Trái ngược với chiến thắng thăm dò mặt trăng của Liên Xô vào năm 1959, thành công đã lảng tránh những nỗ lực ban đầu của Hoa Kỳ để đến Mặt trăng với các chương trình Tiên phong và Kiểm lâm. Mười lăm nhiệm vụ mặt trăng liên tiếp của Hoa Kỳ đã rút ra trong khoảng thời gian sáu năm từ 1958 đến 1964, tất cả đều thất bại trong các nhiệm vụ nhiếp ảnh chính của họ;  Tuy nhiên, Rangers 4 và 6 đã lặp lại thành công các tác động mặt trăng của Liên Xô như là một phần của nhiệm vụ phụ.

Thất bại bao gồm ba nỗ lực của Hoa Kỳ  vào năm 1962 đối với các gói địa chấn nhỏ trên đất cứng được phát hành bởi tàu vũ trụ Ranger chính. Các gói bề mặt này là sử dụng retrorockets để sống sót khi hạ cánh, không giống như xe mẹ, được thiết kế để cố tình đâm vào bề mặt. Ba tàu thăm dò cuối cùng của Ranger đã thực hiện các nhiệm vụ chụp ảnh trinh sát mặt trăng độ cao thành công trong các tác động va chạm có chủ ý trong khoảng từ 2,62 đến 2,68 km mỗi giây (9,400 đến 9,600 km/h).

Nhiệm vụ tiên phong

Ba thiết kế khác nhau của tàu thăm dò Mặt trăng Tiên phong đã được bay trên ba ICBM được sửa đổi khác nhau. Những chiếc máy bay được tăng cường Thor được sửa đổi với tầng trên có thể mang theo hệ thống truyền hình quét hình ảnh hồng ngoại với độ phân giải 1 milliradian để nghiên cứu bề mặt của Mặt trăng, buồng ion hóa để đo bức xạ trong không gian, lắp ráp màng / micrô để phát hiện micromet. từ kế, và điện trở biến nhiệt độ để theo dõi các điều kiện nhiệt bên trong tàu vũ trụ. Đầu tiên, một nhiệm vụ do Không quân Hoa Kỳ quản lý, phát nổ trong khi phóng; tất cả các chuyến bay của Mặt trăng Tiên phong sau đó đều có NASA là tổ chức quản lý chính. Hai người tiếp theo quay trở lại Trái Đất và đốt cháy lại vào bầu khí quyển sau khi đạt được độ cao tối đa khoảng 110.000 km (68.000 mi) và 1.450 kilômét (900 mi), vượt xa khoảng 400.000 km (250.000 mi) cần thiết để tiếp cận vùng lân cận của Mặt trăng.

NASA sau đó phối hợp với quân đội Hoa Kỳ 's Cơ quan tên lửa đạn đạo bay hai đầu dò hình nón cực kỳ nhỏ trên Juno ICBM, mang theo chỉ tế bào quang điện mà sẽ được kích hoạt bởi ánh sáng của mặt trăng và một thí nghiệm môi trường bức xạ mặt trăng sử dụng một Geiger- Máy dò ống Müller. Đầu tiên trong số này đạt độ cao chỉ khoảng 100.000 km (62.000 dặm), thu thập dữ liệu một cách ngẫu nhiên đã thiết lập sự hiện diện của vành đai bức xạ Van Allentrước khi nhập lại bầu khí quyển của Trái Đất. Chiếc thứ hai được Mặt trăng vượt qua ở khoảng cách hơn 60.000 km (37.000 dặm), gấp đôi so với kế hoạch và quá xa để kích hoạt một trong hai thiết bị khoa học trên tàu, nhưng vẫn trở thành tàu vũ trụ đầu tiên của Mỹ tiếp cận với mặt trời quỹ đạo.

Thiết kế đầu dò mặt trăng Pioneer cuối cùng bao gồm bốn tấm pin mặt trời "mái chèo " kéo dài từ thân tàu vũ trụ ổn định hình cầu có đường kính một mét được trang bị để chụp ảnh bề mặt mặt trăng với hệ thống giống như tivi, ước tính khối lượng và địa hình của Mặt trăng các cực, ghi lại sự phân bố và vận tốc của các thiên thạch micromet, nghiên cứu bức xạ, đo từ trường, phát hiện sóng điện từ tần số thấp trong không gian và sử dụng một hệ thống đẩy tích hợp tinh vi để điều động và chèn quỹ đạo. Không ai trong số bốn tàu vũ trụ được chế tạo trong loạt tàu thăm dò này sống sót sau khi ra mắt trên Atlas của nó ICBM được trang bị với giai đoạn trên có thể.

