Apollo 13

Naplánovanie letu

Hlavná posádka pripravovaná pre let Apolla 13 mala pôvodne iné zloženie. Pilotom veliteľského modulu mal totiž byť Ken Mattingly. Tri dni pred štartom sa však zistilo, že sa posádka dostala do styku s infekciou rubeoly a Ken Mattingly, ktorý ako jediný touto chorobou neprešiel a nemal tak dostatok protilátok, bol nahradený Johnom Swigertom, ktorý sa pripravoval na rovnaký post ako člen záložnej posádky. Ken Mattingly sa neskôr zúčastnil vo funkcii pilota veliteľského modulu letu Apolla 16.
Misie Apollo 8, Apollo 10 a Apollo 11 leteli na Mesiac po tzv. bezpečnej translunárnej dráhe (free-return trajectory). To je taká dráha, ktorá privedie kozmickú loď v prípade, že pri prelete okolo Mesiaca nezníži svoju rýchlosť zážihom motorov, naspäť do zemskej atmosféry. Túto dráhu po prvýkrát spomenul vo svojom románe Cesta na Mesiac Jules Verne. Má tú výhodu, že ak by došlo k poruche motorov kozmickej lode, nachádzajúcej sa na bezpečnej translunárnej dráhe, loď sa bez potreby ďalšieho paliva vráti bezpečne naspäť na Zem.
Bezpečná translunárna dráha má však aj svoje nevýhody. Možno sa po nej dostať iba na tzv. rovníkovú (ekvatoriálnu) obežnú dráhu okolo Mesiaca, ktorá umožňuje pristátie iba v oblastiach ležiacich okolo jeho rovníka – teda v žiadnom prípade napríklad v oblasti Fra Mauro, kam smerovalo Apollo 13. Ďalším argumentom proti používaniu bezpečnej translunárnej dráhy je skutočnosť, že vhodné štartovacie okno, zohľadňujúce najmä svetelné podmienky v dobe štartu, pristátia na Mesiaci a pri návrate na Zem, nenastáva príliš často, čo obmedzuje frekvenciu štartov kozmickej lode na Mesiac.
Lety Apollo 12, Apollo 13 a Apollo 14, tzv. H misie („H“ od slova hybrid), preto síce začali let po bezpečnej translunárnej dráhe, ale po určitej dobe ju opustili tak, aby mohli uskutočniť pristátie vo svojej cieľovej oblasti.
Lety Apollo 15, Apollo 16 a Apollo 17 sú tiež označované ako tzv. J misie. Tieto lety boli hneď navedené na translunárnu dráhu, ktorá nebola bezpečná. Zatiaľ čo Apollo 15 sa mohlo dostať na bezpečnú translunárnu dráhu pomocou riadiacich motorov RCS (Reactive Control System), Apollo 17 už letelo po dráhe natoľko odlišnej od bezpečnej translunárnej dráhy, že by malo problémy sa na ňu v prípade problémov dostať aj s využitím motorov pristávacieho stupňa lunárneho modulu.

Emblém misie

Apolón, boh slnka v gréckej mytológii, je v embléme znázornený ako slnko. Tri kone, ktoré tiahnu k Mesiacu, symbolizujú posádku Apolla 13. Symbol zároveň predstavuje Apolónových jazdcov, ktorí rozšírili svetlo poznania na celé ľudstvo. V ľavej časti emblému je umiestnený latinský nápis „Ex Luna, Scientia“ (v preklade: „Z Mesiaca, poznanie“).

Štart a začiatočná fáza letu

Apollo 13 vyštartovalo na obežnú dráhu okolo Zeme dňa 11. apríla 1970 o 19:13:00,61 svetového času (UTC) pomocou nosnej rakety Saturn V.
30 hodín a 40 minút po štarte posádka zapla hlavný motor servisného modulu a prešla tak z bezpečnej translunárnej dráhy na dráhu hybridnú, ktorá jej umožňovala pristátie v cieľovej oblasti Fra Mauro.

