Mercury-Atlas 1

Als die NASA das Mercury-Programm festlegte, gab es in den Vereinigten Staaten keinen zivilen Träger, der dafür ausgelegt war, einen Menschen in die Umlaufbahn zu bringen. Der Redstone eignete sich für ballistische Sprünge von wenigen Minuten, doch das Erreichen der Orbitalgeschwindigkeit erforderte ein Fahrzeug einer anderen Kategorie, und das einzig verfügbare mit dieser Energie war der von Convair gebaute Atlas-D-Lenkflugkörper. Seine Wahl war keine Laune: Er war das einzige Fahrzeug im US-Arsenal, das die Kapsel in die Umlaufbahn bringen konnte, und verfügte zudem über eine beachtliche Zahl von Flügen, aus denen die NASA Daten gewinnen konnte, ohne jeden Test selbst bezahlen zu müssen. Die Alternativen wären gewesen, Jahre zu warten, bis die Titan-II-Interkontinentalrakete der nächsten Generation in Dienst gestellt wurde, oder von Grund auf einen eigenen Träger für die bemannten Programme zu entwickeln, und keine davon passte in den Zeitplan des Wettlaufs ins All.

Es gab auch ein technisches Argument für den Atlas gegenüber dem Titan. Seine Anderthalb-Stufen-Architektur zündete alle Triebwerke am Boden, sodass das gesamte Antriebssystem geprüft war, bevor die Halterungen gelöst wurden; bei einem zweistufigen Fahrzeug zündet die zweite Stufe erst, wenn es kein Zurück mehr gibt. Für ein Programm, das Menschen an Bord bringen sollte, wog diese Möglichkeit, die Hardware bei den Kontrollen vor dem Start zu überprüfen, schwer.

Der Nachteil lag im Ursprung der Rakete. Der Atlas war als Waffensystem entworfen worden, und bei einer Waffe muss die Zuverlässigkeit nicht absolut sein: Es reichte, dass sie ausreichend gut funktionierte, was sich in der Praxis in Starts niederschlug, die häufig mit einer Explosion endeten. Kurz nachdem das Fahrzeug für das Programm ausgewählt worden war, Anfang 1959, wurden die Mercury-Astronauten zum zweiten Test der D-Serie gebracht, der nach einer Minute Flug explodierte. Es war der fünfte aufeinanderfolgende, vollständige oder teilweise Fehlschlag dieser Serie. Die Rakete war damals nicht annähernd zuverlässig genug, um einen Atomsprengkopf oder einen Satelliten zu tragen, geschweige denn einen menschlichen Passagier. Convair rechnete damit, Anfang 1961 eine Zuverlässigkeit von 75 % und Ende desselben Jahres 85 % zu erreichen. Die Pläne, sie für den bemannten Flug tauglich zu machen, standen noch auf dem Reißbrett.

Der Atlas war ein großes, komplexes Fahrzeug mit fünf Triebwerken, von denen sich zwei während des Aufstiegs abtrennten, einem hochentwickelten Lenksystem und vor allem ballonartigen Tanks, die einen konstanten Innendruck benötigten, um nicht zu kollabieren. Das ist der Schlüssel zu fast der gesamten Geschichte von MA-1: Die Struktur der Rakete trägt sich nicht selbst, sondern durch den Druck ihrer eigenen Treibstoffe. Die Außenhaut aus Edelstahl ist so dünn, dass die Steifigkeit des Ganzen vom Druckunterschied zwischen innen und außen abhängt, und jede Last, die das übersteigt, was dieser Druck ausgleichen kann, führt zu einem sofortigen Einknicken.

Auf diesen unter Druck stehenden Zylinder musste eine Kapsel mit einer aerodynamischen Form aufgeschraubt werden, die sich stark von der eines Raketenkopfes unterschied, und das Ganze musste die Zone des maximalen dynamischen Drucks mit dem Anstellwinkel durchqueren, den eine orbitale Startbahn erfordert. Weder Big Joe noch MA-1 flogen mit über die gesamte Länge verstärkter Außenhaut: Beide Trägerraketen hatten eine etwas dickere Wandstärke am RP-1-Treibstofftank, doch der Flüssigsauerstofftank behielt die dünne Standardhaut des Lenkflugkörpers der D-Serie bei. Genau dort, direkt unter der Kapsel, lag der Punkt, den MA-1 auf die Probe stellen sollte, ohne dass irgendjemand vorhergesehen hätte, dass er derjenige sein würde, der versagte.

