Ракета-носитель Little Joe: Испытания капсул проекта Mercury

Введение

Ракета-носитель с твердым топливом Little Joe, использовавшаяся NASA для восьми запусков с 1959 по 1961 год с острова Уоллопс, штат Вирджиния, для квалификационных испытаний системы аварийного спасения и теплозащитного экрана капсул проекта Mercury, а также название, данное программе испытаний с использованием этой ракеты-носителя. Little Joe стала первой ракетой, разработанной исключительно для квалификации пилотируемых космических аппаратов, и одним из первых оперативных пусковых комплексов, использующих принцип объединения ракет. Название Little Joe, по некоторым данным, предложил Максиме Фаже из Исследовательского центра NASA в Лэнгли, штат Вирджиния. Он выбрал его, вдохновившись четырьмя большими стабилизаторами, которые напомнили ему сленговое обозначение комбинации из четырех костей в игре в кости. Более совершенная версия, Little Joe II, использовалась для летных испытаний системы аварийного спасения корабля Apollo с 1963 по 1966 год.

Предыстория

Когда НАСА потребовался ускоритель для проекта Mercury, агентство выяснило, что ракеты Atlas обойдутся примерно в 2,5 миллиона долларов США за штуку, а даже Redstone – около 1 миллиона долларов за запуск. Руководители программы Mercury осознали, что многочисленные первые испытательные полёты необходимо выполнить с помощью гораздо менее дорогой системы ускорителей, поэтому НАСА разработала ракету Little Joe, стоимость которой составляла 200 000 долларов за штуку. В январе 1958 года Макс Фагет и Пол Пурсер детально проработали на бумаге, как объединить четыре твердотопливные ракеты Sergeant, которые обычно использовались на космодроме Уоллопс в Вирджинии, чтобы вывести пилотируемый носовой обтекатель выше стратосферы. Недолговечное предложение Фагета "High Ride" проиграло в сравнении с "Проектом Adam" того времени, но в августе 1958 года Уильям Блэнд и Рональд Коленкевич вернулись к своим предварительным проектам дешёвого пакета твердотопливных ракет для вывода полноразмерных и полномасштабных макетов капсул за пределы атмосферы. Поскольку испытания на сброс макетов капсул предоставили новые аэродинамические данные о динамической устойчивости конфигурации в свободном падении, быстро стала очевидной необходимость в сопоставимых данных о фазе с работающим двигателем. Поэтому в октябре 1958 года команда НАСА подготовила новые инженерные чертежи и расчёты для механической конструкции ускорителя и подходящей пусковой установки. Когда чертежи этого пакета из четырёх ракет начали появляться, дизайнеры постепенно приняли прозвище для своего проекта. Поскольку на первых поперечных сечениях было изображено четыре отверстия, они назвали проект "Little Joe" – по аналогии с броском двойной девятки в кости. Хотя позже были добавлены четыре меньших круга, чтобы обозначить добавление ракетных двигателей Recruit, первоначальное название закрепилось. Появление на инженерных чертежах четырёх больших стабилизирующих плавников, выступающих из фюзеляжа, также способствовало закреплению имени Little Joe. Основная цель этой относительно небольшой и простой системы ускорителей заключалась в экономии средств – за счёт возможности проведения многочисленных испытательных полётов для подтверждения различных решений множества проблем, связанных с разработкой пилотируемых космических полётов, особенно проблемы спасения при взрыве во время или после старта. Аэродинамика капсулы в реальных условиях возвращения на Землю также была первостепенной задачей. Чтобы как можно скорее получить такой опыт, конструкторам необходимо было сохранить концепцию пакета ускорителей простой: использовать твердое топливо и существующее проверенное оборудование, когда это возможно, и исключить любые электронные системы наведения и управления. Конструкторы спроектировали ускоритель Little Joe таким образом, чтобы его характеристики приближались к характеристикам армейского ускорителя Redstone с полезной нагрузкой в виде капсулы. Но помимо достаточной гибкости для выполнения различных задач, Little Joe можно было изготовить примерно за одну пятую базовой стоимости Redstone, его эксплуатационные расходы были бы значительно ниже, а разработка и поставка заняли бы гораздо меньше времени и усилий. И, в отличие от более крупных ракет-носителей, Little Joe можно было запускать с существующих объектов на острове Уоллопс.

