Módulo lunar Apolo

En julio de 1962, once empresas fueron invitadas a presentar propuestas para el LEM. Nueve empresas respondieron en septiembre, contestando 20 preguntas planteadas por la RFP de la NASA en una propuesta técnica limitada de 60 páginas. Grumman obtuvo el contrato oficialmente el 7 de noviembre de 1962. ^{[ 12 ]} Grumman había comenzado estudios de encuentro en órbita lunar a finales de la década de 1950 y nuevamente en 1961. Se esperaba que el costo del contrato fuera de alrededor de $350  millones. ^{[ 13 ]} Inicialmente hubo cuatro subcontratistas principales: Bell Aerosystems ( motor de ascenso ), Hamilton Standard ( sistemas de control ambiental ), Marquardt ( sistema de control de reacción ) y Rocketdyne ( motor de descenso ). ^{[ 14 ]}

El Sistema Primario de Guía, Navegación y Control (PGNCS) fue desarrollado por el Laboratorio de Instrumentación del MIT ; la computadora de guía del Apolo fue fabricada por Raytheon (un sistema de guía similar se utiliza en el módulo de mando ). Una herramienta de navegación de respaldo, el Sistema de Guía de Aborto (AGS), fue desarrollada por TRW . El tren de aterrizaje fue fabricado por Héroux . ^{[ 15 ]}

El módulo lunar Apolo fue ensamblado en una fábrica de Grumman en Bethpage, Nueva York . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

El Módulo Lunar Apolo fue diseñado principalmente por el ingeniero aeroespacial de Grumman, Thomas J. Kelly . ^{[ 18 ]} El primer diseño del LEM parecía una versión más pequeña del módulo de mando y servicio Apolo (una cabina cónica sobre una sección de propulsión cilíndrica) con patas plegables. El segundo diseño evocó la idea de una cabina de helicóptero con grandes ventanas curvas y asientos para mejorar la visibilidad de los astronautas durante el vuelo estacionario y el aterrizaje. Esto también incluía un segundo puerto de acoplamiento delantero, lo que permitía a la tripulación del LEM participar activamente en el acoplamiento con el CSM.

A medida que avanzaba el programa, se realizaron numerosos rediseños para ahorrar peso, mejorar la seguridad y solucionar problemas. Lo primero que se eliminó fueron las pesadas ventanas de la cabina y los asientos; los astronautas volarían de pie durante el LEM, sostenidos por un sistema de cables y poleas, con ventanas triangulares más pequeñas que les proporcionaban suficiente visibilidad del lugar de aterrizaje. Posteriormente, se eliminó el puerto de acoplamiento delantero redundante, lo que significó que el piloto al mando cedió el control activo del acoplamiento al piloto del módulo de mando; aún podía ver el CSM aproximándose a través de una pequeña ventana superior. La salida con los voluminosos trajes espaciales para actividades extravehiculares se facilitó mediante una escotilla delantera más sencilla ( 810 mm × 810 mm ) .      

La configuración se definió en abril de 1963, cuando se decidieron los diseños de los motores de ascenso y descenso. Además de Rocketdyne, en julio de 1963 se encargó a Space Technology Laboratories (TRW) un programa paralelo para el motor de descenso ^{[ 19 ]} , y en enero de 1965 se canceló el contrato con Rocketdyne.

Inicialmente, la energía se iba a producir mediante pilas de combustible construidas por Pratt and Whitney, similares a las del CSM, pero en marzo de 1965 se descartaron en favor de un diseño totalmente basado en baterías. ^{[ 20 ]}

El diseño inicial tenía tres patas de aterrizaje, la configuración más ligera posible. Pero como cada pata tendría que soportar el peso del vehículo si aterrizaba con un ángulo significativo, esta también era la configuración menos estable si una de las patas se dañaba durante el aterrizaje. La siguiente iteración del diseño del tren de aterrizaje tenía cinco patas y era la configuración más estable para aterrizar en un terreno desconocido. Sin embargo, esa configuración era demasiado pesada y los diseñadores optaron por cuatro patas de aterrizaje. ^{[ 21 ]}

