Ranger 7

Druhý let v programu Ranger Block 3. Sonda byla navedena na dráhu směřující k Měsíci a během posledních minut před dopadem pořizovala snímky povrchu s vysokým rozlišením. Televizní přenos z blízkosti Měsíce se zdařil poprvé v historii amerických pokusů.

Pro program Apollo, mající za úkol dopravit amerického občana na Měsíc do konce šedesátých let, bylo nezbytné získat základní poznatky o Měsíci a jeho povrchu. Jelikož byly možnosti pozemského pozorování prakticky vyčerpány, naději obdržet nová data poskytovaly jedině automatické meziplanetární stanice.

Sondy programu Ranger Block 3, na rozdíl od programů Ranger Block 1 a Block 2, které se zabývaly všeobecnými vědeckými disciplínami, byly jednoznačně koncipovány jako podpora pilotované expedice na Měsíc. Jejich cílem bylo získat fotografie povrchu z bezprostřední blízkosti a s největším možným rozlišením. Jediným vědeckým přístrojem na palubě sondy byla tudíž soustava kamer. Let Rangeru 7 se stal prvním velkým úspěchem USA v lunárních expedicích. Poprvé byly úspěšně zaznamenány obrázky Měsíce z kilometrových vzdáleností a s rozlišením několika metrů.

Konstrukce

Sondu postavila a provozuje Jet Propulsion Laboratory (JPL). Pasadena, Kalifornie (USA) pro NASA Office of Space Science (OSS), Washington, D.C. (USA).

Sonda o hmotnosti 365.7 kg je určena k pořízení snímků Měsíce během přibližně 10 až 20 min dopadové fáze letu.

Hlavní těleso má tvar hranolu s šestiúhelníkovou základnou o průměru 1.504 m. Kostra sondy je vyrobena z hliníkových slitin a její hmotnost je pouhých 43 kg. Ve středu dolní základny je instalován raketový korekční motor o tahu 224 N na jednosložkovou KPL (hydrazin). Motor je schopen udělit sondě přírůstek rychlosti od 0.03 m/s do 60 m/s. Z horní podstavy vystupuje kuželový stožár obsahující televizní aparaturu. Celková výška sondy obnáší asi 3.6 m. Na protilehlých stranách základny jsou upevněny dva obdélníkové panely výklopných fotovoltaických baterií o rozměrech 739x1537 mm, celkové ploše 2.3 m² a rozpětí 4.572 m, které jsou tvořeny 9792 křemíkovými články. Sluneční články mají výkon 200 W a dobíjejí dvě AgZn akumulátorové baterie o kapacitě 1000 Wh a 1200 Wh.

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 (60 W, 959.520 MHz a 960.05 MHz) a jeden vysílač o menším výkonu, rovněž vysílající v pásmu L (3 W, 960.58 MHz).

Orientační systém tvoří 12 trysek na stlačený dusík, 3 gyroskopy, 2 primární a 4 sekundární čidla Slunce a 1 senzor Země.

Vědecké vybavení

Vědecké vybavení sondy tvoří televizní kamerový systém sestávající z:

• soustava F (plně skanující kamery):
• dlouhoohnisková vidikonová televizní kamera;
• krátkoohnisková vidikonová televizní kamera;
• soustava P (částečně skanující kamery):
• 2 dlouhoohniskové vidikonové televizní kamery;
• 2 krátkoohniskové vidikonové televizní kamery.

Průběh letu

Po neúspěšném letu předchozí sondy Ranger 6, který nedokázal předat ani jediný snímek Měsíce, byla provedena zásadní revize televizní aparatury sondy, sondy jako takové i nosného prostředku. K tomuto účelu byla zřízena zvláštní komise, která se zaměřila především na funkčnost televizních kamer vyráběných v RCA Astro-Electronics Division. Tvrdé kontrole byla podrobena i laboratoř JPL, která dodala kosmický stroj. Pro nový pokus o let bylo stanoveno předběžné datum na konci června 1964. Další starty ale měly být odloženy o dalších minimálně 6 měsíců. Jedním z důvodů bylo, že na druhou polovinu roku 1964 připravovala NASA první pokus o let dvojice sond třídy Mariner k Marsu a bylo potřeba uvolnit kapacity a startovní komplex raket Atlas Agena pro tyto mise.