Sau các tàu thăm dò Atlas-Able Pioneer không thành công, Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA đã bắt tay vào một chương trình phát triển tàu vũ trụ chưa được thiết kế mà thiết kế mô-đun có thể được sử dụng để hỗ trợ cả các nhiệm vụ thám hiểm mặt trăng và liên hành tinh. Các phiên bản liên hành tinh được gọi là Mariners; phiên bản mặt trăng là Rangers. JPL đã hình dung ra ba phiên bản của tàu thăm dò mặt trăng Ranger: Các nguyên mẫu Block I, sẽ mang theo các máy dò phóng xạ khác nhau trong các chuyến bay thử nghiệm đến quỹ đạo Trái Đất rất cao không đến gần Mặt trăng; Khối II, sẽ cố gắng hoàn thành cuộc đổ bộ Mặt trăng đầu tiên bằng cách hạ cánh cứng một gói địa chấn; và Block III, sẽ đâm vào bề mặt mặt trăng mà không có bất kỳ tên lửa hãm nào trong khi chụp những bức ảnh diện rộng có độ phân giải rất cao về Mặt trăng trong quá trình hạ xuống.

Nhiệm vụ thăm dò

Các nhiệm vụ của Ranger 1 và 2 Block I gần như giống hệt nhau.  thí nghiệm tàu vũ trụ bao gồm một Lyman-alpha kính thiên văn, một rubidi hơi từ kế, phân tích tĩnh điện, trung bình năng lượng tầm xa máy dò hạt, hai kính viễn vọng trùng hợp ngẫu nhiên ba, một tia vũ trụ lồng ghép buồng ion hóa, bụi vũ trụ dò, và quầy tính tiền. Mục đích là để đặt các tàu vũ trụ Block I trong một quỹ đạo Trái Đất rất cao với đỉnh cao của 110.000 km (68.000 dặm) và một cận điểm 60.000 km (37.000 dặm).

Từ quan điểm thuận lợi đó, các nhà khoa học có thể thực hiện các phép đo trực tiếp của từ quyển trong khoảng thời gian nhiều tháng trong khi các kỹ sư hoàn thiện các phương pháp mới để thường xuyên theo dõi và liên lạc với tàu vũ trụ trên những khoảng cách lớn như vậy. Việc thực hành như vậy được coi là rất quan trọng để đảm bảo thu được các truyền phát băng thông cao từ Mặt trăng trong một cửa sổ thời gian mười lăm phút một lần trong các hậu duệ Mặt trăng Khối II và Khối III. Cả hai nhiệm vụ của Block I đều phải chịu thất bại ở tầng trên Agena mới và không bao giờ rời khỏi quỹ đạo đỗ xe Trái Đất thấp sau khi phóng; cả hai bị đốt cháy sau khi thử lại chỉ sau vài ngày.

Những nỗ lực đầu tiên để thực hiện cuộc đổ bộ Mặt trăng diễn ra vào năm 1962 trong các nhiệm vụ của Rangers 3, 4 và 5 do Hoa Kỳ thực hiện.  Cả ba phương tiện cơ bản của nhiệm vụ Block II đều cao 3,1 m và bao gồm một viên nang mặt trăng được phủ một bộ giới hạn va chạm gỗ balsa, đường kính 650 mm, động cơ giữa động cơ đẩy đơn, một retrorocket với lực đẩy 5.050 pound lực (22,5 kN),  và đế hình lục giác mạ vàng và mạ crôm có đường kính 1,5 m. Tàu đổ bộ này (tên mã là Tonto) được thiết kế để cung cấp đệm tác động bằng cách sử dụng một tấm chăn bên ngoài bằng gỗ balsa có thể nghiền nát và bên trong chứa đầy freon lỏng không thể nén. Một quả cầu trọng tải kim loại có đường kính 30 cm (56 pound) đường kính 30 kg (0,98 ft) trôi nổi và được tự do quay trong một bể chứa freon lỏng chứa trong quả cầu hạ cánh.[ cần dẫn nguồn ]

"Mọi thứ chúng tôi phải thực sự gắn liền với việc lên Mặt trăng trước người Nga.... Chúng tôi sẵn sàng chi tiêu số tiền hợp lý, nhưng chúng tôi đang nói về những khoản chi tiêu tuyệt vời làm hỏng ngân sách của chúng tôi và tất cả theo tôi, những chương trình nội địa khác, và sự biện minh duy nhất cho nó, bởi vì chúng tôi hy vọng sẽ đánh bại chúng và chứng minh rằng bắt đầu từ phía sau, như chúng tôi đã làm trong vài năm, bởi Chúa, chúng tôi đã vượt qua chúng. "

Quả cầu tải trọng này chứa sáu bạc- cadmiumpin để cung cấp năng lượng cho máy phát vô tuyến năm mươi milliwatt, bộ tạo dao động điều khiển điện áp nhạy cảm với nhiệt độ để đo nhiệt độ bề mặt mặt trăng và máy đo địa chấn được thiết kế với độ nhạy đủ cao để phát hiện tác động của thiên thạch 5 lb (2,3 kg) ở phía đối diện với Mặt trăng. Trọng lượng được phân phối trong quả cầu trọng tải để nó quay trong chăn lỏng để đặt máy đo địa chấn vào vị trí thẳng đứng và hoạt động bất kể hướng nghỉ ngơi cuối cùng của quả cầu hạ cánh bên ngoài. Sau khi hạ cánh, các phích cắm đã được mở cho phép freon bay hơi và quả cầu trọng tải ổn định thành tiếp xúc thẳng đứng với quả cầu hạ cánh. Pin có kích thước cho phép hoạt động tối đa ba tháng đối với quả cầu tải trọng. Nhiều hạn chế nhiệm vụ khác nhau đã giới hạn địa điểm hạ cánh đến Oceanus Procellarum trên đường xích đạo mặt trăng,

