Для посадки космонавтов на поверхность Луны и их возвращения на Землю требовалось существенное увеличение массы полезной нагрузки, выводимой на околоземные орбиты, соответственно увеличивались и энергомассовые затраты.
Эти затраты зависели от схемы и состава ракетно-космического комплекса, предназначенного для решения этой задачи, а они, в свою очередь, — от того, где будет находиться спускаемый аппарат, служащий для обеспечения безопасного возвращения участников экспедиции на Землю. Он мог быть доставлен на околоземную орбиту и находиться там до возвращения экспедиции, члены которой должны были перейти в него для возвращения на Землю. Спускаемый аппарат мог быть доставлен на окололунную орбиту и ожидать на ней совершивший высадку на Луну экипаж для возвращения его непосредственно на Землю. Возможна была и такая схема, когда спускаемый аппарат с экипажем доставлялся непосредственно на поверхность Луны и возвращался на Землю.
Очевидно, что конструкция спускаемых аппаратов во втором и третьем случаях должна рассчитываться на вход в атмосферу (при возвращении на Землю) со второй космической скоростью. Эти экспедиции могли быть осуществлены как одним запуском тяжелой ракеты-носителя, выводящей на околоземную орбиту лунный ракетный комплекс, так и при помощи нескольких (более легких) ракет-носителей, выводящих либо на околоземные, либо на окололунные орбиты части лунного орбитального комплекса, стыкуемые на этих орбитах. НАСА рассматривало две схемы экспедиции на поверхность Луны, со встречей на околоземной орбите и со встречей на окололунной орбите.
Первоначально была выбрана схема со встречей и стыковкой на околоземной орбите. Рассматривались два варианта двухпусковой схемы: встреча со стыковкой и встреча с заправкой топливом. Однако в июне 1962 г. НАСА при непосредственной поддержке президента Кеннеди остановило свой выбор на однопусковой схеме со встречей на окололунной орбите взлетного модуля лунного корабля с орбитальным (основным) блоком космического корабля «Аполлон», в состав которого входил спускаемый аппарат. В этой схеме ракетный блок третьей ступени С-IVБ с кислородно-водородным двигателем Джи-2 ракеты-носителя «Сатурн-V» сначала выводил космический корабль «Аполлон» на околоземную орбиту, а потом — на траекторию движения к Луне.
На рис. 6 показана схема лунной экспедиции по программе «Сатурн-V-Аполлон». Недостаток этой схемы — невозможность спасти экипаж взлетного модуля лунного корабля, если не удается его встреча с орбитальным (основным) блоком корабля «Аполлон», остающимся на окололунной орбите. Кроме того, при такой схеме появлялось ограничение по времени старта этого модуля с поверхности Луны, зависящее от параметров орбиты орбитального блока. Проще говоря, космонавты должны были дождаться, когда орбитальный блок облетит Луну и окажется над ними, и только тогда стартовать с поверхности. Наконец, такая схема имеет ограничение на районы посадки лунного корабля на поверхность Луны, также зависящее от параметров орбиты орбитального блока.
Рис. 6. Схема полета пилотируемой лунной экспедиции по программе «Сатурн-V — Аполлон»: 1 — старт с Земли; 2 — отделение разгонного блока первой ступени, включение двигательной установки второй ступени; 3 — отделение разгонного блока второй ступени, на низкую орбиту; 4, 5 — промежуточная орбита; 6 — второе включение двигателя третьей ступени в расчетной точке орбиты и вывод «Аполлона» на траекторию полета к Луне; 7 — отделение основного блока; 8 — сброс конического переходника и перестроение основного блока; 9 — пристыковка основного блока к лунной кабине; 10 — отделение «Аполлона» от разгонного блока третьей ступени; 11 — первая коррекция траектории; 12 — вторая коррекция траектории; 13 — разгонный блок третьей ступени переводится на траекторию прямого попадания на поверхность Луны; 14 — последняя коррекция траектории; 15 — построение лунной орбиты; 16 — построение более низкой орбиты, переход двух астронавтов в лунную кабину через внутренний люк-лаз; 17 — разделение лунной кабины и основного блока; 18 — включение двигателя лунной кабины для торможения на этапе посадки на Луну; 19 — посадочный маневр и прилунение лунной кабины, выход астронавтов на поверхность Луны; 20 — движение по орбите основного блока; 21 — построение орбиты основного блока перед стыковкой; 22 старт с поверхности Луны взлетной ступени лунной кабины; 23 сближение взлетной ступени с основным блоком; 24 — стыковка взлетной ступени с основным блоком, который играет роль активного корабля при стыковке; 25 — отделение взлетной ступени после перехода из нее двух астронавтов в основной блок; 26 — сброс взлетной ступени на поверхность Луны; 27 — отделение автоматического спутника на орбите; 28 — переход на траекторию полета к Земле; 29 — первая коррекция траектории; 30 — вторая коррекция траектории (в случае необходимости); 31 — разделение отсека экипажа (спускаемого аппарата) и отсека оборудования с двигательной установкой основного блока; 32 ориентация спускаемого аппарата перед входом в плотные слои атмосферы; 33 — спускаемый аппарат на участке управляемого спуска в атмосфере Земли, 34 — пропадание радиосигнала при входе в атмосферу; 35 срабатывание парашютной системы и приводнение спускаемого аппарата с тремя астронавтами в заданном районе океана.
