Pierwszym Amerykaninem, który znalazł się w kosmosie bez osiągnięcia orbity był Alan Shepard w kapsule “Freedom 7”. Stało się to piątego maja 1961 roku, trzy tygodnie po historycznym locie Gagarina. Z powodu różnych problemów technicznych astronauta musiał wytrzymać ponad cztery godziny na stanowisku startowym czekając na zezwolenie na start. Jednocześnie z powodów wizerunkowych nie rozpowszechniano informacji że w tym czasie Shepard musiał załatwić potrzebę fizjologiczną w skafander. Po prostu nie przewidziano że będzie to stanowić problem podczas lotu który miał trwać około kwadransa. Werner von Braun nie pozwolił astronaucie opuścić kapsuły ze względów technicznych. Kontrola lotów była zaniepokojona że mokry skafander spowoduje spięcia w którymś z czujników medycznych co mogło grozić porażeniem elektrycznym. W końcu zgodzono się wyłączyć czujniki i Shepard mógł rozwiązać swój problem.
Kiedy w końcu wydano zezwolenie na start rakieta nośna zadziałała bez zarzutu, wynosząc kapsułę na trajektorię balistyczną o apogeum 181 km. Podczas lotu poza atmosferą Alan Shepard przetestował działanie systemu silników orientacyjnych kapsuły w trybie kontroli automatycznej i w trybie sterowania ręcznego. Użyto również pakietu retro mimo, że nie był on konieczny w locie suborbitalnym. Kolejny krok – odrzucenie retrorakiet aby odsłonić osłonę termiczną przed ponownym wejściem w atmosferę – był również udany, choć instrumenty pokładowe nie zapaliły odpowiedniej kontrolki.
Shepard pozwolił automatycznemu systemowi orientacji ustawić kapsułę do hamowania atmosferycznego po czym kontrolował ją ręcznie, aż do osiągnięcia największych przeciążeń (około 11g) po czym oddał kontrolę autopilotowi. Lądowanie przebiegło planowo i astronauta został podjęty razem z kapsułą przez helikopter operujący z pobliskiego lotniskowca.
Kolejny lot suborbitalny przeprowadził Gus Grissom w “Liberty Bell 7”. Lot przebiegł bezproblemowo, aż do momentu wodowania. Pirotechnika mająca w razie awarii odstrzelić właz kapsuły zadziałała z jakiegoś powodu i Grissom musiał opuścić szybko tonącą kapsułę. “Liberty Bell 7” została wyłowiona z dna morskiego dopiero w 1999 roku.
Po pierwszych lotach suborbitalnych nastąpiły dodatkowe trzy loty bezzałogowe, ostatni ponownie z szympansem na pokładzie, jako ostatnia próba przed wysłaniem astronauty na orbitę. Misja Mercury Atlas 5 wyniósł na niską orbitę okołoziemską szympansa o imieniu Enos. Lot, planowany na trzy orbity został skrócony z powodu licznych problemów technicznych, które ujawniły się po starcie. Najważniejszym z nich była awaria jednego z silników orientacyjnych co powodowało cykliczną utratę właściwego położenia kapsuły i zwiększone zużycie paliwa. System podtrzymywania życia również nie działał właściwie, doprowadzając do przegrzania wnętrza kapsuły. Enos, podobnie jak wcześniej Ham miał podczas lotu wykonywać przećwiczone wcześniej zadania. Niestety system zarządzania karami również uległ awarii i szympans został porażony prądem aż 76 razy mimo przewidzianych szkoleniem reakcji. Misja została jednak uznana za udaną i zapalono zielone światło do startu orbitalnego.
Trzeci załogowy lot programu Mercury i pierwszy lot orbitalny odbył sie 20 lutego 1962 roku. Rakieta nośna Mercury Atlas 6 wyniosła na niską orbitę okołoziemską (149×248 km) kapsułę “Friendship 7” z Johnem Glennem na pokładzie. Lot przewidywał trzy okrążenia Ziemi i manewr deorbitacji. Z powodu wadliwego działania jednego z silników orientacyjnych Glenn próbował sterowania ręcznego i w końcu musiał pozwolić kapsule czasowo tracić orientację, żeby oszczędzać paliwo. Dodatkowo z powodu wadliwego czujnika zaszło podejrzenie że poduszka lądownicza a tym samym osłona termiczna nie są zamocowane do kapsuły. Kontrola naziemna długo nie mogła zdecydować czy odrzucić retropakiet po manewrze deorbitacji czy zostawić go. Gdyby osłona termiczna była rzeczywiście oddzielona od reszty kapsuły tylko pasy mocujące retropakietu miały szansę utrzymać ją we właściwej pozycji. Taką właśnie decyzję podjęto a wraz z nią ryzyko utraty stabilności kapsuły podczas hamowania aerodynamicznego. Glenn usiłując powstrzymać kapsułę od koziołkowania zużył całe paliwo manualnego systemu orientacji i musiał przez resztę wejścia w atmosferę polegać na szwankującym systemie automatycznym, który również zużył całe paliwo. W trakcie hamowania retropakiet uległ całkowitemu spaleniu i w kawałkach przeleciał wokół kapsuły. Sytuację uratowało dopiero rozwinięcie się spadochronu hamującego który wyrównał lot i umożliwił normalne wodowanie. Okazało się, że osłona termiczna i poduszka lądownicza zadziałały bez zarzutu.