When NASA needed a booster for Project Mercury, the agency found that the Atlas rockets would cost approximately US$2.5 million each and that even the Redstone would cost about $1 million per launch. The managers of the Mercury program recognized that the numerous early test flights would have to be accomplished by a far less expensive booster system, so NASA designed the Little Joe rocket which cost $200,000 each. In January 1958, Max Faget and Paul Purser had worked out in considerable detail on paper how to cluster four of the solid fuel Sergeant rockets, in standard use at the Wallops Flight Facility in Virginia, to boost a crewed nose cone above the stratosphere. Faget's short lived "High Ride" proposal had suffered from comparisons with "Project Adam" at that time, but in August 1958 William Bland and Ronald Kolenkiewicz had returned to their preliminary designs for a cheap cluster of solid rockets to boost full scale and full weight model capsules above the atmosphere. As drop tests of boilerplate capsules provided new aerodynamic data on the dynamic stability of the configuration in free fall, the need for comparable data on the powered phase quickly became apparent. So in October 1958, a NASA team prepared new engineering layouts and estimates for the mechanical design of the booster structure and a suitable launcher. As the blueprints for this cluster of four rockets began to emerge from their drawing boards, the designers' nickname for their project gradually was adopted. Since their first cross section drawings showed four holes, they called the project "Little Joe," from the craps throw of a double deuce on the dice. Although four smaller circles were added later to represent the addition of Recruit rocket motors, the original name stuck. The appearance on engineering drawings of the four large stabilizing fins protruding from its airframe also helped to perpetuate the name Little Joe had acquired. The primary purpose of this relatively small and simple booster system was to save money—by allowing numerous test flights to qualify various solutions to the myriad problems associated with the development of crewed space flight, especially the problem of escaping from an explosion at or during launch. Capsule aerodynamics under actual reentry conditions was another primary concern. To gain this kind of experience as soon as possible, its designers had to keep the clustered booster simple in concept; it should use solid fuel and existing proven equipment whenever possible, and should be free of any electronic guidance and control systems. The designers made the Little Joe booster assembly to approximate the same performance that the Army's Redstone booster would have with the capsule payload. But in addition to being flexible enough to perform a variety of missions, Little Joe could be made for about one fifth the basic cost of the Redstone, would have much lower operating costs, and could be developed and delivered with much less time and effort. And, unlike the larger launch vehicles, Little Joe could be shot from the existing facilities at Wallops Island.

