El Atlas LV-3B , vehículo de lanzamiento Atlas D Mercury o vehículo de lanzamiento Mercury-Atlas , fue un sistema de lanzamiento desechable apto para humanos utilizado como parte del Proyecto Mercury de los Estados Unidos para enviar astronautas a la órbita baja de la Tierra . Fabricado por Convair , se derivó del misil Atlas SM-65D y fue miembro de la familia de cohetes Atlas . Como el Atlas se diseñó originalmente como un sistema de armas, se realizaron cambios de prueba y diseño en el misil para convertirlo en un vehículo de lanzamiento seguro y confiable. Después de que se realizaron y aprobaron los cambios, Estados Unidos lanzó el LV-3B nueve veces, cuatro de las cuales tenían naves espaciales Mercury tripuladas .
El Atlas LV-3B fue un sistema de lanzamiento descartable apto para humanos utilizado como parte del Proyecto Mercury de los Estados Unidos para enviar astronautas a la órbita baja de la Tierra . Fabricado por la empresa de fabricación de aviones estadounidense Convair , se derivó del misil Atlas SM-65D y fue miembro de la familia de cohetes Atlas . [2] El misil Atlas D fue la elección natural para el Proyecto Mercury, ya que era el único vehículo de lanzamiento en el arsenal estadounidense que podía poner la nave espacial en órbita y también tenía muchos vuelos de los que recopilar datos.
El Atlas había sido diseñado originalmente como un sistema de armas, por lo que su diseño y fiabilidad no tenían por qué ser necesariamente 100% perfectos, ya que los lanzamientos del Atlas con demasiada frecuencia terminaban en explosiones. Por ello, se tuvieron que tomar medidas importantes para evaluar la capacidad de respuesta humana del misil para que fuera seguro y fiable, a menos que la NASA quisiera pasar varios años desarrollando un vehículo de lanzamiento dedicado a programas tripulados o esperar a que el misil balístico intercontinental Titan II de próxima generación estuviera operativo. La configuración de etapa y media del Atlas se consideró preferible al Titan de dos etapas, ya que todos los motores se encendían en el despegue, lo que facilitaba la prueba de problemas de hardware durante las comprobaciones previas al lanzamiento. [3]
Poco después de ser elegidos para el programa a principios de 1959, los astronautas del Mercury fueron llevados a ver la segunda prueba del Atlas de la serie D, que explotó un minuto después del lanzamiento. Esta fue la quinta falla completa o parcial consecutiva del Atlas y el cohete en ese momento no era lo suficientemente confiable como para transportar una ojiva nuclear o un satélite no tripulado, y mucho menos un pasajero humano. Los planes para que el Atlas fuera apto para humanos todavía estaban en la mesa de dibujo y Convair estimó que se lograría una confiabilidad del 75% a principios de 1961 y del 85% a fines de año. A pesar de los problemas de desarrollo del Atlas, la NASA tuvo la ventaja de realizar el Proyecto Mercury simultáneamente con el programa de I+D del Atlas, lo que proporcionó muchos vuelos de prueba para extraer datos, así como para probar equipos modificados para el Mercury. [2]
Además de las modificaciones que se describen a continuación, Convair reservó una línea de montaje independiente dedicada a los vehículos Mercury-Atlas, que contaba con personal que recibió orientación y formación especiales sobre la importancia del programa espacial tripulado y la necesidad de un nivel de calidad de fabricación lo más alto posible. Los componentes utilizados en los vehículos Mercury-Atlas se sometieron a pruebas exhaustivas para garantizar la calidad de fabricación y el estado operativo adecuados; además, se rechazaron los componentes y subsistemas con horas de funcionamiento excesivas, rendimiento fuera de las especificaciones y registros de inspección cuestionables. Todos los componentes aprobados para el programa Mercury se marcaron y almacenaron por separado del hardware destinado a otros programas Atlas y se realizaron procedimientos de manipulación especiales para protegerlos de daños. La inspección de fábrica de los vehículos Mercury estuvo a cargo de personal de Convair especialmente elegido por su experiencia, familiaridad con el hardware Atlas y que había demostrado una disposición favorable y ética de trabajo.
