8ボールを振る：アポロ8号の代替ミッションプロファイル

アポロ 8 号を (ある意味) もう一度体験してみませんか? この素晴らしい飛行の 45 周年を記念して、12 月 21 日午前 4 時 58 分 (東部標準時) の乗組員入場から始まり、主要なミッション イベントを関連画像やビデオ クリップとともにライブ ツイートします。必ずしも完全ではありませんが、それでも楽しい歴史散歩を楽しみたい方は、@astVintageSpace をフォローしてください。

明日は、NASA にとって月面への途上にある極めて大規模なミッションであるアポロ 8 号の打ち上げから 45 年目にあたる。1968 年 12 月 21 日に打ち上げられたこのミッションは、フランク・ボーマン、ジム・ラヴェル、ビル・アンダースの 3 人の宇宙飛行士が初めて月周回軌道に乗ったミッションであり、アポロ司令機械船が当初のミッションを遂行した初めてのミッションでもあった。しかし、ハードウェアの故障により飛行が危うくなるだけでなく、乗組員の命が危険にさらされる可能性も十分にあった。NASA が準備できない災害シナリオもあったが、準備できるものについては、大きな故障があってもミッションからできるだけ多くのデータを回収できるように設計された一連の代替ミッション計画を NASA が作成した。

基本飛行計画

飛行予定通り、アポロ 8 号は、ほぼすべてのミッションよりも多くの「初めて」を達成しました。それは、複合施設 39A からの初の有人打ち上げ、人類が初めてサターン V ロケットで打ち上げられたこと、人類が初めて地球の重力から逃れて地球の影響圏を離れたこと、初の有人月周回飛行、音声と動画の両方の媒体で月の距離を越えて人類が通信したこと、乗組員が月から地球の写真を撮ったこと、人類が初めて月の裏側を見たこと、宇宙船が初めて月周回軌道を離れたこと、そして暗闇の中で着陸した初のミッションでした。また、乗組員が宇宙でクリスマスを過ごしたのもこれが初めてでした。

これらの目標を達成するには、アポロ打ち上げ機と宇宙船のすべての部品が完璧に機能する簡単な飛行計画が必要でした。サターン V ロケットの 3 段すべて、SI、S-II、および S-IVB の第 3 段は、乗組員を地球の駐機軌道に乗せるために完璧な順序で点火する必要がありました。乗組員が宇宙船の点検を行う 2、3 回転後、S-IVB 段をもう一度点火して、地球の軌道を離れて月に向かうコースに進むのに必要な推進力を得ました。これが月周回軌道投入または TLI 点火でした。20 分後、乗組員は S-IVB 段から切り離され、その後の点火ではサービス モジュールのサービス推進システムだけが残り、点火は数多くありました。

TLI操作の精度に応じて、SPSエンジンを使用した66時間の月周回軌道走行中に、中間軌道修正噴射の機会が4回ありました。1回目はTLI + 6時間、2回目はTLI + 25時間、3回目は月周回軌道投入またはLOI - 22時間、最後はLOI - 4時間です。軌道に関係なく予定されていた最初の主要なSPS噴射は、乗組員が月に到着してから行われました。2回の月周回軌道投入またはLOI噴射により、アポロ8号は月の周りの楕円形の安定した駐機軌道に入り、そこから月のランドマークの追跡と写真撮影の作業を行い、着陸可能な場所を調査し、将来のミッションに不可欠な大量のデータを収集します。

月周回軌道上で 20 時間過ごした後、ミッションで最も緊張する瞬間が訪れます。月の裏側で地球との無線連絡が途絶えたところで、乗組員は SPS エンジンを再び点火し、地球への帰還経路を取るための地球横断噴射 (TEI) を行います。この地球横断惰性フェーズでも、TEI の 15 時間後、TEI の 30 時間後、そして地球突入の 2 時間前に 1 回、進路修正の機会が組み込まれています。大気圏に再突入する直前に、乗組員はコマンド モジュールをサービス モジュールから花火で切り離し、ガムドロップ型の宇宙船に乗って地球の大気圏を抜け、太平洋に着水します。

代替ミッション

この飛行プロファイルは、今後予定されているより複雑な月面着陸ミッションを考慮すると、かなり単純なものでした。しかし、ミッション中には、故障により飛行が危うくなるだけでなく、宇宙飛行士の命も危険にさらされる可能性のあるポイントが複数ありました。最大の故障で、NASA が容易に対応策を講じることができたのは、S-IVB ステージの故障でした。乗組員は主要ミッションの早い段階でロケット ステージを投棄しますが、このステージが予定より早く停止すると、飛行の進路が大きく変わる可能性があるシナリオが複数ありました。S-IVB が故障しても貴重な経験が得られることを期待して、NASA は一連の代替ミッション プランを作成しました。

