Mercury-Atlas 2

Am 29. Juli 1960 startete Mercury-Atlas 1 von Cape Canaveral mit zwei erklärten Zielen: die strukturelle Unversehrtheit der Kapsel und der Kacheln des hinteren Rumpfabschnitts bei einem Wiedereintritt im Zusammenhang mit einem kritischen Abbruch zu überprüfen und das Open-Loop-Verhalten der Abbruch-Erkennungsinstrumentierung des Atlas zu bewerten. Die Kapsel, die vierte Produktionskapsel, trug weder ein Rettungssystem noch ein Testobjekt; die Posigrad-Raketen, die sie von der Trägerrakete trennen sollten, waren die normalen, doch die Bremsraketen waren simuliert. Die Leistung der Trägerrakete war bis etwa 57,6 Sekunden Flugzeit normal, und die Kombination wurde nach 59 Sekunden durch ein strukturelles Versagen der Einheit aus Trägerrakete und Adapter zerstört. Die Kapsel, die unter diesen Bedingungen ihr Bergungssystem nicht aktivieren konnte, wurde beim Aufprall auf das Wasser zerstört; anschließend wurden der Großteil des Fluggeräts, die Triebwerke der Bremsstufe und das Ablassventil für flüssigen Sauerstoff vom Meeresboden geborgen.

Der Schlag traf doppelt. Zum einen verlor Mercury den Flug, der beweisen sollte, dass Hitzeschild und hinterer Rumpfabschnitt dem denkbar härtesten Fall standhielten; zum anderen kam dieser Fehlschlag zu dem von Big Joe 1 im September 1959 hinzu, bei dem der Atlas seine Antriebssektionen nicht getrennt hatte und Geschwindigkeit und Reichweite deutlich unter den Sollwerten geblieben waren, mit einer durch Wiederberührung verzögerten Kapseltrennung. Zwei Atlas-Flüge, und kein einziges Primärziel erreicht. Weder Big Joe noch MA-1 trugen ausreichende Instrumentierung, um die genaue Ursache des Versagens zu benennen – es gab also keinen Defekt zu reparieren, sondern eine Unsicherheit zu klären.

Am 11. August 1960 trafen sich Vertreter der NASA, von McDonnell, der Ballistic Missile Division, der Space Technology Laboratories und von Convair in Cape Canaveral, und taten dies am 30. August erneut bei Convair Astronautics. James A. Chamberlin von der Space Task Group wurde zum Vorsitzenden eines gemeinsamen Ausschusses mit einem klaren Auftrag ernannt: das Problem zu lösen und vor der Mission Mercury-Atlas 2 eine Lösung vorzulegen. Der bei diesem Treffen vereinbarte Arbeitsplan gibt das Ausmaß des Aufwands wieder: vollständige Analyse der Flugdaten von MA-1 und Abgleich mit denen aller vorangegangenen Atlas-Flüge; eine spezielle dynamische Lastanalyse; Vibrationstests an Kapsel, Adapter und dem oberen Tankabschnitt der Atlas; sowie eine Überprüfung der Windkanalstudien zu den Flatterlasten an denselben Bauteilen.

Die Kette von Treffen und Tests zog sich über ein halbes Jahr hin: zusammenfassende Auswertung der MA-1-Daten in Los Angeles am 9. August; Bewertungstreffen in der Atlantic Missile Range am 11. August; Untersuchungsgremium bei McDonnell am 22. August und bei Convair Astronautics am 9. September; Managementtreffen in der Atlantic Missile Range am 14. September; Konferenz zu Instrumentierung und Windkanaltests bei der Space Task Group am 26. September; Vibrationstests bei McDonnell und Windkanaltests am Arnold Engineering Development Center, beide vom 3. bis 8. Oktober; und am 16. November die Zusammenführung des Testprogramms bei der Space Task Group. Bei diesem letzten Treffen, das in Langley Field stattfand, wurden ausdrücklich die Feststellung der Ursachen des MA-1-Versagens und der Vorbereitungsstand von MA-2 erörtert.

Die von der Space Task Group und allen übrigen Beteiligten geteilte Schlussfolgerung lautete, dass das Problem im Schnittstellenbereich der Kapsel entstanden war: nicht im Hitzeschild, nicht in der Avionik, sondern an der Stelle, an der das Fluggerät auf einer Rakete auflag, die als Waffe und nicht als bemannte Trägerrakete konzipiert worden war. Die Atlas verdankte ihre Leichtigkeit einer „Ballon“-Struktur mit sehr dünnwandigen, unter Druck stehenden Tanks; auf dieser Wand waren nun ein Adapter und eine Kapsel montiert, deren dynamisches Verhalten und deren Flatterlasten niemand im Flug gemessen hatte.

Aus den Tests ergaben sich zwei konkrete Korrekturen und eine Programmentscheidung. Die erste Korrektur bestand in der Versteifung der Adapterringe; nachfolgende Tests zeigten, dass die Lösung voll zufriedenstellend war. Die zweite entstand aus der Feststellung, dass an der Trägerrakete nahe einer Schweißnaht direkt hinter dem Adapter mäßig hohe Spannungen auftraten: Diese Zone wurde durch ein zusätzliches Verstärkungsband verstärkt, das sich bei den Tests ebenfalls bewährte.