1964-03-27 při prověrce již uzavřených elektronických modulů v modifikovaném televizním systému připravovaného Rangeru 7 nalezli pracovníci kontroly kvality uvnitř malý polyetylénový sáček obsahující 14 šroubů a podložek. RCA zahájila okamžitě vyšetřování. První vyjádření bezpečnostních složek uvádělo, že přítomnost cizího předmětu na tak choulostivém místě má na svědomí pracovní přetížení techniků, kteří chystali sondu ve třech směnách bez sobot a nedělí. Toto vysvětlení bylo ale odmítnuto jako nepravděpodobné a mínění se pomalu přiklonilo k myšlence, i když pro ni nebyly žádné přímé důkazy, že se jednalo o pokus o sabotáž.

Ať už byl původ cizího tělesa v kosmickém aparátu jakýkoliv, bylo rozhodnuto provést ještě další kontroly všech systémů. Záměrem bylo znovu otevřít a znovu prověřit televizní systém. To ovšem vyžadovalo odklad startu nejméně o měsíc a, což bylo také velice nepříjemné, navýšení nákladů na projekt o dalšího půl miliónu USD. Pokud by mělo ale dojít ještě k dalšímu zpoždění, muselo by se hledat startovní okno mnohem později, neboť se blížily ke svému konci přípravy na start již zmiňovaného Marineru a ten měl pochopitelně prioritu. Zájem vyslat Ranger co nejdříve byl zároveň podporován obavou, že Sovětský svaz, který se již dlouho nepřihlásil žádnou lunární misí, by zase mohl Americe na poslední chvíli ukrást další kosmické prvenství. 1964-04-22 byla vyslechnuta vyšetřovací komise před americkým kongresem. Slyšení bylo ukončeno 1964-05-04. Závěrem bylo rozhodnutí pokračovat v projektu podle plánu; pro možnost sabotáže nebyly předloženy žádné důkazy.

Příčina nezdaru televizní aparatury při letu Rangeru 6 bohužel přes veškeré zkoumání nebyla jednoznačně stanovena. Nejpravděpodobnější se zdála teorie, že došlo ke zkratu v konektorové skříňce v místě připojení krytu na špici stupně Agena. Pomocí těchto konektorů je možno testovat a elektricky napájet sondu i kamery po instalaci na nosnou raketu. Po startu se vnější propojovací kabel připojený do této skříňky vytrhne a dvířka skříňky se mechanicky uzavřou. Ve skříňce se nachází řada živých kontaktů, mj. 20 V kontakt baterie televizních kamer je pouze 6.4 mm od 3 V kontaktu citlivého televizního okruhu. Vše nasvědčovalo tomu, že nečekané zapojení kamer během oddělování raketových stupňů bylo způsobeno propojením těchto dvou kontaktů. Problémem ovšem bylo zjistit, co mohlo toto propojení způsobit. Byly diskutovány tři možné příčiny - dotek uzavíracích dvířek s kontakty, elektrostatický náboj na povrchu aerodynamického krytu nebo rázová vlna a ionizovaný plyn, který vzniká v okamžiku při oddělovaní stupně Atlas. Poslední možnost byla nakonec vyhodnocena jako nejpravděpodobnější. Při odhození motorů hlavního stupně dojde k přerušení potrubí, přičemž se do atmosféry uvolní zbytkové palivo a okysličovadlo. V případě nešťastného letu to bylo 112 kg okysličovadla a 67 kg kerosenu. Zbývající motor, který ještě hoří, zapálí zplyněnou směs. Při tomto "výbuchu" se šíří vlna rychlostí Mach 3.5. Plasma vzniklá při výbuchu předstihne letící raketu a může proniknout i do propojovací skříňky a zkratovat kontakty. Časový rozbor tento závěr potvrzoval. Motory Atlasu se odpojily v čase T+140.008 s, televizní systém se zapojil v T+140.498 s.

