Ranger 3

První sonda vypuštěná v rámci programu Ranger Block 2. Jejím úkolem bylo dopravit na měsíční povrch pouzdro se seismometrem a fotografovat povrch během dopadové fáze letu. Kvůli chybě v práci nosné rakety, sonda minula Měsíc a přešla na heliocentrickou dráhu. I když funkce sondy byla uspokojivá, byly získány pouze omezené vědecké výsledky.

Po dvou zkušebních letech prototypů Ranger Block 1 v roce 1961, které byly určeny k práci na velmi protáhlé dráze kolem Země a které skončily pouze částečným úspěchem, přistoupila NASA k pokusu dosáhnout Měsíce první ze stanic Ranger Block 2. Po poněkud neuspořádaném, možná i chaotickém usilování v programu Pioneer koncem padesátých let, byla vyvinuta nová a technologicky vyspělá sonda, jejíž hlavní prvky se měly stát základem dalších lunárních a planetárních misí. Američtí vědci a technici doufali, že se konečně podaří srovnat náskok Sovětského svazu, který v těch letech triumfoval prakticky ve všech oblastech kosmonautiky. Měsíc se jevil jako dostatečně reálný a přitom atraktivní cíl.

Ačkoliv hlavní cíl letu Rangeru 3 - dosažení Měsíce - nebyl splněn, mise ukázala, že konstrukce sondy je pro takovéto účely vyhovující. S částečnými neúspěchy se ostatně počítalo. Ve fázi Ranger Block 2 byly připraveny další dvě sondy, z nichž první - Ranger 4 - odstartovala již po čtvrt roce po skončení letu Rangeru 3.

Konstrukce

Sondu postavila a provozuje Jet Propulsion Laboratory (JPL). Pasadena, Kalifornie (USA) pro NASA Office of Space Science (OSS), Washington, D.C. (USA). Dopadové pouzdro se seismometrem vyrobila Aeronautics Division of the Ford Motor Company, Newport Beach, Kalifornoe (USA).

Sonda o hmotnosti 329.8 kg je určena k pořízení snímků Měsíce během 10 minut dopadové fáze letu, k dopravení pouzdra seismometru na jeho povrch při tvrdém přistání, ke studiu záření gama a odrazivosti měsíčního povrchu. Dále má sloužit k dalšímu ověření technologie měsíčních a planetární přeletů v rámci programu Ranger Block 2. Hlavní těleso má tvar hranolu s šestiúhelníkovou základnou o průměru 1.504 m. Na horní podstavě je připojena konstrukce nesoucí dopadové pouzdro s brzdícím motorem na TPL. V dolní základně je instalován raketový korekční motor o tahu 222 N na jednosložkovou KPL (hydrazin). Motor je schopen udělit sondě přírůstek rychlosti od 0.03 m/s do 43.9 m/s. Celková výška sondy obnáší 3.124 m. Na protilehlých stranách základny jsou upevněny dva lichoběžníkovité panely fotovoltaických baterií o rozměrech 267x744x1844 mm, ploše 1.8 m² a rozpětí 5.182 m, které jsou tvořeny 8680 články. Sluneční články mají výkon necelých 200 W a dobíjejí AgZn akumulátorovou baterii o kapacitě 1000 Wh a hmotnosti 11.5 kg.

Telekomunikační systém sestává z výklopné vysokoziskové směrové parabolické antény o průměru 1.2 m instalované na spodní základně a všesměrové antény. Dva vysílače pracují v pásmu L (960 MHz, 3 W, resp. 50 mW). Řízení sondy provádí palubní počítač, sekvenční časovač a povelový systém ovládaný ze Země. Tepelná ochrana je provedena jako pasivní (bílé nátěry, pozlacení a pochromování, stříbrné plastické kryty).

Orientační systém tvoří 10 trysek na stlačený dusík, 3 gyroskopy, 2 primární a 4 sekundární čidla Slunce a 1 senzor Země.