Los sistemas de propulsión utilizados para los vehículos Mercury se limitarían a los modelos Atlas de la serie D estándar de los motores Rocketdyne MA-2, que habían sido probados y se había comprobado que tenían parámetros de rendimiento que coincidían estrechamente con las especificaciones de la NASA. La NASA decidió que la mejor opción de motores serían las unidades con un rendimiento de nivel medio. Los motores con un rendimiento superior al promedio no se consideraban aceptables porque nadie podía determinar exactamente por qué un conjunto determinado de motores funcionaba de la manera en que lo hacía, por lo que se consideró que lo más seguro era utilizar motores de rendimiento medio.
En general, la NASA prefirió ser conservadora con los vehículos Mercury y evitar modificarlos más de lo necesario. Las modificaciones al Atlas se limitarían en gran medida a aquellas que mejoraran la seguridad del piloto y la configuración estándar del Atlas de la serie D se conservaría tanto como fuera posible, por lo que no se utilizarían las diversas mejoras realizadas a los últimos misiles Atlas. Varios equipos y procedimientos utilizados con los vehículos Mercury, aunque obsoletos y a menudo no los mejores ni los más recientes, fueron preferidos porque estaban probados y bien comprendidos. Cualquier nuevo equipo o cambio de hardware realizado en los vehículos Mercury tenía que volar en al menos tres pruebas de I+D del Atlas antes de que la NASA aprobara su uso. A pesar del conservadurismo y la cautela con los que se diseñó los vehículos Mercury, se produjo una gran cantidad de cambios a lo largo de los cuatro años.+1 ⁄ 2 año del programa a partir de las lecciones aprendidas y el énfasis en el control de calidad se hizo más estricto con el paso del tiempo; los últimos dos vuelos de Mercury recibieron un nivel de pruebas e inspección previa al vuelo inaudito cuando Big Joe voló en 1959.
Todos los vehículos de lanzamiento tendrían que estar completos y totalmente listos para volar en el momento de la entrega en Cabo Cañaveral, sin componentes faltantes ni modificaciones o actualizaciones no programadas. Después de la entrega, se realizaría una inspección exhaustiva del cohete y, antes del lanzamiento, se reuniría una junta de revisión de vuelo para aprobar que cada cohete esté listo para volar. La junta de revisión realizaría una revisión general de todas las comprobaciones previas al lanzamiento y las reparaciones o modificaciones del hardware. Además, se revisarían los vuelos de Atlas de los últimos meses en los programas de la NASA y de la Fuerza Aérea para asegurarse de que no se produjeran fallas que afectaran a ningún componente o procedimiento relevante para el Proyecto Mercury.
El Programa de Garantía de Calidad de la NASA significó que cada vehículo Mercury-Atlas tardó el doble de tiempo en fabricarse y ensamblarse que un Atlas diseñado para misiones sin tripulación, y el triple de tiempo en probarse y verificarse para el vuelo.
Un aspecto central de estos esfuerzos fue el desarrollo del Sistema de Detección e Implementación de Abortos (ASIS), que detectaría fallas en los diversos componentes del Atlas y activaría un aborto del lanzamiento si fuera necesario. Se incorporó una redundancia adicional; si el propio ASIS fallaba, la pérdida de energía también activaría un aborto. El sistema ASIS se utilizó primero en algunos vuelos de investigación y desarrollo de misiles Atlas, y luego se utilizó en circuito abierto en el Mercury-Atlas 1, lo que significa que el ASIS podía generar una señal de aborto pero no enviar una orden de corte al sistema de propulsión. Se utilizó en circuito cerrado en el MA-3 por primera vez.
El sistema de escape de lanzamiento Mercury (LES) utilizado en los lanzamientos de Redstone y Atlas era idéntico, pero el sistema ASIS variaba considerablemente entre los dos propulsores, ya que Atlas era un vehículo mucho más grande y complejo con cinco motores, dos de los cuales se desechaban durante el vuelo, un sistema de guía más sofisticado y tanques de globo inflados que requerían presión constante para no colapsar.