Der unmittelbare Vorläufer war Big Joe 1, gestartet am 9. September 1959 vom selben Komplex LC-14 auf einem Atlas 10-D mit einem Strukturmodell der Kapsel. Sein Zweck war es, den ablativen Hitzeschutzschild der Mercury-Kapsel, die Erwärmung des Heckkörpers, die Wiedereintrittsdynamik, die Lageregelung und die Bergungsfähigkeit zu erproben, und es war der erste Start einer Kapsel des Mercury-Programms. Dem Flug gingen zwei Zündtests auf der Startrampe voraus: Der erste, am 1. September, wurde unmittelbar bei T-0 abgebrochen, weil der Zeitgeber den Stopp anordnete, da die Hauptstufe nach der Zündung der Vernier-Triebwerke nicht zündete; der zweite, am 3. September, verlief nach etwa neunzehn Sekunden Betrieb normal.

Der eigentliche Flug um 08:19 GMT verlief nur zur Hälfte planmäßig. Nach zwei Minuten zeigte die Telemetrie, dass sich die Antriebssektion nicht getrennt hatte, und das Totgewicht der Triebwerke ließ die Geschwindigkeit unter dem Vorgesehenen bleiben. Die Folge war eine Kette von Fehlfunktionen: Die Lenkung erzeugte nicht das für T+270 s vorgesehene Abschaltsignal des Haupttriebwerks, weil weder die nötige Höhe noch die nötige Geschwindigkeit erreicht worden waren, die Abschaltung erfolgte durch Erschöpfung des Flüssigsauerstoffs bei T+293 s, der manuelle Sicherheitsbefehl für den Flugbereich kam an, blieb aber wirkungslos, weil kein Steuerhelium mehr übrig war, um die Ventile zu schließen, und auch das Trennsignal der Kapsel wurde nicht erzeugt, sodass man sie durch wiederholtes Zünden der Triebwerke des Lageregelungssystems losreißen musste, bis deren Treibstoff aufgebraucht war. Dennoch schlug das Modell etwa 500 Meilen (800 Kilometer) kurz vor dem vorgesehenen Punkt auf, wurde in gutem Zustand geborgen und bestätigte den ablativen Hitzeschild; der alternative Plan eines Berylliumschilds wurde verworfen. Der ballistische Flug hatte 2.292 Kilometer bis zu einer Höhe von 140 Kilometern zurückgelegt.

Big Joe hatte damit die thermische Frage beantwortet. Offen blieb die strukturelle und operative Frage: ob eine serienmäßige Mercury-Kapsel mit ihrer tatsächlichen Geometrie und Masse den gesamten Aufstieg über auf einem Atlas fliegen und den schwersten Wiedereintritt überstehen konnte, der bei einem Abbruch zu erwarten war.

Die Nutzlast von MA-1 waren die Kapsel Nummer 4 und die Trägerrakete 50-D. Die Kapsel war absichtlich unvollständig: Sie führte echte Trennraketen, aber simulierte Bremsraketen mit, und es fehlten ihr Systeme, die für einen unbemannten Flug nicht nötig waren, darunter das Kabinendrucksystem und der Astronautensitz. Dafür wurde sie für das thermische Ziel umfassend instrumentiert, mit 51 verteilten Thermoelementen zur Messung der Erwärmungsraten des Heckkörpers beim Wiedereintritt.

