Az inerciális tájolás és a teodolitokkal végzett indítás előtti referencia-beállítással kezdjük.
A Saturn V navigációs rendszerének "szíve" az Instrument Unitban (IU) található ST-124 inerciális platform volt. Ez három, egymásra merőleges tengely mentén működő giroszkópot és gyorsulásmérőt tartalmazott, amelyeknek az indítás előtt pontosan ismerniük kellett, merre van az észak, és hol a függőleges.
Ehelyett:
A kilövőállás körül nagy pontosságú geodéziai alappontokat létesítettek. Ezek koordinátáit centiméteres pontossággal ismerték. A rakétán és a tornyon optikai céljelek voltak.
Precíziós teodolittal bemérték a rakéta tényleges helyzetét és irányát.
A Saturn–1B és Saturn–V hordozórakéták inerciális vezérlőrendszerének azimutirányú beállítását a felszállás előtt egy Perkin–Elmer gyártmányú, nagy pontosságú, automatikus beállító teodolittal végezték.
Ezt a különleges teodolitot AALT-SV-M2 jelöléssel látták el. A műszer képes volt befogni és követni azokat az autokollimált képeket, amelyek a jármű tetején, az S-IVB (S4-B) gyorsítófokozat fölött elhelyezkedő műszeregységben (Instrument Unit) található két Porro-prizmáról érkeztek vissza.
A műszeregység burkolatán, a Porro-prizmák közelében egy különálló visszaverő prizmát (retroreflektor) is elhelyeztek. Ennek követésével kiküszöbölték a hordozórakéta enyhe lengéseinek, kilengéseinek (vehicle sway) hatását a beállítás pontosságára.
Magát a teodolitot egy föld alatti épületben helyezték el, a kilövőpad lánctalpas mozgató berendezésének útvonalai (crawler-ways) között, a rakéta talpától mintegy 232 méter távolságra.
A Perkin–Elmer összesen hat ilyen teodolitrendszert épített a NASA megrendelésére. Ezeket az egységeket sikeresen alkalmazták az addigi összes Saturn-indítás során; minden küldetésnél következetesen túlteljesítették az előírt ±2 ívmásodperces iránybeállítási pontosságot.
Ez a rendszer gyakorlatilag egy óriási precíziós "optikai iránytű" volt a Saturn rakétákhoz. Nem a helyzetet mérte, hanem az inerciális platform kezdő irányát (azimutját) állította be indulás előtt. Azért volt erre szükség, mert az Apollo-küldetésekhez használt inerciális navigációs rendszer (LVDC + ST-124 platform) a start után már nem "nézett ki az ablakon": a kezdeti tájolási hibát a földről kellett minimálisra csökkenteni.
A ±2 ívmásodperc elképesztően kis eltérés: 1 fok = 3600 ívmásodperc, tehát ez kb. 0,00056 fok. 232 méteres távolságból ez nagyjából 2,2 milliméteres oldalirányú eltérésnek felel meg.
A fentiek alapján az inerciális platformot úgy állították be, hogy pontosan ismerje a kiindulási pont koordinátáit és tájolását.
Ez tulajdonképpen ugyanannak az elvnek egy rendkívül precíz változata, amit jól ismeünk a geodéziából: először létrehozunk egy ismert koordinátarendszert, majd ehhez igazítjuk a mérőrendszert. Az Apollo esetében a "mérőműszer" maga az inerciális navigációs rendszer volt.
Érdekesség, hogy az Apollo parancsnoki modulban lévő Apollo Guidance Computer később már a csillagok alapján is tudta ellenőrizni az inerciális platform tájolását. Az űrhajósok időnként a szextánsszerű optikán keresztül kiválasztott csillagokra álltak rá, és a számítógép ezekből finomította a platform helyzetét. Ezért volt olyan fontos, hogy a start előtt a kezdeti tájolás a lehető legpontosabb legyen.
