Как они это сделали? Тестирование ракеты Saturn V
Введение
Saturn V была самой большой и мощной ракетой из когда-либо построенных. Ее высота составляла 363 фута (111 метров), а общая масса на старте составляла около 6,5 миллионов фунтов (2,9 миллиона килограммов). Это примерно высота 36-этажного здания и вес 400 слонов.
Ракета-носитель большой грузоподъемности Saturn V сыграла ключевую роль в лунных миссиях Apollo, доставив все шесть пилотируемых миссий на Луну, включая первую высадку на Луну в 1969 году. По состоянию на 2023 год она остается единственной ракетой, которая вывела людей за пределы околоземной орбиты. Двухступенчатая версия использовалась для запуска космической станции Skylab в 1973 году — это был последний Saturn V, который когда-либо летал. Несколько часов спустя ракета Saturn 1B также использовалась для запуска меньшей части Skylab на орбиту. Saturn V был разработан в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА, расположенном в Хантсвилле, штат Алабама, на юго-востоке Америки.
Помимо пяти мощных двигателей F-1, технологические достижения Saturn V включали многоступенчатую конструкцию и сложные системы наведения и управления. Сочетание стольких новаторских технологий в одном, критически важном для миссии транспортном средстве требовало испытательного режима, который был бы по крайней мере столь же сложным и строгим. Соответственно, инженеры NASA разработали комплексную программу испытаний, чтобы гарантировать его надежность и производительность.
Saturn V был огромным предприятием, слишком большим для любой компании в одиночку. Поэтому NASA передало работу по контракту лучшим и крупнейшим американским аэрокосмическим компаниям, назвав их главными подрядчиками. Были задействованы десятки второстепенных подрядчиков и сотни более мелких. В общей сложности 20 тысяч компаний и около полумиллиона человек работали над программами Saturn V и Apollo в 1960-х и 1970-х годах.
Основной подрядчик Boeing получил контракт на строительство первой ступени (S-IC) ракеты Saturn V, в то время как вторая ступень (S-II) была поручена North American Aviation. Douglas Aircraft Company построила третью ступень (S-IVB), а IBM спроектировала и построила приборное кольцо, в котором находились компьютеры, системы наведения и многое другое.
Огромные ракетные двигатели F-1 первой ступени, а также двигатели J-2 второй ступени были построены Rocketdyne. Каждый двигатель F-1 имел размеры 19 x 12,5 футов (5,8 x 3,81 метра) на выходе из сопла. Они сжигали 15 тонн жидкого кислорода и керосина каждую секунду. Во время запуска двигательная установка F-1 выдавала 34,5 миллиона ньютонов (7,6 миллиона фунтов) тяги.
North American Aviation также построила командно-сервисный модуль Apollo, в то время как Grumman спроектировала и построила лунный модуль. NASA должно было управлять всеми этими отдельными задачами и интегрировать их в единый космический корабль, способный справиться со всей миссией.
Бывший немецкий ученый Вернер фон Браун был тайно привлечен в армию США после Второй мировой войны, чтобы помочь спроектировать американские баллистические ракеты и ракеты для запуска спутников. Его группа была объединена с NASA в 1960 году, и он был назначен директором Центра космических полетов имени Маршалла NASA, расположенного в Хантсвилле, штат Алабама. Он оставался директором до 1970 года, курируя разработку программы Apollo и успешную посадку американского Apollo XI на Луну летом 1969 года, когда люди впервые ступили на поверхность Луны.
Для ракеты Saturn V использовались следующие основные методы и процедуры испытаний:
Статические огневые испытания
Испытания разделения ступеней
Динамические испытания
Испытательные полеты Apollo-Saturn V
Испытания в аэродинамической трубе
Статические огневые испытания
Для проверки производительности двигателей Saturn V была проведена серия статических огневых испытаний. В ходе статического огневого испытания ракета крепится к стартовой платформе так, чтобы она не могла летать. Затем двигатели зажигаются, и проводятся измерения производительности двигателей.
