Il modulo lunare Apollo o LEM (Lunar Excursion Module)La designazione del modulo lunare Apollo fu semplificata da Lunar Excursion Module (LEM) ad Apollo Lunar Module (LM), ma nel corso del Programma fu comunque pronunciato "Lem". o LM (Lunar Module)L'acronimo LM sostituisce il LEM nel 1968 poiché i dirigenti NASA ritenevano che il termine Excursion (Escursione) mal rappresentasse la portata del progetto lunare. è il lander della navicella spaziale Apollo utilizzato nell'ambito del programma Apollo della NASA per trasportare gli astronauti sulla superficie della Luna. Il suo compito era quello di far atterrare sulla Luna due dei tre membri dell'equipaggio della navicella con attrezzature scientifiche, permettendo loro di restarvi per oltre 75 ore prima di decollare e ricongiungersi con il modulo di comando e di servizio (CSM) rimasto in orbita lunare e incaricato di riportare l'equipaggio sulla Terra.
Quando nel 1961 il presidente John Fitzgerald Kennedy fissò come obiettivo dell'agenzia spaziale statunitense quello di inviare uomini sulla Luna prima della fine del decennio, il programma spaziale era ancora piuttosto indietro. Dopo avere studiato diverse configurazioni di veicoli spaziali, la NASA scelse, nel 1962, di ricorrere al LEM nonostante le perplessità che suscitava in quell'epoca. Solo questa soluzione, infatti, permetteva di rispettare la scadenza fissata, grazie alla riduzione della massa richiesta e limitando così costi e rischi tecnici.
Il LEM era composto da due stadi: lo stadio di discesa, il cui ruolo principale è di fare atterrare verticalmente il modulo lunare grazie ad un motore a spinta variabile, e uno stadio di ascesa nel quale è situata la cabina pressurizzata dove risiedono gli astronauti. Alla fine dell'esplorazione lo stadio di discesa veniva abbandonato sulla Luna mentre lo stadio di ascesa, grazie ad un ulteriore proprio motore, decolla dalla superficie lunare per ricongiungersi al CSM in orbita lunare. Nonostante la complessità della missione e i limiti di massa molto rigorosi (15 tonnellate), il LEM è riuscito per sei volte ad atterrare sulla Luna mantenendo in vita i due uomini in un ambiente particolarmente ostile.
Il progetto e la costruzione del LEM sono stati realizzati sotto la direzione della società aerospaziale Grumman tra il 1962 e 1969. In tutto sono stati costruiti 15 moduli lunari; dei 10 che hanno volato nello spazio, 6 hanno raggiunto il suolo lunare nel corso di un periodo compreso tra il 1969 e il 1972. Ad oggi il LEM resta ancora l'unico veicolo ad aver portato esseri umani sul suolo lunare.
La scelta dell'arrivo in orbita lunare
Nel 1959 l'agenzia spaziale statunitense cominciò degli studi per stabilire quali tecniche fossero più efficaci per inviare degli uomini sulla Luna. Da questi studi emersero tre distinti scenari:
Spedizione diretta di un veicolo spaziale sulla Luna (ascesa diretta): questa tecnica prevedeva l'utilizzo di un enorme razzo per portare in orbita un'unica navicella in grado di viaggiare fino alla Luna, atterrare e successivamente ridecollare. Per poter compiere tutte queste manovre l'altezza della navicella doveva essere pari a 20 m. Per portare in orbita un simile veicolo si rendeva necessario un razzo (che venne chiamato Nova) la cui potenza era cinque volte superiore a quella del Saturn V poi realmente utilizzato. Il rendezvous in orbita terrestre (Earth Orbit Rendezvous o EOR): questa opzione fu formulata per limitare rischi e costi di sviluppo dell'enorme razzo richiesto dal primo scenario. I componenti della nave dovevano essere inviati in orbita terrestre da 2 (o più) razzi meno potenti. I vari elementi venivano poi assemblati in orbita dagli astronauti con l'eventuale possibilità di usare una stazione spaziale come base logistica. Una volta completato l'assemblaggio in orbita terrestre il resto della missione si svolgeva in modo simile a quello del primo scenario. Il rendezvous in orbita lunare (Lunar Orbit Rendezvous o LOR): si rendeva necessario un solo razzo ma il velivolo inviato verso la Luna doveva essere composto da 2 moduli indipendenti che si separavano una volta raggiunta l'orbita lunare. Il modulo di escursione lunare (LEM), spinto da un razzo di grande potenza, del tipo Nova, atterrava sulla Luna con una parte dell'equipaggio e in seguito se ne sarebbe staccata una parte per riportare gli astronauti al modulo di comando e di servizio, rimasto in orbita attorno alla Luna, a cui spettava farsi carico del ritorno degli astronauti a Terra. Questa soluzione permetteva di ridurre il peso rispetto agli altri due scenari (sarebbe stato necessario molto meno combustibile per l'atterraggio e il decollo) e permetteva di realizzare un veicolo spaziale ottimizzato esclusivamente per l'atterraggio ed il soggiorno sulla Luna. Inoltre il razzo necessario doveva essere meno potente di quello richiesto dal primo scenario.