En junio de 1966, el nombre se cambió a Módulo Lunar (LM), eliminando la palabra excursión . ^{[ 22 ] [ 23 ]} Según George Low , director de la Oficina del Programa de Naves Espaciales Apolo, esto se debió a que la NASA temía que la palabra excursión pudiera darle un toque frívolo al programa Apolo. ^{[ 24 ]} A pesar del cambio de nombre, los astronautas y demás personal de la NASA y Grumman continuaron pronunciando la abreviatura como ( / l ɛ m / ) en lugar de las letras "LM".

Comparando el alunizaje con "una operación de vuelo estacionario", Gus Grissom dijo en 1963 que, aunque la mayoría de los primeros astronautas eran pilotos de caza, "ahora nos preguntamos si el piloto que realice este primer alunizaje no debería ser un piloto de helicóptero altamente experimentado". ^{[ 25 ]} Para permitir que los astronautas aprendieran las técnicas de alunizaje, la NASA contrató a Bell Aerosystems en 1964 para construir el Vehículo de Investigación de Aterrizaje Lunar (LLRV), que utilizaba un motor a reacción vertical montado sobre cardán para contrarrestar cinco sextos de su peso y simular la gravedad lunar, además de sus propios propulsores de peróxido de hidrógeno para simular el motor de descenso y el control de actitud del LM. Las pruebas exitosas de dos prototipos del LLRV en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden llevaron en 1966 a la producción de tres Vehículos de Entrenamiento de Aterrizaje Lunar (LLTV) que, junto con los LLRV, se utilizaron para entrenar a los astronautas en el Centro de Naves Espaciales Tripuladas de Houston. Esta aeronave resultó bastante peligrosa de volar, ya que tres de las cinco se destruyeron en accidentes. Estaba equipado con un asiento eyectable propulsado por cohete, por lo que en todos los casos el piloto sobrevivió, incluido el primer hombre en caminar sobre la Luna, Neil Armstrong . ^{[ 26 ]}

El LM-1 se construyó para realizar el primer vuelo no tripulado de prueba de sistemas de propulsión, lanzado a la órbita terrestre baja a bordo de un cohete Saturno IB . Originalmente, estaba previsto para abril de 1967, seguido del primer vuelo tripulado ese mismo año. Los problemas de desarrollo del LM se habían subestimado, y el vuelo del LM-1 se retrasó hasta el 22 de enero de 1968, como Apolo 5. En ese momento, el LM-2 se mantuvo en reserva en caso de que el vuelo del LM-1 fallara, lo cual no ocurrió.

El LM-3 se convirtió en el primer módulo lunar tripulado, nuevamente en ser lanzado a una órbita terrestre baja para probar todos los sistemas y practicar la separación, el encuentro y el acoplamiento planeados para el Apolo 8 en diciembre de 1968. Nuevamente, problemas de último minuto retrasaron su vuelo hasta el Apolo 9 el 3 de marzo de 1969. Se había planeado un segundo vuelo de práctica tripulado a una órbita terrestre más alta después del LM-3, pero este fue cancelado para mantener el cronograma del programa. El Apolo 10 se lanzó el 18 de mayo de 1969, utilizando el LM-4 para un "ensayo general" para el alunizaje, practicando todas las fases de la misión excepto el inicio del descenso propulsado hasta el despegue. El LM descendió a 47 400 pies (9,0 millas; 14,4 km) sobre la superficie lunar, luego se deshizo de la etapa de descenso y usó su motor de ascenso para regresar al CSM. ^{[ 27 ]}  

El primer alunizaje tripulado tuvo lugar el 20 de julio de 1969, a bordo del módulo lunar Eagle del Apolo 11. Cuatro días después, la tripulación del Apolo 11, en el módulo de mando Columbia , amerizó en el océano Pacífico, cumpliendo así el objetivo del presidente John F. Kennedy : «...antes de que termine esta década, llevar a un hombre a la Luna y traerlo de vuelta a la Tierra sano y salvo».

