pomysłu nie tylko swoich bezpośrednich przełożonych m.in. Roberta Gilrutha, ale także dyrektora NASA Jamesa Webba (który początkowo podszedł do tematu negatywnie) oraz Wernhera von Brauna, twórcę rakiety Saturn V. Po długich rozmowach, poszczególni dyrektorzy odpowiedzialni za kolejne elementy całego programu Apollo uznali, że pomysł Lowa nie tylko jest dobry, ale też będzie miał duże znaczenie dla przyśpieszenia całego programu. Von Braun, pewny swojego dzieła, zapewnił, że rozwiązano problemy z oscylacjami rakiety Saturn V, dzięki czemu jest ona gotowa do lotu. Mając zapewnienie od najważniejszych członków zespołu, James Webb ostatecznie zgodził się na zmianę pierwotnych planów. Misja Apollo 8 zmieniła swój profil z kolejnego testu na orbicie okołoziemskiej na pierwszą w historii wyprawę w kierunku Księżyca.

Spory wpływ na tę decyzję miały pogłoski docierające z ZSRR. Związek Radziecki, mimo swoich problemów z rakietą N1, intensywnie rozwijał program Zond, będący serią lotów badawczych przed właściwym wysłaniem człowieka na Księżyc. Misja Zond 5, przeprowadzona we wrześniu 1968 roku, zakończyła się sukcesem – statek z żółwiami na pokładzie okrążył Srebrny Glob i bezpiecznie wodował w Oceanie Indyjskim. Dla administracji NASA oraz prezydenta Lyndona B. Johnsona sygnał był jasny: Rosjanie są o krok od wysłania kosmonauty w podobną podróż. Taki wyczyn, nawet bez lądowania, byłby kolejną propagandową przegraną dla Stanów Zjednoczonych, niweczącą narrację o amerykańskiej dominacji technologicznej. Presja polityczna, by „zrobić coś spektakularnego” przed końcem roku, była olbrzymia. Kierownictwo agencji zdawało sobie sprawę, że jeśli Sowieci jako pierwsi wyślą człowieka w lot wokół Księżyca, kosztowny program Apollo może stracić poparcie społeczne i finansowe, zanim w ogóle dojdzie do próby lądowania na srebrnym globie.

Nowa misja Apollo 8

Rakieta Saturn V

Kluczem do sukcesu misji była rakieta nośna Saturn V (numer seryjny SA-503). Poprzednia misja bezzałogowa, Apollo 6, ujawniła poważne problemy z tzw. oscylacjami Pogo – gwałtownymi wibracjami wzdłużnymi, które mogły doprowadzić do uszkodzenia struktury rakiety. Inżynierowie z Marshall Space Flight Center oraz firmy Boeing (odpowiedzialnej za pierwszy stopień S-IC) musieli w ekspresowym tempie opracować system tłumienia drgań w układach paliwowych potężnych silników F-1. Zastosowano system wtryskiwania helu do przewodów z ciekłym tlenem, co miało działać jak amortyzator.

Drugim krytycznym elementem był trzeci stopień rakiety – S-IVB, produkowany przez Douglas Aircraft Company. Musiał on nie tylko wejść na orbitę okołoziemską, ale po raz pierwszy w historii lotów załogowych zostać ponownie uruchomiony w próżni, aby wykonać manewr TLI (Trans-Lunar Injection). Każda awaria silnika na tym etapie oznaczała koniec misji i konieczność powrotu na Ziemię (w najlepszym przypadku) lub uwięzienie na orbicie. Koszt pojedynczego startu Saturna V wynosił wówczas około 185 mln dolarów (co przekłada się na ponad 1,5 mld dolarów współcześnie), więc margines błędu finansowego i technicznego był zerowy.

Nowa załoga

Zmiana celu misji wymusiła zmianę załogi. Pierwotna załoga została przesunięta na kolejny lot, aby nie marnować ich olbrzymiego doświadczenia z treningów, które wykonali. Na ich miejsce wyznaczono nową załogę, która nie rozpoczęła jeszcze szkoleń. Dowódcą został Frank Borman, weteran programu Gemini. Pilotem modułu dowodzenia (CMP) został James Lovell, a pilotem modułu księżycowego (LMP) – mimo braku lądownika – William Anders. Pierwotnie w składzie miał znaleźć się Michael Collins, ale z powodu problemów z kręgosłupem musiał zrezygnować (co paradoksalnie otworzyło mu drogę do misji Apollo 11).