W ramach programu Mercury odbyły się jeszcze trzy loty: Malcolma Carpentera (“Aurora 7”), Waltera Shirry (“Sigma 7”) i Leroya Gordona Coopera (“Faith 7”). Lot “Faith 7” zasługuje na wspomnienie z kilku powodów. Po pierwsze był to najdłuższy lot kapsuły Mercury, trwający ponad 34 godziny. Rozszerzenie możliwości układu podtrzymywania życia wymagało kilku modyfikacji (wymontowanie peryskopu i zapasowego gniazda silników orientacyjnych). Wiemy, że były możliwe dalsze modyfikacje – jedna z planowanych lecz odwołanych misji Mercury przewidywała aż trzydniowy pobyt na orbicie.
“Faith 7” była misją która udowodniła, że sposób selekcji oraz szkolenia astronautów jak również przyznanie im dużej autonomii w sterowaniu statkiem było właściwym posunięciem. Podczas dziewiętnastego okrążenia Ziemi awarii uległ system elektryczny zasilający automatyczny system kontroli orientacji. Gordon Cooper wykreślił na szybie linie odniesienia, sterując ręcznie utrzymał kapsułę we właściwej pozycji i używając tylko zegarka ręcznego przeprowadził manewr deorbitacji. Był na tyle precyzyjny że zdołał wodować kapsułę w bezpośredniej bliskości lotniskowca.
To wydarzenie wyznaczyło w jaki sposób wybiera się oraz szkoli astronautów do dnia dzisiejszego. Jedynym wyjątkiem jest zniesienie wymaganej wcześniej przynależności do sił zbrojnych.
Dalsze loty kapsuł Mercury odwołano – spełniły one swoje zadanie. Kolejne wysiłki skupiono na pierwszym statku kosmicznym w dzisiejszym rozumieniu tego słowa – zdolnym do zmiany orientacji, manewrów orbitalnych oraz manewrów precyzyjnych, takich jak dokowanie. Rozpoczął się Projekt Gemini.
Formalnie statek Mercury składa się z dwóch modułów: modułu załogowego i pakietu retrorakiet, mających za zadanie sprowadzić pojazd z orbity. Drugi z tych elementów jest jednak niewielki i stosunkowo prosty w konstrukcji. Jego funkcja jest wyłącznie napędowa, o jednorazowym działaniu.
W przypadku awarii rakiety nośnej kapsuła była odrzucana od niej za pomocą wieży ratowniczej. Ten typ rozwiązania jest wykorzystywany z powodzeniem do dziś. Ten element nie jest pokazany na grafikach, ponieważ odrzucano go jeszcze przed osiągnięciem stabilnej orbity.
Moduł załogowy
– masa 1118kg,
– objętość użyteczna 1.7 m3,
– załoga: 1,
– system podtrzymywania życia: maksymalnie 1.5 osobo-dni, standardowo w przybliżeniu 0.5 osobo-dni.
Kapsuła Mercury ma pokrój ściętego z dwóch stron stożka. Szczyt zwieńczają cylindryczne zasobniki spadochronów – zwalniającego i znajdujących się poniżej niego głównego i zapasowego. Cylindry zasobników są też miejscem montażu skromnego przekaźnika radiowego i czujników kontroli orientacji statku względem horyzontu. Kolejnym ważnym elementem jest hamulec aerodynamiczny otwierający się ze szczytu zasobnika spadochronu hamującego jak klapa. Zapewniał on właściwą orientację kapsuły podczas hamowania w atmosferze.
