11 апреля 1970 г. в 19 ч 13 мин по Гринвичу стартовала ракета-носитель Saturn V и корабль Apollo-13 с экипажем в составе: Джеймс Ловелл (командир корабля), Джон Суайгерт (пилот командного отсека) и Фред Хейс (пилот лунного корабля).

В первоначальный состав экипажа в качестве пилота командного отсека входил Томас Мэттингли. Но за неделю до старта заболел краснухой астронавт Чарльз Дьюк, входивший в состав дублирующего экипажа. Все члены основного экипажа находились в контакте с Ч. Дьюком и при медицинском анализе оказалось, что все астронавты имеют иммунитет, кроме Т. Мэттингли, и возникло опасение, что он может заболеть краснухой в полете. Руководство NASA приняло решение заменить его Д. Суайгертом из дублирующего экипажа.

Экипаж корабля Аполлон-13 после возвращения на
Землю: Фред Хейс, Джеймс Ловелл и Джон Суайгерт.

Д. Ловелл возражал против такого решения и предлагал перенести запуск на 10—11 мая 1970 г., однако руководство NASA не согласилось отсрочить полет, так как это потребовало бы дополнительных расходов в сумме 800 тыс. долл.

В течение двух дней на м. Кеннеди были проведены совместные тренировки Д. Ловелла, Д. Суайгерта и Ф. Хейса, которые показали, что Д. Суайгерт способен эффективно выполнить свои обязанности в составе основного экипажа. После этого директор NASA Т. Пейн с полного согласия командира корабля Д. Ловелла официально включил Д. Суайгерта в состав основного экипажа корабля Apollo-13.

Во многих газетах, по радио и телевидению в США высказывалось мнение людьми, далекими от космической техники, что полеты на Луну становятся обычным делом, полет Apollo-13 это уже пятый пилотируемый полет к Луне и он не вызывает сомнений в надежности.

Программой полета Apollo-13 предусматривалось следующее:

1. Произвести точную посадку лунного корабля на расстоянии 0,5 км от кратера Фра Мауро высотой 122 м в центре лунного диска. С этой целью основной блок должен перевести корабль Apollo на эллиптическую орбиту с высотой над поверхностью Луны в периселении 18 км до расстыковки с лунным кораблем.
2. Исследования Луны в районе посадки; с этой целью отойти от лунного корабля на расстояние 1 км и подняться ла высоту 100 м.
3. Установить иа Луне комплект научного оборудования.
4. Собрать 46 кг различных пород лунного грунта.

Программа была рассчитана на пребывание астронавтов на поверхности Луны вне лунного корабля в течение 8—9 ч; общая продолжительность пребывания на Луне 33,5 ч; основной блок на орбите ИСЛ должен был с! делать 45 оборотов вокруг Луны. Общая продолжительность полета по программе 241 ч.

Начальный вес космической системы Saturn V Apollo-13 был равен 2 953 659,1 кг.

Тяга двигательной установки первой ступени ракеты была увеличена на взлете до 3 443 405,2 кг и перед выключением центрального ЖРД F-1 до 4 083 779 кг. Тяга двигательной установки ступени S-II была увеличена от 418 590 до 527 237кг и средняя тяга двигателя ступени S-IVB была 90 715 кг.

В T0 -1 ч 28 мин перед стартом отказал клапан жидкого кислорода № 2 ступени S-IC.

После нескольких циклов включения и выключения и проливки вокруг клапана его удалось закрыть в T0 -1 ч 21 мин.

Старт и вывод корабля на траекторию полета к Луне

После происшедших во время старта корабля Apollo-12 двух ударов молнии в ракету, были установлены следующие условия, запрещающие старт ракеты Saturn V на Луну если:

1. Номинальная траектория полета ракеты проходит в ливневых и грозовых облаках или в 8 км от штормовой облачности.
2. Холодный фронт простирается выше 3 км.
3. Средняя облачность толще 2000 м и возможно обледенение,
4. Кучевая облачность высотой 3000 м или более.

При старте ракеты-носителя Saturn V с кораблем Apollo-13 метеорологические условия были хорошие, старт произошел в расчетное время.