Big Joe y MA-1 no tenían torre de escape, el fallo en vuelo de este último se debió posiblemente a la falta de LES, lo que afectó negativamente a su perfil aerodinámico, por lo que MA-2 llevaba una torre de prueba. Por primera vez se llevó una LES activa en MA-3 (y terminó demostrando su funcionalidad en una prueba no planificada).
Los datos de las pruebas de vuelo de Atlas se utilizaron para elaborar una lista de los modos de fallo más probables de los vehículos de la serie D, pero por razones de simplicidad solo se pudo controlar un número limitado de parámetros del propulsor. Un aborto podría ser provocado por las siguientes condiciones, todas las cuales podrían ser indicativas de un fallo catastrófico:
El sistema ASIS se consideró necesario porque algunas fallas de vuelo de los vehículos Atlas (por ejemplo, Atlas 6B) ocurrían tan rápido que sería casi imposible para el astronauta reaccionar a tiempo para activar manualmente el LES. Otros tipos de falla, como una desviación de la trayectoria de vuelo correcta, no necesariamente representaban un peligro inmediato para la seguridad del astronauta y el vuelo podía abortarse manualmente.
No todas las modificaciones que se enumeran a continuación se llevaron a cabo en todos los vuelos de Mercury y se realizaron numerosos cambios a lo largo del proceso con el fin de mejorar o como resultado de los datos de vuelo obtenidos de los lanzamientos fallidos de Atlas. Los procedimientos de control de calidad y verificación también mejoraron y se volvieron más detallados a lo largo del programa.
El paquete de giroscopios de velocidad se colocó mucho más cerca de la sección delantera del tanque LOX debido a que la combinación Mercury/LES era considerablemente más larga que una ojiva y, por lo tanto, producía características aerodinámicas diferentes (el paquete de giroscopios Atlas D estándar todavía se mantuvo en el vehículo para el uso del ASIS). El Mercury-Atlas 5 también agregó una nueva característica de confiabilidad: sensores de movimiento para garantizar el funcionamiento correcto de los giroscopios antes del lanzamiento. Esta idea se había concebido originalmente cuando el primer lanzamiento del Atlas B en 1958 se salió de control y se destruyó a sí mismo después de ser lanzado con un giroscopio de guiñada que no funcionaba, pero se incorporó a los vehículos Atlas solo de forma gradual. Otra prueba de misiles Atlas en 1961 también se destruyó a sí misma durante el lanzamiento, en ese caso porque la velocidad del motor del giroscopio era demasiado baja. Los sensores de movimiento eliminarían así este modo de falla.
El sistema de seguridad de alcance también fue modificado para el programa Mercury. Habría un retraso de tres segundos entre el apagado del motor y la activación de las cargas de destrucción para darle tiempo al LES de llevar la cápsula a un lugar seguro. Más específicamente, si se enviaba el comando de destrucción de seguridad de alcance, el sistema ASIS permitiría que la señal de apagado del motor pasara, mientras bloqueaba la señal de destrucción durante tres segundos. La disminución en el rendimiento del motor sería entonces detectada por el ASIS, que activaría el LES, después de lo cual la señal de destrucción se desbloquearía y destruiría el vehículo de lanzamiento. Los comandos de apagado del motor y de destrucción también se bloquearon durante los primeros 30 segundos del lanzamiento para evitar que un vehículo averiado cayera sobre la plataforma o sus alrededores.
Los misiles Atlas de la serie D, así como las primeras variantes del SLV, llevaban el antiguo piloto automático electromecánico (conocido como el piloto automático "redondo" debido a la forma de los contenedores en los que se alojaban sus componentes principales), pero en los vehículos Mercury se decidió utilizar el nuevo piloto automático "cuadrado" transistorizado desarrollado para los misiles de las series E y F, y para el futuro vehículo Atlas-Centaur. Los tres primeros vehículos Mercury-Atlas todavía tenían el piloto automático redondo y se voló por primera vez en el Mercury-Atlas 3, pero falló desastrosamente cuando el propulsor no realizó la maniobra de cabeceo programada y tuvo que ser destruido por la acción de seguridad de alcance. Posteriormente, se recuperó y examinó el programador del misil. Si bien no se identificó la causa exacta de la falla, se propusieron varias causas y se realizaron varias modificaciones al programador. En el Mercury-Atlas 4, los altos niveles de vibración en vuelo dieron lugar a más modificaciones y finalmente funcionó perfectamente en el Mercury-Atlas 5.