A esto le siguieron los alunizajes del Apolo 12 (LM-6 Intrepid ) y del Apolo 14 (LM-8 Antares ). En abril de 1970, el LM-7 Aquarius del Apolo 13 salvó la vida de los tres astronautas después de que un tanque de oxígeno en el módulo de servicio se rompiera, inhabilitando el CSM. Aquarius sirvió como "bote salvavidas" para los astronautas durante su regreso a la Tierra. Su motor de la etapa de descenso ^{[ 19 ]} se utilizó para reemplazar el motor averiado del Sistema de Propulsión de Servicio del CSM, ^{[ 28 ]} y sus baterías suministraron energía para el viaje de regreso y recargaron las baterías del Módulo de Comando, cruciales para la reentrada. Los astronautas amerizaron sanos y salvos en el Océano Pacífico Sur el 17 de abril de 1970. Los sistemas del módulo lunar, diseñados para soportar a dos astronautas durante 45 horas (incluidos dos ciclos de despresurización y represurización, que provocan la pérdida de oxígeno), en realidad se extendieron para soportar a tres astronautas durante 90 horas (sin ciclos de presurización ni pérdida de oxígeno). ^{[ 29 ]}

En las últimas cuatro misiones de alunizaje, se maximizaron los tiempos de vuelo estacionario utilizando el motor del Módulo de Servicio para realizar la maniobra inicial de inserción en órbita de descenso 22 horas antes de que el LM se separara del CSM, una práctica iniciada en el Apolo 14. Esto significaba que la nave espacial completa, incluido el CSM, orbitaba la Luna con un perilunio de 9,1 millas náuticas (16,9 km) , lo que permitía al LM iniciar su descenso propulsado desde esa altitud con una carga completa de propulsor de la etapa de descenso, dejando más propulsor de reserva para la aproximación final. El CSM elevaba entonces su perilunio de nuevo a las 60 millas náuticas (110 km) normales . ^{[ 30 ]}  

El Módulo Lunar Extendido (ELM) utilizado en las últimas tres misiones de la clase J —Apolo 15 , 16 y 17— fue mejorado. El empuje del motor de descenso se incrementó mediante la adición de una extensión de 250 mm (10 pulgadas ) a la tobera del motor , y los tanques de propulsor de descenso se ampliaron. Se añadió un tanque de almacenamiento de residuos a la etapa de descenso, con tuberías provenientes de la etapa de ascenso. Estas mejoras permitieron estancias de hasta 75 horas en la Luna. ^{[ 31 ]} El Vehículo Lunar Roving se plegaba y se transportaba en el Cuadrante 1 de la etapa de descenso. Fue desplegado por los astronautas después del alunizaje. ^{[ 31 ]} 

La etapa de ascenso albergaba la cabina de la tripulación con paneles de instrumentos y controles de vuelo. Contaba con su propio motor del sistema de propulsión de ascenso (APS) y dos tanques de propulsor hipergólico para el regreso a la órbita lunar y el acoplamiento con el módulo de mando y servicio Apolo . También incluía un sistema de control de reacción (RCS) para el control de actitud y traslación , compuesto por dieciséis propulsores hipergólicos similares a los utilizados en el módulo de servicio, montados en cuatro grupos cuádruples, con su propio suministro de propulsor. Una escotilla de actividades extravehiculares delantera proporcionaba acceso a la superficie lunar, mientras que una escotilla superior y un puerto de acoplamiento permitían el acceso al módulo de mando.