Die umstrittenste Entscheidung war der Verzicht auf den Rettungsturm. An seiner Stelle wurde auf der Kapsel eine Verkleidung aus Glasfaser montiert, die den Platz des fehlenden Systems einnahm. Die Ingenieure von Convair hatten dafür plädiert, dass der Turm mitfliegen sollte, sowohl aus aerodynamischen Gründen als auch um Daten in der realen Konfiguration zu sammeln, doch die Verantwortlichen des Mercury-Programms entschieden anders. Auch das Abbruch-Erkennungssystem flog in einer Zwischenkonfiguration: Das ASIS, das automatische System, das die Parameter des Atlas überwachte und bei einer Anomalie den Abbruch auslösen sollte, war zuvor bei einigen Entwicklungsflügen des Lenkflugkörpers erprobt worden und flog bei MA-1 im offenen Regelkreis, das heißt, in der Lage, das Abbruchsignal zu erzeugen, aber nicht den Abschaltbefehl an den Antrieb zu senden; der geschlossene Regelkreis kam erst mit MA-3.

Die offiziellen Ziele des Flugs, wie sie die NASA formulierte, waren: die Kombination aus Kapsel und Atlas zu qualifizieren, die Kapsel zu bergen, die strukturelle Unversehrtheit der Kapsel und der Hitzeschutzkacheln des Heckkörpers unter der maximalen Erwärmung zu bestimmen, die bei einem orbitalen Start auftreten konnte, die Erwärmungsraten des Heckkörpers beim Wiedereintritt zu messen, die dynamischen Flugeigenschaften der Kapsel während dieses Wiedereintritts zu bestimmen, die Eignung der Bergungssysteme zu überprüfen und das Projektpersonal mit den Start- und Bergungsabläufen vertraut zu machen.

Der Starttag brach regnerisch und bewölkt über Cape Canaveral an. Das Wetter verhinderte nicht das Fliegen, wohl aber das Sehen, und 1960 war die optische Beobachtung des Aufstiegs – einschließlich der Verfolgungskameras – ebenso Teil der Testausrüstung wie die Telemetrie. Mehrere Mercury-Ingenieure sprachen sich gerade deswegen gegen den Start aus: Wenn etwas schiefginge, gäbe es keine Bilder, mit denen man es rekonstruieren könnte. Der Einwand setzte sich nicht durch, und der Atlas 50-D startete am 29. Juli 1960 vom LC-14.

Sechsundzwanzig Sekunden nach dem Start verschwand das Fahrzeug in den Wolken. Von diesem Moment an kam alles, was man über den Flug wusste, per Funk.

Die Telemetrie zeigte einen Atlas, der bis T+58 s normal funktionierte, ohne den geringsten Hinweis auf ein Problem, und in diesem Moment eine schwere axiale Störung registrierte. Etwa eine Sekunde später fiel der Druckunterschied zwischen dem RP-1-Tank und dem Flüssigsauerstofftank auf null; es folgten der Schubverlust und der Telemetrieausfall, und das Radar begann, mehrere Objekte anzuzeigen, wo zuvor eines war. Das Fahrzeug durchquerte gerade die Zone des maximalen dynamischen Drucks, in etwa 30.000 Fuß (9,1 Kilometer) Höhe und 11.000 Fuß (3,4 Kilometer) Reichweite. Einige Zeugen gaben an, eine Explosion gehört zu haben, doch das konnte nicht bestätigt werden.

Die spätere Analyse trennte zwei unterschiedliche Störungen. Die erste, bei T+58,5 s, verursachte den sofortigen Verlust der Telemetriemessungen aus dem vorderen Teil der Rakete. Die zweite ereignete sich bei T+59,4 s, nach der dem ASIS zugeschriebenen Triebwerksabschaltung. Der Antrieb hingegen schien vom anfänglichen Ereignis nicht betroffen zu sein. Die Daten der Kapselkreisel deuteten darauf hin, dass das Gesamtsystem bis zu 10° nickte.

Die Rekonstruktion stieß auf eine Instrumentierungsgrenze: Anders als die Forschungs- und Entwicklungs-Atlas-D, die voller Sensoren flogen, verfügte die 50-D nur über fünfzig Telemetriemessungen. Zudem wurde die letzte Sekunde und zwei Zehntel an Daten durch die offenen Stromkreise infrage gestellt, welche die Störung in der Rakete hinterlassen hatte. Das Fahrzeug schien einer stabilen Flugbahn zu folgen, als die Telemetrie bei T+60 s vollständig ausfiel.