A partir del MA-3, un nuevo sistema de telemetría transistorizado reemplazó a la antigua unidad basada en tubos de vacío, que era pesada, tenía un alto consumo de energía y tendía a sufrir pérdida de señal a medida que aumentaba la altitud del vehículo. Como en la mayoría de las configuraciones SLV de Atlas, los vehículos Mercury llevaban solo un paquete de telemetría, mientras que las pruebas de misiles de I+D tenían tres.
Se modificó la antena de guía para reducir la interferencia de la señal.
Los vehículos Mercury-Atlas utilizaron la válvula de evaporación del Atlas de la serie C en lugar de la válvula estándar de la serie D por razones de confiabilidad y ahorro de peso.
La inestabilidad de la combustión fue un problema recurrente en las pruebas de encendido estático de los motores MA-2 y también había causado la explosión en la plataforma de dos vehículos Atlas a principios de 1960. Por lo tanto, se decidió instalar sensores adicionales en los motores para monitorear los niveles de combustión y el propulsor también se mantendría presionado en la plataforma durante unos momentos después del encendido para garantizar un empuje suave. Los motores también utilizarían un "arranque húmedo", lo que significa que los tubos del motor contendrían un fluido inerte para actuar como amortiguador (las dos pruebas de vuelo fallidas del Atlas D utilizaron arranques en seco, sin fluido en los tubos del motor). Si el propulsor fallaba la prueba, se apagaría automáticamente. A finales de 1961, después de que un tercer misil (el 27E) explotara en la plataforma debido a la inestabilidad de la combustión, Convair desarrolló un sistema de propulsión significativamente mejorado que incluía inyectores de combustible con deflectores y un encendedor hipergólico en lugar del método pirotécnico , pero la NASA no estaba dispuesta a poner en peligro el próximo vuelo de John Glenn con estas modificaciones no probadas y, por lo tanto, se negó a instalarlas en el propulsor del Mercury-Atlas 6. Por lo tanto, ese vuelo y el de Scott Carpenter en el MA-7 utilizaron el sistema de propulsión Atlas de estilo antiguo y la nueva variante no se empleó hasta el vuelo de Wally Schirra a finales de 1962.
Las pruebas estáticas de los motores Rocketdyne habían producido una inestabilidad de combustión de alta frecuencia, en lo que se conocía como el efecto "pista de carreras", en el que el propulsor en llamas giraba alrededor de la cabeza del inyector y acababa destruyéndola por las ondas de choque. En los lanzamientos de Atlas 51D y 48D, las fallas se debían a una combustión irregular de bajo orden que rompió la cabeza del inyector y la cúpula de LOX, lo que provocó un incendio en la sección de empuje que condujo a la pérdida total del misil. La razón exacta de las fallas consecutivas de inestabilidad de combustión en 51D y 48D no se determinó con certeza, aunque se propusieron varias causas. Este problema se resolvió instalando deflectores en la cabeza del inyector para romper el remolino de propulsor, a expensas de cierto rendimiento, ya que los deflectores añadían peso adicional y reducían el número de orificios de los inyectores por los que se rociaban los propulsores. Las lecciones aprendidas con el programa Atlas resultaron más tarde vitales para el desarrollo del motor Saturn F-1, mucho más grande.
Se agregó redundancia al circuito eléctrico del sistema de propulsión para garantizar que la SECO se realizara a tiempo y cuando se lo ordenara. El sistema de alimentación de combustible LOX recibió redundancia de cableado adicional para garantizar que las válvulas de propulsor se abrieran en la secuencia adecuada durante el arranque del motor.
