Ракета-носитель Меркурий-Редстоун

Ракета -носитель «Меркурий-Редстоун» , разработанная для проекта НАСА «Меркурий» , была первой американской пилотируемой космической ракетой-носителем . Он использовался для шести суборбитальных полетов Меркурия в 1960–1961 годах; кульминацией которого стал запуск первого, а 11 недель спустя — второго американца (а также второго и третьего людей) в космос. В четырех последующих полетах человека на Меркурий для выхода на низкую околоземную орбиту использовалась более мощная ракета-носитель «Атлас» .

Член семейства ракет Redstone , он был создан на основе баллистической ракеты Redstone армии США и первой ступени соответствующей ракеты-носителя Jupiter-C ; но, по человеческой оценке , структура и системы были модифицированы для повышения безопасности и надежности.

Модификации ракеты Редстоун

Сравнение ракеты «Меркурий-Редстоун» (справа) с ракетой «Редстоун» и «Юпитер-С».

НАСА выбрало для своих суборбитальных полетов жидкотопливную баллистическую ракету «Редстоун» армии США , поскольку она была старейшей в парке США, действовала с 1953 года и совершила ^[1] множество успешных испытательных полетов. ^[2]

Стандартному военному Redstone не хватало тяги, чтобы поднять капсулу Меркурия на баллистическую суборбитальную траекторию, необходимую для проекта; ^[2] однако первая ступень «Юпитера-С» , которая представляла собой модифицированный «Редстоун» с удлиненными баками, могла нести достаточно топлива для достижения желаемой траектории. Поэтому первая ступень Юпитера-С была использована в качестве отправной точки для проекта Меркурий-Редстоун. ^[3] Однако армия Юпитера-С постепенно выходила из эксплуатации, поэтому, чтобы избежать потенциальных осложнений, таких как нехватка деталей или пересмотр конструкции, конструкторы Mercury-Redstone выбрали двигатель Rocketdyne A -7, используемый на новейшем военном Redstone. . ^[4] Хансу Полу и Уильяму Дэвидсону, инженерам-двигателям из Армейского агентства по баллистическим ракетам (ABMA), было поручено модифицировать А-7, чтобы он был безопасным и надежным для полетов с экипажем.

В 1959 году большая часть ABMA была занята проектом «Сатурн», но те инженеры, которые могли найти достаточно свободного времени в своем графике, были приглашены для работы над пилотированием «Юпитера-С». В качестве отправной точки наиболее очевидным шагом было избавление от ступеней, поскольку «Меркурий-Редстоун» не будет использовать верхние ступени. Многие из более совершенных компонентов Юпитера-С также были удалены по соображениям надежности или потому, что они не были необходимы для проекта «Меркурий».

Стандартный «Редстоун» заправлялся смесью 25 процентов воды и 75 процентов этилового спирта с жидким кислородом (LOX) в качестве окислителя, ^[5] по сути, тем же топливом, что и Фау-2, но первая ступень «Юпитер-С» использовала гидиновое топливо. смесь 60 % несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и 40 % диэтилентриамина (ДЭТА). ^[6] Это было более мощное топливо, чем этиловый спирт, но оно также было более токсичным, ^[7] что могло быть опасным для астронавта в аварийной ситуации на стартовой площадке. ^[8] Кроме того, в новом двигателе А-7 никогда не использовался гидин. ^[9] Конструкторы Mercury-Redstone отказались от гидина и вернулись к стандартному топливу на основе этилового спирта. Таким образом, вместо использования более мощного топлива были необходимы удлиненные топливные баки. ^[10]

Использование спирта создало проблему с Mercury-Redstone, поскольку графитовые лопатки вектора тяги могли быть разрушены из-за значительно более длительного времени горения, поэтому НАСА выдвинуло требование, чтобы ракеты-носители нуждались в высококачественных лопатках.

Поскольку у Меркурия-Редстоуна были топливные баки большего размера, чем у ракеты Редстоун, был добавлен дополнительный баллон с азотом для наддува бака и дополнительный бак с перекисью водорода для питания турбонасоса из-за более длительного времени горения.

Самым важным изменением, сделавшим «Меркурий-Редстоун» подходящим транспортным средством для астронавтов, стало добавление автоматической системы обнаружения прерывания полета. ^[11] В чрезвычайной ситуации, когда ракета была на грани катастрофического отказа, прерывание активировало бы систему эвакуации при запуске , прикрепленную к капсуле Меркурия, которая быстро выбросила бы ее из ракеты-носителя. Либо астронавт, либо наземные диспетчеры могут инициировать прерывание вручную, ^[12] но некоторые потенциальные сбои во время полета могут привести к катастрофе до того, как прерывание можно будет запустить вручную. ^[13]