Ступень S-IC отработала нормально, но наружные ЖРД F-1 выключились на 0,4 сек. раньше. В момент времени T0 +02 мин 46,0 сек произошло зажигание ЖРД J-2 ступени S-II и возникли сильные колебания давления в системе жидкого кислорода одновременно с вибрацией подвески центрального ЖРД. Колебания давления в системе питания жидким кислородом явились причиной падения давления ниже требуемого минимума, возникшая кавитация на входе в кислородный насос снизила к. п. д. насоса и вызвала падение тяги ЖРД, как показало исследование давления в камере сгорания. Падение и колебания тяги явились причиной того, что сработало реле тяги, выключившее двигатель в T0 +05 мин 30,6 сек.

Сильные колебания низкой частоты 14—16 гц были локальными. Датчик на кожухе центрального ЖРД показал ускорение более 20 g, в то время как на командном отсеке было зарегистрировано ~0,1 g. Колебания, возникшие на ракете-носителе Saturn V в полете Apollo-13, превысили все ранее наблюдавшиеся колебания.

После выключения центрального ЖРД J-2S, (на 2 мин 12,4 сек раньше срока) колебания ступени и наружных ЖРД снизились до номинального уровня. Вследствие уменьшения тяги 4 наружных ЖРД J-2S проработали сверх запланированного номинального времени 34,1 сек. В результате в момент выключения наружных ЖРД скорость полета была на 68 м/сек меньше расчетной. Отделение второй ступени произошло на высоте 183,5 км. Двигательная установка ступени S-IVB начала работать в момент времени T0 +09 мин 56,9 сек и работала на 9,2 сек больше расчетного времени, чтобы компенсировать недостающую скорость. Однако, при выключении ступени S-IVB скорость полета все же оставалась меньше расчетной на 0,37 м/сек, и орбита, на которую вышел корабль (185/188 км), оказалась ниже расчетной круговой орбиты высотой 190 км. После выхода на орбиту ожидания был тщательно проанализирован имевшийся запас топлива, так как перерасход топлива ступенью S-IVB был весьма существенным.

Однако оказалось, что топлива достаточно, чтобы вывести корабль Apollo-13 на траекторию полета к Луне.

После 1,5 витков по орбите ожидания в момент времени T0 +02 ч 35 мин 46,4 сек был вторично включен ЖРД ступени S-IVB; он проработал 5 мин 50,7 сек, на 5 сек больше, чем требовалось по параметрам орбиты ожидания. Экипаж доложил о небольшой вибрации, возникшей за 90 сек до выключения ЖРД; управление, навигация и все системы приборного отсека и корабля работали нормально. Корабль Apollo-13 был выведен на траекторию свободного возвращения с начальной скоростью полета к Луне 10 700 м/сек.

Д. Ловелл передал управление кораблем Л. Суайгерту, который осуществил перестроение отсеков и отделение корабля Apollo-13 от ступени S-IVB.

В отличие от предыдущих полетов, в которых ступень S-IVB выводилась на гелиоцентрическую орбиту, в полете Apollo-13 было решено сбросить S-IVB на поверхность Луны в цель диаметром 700 м с центром в восточной части кратера Ландсберг (3° ю. ш., 30° з. д.), в 200 км западнее места посадки Apollo-12. Сейсмический удар заданной силы использовался для тарировки находящихся на Луне пассивных сейсмометров и исследования характера распространения сейсмических волн в поверхностном слое Луны.

После запуска ЖРД РСУ для осуществления маневра отклонения орбиты S-IVB от траектории полета Apollo-13 через 21 мин был произведен сброс остатков жидкого кислорода через ЖРД ступени S-IVB. Первый запуск ЖРД РСУ для направления S-IVB в цель на поверхности Луны был произведен на 11 мин 2 сек раньше запланированного времени, скорость возросла на 8,5 м/сек. Анализ траектории полета показал, что удар произойдет в точке с координатами 6° 53′ ю. ш., 30° 53′ з. д., поэтому вторая коррекция не потребовалась. Перед ударом ступень S-IVB двигалась по траектории с углом наклона к горизонту Луны 80° и со скоростью 2,68 км/сек, обладая энергией 5,3×10¹⁷ эрг, эквивалентной взрыву 11,5 т тринитротолуола.

12 апреля в момент времени T0 +11 ч 41 мин должна была состояться первая коррекция, но так как траектория полета Apollo-13 была близка к расчетной, от коррекции отказались. В T0 +24 ч 42 мин корабль находился на расстоянии от Земли приблизительно 300 тыс. км.

