Apollo 8: der ingen hadde vore før.

Den mest berømte Apollo-ferda var Apollo 11 som sette dei første menneska på månen den  20. juli 1969. Men før det hadde Apolloprogrammet gjennomført ei rekkje romferder som bereda  grunnen for månelandinga. Dette er historien om ei like viktig ferd, nemlig Apollo 8-ferda. Dette var på mange måtar gjennombrotet for prosjektet, fordi det var den første bemanna ferda som forlet ein jordbane for å gå i bane rundt månen. Det var denne ferda som beviste at det var mulig å dra til månen og tilbake igjen før tiåret var omme, akkurat slik John F. Kennedy hadde sagt i sin berømte tale ved Rice University, 12. september 1962.

Apollo 8-ekspedisjonen skulle egentlig bare vera ein test-tur for månelandingsfartøyet i ein jordbane. Men månelandingsfartøyet var forsinka og det spøkte for den ambisiøse tidsplanen Kennedy hadde sett. Men dette var sekstitalet, og NASA var styrt av ingeniørar. Og ledaren for Apolloprogrammet, George Low, som sjøl var ingeniør, kjente fartøyet ut og inn. Han sa: "Korfor ikkje bare senda Apollo 8 direkte til månen uten månelandingsfartøyet?" Og nesten alle ingeniørane ved NASA skal ha sagt seg enige. Slik gjekk det til at Apollo 8 vart sendt til værs frå Kennedy Space Center den 21 desember 1968 kl. 07:51 lokal tid, og landa trygt i stillehavet 147 timar etterpå, den 27 desember kl 10:51 am.

Apolloprogrammet

Men før turen følte nok ingen seg heilt trygge på at dette skulle gå bra. Dei tre astronautane, Frank Borman, Bill Anders og Jim Lovell rekna sjøl sjansane for å komma tilbake som bare litt betre enn fifty-fifty. Kanskje ikkje så rart når ein tenkjer på at dei sat på toppen av ei bombe som var i ferd med å bli antent! Og Apolloprogrammet hadde ikkje starta så bra. I 1967 gjekk ein test av Apollo 1 gale, og alle dei tre astronautane  Gus Grissom, Ed White og Roger Chaffee døydde i brannen. Også andre ulykker hadde skjedd, feks. Gemini 8, om enn ikkje fatale.

Mannskapet på Apollo 8. Frå venstre Frank Borman, Bill Anders og Jim Lovell.

Saturn V

Bæreraketten til alle Apollo-ferdene var Saturn V-raketten som hadde med seg omtrent 2 750 tonn rakettbrennstoff, noko som tilsvarer over 90% av rakettens vekt. Rakettens første trinn hadde ifølge Wikipedia ein gjennomsnittlig effekt på 166 GW, dvs omtrent 80 gonger meir en Hooverdammen. Sjøl etter Elon Musk sin Falcon Heavy, er Saturn V den kraftigaste raketten til dags dato, sjøl om NASA sitt nye Space Launch System (SLS) kjem til å bli endå kraftigare.

Apollo 8-ferda var den første bemanna ferda med denne raketten. Saturn V besto av tre trinn (pluss ein liten modul kalla instrument unit): første trinn var kalla S-IC, det andre S-II og det tredje var kalla S-IVB. På toppen av dette kom sjølve romskipet Apollo. Tilsaman vart dette ein rakett som var 111 m høg og hadde ei totalvekt på nesten 3000 tonn. Den var designa for å kunna senda minst 41 tonn nyttelast til månen. Seinare vart dette oppgradert til 140 tonn.

• Første trinn var det kraftigaste, og største trinnet, med ei høgde på 42 meter, ei vekt 2280 tonn og med skyvkraft på 34 000 kN. Til samanlikning har Falcon Heavy over 10 000 kN mindre. Dette trinnet var bygd av Boeing, og motorane, av typen Rocketdyne F-1, var arrangert som femmaren på ein terning. Motoren i midten var fast, mens dei fire andre var motert på ein hydraulisk slingrebøyle (gimball) for å styra raketten.
• Andre trinn var 24.9 m høgt. Vekta var 481 tonn og motorkrafta 4400 kN.  Det hadde samme motorkonfigurasjon som første steg, bare med fem J-2-motorar.
• Tredje trinn hadde ein høgde på 17.81 m, vekt 115 tonn og ein J-2 motor på 1033 kN. Det hadde i tillegg thrustarar for styring. 

Slik såg dermed raketten ut når alt dette var stabla oppå kvarandre:

Apollo

På toppen av raketten sat altså sjølve romfartøyet Apollo. Slik vi kjenner det frå Apollo 11, bestod det av tre seksjonar, kommandoseksjonen (KS), serviceseksjonen (SS) samt månelandingsfartøyet (MF).  Månelandingsfartøyet var, forståelig nok, ikkje med på denne turen, men for å gjennomføra ein mest mulig realistisk test hadde ein med ballast som tilsvarte vekten av månelandingsfartøyet, dvs. 9027 kg. Kommando- og serviceseksjonen (engelsk CSM) hang saman som ein enhet heilt til ein skulle tilbake til jordatmosfæren. Den hadde ein motor på 91 kN som vart brukt til å plassera romfartøyet inn i bane rundt månen, og for å justera kursen på tilbaketuren mellom månen og jorda. Det fungerte også som ein såkalt retrorakett som skulle bremsa romskipet før det kom inn i jordens atmosfære.