Po ukončení projednávání projektu Ranger v Kongresu se opět rozběhly dodatečné zkoušky a prověrky chystané sondy. Ta se opět vrátila z kosmodromu do laboratoří JPL, za několik dní se k ní připojila i televizní aparatura. Čas pro provedení všech testů byl příliš krátký a proto vedoucí projektu požádal o odklad o čtyři týdny na konec července a jeho žádosti bylo vyhověno. Aby bylo dosaženo maximální jistoty, vytvořil se "přejímací výbor", který dohlížel na každou operaci. Tento výbor také 1964-06-15 a 1964-06-16 potvrdil, že veškeré výsledky úprav provedených na sondě a kamerách splňují nebo dokonce překonávají očekávání. Výbor povolil převoz sondy na Cape Canaveral na zahájení závěrečného kola zkoušek.

Vědecký tým mezitím vybíral cílovou plochu pro Ranger 7. Jedním z návrhů bylo zamířit do stejného místa, kam dopadl Ranger 6. Předností by bylo vyfotografovat čerstvý kráter a z jeho hloubky odvodit tvrdost povrchu. Světelné podmínky ale byly již pro takovou misi nevhodné. Konečným výsledkem výběru byla oblast asi 11° pod měsíčním rovníkem na severním okraji Mare Nubium. Zvolená oblast se vyznačovala povrchem s kontrastními stíny, byla vhodná pro kvalitní snímky a navíc přes ní procházejí světlejší paprsky z vyvrženého materiálu uvolněného při dopadu kosmického tělesa, které vytvořilo kráter Copernicus. Dalším nezanedbatelným důvodem bylo, že NASA s podobným terénem počítala pro přistání pilotované expedice.

Na mysu probíhaly závěrečné testy, při nichž byla sonda 1964-07-06 přemístěna na startovní komplex a instalována na vrcholek nosné rakety. Tři dny nato se sešel přejímací výbor, který po jednodenním zasedání prohlásil Ranger 7 za připravený k letu. Cílové datum zahájení mise bylo stanoveno na 1964-07-27, kdy se otevíralo pětidenní startovní okno.

Poprvé se měl let řídit z nového operačního střediska (Space Flight Operations Facility) v nové budově v areálu JPL. 1964-07-26 ukončily stanice DSN [=Deep Space Network] poslední test součinnosti a vše bylo opět připraveno k nadcházejícímu startu.

V pondělí 1964-07-27 v 6:47 místního času EDT (10:47 UT) se rozběhl countdown. Startovní okno se tento den otvíralo od 12:32 do 14:42 EDT. Odpočítávání probíhalo bez závad až do okamžiku T-51 min, když si technici rakety Atlas vyžádali přerušení kvůli vadné baterii telemetrie. Po hodině se odpočet znovu obnovil, ale vzápětí byl opět přerušen vinou chybné funkce pozemního naváděcího systému Atlasu. Tento problém už nešlo jednoduše odstranit, a tak v 14:20 EDT byl start pro tento den zrušen.

Následujícího dne, v úterý 1964-07-28 naopak odpočítávání probíhalo jako po másle. Přesně ve 12:50 EDT (16:50 UT), pouhých několik sekund po začátku startovního okna se na rampě číslo LC 12 probudila k životu nosná raketa Atlas (výrobní číslo 250D) a pomalu se naklánějíc zamířila do jasné oblohy nad Floridou. V okamžiku vypojení hlavních motorů Atlasu o několik minut později se ozvala již známá detonace a tlaková vlna prolétla kolem letícího objektu. Telemetrie z Rangeru ale tentokrát pokračovala bez nečekaných překvapení. Vše nasvědčovalo tomu, že televizní systém je v pořádku a pracuje bez závad. Nad ostrovem Antigua se oddělily raketové stupně a Agena B (výrobní číslo 6009) poprvé zažehla motor a umístila těleso na předpokládanou eliptickou oběžnou dráhu. Bezprostředně poté stanice na ostrově Ascension hlásila, že let probíhá podle plánu a raketa se řítí východním směrem nad jižním Atlantikem. V 17:20 UT nad západním pobřežím Jižní Afriky byl motor Ageny restartován a vesmírné plavidlo zamířilo k Měsíci. Sledovací stanice v Johannesburgu ohlásila oddělení Rangeru od posledního stupně nosiče. Ranger 7 byl volný a na správné trajektorii.