A lépések:
1. A Saturn V helyzete centiméteres pontossággal ismert volt.
A Kennedy Űrközpontban már az építkezés során létrehoztak egy nagy pontosságú geodéziai alaphálózatot.
A Launch Complex 39A és 39B körül több beton alappont volt, amelyek:
- ismert koordinátával rendelkeztek,
- ismert magasságúak voltak,
- közös koordinátarendszerben helyezkedtek el.
Ezekről mérték be:
- az indítóasztalt,
- a mobil indítótornyot,
- végül magát a Saturn-V tengelyét.
2. A rakéta nem volt tökéletesen függőleges
Ez elsőre furcsán hangzik.
A 110 méter magas Saturn-V a hőtágulás, a szél és a saját tömege miatt néhány centimétert folyamatosan mozgott, ezért nem volt elég egyszer bemérni.
A mérnökök rendszeresen ellenőrizték a tengelyét, szükség esetén korrigálták az inerciális platform beállítását. Egy ekkora szerkezet tetején már néhány centiméter oldalirányú elmozdulás is néhány ívmásodperc tengelyhibát jelenthet.
3. Az inerciális platform "északot keresett"
Ez az egyik legzseniálisabb rész.
Miután a giroszkópokat felpörgették, a platform képes volt a Föld forgásának érzékelésére, és ebből meghatározni a földrajzi északi irányt.
A Föld forgási sebessége:
15° óránként, 15 ívmásodperc másodpercenként
A giroszkópok ezt az apró szögsebességet érzékelték.
Ez a gyrocompassing, pontosan ugyanazt használják a tengeralattjárók és a nagy hajók inerciális navigációjánál.
A platform addig "figyelte" a Föld forgását, amíg ebből ki nem számította a valódi földrajzi északot, vagyis a Föld maga lett a referencia.
4. A teodolit csak az első lépés volt.
A teodolit azt mondta:
"Itt állsz."
Az inerciális platform pedig azt mondta:
"Tudom, merre van az észak."
A kettő együtt adta meg a pozíciót, a függőleges tengelyt és az észak irányát.
Innen indult a teljes Apollo navigáció.
5. Innen kezdve a rendszer teljesen önállóvá vált
Ez az Apollo egyik legnagyobb műszaki bravúrja.
Az indítás után:
Nem függött folyamatosan külső navigációs jelektől, mint például egy mai GPS-alapú rendszer (a GPS még nem is létezett). A fedélzeti inerciális navigáció önállóan is képes volt a szükséges pályaszámításokra, miközben a földi követőállomások mérésekkel ellenőrizték és szükség esetén pontosították a pályát. Az út nagy részén az inerciális rendszer saját mérései alapján folyamatosan számította a sebességet, pozíciót és orientációt.
A houstoni irányítás rádiómérésekkel ellenőrizte és szükség esetén finomította az adatokat, de az űrhajó önmagában is képes volt eljutni a Holdig. Még egy érdekesség:
A Saturn V indítása előtt a mérnököknek egy olyan problémát kellett megoldaniuk, amit mi is jól ismerünk a geodéziából.
A teodolitok nem a rakétát tájolták, hanem a rakétában lévő inerciális platformot kellett összekapcsolni a földi koordinátarendszerrel.
Ehhez a rakéta oldalán és az inerciális platformon optikai céljelek voltak. A platformban egy úgynevezett Aligning Telescope (igazító távcső) nézett ki egy kvarcüvegen keresztül a külső céljelekre. A földi felmérésből ismerték ezek pontos helyzetét, így néhány ívmásodperces pontossággal be tudták állítani a platform tájolását.
Ez gyakorlatilag egy óriási, több ezer tonnás "mérőállomás" tájékozása volt.