Ferda

Figuren under viser dei viktigaste hendelsane i den seks dagar lange turen:

Tabellen under viser dei viktigaste hendelsane i ferda:

Kva skjedde mellom disse hendelsane?

1) Oppskyting og oppstiging til parkeringsbane.

Sjøl om oppstiginga var mykje roligare enn dei tidligare Gemini-oppskytingane, var den likevel veldig bråkete. Og dei tre astronautane vart kasta frå side til side kvar gong raketten automatisk korrigerte kursen sin, og det skjedde kontinuerlig. Etter bare ca 1 minutt nådde raketten lydhastigheten. Ved omtrent to gonger lydfarten kom det punktet i oppstiginga som vert rekna som det mest farlige, nemlig når raketten møter maksimum dynamisk trykk. Dette skjedde etter 1 minutt og 18.9 sekunder i ei høgde 13430 meter, og gjekk uten problem.  Etter to minutt og 34 sekund med kraftig akselerasjon, var det ikkje meir drivstoff til dei fem hovedmotorane som dermed vart kutta i ei høgde på 65.7 kilometer. På dette tidspunktet var raketten omtrent 655 km vest av kysten ved Florida, og farten var 1,894 m/s. Det første rakett-trinnet hadde då gjort jobben sin, og vart dumpa i Atlanteren. Som ein forstår vart banen meir og meir horisontal for å komma i bane rundt jorda. Sjå figuren nedanfor.

Etter omlag ni minutt og tjue sekund var også brennstoffet til den andre trinnet brukt opp, og trinnet vart kobla frå. Det tredje trinnet brann så i ytterligare tre minutt og tjue sekund. Då var sirklingsfarten (7.8 km/s) til parkeringsbanen i 172 km høyde oppnått.
Figuren under viser høyde, fart og akselerasjonen til Apollo 17 sin oppskyting fram til parkeringsbanen er nådd, og dette er ikkje veldig forskjellig frå Apollo 8 sine data.

2) TLI: (Trans-Lunar injection) og på tur til månen!

Etter 2 timar og 44 minutta i omløp fekk Apollo 8 "Go for TLI" frå Houston. Det betydde at alle system var sjekka og alt var klart for det som ingen andre hadde gjort før. Då vart motoren til det tredje trinnet igjen starta opp for ei kort brenning på 318 sekund. Det førte til at farten auka frå 7.8 km/s til injeksjonshastighet på 10 882 m/s, dvs. litt mindre enn unnslipningshastigheten ved denne høgda som er omlag 10 900 m/s. Raketten behøvde ikkje å oppnå unnslipningshastighet fordi den jo ikkje skulle heilt ut av jorda sitt gravitasjonsfelt, bare nesten. Med denne farten havna dei i ein veldig avlang ellipitisk bane som skulle transportera dei nær nok månen til at dei kunne bli fanga inn av månens gravitasjonskraft. Dette var ein såkalt free return trajectory, dvs. ein bane som skulle kunna bringa dei tilbake mot jorda igjen uten motor. Denne  typen bane blir også kalla Circumlunar trajectory. Underveis mot månen gjorde Apollo 8 mindre kursendringar, men ellers var hovedmotoren slått av. Figuren under viser korleis akselerasjonen endra seg mens motoren til det tredje trinnet brann for siste gong:

Etter TLI var det tredje trinnet brukt opp, og vart kobla frå. Dei to første trinna hadde landa i havet, men det tredje hadde så stor fart at det vart kasta inn i ein bane rundt sola. Det same skjedde med tredjetrinna til Apollo 9, 10, 11 og 12. Men Apollo 12 sitt enda i ein ustabil bane og vende faktisk ei kort tid tilbake i bane rundt jorda, før det igjen vart fanga av jorda.

3) Innsetting i månebane og sirkling rundt månen

Omkring 55 timar og 40 minutt inn i reisa, og 13 timar før dei gjekk inn i månebane vart mannskapet på Apollo 8 dei første menneska som kom inn i gravitasjonsfeltet til ein annan himmelkropp enn jorda. Det vil sei at månen si gravitasjonskraft på romfartøyet var sterkare enn krafta frå jorda. Dette skjedde då dei var 62,377 km frå månen.

For å komma over frå overføringsbanen til månebanen måtte ein treffa på rett plass. Dette var litt som å skyta på eit bevegelig objekt. Du kan ikkje sikta der objektet er, men akkurat så mykje framfor slik at objektet og kula vile møtast på same plass. I Apollo 8 sitt tilfelle betydde det å treffa nøyaktig 128.7 kilometer framfor månen, som sjøl bevega seg med  3,219 kilometer i timen. Ein feil på bare 1.6 km/h på romfartøyet sin fart ville resultera i at ein bomma på månen med 1,600 kilometer. For å treffa riktig gjennomførte dei ein ny korrigering av kursen for å bremsa farten litt.