Zatímco letová kontrola určovala skutečnou dráhu sondy, Ranger rozložil panely solárních baterií, vysokoziskovou parabolickou anténu a orientoval se na Slunce a Zemi. Pozdě odpoledne vedení letu seznámilo novináře s dosavadním průběhem. Podle nich bylo navedení na dráhu natolik přesné, že i kdyby se neprováděla korekce dráhy, sonda by minula Měsíc v nevelké vzdálenosti před předním okrajem a dopadla by (podobně jako Ranger 4) na odvrácenou stranu. Povely pro korekci obdržel Ranger po rádiových vlnách ze stanice Goldstone následujícího dne ráno. Ve stanovenou dobu sonda zareagovala, zorientovala se v prostoru do požadovaného směru a v 10:27 UT se zažehl motor. Ranger mírně snížil rychlost a definitivně zamířil do žádaného bodu ležícího kolem souřadnic 11° j.š. a 21° z.d. Po několika hodinách se žurnalisté dověděli, že korekční manévr proběhl perfektně a prozatím se v průběhu letu neobjevily žádné problémy. Šance na úspěch se odhadovala na 80 : 20.

Také dalšího dne 1964-07-30 nedával průběh letu žádné důvody k obavám. Napětí ve středisku řízení letu JPL, v hlavní kanceláři NASA i v celé Americe s blížícím se závěrem letu přesto stoupalo.

Rozhodující okamžiky měly nastat ve čtvrtek 1964-07-31 v časných ranních hodinách. V 6:00 místního času PDT (Kalifornie) zaujali všichni vedoucí projektu svoje místa na návštěvnické galerii řídícího střediska. Pod nimi vpředu kontrolovali letoví specialisté u svých konzol přicházející telemetrii. Let zatím probíhal podle očekávání. Po zkušenosti s předchozím Rangerem 6 bylo rozhodnuto tentokrát zapojit žhavení kamer již 20 min před dopadem a zkrátit žhavící dobu na polovinu tj. 90 s.

Ranger 7 se blížil k cíli a jeho orientace byla vyhovující pro snímkování. Stejně jako před tím se diskutovalo, zda se má provést poslední doladění zaměření kamer a stejně jako před tím se od něho upustilo, kvůli riziku, že by se něco na poslední chvíli mohlo pokazit.

V 06:07 EDT (13:07 UT) byl vyslán povel k zahájení žhavení prvních dvou plně skanujících kamer. Devadesát sekund poté se ozvala napjatě očekávaná informace: "Máme videosignál - silný a čistý". V sále se rozbouřil potlesk, v řídícím středisku všichni vstávali, letoví ředitelé byli nadšeni. "Ještě je příliš brzy," zaznělo varování. Obdržené snímky zatím nejsou lepší než je možno získat pozemskými dalekohledy. "Musíme ještě vyčkat!"

Čekat se ale nemuselo naštěstí dlouho. V 13:10 UT byl vyslán povel na nažhavení zbývajících čtyř kamer s teleobjektivy. Videosignál byl zaznamenán za dalších 90 s. V auditoriu potlesk přerostl v ovace. Svědci historické události už potom jenom slyšeli samé dobré zprávy: "Dvanáct minut do dopadu, pokračuje vynikající televizní signál ... Deset minut ... nepřerušovaný vynikající videosignál. Všechny kamery fungují ... všechna záznamová zařízení v Goldstone pracují ... Sedm minut ... všechny kamery vysílají prvotřídní signál ... Pět minut do dopadu ... videosignál přichází stále bezchybně. Všechno jde dobře ... Tři minuty ... žádné přerušení, žádný problém ... Dvě minuty ... všechny systémy pracují. Předběžné rozbory ukazují, že snímky byly přijaty v Goldstone ... Jedna minuta do dopadu ... Výborně ... Výborně ... Signál skončil ... DOPAD!" Vysílání telemetrie z Rangeru utichlo v 13:25 UT. Hlas sondy byl nahrazen jásotem přítomných pracovníků a novinářů. Papíry létaly vzduchem, lidé si navzájem blahopřáli, některým tekly slzy, ve středisku zavládl nepopsatelný zmatek. Ranger 7 konečně přinesl Spojeným státům dlouho odpíraný výrazný kosmický úspěch a momentální vedení při dobývání Měsíce.