Die dritte Entscheidung war die kostspieligste und diejenige, die die Grenze zwischen MA-2 und dem, was danach kam, zog: Ab Mercury-Atlas 3 sollte die Atlas-Trägerrakete in der Konfiguration „dicke Haut“ fliegen. Das heißt, die grundlegende Abhilfe – die Verstärkung der Raketenstruktur anstelle einer Flickung der Naht – wurde beim Flug im Februar 1961 nicht angewendet. MA-2 sollte mit der verfügbaren Konfiguration plus den lokalen Verstärkungen fliegen, und gerade ihre Instrumentierung sollte das letzte Wort haben: Für diese Mission wurde beschlossen, zusätzliche Instrumentierung in Kapsel und Trägerrakete zu integrieren, mit drei ausdrücklichen Zielen: die Lasten im Schnittstellenbereich zu bestimmen, den Druck auf und in dem Adapter zu messen und jede unangemessene Reaktion in dieser Zone zu erkennen.

Diese Aufteilung erklärt die Verzögerung. Die Kapsel Nummer 6 wurde am 1. September 1960 in Cape Canaveral für eine unbemannte Mission angeliefert, die auf die Gewinnung von Daten zum maximalen dynamischen Druck und zur maximalen Erhitzung des hinteren Rumpfabschnitts abzielte; die Atlas 67-D traf am 20. September ein. Da beide Elemente seit dem Herbst auf der Basis waren, erfolgte der Start erst am 21. Februar 1961: fünfundzwanzig Wochen Vorbereitung gegenüber den zehn, die die Kapsel 4 von MA-1 benötigt hatte. Die Überprüfung war keine Formsache, sie war die eigentliche Arbeit.

Der administrative Abschluss kam spät und auf höchster Ebene. Vom 13. bis 17. Februar 1961 prüfte eine Ad-hoc-Gruppe von NASA und US-Luftwaffe – bekannt nach den Namen ihrer Verantwortlichen, Rhode für die NASA und Worthman für die Luftwaffe – die Vorschläge der Space Task Group zu den Änderungen an Trägerrakete und Adapter und billigte sowohl die Testergebnisse als auch die geplanten Maßnahmen. Vier Tage später hob die Atlas 67-D ab.

Die von der NASA festgehaltenen Testziele von MA-2 sind acht an der Zahl und beschreiben einen Flug zur strukturellen und thermischen Qualifikation, keine Fähigkeitsdemonstration. Es ging darum, die strukturelle Unversehrtheit der Kapsel, des Ablationsschilds und der Kacheln des hinteren Rumpfabschnitts bei einem Wiedereintritt nach einem kritischen Abbruch zu bestimmen; das Funktionieren der Betriebssysteme des Fluggeräts während des gesamten Flugs zu bewerten; die realen Bewegungen der Kapsel und die Erhitzungsraten des hinteren Rumpfabschnitts bei ebendiesem Wiedereintritt zu bestimmen; die Kompatibilität der Rettungssysteme der Kapsel mit der Mercury-Atlas-Einheit zu bewerten; die Eignung der Ortungs- und Bergungsverfahren festzustellen; das Closed-Loop-Verhalten des Abbruch-Erkennungs- und Auslösesystems zu bestimmen; die Fähigkeit der Atlas-Trägerstufe zu ermitteln, die Kapsel in der durch die Lenkgleichungen definierten Position, Höhe und Geschwindigkeit freizugeben; und die aerodynamischen Last- und Vibrationseigenschaften sowie die strukturelle Unversehrtheit des Verdampfungsventils für flüssigen Sauerstoff, der Tankkuppel, des Kapseladapters und der zugehörigen Strukturen zu bewerten.

Dieses letzte Ziel ist die direkte Antwort auf MA-1: Was damals gebrochen war, war genau das, was jetzt gemessen wurde. Und das sechste – der geschlossene Regelkreis des Abbruch-Erkennungssystems – bedeutete einen Sprung gegenüber MA-1, wo die Bewertung dieser Instrumentierung im offenen Regelkreis erfolgt war.

Die Flugbahn wurde entsprechend gewählt. Am 17. Februar 1961, vier Tage vor dem Flug, gab die NASA-Zentrale die Auswahl öffentlich bekannt: Die Ingenieure der Space Task Group hatten das Profil so konzipiert, dass es die schwersten Wiedereintritts-Erhitzungsbedingungen nachbildete, die bei einem Notabbruch während eines Orbitalflugversuchs auftreten könnten. Man schätzte eine Erhitzungsrate, die 30 Prozent über der eines normalen Mercury-Orbitalwiedereintritts lag, Temperaturen, die an bestimmten Stellen des hinteren Rumpfabschnitts etwa 25 Prozent höher waren, sowie eine Verzögerungslast in der Größenordnung des Doppelten einer normalen Rückkehr aus der Umlaufbahn. Vom 17. bis 20. Februar überprüfte das Personal der Space Task Group die Flugsicherheitsregeln für Fluggerät, Mission und Trägerrakete für die Kapsel Nummer 6.