El equipamiento interno incluía un sistema de control ambiental (soporte vital); un sistema de comunicaciones de muy alta frecuencia (VHF) con dos antenas para la comunicación con el Módulo de Comando; un sistema unificado de banda S y una antena parabólica orientable para la comunicación con la Tierra; una antena de actividad extravehicular con forma de sombrilla en miniatura que retransmitía las comunicaciones de las antenas de los Sistemas Portátiles de Soporte Vital de los astronautas a través del Módulo Lunar; sistemas de guiado y navegación primario (PGNCS) y de respaldo (AGS) ; un Telescopio Óptico de Alineación para determinar visualmente la orientación de la nave espacial; un radar de encuentro con su propia antena parabólica orientable; y un sistema de control térmico activo. Las baterías de almacenamiento eléctrico, el agua de refrigeración y el oxígeno para respirar se almacenaron en cantidades suficientes para una estancia en la superficie lunar de 48 horas inicialmente, que se extendió a 75 horas para las misiones posteriores.

Durante los períodos de descanso, mientras estaban estacionados en la Luna, la tripulación dormía en hamacas colgadas a través de la cabina. ^{[ 32 ]} La carga útil de regreso incluía las muestras de roca y suelo lunares recolectadas por la tripulación (hasta 238 libras (108 kg) en el Apolo 17), además de su película fotográfica expuesta . 

• Tripulación: 2
• Volumen de la cabina de la tripulación: 235 pies ³ (6,7 m ³ )  
• Volumen habitable: 160 pies ³ (4,5 m ³ )  
• Altura del compartimento de la tripulación: 2,34 m ( 7 pies 8 pulgadas )   
• Profundidad del compartimento de la tripulación: 3 pies 6 pulgadas (1,07 m)   
• Altura: 2,832 m ( 9 pies 3,5 pulgadas )   
• Ancho: 4,29 m ( 14 pies 1 pulgada )   
• Profundidad: 4,04 m ( 13 pies 3 pulgadas )   
• Masa en seco: 4740 lb (2150 kg)  
• Masa bruta: 10.300 lb (4.700 kg)  
• Atmósfera: 100 % de oxígeno a 4,8 psi (33 kPa)  
• Agua: dos tanques de almacenamiento de 19,3 kg ( 42,5 lb)  
• Refrigerante: 11 kg (25 libras) de solución de etilenglicol /agua 
• Control térmico: un sublimador de hielo de agua activo
• Masa de propulsor RCS: 633 lb (287 kg)  
• Propulsores RCS: Dieciséis × 100 lbf (440 N) en cuatro cuadrupolares  
• Propelentes RCS: Combustible Aerozine 50 / Oxidante tetróxido de dinitrógeno ( _{N₂O₄ )}
• Impulso específico de RCS : 290 s (2,8 km/s)  
• Masa de propulsor del sistema APS: 2353 kg (5187 lb) almacenada en dos tanques de propulsor de 1,02 m³ (36 pies cúbicos ⁾ .   
• Motor APS: Motor Bell Aerospace LM Ascent (LMAE) e inyectores Rocketdyne LMAE
• Empuje del APS: 3500 lbf (16 000 N)  
• Propelentes APS: Combustible Aerozine 50 / Oxidante de tetróxido de dinitrógeno
• Presurizante APS: Dos tanques de helio de 2,9 kg (6,4 lb) a 21 MPa (3000 libras por pulgada cuadrada).   
• Impulso específico del APS : 311 s (3,05 km/s)  
• delta-V del APS : 7280 pies/s (2220 m/s)  
• Relación empuje-peso en el despegue: 2,124 (en gravedad lunar)
• Baterías: Dos baterías de plata-zinc de 28–32 voltios y 296 amperios-hora ; 57 kg (125 lb) cada una.  
• Alimentación: 28 V CC, 115 V CA 400  Hz

La función principal de la etapa de descenso era facilitar el aterrizaje propulsado y las actividades extravehiculares en la superficie. Una vez finalizada la excursión, servía como plataforma de lanzamiento para la etapa de ascenso. Su forma octogonal se apoyaba en cuatro patas de tren de aterrizaje plegables y albergaba un motor del Sistema de Propulsión de Descenso (DPS) regulable con cuatro depósitos de propulsor hipergólico . Una antena de radar Doppler de onda continua, montada junto al escudo térmico del motor en la superficie inferior, enviaba datos de altitud y velocidad de descenso al sistema de guiado y a la pantalla del piloto durante el aterrizaje.

