AS-203

AS-203 war der zweite Flug der Saturn-IB-Serie und der seltsamste der drei unbemannten Tests, die den bemannten Apollo-Missionen vorausgingen: Sie startete ohne Raumschiff. Während AS-201 und AS-202 ein echtes Kommando- und Servicemodul mitführten, um den Hitzeschild beim Wiedereintritt zu testen, ersetzte AS-203 die Nutzlast durch einen einfachen aerodynamischen Kegel. Der Grund war nicht Einsparung, sondern Physik: Ohne das Gewicht des Raumschiffs konnte die Oberstufe die Umlaufbahn mit einer großen Reserve an flüssigem Wasserstoff erreichen, die noch im Tank verblieb, und dieser Wasserstoff war in Wirklichkeit die Nutzlast der Mission.

Das primäre Ziel, unmissverständlich im Flugbewertungsbericht des Marshall Space Flight Center (MPR-SAT-FE-66-12) formuliert, bestand darin, das Flüssigwasserstoffexperiment der S-IVB-Stufe mit einer bereits nach dem S-IVB/V-Design gebauten Stufe durchzuführen — jenem Design, das als dritte Stufe der Saturn V fliegen würde. Diesem Ziel wurden drei weitere hinzugefügt: den Betrieb des Trägerlenksystems nachzuweisen, die Umgebungsbedingungen des Fahrzeugs zu charakterisieren und im Auftrag des Manned Spacecraft Center ein Experiment zur unterkritischen kryogenen Lagerung durchzuführen. Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass alle Flugziele erreicht wurden.

Das Problem, das AS-203 lösen sollte, war der technische Knoten der Mondreise. Der Flugplan der Saturn V verlangte, dass die dritte Stufe nach dem Einschuss des Raumschiffs in eine Erdparkbahn abschaltete, dort im freien Fall verblieb und anschließend ihr J-2-Triebwerk wieder zündete, um den Verbund zum Mond zu schicken. Niemand hatte das je zuvor mit flüssigem Wasserstoff getan.

In der Schwerelosigkeit verhält sich der Treibstoff nicht mehr wie eine Flüssigkeit mit ebener Oberfläche am Tankboden: Er schwebt, verteilt sich, haftet an den Wänden und kann dazu führen, dass der Zulauf Gas ansaugt. Um den J-2 wieder zu zünden, mussten zwei Dinge gleichzeitig gewährleistet sein: dass der Wasserstoff im Moment des Starts über dem Tankauslass lag und dass Leitungen und Turbopumpe kalt genug waren, um ihn ohne Kavitation aufzunehmen. Die vorgesehene Lösung bestand in einer kontinuierlichen Treibstoffentlüftung, die den verdampften Wasserstoff nutzt, um dem Verbund eine minimale Restbeschleunigung zu geben — in der Größenordnung von 2 x 10⁻⁵ g —, die ausreicht, um die Flüssigkeit während der Bahndrift am Boden zu halten, ergänzt durch Leitbleche und Anti-Schwapp-Prallbleche im Tankinneren. All das war berechnet und am Boden getestet worden; kein Bodentest konnte Stunden echter Schwerelosigkeit reproduzieren.

Die Stufe, die bei AS-203 flog, war eine S-IVB mit 17,98 m Länge und 6,60 m Durchmesser, mit einem einzigen kardanisch aufgehängten J-2-Triebwerk mit 877.000 N (200.000 lbf) Schub im Vakuum und einer nominellen Treibstoffkapazität von 103.510 kg (228.500 lbm). Ihre beiden Tanks — Wasserstoff vorn, Sauerstoff hinten — teilten sich eine gemeinsame Zwischenwand, ein Detail, das sich als entscheidend erweisen sollte.