Không có máy ảnh nào được các tàu đổ bộ Ranger mang theo, và không có hình ảnh nào được chụp từ bề mặt mặt trăng trong nhiệm vụ. Thay vào đó, tàu mẹ Ranger Block II 3,1 mét (10 ft) mang theo một máy quay truyền hình 200 đường quét để ghi lại hình ảnh trong quá trình rơi tự do xuống bề mặt mặt trăng. Máy ảnh được thiết kế để truyền hình ảnh cứ sau 10 giây.  Giây trước khi va chạm, ở độ cao 5 và 0,6 km (3,11 và 0,37 mi) trên bề mặt mặt trăng, các tàu mẹ Ranger đã chụp ảnh (có thể được xem tại đây).

Các thiết bị khác thu thập dữ liệu trước khi tàu mẹ đâm vào Mặt trăng là máy quang phổ tia gamma để đo thành phần hóa học mặt trăng tổng thể và máy đo độ cao radar. Máy đo độ cao radar là để đưa ra tín hiệu phóng ra viên đạn hạ cánh và tên lửa hãm nhiên liệu rắn của nó trên tàu từ tàu mẹ Block II. Tên lửa hãm là làm chậm và quả cầu hạ cánh dừng lại ở độ cao 330 mét (1.080 ft) trên bề mặt và tách ra, cho phép quả cầu hạ cánh rơi tự do một lần nữa và chạm vào bề mặt.[ cần dẫn nguồn ]

Trên Ranger 3, lỗi hệ thống hướng dẫn Atlas và lỗi phần mềm trên tầng trên của Agena kết hợp để đưa tàu vũ trụ vào một khóa học sẽ bỏ lỡ Mặt trăng. Nỗ lực cứu vãn nhiếp ảnh mặt trăng trong một lần bay trên Mặt trăng đã bị cản trở bởi sự thất bại trong chuyến bay của máy tính trên máy bay. Điều này có lẽ là do khử trùng nhiệt trước đó của tàu vũ trụ bằng cách giữ nó ở trên điểm sôi của nước trong 24 giờ trên mặt đất, để bảo vệ Mặt trăng khỏi bị ô nhiễm bởi các sinh vật Trái Đất. Khử trùng bằng nhiệt cũng bị đổ lỗi cho những thất bại trong chuyến bay tiếp theo của máy tính tàu vũ trụ trên Ranger 4 và hệ thống phụ trợ điện trên Ranger 5. Chỉ có Ranger 4 chạm tới Mặt trăng trong một vụ va chạm không thể kiểm soát ở phía xa của Mặt trăng.[ cần dẫn nguồn]

Khử trùng bằng nhiệt đã bị ngừng cho bốn đầu dò Block III Ranger cuối cùng.[ cần dẫn nguồn ] Chúng đã thay thế khoang hạ cánh Block II và retrorocket của nó bằng một hệ thống truyền hình nặng hơn, có khả năng hơn để hỗ trợ lựa chọn địa điểm hạ cánh cho các nhiệm vụ hạ cánh trên Mặt trăng của phi hành đoàn Apollo sắp tới. Sáu máy ảnh được thiết kế để chụp hàng ngàn bức ảnh tầm cao trong khoảng thời gian hai mươi phút cuối trước khi rơi xuống bề mặt mặt trăng. Độ phân giải camera là 1.132 dòng quét, cao hơn nhiều so với 525 dòng được tìm thấy trong một chiếc tivi gia đình 1964 điển hình của Mỹ. Trong khi Ranger 6 bị lỗi hệ thống camera này và không trả lại ảnh nào mặc dù chuyến bay thành công khác, Ranger 7 sau đó Nhiệm vụ đến Mare Cognitum là một thành công hoàn toàn.

Phá vỡ chuỗi thất bại kéo dài sáu năm trong các nỗ lực của Hoa Kỳ để chụp ảnh Mặt trăng ở cự ly gần, nhiệm vụ Ranger 7 được xem là một bước ngoặt quốc gia và là công cụ cho phép chiếm đoạt ngân sách của NASA năm 1969 thông qua Quốc hội Hoa Kỳ nguyên vẹn mà không cần giảm kinh phí cho chương trình hạ cánh trên mặt trăng của phi hành đoàn Apollo. Những thành công sau đó với Ranger 8 và Ranger 9 càng làm tăng thêm hy vọng của Hoa Kỳ.