Apollo 14: Era possibile allunare senza radar?

Come è noto, durante la missione Apollo 14, tra i problemi che Shepard e Mitchell incontrarono nel corso della discesa sulla superficie lunare, ci fu un’apparente avaria del radar di atterraggio. Il dispositivo generalmente entrava in funzione ad un’altezza di 10.000 metri ed era ritenuto vitale dai tecnici della missione; in sua assenza il computer avrebbe potuto contare solo sui dati ricavati dalla sua posizione orbitale, non abbastanza precisi per un’operazione delicata come l’allunaggio. Proprio per questo una delle Regole della Missione, imponeva di annullare la discesa, nel caso il radar non fosse entrato in azione entro i 4.000 metri. Mentre il LM Antares si stava pericolosamente avviciando a tale limite, da Huston escogitarono una soluzione altamente “tecnologica”: spegnere e riaccendere l’interruttore del radar. Il reset funzionò: dopo poco il radar iniziò a fare il suo lavoro, conducendo gli astronauti ad uno dei più precisi allunaggi della storia.

La soluzione del problema-radar diede sicuramente un grande sollievo agli occupanti del LM; alcuni giorni dopo la missione, durante il Technical Debrief, il comandante diceva ancora, con trasporto: “Non rigrazierò mai abbastanza il personale di terra per quell’indicazione”. Eppure nella sua ultima intervista (chi non l’ha ancora letta può trovarla qui: http://www.forumastronautico.it/index.php?topic=23864.0) Shepard dichiarò, un po’ sfrontatamente, che avrebbe portato a termine l’atterraggio, anche senza radar.

La battuta non può essere archiviata appellandosi semplicemente alla indubbia spavalderia degli astronauti della prima generazione, anche perché trova conferma nel racconto del suo copilota. In The Way of the Explorer Mitchell, pur smentendo il dialogo riferito da Al, ricorda che, a causa del problema con il pulsante di abort incontrato in precedenza, stavano procedendo in modalità di abort manuale, non automatico:

Per annullare l'allunaggio avremmo dovuto, come primo passo, girarci in avanti [in quella fase della discesa il LM procedeva coricato, con le zampe in avanti], e lì davanti a noi ci sarebbe stato il sito di atterraggio, proprio come l'avevamo visto durante le simulazioni. Il computer di guida era efficiente anche senza radar di atterraggio. Senza dubbio, avremmo proceduto.

Avebbero proceduto verso quale esito? Era possibile allunare senza il radar?

La questione ha vari aspetti e non vorrei, per ora, toccare il problema della possibilità da parte degli astronauti di infrangere le Regole della Missione e delle conseguenze professionali di una simile scelta. Mi interessa anzitutto capire la questione dal punto di vista tecnico. Era tecnicamente possibile allunare senza radar?

Evidentemente non sono il primo che si interroga su questo punto, perché ho trovato, il medesimo quesito sul forum di collectSPACE, in un post di ben 8 anni fa. Gli intraprendenti membri di quel forum non si sono limitati a speculare (molti interventi sottolineano tra le altre cose la seria difficoltà di valutare visivamente le distanze in assenza di atmosfera), ma hanno adirittura interpellato gli astronauti. Qualcuno aveva già scritto al medesimo Mitchell che, nella sua email di risposta, oltre ad affermare cose simili a quelle che abbimo già citato, aggiungeva:

Se ciò fosse successo [ovvero: se avessimo raddrizzato il LM come richiesto dalla manovra di abort], avremmo osservato il sito di atterraggio e il [i]Cone Crater[/i] esattamente dove avrebbe dovuto essere. Eravamo nell'esatta traiettoria e il radar di atterraggio, quando finalmente si è attivato, non ha cambiato per niente il nostro vettore di stato [ossia le informazioni relative alla posizione del veicolo]. Non c'era dubbio, allora o adesso, che avremmo proceduto all'atterraggio. Non ne avremmo nemmeno discusso. D'altra parte non c'erano alte montagne vicino al nostro sito e sulla nostra traiettoria; relativamente ad Apollo14 l'intera questione era più accademica che reale, il che non sarebbe stato per i voli successivi su un terreno più elevato.