Havária

V čase 55:52 po štarte signalizovali prístroje (telemetrickým prenosom dát) riadiacemu stredisku nízky tlak vo vodíkovej nádrži. Neišlo o poruchu, ale o prirodzený fyzikálny jav stratifikácie obsahu nádrže s kvapalným vodíkom alebo kyslíkom. Preto bolo v nádržiach zariadenie na ohrievanie a premiešavanie obsahu. Stredisko dalo pokyn zapnúť vo všetkých nádržiach ohrievače a premiešavacie vrtule. John Swigert aktivoval premiešavanie (55:53:20 pre kyslíkovú nádrž č. 2). Ihneď boli namerané anomálie elektrických hodnôt, ktoré sú spätne považované za príznak skratov v nádrži. Podľa spätného vyhodnotenia telemetrie boli senzory kyslíkovej nádrže č. 2 stratené po náraste tlaku a teploty v čase 55:54:51, teda minútu a pol po zapnutí premiešavania. Posádka začula výbuch a pocítila nezvyčajné vibrácie kozmickej lode. V riadiacom stredisku na 1,8 sekundy vypadli všetky telemetrické údaje. V kabíne sa rozsvietili kontrolky indikujúce nízku úroveň jednosmerného napätia na zbernici B, jednom zo systémov rozvodu elektrickej energie vo vnútri lode, buď v dôsledku poškodenia elektrických rozvodov v dôsledku výbuchu, alebo v súvislosti s postupnou stratou funkcie palivových článkov kvôli strate dodávky kyslíka. To všetko v rozmedzí dvoch sekúnd od straty senzorov v kyslíkovej nádrži č. 2. Krátko potom John Swigert alebo Jim Lovell (údaje sa líšia aj v oficiálnych dokumentoch NASA) ohlásil riadiacemu stredisku: „I believe we've had a problem here.“ („Domnievam sa, že sme tu mali nejaký problém.") a „Houston, we've had a problem.“ („Houston, mali sme nejaký problém."). K nehode došlo 14. apríla 1970 o 03:07:53 UTC, v čase, keď sa už loď nepohybovala po bezpečnej translunárnej dráhe a bola vzdialená 321 860 km od Zeme.
Po niekoľko minút nemohlo riadiace stredisko zistiť, čo sa presne stalo. Prispel k tomu fakt, že bezprostredne po výbuchu sa väčšina údajov takmer normalizovala a stále sa ponúkalo vysvetlenie, že ide hlavne o poruchu meraní. Až keď sa potvrdili hodnoty ukazujúce stratu obsahu kyslíkovej nádrže č.2, pozvoľný únik z kyslíkovej nádrže č.1 a najmä keď Jim Lovell oznámil (v čase 56:09 – 15 minút po udalosti): „It looks to me, looking out of the hatch, that we are venting something out into the space“ („Pri pohľade priehľadom sa mi zdá, že nám niečo uniká do vesmíru."), v riadiacom stredisku pochopili, že nejde o obyčajnú poruchu meracích prístrojov, ale že sa stalo niečo vážnejšie.
Pri premiešavaní kyslíku v nádrži vznikol skrat na elektrickom prívode k motoru premiešavacej vrtule, od neho sa vznietila teflonová izolácia a otvorený oheň v kyslíkovej nádrži spôsobil jej výbuch, ktorý, ako sa neskôr ukázalo, roztrhol hliníkový kryt servisného modulu v celej jeho dĺžke. Nádrž č. 2 bola zničená úplne, nádrž č. 1 pozvoľna strácala kyslík trhlinami v potrubí alebo ventiloch. Kyslík bol nevyhnutne potrebný nielen pre dýchanie posádky, ale aj na výrobu elektriny a vody. Servisný modul obsahoval totiž palivové články, ktoré z vodíka a kyslíka vytvárali elektrinu a vodu. Pokračujúci únik kyslíka znamenal, že články prestanú čoskoro definitívne fungovať. Veliteľský modul mal síce akumulátor a svoju vlastnú malú nádrž kyslíka, tie ale boli určené pre zostup zemskou atmosférou. Napriek tomu posádka akumulátor k rozvodu elektriny pripojila.
Lunárny modul mal svoje vlastné kyslíkové nádrže, zásobu vody a nabité akumulátory s pomerne veľkou kapacitou. Mohol teda poslúžiť ako akýsi „záchranný čln“. Avšak všetky zásoby boli určené na zásobovanie dvoch astronautov počas dvoch dní. Teraz museli vystačiť pre troch astronautov na štyri dni.