MA-2 startete von LC-14 in Cape Canaveral und folgte eng der gewünschten Flugbahn. Sie erreichte eine maximale Höhe von 114,04 Landmeilen – 602.140 Fuß – und eine maximale Reichweite von 1.431,6 Landmeilen. Die Höchstgeschwindigkeit betrug 18.100 Fuß pro Sekunde relativ zur Erde und 19.400 Fuß pro Sekunde relativ zum inertialen Raum, also 13.227,3 Meilen pro Stunde. Der maximal gemessene dynamische Druck betrug 991 Pfund pro Quadratfuß und die maximale Beschleunigung 15,9 g. Die gesamte Flugdauer betrug 17 Minuten und 56 Sekunden.

Die Kapsel wasserte und wurde ohne Zwischenfälle geborgen. Etwa 55 Minuten nach dem Start ergab die Inspektion an Bord des Bergungsschiffs, dass die Testziele erreicht worden waren: Struktur und Hitzeschutzelemente befanden sich in ausgezeichnetem Zustand, nachdem sie einen Wiedereintritt durchlaufen hatten, der härter war als jeder im normalen Betrieb vorgesehene. Das Flugkontrollteam gewann zufriedenstellende Daten, und das gesamte Berechnungs- und Anzeigesystem für den Start, das erstmals bei einem echten Flug im Einsatz war, funktionierte zufriedenstellend. In der offiziellen NASA-Zusammenfassung wird die Mission schlicht als „erfolgreiche Mission“ geführt.

Am 2. März 1961 brachte die Auswertung der Ergebnisse eine Nuance, die in der Ingenieurskunst fast so viel wert ist wie der Erfolg selbst: Die Temperaturen am hinteren Rumpfabschnitt der Kapsel waren etwas niedriger ausgefallen als erwartet. Der Auslegungsfall wurde nicht nur eingehalten, sondern die tatsächliche Marge war größer als berechnet.

Am selben 21. Februar 1961 wählte die Space Task Group die Astronauten John Glenn, Virgil Grissom und Alan Shepard aus, um mit dem spezifischen Training für den ersten bemannten Mercury-Flug zu beginnen. Diese zeitliche Übereinstimmung ist kein Zufall: Da die Kapsel gegen den kritischen Abbruch nachgewiesen war, konnte das Programm seine Aufmerksamkeit zwischen der Vorbereitung der Besatzung und dem verbliebenen Problem aufteilen.

Denn MA-2 schloss die Akte Atlas nicht ab: Es grenzte sie ein. Die Mission zeigte, dass Fluggerät und Rettungssystem mit der Mercury-Atlas-Kombination kompatibel waren, dass der verstärkte Adapter standhielt und dass der Hitzeschild im schlimmsten Abbruchfall seine Aufgabe erfüllte; doch die grundlegende strukturelle Abhilfe, die Konfiguration mit dicker Haut, war noch nicht geflogen. Der erste Flug, der sie trug, Mercury-Atlas 3, startete am 25. April 1961 zu einer unbemannten Orbitalmission, die kurz nach dem Start abgebrochen wurde und ihre Ziele nicht erreichte, mit einer maximalen Höhe von kaum 4,5 Landmeilen und einer Dauer von 7 Minuten und 19 Sekunden. Die Kapsel, Nummer 8, wurde wiederaufbereitet und flog am 13. September 1961 in derselben Konfiguration erneut als MA-4, diesmal erfolgreich und mit voll orbitalen Zielen: Unversehrtheit von Struktur, Hitzeschild und Kacheln bei einem normalen Wiedereintritt aus Orbitalbedingungen, Systemverhalten während des gesamten Flugs, Funktionieren des Verfolgungsnetzwerks und der Bergungsoperationen.

Vom Ende des Programms aus betrachtet, nimmt MA-2 einen genauen Platz in der Abfolge ein: Es ist der Flug, der nach zwei fehlgeschlagenen Versuchen das Vertrauen in das Paar aus Kapsel und Trägerrakete zurückbrachte, derjenige, der ein nicht instrumentiertes strukturelles Versagen in ein gemessenes und eingegrenztes Problem verwandelte, und derjenige, der es erlaubte, dass die Diskussion über die Atlas von „warum sie brach“ zu „wann die verstärkte Version verfügbar sein wird“ überging. Er ist auch ein gutes Beispiel für die Arbeitsweise der Space Task Group in den Jahren 1960 und 1961: Angesichts einer Unsicherheit weder ein schneller Flicken noch ein vollständiger Neuentwurf, sondern ein bis an die Grenze instrumentierter Flug unter der denkbar schwersten Bedingung – und eine fünfmonatige Verzögerung, die ohne Diskussion in Kauf genommen wurde, um dies zu ermöglichen.