Casi todas las superficies externas, excepto la parte superior, la plataforma, la escalera, el motor de descenso y el escudo térmico, estaban cubiertas con mantas de lámina Kapton aluminizada de color ámbar, ámbar oscuro (rojizo), negro, plateado y amarillo para aislamiento térmico . La pata de aterrizaje número 1 (delantera) tenía una plataforma adjunta (conocida informalmente como el "porche") delante de la escotilla de actividad extravehicular de la etapa de ascenso y una escalera, que los astronautas usaban para subir y bajar entre la cabina y la superficie. La plataforma de aterrizaje de cada pata incorporaba una sonda de sensor de contacto de superficie de 67 pulgadas de largo (1,7 m) , que indicaba al comandante que apagara el motor de descenso. La sonda se omitió de la pata número 1 de cada misión de aterrizaje, para evitar un riesgo de perforación del traje para los astronautas, ya que las sondas tendían a romperse y sobresalir hacia arriba de la superficie. Para la suspensión, cada pata incorporaba un amortiguador de panal de aluminio que se deformaba en el impacto; Los aterrizajes reales fueron más suaves de lo previsto, utilizando menos del rango de compresión y dejando la escalera acoplada a la pierna a mayor altura de la superficie de lo previsto. 

El equipo para la exploración lunar se transportaba en el conjunto modular de almacenamiento de equipo (MESA), un cajón montado en un panel abatible que se desplegaba desde el compartimento delantero izquierdo. Además de las herramientas de excavación de la superficie y las cajas de recolección de muestras del astronauta, el MESA contenía una cámara de televisión con trípode; ^{[ 33 ] [ 34 ]} cuando el comandante abría el MESA tirando de un cordón mientras descendía por la escalera, la cámara se activaba automáticamente para enviar las primeras imágenes de los astronautas en la superficie a la Tierra. ^{[ 34 ]} Una bandera de los Estados Unidos para que los astronautas la izaran en la superficie se transportaba en un contenedor montado en la escalera de cada misión de aterrizaje.

El paquete de experimentos de superficie del Apolo temprano ^{[ 35 ]} (más tarde el paquete de experimentos de superficie lunar del Apolo ) se transportaba en el compartimento opuesto detrás del LM. Un compartimento externo en el panel frontal derecho contenía una antena desplegable de banda S que, al abrirse, parecía un paraguas invertido sobre un trípode. Esta no se utilizó en el primer alunizaje debido a las limitaciones de tiempo y al hecho de que las comunicaciones se recibían mediante la antena de banda S del LM, pero se utilizó en el Apolo 12 y 14. ^{[ 36 ]} Un transportador de equipo modular (MET) tirado a mano , similar en apariencia a un carrito de golf, se transportó en el Apolo 14 para facilitar el transporte de las herramientas y muestras en caminatas lunares prolongadas. ^{[ 37 ]} En las misiones extendidas ( Apolo 15 y posteriores), la antena y la cámara de TV se montaron en el vehículo lunar roving , que se transportaba plegado y montado en un panel externo. ^{[ 38 ]} Los compartimentos también contenían baterías de repuesto del Sistema Portátil de Soporte Vital (PLSS) y cartuchos adicionales de hidróxido de litio para purgar el dióxido de carbono del LM. ^{[ 39 ]}