Oživenie lunárneho modulu

Prvou, nie celkom ľahkou úlohou bolo oživiť lunárny modul skôr, ako vypadne rozvod elektriny vo veliteľskom module. Všetky systémy lunárneho modulu boli totiž z dôvodu úspory elektriny počas letu k Mesiacu vypnuté a na ich oživenie, t.j. k postupnému zapnutiu v definovanom poradí, malo dôjsť až na obežnej dráhe. Jedinou výnimkou boli elektrické výhrevné telieska, ktoré temperovali niektoré systémy lunárneho modulu, aby nedošlo k ich poškodeniu vplyvom extrémne nízkych teplôt kozmického priestoru. Tieto výhrevné telesá boli napájané z rozvodu veliteľského modulu. Z rovnakého rozvodu boli napájané aj relé tvoriace prepínač, ktorý mal odpojiť rozvod lunárneho modulu od veliteľského modulu a pripojiť ho na výkonné akumulátory lunárneho modulu. Problém však spočíval v tom, že sieť veliteľského modulu už v tejto chvíli nebola schopná poskytnúť výkon dostačujúci k zapnutiu relé prepínača.
Podobný problém riešilo riadiace stredisko pri jednej simulácii v rámci prípravy štartu Apolla 10. Vtedy bola simulovaná havária, pri ktorej mal lunárny modul tiež poslúžiť ako záchranný čln. Pri simulácii sa vtedy nepodarilo lunárny modul včas oživiť a simulácia skončila „smrťou“ posádky. NASA potom tento scenár vyradila z prípravy letov, pretože pravdepodobnosť podobnej havárie bola nízka. Pracovníci riadiaceho strediska sa však týmto scenárom napriek tomu (mimo oficiálne úlohy) ďalej zaoberali a získané skúsenosti sa teraz hodili. S využitím nadobudnutých skúseností sa podarilo riadiacemu stredisku za necelých 30 minút zostaviť zoznam úkonov nutných na oživenie elektrickej siete lunárneho modulu. Kľúčový trik vychádzal zo skutočnosti, že lunárny modul obsahoval dve sady akumulátorov – výkonnejšiu umiestnenú v zostupovej časti (descent stage) a menej výkonnú umiestnenú v návratovej časti (ascent stage). S využitím akumulátorov návratovej časti sa astronautom podarilo zapnúť relé prepínača a pripojiť tak rozvodnú sieť lunárneho modulu na výkonné akumulátory zostupovej časti.

Návrat na bezpečnú translunárnu dráhu

Aby sa ušetrilo čo najviac energie v akumulátore veliteľského modulu pre fázu neskoršieho zostupu zemskou atmosférou, bolo prijaté rozhodnutie vypnúť navigačný (guidance) systém veliteľského modulu, ktorý mal pomerne veľkú spotrebu, pretože ho okrem palubného počítača tvorili aj elektricky poháňané gyroskopy inerciálnej plošiny. Lunárny modul mal identický navigačný systém. Hneď ako bol oživený elektrický rozvod v lunárnom module, bolo potrebné oživiť jeho navigačný systém a preniesť do neho dáta z navigačného systému veliteľského modulu. Nestačilo však iba prečítať dáta z displeja vo veliteľskom module a zadať ich do palubného počítača lunárneho modulu. Dáta bolo treba prepočítať, pretože lunárny modul bol oproti veliteľskému modulu o 180 stupňov otočený (veliteľský a lunárny modul boli spojené „čelami“ k sebe, takže veliteľský modul vlastne letel spiatočky).
Ďalej bolo treba vyriešiť problém, ako vrátiť poškodenú loď na Zem. Bol síce k dispozícii scenár „priameho prerušenia letu“ (direct abort), ktorý vyžadoval zažať hlavný motor servisného modulu a bolo by pri ňom spotrebované všetko palivo. Tento manéver bol však za danej situácie veľmi riskantný. Nikto totiž nepoznal rozsah poškodenia servisného modulu. Hrozili dve nebezpečia. Jednak hrozilo, že hlavný motor dôsledkom poškodenia pri nedávnom výbuchu neudelí lodi potrebný impulz a loď narazí na povrch Mesiaca, jednak hrozilo, že by pri zažatí hlavného motora mohlo dôjsť k ďalšiemu výbuchu. Riadiace stredisko preto zavrhlo scenár direct abort a nechalo loď pokračovať k Mesiacu. Loď sa však nenachádzala na bezpečnej translunárnej dráhe. Ako ju tam dostať? Z vyššie uvedeného dôvodu nie s využitím hlavného motora servisného modulu. Ostávalo teda uskutočniť manéver pomocou motorov zostupovej časti lunárneho modulu, ktorý bol skonštruovaný iba na relatívne krátke použitie pri zostupe na povrch Mesiaca. Bolo potrebné spočítať, kedy a na ako dlho majú byť motory zažaté. Vo výpočtovom stredisku však neexistoval program pre taký výpočet. Bolo preto nutné taký program rýchlo vytvoriť, spočítať parametre manévru a potom ich nechať prekontrolovať odborníkmi v riadiacom stredisku. Počas necelých troch hodín sa podarilo určiť parametre manévru pre návrat na bezpečnú translunárnu dráhu.