打ち上げ中に S-IVB が停止して乗組員を低軌道に乗せる場合、乗組員は SPS エンジンを使用して、緊急時の軌道投入または COI 噴射を最大 2 回行うことができます。軌道を高楕円軌道に微調整した後、代替 1 ミッション プランに切り替えます。これは、2 か月前にアポロ 7 号が飛行したものと同様の、10 日間の地球周回コマンド サービス モジュール飛行です。同じ 10 日間の地球周回ミッションは、代替 2 ミッション プランでした。S-IVB が乗組員を地球周回軌道に乗せたものの、TLI 噴射に失敗した場合、乗組員は地球周回飛行を開始する前に SPS エンジンを使用して軌道を調整します。

ミッションに影響を与える可能性のある S-IVB の唯一の他の故障は、TLI 燃焼中の故障でした。この場合の代替ミッション (代替 3a から 3d) は、S-IVB が故障したときの宇宙船の高度に依存していました。

代替案 3a と 3b は、TLI 噴射の早い段階での故障で、乗組員が 115 マイルから 28,800 マイルの間の地球軌道上に残されたことによるものです。この場合、代替案 1 と同様に、乗組員は SPS エンジンを使用して、10 日間の低地球軌道ミッションに適した高度に軌道を調整します。しかし、TLI 噴射の後半で S-IVB が停止した場合、状況は少し複雑になります。

S-IVB が故障し、乗組員が 28,800 マイルから 69,100 マイルの軌道上に残された場合、SPS エンジンは地球周回ミッションのために軌道を調整することができません。大きな軌道調整を行うための燃料が不足し、乗組員の大気圏再突入を開始するための点火もできません。代わりに、乗組員はこの高軌道に留まり、軌道離脱燃焼に適した位置に到達するまで SPS エンジンを温存します。

S-IVB が故障し、乗組員が 69,100 マイル以上の軌道上に残された場合、自由帰還軌道プロファイルに従う以外に選択肢はありませんでした。SPS エンジンを使用して軌道を調整し、重力が宇宙船を月まで運び、そこで宇宙船は地球への帰還を開始する前に裏側を旋回します。帰還後は、直接大気圏に再突入します。月帰還ミッションと同様に、乗組員は再突入前に地球軌道上で停止することはありません。

SPS の故障は S-IVB の故障よりもかなり悲惨なものでした。SPS の故障では代替ミッションは必要なく、乗組員の救助が必要になります。

SPS が LOI 噴射までは完璧に機能しても、TEI 噴射の時に故障し、乗組員が月周回軌道上に取り残される可能性もあった。また、エンジンが惰性走行段階で故障し、途中で軌道修正が不可能になる可能性もあった。月周回軌道では、乗組員は月を完全に逃して太陽軌道に落ちる軌道、または月面に衝突する軌道にとどまる可能性がある。地球周回軌道で SPS が故障すると、乗組員は再突入経路を逃し、地球の大気圏を飛び越える可能性がある。また、宇宙船が急角度で再突入し、乗組員が大気圏で燃え尽きる危険にさらされる可能性もあった。

これらの壊滅的な故障に対する不測の事態への備えはなかった。NASA は回収ミッションの準備ができていなかったため、救助方法が考案される前に乗組員の消耗品が尽きてしまう可能性が高かった。最も重要だったのは空気だった。宇宙船には水酸化リチウム キャニスターが 20 個しか搭載されておらず、有毒な二酸化炭素を約 2 週間空気から除去するには十分だった。取り残された乗組員がこれらのフィルターを使い果たした場合、すぐに低酸素症に陥るだろう。

アポロ8号の驚くべき成功

NASA はアポロ 8 号のミッション計画を変更する必要はなく、乗組員が命を失う危険に直面することもなかった。飛行中に発生したいくつかの異常事態は、ミッションを台無しにするのに十分ではなかった。ミッション後の報告書で、NASA はアポロ 8 号を「アポロ計画で最も成功したもの」であり、「月着陸能力の開発における大胆な前進」と呼んだ。

この飛行を最もよく表す言葉は「大胆」かもしれません。NASA がサターン V ロケットを打ち上げたのは 3 回目で、人間を打ち上げたのは初めてでした。また、乗組員がコマンド サービス モジュール内に入ったのは 2 回目でした。すべてが設計どおりに機能し、ミッションが主な目標を達成したことは、NASA が 1970 年までに人類を月に着陸させることに大きく貢献しました。

情報源/参考文献: アポロ 8 号に関する NSSDC のページ、アポロ 8 号プレス キット、アポロ 8 号ミッション レポート。