13 апреля в момент времени T0 +30 ч 41 мин с помощью ЖРД служебного отсека, включенного на 3,4 сек, был произведен маневр перехода Apollo-13 с траектории свободного возвращения на гибридную траекторию. Утром 13 апреля, находившийся на связи в Центре управления полетом астронавт В. Бранд, сообщил экипажу, что курс корабля весьма точен и по достижении окрестностей Луны корабль должен выйти на минимальное расстояние 114 км над поверхностью обратной стороны Луны. В момент времени T0 +37 ч начался запланированный отдых экипажа продолжительностью около 10 ч.

Авария

Центр управления полетом решил провести незапланированную проверку баллонов с гелием системы подачи топлива в лунном корабле, так как за 4 сут до старта при испытаниях обнаружилось, что баллоны с гелием нагреваются быстрее, чем это следует при нормальном процессе. 14 апреля в T0 +54 ч 47 мин Ф. Хейс произвел в лунном корабле проверку баллонов с гелием и установил, что давление и температура в них близки к нормальным. Вскоре после возвращения астронавта в командный отсек произошел взрыв бака с кислородом в служебном отсеке. Впоследствии аварийной комиссией было установлено, что в момент времени T0+55 ч 55 мин взорвался кислородный бак № 2, взрыв повредил и бак № 1, в результате вытек почти весь кислород, предназначавшийся для топливных элементов и создания в кабине командного отсека кислородной атмосферы.

В T0+55 ч 58 мин пилот командного отсека Д. Суайгерт сообщил в Центр управления полетом, что полностью упало напряжение в электромагистрали В, снабжавшей электроэнергией системы и оборудование основного блока. Центр управления полетом дал указание экипажу свести расход электроэнергии к минимуму. Вскоре стало падать напряжение и в электромагистрали А и система электроснабжения основного блока полностью вышла из строя. Экипаж доложил, что давление в кислородном баке № 2 равно нулю, а в баке № 1 продолжает падать. В момент времени T0 +56 ч 47 мин давление в кислородном баке № 1 упало до уровня ниже 50% от нормального.

Это означало, что система жизнеобеспечения командного отсека сможет обеспечить жизнь экипажа только в течение 15 мин.

Астронавты срочно записали все главные параметры на компьютере в журнал полёта и полностью его выключили. Д. Ловелл и Ф. Хейс перешли в лунный корабль, включили энергетическую установку и систему жизнеобеспечения экипажа в лунном корабле. Д. Суайгерту, оставшемуся в командном отсеке, кислород подавался из лунного корабля через переходной туннель.

В T0 +58 ч 07 мин руководство NASA приняло решение об отказе от посадки Apollo-13 на Луну и аварийном возвращении на Землю после облета Луны. И через 30 мин это решение было объявлено официально. В T0 +58 ч 22 мин представители заявили, что для ускорения полета Apollo-13 по траектории возвращения к Земле в T0 +79 ч 30 мин будет произведена коррекция траектории не с помощью ЖРД служебного отсека, который работать не может, а с помощью двигательной установки посадочной ступени лунного корабля, но она была рассчитана всего на одно длительное включение.

Возвращение на Землю

14 апреля в 8 часов 42 минуты 43 секунды двигатель посадочной ступени лунного модуля был включён на 34 секунды для первой коррекции траектории. Однако, этой коррекции оказалось недостаточно, так как расчёты показали, что аппарат вышел на такую траекторию полёта, которая закончится посадкой в Индийском океане около острова Мадагаскар, где не было поисково-спасательных средств США (пять кораблей и 47 самолётов, выделенных для спасения астронавтов, были сосредоточены только в Тихом океане и в северной части Атлантики). Полет по такой траектории был нежелателен ещё и потому, что занимал относительно много времени и ресурсов лунного модуля могло не хватить.

Центром управления полётом было принято решение об ещё одной коррекции траектории корабля. 15 апреля, в 2 часа 40 минут 31 секунду (по Гринвичу), была подана команда на включение двигателя на 4 минуты 23 секунды. Коррекция траектории прошла успешно, но через некоторое время уточнённые расчёты показали, что корабль пройдёт мимо Земли на расстоянии примерно 165 километров и выйдет на орбиту с высотой апогея несколько сот тысяч километров. Полёт по ней занял бы слишком много времени, и астронавты неизбежно погибли бы. Нужно было в третий раз включать двигатель для ещё одной коррекции.