Přístrojové pouzdro se seismometrem, které má tvrdě přistát na Měsíci rychlostí asi 130 až 160 km/h tvoří koule o průměru 305 mm a hmotnosti 25.7 kg. Kromě seismometru obsahuje elektroniku, 50 mW vysílač, anténu a 6 AgCd baterií zabezpečujících činnost na Měsíci po dobu asi 30 dnů. Tato koule je obalena balzovým dřevem, jež má částečně absorbovat dopadovou energii. Průměr pouzdra včetně obalu obnáší 635 mm a jeho hmotnost je 43.8 kg.

Vědecké vybavení

Vědecké vybavení sondy tvoří:

• televizní kamera se zorným polem 1° a zobrazením 200 řádků na snímek;
• spektrometr záření gama;
• jednoosý seismometr;
• měření teploty dopadového pouzdra;
• radarový výškoměr.

Průběh letu

První sonda ze série Ranger Block 2 byla postavena v červenci 1961 v JPL. Na začátku listopadu bylo dokončeno testování systémů, kalibrace a ověřena sterilizace jak vlastní konstrukce sondy, tak i vědeckých přístrojů. 1961-11-15 byla stanice uznána jako letuschopná. Nato opustila ve speciálním automobilu laboratoře v Pasadeně v Kalifornii a byla převezena na Cape Canaveral na Floridě, kam dorazila 1961-11-20, shodou okolností právě den poté, co v zemské atmosféře zanikl Ranger 2. Mezitím pokračovaly u firmy Ford Motor Company horečné práce na přípravě pouzdra se seismometrem ke startu v lednu 1962.

Startovní okno bylo již dříve stanoveno na období mezi 1962-01-22 až 1962-01-26. Rozhodující pro fotografické účely bylo vhodné osvětlení povrchu Měsíce v době příletu. Seismometr naopak vyžadoval pouze, aby byl umístěn na takovém místě, odkud by bylo zajištěno kvalitní a nepřerušované spojení se Zemí. Místo dopadu bylo zvoleno přibližně ve středu přivrácené strany Měsíce v Oceánu bouří (Oceanus Procellarum). V okamžiku dopadu, musela být dále ve vhodné poloze sledovací stanice v Goldstone. Jestliže se vzaly v úvahu tyto podmínky a možnosti nosné rakety a korekčního motoru sondy, byl vypočítán okamžik startu mezi 15:30 až 16:45 místního floridského času. Aby bylo možno zasáhnout cíl, muselo být balistické navedení velmi přesné, protože pouze malé odchylky mohly být kompenzovány vlastními motory sondy.

Nosná raketa Atlas (výr. číslo 121D) a Agena B (výr. číslo 6003) byly dopraveny na kosmodrom v polovině prosince 1961 a byly postaveny na startovním komplexu LC 12. Po prověrkách kompletní sestavy včetně sondy 1962-01-05, byl Ranger 3 opět sejmut z nosného prostředku a přepraven do montážního hangáru k závěrečné přípravě.

Ve dvou týdnech zbývajících ke startu byl Ranger 3 rozmontován, jednotlivé části byly naposledy zkontrolovány a po opětovném složení byla stanice přemístěna do nové haly, ve které bylo možno nakládat s výbušnými materiály. Zde byla instalována vyvážena a odzkoušena schránka se seismometrem a brzdícím motorem, byly naplněny nádrže paliva pro korekční motor, namontovány letové baterie a radarový výškoměr. 1962-01-18 byla sonda opět vrácena na startovní komplex a namontována na raketu.

Od 1962-01-10 do 1962-01-19 probíhala simulace rádiového spojení a zpracování dat na sledovacích stanicích DSN [=Deep Space Network] po celém světě.

