Приветствую вас мои космические друзья. Многим из вас, кто интересовался космической программой "Аполлон", известно, что во время второго беспилотного запуска лунной ракеты "Сатурн-5" (миссия "Аполлон-6"), произошел ряд нештатных ситуаций и отказов ракеты-носителя.
Предлагаю к вашему вниманию перевод статьи которая была опубликована в журнале "Popular Sciense" за ноябрь 1968 года. В ней подробно описаны причины отказов во время испытательного полета, и пути решения проблем.
"The Detective Story Behind OUR FIRST MANNED SATURN V SHOOT" (Детективная история, стоящая за НАШИМ ПЕРВЫМ ПИЛОТИРУЕМЫМ ПОЛЕТОМ "САТУРН-5")
Разгадав тайну того, что пошло не так в прошлый раз, инженеры дали гигантской лунной ракете "зеленый свет" для запуска астронавтов во время следующей миссии программы "Аполлон".
Автор: доктор Вернер фон Браун. Директор Космического центра имени Джорджа К. Маршалла НАСА, Хантсвилл, Алабама. Эскизы автора.
Через несколько недель с мыса Кеннеди (ныне мыс Канаверал - Прим авт.) стартует первый пилотируемый полет ракеты "Сатурн-5" — нашей 110-метровой лунной ракеты. Проделанная детективная работа открыла путь для полетов астронавтов на ней.
До сих пор были запущены только две такие гигантские ракеты, и обе в беспилотном варианте. Первый полет "Сатурн-5" ("Аполлон-4") состоялся в конце прошлого года и прошел безупречно. Второй же полет ("Аполлон-6"), состоявшийся в апреле, напротив, был омрачен чередой неудач. Но диагностика этих проблем оказалась настолько удачной, а меры по их устранению — настолько успешными, что повторять беспилотное испытание ракеты не потребуется. НАСА решило сразу же запустить третий пилотируемый "Сатурн-5" в пилотируемый полет.
История выявления проблем во время второго полета ракеты-носителя "Сатурн-5" напоминает детективный триллер. Она также иллюстрирует современные методы проверки сложного космического оборудования.
Последний полет. Взлет второй ракеты "Сатурн-5" с Мыса прошел безупречно. В течение двух минут полета все выглядело как повторение образцового полета первого "Сатурна-5". Затем в центре управления запуском произошло небольшое волнение, когда примерно на 125-й секунде телеметрические данные от акселерометров указали на, по-видимому, легкую вибрацию типа "пого".
Это продольное колебание, названное в честь движения "пого-стика"*, которое вызывало немалое беспокойство во время запуска более ранних ракет программы "Джемини" - "Титан". Оно заставляет ракету-носитель удлиняться и укорачиваться, как гармошка, несколько раз в секунду.
*Пого-стик — устройство для совершения прыжков, состоящее из пружины, ручки, педалей и основной платформы. Человек надавливает ногами на пружину, и она придаёт ему обратный импульс. В англоязычных странах известен как Pogo stick. - Прим. авт.
Но вибрация «пого» исчезла примерно на 132-й секунде.
Пять двигателей J-2 второй ступени, работающих на жидком водороде, запустились точно по графику. Но двигатель № 2 вскоре подал признаки неполадок. После работы в течение почти 414 секунд он внезапно потерял тягу, и его датчик обнаружения низкой тяги полностью отключил его. Двигатель № 3, который до этого момента работал безупречно, отключился через секунду.
Лишившись двух пятых своей тяги, вторая ступень мужественно продолжала подниматься вверх — система наведения, реагирующая на неполадки, корректировала траекторию набора высоты, чтобы помочь ей, и работала с удвоенной силой, прежде чем отделиться. Затем запустился единственный двигатель J-2 третьей ступени, и носитель вышел на несколько отклоняющуюся от нормы, но стабильную орбиту. После того, как он дважды облетел Землю, была отправлена радиокоманда на повторное включение третьей ступени. Но двигатель J-2 не отреагировал.
