¿Por qué Saturno V no se dirigió directamente a la luna?

Creo que puede tener un malentendido que no se aborda en ninguna de las otras respuestas.

Es cierto que la mayor parte del trabajo de un cohete al entrar en órbita es aumentar la velocidad suficiente para alcanzar la velocidad orbital. Pero tienes que acumular aún más velocidad para llegar a la luna. De hecho, mientras se dirigían a la luna, todavía estaban en órbita alrededor de la tierra, solo una órbita muy larga y delgada con un extremo cerca de la tierra y el otro extremo donde la luna realmente orbita. Si la luna no hubiera estado allí, habrían seguido dando vueltas alrededor de la tierra, acelerando a medida que se acercaban y disminuyendo la velocidad a medida que se alejaban.

Así que no se desperdició trabajo. Primero aceleraron lo suficiente para mantener una órbita circular alrededor de la Tierra y dedicaron el tiempo suficiente para asegurarse de que todo estuviera bien. Luego agregaron suficiente velocidad adicional para llegar a la luna. Hacerlo todo de una sola vez no habría ahorrado combustible.

Recomiendo leer las otras respuestas porque explican los beneficios positivos de tener una órbita de estacionamiento inicial; esta respuesta solo explica por qué no es ineficiente. (Editado más tarde para agregar esto).

Ir directamente a la Luna requeriría una ventana de lanzamiento muy pequeña.

La órbita terrestre antes habilitó una ventana de lanzamiento de aproximadamente 3 a 4 horas, vea esta pregunta . El aborto desde una órbita terrestre fue posible cuando el segundo encendido de la tercera etapa del Saturno V falló al usar el motor del Módulo de servicio para iniciar un reingreso.

El tiempo en órbita se utilizó para completar la larga lista de verificación de TLI. Si se hubiera encontrado un mal funcionamiento grave, era posible abortar la TLI (maniobra de inyección translunar).

Hay muy poco que ganar yendo directamente a la Luna y, como ha dicho @Uwe, hace que el momento del lanzamiento sea extremadamente exigente. Permítanme intentar explicar por qué hay muy poco que ganar.

La forma más eficiente de combustible para que un cohete vaya de la Tierra a la Luna es básicamente acelerar lo más cerca posible de la Tierra hasta que se mueva a la velocidad necesaria (que es aproximadamente un 40% más rápida que la velocidad orbital) alejándose de la Tierra y hacia la luna. Luego se desliza, siendo frenado gradualmente por la gravedad de la Tierra hasta que alcanza el punto donde la gravedad de la Luna es lo suficientemente fuerte como para arrastrarlo el resto del camino. Al perder un poco la Luna y usar cohetes para frenar un poco, puede entrar en una órbita alrededor de la Luna. Esto se debe a algo llamado efecto Oberth que se analiza a menudo en este sitio.

Ahora, puede parecer obvio elegir un momento en el que la Luna esté más o menos recta sobre la cabeza y acelerar hacia arriba, pero, como dice @Machavity, esto ignora la útil velocidad adicional que puede obtener de la rotación de la Tierra, lo que significa que en realidad es mejor hacer la mayor parte de la aceleración horizontalmente de oeste a este (también es bueno comenzar lo más cerca posible del ecuador). Una vez que esté haciendo eso, llegará un momento en el que se moverá a velocidad orbital, por lo que si simplemente apaga su cohete en ese punto, estará en la órbita terrestre baja. Luego, espera hasta que su velocidad orbital apunte más o menos a la Luna (en realidad, donde estará en un par de días), vuelve a encender el motor y termina su aceleración.

Esta pregunta parece depender de un malentendido fundamental sobre el espacio, es decir, para ser justos, extremadamente común entre el público en general. Es la idea de que el espacio no tiene gravedad, por lo que las cosas en el espacio no tienen peso.

"¡Pero espera!" tu dices. "He visto videos de astronautas en el espacio y seguro que me parecen ingrávidos". Y tendrías razón, parecen ingrávidos ... pero no lo son. Están en un estado conocido como "caída libre".

Ahora, "caída libre" como término técnico significa que el objeto no tiene ninguna otra fuerza que no sea la gravedad actuando sobre él. Entonces, si disparas un arma directamente hacia arriba, estaría en caída libre desde el momento en que dejó el cañón hasta el momento en que golpeó el suelo (ignorando la resistencia del aire), aunque solo estuvo "cayendo" en el sentido coloquial durante la mitad de ese tiempo Las cosas en caída libre parecen ingrávidas para otras cosas que también están en caída libre, así es como los astronautas pueden flotar alrededor de una nave espacial. De hecho, se ha demostrado que no se puede diferenciar entre la ingravidez real y la caída libre en un campo gravitatorio uniforme*.

