Zanim Neil Armstrong i Buzz Aldrin wylądowali na powierzchni Księżyca, NASA wysłała tam wiele bezzałogowych sond. Bez nich lądowanie człowieka na tym nieznanym świecie nie byłoby w ogóle możliwe. Pod koniec lat 50 niewiele wiadomo było o naturze Księżyca, równie dobrze mógł być z sera, jak powszechnie sądzono od połowy XVI wieku. Brakowało także techniki, która byłaby w stanie zabrać sondę na orbitę i wylądować na powierzchni. Oba te zagadnienia wymagały dokonania znaczących odkryć i przełomów. Wiele z nich wiąże się nieodłącznie z programem Ranger.

Zdarzyło ci się zapewne choć raz trzymać w dłoni lotkę, którą starałeś się trafić w zawieszoną na ścianie tarczę. Udało się? Jak trudno było posłać jej grot w sam środek, nadać mu do tego wymaganą prędkość i wyrzucić pod odpowiednim kątem? Zamień teraz tę rzutkę na ważącą kilkaset kilogramów sondę kosmiczną i spróbuj trafić nią w Księżyc, cel oddalony o 380 tysięcy kilometrów od planety, na której właśnie stoisz. Nie zapomnij wziąć poprawki na to, że ucieka on z prędkością trochę ponad kilometra na sekundę, a ziemska grawitacja nie pozwoli tak łatwo wyrwać się ze swoich objęć. Na tym właśnie w znacznym uproszczeniu polegał Ranger, pierwszy amerykański program eksploracji Księżyca.

Ambitny program

W roku 1959, niedawno powołana do istnienia NASA, dzieliła swoją uwagę na przygotowania do załogowego lotu suborbitalnego w ramach programu Mercury, wynoszenie satelitów na ziemską orbitę i organizację rozrastającego się biurokratycznego bytu. Agencja włączyła się także w program eksploracji przestrzeni międzyplanetarnej Pioneer realizowany przez Siły Powietrzne, Agencję Pocisków Balistycznych i Laboratorium Napędu Odrzutowego JPL (w 1958 włączono je w struktury NASA). Jednak pod koniec lat 50 nie osiągnięto w jego ramach żadnych większych sukcesów. Tylko do częściowo udanych można zaliczyć przelot sondy Pioneer 4 w odległości 59 545 km od powierzchni Księżyca. Za kilka lat miało się to zmienić. W tamtym momencie NASA była coraz bardziej w tyle za sowietami. Z tego powodu postanowiła wyznaczyć sobie jeszcze ambitniejszy cel i ruszyć ze swoim własnym programem księżycowym.

Program miał trzy główne cele. Przyjrzenie się powierzchni Księżyca z bliska, podczas schodzenia do twardego lądowania – jak eufemistycznie nazywa się planowane rozbicie. Bezpieczne posadzenie na powierzchni odstrzeliwanego próbnika, który zbierze dane naukowe. Opracowanie, przetestowanie i rozwój technologii potrzebnych do operowania w głębokiej przestrzeni kosmicznej m.in. systemu kontroli położenia czy manewru zmiany orbity. Realizację programu przekazano JPL, a zarządzanie nim powierzono Jamesowi D. Burke’owi. Clifford Cummings, kierownik programu Vega w JPL, zasugerował nazwę Ranger, która spotkała się z ogólnym aplauzem. Przeciwny temu był jedynie Abe Silverstein, trzeci w hierarchii NASA, chociaż powód był kuriozalny – tak samo nazywał się jego uparty pies z okresu dzieciństwa. Niemniej z czasem pogodził się z tym, a prace ruszyły do przodu.

Realizację programu podzielono na pięć etapów, każdy z dedykowaną mu wersją sondy, odpowiednio Block 1, 2, 3, 4 i 5. Ostatecznie zrezygnowano z dwóch ostatnich. Pierwszy etap, misje Ranger 1 i 2, dotyczył lotu po wysokiej orbicie ziemskiej oraz testów statku. Drugi etap, misje Ranger 3, 4 i 5, miał na celu osadzenie próbnika na powierzchni. Trzeci etap, misje Ranger 6, 7, 8 i 9, skupił się na pozyskaniu zdjęć powierzchni Księżyca tuż przed rozbiciem się sondy. W pełni udały się jedynie trzy ostatnie wyprawy, a za częściowo udaną można uznać misję Ranger 1 – potwierdziła sprawne funkcjonowanie sondy i Ranger 4 – pierwszy amerykański obiekt, który dotarł na Księżyc, chociaż nie tam gdzie powinien.