Útona Hold felé
1. A Hold nem ott volt, ahová indultak, ez a legegyszerűbb, de legfontosabb felismerés.
A Hold átlagosan kb. 384 000 km-re van a Földtől, és közben körülbelül 1 km/s sebességgel kering a Föld körül, tehát mire az Apollo odaért, a Hold már több mint kétszázezer kilométerrel arrébb járt a pályáján.
Ezért nem a Hold jelenlegi helyzetére céloztak, hanem arra a pontra, ahol a Hold akkor lesz, amikor az Apollo odaér.
2. A "lövés" pillanata: Trans-Lunar Injection
A Saturn V harmadik fokozata a Föld körüli parkolópályáról indította el az űrhajót.
A gyorsítás után az Apollo már nem egyenes vonalban repült a hétköznapi értelemben, hanem egy hatalmas elliptikus pályán haladt a Föld gravitációs terében. A TLI után az Apollo egy nagy energiájú, elliptikus Föld körüli pályára került, amelynek apogeuma a Hold távolságának közelében volt. A mérnökök ezt úgy számolták ki, hogy a pálya és a Hold pályája pont jó időben találkozzon.
3. A free return trajectory – a biztonsági háló
Ez az egyik legzseniálisabb ötlet.
Az Apollo útvonalát úgy tervezték, hogy ha minden hajtómű leállna, az űrhajó akkor sem "vesszen el".
A Hold gravitációja úgy térítette volna el a pályát, hogy az Apollo megkerülte volna a Holdat, majd visszatért volna a Föld közelébe.
Ez volt a szabad visszatérési pálya.
Az Apollo 13 esetében ennek óriási szerepe lett: a robbanás után az eredeti pálya már nem volt tökéletes, de a hajtóműves korrekciókkal vissza tudták állítani a hazatérési lehetőséget.
4. Hogyan tudták ilyen pontosan meghatározni a pályát?
A navigáció három forrásból dolgozott:
- Földi követés
- A NASA hálózata: rádióirány-mérés, távolságmérés, Doppler-sebességmérés. Ezekből folyamatosan becsülték az űrhajó helyzetét és sebességét.
- Fedélzeti inerciális rendszer: Az IMU folyamatosan mérte a gyorsulásokat, elfordulásokat, Ez adta az autonóm navigációt.
Ezek mellett ott volt még a csillagnavigáció. Az űrhajósok a szextáns-szerű optikával csillagokat mértek.
Például:
"ez a csillag itt van az optikai tengelyhez képest", ebből a számítógép kiszámolta a tényleges irányt.
5. És a számítógép?
Sokan alábecsülik az Apollo Guidance Computerét.
Az AGC kb.:
- 15 bites szóhosszúságú volt,
- körülbelül 1 MHz-es órajelű processzorral rendelkezett,
- néhány tíz kilobájt memóriával rendelkezett. (2048 szó RAM 36 864 szó ROM)
Mai szemmel nevetségesnek tűnik, viszont:
- nagyon hatékony kódot írtak rá, - valós idejű navigációs számításokat végzett, - kezelte az inerciális rendszert, - kiszámolta a pályakorrekciókat.
6. A Hold körüli pályára állás még nehezebb volt
Amikor az Apollo odaért, nem csak "megállt", hanem a Holdhoz viszonyítva kb. 2,5 km/s sebességgel haladt, majd fékezni kezdett.
Ha nem fékeznek, egyszerűen elrepülnek mellette.
Ezért a szolgálati modul hajtóművét pontos időben begyújtották, ezt nevezték Lunar Orbit Insertion-nek (LOI)
Amire figyelni kellett: ha túl sokat fékeznek, lezuhannak a Holdra. Ha túl keveset, elszállnak.
A Holdra szállás
1. A számítógép nem "rossz" volt – csak a valóság változott meg
Az Apollo 11 holdkompjának (Eagle) leszállását az Apollo Guidance Computer (AGC) vezérelte.