Korekčný zážih PC+2 burn

Po návrate na bezpečnú translunárnu dráhu bolo potrebné vyriešiť ďalší problém. Pri použití tejto dráhy by kozmická loď pristála za štyri dni v Indickom oceáne, kam však nebolo možné počas tej doby dopraviť loď so záchranným tímom. Na palube lunárneho modulu boli zapnuté iba životne dôležité systémy, medzi ktoré nepatrilo vyhrievanie, takže astronauti trpeli zimou blížiacou sa bodu mrazu. Podarilo sa znížiť spotrebu z bežných 50 – 75 A na iba 12 A. Napriek tomu bola pri tejto spotrebe elektriny doba štyroch dní zostávajúcich do pristátia vzhľadom na obmedzenú kapacitu akumulátorov lunárneho modulu príliš dlhá.
Existovali dve možnosti, ako upraviť dráhu tak, aby loď pristála v Tichom oceáne. Pri použití prvého variantu by sa let skrátil o 36 hodín, pri použití druhého by sa skrátil iba o 12 hodín. Prvý variant však so sebou niesol dve riziká. Loď by musela okamžite odhodiť servisný modul a pokračovať bez neho. Tým by bol tepelný štít, chrániaci veliteľský modul pred žiarom vznikajúcim pri zostupe trením o atmosféru, po príliš dlhý čas vystavený pôsobeniu otvoreného vesmíru (mikrometeoroidom). Navyše by bolo spotrebované všetko palivo zostupovej časti lunárneho modulu a nezostala by žiadna rezerva pre eventuálnu korekciu dráhy. Preto bol prijatý druhý variant, ktorý skrátil let iba o 12 hodín. K jeho uskutočneniu bolo potrebné 2 hodiny po dosiahnutí bodu najväčšieho priblíženia k Mesiacu vykonať zážih motorov zostupovej časti lunárneho modulu (tzv. PC+2 burn). Tento zážih bolo treba uskutočniť veľmi presne, preto bol na jeho riadenie použitý palubný počítač navigačného systému. Pretože mal navigačný systém veľkú spotrebu elektriny a pretože sa nepredpokladalo, že bude nutné vykonávať ešte nejaké korekčné manévre, bol po vykonaní zážihu PC+2 burn navigačný systém vypnutý.

Vysoká hladina oxidu uhličitého

Medzitým sa objavil ďalší problém. V atmosfére lunárneho modulu stúpala koncentrácia oxidu uhličitého (CO₂). Na znižovanie obsahu oxidu uhličitého boli určené filtre obsahujúce hydroxid lítny (LiOH). Ich kapacita inštalovaná v lunárnom module zodpovedala posádke dvoch astronautov počas dvoch dní. V súčasnej situácii však bola nedostatočná. Na palube veliteľského modulu boli síce podobné filtre, ale boli iného tvaru, a tak sa nedali použiť v lunárnom module. Našťastie vznik tohto problému predvídal zodpovedný pracovník riadiaceho strediska už od okamihu, keď sa dozvedel o nehode. So svojimi spolupracovníkmi vymýšľal, ako s využitím pomôcok, ktoré mali astronauti na palube, prispôsobiť filtre veliteľského modulu pre použitie v lunárnom module. Na základe jeho inštrukcií astronauti z ponožky, lepiacej pásky, plastového vrecka a plastového obalu letovej príručky vytvorili adaptér, umožňujúci inštalovať v lunárnom module filtre z veliteľského modulu.