Auf dieser Basis wurde eine besondere Stufe aufgebaut. Der Bericht des Marshall Space Flight Center listet die Unterschiede zur S-IVB-201 auf, die im Februar geflogen war: ein System zur kontinuierlichen Treibstoffentlüftung des Wasserstofftanks; ein Schubsystem durch Entlüftung des freien Volumens des Sauerstofftanks, das 124,6 N (28 lbf) liefern konnte, was im Schub-Gewichts-Verhältnis den 311,4-N-Triebwerken (70 lbf) des Hilfsantriebssystems der Saturn V entsprach; Anti-Wirbel-Siebe der S-IVB/V-Konfiguration in beiden Tanks; aluminisierte Mylar-Isolierung an der Kuppel des Wasserstofftanks; eine Umgebungshelium-Kugel zur Nachdruckbeaufschlagung; sowie spezielle Prall- und Leitbleche, die nötig waren, weil die Treibstoffbeladungen absichtlich anomal waren.

Darin lag der Kern des Experiments: Der Sauerstofftank wurde knapp befüllt, zu etwa 60 Prozent, und der Wasserstofftank bis zum Maximum, sodass beim Triebwerksabschalten ein Rest von etwa 8.850 kg (19.500 lbm) flüssigem Wasserstoff in der Umlaufbahn verblieb — die Menge, die eine S-IVB der Saturn V in ihrer Parkbahn hätte. Das Treibstoffnutzungssystem wurde im offenen Regelkreis mit dem Ventil in Neutralstellung geflogen, damit es nicht versuchte, dieses scheinbare Ungleichgewicht zwischen Oxidator und Treibstoff zu korrigieren.

Und um zu sehen, was im Inneren geschah, wurden zwei Fernsehkameras mit ihren Scheinwerfern in der vorderen Kuppel des Wasserstofftanks installiert, zusammen mit einem Satz interner Instrumentierung, aufgemalten Markierungen an den Wänden und einer zusätzlichen Füllstandssonde. AS-203 war buchstäblich ein Flug, um in einen Tank hineinzuschauen.

Im Frühjahr 1966 wurde entschieden, AS-203 vor AS-202 fliegen zu lassen, da sich das für Letzteren vorgesehene Kommando- und Servicemodul verzögert hatte; deshalb flog der dritte Flug der Serie als zweiter. Die S-IVB-Stufe traf am 6. April 1966 in Cape Kennedy ein, die erste S-IB-Stufe sechs Tage später und die Instrumenteneinheit zwei Tage danach. Am 19. April begann der Aufbau auf Rampe 37B — das erste Mal, dass eine Saturn IB von diesem Komplex aus gestartet wurde.

Die Testkampagne wiederholte die Probleme, die bereits AS-201 geplagt hatten: gerissene Lötverbindungen auf den Leiterplatten, von denen mehr als 8.000 ausgetauscht werden mussten. Es war eine unbequeme Erinnerung daran, dass die Saturn IB 1966 noch ein junges Fahrzeug war.

Der letzte Countdown verlief ohne Zwischenfälle bis T-15 Minuten, als das Signal der Fernsehkamera Nummer 2 verloren ging — genau eines der zentralen Instrumente des Experiments. Die Versuche, es wiederherzustellen, führten zu Unterbrechungen von insgesamt einer Stunde, 53 Minuten und 17 Sekunden, zu denen noch eine zweiminütige Unterbrechung zur Überprüfung des Bermuda-Radars hinzukam. Schließlich wurde entschieden, nur mit dem Fernsehsystem Nummer 1 zu fliegen, und das Fahrzeug hob um 9:53:17 Uhr Ostküstenzeit am 5. Juli 1966 beim ersten Versuch vom Komplex 37B ab.

AS-203 startete mit einem Azimut von 90 Grad östlich von Nord und schwenkte anschließend auf den vorgesehenen Flugazimut von 72 Grad. Ihr Startgewicht betrug 538.247 kg. Die tatsächliche Flugbahn lag etwas über der nominellen: Beim Abschalten der S-IVB war die Höhe 0,12 km größer und die Reichweite 6,93 km geringer als vorgesehen, bei einer Geschwindigkeit relativ zu den festen Achsen, die 0,6 m/s unter der nominellen lag. Das Abschalten des J-2 erfolgte nach 433,35 Sekunden, 2,90 Sekunden früher als vorhergesagt. Zehn Sekunden später, beim Bahneinschuss, lag die Geschwindigkeit 0,8 m/s über der nominellen, was die Nutzlast in eine Umlaufbahn mit 185,2 km Perigäum und 187,3 km Apogäum bei einer Umlaufzeit von 88,21 Minuten brachte — eine praktisch kreisförmige Bahn von etwa 190 km.

