Mieczysław Bekker - pionier budowy pojazdów do badania Księżyca

Opracowanie: dr inż. Krzysztof Lewandowski

Ze Strzyżowa do Santa Barbara

Mieczysław Jerzy Bekker, urodzony 25 maja 1905 roku w Strzyżowie, zmarł 8 stycznia 1989 roku w Santa Barbara. Swoją naukę zaczął w szkole podstawowej, a potem Gimnazjum im. Tadeusza Kościuszki w Koninie, gdzie zdał maturę w 1924 roku.

Potem, w latach 1929–1931 odbył służbę wojskową w Szkole Podchorążych Saperów w Modlinie. Skończył ją przeniesieniem do rezerwy w stopniu podporucznika. Następnie rozpoczął studia techniczne na Politechnice Warszawskiej, a potem związał się z ośrodkami badawczymi Wojska Polskiego, między innymi Wojskowym Instytutem Badań Inżynierii (WIBI) w Warszawie, oraz Dowództwem Broni Pancernej. W chwili wybuchu II wojny światowej został zmobilizowany i został ewakuowany do Rumunii, a z niej do nieokupowanej części Francji, skąd w 1942 roku przedostał się do Kanady, gdzie pracował w Biurze Badań Broni Pancernej. W 1956 roku przeniósł się do USA, gdzie szybko dostrzeżono jego kwalifikacje i objął posadę profesora University of Michigan, a także został dyrektorem Instytutu Badań koncernu samochodowego General Motors w Santa Barbara.

Program Apollo

Jego właściwa kariera związana z księżycem zaczęła się z chwilą, kiedy koncern General Motors przystąpił do konkursu na opracowanie załogowego pojazdu księżycowego w ramach programu Apollo. Program Apollo został zainicjowany słowami prezydenta USA Johna Kennedy’ego 25 maja 1961 roku w trakcie wystąpienia w Kongresie: „Jestem przekonany, że nasz naród powinien postawić sobie za cel, aby do końca tego dziesięciolecia umieścić człowieka na Księżycu i sprowadzić go bezpiecznie z powrotem na Ziemię”.

Rok później podczas innego wystąpienia na Rice University, Houston, 12 września 1962 roku prezydent John Kennedy powiedział: „Zdecydowaliśmy się w ciągu nadchodzących dziesięciu lat polecieć na Księżyc i dokonać innych rzeczy nie dlatego, że są łatwe, ale właśnie dlatego, że są trudne, a przez to zmuszą nas do lepszej organizacji i wykorzystania wszystkich naszych umiejętności […]”.

Wtedy też nowo powstała agencja NASA postawiła wymagania dla pojazdu załogowego do przewidywanej długotrwałej misji Apollo 18-20 na księżyc. Wymagano między innymi zapewnienie dwutygodniowego pobytu dwuosobowej załogi i przebycie co najmniej 320–400 km po powierzchni Księżyca. W tym celu opracowano programy STEM (Stay Time Excursion Module – Postojowy Zespół Wyprawowy), ALSS (Apollo Lunar Support System – Księżycowy System Podtrzymujący Apollo) oraz LESA (Lunar Exploration System for Apollo – Księżycowy system Badawczy dla Apollo). Były to komponenty długotrwałego pobytu człowieka na księżycu

Pojazdy księżycowe

Podstawowym środkiem lokomocji miał być hermetyczny pojazd załogowy. Firma General Motors opracowała go w dwóch wariantach dwu- i trzyosiowego. Nazwano go MOLAB (Mobile Lunar Laboratory – Ruchome Laboratorium Księżycowe). 

Dwuosiowy pojazd MOLAB miał mieć masę całkowitą 2700 kg, przewidywane zasilanie stanowiłyby tlenowo wodorowe ogniwa paliwowe o mocy całkowitej 700–800W. Walcowa kabina dla załogi byłaby hermetyczna z atmosferą tlenową o ciśnieniu 0,5 atm., miała mieć długość 3,8 m. i średnicę 2,2 m. Była ona mocowana do sztywnej aluminiowej ramy o długości 5 m, i szerokości 2,4 m. Przymocowano do niej zespoły zawieszenia 4 kół, każde o średnicy 2 m i szerokości 0,38 m. Przewidywana prędkość maksymalna miała wynosić ok. 20km/h. Przeprowadzone testy modelu wykazały niedostateczną zdolność do pokonywania przeszkód terenowych – tzw. mobilność. Dlatego też rozpoczęto prace nad całkowicie nowatorską konstrukcją. Pojazdem o ramie elastycznej.