Problém s navigáciou

Aj keď sa zážih PC+2 burn uskutočnil presne, začala sa loď odchyľovať od žiadúcej dráhy. Ukázalo sa, že príčinou je otvor na vypúšťanie odpadovej vody (moču) do voľného priestoru. Fungoval ako svojho druhu reaktívny motor, odchyľujúci loď zo správnej dráhy. Bolo treba uskutočniť ďalšie korekčné zážihy motoru, ale navigačný systém bol vypnutý. Ako zaistiť, že bude loď v okamihu zážihu smerovať správnym smerom? Do úvahy prichádzala iba technika používaná už v programe Mercury a Gemini, pri ktorej na orientáciu lode použili na zemskom povrchu dobre rozpoznateľnú hranicu medzi dňom a nocou. Zatiaľ čo v programe Mercury a Gemini túto metódu použili v malej vzdialenosti od Zeme, teraz sa loď nachádzala ďaleko od Zeme, a tak hrozilo nebezpečenstvo, že loď zorientujú nepresne. Pritom tzv. vstupný koridor do atmosféry bol veľmi úzky. Keby loď vstúpila do atmosféry pod nedostatočne ostrým uhlom, odrazila by sa od nej a zmizla by v hlbinách vesmíru. Keby naopak vstúpila do atmosféry pod príliš ostrým uhlom, zhorela by v dôsledku nadmerného tepelného namáhania spôsobeného trením o atmosféru.

Príprava veliteľského modulu na zostup

Zatiaľ v riadiacom stredisku vrcholili práce na vývoji postupu, ktorým astronauti pripravia veliteľský modul na zostup atmosférou. Najmä bolo potrebné zaistiť dostatok elektrickej energie na pristátie. Akumulátor veliteľského modulu bol do značnej miery vybitý vo fáze pred oživením lunárneho modulu. Pozemný tím preto vypracoval postup, ako akumulátor dobiť z rozvodnej siete lunárneho modulu. Veliteľský modul nemal byť nikdy počas letu vypnutý. Neexistoval preto postup, ako ho za letu znova oživiť. Jediný existujúci postup oživenia veliteľského modulu sa za normálnych okolností vykonával dlho pred štartom.
Očakávalo sa, že sa podarí akumulátor veliteľského modulu nabiť na 20 až 25%. Bolo preto nevyhnutné s energiou šetriť. Za normálnych okolností sa začínalo oživenie veliteľského modulu zapnutím prístrojov zobrazujúcich namerané údaje, aby sa dalo sledovať ďalší postup oživovania. V tomto prípade sa rozhodlo prístroje zapnúť až nakoniec pred záverečnou kontrolou údajov. Celý postup oživenia preto museli astronauti bezchybne uskutočniť naslepo napriek ich vyčerpaniu spôsobeného zimou, nedostatkom spánku, stresom a pobytom v extrémne malom priestore.

Pristátie

Pred vstupom do atmosféry bol odhodený najprv servisný a potom lunárny modul. Až keď sa veliteľský modul vzdialil od servisného modulu, uvidela posádka rozsah poškodenia servisného modulu. V celej jeho dĺžke chýbal pruh hliníkového plášťa. Trhlina viedla až k hlavnému motoru, takže je pravdepodobné, že bol poškodený a bolo teda dobre, že ho po nehode nezažali.
Stále ešte hrozili dve nebezpečia. Prvá obava vyplývala z možnosti, že výbuch poškodil tepelný štít, ktorý teraz pri prechode atmosférou nesplní svoju funkciu a kabína v atmosfére zhorí. Táto obava padla, keď sa po štvorminútovom výpadku spojenia vo fáze najväčšieho tepelného namáhania kabíny, spôsobeným vrstvou ionizovaného vzduchu v jej okolí, podarilo nadviazať s vracajúcou sa loďou rádiové spojenie. Posledné riziko vychádzalo z možnosti, že zlyhá systém na vypustenie brzdiacich padákov, ktorý mohol byť nefunkčný vplyvom jeho vystavenia extrémne nízkej teplote v tej fáze letu, keď bol vypnutý napájací systém veliteľského a servisného modulu. Našťastie sa ani táto obava nenaplnila a veliteľský modul Apolla 13 pristál dňa 17. apríla 1970 o 18:07:41 UTC po lete trvajúcom 5 dní, 22 hodín, 54 minút a 41 sekúnd na hladinu Tichého oceánu, 540 km juhovýchodne od ostrova Niue, 4,5 km od záchrannej lode USS Iwo Jima.

