El Atlas LV-3B , vehículo de lanzamiento Atlas D Mercury o vehículo de lanzamiento Mercury-Atlas , fue un sistema de lanzamiento prescindible con clasificación humana utilizado como parte del Proyecto Mercurio de los Estados Unidos para enviar astronautas a la órbita terrestre baja . Fabricado por Convair , derivó del misil SM-65D Atlas y era miembro de la familia de cohetes Atlas . Dado que el Atlas fue diseñado originalmente como un sistema de armas, se realizaron pruebas y cambios de 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 habían tripulado la nave espacial Mercury .
El Atlas LV-3B era un sistema de lanzamiento prescindible con clasificación humana utilizado como parte del Proyecto Mercurio de los Estados Unidos para enviar astronautas a la órbita terrestre baja . Fabricado por la empresa estadounidense de fabricación de aviones Convair , se deriva del misil SM-65D Atlas y era miembro de la familia de cohetes Atlas . [2] El misil Atlas D fue la elección natural para el Proyecto Mercurio, ya que era el único vehículo de lanzamiento en el arsenal de EE. UU. que podía poner la nave espacial en órbita y también tenía muchos vuelos desde los cuales recopilar datos.
El Atlas había sido diseñado originalmente como un sistema de armas, por lo que su diseño y confiabilidad no tenían por qué ser 100% perfectos, ya que los lanzamientos del Atlas con demasiada frecuencia terminaban en explosiones. Como tal, se tuvieron que tomar medidas significativas para evaluar humanamente el misil y hacerlo seguro y confiable, a menos que la NASA deseara pasar varios años desarrollando un vehículo de lanzamiento dedicado para programas tripulados o esperar a que el misil balístico intercontinental Titan II de próxima generación se convirtiera en Operacional. La configuración de etapa y media del Atlas se consideró preferible a la del Titán de dos etapas, ya que todos los motores se encendieron en el despegue, lo que facilitó 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 de Mercury fueron llevados a presenciar la segunda prueba del Atlas de la serie D, que explotó un minuto después del lanzamiento. Esta fue la quinta falla consecutiva total o parcial del Atlas y en ese momento el propulsor 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 calificar Atlas por humanos todavía estaban en la mesa de dibujo y Convair estimó que se alcanzaría un 75% de confiabilidad a principios de 1961 y un 85% de confiabilidad a finales de año. A pesar de los problemas de desarrollo del Atlas, la NASA tuvo la ventaja de llevar a cabo el Proyecto Mercurio simultáneamente con el programa de I+D del Atlas, que proporcionó numerosos vuelos de prueba para extraer datos y probar equipos modificados para Mercurio. [2]
Aparte de las modificaciones que se describen a continuación, Convair reservó una línea de montaje separada dedicada a los vehículos Mercury-Atlas que contaba con personal que recibió orientación y capacitación especiales sobre la importancia del programa espacial tripulado y la necesidad de un grado tan alto de calidad. mano de obra de calidad posible. Los componentes utilizados en los vehículos Mercury-Atlas se sometieron a pruebas exhaustivas para garantizar la calidad de fabricación y las condiciones operativas adecuadas; además, los componentes y subsistemas con horas de funcionamiento excesivas, rendimiento fuera de las especificaciones y registros de inspección cuestionables serían rechazados. Todos los componentes aprobados para el programa Mercury fueron asignados y almacenados 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 fue realizada por personal de Convair especialmente elegido por su experiencia, familiaridad con el hardware Atlas y que había demostrado una disposición y ética de trabajo favorables.
Los sistemas de propulsión utilizados para los vehículos Mercury se limitarían a los modelos Atlas estándar de la serie D de los motores Rocketdyne MA-2 que habían sido probados y se descubrió que tenían parámetros de rendimiento que coincidían estrechamente con las especificaciones de la NASA. La NASA decidió que la mejor opción de motores serían unidades con un rendimiento aproximadamente de nivel medio. Los motores con un rendimiento superior al promedio no se consideraban aceptables porque nadie podía determinar exactamente por qué un determinado conjunto de motores funcionaba de esa manera, por lo que se consideraba más seguro utilizar motores de rendimiento medio.