Работы по этой программе в США начались в 1961 г после полета Ю.А.Гагарина. 25 мая 1961 г. Д.Кеннеди, сменивший в 1960 г Д.Эйзенхауэра на посту президента США, выступил в конгрессе (вопреки традиции) со «вторым посланием о положении страны» «Я верю, — сказал он, — что страна согласится с необходимостью высадить человека на Луну и обеспечить его безопасное возвращение на Землю до конца настоящего десятилетия». Это выступление и послужило отправной точкой для развертывания работ по программе «Аполлон».
Запуски первых советских ИСЗ и первого человека в космос развеяли миф о безграничном научно-техническом превосходстве США перед СССР, вызвали к жизни эту их космическую программу, открывшую новую космическую гонку между США и СССР.
Высадка американских астронавтов на Луну до 1970 г была объявлена национальной задачей США, а проведенная мобилизация ресурсов страны на ее решение была сравнима с мобилизацией ресурсов на первоочередную программу военного времени. На решение этой задачи были ассигнованы очень большие средства — 472 долл. в расчете на каждую американскую семью. В пиковый период (1966 г) в работах по этой программе участвовало около 0,5 млн. человек из 20000 фирм. С самого начала работ по программе «Сатурн-Аполлон» были четко сформулированы задачи и найдены организационные формы, позволяющие свести до минимума бюрократическую волокиту и максимально снизить (без ущерба для дела) уровень, на котором принимались ответственные решения.
Программа не была засекречена, что способствовало свободному обмену информацией между всеми заинтересованными организациями, причем поток информации был организован не только по вертикали (от вышестоящих организаций к нижестоящим, и наоборот), но и по горизонтали, т.е. между исполнителями. Свободный поток информации позволял осуществлять эффективный учет и контроль хода работ.
Все работы по программе координировались НАСА, непосредственно финансируемым конгрессом. Для руководства созданием РН «Сатурн» на базе Редстоуновского арсенала армии США был создан научно-исследовательский Центр им. Маршалла под руководством Вернера фон Брауна с уникальной экспериментальной базой для огневых испытаний ракетных блоков и динамических испытаний собранной ракеты-носителя. Штат этого Центра в пиковый период достигал 8000 человек. Тогда же был создан специальный Центр (его строительство началось в 1961 г.) для подготовки астронавтов. Штат этого Центра достигал 5000 человек.
Головной по основному блоку была выбрана (в 1961 г) фирма «Норт Америкэн» и были определены (в 1962 г) основные фирмы-смежники, многие из которых имели опыт работ по программам «Меркурий» и «Джемини».
Контракт на разработку лунного модуля был заключен с фирмой «Грумман Эйркрафт» (специализировавшейся до этого на самолето— и вертолетостроении) в 1962 г после окончательного выбора схемы лунной экспедиции.
Бюджет НАСА в период развертывания работ по этой программе характеризовался следующими цифрами (млрд долл.): 1962 г — 1,9; 1963 г — 3,7; 1964 г — 5,7; 1965 г — примерно 6,0; 1966 г 5,9; 1967 г — 5,7. За счет этих ассигнований была создана уникальная экспериментальная база, которую американские специалисты считают «величайшим национальным достоянием». На создание этой базы потребовалось около пяти лет, примерно три года — на проектирование и около двух лет — на строительство.
К числу основных испытательных стендов, составляющих эту базу, относятся:
1. Группа стендов на базе ВВС Эдвардс для испытаний ЖРД Ф-1 тягой до 700 т-с.
2. Группа стендов фирмы «Рокетдайн» в Санта-Сьюзен, оборудованных паровыми эжекторами, создающими разряжение в выходном сечении сопла, соответствующее высоте 18 км, для испытаний ЖРД Джи-2 ракетного блока второй ступени (С-II) ракеты-носителя «Сатурн-V».
3. Построенный ранее стенд в Центре Маршалла для динамических испытаний ракет «Сатурн-V» в подвешенном состоянии.
4. Два спаренных стенда на территории комплекса НАСА в штате Миссисипи для предполетных огневых испытаний ракетного блока первой ступени (С-I) ракеты-носителя «Сатурн-V», там же стенд для предполетных испытаний ракетного блока второй ступени С-II.
5. Комплекс стендов на испытательной базе в Сакраменто для предполетных испытаний ракетного блока третьей ступени (С-IVБ).