Первая ступень ракеты, известная как ступень S-IC, была впервые испытана в 1965 году в Центре космических полетов имени Маршалла в Алабаме, где она была разработана. NASA использовало двигатели F-1, которые не были предназначены для полета, проводя исчерпывающие испытания в течение месяцев.
Позже испытания двигателей первой и второй ступени были перенесены в недавно построенный «Mississippi Test Facility», известный сегодня как NASA's Stennis Space Center. Кстати, в 1970-х и 1980-х годах Stennis также испытывал двигатели американских космических челноков. Совсем недавно Stennis испытывал двигатели SLS (space launch system) для космической программы NASA Artemis.
Во время этих статических испытаний горячим огнем датчики были подключены ко всем частям ракеты, и более 1200 измерений были переданы на регистрирующие приборы в блокгаузе. Данные были получены компьютерами, а затем отформатированы для записи на магнитную ленту, а также на ленточные самописцы, что позволило в реальном времени графически просматривать данные датчиков. Помимо простого запуска двигателей, двигатели были установлены на карданном подвесе (повернуты по нескольким осям) для проверки их способности управлять ракетой во время полета.
Посмотрите испытательный запуск первой ступени ракеты Saturn V!
Испытания на разделение ступеней
Объединив наземные испытания, беспилотные летные испытания и реальные миссии, NASA гарантировало, что разделение ступеней ракеты Saturn V было тщательно оценено и проверено. Эти испытания включали запуск взрывных зарядов для имитации событий разделения и обеспечения того, что ступени разделились чисто и без каких-либо структурных проблем.
Разделение ступеней было сложным процессом, который должен был происходить с точным расчетом времени для безопасной работы. Кольцо приборов IBM, расположенное над третьей ступенью, было «мозгом» Сатурна V. Пиротехника, также известная как «устройства для подрыва взрывчатых мостовых проводов», использовалась для отделения каждой ступени и межступенчатого кольца от космического корабля, когда их работа была завершена.
Меньшие «пустые» ракеты, расположенные на ступени выше, будут гореть достаточно долго, чтобы обеспечить ускорение, необходимое для обеспечения плавного потока топлива и зажигания следующей ступени. Одновременно с этим, ретро-ракеты на отработанной ступени будут гореть достаточно долго, чтобы замедлить ее, увеличивая расстояние разделения от остальной части ракеты.
Между первой и второй ступенями также имелось межступенчатое кольцо, которое необходимо было отделить и отсоединить, снова с точным расчетом времени и движения, чтобы избежать повреждения космического корабля обломками или столкновениями.
Следует отметить, что в течение четырех лет НАСА запустило десять малых космических аппаратов Saturn I в качестве испытательного стенда для технологий, необходимых для ракеты Saturn V, способной выходить на Луну. Запуски ракет Saturn I и улучшенной ракеты Saturn IB помогли НАСА усовершенствовать динамику жидкого топлива и многоступенчатую конструкцию, необходимые для более крупной ракеты Saturn V.
После этих испытаний НАСА запустило беспилотные миссии Apollo 4 (AS-501) и Apollo 6 (AS-502) для проверки ракеты-носителя Saturn V и ее трех ступеней. Во время этих полетов датчики и приборы использовались для мониторинга и записи данных о поведении ступеней ракеты во время разделения.
Динамические испытания
Динамические испытания проводились для оценки структурной целостности Saturn V в условиях интенсивных вибраций и ударов, испытываемых во время запуска. Ракета подвергалась вибрационным режимам, имитирующим условия, с которыми она столкнется во время старта и полета, чтобы убедиться, что она может выдерживать напряжения и вибрации без каких-либо структурных отказов. Удары вызывались для имитации пиротехнического эффекта взрывающихся болтов, используемых для обеспечения разделения ступеней.
Инженеры NASA подвергли ракету Saturn V всесторонним модальным, синусоидальным, случайным вибрационным и пиротехническим ударным испытаниям, получив критически важные сведения о ее структурном поведении и слабых сторонах. Данные, полученные в ходе этих испытаний, определили усовершенствования конструкции и позволили внести необходимые изменения для обеспечения структурной целостности ракеты во время интенсивных вибраций, испытываемых во время запуска и подъема.