Rola Williama Andersa była specyficzna. Ponieważ misja nie zabierała lądownika LM, Anders – nominalnie jego pilot – stał się głównym inżynierem pokładowym i fotografem misji. Jego zadaniem było szczegółowe dokumentowanie powierzchni Księżyca, w poszukiwaniu potencjalnych miejsc lądowania dla przyszłych misji. Załoga przeszła trudny trening w symulatorach, ucząc się nawigacji gwiezdnej na wypadek awarii komputera Apollo Guidance Computer (AGC). Musieli oni opanować skomplikowaną sztukę używania sekstantu w statku poruszającym się z prędkością tysięcy kilometrów na godzinę, co było kluczowe dla ich przetrwania w głębokim kosmosie. Co istotne, mieli na szkolenie mniej czasu nie powinni, ale presja na przeprowadzenie misji do końca 1968 roku była zbyt duża.

Przebieg misji

Start nastąpił 21 grudnia 1968 roku o godzinie 07:51 czasu wschodniego z kompleksu startowego LC-39A w Centrum Kosmicznym Kennedy’ego. Potężne silniki startowe wytworzyły ciąg ponad 34 milionów niutonów, a wstrząsy odczuwalne były w promieniu kilku kilometrów. Był to pierwszy raz, gdy w w pełni zatankowanej rakiecie Saturna V znaleźli się ludzie. Faza wznoszenia przebiegła niemal idealnie, zgodnie z zapewnieniami Von Brauna. Rakieta zachowała się, jak to określił Borman, jak „stara dama”, lecąc gładko i precyzyjnie.

Kluczowy moment nastąpił po osiągnięciu orbity. Po sprawdzeniu systemów, kontrola lotu w Houston wydała komendę: „Apollo 8, you are Go for TLI”. Ponowny zapłon silnika w stopniu S-IVB trwał ponad 5 minut i zwiększył prędkość statku do niesamowitych 10,8 km/s (blisko 39 000 km/h). Był to moment historyczny – ludzie po raz pierwszy osiągnęli „prędkość ucieczki”, wyrywając się z grawitacji Ziemi.

Podróż do Księżyca trwała trzy dni. W tym czasie statek wykonywał manewr zwany „grillowaniem” (Passive Thermal Control – PTC). Polegał on na powolnym obracaniu statku wokół własnej osi, aby równomiernie rozprowadzać ciepło słoneczne. Bez tego, strona nasłoneczniona rozgrzałaby się do ponad 200°C, podczas gdy strona w cieniu zamarzłaby w temperaturze -100°C, co doprowadziłoby do pęknięcia zbiorników paliwa i struktury kadłuba. Załoga Apollo 8 była pierwszymi ludźmi, którzy przeszli przez Pasy radiacyjne Van Allena, które rozciągają się na odległość od 1000 do 64 000 km od Ziemi.

W trakcie lotu załoga zmagała się z pierwszymi objawami tzw. „choroby kosmicznej”. Frank Borman cierpiał na nudności, wymioty i biegunkę, co wywołało chwilowy kryzys higieniczny w ciasnej kabinie (drobiny wymiocin w stanie nieważkości stanowiły zagrożenie dla elektroniki i układu oddechowego). Mimo to, Borman początkowo nie informował Ziemi o pełnej skali problemu, obawiając się skrócenia lub przerwania misji. Dopiero po naciskach ze strony pozostałych członków załogi, przekazano kontroli lotów informacje o problemach zdrowotnych. Po ich przeanalizowaniu, uznano, że nie stanowią one zagrożenia dla misji.  Nawigacja oparta na systemie Deep Space Network okazała się niezwykle precyzyjna – z czterech planowanych korekt kursu, konieczna była tylko jedna.

Najbardziej krytycznym momentem misji był manewr wejścia na orbitę księżycową (Lunar Orbit Insertion – LOI), który rozpoczęto po około 69 godzinach i 8 minutach lotu, czyli 24 grudnia. Aby to zrobić, statek musiał wyhamować, używając głównego silnika Service Propulsion System (SPS), produkowanego przez firmę Aerojet. Co gorsza, manewr ten musiał zostać wykonany po niewidocznej stronie Księżyca, gdzie nie było łączności radiowej z Ziemią. Gdy statek zniknął za tarczą Księżyca, w Centrum Kontroli Lotów w Houston zapadła martwa cisza. Jeśli silnik SPS nie zadziałałby, statek przeleciałby obok Księżyca i zostałby wyrzucony na orbitę okołosłoneczną bez możliwości powrotu. Silnik pracował przez dokładnie 247 sekund. Kiedy Apollo 8 wyłonił się zza Księżyca, łączność powróciła dokładnie w wyliczonym co do sekundy momencie. Lovell zameldował: „Please be informed there is a Santa Claus” (pol. Proszę przyjąć do wiadomości, że Święty Mikołaj istnieje), co było kodem oznaczającym sukces manewru.