Instrumenty i eksperymenty sondy Ranger Block 1, źródło: NASA

Wszystkie sondy Ranger opierały się na tej samej konstrukcji bazowej – heksagonalnej podstawie połączonej z dwoma panelami ogniw słonecznych i talerzem anteny dużego zysku (do odbioru sygnału z dużych odległości). Nad nią znajdowała się sekcja z aparaturą sterującą i baterie. Sondę wieńczyła szpica, tzw. wieża, gdzie umieszczono kluczowe dla danej wersji instrumenty. W wieżach wersji Block 1 znajdował się magnetometr i komora jonizacyjna, w Block 2 kapsuła z sejsmometrem, którą odstrzeliwano tuż przed uderzeniem reszty statku w powierzchnię Księżyca, a w Block 3 zaawansowany system telewizyjny. Pozostałe instrumenty do eksperymentów naukowych i inżynieryjnych rozrzucone były po całej konstrukcji sondy. Kontrolę położenia statku zapewniał system czujników Słońca, Ziemi i połączonych z nimi silniczków korekcyjnych. Do zabezpieczenia przed wysokimi temperaturami zastosowano białe malowanie i pokrycie ze złotej folii.

Sonda w wersji Block 1 mierzyła 4 m wysokości, 1,5 m średnicy podstawy, a rozpiętość rozłożonych paneli słonecznych (od końca jednego do końca drugiego) wynosiła 5,2 m. Energię zapewniało 8680 ogniw fotowoltaicznych na panelach, ogniwo srebrowo-cynkowe i mniejsze baterie dedykowane konkretnym instrumentom naukowym. Komunikacja z sondą umożliwiała antena dużego zysku, antena dookolna oraz dwa nadajniki o częstotliwościach 960,1 i 960,05 MHz. Do obserwacji naukowy na sondach umieszczono magnetometr, komorę jonizacyjną, teleskop działający w pasie Lyman-alfa przeznaczony do zbadania zawartości wodoru w egzosferze (najbardziej zewnętrzna warstwa atmosfery, 500 km ponad powierzchnią Ziemi), detektor pyłu kosmicznego, cząstek o średnich energiach, analizator elektrostatyczny, dwa potrójne teleskopy koincydencyjne i liczniki scyntylacyjne do pomiarów promieniowania rentgenowskiego ze Słońca. Sonda Ranger Block 1 nie była wyposażona w żadną kamerę.

Ranger upada po raz pierwszy

Fatum ciążyło nad misją Ranger 1 jeszcze zanim sonda znalazła się na ziemskiej orbicie. Start przekładano czterokrotnie, gdzie na zmianę walczono to z usterką sondy, to z usterką rakiety. Frustracja rosła po każdym przerwanym odliczaniu. Do szczególnie kuriozalnej sytuacji doszło 1 sierpnia 1961 roku podczas czwartej próby, kiedy sonda „stwierdziła” że już znalazła się na orbicie i rozpoczęła rozkładanie swoich paneli słonecznych. W rzeczywistości znajdowała się dalej na szczycie szykowanej do startu rakiety, zamknięta bezpiecznie w owiewce. Winnym tego było wyładowanie elektryczne w jednym z instrumentów naukowych, kiedy kontrola naziemna przeprowadzała kalibrację. Wyładowanie wywołało awarię wielu systemów sondy, a jej komputer zaczął uruchamiać kolejne procedury, jakby Ranger znalazł się już przestrzeni kosmicznej. Sonda została zabrana do naprawy, a kolejną datę startu wyznaczono na 23 sierpnia. O godzinie 6:04 rakieta Atlas LV-3 Agena-B z głośnym rykiem swoich trzech silników oderwała się od platformy startowej LC-12 pozostawiając Przylądek Canaveral za sobą i przecinając kolejne warstwy niknącej atmosfery, wyniosła pierwszego Rangera w kosmos. Fatum podążyło tam za nią.