Разработка ракеты-носителя

В ноябре 1958 года на приглашения к участию в тендерах по строительству корпуса ракеты-носителя Little Joe откликнулись двенадцать компаний. Техническая оценка этих предложений проводилась примерно так же, как и для космического корабля, за исключением того, что Исследовательский центр Лэнгли взял на себя основную часть административной работы. Ракетное подразделение компании North American Aviation выиграло контракт 29 декабря 1958 года и незамедлительно приступило к работе в Дауни, Калифорния, выполняя заказ на семь ракет-носителей и одну мобильную пусковую установку. Основными задачами миссии Little Joe в конце 1958 года (в дополнение к изучению динамики капсулы на постепенно возрастающих высотах) были испытание системы аварийного спасения капсулы при максимальном динамическом давлении, подтверждение характеристик парашютной системы и проверка методов поиска и возвращения. Однако, поскольку каждая группа специалистов, работавших над проектом, стремилась как можно быстрее получить достоверные экспериментальные данные, потребовалось установить более четкие приоритеты. Первые полеты были направлены на получение измерений сил, действующих на капсулу во время полета и при ударе; последующие полеты – на измерение критических параметров на прогрессивно возрастающих высотах: 20 000, 250 000 и 500 000 футов (6, 75 и 150 км). Минимальные цели каждого запуска Little Joe могли время от времени дополняться исследованиями уровня шума, тепловых и динамических нагрузок, отделения теплового щита и поведения животных-экспериментаторов, при условии, что измерения можно было выполнить с минимальным объемом телеметрической информации. Поскольку ожидалось, что все капсулы, выведенные ракетами Little Joe, будут возвращены, бортовые системы регистрации также способствовали упрощению системы. Little Joe, первая из всего двух ракет-носителей, разработанных специально и исключительно для квалификации пилотируемых капсул, также была одним из первых оперативных пусковых комплексов, использующих принцип кластерной компоновки ракетных двигателей. Поскольку четыре модифицированных ракеты Sergeant (называемые либо ракетами Castor, либо Pollux, в зависимости от модификации) и четыре вспомогательные ракеты Recruit были расположены для последовательного запуска, тяга на старте значительно варьировалась, однако максимальная расчетная тяга составляла почти 230 000 фунтов (1020 килоньютонов). Теоретически этого было достаточно, чтобы вывести космический аппарат весом около 1800 кг на баллистическую траекторию высотой более 160 км, а тяга этих объединенных основных двигателей должна была имитировать профиль взлета в условиях, которые испытает пилотируемый корабль Atlas. Кроме того, можно было продемонстрировать дополнительную мощную тягу системы аварийного спасения ракеты-носителя в самых сложных условиях взлета. Инженеры, которые довели Little Joe до совершенства, понимали, что она не отличалась привлекательным внешним видом, но надеялись, что их неуклюжая ракета подтвердит обоснованность большинства концепций проектирования баллистических капсул и тем самым заслужит собственное признание. В дальнейшем, ее преемник Little Joe II был использован для летных испытаний системы спасения экипажа Apollo.

Twelve companies responded during November 1958 to the invitations for bids to construct the airframe of Little Joe. The technical evaluation of these proposals was carried on in much the same manner as for the spacecraft, except that Langley Research Center itself carried the bulk of the administrative load. The Missile Division of North American Aviation won the contract on December 29, 1958; and began work immediately in Downey, California, on its order for seven booster airframes and one mobile launcher. The primary mission objectives for Little Joe as seen in late 1958 (in addition to studying the capsule dynamics at progressively higher altitudes) were to test the capsule escape system at maximum dynamic pressure, to qualify the parachute system, and to verify search and retrieval methods. But since each group of specialists at work on the project sought to acquire firm empirical data as soon as possible, more exact priorities had to be established. The first flights were to secure measurements of inflight and impact forces on the capsule; later flights were to measure critical parameters at the progressively higher altitudes of 20,000, 250,000, and 500,000 feet (6, 75, and 150 km). The minimum aims of each Little Joe shot could be supplemented from time to time with studies of noise levels, heat and pressure loads, heat shield separation, and the behavior of animal riders, so long as the measurements could be accomplished with minimum telemetry. Since all the capsules boosted by the Little Joe rockets were expected to be recovered, onboard recording techniques would also contribute to the simplicity of the system. The first of only two booster systems designed specifically and solely for crewed capsule qualifications, Little Joe was also one of the pioneer operational launch vehicles using the rocket cluster principle. Since the four modified Sergeants (called either Castor or Pollux rockets, depending upon modification) and four supplemental Recruit rockets were arranged to fire in various sequences, the takeoff thrust varied greatly, but maximum design thrust was almost 230,000 pounds (1,020 kilonewtons). Theoretically enough to lift a spacecraft of about 4,000 pounds (1,800 kg) on a ballistic path over 100 miles (160 km) high, the push of these clustered main engines should simulate the takeoff profile in the environment that the crewed Atlas would experience. Furthermore, the additional powerful explosive pull of the tractor rocket escape system could be demonstrated under the most severe takeoff conditions imaginable. The engineers who mothered Little Joe to maturity knew it was not much to look at, but they hoped that their ungainly rocket would prove the legitimacy of most of the ballistic capsule design concepts, thereby earning its own honor. A successor, Little Joe II, would later be used for flight testing of the Apollo crew escape system.