Un altro l’ha chiesto personalmente a John Young [grazie, Vittorio, per la precisazione], secondo il quale era sufficiente l’indicazione visiva offerta dall’ombra del LM:

Non c'era davvero bisogno dell'indicazione dell'altitudine da parte del radar per atterrare, bastava guardare l'ombra che veniva giù verso di te e potevi valutare quanto eri veloce, e, siccome le gambe erano ampie 10 metri, potevi vedere quanto grandi erano i crateri.

Ma, a bassa quota, la polvere lunare sollevata dal motore non avrebbe reso impossibile la discesa a vista, creando uno “schermo” tra il pilota e la superficie? Questo poteva probabilmente essere un problema, ma, nel caso di Apollo 14, il luogo dell’atterraggio presentava condizioni favorevoli, come testimonia lo stesso Shepard:

Credo che abbiamo avuto meno problemi con la polvere delle precedenti missioni. Penso che sia perché [...] la superficie dell'area in cui siamo atterrati era meno polverosa, a parte la polvere intorno al bordo dei crateri. L'area generale sembrava avere meno polvere e non abbiamo certamente avuto alcun problema con la polvere al momento del contatto finale. [...] La polvere era evidente, ma si potevano vedere le rocce anche attraverso la polvere.

E allora? Se tutte queste testimonianze convergono in una stessa direzione, non mi spiego affermazioni di tutt’altro tenore che ho trovato in vari altri luoghi. Ad esempio sulla Wikipedia inglese, alla voce Apollo 14 si trova, putroppo senza nessuna fonte citata a supporto:

Mitchell ritiene [e noi sappiamo che lo diceva anche Alan] che Shepard avrebbe continuato con il tentativo di atterraggio, senza il radar, utilizzando il sistema di guida inerziale del LM e i riferimenti visivi. Ma un esame post-volo dei dati della discesa ha mostrato che il solo sistema inerziale sarebbe stato inadeguato e che gli astronauti, probabilmente, sarebbero stati costretti ad annullare l'atterraggio mentre si avvicinavano alla superficie.

Ben più grave è trovare quanto segue in quella che per me su Apollo è una “bibbia”:

Molti si sono chiesti se [Shepard] avrebbe tentato un atterraggio senza il radar. I più credono che se ci avesse provato, i ristretti margini di carburante lo avrebbero costretto ad annullare la manovra un po' più in basso.

Anche qui non è dato di sapere chi siano “i molti” e chi siano “i più”.

Mi appello perciò al forum. Che cosa pensare? Verrebbe spontaneo fidarsi degli astronauti, ma perché voci anche autorevoli dicono il contrario?
Qualcuno, tecnicamente più preparato di me (non ci vuol molto) è in grado di dimostrare perché, violando le Mission Rules, i due di Antares sarebbero andati incontro ad un abort posticipato, finendo il carburante? Perché Mitchell dice che il vettore di stato era perfetto e altri sostiene che il sistema di guida inerziale era inadeguato?
C’è tra noi chi mi sa indicare dove trovare spiegazioni (non solo affermazioni) in merito?

Ringrazio anticipatamente chiunque vorrà contribuire a chiarirmi questo “mistero”. Magari mi risparmio di scrivere a Woods…

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Per chi volesse approfondire, il post di collectSPACE citato è questo: http://www.collectspace.com/ubb/Forum29/HTML/000812.html
Il Technical Debrief e le Mission Rules sono sul sito dell’Apollo 14 Lunar Surface Journal: http://history.nasa.gov/alsj/a14/a14.html
L’articolo di Wikipedia è questo: https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_14

Il simulatore di LM Eagle Lander 3D non include Apollo 14 e 16 negli scenari di missione, altrimenti forse sarebbe possibile farsi un’idea della manovra in varie condizioni.