Alles andere funktionierte. Die acht Triebwerke der ersten Stufe lieferten einen um 1,55 Prozent höheren Schub als vorhergesagt; Lenkung und Regelung verhielten sich wie erwartet, ohne übermäßige Winkelgeschwindigkeiten oder Instabilitäten; die Stufentrennung verlief sauber; das erneut im offenen Regelkreis geflogene Notfallerkennungssystem erzeugte kein einziges falsches Abbruchsignal; und die Strukturanalyse fand keinerlei Hinweis auf Pogo-Schwingungen. Auch die Instrumentierung versagte nicht: Von den 1.434 beim Start aktiven Messungen verhielten sich 98,8 Prozent zufriedenstellend. Die einzige nennenswerte mechanische Anomalie war ein Absperrventil der Treibstoffrezirkulation der S-IVB, das nach dem Startbefehl des Triebwerks nicht schloss.

Der Bahnplan reproduzierte, so getreu wie es die Fähigkeiten der Saturn IB erlaubten, die Sequenz, die die Saturn V vom Abschalten des J-2 bis zur Wiederzündung ausführen würde. Der Unterschied lag im Zeitplan: Was bei der Saturn V bis zu drei Umläufe in Anspruch nehmen konnte, wurde bei der S-IVB-203 auf einen einzigen komprimiert, um den Rest des Fluges für andere Tests freizuhalten.

Die Ergebnisse waren die, die die NASA hören musste. Die Treibstoffkontrolle funktionierte innerhalb der Toleranzen: Während des Bahneinschusses blieb der Wasserstoff dank des Entlüftungsschubs des Sauerstofftanks sowie der Prall- und Leitbleche am Boden liegen, und einmal in der Umlaufbahn reichte die kontinuierliche Entlüftung aus, um ihn während der gesamten Drift in Position zu halten. Die Wiederzündsysteme — Treibstoffnachdruckbeaufschlagung, Vorkühlung durch Rezirkulation, Treibstoffvorlauf beim simulierten Start, Anti-Wirbel-Sieb, Kühlung des Sauerstoffkreislaufs und Vorratsflaschen — funktionierten insgesamt zufriedenstellend und gaben, in den Worten des Berichts, Vertrauen darauf, dass die Wiederzündung des J-2 unter Saturn-V-Bedingungen durchführbar war. Die Bilder der überlebenden Kamera erwiesen sich in Qualität und Dauer als besser als erwartet, abgesehen von vereinzelten Ausfällen, die auf Probleme der Bodenstationen zurückzuführen waren.

Nachdem das Wesentliche erfüllt war, wurden die verbleibenden zwei Umläufe Experimenten gewidmet, die über das für die Saturn V vorgesehene Profil hinausgingen und darauf abzielten, flüssigen Wasserstoff in der Mikrogravitation für künftige kryogene Konstruktionen besser zu verstehen: ein Freidrifttest, um die Verzögerung zu beobachten und ihr entgegenzuwirken, die der restliche atmosphärische Widerstand dem Treibstoff aufprägte, schnelle Tankdrucksenkungen durch die nicht-propulsiven Entlüftungen und schließlich ein Drucksteigerungstest bei geschlossenem Tank.

Letzterer bestand darin, die kontinuierliche und die nicht-propulsive Entlüftung des Wasserstofftanks zu schließen und den Druck durch Selbstdruckaufbau ansteigen zu lassen, gespeist allein durch die von außen eindringende Wärme, während sich der Sauerstofftank über das Entlüftungsschubsystem entspannte. Es war bewusst ein Test der strukturellen Grenzen der gemeinsamen Zwischenwand unter einer umgekehrten Druckdifferenz.