Entonces, si intentas un ascenso directo desde la Tierra, estarás luchando contra la gravedad todo el tiempo. Sin embargo, si te inclinas y empujas horizontalmente, puedes aumentar tu velocidad sin tener que luchar contra la gravedad, lo que hace que las órbitas intermedias de estacionamiento sean mucho más eficientes que los ascensos directos**, incluso antes de tener en cuenta cosas como el efecto Oberth .

Usted mencionó que habrían tenido que alcanzar unos 28 000 km/h para entrar en una órbita estable, lo que implica que un ascenso directo sería más lento. Pero eso no es cierto. Sí, tenían que ir tan rápido a la órbita, pero luego tenían que acelerar aún más (alrededor de otros 6000 km/h) para ir lo suficientemente rápido para evitar caer de nuevo a la Tierra, e incluso entonces, solo iban en la vecindad de 3.000 - 5.000 kph cuando llegaron al punto en que la gravedad de la Luna se hizo mayor que la de la Tierra y comenzaron a acelerar de nuevo. Esa es la misma velocidad que tendría que alcanzar un ascenso directo, aunque sin el aumento de eficiencia antes mencionado.

Tenga en cuenta que no soy físico, por lo que probablemente no esté explicando esto muy bien. Estoy usando "luchar contra la gravedad" en un sentido coloquial. Básicamente, la gravedad siempre te empuja hacia abajo, por lo que cualquier combustible que uses para subir se opone a la gravedad. Como caso extremo, imagina un cohete que pesa un total de 100 kg, con un motor que produce 981 N de empuje. Si apunta directamente hacia arriba, el empuje estará perfectamente equilibrado por su peso (ignorando la reducción de masa debido a la quema de combustible), por lo que desperdiciará todo su combustible flotando en un lugar sin ir absolutamente a ninguna parte. Sin embargo, gírelo de lado y, de repente, acelera más rápido que un Ferrari, pasando de 0 a 100 km/h (60 mph) en 2,8 segundos.

Lo mismo sucede en el espacio. Cualquier empuje vertical (por ejemplo, radial hacia fuera (lejos del planeta) oradial (hacia el planeta)) tendrá que superar tanto la inercia como la gravedad de la nave espacial, mientras que el empuje horizontal (progrado (hacia adelante), retrógrado (hacia atrás), normal (izquierda) o antinormal (derecha)) solo tiene que lidiar con el la inercia de la nave espacial, por lo que es más eficiente. Puede ver esto durante un lanzamiento: los cohetes tienen que impulsarse radialmente durante un breve período de tiempo para salir por encima de la parte más espesa de la atmósfera, pero luego se inclinan a una posición horizontal tan pronto como sea razonablemente posible para evitar quemar más combustible. entonces tienen que hacerlo. Las órbitas terrestres bajas son del orden de unos 7,5 km/s, pero las naves espaciales lanzadas desde la superficie suelen tener una capacidad delta-v de 8 a 8,5 km/s, y esa delta-v adicional se pierde por la gravedad durante la breve fase de ascenso vertical. .

Durante las etapas de planificación del programa Apolo, se consideró el ascenso directo como una posible estrategia de lanzamiento. Su beneficio era que sería un plan mucho más simple que preocuparse por una órbita, y estaban en una gran crisis de tiempo. Una de las razones por las que se archivó es que no tenían una instalación lo suficientemente grande como para construir el enorme cohete que requeriría tal plan.

*Tenga en cuenta que el campo gravitatorio de la Tierra no es exactamente uniforme. Por lo tanto, los astronautas sienten una pequeña cantidad de gravedad que cambia en fuerza y ​​dirección dependiendo de dónde se encuentren en la nave. Es por eso que la literatura oficial de la NASA se refiere a "microgravedad" en lugar de "gravedad cero".

** Bueno, técnicamente no tienes que estar en órbita para obtener el aumento de eficiencia. Es el empuje horizontal lo que es importante aquí. Por lo tanto, puede empujar horizontalmente desde la velocidad suborbital hasta la velocidad de escape, sin siquiera alcanzar una "órbita" oficial. Pero detenerse a mitad de camino para verificar que todo funcione y que esté correctamente alineado para la próxima quema del motor es solo una buena ingeniería, como mencionó @jamesqf.

Además de las razones físicas, hay una razón práctica de ingeniería: puede usar el tiempo en la órbita terrestre para verificar los sistemas de su nave espacial para ver si han sido dañados por las tensiones del lanzamiento. Si es así, puedes abortar rápidamente y regresar a la Tierra. Lo mismo ocurre con la órbita lunar: puede verificar el LM antes de comprometerse con una quema de descenso y volver a acoplarse con el CM si hay un problema.

El INS, el sistema de navegación interno, de la época era sensible a la vibración y era probable que la primera etapa del Saturno cinco hiciera rodar todos los giroscopios ICBM excepto los de la marina en la primera etapa. Las dos primeras etapas no son mucho más que una colección de piezas ICBM de la era 1959-1962 bien probadas.