Pojazd ten miał mieć długość całkowitą 6,15 m, szerokość całkowitą 3,175 m, wysokość całkowitą 2,8 m, prześwit 0,61 m. Walcowa kabina załogi, o wymiarach: długość3,2 m, średnica 2,1 m, była mocowana do przedniej części pojazdu ze sztywną ramą. Do niej zamocowano pierwszą i drugą, środkową oś kół. Trzecią oś kół połączono z przednią częścią pojazdu, dzięki płaskiej wiązce elastycznych prętów, wraz ze specjalnym gniazdem pozwalającym na skręt osi tylnej i tłumikiem jej skrętu względem kabiny. Osie kół przednich i środkowych miały zawieszenie z równoległych poprzecznych wahaczy. Oś tylnych kół miała zawieszenie poprzecznego drążka skrętnego z tłumikami skrętu lekkiej płaskiej ramy określającej powierzchnię ładunkową. Tam był zainstalowany układ zasilania pojazdu. To rozwiązanie dało możliwość osiągania wysokiej mobilności, tj. przekraczania terenu. Pojazd ten mógł pokonać przeszkodę pionową o wysokości dwóch średnic koła(!). Miał o 20–30% mniejsze zapotrzebowanie energetyczne na ruch po trudnym terenie od podobnego pojazdu trójosiowego o ramie sztywnej z tym samym rozstawem kół i zawieszeniem. Przy odpowiednim obciążeniu ładunkiem modułów ta elastyczna konstrukcja ramy sprzyjała równomiernemu rozkładowi nacisków na koła. W celu testów zbudowano pełnowymiarową ramę, jaka miała być nosicielem hermetycznej kabiny dla lunonautów, jak i zespołu systemu zasilającego.

Koła pojazdu MOLAB miały średnicę 1,524 m. i szerokość 0,381 m. Masa własna ramy wynosiła ok. 1700 kg. Przewidywane zasilanie stanowiłyby tlenowo wodorowe ogniwa paliwowe. Każde koło miało mieć indywidualny zespół napędowy silnikiem elektrycznym o mocy 3KM (2,21kW). Prędkość maksymalną przewidywano na ok. 16 km/h. W planie było zastosowanie do zasilania najżywotniejszych systemów w pojeździe, nowo opracowanych w latach 60. XX wieku, radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, RTG. Są to specjalne urządzenia, w których rozpad izotopu promieniotwórczego wydziela ciepło, a ono poprzez termopary zamieniane jest na energię elektryczną.

Jednakże zwiększenie zaangażowania armii USA podczas wojny w Wietnamie wymusiła redukcję nakładów finansowych na program Apollo i NASA zmieniła warunki. Ograniczono liczbę lotów programu Apollo do 17. Stąd potrzebny był pojazd niehermetyczny. NASA narzuciła także zakaz zmian w opracowanym lądowniku księżycowym LM i wysoki limit masy całkowitej pojazdu LRV. Ogłoszono konkurs, który wygrał zespół firmy General Motors, z Mieczysławem Bekkerem na czele. Ogółem na księżycu wykorzystano 3 pojazdy LRV, od misji Apollo 15 do misji Apollo 17.

Pojazd LRV miał długość 3,1 m, wysokość 1,14 m, rozstaw kół 1,83 m, napęd stanowiły cztery silniki elektryczne zblokowane z przekładniami falowymi, umieszczone w piastach kół, moc każdego z silników wynosiła 0,25KM (0,18kW). Zasilanie zapewniały 2 srebrno-cynkowe akumulatory po 36 V każdy. Miały one przewidywany czas pracy 78 h, zapewniający zasięg 65 km. Przy masie całkowitej pojazdu LRV wynosiła 692,1 kg, w warunkach księżycowych – 115,35 kg, przewidywane rozłożenie mas wynosiło: masa własna pojazdu – 212 kg; astronauci – 365 kg, wyposażenie naukowe – 19 kg, aparaty foto – 15,9 kg, ładunek gruntu – 27,2 kg, aparatura radiowa i nawigacyjna – 53 kg.

Pojazd był wykorzystywany tylko do krótkich wycieczek po powierzchni Księżyca. To w ostatniej misji Apollo17, pokonano najdłuższą trasę (36,1 km), uzyskano największą prędkość (17,9 km/h) i wjechano na najbardziej strome zbocze (25˚).

Koła pojazdu LRV miały bardzo dobre charakterystyki interakcji z podłożem. Dobrze rozkładały ciężar, dzięki czemu zachodziło małe odkształcanie podłoża oraz głębokość osiadania w nim.

