Holdkutatás

Korábban csak a távcsöves megfigyelések voltak lehetségesek, amelyet Galileo Galilei kezdett meg 1610-ben. Az űrkorszak beköszöntével egyre bonyolultabb automata szondákkal történt a felderítés (Luna, Pioneer, Ranger, Surveyor, Lunar Orbiter stb.).

Korai holdszondák

kráter
A Lunar Orbiter–5 felvétele a Hold egyik legszebb kráteréről, a Tychóról

A kezdeti űrszondás próbálkozások nem annyira felfedezési, mint inkább politikai célúak voltak. Ennek keretében a Szovjetunióban megkezdték a Luna-programot, míg az Egyesült Államokban a Pioneer-programot. Mindkettő célja a Hold volt – és az, hogy megelőzzék egymást. Végül a Luna-program lett a győztes: három eltitkolt sikertelen indítás után a Luna–1 érte el először a Holdat 1959. január 4-én, amikor 6000 kilométerre repült el mellette, majd a Luna–2 csapódott először a holdfelszínbe 1959. szeptember 14-én és a Luna-3 készítette az első fényképeket a Hold túloldaláról 1959. október 4-én. A Pioneer-program holdi becsapódásra tervezett első három szondája szintén kudarcot vallott és visszazuhant a Földre, mire a Pioneer–4 1959. március 4-én választ adott a Luna–1 teljesítményére. Az amerikaiak nem is próbálkoztak tovább ezzel a szondatípussal, hanem Ranger néven új eszköz tervezésébe fogtak és a Hold felszínének fotózását, illetve a becsapódást már ezzel akarták végrehajtani. A Ranger-program szondáinak a tervek szerint el kellett érniük a holdfelszínt, amelybe végül becsapódtak, ám az utolsó percekben minden korábbinál nagyobb felbontású képeket készíthettek. Rengeteg hiba után a Ranger–7 volt az első, amely teljesíteni tudta küldetését 1964. július 31-én.

kráter panoráma
A Surveyor–7 leszállóhelyéről készült fotómozaik. A háttérben a felső képen levő Tycho-kráter oldala emelkedik dombként a horizonton

A következő fejlődési lépcső a sima leszállás teljesítése volt. Ez már az emberes holdprogramok jegyében zajlott: kísérletileg kellett bebizonyítani, hogy le lehet szállni űrhajóval a holdfelszínre és ott képes lesz az ember is megvetni a lábát. A Szovjetunió a Luna-program továbbfejlesztésével (gyakorlatilag ugyanazon név alatt új szondatípussal), az USA pedig a Surveyor-program beindításával látott neki a feladatnak. Ismét egy Luna szonda ért el először sikert, amikor 1966. február 6-án a Luna–9 sima leszállást mutatott be az Oceanus Procellarumon. A szonda egy kráterben landolt, így nem sokat tudott közvetíteni a holdfelszínről – nem látott ki a kráterből –, ám az első közelképeket is neki köszönhetjük. A Luna-programban összesen nyolc sikeres leszállást teljesítettek szovjet szondák, amelyből kettő automata holdjárót, a Lunohodot is vitt magával. Az első sikeres Surveyor szonda négy hónapos késéssel, 1966. június 2-án szállt le, ám jóval több képet küldött szovjet vetélytársánál. A program két kudarcba fulladt és további négy sikeres repülést tartalmazott.

A leszállás nyújtotta lehetőségek helyi megfigyeléseket tettek lehetővé, de a tudósoknak és az ember holdi leszállását tervező mérnököknek szüksége volt globális adatokra, illetve fotótérképekre az egyes kijelölt leszállóhelyekről. Ehhez Hold körüli pályára kellett állítani egy űreszközt. A Szovjetunió a Luna-programban hozott létre ezért egy újabb űrszondatípust, az amerikaiak új néven indították a Lunar Orbiter-programot. Az első sikeres Hold körüli pályára állást a Luna–10 teljesítette 1966. április 3-án, ezzel a Hold első mesterséges holdja lett. Mindkét szondatípus rengeteg képet közvetített a Földre, amelyből mindkét oldalon összeállt a Hold egyenlítői területének egy minden addiginál részletesebb képe. (Erre elsősorban azért volt szükség, mert ide, az egyenlítő mentére tervezték küldeni az embert szállító űrhajókat a tervezők.)