Všechny předstartovní operace probíhaly podle plánu až do 1962-01-19, když se začala raketa Atlas plnit palivem. Před ukončením plnění objevili technici netěsnost v přepážce mezi nádržemi paliva a okysličovadla. Palivo bylo urychleně odčerpáno a uvažovalo se o odeslání stupně Atlas do montážního hangáru k opravě. Stanovené datum startu bylo ohroženo. Dodavatel Atlasu však navrhl nový a neobvyklý způsob opravy přímo na startovní rampě s termínem, který by umožnil let k Měsíci v původním čase.

Během několika dalších dnů uvolnili technici motory Atlasu a spustili je do kanálu pod rampou, kterým jsou při startu odváděny horké plyny. Přes vzniklý otvor ve spodním dnu palivové nádrže bylo protaženo dovnitř dřevěné lešení a uvnitř smontováno. Pracovníci, podílející se na vnitřní opravě, za použití kyslíkových masek vyměnili prasklou přepážku a po usilovné nepřetržité práci byl termín startu zachráněn.

JPL mezitím prováděli přípravu Rangeru již ukrytého pod aerodynamickým krytem. Mezi 1962-01-23 a 1962-01-24 byla sonda naposledy sterilizována vyplněním prostoru, kde se nacházela, na 11 hodin jedovatým plynem oxidem ethylénu a opětovným propláchnutím dusíkem. Opravy na raketě byly dokončeny až 1962-01-26 pouze 1 hodinu a 15 minut před kritickým okamžikem. Když v 10:45 místního času začalo závěrečné odpočítávání, bylo jasné, že další zdržení už bude definitivně znamenat odklad startu.

Countdown proběhl bez potíží. 1962-01-26 v 20:30:00 UT (tj. 15:30 místního času) se nosná raketa s Rangerem 3 vznesla do slunečné oblohy nad Floridou. Raketa se ale ještě nevzdálila z dohledu a už telemetrie hlásila, že něco není v pořádku. Rádiový naváděcí systém Atlasu vypadl a nepřijímal povely ze země. Let pokračoval za řízení vlastního autopilota. Jelikož nebylo možné na letící raketu předat správná data vypnutí motorů, obávali se letoví specialisté, že odchylka v trajektorii bude větší než povolená. S netrpělivostí byla očekávána data ze stanic na dráze letu, včetně sledovací lodě ministerstva obrany nacházející se mezi ostrovy Antigua a Ascension. Během dvaceti minut hlášení z těchto stanic potvrdilo, že se stupně oddělily a Agena B prvním zážehem přešla na parkovací dráhu kolem Země. Jelikož let Atlasu nemohl být korigován ze země, nacházela se sestava na vyšší dráze a pohybovala se rychleji než bylo žádoucí.

Obsluha mobilní sledovací stanice v Jižní Africe očekávala dráhové hodnoty z mysu Canaveral, ale spojení vypadlo. Ranger se v dosahu stanice objevil pět minut před očekávaným okamžikem v 20:55 UT. Stupeň Agena B uskutečnil druhý zážeh motorů, ale ani tento kvůli chybě v programu nepřivedl sondu na správnou dráhu. Během hodiny tyto údaje potvrdila stanice ve Woomeře (Austrálie). Ranger 3 obdržel příliš velkou rychlost a mine Měsíc ve vzdálenosti asi 32000 km. Taková odchylka přesahuje možnosti korekčního motoru sondy, která po průletu kolem Měsíce skončí na oběžné dráze kolem Slunce.