Kolejnym ważnym podzespołem umieszczonym w tym rejonie są cztery dysze systemu kontroli orientacji pozwalające skierować oś statku w dowolną stronę. Są one stosunkowo niewielkie ale znajdują się w dużej odległości od środka ciężkości statku blisko dna kapsuły. Są tym samym w stanie wytworzyć odpowiedni moment obrotowy i tylko niewielką niezrównoważoną siłę ciągu zaburzającą całkowitą prędkość kapsuły na orbicie.
Główna, stożkowata część kapsuły jest pokryta prawie w całości panelami o żebrowanej powierzchni. To rozwiązanie umożliwia zwiększenie wytrzymałości strukturalnej i powierzchni użytecznej przez którą statek pozbywa się zbędnego ciepła w razie potrzeby.
Na powierzchni kapsuły znajduje się klapa wejściowa dla astronauty, pokryta żebrowanymi panelami i przez to ciężka do zlokalizowania na pierwszy rzut oka. Kolejnymi otworami jest małe okno obserwacyjne, umieszczone na wprost twarzy astronauty i otwierany luk peryskopu znajdującego się między jego nogami. Dodatkowo kapsuła posiada port kabla zasilania zewnętrznego dla okresu spędzanego na stanowisku startowym.
Tuż ponad podstawą stożka, po przeciwległych stronach kapsuły znajdują się kolejne dwa gniazda silników kontroli orientacji. Działając parami kontrolują obrót statku wokół własnej osi nie powodując zmiany całkowitej prędkości statku. Z tego też powodu umieszczone są w najszerszym miejscu kapsuły by uzyskać jak największy moment obrotowy przy jak najmniejszym ciągu (moment jest iloczynem siły i ramienia na którym działa siła).
W tym miejscu należy zwrócić uwagę, że opisany powyżej układ silników kontroli orientacji jest jednym z bardziej optymalnych dla stożkowej geometrii kapsuły i był używany w późniejszych konstrukcjach (na przykład do kontroli orientacji samego modułu załogowego statków Apollo). Nie jest to jednak pełny system silników manewrowych – nie umożliwia precyzyjnej modyfikacji prędkości statku w kierunkach prostopadłych do jego osi ani precyzyjnych manewrów hamowania i przyśpieszania. Tym samym Mercury nie był zdolny do korekt kursu ani manewrów takich jak dokowanie. System orientacji miał następujące tryby pracy: zdalne sterowanie, kontrola automatyczna, ręczna i kontrola hybrydowa (fly by wire). Ostatni tryb oznaczał, że pilot wprowadzał wymaganą orientację a sterowanie automatyczne robiło resztę.
Spód kapsuły jest wypukłą osłoną termiczną mającą chronić kapsułę podczas hamowania atmosferycznego. Z powodu grubości tarczy środek ciężkości całości konstrukcji jest przesunięty w tył. Tuż przed lądowaniem osłona termiczna jest oddzielana od kapsuły. Jej ruch w dół powoduje błyskawiczne nadmuchanie łączącej osłonę termiczną z kapsułą poduszki lądowniczej, mającej zmniejszyć siłę uderzenia o wodę.
Samo wnętrze kapsuły było wypełnione do granic możliwości fotelem pilota, prymitywnym oprzyrządowaniem, systemem podtrzymywania życia, i zbiornikiem nadtlenku wodoru wykorzystywanym jako paliwo systemu kontroli orientacji. Sam zbiornik paliwa był podzielony na dwie części – jeden obsługiwał ręczną kontrolę orientacji, drugi automatyczną. Astronauci twierdzili że Mercury był noszony jak ubranie a nie pilotowany.
Układ podtrzymywania życia miał bardzo ograniczoną sprawność: sądząc z okresu typowej misji było to około 12 osobo-godzin. Ostatnia misja Mercury, “Faith 7” z Leroyem Cooperem na pokładzie miała długość około 36 godzin po wymontowaniu peryskopu i zapasowego zestawu silników manewrowych i zamontowaniu dodatkowych zbiorników i baterii. Systemy regulacji temperatury często szwankowały, wymagając ręcznej kontroli. Równie częste było również przegrzewanie się kapsuły.
Ostatnim elementem modułu załogowego były trzy pasy mocujące pakiet retro, niosące również kable sygnałowe sterujące jego działaniem.
Pakiet retro
– masa 468kg,
– delta-V 185m/s
Pakiet retro miał za zadanie sprowadzić statek z orbity. Był przymocowany pasami w centrum osłony termicznej na dnie modułu załogowego i miał pokrój grubego bębna z trzema dyszami głównymi i trzema małymi dyszami uruchamianymi po odrzuceniu ostatniego stopnia rakiety nośnej aby oddalić się na bezpieczną odległość.