Apollo-program

apolló-15: holdraszálló hardver
A teljes holdraszálló hardver Jim Irwinnel (Apollo–15).

Az Apollo-program az Egyesült Államok második – a hosszas előkészítő fázisa miatt a repülések sorrendjét tekintve harmadik – emberek részvételével végrehajtott űrprogramja volt, amely 1961 és 1972 között zajlott. A program célja kettős volt: a fő célként az ember Holdra juttatása fogalmazódott meg, mögöttes politikai célként pedig a hidegháború által életre hívott űrversenyben az USA vesztes pozíciójának megfordítása, a nemzeti presztízs helyreállítása volt a célkitűzés.

A holdprogram hivatalos bejelentése 1961. május 25-én John F. Kennedy elnök kongresszusi beszédében történt, ezt tekintjük az Apollo-program hivatalos kezdetének. A beszédben Kennedy 9 éves határidőt tűzött ki a program megvalósításra. A célt 1969. július 21-én, az Apollo–11 űrhajósainak, Neil Armstrongnak és Buzz Aldrinnak a Holdra lépésével sikerült teljesíteni. Őket még további öt űrhajóspáros követte, így összesen hat sikeres holdra szállást teljesítettek a NASA űrhajósai. Armstrongék holdraszállását négy, űrhajósokkal végrehajtott tesztrepülés előzte meg, míg egy sikertelen holdutazás is része volt a programnak. A repülések mellett egy tragédia is beárnyékolta az Apollo-programot, az első tesztrepülés előtti előkészületek közben három űrhajós Gus Grissom, Ed White és Roger Chaffee halt meg az űrkabinjukban kitört tűz következtében.

A repüléseket egy speciális űrhajórendszerrel hajtották végre, amely az Apollo típusú űrhajóból és a holdra szállás kulcsának számító holdkompból állt, hordozóeszközként pedig szintén speciálisan a feladathoz tervezett Saturn V és Saturn IB rakétákat használtak. A program hardverét később sikerrel alkalmazták más űrkutatási programokban is, így a Skylab-programban és az Apollo–Szojuz repülésen is.

A program 1972-ben fejeződött be, azóta egyetlen embert szállító űrhajó sem hagyta el az alacsony Föld körüli pályát. Az űrhajósok által visszahozott kőzetminták és a kihelyezett műszerek mérései forradalmi változásokat hoztak a Naprendszer történetének, kialakulásának megismerésében, a Föld-Hold rendszer fejlődéstörténetének ismereteiben.

Az Egyesült Államok az Apollo-programra több mint 19,5 milliárd dollárt költött.

Előzmények:

Rakétafejlesztések

Saturn V rakéta
A Saturn V rakéta vázlatos rajza az Apollo–6 korabeli sajtóanyagában.

A holdprogram kulcsa egy megfelelő kapacitású hordozóeszköz léte volt. A rakétafejlesztés pedig a hadsereg privilégiuma volt a második világháború után Amerikában. Még az űrprogramoktól és a NASA-tól függetlenül 1957-ben felmerült a katonai igény nagy teherbírású hordozóeszközök iránt, mivel a Pentagon különböző nagy tömegű atom robbanótöltetek célba juttatását vette tervbe. A projektet az ARPA (Advanced Research Projects Agency – Korszerű Kutatási Programok Ügynöksége), rakétafejlesztésekkel foglalkozó kormányhivatal indította és a technikai megvalósítást az ABMA (Army Ballistic Missile Agency – a Hadsereg Ballisztikus Rakéta Ügynöksége) kapta feladatul. Ez utóbbi ügynökség műszaki vezetője Wernher von Braun volt és a szakembergárda gerincét a von Braun köré szerveződő, a Német Harmadik Birodalom rakétafejlesztéseit végző, a II. világháború végén magukat az Egyesült Államok hadseregének megadó mérnökcsoport képezte. Ez a csoport számos rakéta megalkotása után a nehézrakéta projekthez létrehozta a Saturn I hordozórakétát. A Saturn I furcsa módon mire elkészült, már nem kellett a Pentagonnak a nukleáris robbanótöltetek drasztikus súlycsökkenése miatt, ezért a projektet 1960 nyarán teljes egészében átadták a NASA-nak, űralkalmazásra.