6. Стартовый комплекс № 39 на мысе Кеннеди, где комплекс «Сатурн-Аполлон» собирался в здании вертикальной сборки и транспортировался вместе со стартовой платформой в вертикальном положении на пусковой стенд.
Особое значение в программе уделялось повышению надежности работы всех систем, входящих в этот сложнейший комплекс. По мнению американских специалистов, это было обеспечено:
— дублированием отдельных элементов, узлов, агрегатов или всех систем, их тщательным отбором, а также весьма жесткими условиями испытаний;
— особо тщательной наземной комплексной отработкой, отличающейся в принципе от методики отработки баллистических ракет (последняя велась в основном в процессе летно-конструкторских испытаний);
— последовательностью проведения изменений, направленных на усовершенствование элементов конструкции и оборудования, строгим выдерживанием принципа — максимально повышать надежность существующего оборудования.
Большая роль, отводимая наземным испытаниям, объяснялась следующими причинами. Во-первых, запланированная уникальная наземная экспериментальная база {всевозможные испытательные стенды, барокамеры, моделирующие устройства, тренажеры и т.д.) позволяла обеспечить надежность комплекса «Сатурн-Аполлон» в основном в результате наземной отработки. Во-вторых, создание наземной экспериментальной базы требовало существенно меньших затрат, чем изготовление и летно-конструкторские испытания, которые при старой методике отработки надежности требовались бы в больших количествах. И, в-третьих, при наземных испытаниях значительно облегчались измерения, повышалась их точность, испытываемые объекты можно было осматривать после испытаний, а также проводить повторные испытания.
При всем этом признавалось, естественно, что только при летно-конструкторских испытаниях элементы комплекса работают в реальных условиях. Поэтому этапам летно-конструкторской отработки элементов, агрегатов, аппаратуры и систем комплекса также уделялось большое внимание.
С 28 мая 1964 г. по 30 июля 1965 г. были проведены пять запусков макетов основного блока корабля «Аполлон» на орбиты искусственного спутника Земли с помощью ракеты-носителя «Сатурн-I». В 1966 г. РН «Сатурн IБ» были осуществлены два запуска спускаемого аппарата экспериментального основного блока корабля «Аполлон» по баллистической траектории со входом в атмосферу со скоростью 8 км/с. В том же году была запущена одна ракета «Сатурн-IБ» для проверки повторного включения кислородно-водородного ЖРД ракетной ступени С-IVБ.
В 1967 г. был произведен первый беспилотный запуск РН «Сатурн-V» с экспериментальным основным блоком космического корабля «Аполлон» по баллистической траектории для проверки спускаемого аппарата при входе в атмосферу со скоростью 11 км/с. В 1968 г. подобный запуск был повторен. В этом же году на околоземной орбите испытан лунный корабль (РН «Сатурн-IБ»), затем при помощи этой же РН был запущен на орбиту ИСЗ и основной блок с экипажем и, наконец, на селеноцентрическую орбиту ракетой-носителем «Сатурн-V» был выведен основной блок «Аполлона» с астронавтами на борту.
В начале 1969 г при помощи ракеты-носителя «Сатурн-V» был выведен на орбиту искусственного спутника Земли пилотируемый космический корабль «Аполлон» в полном составе с отделением и автономным полетом лунного корабля.
В 1969 г. при пятом запуске «Сатурна-V» космический корабль «Аполлон» в полном составе с экипажем был выведен на окололунную орбиту, где лунный корабль отделился от основного блока, была проведена имитация его посадки на поверхность Луны с последующей встречей и стыковкой взлетного модуля с основным блоком, переходом астронавтов в спускаемый аппарат, в котором они возвратились на Землю со второй космической скоростью. 16 июля 1969 г. при шестом запуске на космическом корабле «Аполлон-11» была осуществлена первая лунная экспедиция. На поверхность Луны ступили Н. Армстронг и Э.Олдрин, которые после выполнения поставленных перед ними задач благополучно стартовали на взлетной ступени лунного корабля, состыковались с основным блоком, где их ожидал М.Коллинз, и вернулись на Землю.
За период с 16 июля 1969 г по 7 декабря 1972 г США осуществили 6 успешных экспедиций (из семи); на поверхности Луны побывали 12 американских астронавтов. Из-за финансовых затруднений в связи с затянувшейся войной во Вьетнаме США вынуждены были прекратить работу по программе «Сатурн-V-Аполлон» (вначале было запланировано 10 экспедиций).
Общие затраты на программу составили 24-26 млрд. долл. Стоимость лунного корабля, обеспечивавшего доставку астронавтов на поверхность Луны и возвращение их на орбитальный блок, была равна стоимости 15 таких кораблей, сделанных из золота. Стоимость карата лунного грунта, доставленного астронавтами на Землю, в 3,5 раза была дороже карата бриллианта.
Американская программа, ставшая уже историей, безусловно, является выдающимся научно-техническим достижением, которое умалчивать нельзя. Мы должны были использовать этот опыт для осуществления более совершенных экспедиций на поверхность Луны.