Så, etter litt over 69 timar, sette mannskapet igjen i gang motorane. Dette varte i litt over fire minutt, og plasserte Apollo 8 i bane rundt månen. Dette var ein nervepirrande opplevelse som skjedde bak månen, og kontrollsenteret hadde ingen kontakt med mennene ombord. Dei beskreiv det som dei lengste fire minuttane i livet deira. Hvis motorane hadde brunne for lenge, ville dei ha krasja i månen, og hvis den hadde brunne for kort, kunne dei ha bli kasta ut i rommet. Men Apollo 8 dukka opp igjen bak månen på nøyaktig det rette  tidspunktet, og Houston kunne pusta letta ut.

I dei neste 20 timane gjorde Apollo 8 tilsaman ti omløp rundt månen. Og astronautane var ivrige som barn over å studera den solopplyste baksida av månen, eit syn ingen mennesker hadde sett før. Dei fotograferte, og filma for å samla data slik at Apollo 11 i 1969 kunne landa på månen. På sjølve julafta 1968 sende dei ei tale til jordens folk, og samme dag tok Bill Anders det berømte bildet av jordoppgang:

Jordoppgang sett frå Apollo 8, 24 desember 1968

Tilbaketur og reentry

For å komma seg ut av månebanen og tilbake til ein returbane var det nødvendig med ein ny motorbrenning. Dette var den såkalte  trans-Earth injection (TEI), som var den mest kritiske fasen av heile turen. Hvis denne gjekk feil, kunne Apollo 8 havna i månebane uten mulighet for å bli berga. Som ved innsetting i månebanen, skjedde dette bak månen, og det gjekk like bra. Då kontakten mellom jorda og romfartøyet var igjenoppretta, så kunne Lovell fortelja at "Please be informed, there is a Santa Claus", og svaret frå bakken var då, "That's affirmative, you are the best ones to know.". Så kunne fartøyet begynna på heimreisa på første juledag.

Bemanna romfartøy må bremsast ned til under lydfart før fallskjermar eller andre bremsesystem kan benyttast.  Ein kan ikkje stoppa farten med ein rakettmotor, sidan dette ville behøva like mykje rakettbrennstoff som det ein brukte til oppturen. Løysinga er då å benytta jordens egen atmosfære som bremsesystem, sidan friksjonskreftene virkar motsatt av bevegelsen. Ein reknar at atmosfæren strekkjer seg til den såkalte Kármán linja, som er den høyden (ca 100 km) der lufta er så tynn at vanlige fly ikkje kan fly.

­Apollo 8 møtte jordatmosfæren med ein fart på ca 40 000km/h. For å få komma inn i atmosfæren måtte romskipet treffa nøyaktig riktig vinkel. Hvis den var for liten ville skipet spretta ut igjen som ein stein på vannoverflata, og dei tre mennene ombord ville vera fortapte. Hvis vinkelen var for stor ville dei bli knust av dei veldige friksjonskreftene. Så det var eit veldig spennande og farlig punkt på ferda. Men Apollo 8 traff! Likevel steig temperaturen på kommandoseksjonen til omlag 2700 grader på grunn av friksjonskreftene. Like før reentry hadde dei kvitta seg med Service-seksjonen og snudd kommandoseksjonen med bunnen ned der varmeskjoldet var. Dette skjoldet beskytta det indre av kommandoseksjonen. Det var eit såkalt ablativt skjold, designa slik at dei ytre delene smelta og vart blåst bort av lufta etter kvart. På bildet (og frå bakken) såg det ut til at romskipet hadde tatt fyr, men i verkeligheten var det altså materiale frå varmeskjoldet som smelta og forsvann bak romskipet som ein lysande komethale.

Varmeskjoldet fungerte også etter planen, og Apollo 8 kunne opna sine fallskjermar og dei landa trygt i Stillehavet den 27. desember. Dei tre astronautane vart plukka opp, og med det hadde NASA sitt måneprogram hadde fått ein suksessfull start.

LENKER

Apollo 8 21 – 28 December 1968.

Gravitational Escape Velocity with Saturn V Rocket.

Launch a Saturn V Rocket Right From Your Browser.

The Saturn V - Apollo   performance characteristics.

NASA's Mighty Saturn V Moon Rocket Explained (Infographic).

The Apollo 8 Flight Journal.

APOLLO MISSIONS .

APOLLO 8 The Second Mission: Testing the CSM in Lunar Orbit 21 December–27 December 1968.

The mission that changed everything .

Atmospheric entry (Wikipedia)

Telescopic Tracking of the Apollo Lunar Missions.

How NASA brought the monstrous F-1 “moon rocket” engine back to life.

Filmar

APOLLO 8 launch.

The Daring Adventure of Apollo 8 in 1968.

Apollo 8: Around The Moon and Back.