Załoga wykonała 10 okrążeń Księżyca w ciągu 20 godzin. W tym czasie prowadzili intensywne obserwacje powierzchni, fotografując potencjalne lądowiska na Morzu Spokoju. Księżyc z bliska okazał się szary, jałowy i nieprzyjazny – Borman określił go jako „ogromną ilość niczego”. Jednak to nie Księżyc stał się wizualnym symbolem misji. Podczas czwartego okrążenia, William Anders spojrzał przez okno i zobaczył Ziemię wschodzącą nad księżycowym horyzontem. Słynne zdjęcie „Earthrise” stało się jedną z najważniejszych fotografii w historii ludzkości, pokazując kruchą, błękitną planetę zawieszoną w czerni kosmosu.

W Wigilię Bożego Narodzenia, 24 grudnia 1968 roku, załoga przeprowadziła jedną z kilku transmisji telewizyjnych, którą oglądało szacunkowo miliard ludzi na całym świecie. Astronauci odczytali na zmianę pierwsze wersy z Księgi Rodzaju. Decyzja o odczytaniu Biblii była sugestią żony jednego z przyjaciół astronautów, a jej wykonanie idealnie wpisało się w podniosły nastrój chwili, choć później stało się przedmiotem pozwu ze strony ateistki Madalyn Murray O’Hair (pozew został oddalony).

Powrót na Ziemię

Powrót, chociaż zdecydowanie spokojniejszy i mniej ryzykowny, wymagał kolejnego kluczowego odpalenia silnika SPS – manewru Trans-Earth Injection (TEI). Silnik musiał zadziałać bezbłędnie po raz kolejny. Po pomyślnym zapłonie, statek skierował się ku Ziemi. Faza powrotna była testem nawigacji przy ogromnych prędkościach. W trakcie lotu, załoga odkryła niespodziankę, przygotowana przez Donalda Slaytona, dyrektora operacji. W prowiancie na lot, umieścił on indyka w formie racji żywnościowej jakie przekazywano żołnierzom w Wietnamie. Dodatkowo astronauci znaleźli trzy buteleczki z brandy, jednak nie wypyli ich, obawiając się skutków działania alkoholu na ich organizm w trakcie lotu.

Ostatecznie kapsuła Apollo 8 weszła w atmosferę ziemską 27 grudnia 1968 roku z prędkością 11 km/s. Energia kinetyczna, którą musiała wytracić osłona termiczna (wykonana z żywicy epoksydowej wypełnionej włóknem szklanym w strukturze plastra miodu, produkowanej przez Avco Corporation), była znacznie wyższa niż przy powrotach z orbity okołoziemskiej. Temperatura osłony sięgała 2760°C. Mimo to, systemy zadziałały perfekcyjnie. Kapsuła wodowała w Pacyfiku, zaledwie 4,6 km od lotniskowca USS Yorktown. Było to najdokładniejsze wodowanie w dotychczasowej historii programu. Zanim jednak pierwszy nurek dotarł do kapsuły, minęły 43 minuty. Na pokład lotniskowca astronauci dotarli kolejne 45 minut później.

Podsumowanie

Misja Apollo 8 zapisała się w historii dosyć specyficznie. Lądowanie na Księżycu zaledwie pół roku później, oraz o misja Apollo 13 przyćmiły ją z perspektywy czasu, jednak nie zmienia to faktu, że w tamtym okresie misja ta miała olbrzymie znacznie i była wręcz kluczowa do całego amerykańskiego programu kosmicznego. Co istotne, była to jedna z najbardziej ryzykownych misji NASA. Wszystko postawiono na jedną kartę. Jeśli zawiodłyby jakieś systemy pokładowe, ryzyko utknięcia w Komosie było olbrzymie. W tej sytuacji cały program Apollo zostałby zapewne zamknięty (wypadek Apollo 1 stanowił tak duży szok dla Amerykanów, że mocno podkopał on zaufanie do całego programu).

Z drugiej strony, gdyby nie zmieniono harmonogramu całego programu Apollo, zamieniając misje, istniało jeszcze większe ryzyko, że program i tak by skasowano z powodu opóźnień i rosnących lawinowo kosztów. Najważniejsze w tym wszystkim jest jednak to, że mimo ryzyka, misja zakończyła się sukcesem i udowodniła, że lot na Księżyc, oraz co najważniejsze powrót na Ziemię są możliwe. Kolejnym problemem było wiec tylko wylądowanie i ponowne wystartowanie z Księżyca. Misja ta potwierdziła również skuteczność rakiety Saturn V, która stała się podstawą kolejnych lotów w ramach misji Apollo.