En su mayor parte, 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 Atlas estándar de la serie D debía conservarse tanto como fuera posible, por lo que no se utilizarían diversas mejoras realizadas en los últimos misiles Atlas. Se prefirieron varios equipos y procedimientos utilizados con los vehículos Mercury, aunque obsoletos y a menudo no los mejores o los más recientes, porque estaban probados y se entendían bien. Cualquier nuevo equipo o cambio de hardware realizado en los vehículos Mercury debía realizarse en al menos tres pruebas de I+D de Atlas antes de que la NASA aprobara su uso. A pesar del conservadurismo y la cautela con el diseño de los vehículos Mercury, a lo largo del cuarto siglo se produjeron una gran cantidad de cambios.+1 ⁄ años del programa a partir de las lecciones aprendidas y el énfasis en el control de calidad se hizo más estricto a medida que pasaba el tiempo; A los dos últimos vuelos de Mercury se les dio un nivel de pruebas e inspección previa al vuelo que era 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 su entrega en Cabo Cañaveral, sin componentes faltantes ni modificaciones/actualizaciones no programadas. Después de la entrega, se llevaría a cabo una inspección exhaustiva del propulsor y, antes del lanzamiento, se reuniría una junta de revisión de vuelo para aprobar que cada propulsor esté listo para volar. La junta de revisión llevaría a cabo una descripción general de todas las comprobaciones previas al lanzamiento y de las reparaciones/modificaciones de hardware. Además, se revisarían los vuelos de Atlas durante los últimos meses en los programas de la NASA y la Fuerza Aérea para garantizar que no se produzcan fallas que involucren ningún componente o procedimiento relevante para el Proyecto Mercurio.
El Programa de Garantía de Calidad de la NASA significó que cada vehículo Mercury-Atlas tardara el doble en fabricarse y ensamblarse que un Atlas diseñado para misiones no tripuladas y tres veces más en probarse y verificarse para el vuelo.
Un elemento central de estos esfuerzos fue el desarrollo del Sistema de Implementación y Detección de Abortos (ASIS), que detectaría fallas en los diversos componentes del Atlas y provocaría la interrupción del lanzamiento si fuera necesario. Se incorporó redundancia adicional; Si el propio ASIS fallara, la pérdida de poder también provocaría un aborto. El sistema ASIS se utilizó por primera vez en algunos vuelos de investigación y desarrollo de misiles Atlas y luego se voló en circuito abierto en Mercury-Atlas 1, lo que significa que ASIS podría generar una señal de aborto pero no enviar un comando de corte al sistema de propulsión. Se operó por primera vez en circuito cerrado en MA-3.
El sistema de escape de lanzamiento (LES) Mercury 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 fueron desechados durante el vuelo, un sistema de guía más sofisticado y tanques con globos inflados que requerían presión constante para no colapsar.
Big Joe y MA-1 no tenían torre de escape; la falla en vuelo de este último posiblemente se debió a que la falta del LES afectó negativamente su perfil aerodinámico, por lo que MA-2 llevaba una torre ficticia. Se llevó por primera vez un LES activo en el MA-3 (y acabó 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 falla más probables para los vehículos de la serie D; sin embargo, razones de simplicidad dictaron que solo se podía monitorear un número limitado de parámetros del propulsor. Un aborto podría desencadenarse por las siguientes condiciones, todas las cuales podrían ser indicativas de una falla catastrófica:
El sistema ASIS se consideró necesario porque algunas fallas de vuelo de los vehículos Atlas (por ejemplo, Atlas 6B) ocurrieron tan rápido que sería casi imposible para el astronauta reaccionar a tiempo para activar manualmente el LES. Otros modos de fallo, como una desviación de la trayectoria de vuelo correcta, no representaban necesariamente un peligro inmediato para la seguridad del astronauta y el vuelo podía interrumpirse manualmente.