Saturn 500F был полноразмерной испытательной версией Saturn V, которая не предназначалась для запуска. Однако это была полноценная ракета, поэтому ее можно было использовать для любого испытания, кроме реального полета. Фактически, Saturn 500F находился на стартовой площадке Космического центра Кеннеди в июне 1966 года, когда ураган Альма прошел совсем рядом.
Возможно, из-за этого близкого случая NASA решили проверить, как Saturn V справится с сильным ветром, поэтому они вкатили его обратно в VAB (здание по сборке транспортных средств) с обычной скоростью 1 миля в час (1,6 км в час) и решили встряхнуть его. Но как? Не было механизмов, которые могли бы это сделать, поэтому в типичной для NASA манере они нашли уникальное решение: они использовали человеческую силу.
Десятки сотрудников НАСА толкали ногами основание аппарата, в то время как мужчины наверху тянули за веревку, чтобы заставить огромную конструкцию качаться на своем основании, тем самым выявляя ее собственные частоты. Измерения были сделаны, чтобы гарантировать, что эти виды механических воздействий не опрокинут Saturn V, если он будет на стартовой площадке при очень сильном ветре.
На самом деле, во время испытания на тряску отвалился большой кусок конструкции для спасения астронавтов на самом верху космического корабля, но никто не пострадал.
Встряхивание Saturn 500F
К 1970 году NASA использовало масштабные модели Saturn V для проведения модального анализа. Одна из таких серий исследований была проведена в Исследовательском центре NASA в Лэнгли, где модель в масштабе 1/10 использовалась для проведения анализа боковых колебаний при свободном падении.
Испытательные полеты Apollo-Saturn V
До реальных лунных миссий Apollo ракета Saturn V летала в беспилотных испытательных полетах, известных как миссии Apollo-Saturn V (AS). Эти миссии включали Apollo 4 (AS-501), Apollo 6 (AS-502) и последний испытательный полет Apollo 8 (AS-503). Эти полеты позволили NASA проверить производительность Saturn V в эксплуатационных условиях, прежде чем посадить астронавтов в космический корабль.
Испытания в аэродинамической трубе
Центр космических полетов имени Маршалла NASA построил модель ракеты Saturn V из нержавеющей стали для использования в испытаниях в аэродинамической трубе. Так же, как самолеты, автомобили и грузовики подвергаются испытаниям в аэродинамической трубе для оценки их аэродинамических характеристик, космические корабли должны пройти через атмосферу, прежде чем достигнуть вакуума космоса. Модель имела размеры 426,7 x 54,6 см (14 футов x 21,5 дюйма) и весила 362,9 кг (800 фунтов).
Испытания проводились на гиперзвуковом баллистическом полигоне G на авиабазе Арнольд в 1967 году. Также проводились испытания в аэродинамической трубе для имитации условий входа в атмосферу. Эта серия испытаний в аэродинамической трубе выявила определенные проблемы с нагревом основания, которые привели к изменениям в выходных отверстиях турбины.
Приборы и сбор данных
Кольцо приборов Сатурна V располагалось между третьей ступенью и служебно-командными модулями Аполлона. Это кольцо содержало систему наведения, а также цифровой компьютер, аналоговый компьютер управления полетом, EDS (системы обнаружения аварийных ситуаций), устойчивую инерциальную платформу с акселерометрами и гироскопами, РЛС, радиоуправление, электропитание, телеметрию и другие важные подсистемы.
Ракета Saturn V была оснащена сотнями датчиков, которые отслеживали ускорение, температуру, давление и вибрации. Датчики были важнейшими компонентами EDS, поскольку они могли определять, когда физические параметры отклонялись от оптимальных показаний. Выходные данные датчиков также могли передаваться на землю по телеметру, если это было необходимо.