Die Kapsel hingegen verhielt sich bis zum Ende gut. Die Daten zeichneten unmittelbar nach dem Ausfall der Telemetrie der Trägerrakete heftige Bewegungen auf, doch die Kapsel funktionierte weiterhin normal und sendete, bis sie etwa 220 Sekunden nach dem Start auf den Ozean aufschlug, etwa 6 Meilen (9,7 Kilometer) vor der Küste. Das Fallschirmsystem entfaltete sich nicht, da der Abbruch zu früh im Aufstieg erfolgt war. Der Flug dauerte 3 Minuten und 18 Sekunden, erreichte einen Höhepunkt von 13 Kilometern und legte 9,6 Kilometer Reichweite zurück; die Masse der Kapsel betrug 1.154 Kilogramm, und die laut NASA registrierte Höchstgeschwindigkeit lag bei etwa 1.701 Meilen pro Stunde.

Ohne Bilder des Aufstiegs war die Untersuchung auf das angewiesen, was vom Meeresboden geborgen werden konnte. Die Bergungsoperation holte die Kapsel, die Triebwerke des Atlas und das Entlüftungsventil des Flüssigsauerstoffs an die Oberfläche. Owen Maynard, Systemingenieur für Mercury bei der NASA, leitete die Bergung der Kapsel vom Meeresgrund und unternahm sogar einen freien Tauchgang von 30 Fuß (9,1 Metern), um ein bestimmtes fehlendes Bauteil zu lokalisieren.

Die Untersuchung der Teile ergab zwei gegensätzliche Ergebnisse. Die Triebwerke zeigten keinen weiteren Schaden als die durch den Aufprall auf das Wasser verursachte Verformung, was darauf hindeutete, dass der Antrieb nicht die Ursache des Unfalls war. Das Entlüftungsventil des Flüssigsauerstoffs und ein daran noch angeschlossenes Rohrstück wiesen dagegen deutliche Ermüdungsrisse auf. Die Überreste der Kapsel Nummer 4 wurden zur Untersuchung wieder zusammengesetzt.

Der erste Verdacht war, dass sich die auf der Kapsel anstelle des fehlenden Rettungsturms montierte Glasfaserverkleidung gelöst und den Flüssigsauerstofftank des Atlas durchbohrt hatte. Die Hypothese war naheliegend, doch Maynards Berechnungen nach dem Flug deuteten auf etwas anderes, Tiefergehendes hin: Die Außenhaut der Trägerrakete direkt unter der Kapsel wäre unter der Kombination aus aerodynamischem Widerstand, Beschleunigung und Biegelasten eingeknickt, einer Belastung, die die Spannung überstieg, der die Innendruckbeaufschlagung in diesem Bereich entgegenwirken konnte. Anders gesagt: Die Rakete versagte nicht durch einen Einschlag oder einen Triebwerksausfall, sondern weil die Struktur an der Verbindung zur Kapsel über ihre Grenze hinaus beansprucht wurde. Maynard sollte Jahre später in einem Oral-History-Interview zusammenfassen, dass das Problem der Kopplung der Mercury-Kapsel an den Atlas zur Zeit von MA-1 noch weit davon entfernt war, gut gelöst zu sein.

Offen blieb auch der Verdacht, dass das Fehlen des Rettungssystems das aerodynamische Profil des Gesamtsystems verschlechtert hatte – genau das, was die Ingenieure von Convair vor dem Flug argumentiert hatten, als sie forderten, dass der Turm mitfliegen solle.

Auf Grundlage dieses Befundes verordnete die NASA den späteren Mercury-Atlas-Trägerraketen zwei grundlegende Änderungen. Die erste war struktureller Art: Hautverstärkungen (Doubler) im kritischen Bereich unter der Kapsel hinzuzufügen und die Haut des Flüssigsauerstofftanks zu verstärken, die bis dahin die des Serienlenkflugkörpers war. Die zweite betraf die Flugbahn: das Aufstiegsprofil abzuflachen, um die Nickgeschwindigkeit und damit die Biegebelastungen auf das Fahrzeug zu verringern.