Чтобы максимально эффективно использовать оставшееся время полета, командно-служебный модуль, размещенный в носовой части, получил команду отделиться от вышедшей из строя третьей ступени. После двух включений маршевого двигателя служебного модуля командный модуль отделился и совершил вход в атмосферу и был успешно возвращен.
Если бы полёт был пилотируемым, то астронавты бы благополучно вернулись. Но испытательный полёт явно оставлял желать лучшего. С тремя отказавшими двигателями мы просто не можем полететь на Луну.
Несмотря на впечатляющую надежность двигателя J-2, которую он показал в ходе испытаний, два двигателя второй ступени отказали во время полета второй, а третий вышел из строя на орбите. Почему вдруг случились три отказа за один полет?
Сыщики находят улики. Совместная группа инженеров из Космического центра имени Маршалла НАСА и компании Rocketdyne - производителя двигателя J-2, приступила к работе. Вскоре они обнаружили улики. Телеметрические показания температуры термопар в хвостовой части второй ступени, показали следующее развитие ситуации:
- Примерно на 70-й секунде был обнаружен поток холодного газа, который мог исходить только из-за утечки жидкого водорода. Характер потока четко указывал на место утечки в верхней части двигателя № 2.
- Поток холодного газа, по-видимому, усиливался начиная со 110-й секунды полета, когда двигатель № 2 начал давать сбои.
- Между 262-й и 268-й секундами из того же места внезапно вырвался поток очень горячего газа — всего за долю секунды до того, как двигатель № 2 выключился.
Этот короткий выброс горячего газа перед выключением, стал решающим признаком. Только топливопровод к воспламенителю двигателя J-2 мог выйти из строя именно таким образом. Воспламенитель дает первое пламя зажигая водород и кислород, которое помогает запустить двигатель, и оно горит во время его работы.
Протекающий через поврежденный топливопровод воспламенителя холодный водород разбрызгивался в окружающее пространство, и одновременно подавался в воспламенитель. Но как только топливопровод полностью выходил из строя, высокотемпературные газы из камеры сгорания ракетного двигателя скапливались в нем и вырывались через образовавшуюся пробоину, подобно паяльной лампе, быстро расширяя неохлаждаемое отверстие. А когда давление сгорания в двигателе падало ниже определенного уровня, датчик малой тяги отключал двигатель, закрывая топливные и кислородные клапаны, которые регулируют подачу топлива к насосам двигателя. Это объясняет, почему двигатель № 2 отключился.
Но что же заставило исправный двигатель № 3 мгновенно заглохнуть? К сожалению, это была обычная человеческая ошибка. Из-за ошибки в проводке электрический сигнал, предназначенный для закрытия предварительного клапана подачи жидкого кислорода двигателя № 2, вместо этого пошёл на предварительный клапан двигателя № 3. Таким образом, двигатель № 2, отключившись, перекрыл подачу топлива, и также перекрыл подачу жидкого кислорода двигателю № 3.
Двигатель J-2 третьей ступени столкнулся с теми же проблемами, что и двигатель № 2 второй ступени. Во время первого запуска, длившегося 170 секунд, наблюдались те же характерные признаки утечки и разрыва топливопровода воспламенителя, включая финальный горячий взрыв. Это вывело двигатель из строя — и его нельзя было перезапустить.
Что же случилось с топливопроводами воспламенителя? Испытанные ранее на прочность, топливопроводы снова оказались на испытательном стенде. Они оказались невосприимчивы к повышенному давлению и расходу, а также к гораздо более сильным колебаниям, чем в полете. Затем последовало исследование резонансных условий: издавали ли "гул" сильфонные секции в трубопроводах, обеспечивающие гибкость для расширения, при определенных расходах?
Оказалось, что невозможно было вызвать их выход из строя. Затем восемь трубопроводов поместили в вакуумную камеру. Через них протекал жидкий водород с необходимой скоростью и давлением. В течение 100 секунд каждый трубопровод вышел из строя в месте расположения сильфонной секции!
Загадку разгадали с помощью видеозаписей испытаний сильфонов. Когда испытательная камера не была откачана, окружающий воздух сжижался под воздействием чрезвычайно низкой температуры сильфона (от -350 до -400 °F) при протекании через него жидкого водорода. Сжиженный воздух, удерживаемый металлической оплеткой вокруг сильфона, эффективно гасил его вибрации в резонансных точках. При откачке воздуха из камеры (как и при полете в космос) защитный демпфирующий эффект исчезал.