A navigáció a következőkből dolgozott:
- a holdkomp inerciális rendszeréből,
- a holdkomp leszálló radarja adta a magasságot, leszállási sebességet,
- előre betáplált holdfelszíni koordinátákból
A tervezett leszállóhely a Mare Tranquillitatis (Nyugalom Tengere) egyik sík részén volt. A problémát az jelentett, hogy a holdkomp nem pontosan oda tartott, ahová a mérnökök szerették volna.
2. A "veszély" valójában egy több száz méteres eltérésből adódott
A számítógép nem egy sima síkságra vitte volna őket, hanem egy olyan terület felé, ahol nagyobb kráterek, sziklatömbök, egyenetlen felszín várta őket.
A Holdon nincs légkör, nincs lehetőség "kicsit megállni és korrigálni" ejtőernyővel, mint egy földi leszállásnál. A holdkomp sebessége a felszínhez képest még a végső szakaszban is jelentős volt.
3. Miért nem korrigált a számítógép?
Az AGC pontosan azt csinálta, amire programozták. A probléma az volt, hogy a leszállás utolsó szakaszában a számítógép az üzemanyag-fogyást, a pályát, a magasságot figyelte, de nem rendelkezett olyan "látással", mint egy emberi pilóta.
Nem tudta azt mondani, hogy "Hé, ott egy nagy kráter van, menjünk 500 méterrel arrébb."
Ezért Armstrongnak kellett dönteni, de nem azért vette át az irányítást, mert a számítógép hibázott, hanem mert a számított leszállási pont egy veszélyes felszínre vezetett. Az AGC nem teljesen "vak" volt, mert a radar és a navigációs rendszer adatai rendelkezésére álltak, de nem rendelkezett képfeldolgozással vagy terepfelismeréssel
A fotón az Apollo-11 holdkompjának kezelőszervei:
4. Armstrong átvette a kézi irányítást
Ereszkedés közben Armstrong előre nézett a kis ablakon keresztül, és látta, hogy a kijelölt leszállási pont nem megfelelő. Körülbelül 150 méteres magasságban Armstrong már teljesen kézi vezérléssel irányította a holdkompot, előretolta azt, keresett egy sík területet, majd finoman leereszkedett.
Közben Buzz Aldrin folyamatosan tájékoztatta a műszerek állásáról: magasság, sebesség, üzemanyag.
A híres "30 seconds" jelzés azt jelentette, hogy körülbelül 30 másodpercnyi leszállási hajtóanyag-tartalék maradt.
5. A "Houston, Tranquility Base here..." pillanat
Ez nem csak történelmi mondat volt, hanem mérnöki szempontból azt jelentette: a navigáció sikeres, a leszállórendszer működött, az emberi korrekció és a számítógépes vezérlés együtt bevált.
6. A mai koordinátarendszerek szerint a leszállóhely körülbelül:
0°40′26,7″ északi szélesség
23°28′22,6″ keleti hosszúság
körül van.
De az Apollo-korszakban a Hold koordinátarendszere még közel sem volt olyan pontos, mint ma.
A holdi térképezéshez nem tudtak mást használni, mint a földi távcsöves méréseket, Lunar Orbiter képeket, fotogrammetriát. Ezek szolgáltatták akkor az alapot.
Vagyis a leszállás előtt gyakorlatilag egy óriási fotogrammetriai/geodéziai feladat zajlott. Így aztán a nagyjából ismert terület megközelítésekor Armstrong nem látta előre a terepet úgy, ahogy egy helikopterpilóta látná. A döntést másodpercek alatt kellett meghoznia, miközben a holdkomp egy számítógép által vezetett, fogyó üzemanyagú jármű volt.
A Hold elhagyása
Az alábbi screenshotok az Apollo-17 felszállásának videójából valók, a roverre szerelt kamera továbbította ezeket a Földre:
1. Először is: a holdkomp nem "felfelé ment" a parancsnoki modulhoz.
Sokan úgy képzelik, hogy a holdkomp felszállt, majd "megkereste" a fent keringő űrhajót, de a valóság sokkal bonyolultabb volt ennél.