Está bien documentado que la quema de TLA fue calculada y verificada tanto por los mainframes de IBM de la base terrestre como por la legendaria computadora Apollo Command Module (CM). Hubo un paso de calibración de los aclerómetros, la alineación del plano de referencia de los CM que tiene ángulos athmith altos entre las estaciones terrestres y el sistema RCS que debe realizarse en la órbita terrestre porque ese sería el camino a casa autónomo y automatizado en caso de que las comunicaciones por radio desaparecieran. . Hay otras 80 razones para una prueba de órbita terrestre, incluido el ajuste de la tripulación a la ingravidez.

¿Podrían llegar a la órbita de la luna con un interruptor de palanca, un reloj de pulsera, algunas gradaciones grabadas en la ventana y controles manuales de los módulos de servicio, gimbals y RCS? Incluso la calculadora orbital, Buzz dice que NO... encontrar la compensación CQ era simplemente imposible. La NASA empaquetó 2 300 libras adicionales de computadoras y giroscopios y motores de cohetes LM de gran tamaño de 1 vía para evitar hacer eso.

Si alguno de los sextantes de alineación estuviera nublado por alguna extraña emisión de gases, no habría salida de la órbita terrestre, no habría forma de alinear la plataforma para las quemaduras de la órbita lunar donde los sitios de seguimiento apuntaban todos en los mismos 3 grados. Si el CM se filtró al ritmo de una pelota de baloncesto que se desinfla en 3 días, no tiene sentido irse. Si la computadora LEM o las comunicaciones estaban rotas, no hay necesidad de abandonar la órbita. Si los relojes de tiempo real no pudieran ajustarse al acuerdo, no habría acoplamiento lunar después de un aterrizaje. Si alguna de las celdas de combustible se rompía, la misión terminaba.

En la órbita terrestre, casi cualquier radio llamado encendido retrógrado con astronautas viendo el horizonte terrestre llevará a su tripulación a la cubierta de un portaaviones en 3 a 12 horas.

Algunos puntos clave a considerar:

• Cuanto más tiempo esté aplicando empuje contra la gravedad, más combustible necesitará.
• Una órbita es una órbita; las órbitas bajas de la Tierra, la trayectoria de la Luna alrededor de la Tierra (o más correctamente, el baricentro Tierra-Luna), e incluso las transferencias Tierra-Luna o Luna-Tierra son todas órbitas, y posiblemente todas las órbitas de la Tierra. La transferencia Tierra-Luna es un caso especial porque la transferencia Tierra-Luna más conveniente es un escape de la Tierra, pero sigue siendo una órbita solar.
• Cuanto mayor sea su altitud orbital, más energía orbital tendrá, aunque tanto la velocidad angular como la tangencial sean menores. Por lo tanto, la Luna, a pesar de su período de un mes (viaja alrededor de la Tierra a unas 2300 mph) tiene más energía orbital por unidad de masa que un satélite que gira alrededor de la Tierra a 17 000 mph.

Lo que esto significa es que para llegar a la Luna, un cohete debe adquirir más energía cinética de la que necesita para alcanzar una órbita terrestre baja. También significa que alcanzar la velocidad orbital lo más rápido posible minimiza el combustible necesario para hacerlo.

El perfil de vuelo para ir de la Tierra a la Luna es, por lo tanto, una optimización, compensando una serie de factores.

• Supere la atmósfera (o una buena parte de ella) antes de acumular demasiada velocidad para evitar la resistencia aerodinámica y el calentamiento. Vaya demasiado rápido en aire más denso y desperdiciará energía en la resistencia, y corre el riesgo de sobrecalentar partes de la nave espacial.
• Alcance la velocidad orbital lo más rápido posible, dadas las limitaciones en las estructuras y la tolerancia humana a las fuerzas g. Más g significa que tiene que construir más fuerte, lo que agrega peso, y sus ocupantes humanos sufrirán.
• Una vez que esté en al menos una órbita terrestre baja, puede tomar más tiempo y no necesita acumular g para ir más lejos; un propulsor más pequeño hará el trabajo, solo que llevará más tiempo.
• Para llegar a la Luna desde la órbita terrestre baja significa que, como mínimo, debe acelerar hasta lograr una órbita elíptica que tenga un apogeo prácticamente a la distancia orbital de la Luna desde la Tierra. No es exactamente eso (no conozco las matemáticas / física para calcularlo con precisión), pero la velocidad requerida en la altitud LEO será algo muy superior a una velocidad LEO circular; en otras palabras, debe agregar varios miles de mph a su velocidad LEO.

Para resumir:

Alcanzar la velocidad LEO no es un esfuerzo en vano; es:

• Un paso necesario en el camino (todavía hay que ir más rápido)
• Una optimización (minimiza el combustible utilizado)
• Una oportunidad para comprobar que todo está bien antes de pasar al siguiente paso.