Автоматическая система обнаружения прерывания полета Mercury-Redstone решила эту проблему, отслеживая характеристики ракеты во время полета. Если бы он обнаружил аномалию, которая могла бы угрожать астронавту, например, потерю управления полетом, тяги двигателя или электроэнергии, он автоматически прервал бы работу, выключив двигатель и активировав систему эвакуации капсулы. ^[14] Система аварийного отключения не могла выключить двигатель в течение как минимум 30 секунд после старта, чтобы предотвратить падение неисправной ракеты-носителя на стартовую площадку или рядом с ней; в течение первых 30 секунд только офицер безопасности стрельбища мог прекратить полет. ^[15] Обзор полетных данных более чем 60 запусков Redstone и Jupiter C с 1953 года был использован для анализа наиболее вероятных режимов отказа этого семейства ракет-носителей. В целях простоты систему обнаружения прерывания нужно было сделать максимально простой и контролировать только те параметры, которые были жизненно важны для работы ускорителя. Автоматическое прерывание может быть вызвано любым из следующих условий, каждое из которых может указывать на катастрофическую неисправность ракеты-носителя:

Угол тангажа, рыскания или крена слишком сильно отклоняется от запрограммированного профиля полета, ^[16]
Угол тангажа или рыскания меняется слишком быстро, ^[17]
Давление в камере сгорания двигателя упало ниже критического уровня, ^[18]
Потеря электропитания системы управления полетом, ^[19] или
Потеря общего электропитания (включая питание самой системы обнаружения прерывания), что может указывать на катастрофический отказ. ^[20]

Возможность мгновенного прерывания была важна, поскольку определенные виды отказов, такие как потеря тяги при взлете (например, третий испытательный полет Редстоуна в мае 1954 года), могли привести к немедленной катастрофической ситуации. Другие режимы отказа, такие как отклонение от правильной траектории полета или падение давления в камере двигателя во время подъема, не обязательно представляли непосредственный риск для безопасности астронавта, и он мог либо инициировать прерывание вручную, потянув за рычаг в капсуле, чтобы активировать запуск. Система эвакуации или наземный контроль могли послать команду на ее активацию.

Система безопасности дальности была немного изменена: между выключением двигателя и уничтожением ракеты должна была происходить трехсекундная задержка, чтобы дать аварийной башне достаточно времени, чтобы оттащить капсулу. ^[21]

Наиболее заметное различие между первой ступенью «Юпитер-С» и «Меркурий-Редстоун» заключалось в секции чуть ниже капсулы «Меркурия» и над топливными баками. Эта секция была известна как кормовая секция — термин, унаследованный от военного Редстоуна. (Фактическая задняя часть ракеты называлась хвостовой частью .) В кормовой части размещалась большая часть электроники и приборов «Меркурия-Редстоуна», включая систему наведения, а также адаптер для капсулы «Меркурия». ^[22] В военном «Редстоуне» и первой ступени «Юпитера-С» при сгорании ракеты ее нижняя часть, содержащая ракетный двигатель и топливные баки, отделялась от кормовой части и выбрасывалась, а кормовая часть - с его система наведения будет направлять верхнюю половину ракеты во время ее баллистического полета без двигателя. Однако в «Меркурии-Редстоуне» кормовая часть была постоянно прикреплена к нижней части ракеты. ^[23] Когда ракета отключится, капсула «Меркурия» отделится от кормовой части и будет полагаться на собственное наведение.

Другие изменения были внесены для повышения надежности Mercury-Redstone. Стандартная инерциальная система наведения ST-80 Redstone была заменена в Mercury-Redstone более простым автопилотом LEV-3. LEV-3, конструкция которого восходит к немецкой ракете Фау-2 , не была такой сложной и точной, как ST-80, но она была достаточно точной для миссии «Меркурий», а ее простота делала ее более надежной. ^[24] В «кормовой части» был построен специальный приборный отсек для размещения наиболее важных приборов и электроники, включая систему наведения, системы прерывания и уничтожения, телеметрические приборы и источники электропитания. Чтобы снизить вероятность отказа этого оборудования, этот отсек перед запуском охлаждался и во время полета сохранялся под давлением. ^[25]

Топливные клапаны были удалены из «Меркурия-Редстоуна» в целях повышения надежности, поскольку, если они закроются во время запуска, может сработать состояние прерывания. Во время трех беспилотных полетов было обнаружено, что ракета «Меркурий-Редстоун» демонстрировала переходный процесс крена 8 ° в секунду против 4 ° для ракеты «Редстоун». Хотя это было ниже переходного процесса крена 12 ° в секунду, необходимого для запуска прерывания, датчик скорости крена был удален из двух полетов с экипажем, чтобы уменьшить вероятность случайного прерывания (ускоритель все еще сохранял датчик угла крена, который мог сработать). при 10°).

Оба корабля «Меркурий-Редстоун 1А» и «Меркурий-Редстоун 2» испытали чрезмерное ускорение в полете: первый из-за проблемы с акселерометром, второй из-за проблемы с регулятором LOX, который передавал в двигатель окислитель и приводил к прекращению тяги на 1,2 секунды раньше. . Система ASIS активировалась, и спасательная вышка отдернула капсулу, подвергнув Хэма , ее пассажира-шимпанзе, воздействию высоких перегрузок. Третий полет, «Меркурий-Редстоун BD» , был разработан как инженерное испытание, чтобы исправить эти проблемы, прежде чем ракету-носитель можно будет считать пилотируемой.