В 5 часов 30 минут содержание углекислого газа в атмосфере лунной кабины повысилось до опасной для жизни астронавтов величины. Патроны поглотителя углекислого газа не были рассчитаны на столь длительную работу. Было принято решение подключить поглотители, расположенные в отсеке экипажа командного модуля. Однако в этом отсеке нельзя было включить вентилятор, направлявший на поглотители потоки воздуха, поскольку это уменьшило бы и без того скудные запасы энергии. Центром управления полётом рассматривались различные варианты, велись эксперименты. Наконец, выход был найден, и о нём сообщили экипажу. Астронавты отсоединили от своих скафандров два шланга. Один из них они протянули от вентиляторов в лунной кабине к входу поглотителя в отсеке экипажа, а второй — от выхода поглотителя в лунную кабину. Для крепления шлангов к поглотителю в ход пошли пластмассовые мешочки из-под пищи и липкая лента. Это оригинальное и весьма изобретательное решение дало положительный эффект — содержание углекислого газа стало быстро уменьшаться и достигло вполне приемлемых величин.

В 23 часа 10 минут появился сигнал о перегреве одной из химических батарей. На Земле немедленно провели моделирование ситуации, но тревога оказалась ложной — батарея работала нормально, из строя вышел температурный датчик.

Газ, истекавший из двигательного отсека, закручивал корабль и затруднял наведение на Землю остронаправленной антенны. Связь с кораблём резко ухудшилась. По распоряжению руководства NASA, был включён в работу американский радиотелескоп, расположенный в Паркса (Австралия). 16 апреля, незадолго до третьей коррекции траектории, повысилось давление в одном из баллонов с гелием. В результате сработал предохранительный клапан, и выходящий газ стал закручивать корабль с довольно большой скоростью. Правда, запасов гелия было достаточно, чтобы обеспечить запуск двигателя для коррекции, но вращение затрудняло её проведение.

Недостаток энергии на борту привёл к нарушению теплового режима. Поскольку электрообогреватели включать было нельзя, температура в кабине начала падать и достигла 11 °C. Экипаж, лишённый жизненного пространства, не имел возможности двигаться и стал замерзать. Астронавтам казалось, что в кабине холоднее, чем это было на самом деле. Они передали на Землю, что температура на корабле составляет всего 2—4 °С.

16 апреля в 4 часа 31 минуту 28 секунд двигатель лунного модуля был включён ещё на 14 секунд — была проведена третья коррекция траектории. Однако, измерения показали, что угол входа аппарата в атмосферу Земли имеет допустимые пределы, но не оптимален. Требовалась ещё одна, четвёртая по счету коррекция. Но на этот раз Центр управления полётом принял решение воспользоваться двигателями системы ориентации лунного модуля, с помощью которых можно было немного изменять угол входа корабля в атмосферу. Четвёртая коррекция была проведена 17 апреля в 12 часов 52 минуты 51 секунду и прошла успешно. Двигатели ориентации отработали 22 секунды. Расчёты показали, что корабль приводнится в приемлемом районе. К этому времени на Земле инженеры разработали способ получения источника энергии для запуска в действие бортового компьютера и всех систем спускаемого модуля корабля (или командного отсека). Для этого использовали источник электроэнергии ступени лунного корабля. После некоторого периода перед спуском лунный модуль был отстыкован. На кораблях Аполлон нет намного более безопасной, но менее мощной энергосистемы на солнечных элементах (как, например, на «Союзе»). Взорвавшийся кислородный баллон электроэнергетической системы вырабатывал электричество и кислород для жизнеобеспечения астронавтов в кислородо-водородных топливных элементах, включаемых однократно.

После этого экипажу предстояло провести ещё несколько ответственных операций, в частности, выполнить отстыковку двигательного отсека от корабля. Если бы не авария, то эта операция была бы вполне заурядной, но в сложившихся условиях были опасения, что могли быть повреждены пиротехнические устройства, служившие для разрыва связей между двигательным отсеком и отсеком экипажа. Кроме того, двигательный отсек после его отделения обычно уводился с помощью вспомогательных двигателей, которыми теперь также нельзя было воспользоваться. Наконец, освобождённый от двигательного отсека корабль, представлявший собой нерасчётную связку отсека экипажа и лунной кабины, мог оказаться неустойчивой в динамическом отношении системой, стабилизация которой могла вызвать серьёзные трудности.