Domani faccio qualche prova con orbiter, simula abbastanza fedelmente le condizioni e le traiettorie delle varie missioni

Piccolo insignificante appunto:

John Young fece una sola discesa lunare, fu Cernan l’unico che la fece due volte (di cui una volutamente abortita, quella di Apollo 10); Young era Pilota del Modulo di Comando su Apollo 10 e di conseguenza non si mosse dalla capsula.
Riguardo allunare senza radar credo che Shepard ci avrebbe sicuramente provato. Se poi ci sarebbe riuscito oppure no è un altro discorso, in quanto le variabili mi sembra fossero tantissime.

Per l’atterraggio a vista sulla Terra ci si regola con la dimensione delle case, delle auto, delle persone… ma se non ci sono riferimenti e c’é molto riverbero, penso che il disorientamento possa essere molto. Sicuramente un buon indicatore é l’ombra, e poi, a poca distanza dal suolo, la polvere che si solleva.
Ma qui si pone anche il problema dell’utilizzo ottimale del poco carburante a disposizione, perché non puoi scendere più lentamente o avere troppe incertezze

Grazie, Vittorio, per la correzione.

Anch’io sono sicuro che Shepard ci avrebbe provato e non darei per scontata la riuscita. Non comprendo invece molto bene le ragioni di chi invece considera pressoché inevitabile il fallimento, a fronte delle affermazioni degli astronauti.

Di certo sarebbe stata una manovra molto difficile, l’equipaggio avrebbe incontrato grandissime difficoltà a calcolare l’altezza e la velocità del lm ad occhio nudo, ammesso che i sistemi di bordo divenissero così inaffidabili…
Ripeto: non sarebbe stata una manovra impossibile a mano, ci voleva solo un bel ‘manico’. Se non sbaglio faceva parte del l’addestramento degli astronauti atterrare completamente ad occhio, giusto?

A parte gli aspetti tecnici credo che, nella prima missione di ritorno al volo dopo l’incidente di Apollo 13, il problema più grande sarebbe stato quello disciplinare se l’equipaggio avesse voluto tentare la manovra.

Una precisazione tecnica: qui parliamo di un radar-altimetro, che forniva la quota (con approssimazione di qualche metro) e probabilmente un dato di velocità orizzontale (ricavato per doppler). La specifica di funzionamento a 10.000 m e comunque almeno a 4.000 m ha a che fare con l’incognita della riflettività delle rocce lunari alla frequenza del radar in quella zona. Dato per scontato che negli ultimi metri la discesa era pilotata manualmente, bisognava sicuramente stimare quota e velocità per mantenere un profilo corretto di discesa. La piattaforma inerziale in questo caso è troppo imprecisa, perchè non può essere stata calibrata sulla superfice; immagino che potesse avere un errore di centinaia di metri. Detto tutto questo… non so dire se la stima ad occhio delle distanze potesse essere abbastanza accurata.

mi inserisco ricordando che l’amico Paolo Attivissimo, sull’onda del grande successo con le precedenti missioni lunari Apollo 11,12 e 13 sta preparando il blog APOLLO 14 TIMELINE… e sono sicuro che di questo episodio di importanza vitale per la missione che ha visto il ritorno dell’ uomo sulla Luna ne sapremo presto molto di più!