Príčiny havárie

Z opisu priebehu letu vyplýva, že príčinou nehody bola kyslíková nádrž číslo 2. Vyšetrovanie, ktoré nasledovalo po úspešnom pristátí Apolla 13, zistilo, že k nehode viedlo náhodné zreťazenie niekoľkých udalostí.
Dodávateľom veliteľského a servisného modulu bola spoločnosť North American Rockwell, subdodávateľom kyslíkových nádrží potom spoločnosť Beech Aircraft Corporation. Podľa špecifikácií, ktoré North American Rockwell vydala v roku 1962, malo byť elektrické zariadenie nádrže (najmä vykurovacie telesá s termostatickými regulátormi a motory poháňajúce vrtule na premiešavanie kvapalného paliva) napájané z jednosmernej sústavy veliteľského modulu s napätím 28 V. V roku 1965 vydala North American Rockwell zmenu špecifikácie, podľa ktorej malo byť elektrické zariadenie kyslíkových nádrží v čase, keď sa raketa nachádza na štartovacej rampe, napájané jednosmerným napätím 65 V. To malo skrátiť dobu potrebnú na plnenie a natlakovanie nádrží. Beech Aircraft Corporation objednala termostatické spínače, ktorých účelom bolo regulovať teplotu vo vnútri nádrží, podľa pôvodnej špecifikácie. Do nádrží tak boli montované termostaty navrhnuté pre pôvodné napätie siete 28 V. Táto chyba by sama o sebe haváriu nespôsobila, lebo za normálnych okolností sa vykurovacie telesá zapínali vždy len krátkodobo. Preto predchádzajúce lety lodí Apollo prebehli úspešne, hoci termostaty ich kyslíkových nádrží boli takisto poddimenzované. V prípade Apolla 13 však nasledovali ďalšie udalosti, ktoré v konečnom efekte viedli k havárii.
Kyslíková nádrž číslo 2 Apolla 13 bola pôvodne určená pre let Apolla 10. Počas prípravy letu Apolla 10 však došlo k jej pádu z výšky niekoľkých centimetrov. Do Apolla 10 preto bola pre istotu zabudovaná náhradná nádrž a pôvodná bola odoslaná na inšpekciu. Inšpekcia žiadne poškodenie nádrže nezistila, a tak bola namontovaná do servisného modulu Apolla 13.
Pri náraze však bolo zrejme poškodené plniace/vypúšťacie potrubie vnútri nádrže. To sa prejavilo počas prípravy štartu Apolla 13, keď nebolo možné po skúšobnom naplnení kvapalným kyslíkom nádrž vyprázdniť. Vyprázdnenie sa normálne vykonávalo tak, že sa do nádrže vháňal plynný kyslík, ktorý mal vytlačiť kvapalný kyslík von. Keď sa nedarilo nádrž vyprázdniť, padlo rozhodnutie zapnúť vykurovacie telesá vo vnútri nádrže, a tým napomôcť vyprázdneniu nádrže. Pri dlhodobom zaťažení termostatu napätím 65 V sa však jeho kontakty spiekli a termostat prestal vypínať. Keby v tom čase niekto analyzoval údaje o prúde tečúcom vykurovacím telesom, zistil by, že je neprerušovaný, z čoho by bolo možné vydedukovať, že termostat riadne nefunguje. Termostat mal zabezpečiť, že teplota vo vnútri nádrže nepresiahne asi 27 °C. Jeho porucha však spôsobila, že pri vyprázdňovaní nádrže dosahovala teplota viac ako 500 °C. Tak vysoká teplota poškodila teflonovú izoláciu napájania motorov premiešavacích vrtúľ, takže keď posádka počas letu zapla na pokyn zo Zeme premiešavanie paliva, došlo ku skratu a následnému výbuchu.