Телеметрические, ленточные и диаграммные самописцы
Слово «телеметрия» представляет собой комбинацию греческих корневых слов «tele» (далеко или удаленно) и «metron» (измерять). Таким образом, выполнение измерения и последующая отправка его удаленному клиенту — это телеметрия. Этот процесс использовался для отправки приблизительно 200 параметров с Saturn V в NASA до и во время каждой миссии, а также во время испытаний. Телеметрия была необходима для предпусковой проверки, проверки команд, мониторинга миссии и анализа после миссии. NASA необходимо было иметь возможность контролировать ускорение космического корабля, угловую скорость, расход топлива, положение, давление, температуру, напряжение, ток, частоту и другие важные параметры на всех этапах миссии.
Кольцо приборов содержало четыре измерительные стойки, каждая из которых содержала 20 преобразователей сигналов. Эти преобразователи сигналов использовались для снятия необработанных показаний датчиков и преобразования их в полезные инженерные единицы. Сигналы оцифровывались и затем направлялись в соответствующий канал в потоке телеметрических данных.
NASA использовало два канала телеметрии для обработки 200 каналов измерений. Поскольку полоса пропускания вещания была ограничена, данные были мультиплексированы с использованием методов PCM/FM (импульсно-кодовая модуляция/частотная модуляция) и FM/FM. Данные были получены массивом станций слежения, расположенных по всему миру. Независимо от положения Земли, по крайней мере одна станция принимала их, а затем ретранслировала в центр управления полетами NASA в Хьюстоне, штат Техас.
Данные обычно хранились на ленточных самописцах. Если инженеры NASA хотели просматривать эти данные в режиме реального времени, их можно было направить через DAQ (цифро-аналоговые преобразователи), а затем на аналоговые входы крупноформатных ленточных самописцев. У NASA были сотни таких бумажных самописцев на объектах по всем США.
В НАСА использовали многочисленные ленточные, барабанные и регистраторы событий, включая медленные и высокоскоростные регистраторы Honeywell, такие как световые осциллографы, 200-канальные регистраторы событий и 8-канальные широкоформатные осциллографические ленточные самописцы Brush/Gould, многие из которых располагались прямо в пусковом зале для наблюдения во время и после запуска.
Для длительной регистрации сейсмических данных использовались регистраторы типа «бумажный барабан» Teledyne Helicorder RV-30H.
Тесты системной интеграции
Saturn V прошел обширные испытания системной интеграции, чтобы гарантировать, что все компоненты и системы функционируют гармонично. Были проведены различные испытания для оценки электрических систем ракеты, загрузки топлива, систем связи и других подсистем, как по отдельности, так и в сочетании.
Во-первых, каждая из ступеней: S-IC (первая ступень), S-II (вторая ступень) и S-IVB (третья ступень) — была тщательно испытана для проверки работы ее основных систем, включая двигательную установку, наведение, управление, электрику и приборы.
После сборки всех трех ступеней в VAB в Космическом центре Кеннеди во Флориде были проведены пошаговые испытания, проверяющие выравнивание и совместимость электрических и механических интерфейсов между ступенями, включая топливные и электрические соединения, интерфейсы авионики и механизмы разделения. Последовательности обратного отсчета и запуска были смоделированы для проверки координации и последовательности всех соответствующих систем.
Анализ после полета
После каждого испытательного полета проводился подробный послеполетный анализ для оценки производительности ракеты и выявления любых аномалий или областей для улучшения. Этот анализ включал изучение данных телеметрии, осмотр извлеченных компонентов и опрос астронавтов и специалистов миссии. Все эти данные сравнивались с общими целями миссии. Извлеченные уроки применялись к следующей миссии с целью постоянного улучшения.
Подвергнув ракету Saturn V этим строгим процедурам тестирования, NASA смогло проверить ее производительность, проверить ее системы и устранить любые обнаруженные проблемы с подгонкой, производительностью или надежностью. Программа испытаний NASA имела решающее значение для успеха программы Apollo и безопасности астронавтов.
Наследие Saturn V выходит за рамки его миссий на Луну. Он заложил основу для будущих программ и технологий исследования космоса, и его уроки продолжают влиять на проектирование нынешних и будущих ракет.
Saturn V является неизменным символом способности человечества исследовать и достигать новых рубежей. Он представляет высоты, которых мы можем достичь благодаря амбициям, инновациям и духу исследования.
Оценил 1 человек
1 кармы