Die praktische Umsetzung brauchte ihre Zeit, weil die Raketen bereits gefertigt waren. Der Atlas 100-D sollte das erste ausgelieferte Fahrzeug mit dicker Haut sein. In der Zwischenzeit war die für MA-2 vorgesehene 67-D noch vom dünnhäutigen Modell, sodass sie modifiziert werden musste: Man installierte einen Verstärkungsring aus Edelstahl um das Fahrzeug zwischen den Stationen 502 und 510 – der Schnittstelle zwischen Kapsel und Rakete – mit einer dünnen Asbestfolie zwischen dem Ring und der Tankhaut, genau als Vorsichtsmaßnahme gegen die Art von Versagen, das MA-1 erlitten hatte. Die 77-D, die nach den ursprünglichen Plänen bei MA-3 fliegen sollte und im September 1960 ihre Werksabnahme bestanden hatte, wurde kurz darauf zurückgezogen, als die Schlussfolgerungen der Nachflug-Analyse von MA-1 vorlagen, und durch die 100-D ersetzt. Später, bereits bei MA-7, wurde die Haut des Flüssigsauerstofftanks noch weiter verstärkt, da die einsatzbereiten Kapseln mehr Ausrüstung und Verbrauchsmaterial mitführten als die Forschungskapseln und das Gewicht der Kapsel weiter zunahm.

Der Beweis, dass die Diagnose richtig war, kam am 21. Februar 1961 um 14:10 UTC, als MA-2 unter einem blauen, klaren Himmel vom LC-14 startete, so anders als der Nebel bei MA-1. Im Bunker wartete man nervös auf den Durchgang durch die Zone des maximalen dynamischen Drucks, und als das Fahrzeug sie überwand, brach beim Startteam Jubel aus. MA-2 absolvierte einen suborbitalen Flug von 17 Minuten und 56 Sekunden, erreichte 114 Meilen (183 Kilometer) Höhe und 13.227 Meilen pro Stunde (21.287 Kilometer pro Stunde), hielt einer maximalen Beschleunigung von 15,9 g stand, und die Kapsel wurde 1.432 Meilen (2.305 Kilometer) vom Startpunkt entfernt geborgen. Alle Ziele wurden erreicht, und das einzige nennenswerte Problem war ein gewisses Schwappen des Treibstoffs. Der Versagensmodus von MA-1 wiederholte sich bei keinem späteren Flug.

MA-1 zählt als Fehlschlag, und das war er auch: Die Kapsel Nummer 4 und der Atlas 50-D gingen verloren, es wurden keine Wiedereintrittsdaten gewonnen, weder die Hitzeschutzkacheln des Heckkörpers noch die Bergungssysteme wurden erprobt, und keines der erklärten Ziele wurde erreicht. Doch der Flug erreichte unabsichtlich etwas, das kein geplanter Test geschafft hatte: Er machte deutlich, dass die Verbindung zwischen Kapsel und Trägerrakete nicht gelöst war, und das bei einem Flug ohne jemanden an Bord, als noch achtzehn Monate bis zum ersten bemannten Orbitalflug verblieben.

Das ist das Muster, das sich durch die gesamte unbemannte Mercury-Serie zieht, und der Grund, warum diese Flüge es verdienen, mit derselben Ausführlichkeit erzählt zu werden wie die bemannten: Big Joe bestätigte den Hitzeschild um den Preis einer misslungenen Trennung, MA-1 entdeckte die strukturelle Schwachstelle um den Preis des gesamten Fahrzeugs, und jeder Befund schlug sich in anderer Hardware der nächsten Rakete nieder. Aus MA-1 gingen der Stahlring der 67-D, der Rückzug der 77-D, das Vorziehen der dickhäutigen 100-D und die flacheren Flugbahnen hervor, die den Rest des Programms begleiten sollten.

Von der Kapsel selbst ist physisches Material erhalten: Teile der Mercury Nummer 4 werden im Cosmosphere in Hutchinson, Kansas, ausgestellt, und die Luke befindet sich im American Space Museum in Titusville, Florida.