Quando il 25 maggio 1961 l'allora presidente degli Stati Uniti d'America John Kennedy annunciò al Congresso: "Credo che questa nazione debba impegnarsi per raggiungere l'obiettivo di far scendere un uomo sulla Luna e farlo tornare sano e salvo sulla Terra prima della fine di questo decennio"Gli esperti della NASA avevano indicato che l'atterraggio sulla Luna poteva essere realizzato già nel 1967, ma l'amministratore dell'agenzia, James E. Webb, ha preferito aggiungere due anni per tenere conto di potenziali contrattempi (Fonte: NASA - Monografia Progetto Apollo: un'analisi retrospettiva)., la valutazione dei tre scenari per raggiungere la Luna era ancora ad un livello poco avanzato. La NASA non aveva ancora realizzato un solo vero volo spaziale (il primo volo orbitale americano sarà quello del Mercury-Atlas 4 avvenuto il 13 settembre 1961) e non era in grado di stabilire le difficoltà tecniche che poteva comportare un rendezvous tra due navi spaziali. L'agenzia, inoltre, non sapeva neanche se gli astronauti avrebbero potuto sopportare lunghi soggiorni nello spazio e i suoi lanciatori avevano subito una serie di fallimenti. Tutto ciò imponeva una certa prudenza nelle scelte tecniche. La NASA era consapevole che la scelta dello scenario avrebbe condizionato le caratteristiche dei veicoli spaziali e dei lanciatori da sviluppare e che ogni ritardo nella decisione avrebbe pesato sulle possibilità di rispettare la scadenza. Nonostante ciò, i responsabili della NASA impiegarono più di un anno, tra studi e dibattiti, prima di decidere quale dei tre metodi adottare.
L'appuntamento in orbita lunare era inizialmente, nonostante le argomentazioni dettagliate avanzate dal suo difensore più ardente John Houbolt del Langley Research Center, la soluzione che aveva minori sostenitori. Agli occhi di molti responsabili della NASA questo scenario appariva istintivamente troppo rischioso. Se l'appuntamento tra modulo lunare e modulo di comando fosse fallito, gli astronauti a bordo del LEM non avrebbero avuto nessuna possibilità di ritornare sulla Terra e sarebbero stati condannati a rimanere indefinitamente in orbita intorno alla Luna. I vantaggi di questo scenario, in particolare il guadagno sulla massa complessiva (45 tonnellate contro le 70 per un volo diretto), venivano ignorati senza che si sviluppassero studi approfonditi. Houbolt arrivò addirittura ad inviare due lettere a Robert Seaman, numero due della NASA, pregandolo di fare in modo che il LOR fosse preso in considerazione e non fosse respinto solo sulla base di idee prive di valore scientifico.
Con il passare del tempo e con le difficoltà che si presentavano nella progettazione di un veicolo così pesante per atterrare sulla Luna, il LOR guadagnò di credibilità tanto che pure Wernher von Braun e il gruppo che dirigeva, forti sostenitori dell'appuntamento in orbita terrestre, si convinsero che il LOR fosse l'unica scelta possibile per rispettare la scadenza fissata dal presidente Kennedy.