Пространство между герметичным приборным отсеком и капсулой изначально предназначалось для размещения парашютной системы восстановления ракеты, но после того, как от этой системы отказались, оно осталось пустым. Три беспилотных полета «Меркурий-Редстоун» продемонстрировали высокие уровни вибрации и структурный изгиб в области адаптера, поэтому полет Алана Шепарда включал в себя 340 фунтов пропитанного свинцом пластика в секции адаптера, а также дополнительные распорки и ребра жесткости. После того, как Шепард все еще сообщал о заметной вибрации во время запуска, ракета-носитель Гаса Гриссома включила в себя еще больше балласта. Ракета-носитель «Атлас», использовавшаяся для полетов на орбите Меркурия, также столкнулась с этой проблемой, но с более катастрофическими последствиями, поскольку « Меркурий-Атлас 1» был разрушен в полете из-за структурного разрушения, вызванного чрезмерным изгибом в месте соединения ракеты-носителя с адаптером капсулы. ^[26]

Всего в конструкцию «Редстоуна» в процессе адаптации для программы «Меркурий» было внесено около 800 модификаций. Процесс оценки Redstone был настолько обширным, что НАСА быстро обнаружило, что использовало не готовую ракету, а, по сути, совершенно новую, что, таким образом, сводило на нет все данные об оборудовании и летных испытаниях предыдущих Redstone и Jupiter. -C запускается. Это вызвало серию споров между командой фон Брауна в ABMA и НАСА, поскольку первая предпочитала просто сделать систему аварийного прерывания максимально надежной, чтобы гарантировать, что астронавт будет спасен из неисправной ракеты-носителя, в то время как вторая предпочитала максимально повысить надежность, чтобы свести к минимуму вероятность прерывания работы вообще.

Предлагаемая система восстановления парашюта

Конструкторы Mercury-Redstone изначально планировали, что ракета будет подниматься на парашюте после ее отделения от капсулы Mercury. Это была первая значительная попытка разработать возвращаемую ракету-носитель и первая, дошедшая до стадии испытаний. ^[27]

Система спасения в верхней части ракеты должна была использовать две ступени парашютов. На первом этапе один парашют диаметром 17 футов (5,2 м) должен был стабилизировать падение ракеты и замедлить ее спуск. Затем этот парашют вытянет набор из трех основных парашютов, каждый диаметром 67 футов (20 м). Ракета упадет в Атлантическом океане и будет поднята на корабль. ^[28]

Чтобы определить осуществимость этой системы, было проведено несколько испытаний полноразмерного Redstone, включая испытания на воздействие воды и плавучесть, а также учения в море, в ходе которых плавучий Redstone был подобран спасательным судном ВМФ. Все эти испытания показали работоспособность восстановления ракеты. ^{[29] Однако} дальнейшая разработка была остановлена из-за отсутствия финансирования, поэтому парашютная система не тестировалась. ^[30]

Рейсы

Рейсы Меркурий-Редстоун обозначались префиксом «MR-». Как ни странно, ускорители «Меркурий-Редстоун», использованные в этих полетах, обозначались одинаково, обычно разными номерами. Это обозначение можно увидеть на хвостовой части ракеты (обычно видно на изображениях в полном разрешении, см. таблицу ниже).

Две ракеты, МР-4 и МР-6, ни разу не летали. Хотя ходили слухи, что НАСА в самом начале проекта «Меркурий» намеревалось отправить каждого астронавта в суборбитальную миссию перед началом орбитальных полетов «Атласа», они закупили всего восемь ускорителей «Меркурий-Редстоун», один из которых был поврежден в неудачном MR-1. запущен и не использовался повторно, а другой использовался для полета MR-BD (исходное расписание предусматривало один беспилотный полет Меркурий-Редстоун, один полет шимпанзе и шесть полетов с экипажем). Поскольку полеты Алана Шепарда и Гаса Гриссома были успешными, а к концу лета 1961 года Советский Союз совершил два орбитальных космических полета с экипажем, необходимости продолжать миссии Редстоуна не было. ^[31]

Галерея

Меркурий-Редстоун перед испытательными стрельбами на испытательном стенде Редстоун в Центре космических полетов Маршалла, Алабама.
Менеджер проекта MSFC Mercury-Redstone Йоахим Кюттнер (слева) и представители центра принимают астронавта MR-4 Гаса Гриссома (6-й слева).
Предстартовые мероприятия MR-3 21 апреля 1961 года на базе LC-5 , мыс Канаверал , Флорида.
Запуск МР-3 5 мая 1961 г. (Шепард)
Монтаж разгонного блока МР-4 на ЛЦ-5
Запуск МР-4 21 июля 1961 г. (Гриссом)
На острове Мерритт, штат Флорида, в комплексе для посетителей Космического центра Кеннеди выставлена ракета «Меркурий-Редстоун».
Меркурий-Редстоун на стартовой площадке 5-го комплекса станции ВВС на мысе Канаверал.
Ракета Меркурий-Редстоун на выставке в Космическом центре Джонсона, Хьюстон, Техас.
Меркурий-Редстоун на Космо-острове Хакуи
Меркурий Редстоун на наземной спутниковой станции OTC, Карнарвон