No todas las modificaciones enumeradas a continuación se llevaron a cabo en todos los vuelos de Mercury y se realizaron numerosos cambios a lo largo del camino con el fin de mejorar o como resultado de los datos de vuelo obtenidos de 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 giroscopio 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 diferentes características aerodinámicas (el paquete de giroscopio Atlas D estándar aún se conservaba en el vehículo para el uso del ASIS). Mercury-Atlas 5 también agregó una nueva característica de confiabilidad: sensores de movimiento para garantizar el funcionamiento adecuado de los giroscopios antes del lanzamiento. Esta idea se concibió originalmente cuando el primer lanzamiento del Atlas B en 1958 se salió de control y se destruyó después de ser lanzado con un giroscopio de guiñada que no funcionaba, pero se incorporó gradualmente a los vehículos Atlas sólo de forma gradual. Otra prueba de misil Atlas en 1961 también se destruyó 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 fallo.
El sistema de seguridad de la autonomía también se modificó 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 para llevar la cápsula a un lugar seguro. Más específicamente, si se enviara el comando de destrucción de Range Safety, el sistema ASIS permitiría que pasara la señal de corte del motor, mientras bloqueaba la señal de destrucción durante tres segundos. La disminución en el rendimiento del motor sería 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 y destrucción del motor también se bloquearon durante los primeros 30 segundos del lanzamiento para evitar que un vehículo averiado cayera sobre la plataforma o alrededor de ella.
Los misiles Atlas de la serie D, así como las primeras variantes del SLV, llevaban el antiguo piloto automático electromecánico (conocido como 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 utilice el piloto automático "cuadrado" transistorizado más nuevo desarrollado para los misiles de las series E y F, y para el próximo vehículo Atlas-Centaur. Los primeros tres vehículos Mercury-Atlas todavía tenían el piloto automático redondo y se voló por primera vez en 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 Range Safety. Posteriormente, el programador del misil fue recuperado y examinado. Si bien no se identificó la causa exacta de la falla, se propusieron varias causas y se realizaron varias modificaciones al programador. En Mercury-Atlas 4, los altos niveles de vibración en vuelo dieron lugar a más modificaciones y finalmente funcionó perfectamente en Mercury-Atlas 5.
A partir de MA-3, un sistema de telemetría transistorizado más nuevo reemplazó a la antigua unidad basada en tubos de vacío, que era pesada, tenía un alto consumo de energía y tendía a sufrir desvanecimiento de la señal a medida que aumentaba la altitud del vehículo. Como ocurre con la mayoría de las configuraciones SLV del Atlas, los vehículos Mercury llevaban sólo un paquete de telemetría, mientras que las pruebas de misiles de I+D tenían tres.
La antena guía se modificó para reducir la interferencia de la señal.