После того, как была выявлена причина неисправности двигателей, ее решение оказалось простым. Всё что потребовалось - это установить новые топливопроводы воспламенителя, с изгибами в трубках из нержавеющей стали для гибкости и убрать сильфонные секции.
Затем последовало решение проблемы с колебаниями «пого». Центр Маршалла также создал рабочую группу по проблеме «пого», которую поддерживали эксперты из других центров НАСА, университетов и промышленности. Команда изучила двигатели первой ступени F-1, провела испытания на вибрацию частей конструкции ракеты "Сатурн-5" и сообщила следующее:
Такова природа работы ракетного двигателя, что тяга и камеры сгорания двигателя F-1 слегка пульсируют с собственной частотой около 514 циклов в секунду. Весь носитель "Сатурн-5" с космическим аппаратом в верхней части также имеет собственную частоту, при которой он особенно восприимчив к продольным (концертинообразным*) колебаниям. Эта частота, увеличиваясь по мере расхода топлива, также приближается к 514 циклам в секунду, примерно через 125 секунд после взлета.
*Концертино - небольшая гармошка с хроматическим звукорядом без готовых аккордов. - Прим. авт.
Когда частота колебаний всей конструкции совпадает с частотой работы двигателей, может возникнуть эффект «пого».
Хотя он не обязательно разрушителен, он создает дополнительную, колеблющуюся нагрузку в доли g на космический аппарата и экипаж. Расположенный на вершине "Сатурна-5", относительно легкий космический аппарат подвергается еще более высоким нагрузкам от вибрации «пого», чем двигатели на другом его конце, которые и вызывают проблему.
Решение команды, занимавшейся проблемой «пого», заключалось в том, чтобы расстроить две частоты, установив пневматический амортизатор в линию подачи жидкого кислорода каждого из пяти ракетных двигателей F-1.
Полости в клапанах подачи жидкого кислорода двигателей упрощают эту задачу. Просто заполните их гелием — который не конденсируется при температуре жидкого кислорода — и получите необходимые амортизаторы. Для этого можно использовать достаточный запас гелия первой ступени для создания давления в топливном баке. Так была решена проблема колебаний «пого».
Как первая ступень с этой модификацией амортизаторов, так и вторая ступень с новыми топливопроводами воспламенителя были успешно испытаны в августе прошлого года на полигоне Центра Маршалла в Миссисипи. Эти два простых решения позволяют допустить ракету "Сатурн-5" к пилотируемым полетам.
Новые планы. Первый пилотируемый полет "Аполлон-8" на ракете «Сатурн-5» последует за первой пилотируемой миссией "Аполлон", которая будет осуществлена на модернизированной ракете "Сатурн-I" — миссия "Аполлон-7", которая должна была состояться к моменту прочтения этого текста.
"Аполлон-8" также будет нести командно-служебный модуль; но вопреки более ранним планам, он не будет включать лунный модуль, отладка которого занимает больше времени, чем ожидалось. Поэтому планы первого пилотируемого полета на «Сатурн-5» и последующих миссий, пришлось пересмотреть.
Новый базовый план миссии «Аполлон-8» предусматривает операции с пилотируемым командно-служебным модулем на низкой околоземной орбите, а после его отделения — беспилотный запуск третьей ступени ракеты "Сатурн-5" на траекторию вывода, и возможного пролета мимо Луны. Однако, если миссия "Аполлон-7" пройдет успешно, рассматриваются возможные варианты для ракеты "Сатурн-5". Возможно, пилотируемый командно-служебный модуль будет запущен на несколько тысяч километров в космос. Существует даже отдаленная вероятность эффектного облета Луны пилотируемым космическим кораблем. Сам факт рассмотрения такой смелой миссии, для первого пилотируемого полета "Сатурна-5", свидетельствует об уверенности планировщиков в том, что всё было продумано до мелочей.
Ну а на сегодня у меня всё, спасибо за внимание!