A NASA a Saturn I-gyel egy nagyjából 20 tonna terhet Föld körüli pályára juttatni képes eszközhöz jutott, amellyel már nagyobb űrhajókat/űrszondákat lett volna képes pályára állítani, azonban a holdprogram igénye egy még nagyobb teljesítményű hordozóeszközt kívánt meg, amelynek fejlesztését Nova néven szintén a német rakétamérnök-csoporttól várták. Wernher von Braun a Saturn I továbbfejlesztésével kezdte a munkát, megalkotva a Saturn IB-t, egy 10%-kal nagyobb kapacitású rakétát. A Saturn IB megnövelt tolóerejével már alkalmas volt a közben kifejlesztett bármelyik Apollo űrhajóegység Föld körüli pályára állítására, azaz az űrhajórendszer egyes egységeinek berepülését már el lehetett végezni.

A Saturn I és IB technológiai előfutára volt egy még nagyobb tolóerejű eszköznek, a Saturn V óriásrakétának. A kis rakétákon von Braun kipróbálta a szovjetek által is alkalmazott „több hajtóművet egy fokozatba” rakétaépítési elvet, valamint sikerrel házasította a kerozin és cseppfolyós oxigén hajtotta első, valamint az oxigén és hidrogén hajtotta második fokozatot. A Saturn V születésének kulcsa pedig a von Braun által tervezett F1 kerozin/oxigén rakétahajtómű és a dr. Abe Silverstein műhelyében készült J-2 hidrogén/oxigén hajtómű megszületése volt. Az új hajtóművek minőségi ugrást jelentettek az elődökhöz képest (az F1 egyetlen példánya szolgáltatott például akkora tolóerőt, mint az előd Saturn I teljes, nyolc hajtóműves első fokozata), és összességében mesés, 140 tonnás Föld körüli pályás, 48 tonnás holdi hasznos tömeg kapacitást biztosítottak. Ez azt jelentette, hogy az anyaűrhajó/holdkomp felállású, LOR-t alkalmazó holdexpedíció űrhajói egyetlen rakétával felbocsáthatókká váltak.

Űrhajófejlesztések

A LOR koncepció meghatározta a holdűrhajóval kapcsolatos követelményeket. Szükség volt egy nagyobb űrhajóegységre, amelyben az oda- és visszautat teheti meg a legénység. Emellett kellett egy másik űrhajó, amely a leszállást hajtja végre és odalenn lakóegységül szolgál.

apollo - parancsnoki és műszaki egység
Az Apollo űrhajórendszer parancsnoki és műszaki egysége Hold körüli pályán (Apollo–15).

A holdraszállásos koncepció nem határozta meg hány embert kell feljuttatni egy holdraszálláshoz. Különböző tervek után végül a három fős személyzet mellett döntöttek: két fő száll le a felszínre és egy harmadik fenn marad az anyaűrhajóval (az egy fős leszállást nem tartották elég biztonságosnak, két fő esetén a társ a bajba jutott űrhajós segítségére tudott sietni és a holdkomp irányításával kapcsolatos feladatokat is meg lehetett osztani, csökkentve a pszichés terhelést). Ennek a koncepciónak megfelelően az űrhivatal egy háromszemélyes anyaűrhajó fejlesztésébe fogott. Meglepő módon külső partnerként nem a már két űrhajóval (Mercury és Gemini) tapasztalatot szerzett McDonnell Aircraft repülőgépgyárat, hanem egy új céget, a North American-t vonták be.

