Как удалось взлететь с Луны?

Краткий ответ: Запас топлива и тяга стартовой ступени лунного модуля позволяла вывести его на орбиту, а «космодромом» послужила нижняя спускаемая ступень аппарата.

Космический корабль, который доставлял людей на Луну и возвращал обратно в космос, назывался лунным модулем (Lunar module). Он имел двухступенчатую конструкцию: нижняя ступень (Descent stage) имела массу 10,3 т в заправленном состоянии, и ее маршевый двигатель тягой примерно 4,5 т обеспечивал сход с орбиты и мягкую посадку. Верхняя ступень (Ascent stage) снаряженной массой 4,7 т и тягой двигателя около 1,6 т возвращала экипаж на окололунную орбиту.

Чтобы вновь оказаться на окололунной орбите и встретиться там с кораблем Apollo, необходимо было иметь:

• оборудованную для старта площадку;
• достаточно мощный двигатель;
• запас топлива для достижения орбитальной скорости;
• навигационные данные, систему ориентации и вычислительную систему.

Для успешной стыковки и возвращения на Землю надо не только взлететь, но и выйти в точку встречи, где запланирована стыковка с командным кораблем.

Внешний облик стартовой (верхней) ступени лунного модуля (Ascent stage) сильно отличается от привычных нам ракет и космических кораблей, поскольку совершенно не приспособлен к взаимодействию с атмосферой и земным притяжением, поэтому кажется удивительным, что подобная неказистая и небольшая конструкция смогла вернуть людей с лунной поверхности.

Хватало ли мощности и топлива двигателю стартовой ступени лунного модуля Apollo?

Возвращаемая ступень лунного модуля имела массу 4,7 т, из которых чуть больше половины составляло топливо. Два бака горючего (аэрозин) и бак окислителя (тетраоксид азота) питали две топливные системы: маршевый двигатель тягой 1,6 т и двигатели системы ориентации. Из-за разницы в силе притяжения на Луне вес стартующей ступени составлял около 800 кг, поэтому тяги двигателя вполне хватало.

Хватало ли двигателю лунного модуля топлива, ведь обычно ракеты намного превосходят свою полезную нагрузку?

На этот вопрос можно ответить с помощью формулы Циолковского, с которой началась вся космонавтика.

Как стартовать с Луны без оборудованной стартовой площадки?

На Луне нет космодромов или просто подготовленных к старту площадок, поэтому космический корабль должен быть готов к таким условиям. Можно предположить, что единственный способ обеспечить достаточно безопасный старт с поверхности космического тела — это привезти стартовый стол с собой. В случае лунного модуля Apollo таким стартовым столом выступала первая нижняя ступень, которая обеспечивала мягкую посадку. Похожая конструкция, только в меньшем масштабе, была у советских космических аппаратов, доставивших лунный грунт. Однако оборудованный стартовый стол не обязателен при достаточно ровной поверхности и хорошей системе ориентации: так, пилотируемая лунная программа СССР предусматривала старт лунного корабля с неподготовленной поверхности Луны.

Верхняя ступень лунного модуля отделялась от нижней при помощи пиротехнических средств. Серия пироболтов подрывалась за несколько минут перед стартом с Луны. Пироболты — это крепежные средства, внутри которых находится заряд взрывчатки. Подрыв электрического детонатора позволяет отделить части, скрепленные пироболтом. Простота и надежность пироболтов позволяют активно использовать их в космонавтике всех стран. На лунном модуле Apollo пироболты скрепляли многие элементы конструкции между посадочной и подъемной ступенью и все коммуникации между ними.

Также пировзрыватели использовали, чтобы разорвать металлические мембраны в гелиевых емкостях и обеспечить необходимое давление в 7 атмосфер в топливной системе двигательной установки. Малые взрывы разрушали мембраны, что приводило двигатель в готовность к старту.

Элементы конструкции, соединяющие нижнюю и верхнюю ступени лунного модуля, разделялись более сложными средствами под названием пироножи (Explosive Guillotine). В пироноже взрывчатка придает энергию движения лезвию, которое разрушает связующие элементы, такие как алюминиевые тяги и элементы каркаса космического корабля. То есть в случае применения пироножа продукты взрыва не разлетаются в разные стороны, как в случае с пироболтами.

После разделения двух ступеней приводился в действие маршевый ракетный двигатель, который поднимал одну ступень над другой. Малые ракетные двигатели системы ориентации удерживали стартующую ступень в необходимом положении. Они же обеспечивали ориентацию в движении по траектории выведения на низкую окололунную орбиту.

Малые ракетные двигатели и система ориентации могли выровнять положение корабля после подъема и давали возможность старта даже с наклонной поверхности. Например, Apollo 15 прилунился на краю кратера с наклоном около 11 градусов, что близко к критическим 15 градусам, но система ориентации смогла задать необходимое положение взлетающей ступени сразу после старта.