Po střízlivém vyhodnocení posledních okamžiků letu byla konstatována následující chronologie dopadu. První snímek byl pořízen v 13:08:45 z výšky 2210 km. Během 17 minut zbývajícího letu bylo vysláno celkem 4308 snímků. Poslední snímek před přerušením spojení z výšky asi 300 m zachycuje podrobnosti o velikosti 0.5 m. Po 68.6 hodinách letu zasáhl Ranger Měsíc v oblasti mezi Mare Nubium a Oceanus Procellarum v bodě o souřadnicích 10.35° j.š. a 339.42° v.d. (V původní zprávě se uvádělo 10.63° j.š. a 339.34° v.d.) s několikakilometrovou odchylkou od plánovaného místa. Tato oblast byla dodatečně nazvána Mare Cognitum {=Moře poznané}. K dopadu došlo 1964-07-31 v 13:25:48.82 UT rychlostí 2.62 km/s.

Experimenty a výsledky

Televizní kamerový systém

Přístroje vyvinula a dodala společnost RCA.
Televizní systém o hmotnosti 173 kg tvoří šest kamer uspořádaných do dvou oddělených kanálů. Kamery jsou určeny k pořízení fotografií s vysokým rozlišením z bezprostřední blízkosti v období asi 10 až 20 min před dopadem sondy na měsíční povrch. Zmíněné dva kanály mají nezávislé zásobování elektrickou energií a oddělené telekomunikační cesty aby se dosáhlo maximální záruky dosažení vědeckého cíle letu.
Základním prvkem všech kamer je jednopalcová (cca. 25 mm) vidikonová trubice s fotocitlivým povrchem ASOS [=antimony-sulfide oxy-sulfide]. První kanál, označený jako F [=Full] používá úplného skanování a obsahuje jednu dlouhofokální kameru (ohnisková délka 76 mm, světelnost f/25, zorný úhel 8.4°, 1152 řádků) a jednu krátkofokální kameru (ohnisková délka 25 mm, světelnost f/0.95, zorný úhel 25°, 1152 řádků). Aktivní plocha obrazu je 11 mm² a skanování trvá 2.5 s.
Druhý kanál, označený P [=Partial], tvoří čtyři částečně skanující kamery. Dvě kamery jsou dlouhofokální (ohnisková délka 76 mm, světelnost f/25, zorný úhel 2.1°, 300 řádků) a dvě krátkofokální (ohnisková dálka 25 mm, světelnost f/0.95, zorný úhel 25°, 300 řádků). Aktivní plocha obrazu je 2.8 mm² a skanování vyžaduje 0.2 s.
Závěrka všech šesti objektivů je poháněna elektromagneticky a je vytvořena štěrbinou na desce umístěné před objektivy. Rozložení objektivů je takové, že se záběry překrývají.
Plně skanující kamery zahájily snímkování v 13:08:45 UT 1964-07-31 v době, kdy zbývalo do dopadu 17 min 13 s a poslední záběry byly pořízeny 2.5 až 5 s před nárazem. Částečně skanující kamery začaly pracovat v 13:12 UT tj. 13 min 40 s před dopadem a fungovaly až do T-0.2 až 0.4 s. Nejmenší podrobnosti na snímcích mají velikost asi 0.5 m. Kamerový systém stačil předat 4308 obrázků vynikající kvality.

Literatura

1. NSSDC Master Catalog: Spacecraft Ranger 7 - 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