Az űrhajó végül a Gemini kialakítását követte, két fő részből állt össze: a parancsnoki egységből és a műszaki egységből. A parancsnoki egység tulajdonképpen a legénységi kabint jelentette, amelyben csak a személyzet elhelyezését és az életkörülményeket fenntartó berendezéseket, valamint a navigációs műszereket helyezték el. Ez az egység volt az, amely a Földre való visszatéréskor egyedüliként visszajutott a légkörön át a leszállóhelyre, ezért külsején hőpajzsot helyeztek el, valamint az orrkúpjában a légköri fékezéshez szükséges ejtőernyőket. A műszaki egység fogadta magába a küldetés teljesítéséhez szükséges hajtóműveket, hajtóanyagot és az űrhajó ellátásához szükséges egyéb anyagokat (oxigén, hidrogén), berendezéseket (az áramot előállító tüzelőanyag cella, rádióantenna, stb.). Ez az egység nem tért vissza Földre, hanem elégett a légkörbelépéskor. A későbbi expedíciókon egy műszerrekeszt is kialakítottak benne, amellyel a társaira váró parancsnoki modul pilóta globális megfigyeléseket végezhetett Hold körüli pályáról. Az egység főhajtóművével végezték el a Hold körüli pályára állást és a hazainduláskor a keringésből való kigyorsítást, valamint a nagyobb pályakorrekciókat, a kisebb mozgásokhoz a hajó hengerpalástján 90°-onként elhelyezett kormányhajtóműveket használták. A parancsnoki és műszaki egység tömege feltöltött állapotban 30 tonnát nyomott.

holdkomp
A Holdkomp egy korai terve 1963-ból.

A holdi leszállóegység a LOR szülötte volt. A követelmények egy olyan űrhajóról szóltak, amely képes két ember lejuttatására a holdfelszínre és különösebb infrastruktúra nélkül képes felszállni onnan, valamint a felszíni tartózkodás maximum 24-36 órája alatt lakhelyül szolgál - és természetesen ehhez való készletekkel rendelkezik - két ember számára. A fejlesztési és építési munkával a Grumman repülőgépgyárat bízták meg.

A le- és felszállás követelménye miatt itt is két külön egységből álló rendszert terveztek. A holdkomp alsó része az úgynevezett leszálló fokozat volt, egy négy lábbal ellátott csövekből összeállított doboz, amelynek belsejébe építették a leszálló hajtóművet és a működéshez szükséges hajtó és oxidáló anyagot. Itt kapott még helyet egy kisebb tárolótér, amelyben a holdra kihelyezendő műszereket, szerszámokat tartották, valamint néhány cserealkatrészt. A leszállófokozat testéhez négy lábat rögzítettek, amelyek a földi startkor még összehajtogatott állapotban voltak, később a repülés során az űrben rögzítették kiterjesztett állapotban. A lábak nagy kerek leszállótalpakban végződtek, amelyek a felszíni talajterhelés csökkentését szolgálták, a szárak pedig teleszkóposan összecsúsztak a leszálláskor, ezzel tompítva a leérkezés erejét.

A felszálló fokozat volt az egész űrhajórendszer legkisebb önálló műveletekre képes egysége. Ebbe foglalták bele a legénységi kabint és a felszálláshoz szükséges hajtóművet, valamint hajtó- és oxidálóanyagot. A kabin mérete rendkívül kicsi volt, térfogata valamivel több mint 6,5 m³ volt; nagyjából mint két összetolt telefonfülke. A tömegtakarékosság miatt még ülést sem helyeztek el benne, az űrhajósok állva vezették. A holdsétához beöltözött (a hátizsákot is magukon viselő) űrhajósok gyakorlatilag már mozdulni sem tudtak benne. A feltöltött holdkomp tömege 15 tonna körül volt.

Űrszondás holdfelderítések

A surveyor holdszonda leszálló egysége
A Surveyor holdszonda leszálló egysége a földi kísérletek során.

A holdraszálláshoz a szándék mellett több ismeretre is szükség volt a célpontról. A holdfelszínről a legjobb távcsövekkel is csak kilométeres nagyságrendű felbontással készülhettek felvételek, a leszállóhelyek részletes felderítésére űrszondákat kellett küldeni. A NASA két külön szondatípus feljuttatását határozta el. A Lunar Orbiter szondákat Hold körüli pályáról való fényképezésre, a Surveyor szondákat pedig felszíni leszállásra és a Hold testközelből való felderítésére küldték fel.