Los vehículos Mercury hasta el MA-7 tenían un aislamiento de espuma en el mamparo intermedio para evitar que el oxígeno líquido súper frío hiciera que el RP-1 se congelara. Durante las reparaciones del MA-6 antes del vuelo de John Glenn, se decidió quitar el aislamiento por ser innecesario y un impedimento durante el mantenimiento de los cohetes en el campo. La NASA envió un memorando a GD/A solicitando que los vehículos Mercury-Atlas posteriores no incluyeran aislamiento en el mamparo.
A principios de 1962, dos pruebas estáticas de motores y un lanzamiento (Missile 11F) fueron víctimas de explosiones de turbobombas LOX causadas por el roce de las aspas del impulsor contra la carcasa metálica de la bomba y la creación de una chispa de fricción. Esto sucedió después de más de tres años de vuelos de Atlas sin ningún problema con la turbobomba y no estaba claro por qué se produjo el roce, pero todos los episodios de esto sucedieron cuando la válvula de entrada del sustentador se estaba moviendo a la posición "abierta" lista para el vuelo y mientras se realizaban modificaciones de hardware no probadas. Además, el Atlas 113D, el propulsor utilizado para el vuelo de Wally Schirra, recibió una PFRT (prueba de preparación previa al vuelo) para verificar el funcionamiento adecuado del sistema de propulsión. En el MA-9, se agregó un revestimiento de plástico al interior de las bombas para evitar que se repitiera este modo de falla.
Los vehículos Mercury utilizaban un sistema neumático Atlas de la serie D estándar, aunque se realizaron estudios sobre la causa de la fluctuación de la presión del tanque que se sabía que ocurría bajo ciertas condiciones de carga útil. Estos estudios descubrieron que el regulador de helio utilizado en los primeros vehículos de la serie D tenía una tendencia a inducir una vibración resonante durante el lanzamiento, pero desde entonces se habían realizado varias modificaciones al sistema neumático, incluido el uso de un regulador de modelo más nuevo que no producía este efecto.
El flujo de helio al tanque de oxígeno líquido de los vehículos Mercury se limitó a 1 libra por segundo. Este cambio se realizó después de que el Atlas 81D, una prueba de IOC de VAFB, fuera destruido en vuelo debido a un mal funcionamiento que provocó que el regulador de presurización sobrepresurizara el tanque hasta que se rompió.
El sistema hidráulico de los vehículos Mercury era una configuración Atlas de la serie D estándar. El acumulador Vernier Solo se eliminó porque los vehículos Mercury no tenían el modo Vernier Solo. Se activó un interruptor de presión hidráulica en el MA-7 y marcó una señal de interrupción errónea, por lo que en los vehículos posteriores se agregó aislamiento adicional porque se pensó que las bajas temperaturas de las líneas LOX lo habían activado.
En caso de que el sistema de guía no emitiera la orden de corte discreto al motor sustentador y este se quemara hasta agotar el combustible, existía la posibilidad de un apagado por LOX, lo que podría provocar daños a los componentes del motor debido a las altas temperaturas. Por razones de seguridad, el sistema de PU se modificó para aumentar el flujo de LOX al motor sustentador diez segundos antes de la SECO. Esto era para garantizar que el suministro de LOX se agotara por completo en la SECO y evitar un apagado por LOX. El sistema de PU se instaló en la configuración Atlas C hasta la MA-6 en aras de la confiabilidad; la configuración estándar de PU de la serie D no se utilizó hasta la MA-7.
Los propulsores de Big Joe y MA-1 tenían un revestimiento más grueso en el tanque de combustible, pero el tanque de LOX usaba el revestimiento estándar de los misiles de la serie D. Después de la pérdida de este último vehículo en vuelo, la NASA determinó que el revestimiento estándar del tanque de LOX era insuficiente y solicitó que se hiciera más grueso. El Atlas 100D sería el primer propulsor de revestimiento grueso entregado, mientras que, mientras tanto, el propulsor de MA-2 (67D), que todavía era un modelo de revestimiento fino, tuvo que ser equipado con una banda de refuerzo de acero en la interfaz entre la cápsula y el propulsor. Según los planes originales, el Atlas 77D iba a ser el propulsor utilizado para MA-3. Recibió su inspección de lanzamiento de fábrica en septiembre de 1960, pero poco después, se conocieron los hallazgos posteriores al vuelo para MA-1, lo que llevó a que el 77D de revestimiento fino fuera retirado y reemplazado por el 100D.