Ho provato a simulare l’imprevisto con orbiter. L’opinione che mi sono fatto? Era impossibile che gli astronauti alla quota di 4 km potessero stimare la loro velocità osservando il suolo.
In particolare: il LM fino ad una quota di 2 km infatti aveva un pitch ancora troppo alto perche gli astronauti potessero fisicamente vedere il suolo.
Nella prima immagine che ho allegato il LM è ad una altezza di 3.8KM, e come potete vedere è impossibile vedere il suolo, la seconda immagine mostra il momento in cui gli astronauti si riescono a vedere il terreno, siamo però ad un altitudine di 1.8 km… Ormai la piattaforma inerziale dovrevve essere diventata inutile da un pezzo…
Ovviamente la mia è una simulazione, quindi non conosco il grado di affibilità reale, quindi ho confrontato il mio risultato con quello di quest’altra simulazione, ben più autorevole:http://www.braeunig.us/apollo/LM-descent.htm
Nella penultima tabella potete vedere l’angolo di beccheggio del modulo vs i secondi passati dall’avvio della PDI. Nella mia simulazione la PDI era cominciata a GET 108:03:03, nello screen il GET è 108:11:45, sono quindi 552 secondi; la tabella riporta che a PDI+552 il pitch era di 61.1° appunto insufficiente per osservare il suolo lunare.
Cosa ne pensate?

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Bella l’idea del simulatore. Per chi ha qualche dubbio sulla sua attendibilità, allego un’immagine tratta dal Press Kit di Apollo 14, dove si vede che Antares sarebbe dovuto arrivare all’ High gate, ossia il punto in cui si effettuava il pitch over e iniziava la visibility phase della discesa, ad un’altezza di 7602 piedi, ossia circa 2,3 Km; considerato il tempo necessario per effettuare la manovra, il LM non doveva trovarsi ad un’altezza molto diversa da quella indicata da DDD, nel momento in cui gli astronauti poterono riconoscere il Cone Crater.

E’ vero però che il pitch iniziale era di 57° (almeno nell’ultima fase) e consentiva di vedere uno spicchio di superficie, come si nota in questo video che inizia proprio quando viene raggiunto l’ High gate. Al pitch over si sente l’entusiasmo dell’equipaggio che vede davanti agli occhi esattamente la scena che si aspettava di vedere.

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ossia circa 2,3 Km; considerato il tempo necessario per effettuare la manovra, il LM non doveva trovarsi ad un'altezza molto diversa da quella indicata da DDD, nel momento in cui gli astronauti poterono riconoscere il Cone Crater.

calcola pure che da quando ho realizzato che dal LM si vedeva il terreno, a quando ho pensato che sarebbe stato utile prendere uno screen, a quando poi lo ho effettivamente preso sono passati dei secondi... :ok_hand: Non ho la reattività di un astronauta :stuck_out_tongue_winking_eye: Conta però che quel video è preso da una telecamera posta alla sommità del finestrino e punta verso il basso, non credo che gli astronauti, nella tuta per di più, avessero la stessa visibilità... appena ho tempo faccio qualche calcolo.

EDIT
Ok, ho provato a ripetere la simulazione , stavolta ho preso lo screen da una posizione che secondo il manuale simula la vera visuale degli astronauti, dettata da limiti anatomici e funzionali; il risultato lo vedete tutti: si vede una sottile striscia del suolo lunare, che tuttavia , personalmente, ritengo insufficiente per valutare la velocità, perché essendo molto vicina all’orizzonte appare quasi ferma, come quando si sta andando a velocità sostenuta in macchina, gli oggetti più lontani sembrano immobili. Il pitch nello screen è di 52°. Si ha una visuale decente solo a più o meno 2km, in corrispondenza del Pitch over, come detto precedentemente.

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Strano che ci sia un così grande differenza tra la luminosità del suolo lunare nel filmato e nella simulazione (visto che è così accurata da ricostruire l’angolo visuale dei piloti).

Comunque, mi sembra di capire che, in assenza di un dato più sicuro sull’altitudine offerto dal radar, i due astronauti non avrebbero potuto proseguire “alla cieca” fino all’ High gate, ma, superati i 4km, avrebbero dovuto “girarsi” per vedere dove si trovavano. Il che, tra l’altro, era l’operazione che dovevano comunque fare per abortire la discesa, come testimonia Mitchell. Dopo questo pitch over anticipato avrebbero potuto constatare di essere sulla giusta traiettoria e rischiare di andare avanti.