Nehledě na to let sondy pokračoval. Správně se oddělila od posledního stupně nosné rakety, zaměřila se na Slunce a Zemi, vyklopila parabolickou anténu a zapojila sluneční baterie. Experiment na měření záření gama začal pracovat. Bez ohledu na potíže při startu, Ranger 3 pracoval. Jedinou závadou byl pokles úrovně signálu ze všesměrové antény. Bylo ale jasné, že vědecký přínos letu bude velmi omezen. Seismometr nebude možno dopravit na Měsíc v žádném případě, detektor gama záření bude omezen pouze na měření v kosmickém prostoru a nikoliv i na měření vyzařování měsíčních hornin. Z planetárních experimentů zůstávala naděje na získání snímků Měsíce při průletu. Podmínkou bylo správné zaměření během posledních korekčních manévrů. Žádoucí by bylo rovněž odhodit pouzdro se seismometrem a ověřit funkci brzdící rakety. To však nebylo možno provést, protože odpojení pouzdra se dělo na základě signálu z radarového výškoměru, který samozřejmě při průletu ve velké vzdálenosti nemohl pracovat.

Po několika hodinách ráno 1962-01-27 pozemní řídící středisko připravilo data pro provedení korekce dráhy, která byla přes stanici DSN v Goldstone odvysílána na sondu. Sonda příjem dat potvrdila a uložila je do palubní paměti. Ve vypočtený okamžik se Ranger 3 orientoval do správné polohy a na požadovanou dobu byl nastartován korekční motor. Poté se sonda opět zorientovala do původní polohy. Původní nadšení nad perfektně provedeným manévrem však ale brzy vystřídalo zklamání. Dráha po korekci vedla zrcadlově k zamýšlenému směru. Chyba byla způsobena banálním omylem. Počítačové programy v pozemním středisku a na sondě se lišily znaménkem. Během předletových simulací byly kontrolovány odchylka a polarita signálu ale ne jejich smysl. Takováto změna dráhy způsobila, že v kritickém okamžiku přiblížení k Měsíci bude stanice v Goldsone na konci využitelného intervalu a nikoliv na začátku, jak bylo zamýšleno. To silně omezilo možnosti získání snímků.

I když na nesprávné dráze, Ranger pokračoval v bezchybném letu. Krátce po korekčním manévru byla vyklopena 1.8 m dlouhá tyč se spektrometrem záření gama. Příštího dne 1962-01-28 se odklopil ochranný kryt nad televizní kamerou a přístroj se začal nahřívat. Ve stanovenou dobu se sonda začala natáčet tak, aby kamera mířila k Měsíci. Uprostřed prováděné změny polohy ale začal slábnout signál ze sondy, až poklesl pod úroveň zachytitelnou na Zemi. Směrová anténa Rangeru ztratila zaměření na Zemi. Sonda se vymkla z kontroly.

Palubní počítač a časovač selhaly a sluneční a zemská čidla byla vyřazena z provozu. Sonda pokračovala v natáčení, řízená jenom svými gyroskopy. Stanice v Goldstone chvílemi zachycovala signál ale jak sonda rotovala, její signál slábl a ztrácel se. Nehledě na to kamera začala pořizovat snímky a vysílat je na Zemi. Jelikož vysokozisková anténa mířila mimo Zemi, byl signál slabý a rušený. Po vyvolání bylo konstatováno, že kamera pracovala dobře. Na snímcích byly jasně vidět referenční křížky optiky, bohužel chyběl alespoň malý kousek Měsíce.

Sonda proletěla kolem Měsíce 1962-01-28 v 23.23 UT ve vzdálenosti 36793 km a pokračovala v letu po heliocentrické dráze. Přerušované spojení bylo udržováno až do 1962-01-31, kdy došel plyn v orientačních motorcích. Sporadické signály byly zachycovány ještě i 1962-02-02 ze vzdálenosti 800000 km.