• Altura: 3,231 m ( 10 pies 7,2 pulgadas ) (más sondas de aterrizaje de 1,707 m ( 5 pies 7,2 pulgadas))      
• Ancho/profundidad, sin tren de aterrizaje: 4,22 m ( 13 pies 10 pulgadas )   
• Ancho/profundidad con el tren de aterrizaje extendido: 31,0 pies (9,4 m)  
• Masa incluyendo el propulsor: 22.783 lb (10.334 kg)  
• Agua: un tanque de almacenamiento de 151 kg (333 lb)  
• Masa de propelente DPS: 18 000 lb (8200 kg) almacenada en cuatro tanques de propelente de 67,3 pies cúbicos (1,906 m³ ⁾ .   
• Motor DPS: Motor de descenso TRW LM (LMDE) ^{[ 40 ] [ 19 ]}
• Empuje del DPS: 10.125 lbf (45.040 N) , regulable entre el 10 % y el 60 % del empuje máximo.  
• Propelentes DPS: Combustible Aerozine 50 / oxidante de tetróxido de nitrógeno
• Presurizador DPS: un tanque de helio supercrítico de 22 kg (49 libras) a 10,72 MPa (1555 psi ).   
• Impulso específico del DPS : 311 s (3050 N×s/kg)
• delta-V del DPS : 8100 pies/s (2500 m/s)  
• Baterías: cuatro (Apolo 9–14) o cinco (Apolo 15–17) baterías de plata-zinc de 28–32 V y 415 Ah ; 61 kg cada una .  

Una de las aplicaciones propuestas para el programa Apolo consistía en un telescopio solar orbital construido a partir de un módulo lunar excedente, al que se le había sustituido el motor de descenso por un telescopio controlado desde la cabina de la etapa de ascenso, se le habían retirado las patas de aterrizaje y se le habían añadido cuatro paneles solares tipo "molino de viento" que se extendían desde los cuadrantes de la etapa de descenso. Este telescopio se habría lanzado a bordo de un Saturno IB no tripulado y se habría acoplado a un módulo de mando y servicio tripulado , denominado Misión Telescópica Apolo (ATM).

Esta idea se transfirió posteriormente al diseño original del taller húmedo para el taller orbital Skylab y se renombró como Montura del Telescopio Apolo para acoplarse en un puerto lateral del adaptador de acoplamiento múltiple (MDA) del taller. ^{[ 63 ]} Cuando Skylab cambió a un diseño de "taller seco" prefabricado en tierra y lanzado en un Saturno V, el telescopio se montó en un brazo articulado y se controló desde el interior del MDA. ^{[ 63 ]} Solo se conservaron la forma octogonal del contenedor del telescopio, los paneles solares y el nombre de Montura del Telescopio Apolo, aunque ya no había ninguna asociación con el LM. ^{[ 64 ]}

El subsistema de telemetría del soporte del telescopio Apollo incluía dos transmisores de telemetría VHF del vehículo de lanzamiento Apollo Saturn IB . ^{[ 64 ]} Un instrumento acoplado al Skylab era un telescopio diseñado para fotografiar el disco solar en rayos X. El espejo de imagen es un prototipo fabricado en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall en 1967. ^{[ 65 ]}

El Camión LM del Apolo (también conocido como Módulo de Carga Lunar) era una etapa de descenso independiente del LM diseñada para entregar hasta 5,0 toneladas (11 000 libras) de carga útil a la Luna para un alunizaje no tripulado. ^{[ 66 ]} Esta técnica tenía como objetivo entregar equipo y suministros a una base lunar tripulada permanente . Como se propuso originalmente, se lanzaría en un Saturno V con una tripulación completa del Apolo para acompañarlo a la órbita lunar y guiarlo a un aterrizaje junto a la base; luego, la tripulación de la base descargaría el "camión" mientras la tripulación en órbita regresaba a la Tierra. ^{[ 67 ]} En planes posteriores del AAP, el LPM habría sido entregado por un vehículo de transporte lunar no tripulado. ^{[ 68 ]} 

• Simulación procedimental 3D del módulo de aterrizaje lunar Perilune
• Juego de simulación de aterrizaje del módulo lunar en 2D en línea Lander
• Juego de simulación de aterrizaje del módulo lunar Easy Lander 3D