Los vehículos Mercury-Atlas utilizaron la válvula de evaporación del Atlas 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 repetido en las pruebas de encendido estático de los motores MA-2 y también causó la explosión 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 sobre la almohadilla durante unos momentos después del encendido para garantizar un empuje suave. Los motores también usarían 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 usaron arranques en seco, sin líquido en los tubos del motor). Si el refuerzo no superaba la verificación, se apagaría automáticamente. A finales de 1961, después de que un tercer misil (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 desconcertados y un encendedor hipergólico en lugar del método pirotécnico , pero la NASA no estaba dispuesta a poner en peligro a John. El próximo vuelo de Glenn con estas modificaciones no probadas, por lo que se negó a instalarlas en el propulsor del Mercury-Atlas 6. Como tal, ese y el vuelo de Scott Carpenter en MA-7 utilizaron el antiguo sistema de propulsión Atlas 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 inestabilidad de combustión de alta frecuencia, en lo que se conocía como el efecto "pista de carreras", donde el propulsor ardiendo giraba alrededor del cabezal del inyector, destruyéndolo eventualmente por las ondas de choque. En los lanzamientos de Atlas 51D y 48D, las fallas fueron causadas por una combustión brusca de bajo orden que rompió el cabezal del inyector y la cúpula LOX, provocando un incendio en la sección de empuje que eventualmente condujo a la pérdida completa del misil. La razón exacta de las fallas consecutivas por inestabilidad de la combustión en 51D y 48D no se determinó con certeza, aunque se propusieron varias causas. Este problema se resolvió instalando deflectores en el cabezal del inyector para romper el remolino del propulsor, a expensas de algo de rendimiento, ya que los deflectores añadían peso adicional y reducían el número de orificios del inyector a través de los cuales se pulverizaban los propulsores. Las lecciones aprendidas con el programa Atlas resultaron posteriormente 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 SECO se realizara a tiempo y cuando se le 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 MA-7 tenían aislamiento de espuma en el mamparo intermedio para evitar que el LOX súper frío provocara 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 constituir un impedimento durante el servicio de los propulsores en el campo. La NASA envió un memorando a GD/A solicitando que los vehículos Mercury-Atlas posteriores no incluyan aislamiento de mamparo.
A principios de 1962, dos pruebas de motores estáticos y un lanzamiento (Misil 11F) fueron víctimas de explosiones de turbobombas LOX causadas por el roce de las palas del impulsor contra la carcasa metálica de la bomba y creando una chispa de fricción. Esto sucedió después de más de tres años de vuelos del Atlas sin ningún problema con la turbobomba y no estaba claro por qué ocurrió el roce, pero todos los episodios ocurrieron cuando la válvula de entrada del sustentador se movía a la posición "abierta" lista para volar y mientras se ejecutaba hardware no probado. modificaciones. Además, el Atlas 113D, el propulsor utilizado para el vuelo de Wally Schirra, recibió una prueba PFRT (prueba de preparación previa al vuelo) para verificar el correcto funcionamiento del sistema de propulsión. En MA-9, se agregó un revestimiento de plástico al interior de las bombas para evitar que este modo de falla se repita.
Los vehículos Mercury utilizaban un sistema neumático Atlas estándar de la serie D, aunque se realizaron estudios sobre la causa de la fluctuación de presión del tanque que se sabía que ocurría bajo ciertas condiciones de carga útil. Estos estudios encontraron que el regulador de helio utilizado en los primeros vehículos de la serie D tenía una tendencia a inducir vibraciones resonantes durante el lanzamiento, pero desde entonces se habían realizado varias modificaciones en el sistema neumático, incluido el uso de un modelo de regulador más nuevo que no producía esta efecto.
El flujo de helio al tanque LOX en los vehículos Mercury se limitó a 1 libra por segundo. Este cambio se realizó después de que el Atlas 81D, una prueba del COI de VAFB, fuera destruido en vuelo debido a un mal funcionamiento que provocó que el regulador de presurización sobrepresurizara el tanque hasta que se rompiera.
El sistema hidráulico de los vehículos Mercury era una configuración Atlas estándar de la serie D. El acumulador solo vernier se eliminó porque los vehículos Mercury no realizaban el modo solo vernier. Se activó un interruptor de presión hidráulica en MA-7 y se señaló una señal de aborto errónea, por lo que en los vehículos posteriores se agregó aislamiento adicional ya que se pensaba que las bajas temperaturas de las líneas LOX lo habían activado.