A parancsnoki modul (Columbia) a Hold körüli pályán kb. 1,6 km/s sebességgel keringett, nagyjából 100 km magasságban.
A holdkomp (Eagle) felszálló fokozata szintén pályára állt, nem közvetlenül felfelé repült. A cél az volt, hogy olyan pályára kerüljön, amely lassan "utoléri" a Columbia pályáját.
2. A start időzítése volt a kulcs
A felszállás időpontját úgy választották meg, hogy a Columbia éppen megfelelő helyzetben legyen, ehhez durván egy 2 órás "ablak" állt rendelkezésre.
3. Hogyan találták meg egymást?
- VHF rendezvous radar rendszert,
- optikai megfigyelést,
- fedélzeti navigációt.
A rendszer ismerte azt, hogy milyen messze vannak egymástól, közelednek vagy távolodnak, milyen irányban van a másik. Ezen felül az optikai megfigyelés is nagyon fontos volt, az űrhajósok a saját szemükkel is ellenőrizték a megközelítést.
A parancsnoki modul pilótája (például Michael Collins az Apollo 11-en) az ablakból kereste a holdkompot.
4. A legérdekesebb rész: nem a holdkomp "üldözte" a Columbiát
A pályamechanika miatt ha egy űrhajó alacsonyabb pályán van, akkor gyorsabban kering. Ha egy kicsit magasabb pályára emelkedik, akkor lassabban halad.
Ezért a találkozást apró pályakorrekciókkal oldották meg.
Nem úgy működött, mint két repülőgép esetén: "fordulj balra, ott van előttünk".
Inkább úgy, hogy kis sebességváltoztatások, órákig tartó lassú közeledés, folyamatos helyzetbecslés eredménye volt a sikeres megközelítés.
1969. július 21. 17:54 UTC-kor indult az Eagle a Holdról, a felszállás után kb. 3 óra 40 perccel történt meg a dokkolás (21:35 UTC körül).
5. A dokkolás utolsó méterei
Amikor már csak néhány száz méterre voltak egymástól, a relatív sebességet szinte nullára csökkentették, a holdkomp felszálló egységének orrával a dokkolónyílás felé álltak és apró gázfúvókákkal manővereztek.
A holdkomp felszálló fokozata és a parancsnoki modul végül nagyon kis sebességgel érintkezett.
A dokkolás után a két űrhajó összekapcsolódott, az utasok, a filmek és a minták átkerültek a Columbiába, a holdkompot ezután leválasztották.
6. Persze ez így könnyűnek hangzik, de 6 szabadságfokú problémát kellett megoldani a sikeres dokkoláshoz.
A rendszernek nem csak azt kellett tudnia: "Hol vagyok?"
Hanem:
- X, Y, Z helyzet,
- három tengely körüli forgás: bólintás (pitch), dőlés (roll), elfordulás (yaw).
Vagyis egy teljes térbeli koordináta-transzformációt kellett folyamatosan számolnia a rendszernek.
Még egy részlet:
Az Apollo 11-en Michael Collins a Columbia fedélzetén több mint 24 órán keresztül egyedül keringett a Hold körül, miközben Armstrong és Aldrin lent voltak. Ha a holdkomp nem tudott volna visszatérni, Collinsnak elméletileg egyedül kellett volna hazarepülnie, miközben a két holdkompban maradt űrhajós sorsa bizonytalan lett volna...
Ő maga később azt mondta, hogy a legfontosabb művelet nem is a leszállás volt, hanem a holdkörüli találkozás és dokkolás – mert azon múlt, hogy mindhárman hazajutnak-e.
Az Apollo hazatérése
Ez talán még lenyűgözőbb mérnöki bravúr, mint maga az odautazás.