Nell'estate del 1962 anche i principali responsabili della NASA si convinsero che lo scenario di appuntamento in orbita lunare fosse il migliore; solo il consigliere scientifico del presidente Kennedy, Jerome B. Wiesner, si dimostrò contrario. Nonostante ciò la scelta del LOR fu finalmente ratificata e le società aerospaziali statunitensi furono invitate a partecipare alla gara d'appalto per la costruzione del modulo lunare. La NASA stabilì a grandi linee le caratteristiche che questo modulo doveva possedere, come il tipo di propellente, la durata della missione (2 giorni), numero membri equipaggio (2 persone), la presenza di un sistema di navigazione e di controllo e le modalità di svolgimento di una missione di questo tipo. Molte forniture di accessori furono sotto il controllo diretto della NASA, come tute spaziali, computer di volo e strumentazione scientifica. La sicurezza dell'equipaggio doveva essere garantita al 99,9%, mentre il tasso di affidabilità del LEM venne fissato al 99,5%.
La lunga fase di progettazione (1963-1964)
Il 7 novembre 1962 la Grumman Aircraft Engineering Corporation si aggiudicò la gara di appalto. Questa importante azienda aeronautica statunitenseFino ad allora aveva già sviluppato, tra gli altri, i caccia imbarcati F6F Hellcat l'F-14 Tomcat. aveva già partecipato senza successo a molti bandi della NASA. Grumman volle inserirsi nel mercato aerospaziale tanto da mobilitare un notevole gruppo di ingegneri per lavorare al progetto del LEM prima ancora che la gara d'appalto avesse inizio. L'interlocutore della Grumman all'interno della NASA fu il centro per i voli con equipaggio dell'agenzia (Manned Spacecraft Center) che venne spostato al centro spaziale di Houston (oggi chiamato Lyndon B. Johnson Space Center).
Dopo una serie di negoziati, con l'obiettivo di definire la distribuzione dei compiti e delle procedure, la retribuzione della Grumman fu fissata a 385 milioni di dollari includendo un profitto di 25 milioni. Questo benché i contraenti avessero, all'epoca, soltanto una vaga idea della macchina da costruire. Il progetto partì così con il ritardo di un anno rispetto agli altri componenti del programma Apollo, in particolare del CSM. All'inizio del 1963, gli ingegneri della Grumman, basati a Bethpage, Long Island (Stato di New York), iniziarono a lavorare sull'architettura generale del modulo lunare. Nel corso dei primi confronti con la NASA, si delineò un veicolo spaziale di tre metri di diametro e di 4,5 metri di altezza, del peso di circa 11 tonnellate, composto da una parte abitabile che per dimensioni e forma ricordava la cabina di un elicottero..
Lo stadio di ascesa viene profondamente rivisto
Con l'avanzare degli studi molte delle caratteristiche dello stadio di ascesa furono riviste.
Gli ampi oblò che ricordavano, nella proposta di partenza, la disposizione convessa di una cabina d'elicottero vennero notevolmente rivisti. Questi oblò, studiati per garantire al pilota un'ottima visibilitàCosa giudicata essenziale nelle delicate manovre di atterraggio e aggancio., per ragioni di rigidità strutturale e di controllo termico vennero ridotti a due piccoli triangoli di vetro inclinati verso il basso e di ampiezza pari a solo il 10% della superficie del progetto iniziale.
Inizialmente erano previste due possibilità di aggancio al CSM: un boccaporto messo al vertice del modulo di ascesa, utilizzabile prima dello sbarco sulla Luna, e uno situato sulla parete frontale utilizzato al ritorno in occasione dell'appuntamento orbitale lunare, al fine di permettere al pilota di controllare a vista la fase di aggancio tramite l'oblò. Per risparmiare pesoPer avere un punto di aggancio occorre realizzare un tunnel e un rafforzamento strutturale., venne aggiunto un piccolo oblò nella parte superiore dello stadio di ascesa per permettere di utilizzare il boccaporto superiore anche al ritorno.