La piel del tanque LOX se engrosó aún más en el MA-7 a medida que los vuelos operativos de Mercury transportaban más equipos y consumibles que los de I+D y el peso de la cápsula estaba creciendo.
La fase de solo vernier, que se utilizaría en los misiles balísticos intercontinentales para ajustar con precisión la velocidad del misil después del corte del sustentador, fue eliminada del programa de guía en aras de la simplicidad, así como de mejorar el rendimiento y la capacidad de elevación. Dado que los vuelos orbitales requerían una trayectoria de vuelo extremadamente diferente a la de los misiles, las antenas de guía tuvieron que ser rediseñadas por completo para garantizar la máxima intensidad de la señal. Los motores de cohetes posígrados en la parte superior del Atlas, diseñados para empujar el misil gastado lejos de la ojiva, se trasladaron a la propia cápsula Mercury. Esto también requirió agregar un escudo aislante de fibra de vidrio a la cúpula del tanque LOX para que no se rompiera por los motores de cohetes.
Un fenómeno común y normalmente inofensivo en los vehículos Atlas era la tendencia del propulsor a desarrollar un ligero balanceo en los primeros segundos después del despegue debido a que el piloto automático aún no se activaba. Sin embargo, en algunos vuelos, el propulsor desarrolló suficiente movimiento de balanceo como para potencialmente provocar una condición de aborto si hubiera sido un lanzamiento tripulado. Aunque algo de balanceo fue impartido naturalmente por el escape de la turbina del Atlas, esto no podía explicar todo el problema, que en cambio tenía más que ver con la alineación del motor. Los datos de aceptación del proveedor de motores (Rocketdyne) mostraron que un grupo de 81 motores tuvo un movimiento de balanceo promedio en la misma dirección de aproximadamente la misma magnitud que el experimentado en vuelo. Aunque los datos del banco de pruebas de aceptación y la experiencia de vuelo en motores individuales no se correlacionaron, se determinó que compensar la alineación de los motores del propulsor podría contrarrestar este movimiento de balanceo y minimizar la tendencia al balanceo en el despegue. Después de que el vuelo Mercury de Schirra experimentara problemas de balanceo momentáneos al principio del lanzamiento, el cambio se incorporó al propulsor de Gordon Cooper en el MA-9.
Se lanzaron nueve LV-3B, dos en vuelos de prueba suborbitales no tripulados, tres en vuelos de prueba orbitales no tripulados y cuatro con naves espaciales Mercury tripuladas . [4] [1] Los lanzamientos del Atlas LV-3B se realizaron desde el Complejo de Lanzamiento 14 en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral , Florida. [4]
El primer vuelo tuvo lugar el 29 de julio de 1960, durante el vuelo de prueba suborbital Mercury-Atlas 1. El cohete sufrió un fallo estructural poco después del lanzamiento y, como resultado, no logró colocar la nave espacial en la trayectoria prevista. [5] Además del vuelo inaugural, el primer lanzamiento orbital, Mercury-Atlas 3, también falló. Este fallo se debió a un problema con el sistema de guía que no pudo ejecutar los comandos de cabeceo y balanceo, lo que obligó al oficial de seguridad de campo a destruir el vehículo. La nave espacial se separó por medio de su sistema de escape de lanzamiento y fue recuperada a 1,8 kilómetros (1,1 millas) de la plataforma de lanzamiento.
Se planeó una serie adicional de lanzamientos de Mercury, que habrían utilizado LV-3B adicionales; sin embargo, estos vuelos se cancelaron después del éxito de las misiones Mercury iniciales. [6] El último lanzamiento de LV-3B se realizó el 15 de mayo de 1963, para el lanzamiento de Mercury-Atlas 9. La NASA originalmente planeó usar vehículos LV-3B sobrantes para lanzar vehículos objetivo Gemini-Agena, sin embargo, un aumento en la financiación durante 1964 significó que la agencia podía permitirse comprar vehículos Atlas SLV-3 completamente nuevos, por lo que la idea fue descartada. [7]
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