Die Zahlen sprachen für sich. Der Druck im freien Volumen des Wasserstofftanks betrug 8,51 N/cm² (12,35 psi) beim Schließen des Tanks und 25,97 N/cm² (37,7 psi) etwa 5.360 Sekunden später, ungefähr einen Umlauf danach: eine Anstiegsrate von 11,71 N/cm² pro Stunde (17,0 psi/h) gegenüber den 2,20 N/cm² pro Stunde (3,2 psi/h), die unter der alleinigen Annahme einer homogenen Erwärmung der Flüssigkeit berechnet worden waren. Der Unterschied wurde der Erwärmung des Gases im freien Volumen zugeschrieben, das eine starke thermische Schichtung entwickelte: Der Gradient zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der vorderen Kuppel stieg von anfangs etwa 5,55 K auf schließlich etwa 107,7 K. Im selben neunzigminütigen Intervall fiel der Druck im Sauerstofftank von 16,2 auf 3,4 N/cm² (von 23,5 auf 5 psi).

Das Ende geschah ohne Zeugen. Der Bruch der gemeinsamen Zwischenwand muss in dem zweiminütigen Intervall zwischen dem Verlust der Telemetrie in Cape Kennedy und der Erfassung durch das Radar von Trinidad erfolgt sein, das statt eines Fahrzeugs nur noch mehrere Trümmerteile sah. Die Telemetrie wurde nie wiederhergestellt. Die Extrapolation der Druckkurven beider Tanks erlaubte es, den Bruchdruckunterschied der Zwischenwand auf 23,4 plus/minus 0,3 N/cm² (34 plus/minus 0,5 psi) einzugrenzen — ein Wert, der mit dem in einem Strukturtest in Originalgröße in den Anlagen von Sacramento, Kalifornien, festgestellten Versagen übereinstimmte, wo die Zwischenwand bei einer umgekehrten Druckdifferenz von 23,9 N/cm² (34,7 psi) nachgegeben hatte. Die NASA kam zu dem Schluss, dass ein Funke oder ein Aufprall die Treibstoffe entzündet und die Explosion ausgelöst haben musste.

Dass die Stufe zerstört wurde, machte die Mission nicht zu einem Fehlschlag, und das nicht aus Nachsicht: Die Zerstörung erfolgte, nachdem alle primären Ziele erreicht worden waren, und zwar während eines Tests, dessen erklärter Zweck genau darin bestand, die Belastungsgrenze der Zwischenwand auszuloten. AS-203 wurde als Erfolg eingestuft. Das im Auftrag des Manned Spacecraft Center durchgeführte Experiment zur unterkritischen kryogenen Lagerung von Stickstoff, das die Machbarkeit kryogener Lager- und Versorgungssysteme unter geringer Schwerkraft nachweisen sollte, wurde erfolgreich durchgeführt und erreichte alle seine Ziele.

Im September erklärte die Douglas Aircraft Company, die Herstellerin der S-IVB, dass das Design für den Einsatz auf der Saturn V bereit sei. Das Konzept der wiederzündbaren Stufe, das die größte Unbekannte zwischen Erdumlaufbahn und Mond darstellte, war im Flug validiert worden.

AS-203 hinterließ keine spektakulären Fotografien und keine Besatzung, die davon berichten konnte, und ihr inoffizieller Name — Apollo 3, nach der Reihenfolge, in der geflogen wurde — setzte sich nie wirklich durch. Ihre Bedeutung bemisst sich an einem anderen Maßstab: Ohne die Gewissheit, dass flüssiger Wasserstoff stundenlang in der Umlaufbahn kontrolliert werden konnte und dass sich der J-2 danach wieder zünden ließ, wäre das translunare Einschussmanöver ein Glücksspiel gewesen. Zweieinhalb Jahre später führte die S-IVB von Apollo 8 genau dieses Manöver über dem Pazifik aus und schickte drei Männer zum Mond. Die Fernsehkamera, die im Juli 1966 in einen Wasserstofftank in einer Rakete ohne Raumschiff blickte, war in diesem Sinne eines der lohnendsten Instrumente des Programms.