Pierwsze szczątkowe dane wskazywały, że drugi stopień rakiety Agena zgodnie z planem odłączył się od pierwszego i wszedł na ustaloną orbitę parkingową. Mimo tego sonda pojawiła się na horyzoncie pięć minut później, niż powinna, co postawiło pod znakiem zapytania powodzenie manewru wejścia na planowaną orbitę. Kolejne nadesłane dane potwierdziły nieudane ponowne odpalenie Ageny, której silnik działał jedynie kilka sekund, zanim doszło do przegrzania obwodów. Osiągnięto jedynie niską orbitę okołoziemską o perygeum 168 km i apogeum 501 km. Wysokość znacznie za niska dla sondy, która miała odbyć lot w głęboki kosmos, po orbicie o apogeum 1,1 mln km. Nie była ona przystosowana do pełnienia roli ziemskiej satelity, ale mimo tego podjęła próby dostosowania się do nowych parametrów lotu. Panele słoneczne i talerz anteny dużego zysku zostały rozłożone, a system kontroli położenia ustabilizował jej pozycję. Wycelowanie wieży wprost w Słońce wystawiło panele na mocne nasłonecznienie, a energia popłynęła przez aparaturę i instrumenty naukowe. Poprawne funkcjonowanie sondy ostatecznie uniemożliwiło zbyt częste wchodzenie w cień planety, gdzie po każdym takim razie system kontroli położenia korygował jej ustawienie względem Słońca. Silniczki zużyły cały zapas azotu już kolejnego dnia misji, 24 sierpnia. Od tego momentu sonda nie miała żadnej możliwości zmiany swojej pozycji, panele przestały generować prąd, a zasilanie przejęły baterie. Po trzech dniach i one się wyczerpały. Ranger 1 zaczął dryfować, a 30 sierpnia ściągnięty przez grawitację wpadł w ziemską atmosferę, gdzie jego krótki żywot dobiegł końca w płomieniach.

Sonda Ranger 1, źródło: NASA/JPL-Caltech

Sondzie nie udało się osiągnąć zamierzonej wysokiej orbity, ale inżynierowie z JPL w przeciwieństwie do zawiedzionych naukowców uznali, że nie była ona ani porażką, ani sukcesem. Ranger 1 mimo pracy na wysokości, na którą nie był przeznaczony, spisał się bardzo dobrze, statek nie zawiódł, a jego system kontroli położenia zadziałał poprawnie. Także Agena, chociaż z powodu awarii pracowała bardzo krótko, przyśpieszyła nieznacznie sondę, która weszła na wyższą orbitę. Podsumowując, sonda Ranger Block 1 jest gotowa do podróży w głęboki kosmos, a problemem do rozwiązania jest funkcjonalność Ageny.

Drugie podejście

Ranger 2 i jego system wynoszący — Agena B 6002 oraz Atlas 1 1 7D – trafiły na przylądek w tym samym czasie, kiedy pierwsza misja dobiegała przedwczesnego końca w ziemskiej atmosferze. Natychmiast rozpoczęto niezbędne przygotowania do startu wyznaczonego na 20 października 1961 roku. Testy wypadły pozytywnie, a gotowość do wystrzelenia rakiety Atlas Agena B osiągnięto niedługo przed wyznaczonym terminem. Fatum daje o sobie znać – pierwsze odliczanie zostaje przerwane, najpierw z powodu nieprawidłowych odczytów z teleskopu Lyman-Alfa, a następnie z powodu awarii zasilania systemu naprowadzania Atlasa. Kolejna próba wystrzelenia wyznaczona na 22 października zostaje odłożona przez dyrektora Silversteina. Po wewnętrznych sporach wśród naukowców w kwestii obecności na sondzie mangetometru – według części z nich wpływał on źle na pozostałe instrumenty naukowe i aparaturę Rangera – nakazał on kierownikowi programu Burke’owi rozwiązać ten problem. Wypracowano kompromis i 23 października wokół kontrowersyjnego eksperymentu zamontowana została tarcza mająca ograniczyć wytwarzane pole magnetyczne do akceptowanego przez wszystkie strony minimum.