Полеты

К 21 января 1960 года в ходе пяти осуществленных и предпринятых попыток полетов в серии "Маленький Джо" были использованы четыре из шести опытных ускорителей, изготовленных компанией North American для NASA, и пять прототипов капсул, созданных в мастерских Лэнгли. Основные цели испытаний этих моделей с твердотопливными ускорителями являлись неотъемлемой частью программы летных разработок, проводимой в NASA Космической рабочей группой при поддержке центров Лэнгли и Уоллопс. Для квалификационных летных испытаний остались только два ускорителя "Маленький Джо". Компания North American изготовила семь фюзеляжей Little Joe, но один из них был оставлен на заводе в Дауни, штат Калифорния, для статических испытаний на нагрузку. STG распорядился восстановить этот седьмой фюзеляж, чтобы иметь три ускорителя Little Joe для квалификационной программы полетов. Успех Little Joe 1B в январе 1960 года означал, что следующий, шестой полет, получивший название Little Joe 5, станет первым, в котором будет использована настоящая капсула Mercury с производственной линии McDonnell. Переходя от летных испытаний с макетами к квалификационным летным испытаниям с "настоящей капсулой McDonnell", Космическая рабочая группа отошла от исследований и разработок и перешла к оперативной деятельности.

Номера миссии

Официальное обозначение миссий Mercury состояло из двух букв, соответствующих типу ракеты-носителя, за которыми следовало тире, затем цифра, указывающая на конкретный набор целей полета, и необязательная буква для различения последующих полетов, направленных на достижение этих целей. Таким образом, официальное обозначение первого полета Little Joe было "LJ 1". Полеты не осуществлялись в числовой последовательности, поскольку график проекта корректировался по мере его реализации. Фактический порядок полетов был следующим:

Миссия Фотозапуск Дата запуска Продолжительность Цель Результат Примечания Little Joe 1 21 августа 1959 г. 20 с Испытание системы аварийного спасения во время полета. Провал Из-за электрической неисправности спасательная башня сработала за полчаса до запуска и унесла с собой космический аппарат, оставив ракету на земле. Little Joe 6 4 октября 1959 г. 5 мин 10 с Испытание аэродинамики и прочности космического корабля. Частичный успех Дополнительные испытания не проводились. Little Joe 1A 4 ноября 1959 г. 8 мин 11 с Испытание системы аварийного спасения во время полета с макетом капсулы. Частичный успех Ракета спасательной башни сработала на 10 секунд позже. Аппарат был обнаружен в 19 км к юго-востоку от острова Уоллопс. Little Joe 2 4 декабря 1959 г. 11 мин 6 с Испытание системы аварийного спасения с приматом на большой высоте. Успех На борту находился Сэм, макак-резус. Аппарат был обнаружен в 312 км к юго-востоку от острова Уоллопс, штат Вирджиния; высота: 85 км. Little Joe 1B 21 января 1960 г. 8 мин 35 с Испытание аварийного отсоединения и спасения с приматом с макетом капсулы при максимальном q. Успех На борту находилась самка макаки-резуса по имени мисс Сэм. Little Joe 5 8 ноября 1960 г. 2 мин 22 с Первое испытание системы аварийного спасения с серийным космическим аппаратом при максимальном q. Провал Зажим, удерживающий космический аппарат, был отклонен давлением воздуха; из-за этого и неправильной проводки спасательная башня сработала слишком рано и не смогла отделить космический аппарат от ракеты-носителя. Высота: 16 км. Little Joe 5A 18 марта 1961 г. 5 мин 25 с Второе испытание системы аварийного спасения с серийным космическим аппаратом Mercury. Частичный успех Башня сработала на 14 секунд раньше срока; она не смогла отделить космический корабль от ракеты. Little Joe 5B 28 апреля 1961 г. 5 мин 25 с Третье испытание системы аварийного спасения с серийным космическим аппаратом. Успех Программа Little Joe завершена.