En el caso de que el sistema de guía no emitiera el comando de corte discreto al motor sustentador y se quemara hasta agotar el propulsor, existía la posibilidad de un apagado rico en LOX que podría provocar daños a los componentes del motor debido a las altas temperaturas. Por razones de seguridad, el sistema PU se modificó para aumentar el flujo de LOX al motor sustentador diez segundos antes que SECO. Esto fue para garantizar que el suministro de LOX se agotara por completo en SECO y evitar un cierre rico en LOX. El sistema PU se configuró en la configuración Atlas C a través de MA-6 en aras de la confiabilidad, y la configuración estándar de PU de la serie D no se utilizó hasta MA-7.
Los propulsores de Big Joe y MA-1 tenían un revestimiento de calibre más grueso en el tanque de combustible, pero el tanque LOX usaba el revestimiento estándar de misiles de la serie D. Después de la pérdida de este último vehículo en vuelo, la NASA determinó que el revestimiento estándar del tanque LOX era insuficiente y solicitó que se hiciera más grueso. El Atlas 100D sería el primer propulsor de revestimiento grueso entregado, mientras que el propulsor MA-2 (67D), que todavía era un modelo de revestimiento fino, tuvo que estar 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 el MA-3. Recibió su inspección de fábrica en septiembre de 1960, pero poco después, salieron a la luz los hallazgos posteriores al vuelo del MA-1, lo que llevó a que el 77D fuera retirado del mercado y reemplazado por el 100D.
El revestimiento del tanque LOX se engrosó aún más en el MA-7 ya que los vuelos operativos Mercury llevaban más equipos y consumibles que los de I+D y el peso de las cápsulas iba aumentando.
La fase individual de vernier, que se utilizaría en los misiles balísticos intercontinentales para ajustar la velocidad del misil después del corte del sustentador, fue eliminada del programa de guía en aras de la simplicidad, así como de un mejor rendimiento y 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 completamente rediseñadas para garantizar la máxima intensidad de la señal. Los motores de cohetes posgrados en la parte superior del Atlas, diseñados para alejar el misil gastado de la ojiva, fueron trasladados a la propia cápsula Mercury. Esto también requirió agregar un escudo aislante de fibra de vidrio a la cúpula del tanque LOX para que los motores del cohete no la rompieran.
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 había activado. Sin embargo, en algunos vuelos, el propulsor desarrolló suficiente movimiento de balanceo como para desencadenar potencialmente una condición de aborto si hubiera sido un lanzamiento con tripulación. Aunque el escape de la turbina del Atlas impartía algo de balanceo de forma natural, 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 tenía 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 de los motores individuales no se correlacionaron, se determinó que compensar la alineación de los motores propulsores 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 momentáneos de balanceo 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 sin tripulación, tres en vuelos de prueba orbitales sin tripulación 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]
Voló por primera vez el 29 de julio de 1960, realizando el vuelo de prueba suborbital Mercury-Atlas 1 . El cohete sufrió una falla estructural poco después del lanzamiento y, como resultado, no logró colocar la nave espacial en la trayectoria prevista. [5] Además del vuelo inaugural, también fracasó el primer lanzamiento orbital, el Mercury-Atlas 3 . Esta falla se debió a un problema con el sistema de guía que no ejecutaba los comandos de cabeceo y balanceo, lo que requirió que el Oficial de Seguridad del Campo destruyera el vehículo. La nave espacial se separó mediante su sistema de escape de lanzamiento y fue recuperada a 1,8 kilómetros (1,1 millas) de la plataforma de lanzamiento.
Se planeó una nueva serie de lanzamientos de Mercury, que habrían utilizado LV-3B adicionales; sin embargo, estos vuelos fueron cancelados tras el éxito de las misiones iniciales a Mercurio. [6] El último lanzamiento del LV-3B se realizó el 15 de mayo de 1963, para el lanzamiento del Mercury-Atlas 9 . La NASA originalmente planeó usar vehículos LV-3B sobrantes para lanzar vehículos Gemini-Agena Target; sin embargo, un aumento en la financiación durante 1964 significó que la agencia podía permitirse comprar vehículos Atlas SLV-3 nuevos, por lo que la idea fue descartada. [7]