Obserwacja wykazała, że decydującym czynnikiem był rodzaj terenu, u podnóża kraterów, osiadanie było największe, zaś na tzw. płaskich powierzchniach obszarów mórz księżycowych było najmniejsze. Koła miały także inne warunki powstawania poślizgu, który wahał się pomiędzy 10% a 20%. Podczas misji Apollo 16 odnotowano największy, osiągnął wówczas 40%. Interesujące było to, że zapotrzebowanie energetyczne do jazdy, w trakcie misji Apollo 15, było o 10% mniejsze niż obliczono przed misją. Tym bardziej, że przed pierwszym lądowaniem pojazdem LRV na księżycu jedynym źródłem o mechanice gruntu księżyca były próbki gruntu przywiezione w misjach Apollo 11–14. Stwierdzono występowanie w nim tzw. sferuli, czyli sferalnych cząstek szkliwa. Powodowały one powstawanie dużego poślizgu wewnętrznego w gruncie, a tym samym poślizgu zewnętrznego, utrudniającego poruszanie się po nim pojazdu.

Terramechanika

Terramechanika to analiza wszystkich składowych systemu pojazd-teren, pozwalającego opracować koncepcję pojazdu, najoptymalniej dostosowanego do warunków użytkowania (warunki ruchu, warunki gruntowe, zakres zmian temperatur w środowisku pracy, oddziaływanie promieniowania kosmicznego, lokalne zmienności przyciągania grawitacyjnego ze względu na maskony, odpowiedni dobór materiałów konstrukcyjnych, zapewnienie hermetyczności i termoizolacji aparatury elektronicznej na pojeździe itp.) oraz do stawianych zadań celu misji.

Te zagadnienia prof. Bekker rozpatrywał jeszcze przed II wojną światową, kiedy wykładał na Politechnice Warszawskiej. Wykazał, że są to wzajemne oddziaływania pojazdu z terenem, dla którego najważniejsze są warunki ruchu oraz zadania pojazdu. Związał je z koncepcją pojazdu, na którą się składa kształt, wielkość, ciężar i rodzaj napędu. Ta koncepcja interakcji była na wskroś nowoczesna. Do dziś znajduje zastosowanie przy projektowaniu pojazdów do poruszania się po powierzchni innych ciał niebieskich.

Tym samym prof. Bekker opracował nowatorskie naukowe podejścia do konstruowania pojazdów przeznaczonych do poruszania się po innych ciałach niebieskich poza Ziemią. Warto wiedzieć, że te badania wykorzystywano do projektowania pojazdu Sojourner. który w 1997 roku lądował na Marsie. Podobne wnioski można wyciągnąć, analizując konstrukcję pojazdu Marsochod z byłego ZSRR, który miał polecieć na planetę Mars.

 

Materiały źródłowe:

AS, Przystanek Księżyc, Rozmowa z dr. Robertem Zubrinem, inżynierem lotniczym i astronautycznym pracującym w firmach Martin Marietta Astronautics i Lockheed Martin, założycielem Mars Society i Pioneer Astronautics, autorem wielu wynalazków z zakresu inżynierii kosmicznej, pisarzem, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Przystanek Nauka, 18.07.2019, https://przystaneknauka.us.edu.pl/artykul/przystanek-ksiezyc, 17 sierpnia 2022 r.

Bekker M.B., W poszukiwaniu mechaniki stosowanej do lokomocji po bezdrożach w układzie pojazd-teren, Santa Barbara 1979.

Bekker M.G., Off-Road Locomotion on the Moon and on Earth, “Journal of Terramechanics” 1966, vol. 3, No. 3, s. 83–91.

Bekker M.G., Introduction to Terrian-Vehicle Systems, Michigan 1969,

Degroot G., Byle nie wyorbitować, „The Daily Telegraph”, tłum. „Forum” 11 kwietnia 2011.

Lipski J., Podbój kosmosu trwa, Warszawa 1993.

Marks A., Znowu na Księżyc, Warszawa 1999.

National Aeronautics and Space Administration. Apollo 15. Preliminary Science Report. NASA SP-289, Washington D.C. 1972.

Nowak T., Mieczysław Bekker. Z Konina do NASA, http://akcjakonin.pl/mieczyslaw-bekker-z-konina-do-nasa/ (dostęp 17.08.2022 r.).

Nowicki J., Roverem po Księżycu. Polak z General Motors w NASA, Warszawa 1991, s. 6–10.

Wicher. J., Z nadwiślańskich bezdroży na Księżyc, „Astronautyka” 1991, nr 5–6.

Wierzbowski J., Samochody księżycowe, „Skrzydlata Polska” 6 czerwca 1971.