Główny napęd stanowiły trzy silniki na paliwo stałe, uruchamiane w sekwencji aby utrzymać w miarę stały ciąg. Przyglądając się grafikom można zauważyć że dysze nie są skierowane prosto do tyłu a celują swoimi osiami w punkt ciężkości kapsuły. Rozwiązanie to zapobiegało koziołkowaniu statku podczas manewru deorbitacji. Po zakończeniu manewru pasy mocujące były odrzucane razem z pustym pakietem retro i kapsuła wchodziła w atmosferę kontrolowana przez silniczki orientacyjne w górnych partiach atmosfery i hamulec aerodynamiczny w niższych (zapewniał on ustawienie osłony termicznej w kierunku lotu).
Patrząc na graficzne porównanie kapsuł Mercury i Wostok, będących swoimi odpowiednikami po obu stronach żelaznej kurtyny nie sposób oprzeć się wrażeniu, że są to diametralnie różne konstrukcje. Zważywszy że zdolności manewrowe obydwu konstrukcji są zbliżone (czyli bardzo małe), obydwie są w stanie pomieścić tylko jednego pasażera i spełniają tą samą prostą w profilu misję źródła różnic należy szukać w dwóch miejscach.
Pierwszą zasadniczą różnicą wpływającą na konstrukcje statku były osiągi przeznaczonych dla nich rakiet nośnych. ZSRR wykorzystało bardzo zaawansowaną jak na tamte czasy rakietę balistyczną R7 której kolejne wersje wynoszą do dziś satelity oraz statki Sojuz i Progress. Odzwierciedla to masa Wostoka – jest on 3.5 raza cięższy od kapsuły Mercury. Rakiety Redstone i Atlas miały mniejsze osiągi a proces ich dostosowania dla lotów załogowych był kłopotliwy i kosztowny. Współczesne wersje rakiet Atlas są jednymi z najczęściej używanych i najbardziej niezawodnych. We wczesnych latach 60tych to jednak sowiecka rakieta nośna R7 była lepsza.
Druga zasadnicza różnica wynika pośrednio z pierwszej. Program Mercury musiał zadowolić się masą kapsuły mniejszą niż 1.5 tony. Miało to swoje dobre strony – konstrukcja była zwarta a więc nie wymagała ciężkiej struktury by zachować odpowiednią wytrzymałość. Z powodu tych ograniczeń sięgano również po proste rozwiązania techniczne. Proste rozwiązania techniczne z reguły zwiększają niezawodność.
Jedynym z elementów kapsuły Mercury, który zdaje się wybiegać naprzód w porównaniu do Wostoka, jest system kontroli orientacji. Liczy się tu zarówno układ silników, zaawansowana jak na tamte czasy automatyka i tak samo dobrze przemyślany system sterowania ręcznego.
Kolejnym jest system wodowania z poduszką lądowniczą Mercurego. Trzeba tu przypomnieć dla porównania że kosmonauci musieli opuszczać kapsułę Wostok na własnych spadochronach. Moduł załogowy sowieckiego statku robił w gruncie duże otwory (kratery), nawet spowolniony przez spadochron.
Warty jest również uwagi fakt że sowieccy konstruktorzy mieli dość duże zaufanie do swoich silników rakietowych wyposażając Wostoka w silnik na paliwo ciekłe podczas gdy Mercury korzystał z bardziej niezawodnego i prostszego w konstrukcji silnika na paliwo stałe.
Mimo bardzo nierównych mas i różnych geometrii obydwa statki spełniały postawione przed sobą zadania. Jednak z racji minimalistycznego podejścia Mercury nie zostawiał wiele miejsca na ulepszenia. Wostok z kolei był na tyle elastyczny że następna generacja statków załogowych ZSRR – Woschod, była po prostu dość znaczną modyfikacją pierwszej konstrukcji. Z kolei statki Gemini odziedziczyły, po odpowiednim powiększeniu, generalny kształt modułu załogowego i uzupełniły go o pełnoprawny moduł serwisowy. Kolejnym cennym spadkiem po kapsułach Mercury jaki dostały Gemini był zaawansowany system kontroli orientacji. Dał im pod pewnymi względami prowadzenie nad nowym sowieckim statkiem w trakcie drugiego etapu wyścigu w kosmos.
Dziękujemy Panu Wojciechowi Kasprzakowi za nadesłanie tekstu
http://kosmonauta.net/2017/11/zalogowe- ... 2-mercury/http://www.astrokrak.pl