A Surveyor holdszondákat a holdi leszállás kivitelezhetőségének bizonyítására fejlesztették ki. Az előzetes tanulmányok szerint a Hold felszínét nagyon laza holdpornak kellett fednie és egy oda leszálló űrhajó akár el is süllyedhet ebben a porban. Mielőtt embert szállító űrhajót engedtek a felszínre, mindenképpen meg kellett bizonyosodni a leszállás lehetőségeiről és nemcsak az elsüllyedésről, hanem a szikla és kráterborítottságról is, amely borulásveszéllyel fenyegetett. A NASA összesen hét Surveyor szondát küldött a Holdra 1966 és 1968 között. Rögtön az első kísérlet sikerrel járt: 1966. június 2-án az Viharok Óceánján sima leszállást hajtott végre a Surveyor-1. A NASA számára csak az keltett csalódást, hogy a vetélytárs Szovjetunió négy hónappal korábban már sikerrel juttatott a holdfelszínre egy leszállóegységet, a Luna-9-et. A Surveyor-2 és Surveyor-4 sikertelen volt, rajtuk kívül összesen öt szonda ért le sértetlenül a holdfelszínre, kikövezve az utat az Apollo leszállások előtt. A szondasorozat repültetésének másodlagos célja is az Apollo-programot szolgálta, mivel a holdközi térségben való manőverezést, a szabad visszatérés pályájának (és egyéb más pályáknak) kipróbálását is ezekkel a szondákkal végezték el.

A Lunar Orbiter szonda
A Lunar Orbiter szonda.

A Lunar Orbiter szondák szintén az Apollo űrhajók előfutárai voltak, sokkal komplexebb küldetéssel, mint a Surveyorok. A Lunar Orbitert a Hold körül keringő egységeknek szánták, az égitest teljes körű lefényképezését tűzve ki fő feladatul. Ehhez a szonda megkapta a Pentagon előző generációs kémműholdjainak kameráit, amelyekkel legalább 60 méteres felbontást lehetett elérni a Hold körüli pályáról (érdekesség, hogy bármennyire is a nemzeti prioritások élén álló program volt az Apollo, mégsem kaphatta meg az első vonalbeli - elvileg még jobb felbontást biztosító - technikát). A Lunar Orbiter sorozatban 1966 és 1967 között összesen 5 keringőegységet juttatott a NASA a Holdhoz, ezek mindegyike sikeres volt.

Az első három Lunar Orbiter feladata 20 előre meghatározott, potenciális Apollo leszállóhely feltérképezése volt, amelyeket földi távcsövekkel jelöltek ki. Ezeken a repüléseken a szondák a holdi egyenlítő szűk sávjában repültek, mivel a tervezett leszállóhelyek ebbe a sávba estek. Az utolsó két küldetésnél változtattak a tervezők a repülési profilon és poláris pályára állították a szondákat, így az egész holdgömböt le lehetett fényképezni. Ezzel a metódussal a holdfelszín 99%-át sikerült megörökíteni, komplett holdtérképet állíthatott össze a NASA. A térképező fényképezés mellett számos mellékfeladatot is ellátott a szondasorozat. Mérték az odaúton és a Hold környezetében a kozmikus sugárzást, amelyet az űrhajósok számára elviselhetőnek találtak. Aztán mikrometeorit gyűjtő érzékelőkkel megmérték a szabadon repkedő meteorok sűrűségét a Hold körüli pályán, amelyet a Föld környezeténél ritkábbnak, a holdközi térségnél viszont sűrűbbnek találtak (az űrhajósoknak tehát nem kellett ettől a veszélyforrástól sem tartania az átlagosnál jobban). A Lunar Orbiterekkel ellenőrizték a NASA követőantenna-hálózatát is. A program végeztével mind az öt egységet a Holdnak ütköztették, hogy később, az Apollo repülések idején nehogy veszélyt jelentsenek a Hold körüli pályán repülő űrhajókra.