Kolejne odliczanie rusza 24 października, ale system wynoszący znowu zawodzi. Już na początku dochodzi do wycieku z bocznego silnika korekcyjnego rakiety Atlas, a później po rozwiązaniu tego problemu wyszedł na jaw kolejny – z Lockheeda dotarła informacja o wynikach śledztwa nieudanego startu rakiety Thor-Agena B, podczas którego wykryto niepoprawne funkcjonowanie systemu hydraulicznego Ageny. Odliczanie zostaje przerwane po raz kolejny, a start odłożony do czasu wykonania potrzebnych napraw. 17 listopada we wczesnych godzinach porannych, kiedy niebo nosi jeszcze czerń przemijającej nocy, Ranger 2 wreszcie wyrusza w swoją kosmiczną wyprawę. Rakieta osiąga wyznaczoną orbitę parkingową, ale stopień Agena tym razem w ogóle się nie uruchamia, a wyniesiona sonda podobnie jak poprzedniczka utknęła na niskiej orbicie okołoziemskiej, tym razem znacznie niższej. Statek poprawnie odłącza się od Ageny, rozkłada swoje panele słoneczne i antenę dużego zysku, a następnie zaczyna szukać Słońca w momencie, kiedy wszedł w cień Ziemi. Chwilę później uruchamia się procedura ustawienia anteny w kierunku planety. System kontroli położenia mimo usilnych prób nie jest w stanie odnaleźć żadnego z wyznaczonych punktów odniesienia, przestaje poprawnie działać, a sonda zaczyna koziołkować, pozbawiona jakiejkolwiek kontroli. Stacje naziemne nie są w stanie utrzymać namiaru na szalejącym tuż nad horyzontem statku, który 19 listopada spala się w atmosferze.

Rakieta Atlas Agena B z sondą Ranger 2 gotowa do startu, żródło: NASA

Agena zawiodła ponownie. Kolejna stracona sonda i rosnące podejrzenia, że Lockheed nie robi wszystkiego, co powinien, aby ten drugi stopień rakiety działał poprawnie, skutkują powołaniem komisji Agena Failure Investigating Board złożonej z przedstawicieli firmy, NASA i Sił Powietrznych USA. Częściowo problemy udaje się rozwiązać, a już w kolejnych misjach programu Agena uruchamia się ponownie na niskiej orbicie, chociaż nie zawsze poprawnie.

Ranger, Księżyc i Wenus

W porównaniu do radzieckich sond Łuna, które w tamtym czasie przeleciały już w pobliżu Ksieżyca, przesłały zdjęcia niewidocznej strony i rozbiły się na powierzchni, statki Ranger Block 1 były o wiele bardziej zaawansowanymi konstrukcjami. Mimo to misje Ranger 1 i 2 zakończyły się porażką. W obu przypadkach winną niepowodzenia była rakieta Agena, która nie wyniosła sond na wyższą orbitę i skazała je na szybki koniec w ziemskiej atmosferze. Niemniej nawet z niepowodzeń można wyciągnąć ważne wnioski. Te pierwsze porażki ostatecznie przyczyniły się do znacznego sukcesu programu Ranger i spojrzenia z bliska na przerytą kraterami powierzchnię Księżyca.

Na sam koniec warto wspomnieć o tym, że obie misje przyczyniły się do sukcesu pierwszej udanej wyprawy w pobliże planety Wenus. Sonda Mariner 2, która dokonała tego wyczynu w grudniu 1962 roku była prostszą wersją statku Ranger Block 1.

Losy kolejnych misji programu Ranger już wkrótce!

Tekst powstał w oparciu o:
– „Lunar Impact: A History of Project Ranger” R. Cargill Hall, NASA History Division
– „To a Rocky Moon: A Geologist’s History of Lunar Exploration” Don E. Wilhelms, University of Arizona Press