Схема входа в атмосферу корабля Аполлон-13

После отработки различных вариантов на Земле было принято решение развернуть корабль на 45 градусов по отношению к направлению своего движения. Затем с помощью двигателей системы ориентации лунного модуля сообщить импульс по оси корабля так, чтобы он начал перемещаться вперёд двигательным отсеком. После этого необходимо было осуществить подрыв пиротехнических устройств, и с помощью двигателей системы ориентации корабля придать ему импульс в противоположном направлении. Корабль и двигательный отсек в результате разойдутся в разные стороны. Несмотря на сложность процедуры, в 13 часов 14 минут 48 секунд двигательный отсек благополучно был отделён от корабля. В 13 часов 28 минут после увода отсека астронавты получили возможность его рассмотреть и сфотографировать.

Картина была ужасающей — целая панель корпуса длиной около четырёх метров и шириной свыше полутора метров оказалась вырванной взрывом, было повреждено сопло маршевого двигателя, у остронаправленной антенны образовалась своего рода свалка повреждённого оборудования. Служебный отсек был полностью выведен из строя взрывом. Жилой отсек корабля не пострадал.

Следующей операцией было отделение от отсека экипажа лунной кабины. Эта процедура также была нештатной. Однако она была благополучно проведена по схеме, аналогичной отделению двигательного отсека в 16 часов 43 минуты. На тот момент в кабине оставалось всего около 20 килограммов воды и 15 килограммов кислорода. На период посадки ряд стран, в том числе СССР, Англия и Франция, объявили радиомолчание на рабочих частотах экипажа.

17 апреля в 17 часов 53 минуты 45 секунд отсек экипажа Apollo-13 вошёл в земную атмосферу, а в 18 часов 07 минут 41 секунду благополучно приводнился в 7,5 километрах от УДК «Иводзима». Все члены экипажа Apollo-13 были спасены и доставлены самолётом в Гонолулу на Гавайские острова. Астронавты и наземные службы Хьюстона за проявленное мужество и исключительно высокопрофессиональную работу были награждены высшей гражданской наградой США — «Медалью свободы».

Результаты расследования аварии

В 1962 году головной по командному модулю кораблей серии Apollo фирмой North American Aviation (позже — North American Rockwell) при изменении технического задания на изготовление кислородных бачков для двигательных отсеков, выданного субподрядчику фирме Beech Aircraft, не была предусмотрена модификация термостатов, изначально рассчитанных на напряжение 28 вольт, под стандартное для наземного оборудования стартового комплекса напряжение в 65 вольт. Это несоответствие не было замечено ни специалистами обеих фирм, ни NASA.

В октябре 1968 года кислородный бачок №2 для двигательного отсека корабля Apollo-13 на заводе фирмы North American Rockwell уронили с небольшой высоты (примерно 5 см.) и при этом видимо произошло повреждение продувочного штуцера. Этот факт не был доведён до сведения лиц, ответственных за предстартовую подготовку.

27 марта 1970 года, за две недели до старта, во время репетиции запуска, в бачки был залит жидкий кислород. После испытаний жидкий кислород должен быть вытеснен из бачков сжатым воздухом, подаваемым через продувочный штуцер. Из бачка №2, вследствие упомянутого повреждения штуцера, вытеснить кислород не удалось. Тогда решили включить нагреватели в бачке, с тем чтобы газифицировать кислород, а газ стравить из бачка. К нагревателям подвели ток напряжением 65 вольт. По достижении определённой температуры контакты начали размыкаться, и в этот момент между ними возникла электрическая дуга, которая вызвала сварку контактов, замкнув их. Термостаты перестали выполнять свою роль и температура в бачке (о чём операторы не подозревали) достигла величины, при которой произошло отслоение изоляции на проводах, ведущих к вентиляторам, перемешивающим кислород в бачке.

На третьи сутки полёта корабля Apollo-13 при включении вентиляторов произошло короткое замыкание оголённых проводов, от искры в кислородной атмосфере произошло возгорание тефлоновой изоляции бачка. Пламя по изоляции достигло головной части бачка, где в него входит жгут проводов. Загорелась изоляция этих проводов, в результате чего было выжжено отверстие, куда устремился кислород под высоким давлением. Газ сорвал панель отделения 4 двигательного отсека и повредил кислородный бачок №1.

Затраты на модификацию корабля Apollo-14 с целью предотвращения возможности аналогичной аварии составили около пятнадцати миллионов долларов. Полет доказал исключительно высокую способность корабля компенсировать отказ одного элемента передачей его функций другим. Функции многих систем основного отсека Apollo-13 после взрыва взяли на себя системы лунного корабля.