Immagino però che tale operazione non sarebbe avvenuta senza un certo spreco di carburante. In altri termini, ma vado a naso, alzare l’ High gate al doppio del previsto (o giù di lì) potrebbe aver avuto delle conseguenze serie in termini di cosumo, visto la diversa direzione spinta propulsiva (mi sembra di aver letto da qualche parte che la traiettoria più “economica” sarebbe stata quella il cui il LM fosse rimasto “coricato” fin quasi sulla superificie). Quindi, anche a prescindere da incertezze nella fase finale, dovute alla difficoltà di valutare ad occhio la distanza del terreno, Shepard e Mitchell potevano forse rischiare di rimanere “a secco” anche prima.

DDD, non so se Orbiter consenta di simulare realisticamente anche i consumi. Si può provare a verificare l’impatto di una variazione dell’altezza dell’High gate?

Giocando al Moon Lander di Windows :P, il massimo risparmio di carburante c’é venendo giù veloce, e stabilizzando il LEM all’ultimo secondo. Puoi anche prima annullare tutta la componente orizzontale e poi solo in seguito quella verticale così da avere visibilità dal finestrino, però devi comunque venire giù veloce e rallentare solo all’ultimo. Perciò se non sai a che altezza sei, come fai?

]DDD, non so se Orbiter consenta di simulare realisticamente anche i consumi. Si può provare a verificare l'impatto di una variazione dell'altezza dell'High gate?

Ovviamente orbiter simula anche le variazioni dovute al carburante, ma se alterassi la traiettoria sarei costretto ad eseguire l’atterraggio completamente a mano

EDIT
Ho tentato con il pitchover a quota 4km il risultato: carburante rimasto 8%, velocità al momento dell’atterraggio <1m/s però ho superato il sito di allunaggio di 6.8km, ho dovuto usare gli RCS per compensare l’elevato angolo del motore rispetto il vettore di velocità; non so quanto ne è rimasto per il rendezvous…

Segnalo un “parere autorevole” sulla questione che ho trovato nell’autobiografia di Gene Kranz (ho un’edizione epub, quindi non posso indicare la pagina ma solo il capitolo):

Nella fase finale dell'atterraggio, il computer del LM aveva bisogno di dati più precisi di quelli forniti dal Controllo Missione. L'errore tra i dati di altitudine forniti da terra e la vera altitudine fornita dal radar del LM sarebbe potuto essere di diverse migliaia di piedi [1000 piedi = circa 300 metri] . [...] Atterrare senza un dato sicuro sull'altezza sarebbe stato peggio che atterrare su una portaerei in mezzo all'oceano in una notte buia; non c'era buon modo per stimare l'altezza. Il carburante per l'atterraggio del LM era limitato, di conseguenza un approccio "a tentoni" lo avrebbe esaurito prima dell'atterraggio, costringendo l'equipaggio ad interrompere la manovra, accendendo il motore di risalita a bassa quota. Non bella come situazione.

[…] Su Apollo 14 l’errore nella conoscenza della quota reale da parte del computer del LM prima dell’aggiornamento dei dati del radar di atterraggio era di quasi 1,2 km. Con un errore così grande, Griffin e la “Trincea” [ossia la squadra dei controllori che si occupava della dinamica del volo] erano convinti Shepard sarebbe rimasto a corto di carburante prima di atterrare. Ma tutti sapevano che Al è sempre stato sicuro che ci avrebbe provato. Anche noi siamo sempre stati sicuri che avrebbe dovuto abortire. La disponibiltà di carburante era troppo piccola.

Mi pare che Kranz contraddica in pieno quanto sostenuto da Mitchell secondo il quale il radar non avrebbe corretto in modo significativo il loro “vettore di stato”.

1,2 km è un errore plausibile per la piattaforma inerziale dopo centinaia di km di viaggio, ed effettivamente mi pare una bella correzione!

Dire che questa testimonianza chiude definitivamente la situazione.

un’ ulteriore dimostrazione di quanto furono eccezionali e irripetibili le missioni Apollo.