Parametry dráhy

Vysvětlivky:

Typ: H - heliocentrická, L - selenocentrická (kolem Měsíce)

Experimenty a výsledky

Televizní kamera

Vidikonová televizní kamera byla určena k pořizování snímků měsíčního povrchu ze vzdálenosti od 4000 do 47 km během dopadové fáze letu. Systém je tvořen vidikonovou snímací elektronkou s rychlým mazáním. Doba expozice je 20 ms a snímky jsou pořizovány s periodou 13 s, přičemž jeden kompletní snímek se zpracuje za 10 s. Snímek je tvořen 200 řádky. Optický systém je tvořen cassergainovou konstrukcí astronimického dalekohledu, který obsahuje primární konkávní parabolické zrcadlo a středově umístěné sekundární hyperbolické zrcadlo, kterým se odráží obraz povrchu Měsíce na fotocitlivou vrstvu obrazového snímače. Experiment selhal kvůli několika závadám během závěrečného manévru u Měsíce. Na experimentu se podílely JPL, University of Arizona, U. S. Geological Survey a UC San Diego.

Spektrometr záření gama

Spektrometr sestává z detektoru, 32-kanálového analyzátoru amplitudy záblesků a vysokonapěťového zásobování elektrickou energií a je určen k měření záření gama emitovaného povrchem Měsíce. Detektor obsahuje krystal z jodidu cesia o průměru 76.2 mm obalený plastickým scintilátorem o tloušťce 3.17 mm. Je připojen na trubici fotonásobiče o průměru 76.2 mm. Záblesky gama záření pronikají do analyzátoru, který má kapacitu 2 až 16 pulsů/kanál. Na přípravě experimentu se podílely UC San Diego, LASL a JPL.
Prvních 12 hodin letu byly získávána data z detektoru poblíž hlavní konstrukce sondy, poté byla vyklopena teleskopická tyč o délce 1.8 m a na této pozici pokračovalo měření dalších 6 hodin. I když nebylo možno měřit záření měsíčního povrchu, protože sonda minula cíl, celková doba detekce kosmického zařízení byla více než 40 hodin a sporadicky byly signály přijímány až do 1962-02-02 ze vzdálenosti 800000 km od Země.

Radarový výškoměr

Úkolem radarového výškoměru bylo měřit odrazivost měsíčního povrchu a studovat jeho vlastnosti. Dále byl zapojen do sekvence oddělování pouzdra se seismometrem, k němuž měl být vydán povel ve výšce 19 až 25 km. Přistroj byl standardní radar pulsního typu se špičkovým proudovým výstupem mezi 150 až 400 W. Pracoval na frekvenci 9400 MHz a s opakováním od 500 do 600 pulsů/s. Šířka paprsku byla 4.5°. Výškoměr měl zahájit měření na základě povelu ze Země ve výšce 198 až 55 km (nominálně 137 km). Plánovaná doba práce byla 9 s až 2 min. Vzhledem k tomu, že sonda minula Měsíc, nebyla získána žádná data. Přístroj připravila JPL.

Seismometr

Přístroj o hmotnosti 3.36 kg byl určen k detekci možných seismických pohybů a rozlišení lávových příkrovů, prachových vrstev či případných jiných struktur povrchu. Sestával z cívky, permanentního magnetu podepřeného na pružině a vnitřního kalibračního zařízení. Jeho konstrukce umožňovala získat data při libovolné poloze pouzdra. Aby se ztlumil prudký náraz při dopadu, byl přístroj naplněn ochrannou tekutinou. Po dopadu se měl seismometr v tekutině orientovat do svislé polohy. Kapalina se poté měla vypustit a tlakový spínač měl aktivovat experiment. Plánovaná doba životnosti byla 30 dní. Kalibrace přístroje byla provedena v laboratoři a během letu. Vzhledem k tomu, že přístroj nemohl být dopraven na Měsíc, nebyla získána žádná data. Experiment přípravila Columbia University a Cal Tech.

Literatura

1. NSSDC Master Catalog: Spacecraft Ranger 3 - http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/sc-query.html
2. Ing. Pavel Knapp: Listy z historie. Ranger - Letectví a kosmonautika [53] (1977) - číslo 7, strana 263-264
3. Lunar Impact: A History of Project Ranger - http://history.nasa.gov/SP-4210/pages/Cover.htm