A Hold meghódítása - Apollo 11

Armstrong, Collins és Aldrin 1969. július 16-án 13:32-kor (UTC) (helyi idő szerint 9:32-kor) emelkedett a magasba a Cape Kennedy (Canaveral) űrközpontból. Szabad visszatérési pályán haladva kivételesen pontos manőverezéssel 3 nap alatt érték el a Holdat. 13 keringést végeztek (nagyjából egy napot töltve Hold körüli pályán), amikor az irányítás engedélyt adott a leszállásra. Aldrin és Armstrong átmászott az Eagle („Sas”) nevű holdkompba, Collins egyedül maradt a parancsnoki egységben és Hold körüli pályán repült tovább fenn várva társai visszatértéig. A leszállást végig nehézségek kísérték, ismeretlen komputerhiba támadt kétszer is, majd a felszín fölött igen alacsonyan kiderült, hogy a simának hitt térség hatalmas sziklákkal és egy nagy kráterrel tarkított, ami közvetlen életveszélyt jelentett az űrhajósokra nézve. Armstrong végül az egyébként is szűkös üzemanyag intenzív felhasználásával, kézi vezérléssel bravúrosan egy biztonságos helyre navigálta a holdkompot és Aldrinnal szerencsésen leszálltak a Nyugalom Tengerén. Mindössze 20 másodpercnyi repülésre elegendő üzemanyag maradt a tartályokban, ezzel az Apollo–11 a legkihegyezettebb leszállás lett az egész programot tekintve. 1969. július 20-án 20:17-kor (UTC) Armstrong jelentette:

„Houston, itt a Nyugalom Bázis. A Sas leszállt”

Alig néhány óra elteltével – egy pihenési periódust elhalasztva, a tervezett időnél előbb – Armstrongék engedélyt kaptak a holdséta megkezdésére. Hermetizálták az űrruhájukat, leengedték a kabin nyomását és Armstrong lemászott a holdfelszínre. A felszín rövid tanulmányozása után lelépett a Hold porába és egy legendás mondattal ő lett az első ember, aki a Holdra lépett:

„Kis lépés ez egy embernek, de hatalmas ugrás az emberiségnek.”

Kis idő múlva Aldrin is követte a felszínre. Armstrong mintákat vett és fényképezett, Aldrin pedig a mozgást tanulmányozta, illetve a magukkal vitt műszereket állította fel és üzemelte be. Kitűzték az amerikai lobogót, egy csomagban apró emléktárgyakat hagytak a felszínen és leleplezték a holdkomp lábán levő plakettet, amelyen békeüzenetet vittek:

„Itt vetette meg az ember a Föld bolygóról először a lábát a Holdon. Békével érkeztünk az egész emberiség nevében.”

Ezt követően Richard Nixon váltott velük néhány szót telefonon. A holdséta utolsó órájában geológiai mintavételre, fényképzésre, az EASEP beindítására és – Armstrong részéről – egy közeli nagyobb kráter meglátogatására került sor. Aztán befejeződött a világ első holdsétája és 2 óra 36 perc 40 másodperc elteltével újra magukra zárták az ajtót a holdutazók.

A holdraszállás - az első holdséta

Később biztonságban felszálltak a holdfelszínről és randevúztak a Columbiával, az anyaűrhajóval. Ezzel teljesítették a LOR-koncepció elvárásait, igazolták egy 55 éves, korát megelőző teória helytállóságát, valamint megfeleltek a Kennedy féle felhívás második részének („…és biztonságosan haza is hozzuk…”). Nem sokkal a dokkolás és a hazahozandó minták, fényképkazetták átrakodása után hazaindultak az űrhajósok és újabb 3 nap múltán 1969. július 24-én leszálltak a Csendes-óceánon. Az Egyesült Államok megnyerte a Hold meghódításáért folytatott versenyt, az Apollo-program beteljesítette az összes kitűzött célját.

A holdséták adatai:

holdkőzet
Holdkőzet az Apollo–15 expedicióból
Küldetés A Holdon eltöltött idő Holdséták időtartama Megtett távolság (km) Gyűjtött kőzetminta (kg)
Apollo–11 21 óra 36 perc 2 óra 31 perc 1 21
Apollo–12 31 óra 31 perc 3 óra 56 perc
3 óra 49 perc
1
1,3
34,3
Apollo–14 33 óra 30 perc 4 óra 47 perc
4 óra 34 perc
1
3
42,8
Apollo–15 66 óra 54 perc 6 óra 32 perc
7 óra 12 perc
4 óra 49 perc
10,3
12,5
5,1
76,7
Apollo–16 71 óra 02 perc 7 óra 11 perc
7 óra 23 perc
5 óra 40 perc
4,2
11,1
11,4
94,3
Apollo–17 74 óra 59 perc 7 óra 11 perc
7 óra 36 perc
7 óra 15 perc
3,3
18,9
11,6
94,3
Összesen 299 óra 32 perc 80 óra 26 perc 95,7 379,5