Hogyan indítsanak el egy űrhajót a Holdról úgy, hogy 380 000 km-rel arrébb, három nap múlva egy mozgó bolygó egy adott pontján érkezzen meg?
Ez már nem egyszerű navigáció, hanem égi mechanika.
1. A Hold körül sem "indultak el csak úgy"
A holdfelszínről felszálló holdkomp után az űrhajósok visszatértek a parancsnoki modulba. Ezután a holdkompot leválasztották, és a Columbia (a parancsnoki modul) maradt az egyetlen hazatérő egység.
A Hold körüli pályáról való induláshoz kellett egy nagy hajtómű-gyújtás: TEI – Trans-Earth Injection.
Ez ugyanaz a logika, mint a Hold felé vezető gyorsításnál, csak épp fordítva.
A hajtómű nem egyszerűen a Föld irányába gyorsította az űrhajót, hanem olyan energiát adott neki, amely új, Föld felé vezető transzferpályára állította.
2. A Hold "elengedte" az űrhajót
A Hold körüli pályán kb. 1,6 km/s sebességgel haladtak. A TEI során néhány száz m/s sebességváltozás elegendő volt ahhoz, hogy az új pálya már ne maradjon a Hold körül. A Hold gravitációs tere kifelé húzta az űrhajót, majd a Föld gravitációja vette át a "vezetést".
Ez egy nagyon elegáns átmenet: Hold-pályáról Föld körüli transzferpályára állás
3. A Föld közben mozgott
A Föld nem ott lesz az érkezéskor, ahol az űrhajósok "látták". A cél nem egy pont volt a Földön, hanem az a térbeli pont, ahol a légkörrel való találkozásnak meg kellett történnie.A cél nem egy pont volt a Földön, hanem az a térbeli pont, ahol a légkörrel való találkozásnak meg kellett történnie.
A számítás figyelembe vette: a Föld Nap körüli mozgását, a Hold pályáját, a Föld és Hold gravitációs hatását, az indulási pontot és az indulási sebességet.
A cél nem egy pont volt a Földön, hanem egy érkezési geometria.
4. A visszatérés legkritikusabb pillanata: a légkörbe érkezés
Az Apollo parancsnoki modul kb. 11 km/s sebességgel érkezett vissza.
A belépési szög nagyon szűk tartományban kellett legyen: ha túl lapos szög, a visszatérő modul "lepattan" a légkörről, ha túl meredek, akkor túl nagy hőterhelés, elég.
Ezt a tartományt nevezték entry corridornak – visszatérési folyosónak.
Nagyon hasonló, mint amikor egy repülőgép egy leszállópályához közelít, csak itt a belépési folyosó térben hatalmas kiterjedésű volt, de a megengedett szögeltérés rendkívül kicsi.
5. Hogyan ellenőrizték útközben?
A navigáció itt is több lábon állt.
Földi követés:
A NASA hálózata mérte a távolságot, a sebességet, a pályát.
Fedélzeti rendszer inerciális platformja folyamatosan számolta a helyzetet, a sebességet.
Az űrhajósok időnként csillagokat mértek be, ez alapján ellenőrizték a pályaadatokat. Ez különösen fontos hosszú repüléseknél, mert az inerciális rendszereknek van egy kis hibahalmozódása.
6. Középpálya-korrekciók
Az Apollo nem pontosan "egy lövéssel" jutott a Holdra és vissza.
Útközben kisebb korrekciós manővereket végeztek: ezeket nevezték MCC – Mid Course Correction-nek.
Ezek kis sebességváltozások voltak, gyakran csak néhány m/s nagyságrendben, de több százezer kilométeren egy apró szögeltérés is több ezer kilométeres hibát okozhatott.
7. A végén a Föld lett a "leszállópálya"
Utána már a hőpajzs, az ejtőernyők, a légköri aerodinamika végezték a munkát.
Megcsinálták:
Zene!
