Mercury-Atlas 1

Quando la NASA definì il Progetto Mercury, negli Stati Uniti non esisteva alcun lanciatore civile concepito per mettere in orbita un essere umano. Il Redstone serviva per salti balistici di pochi minuti, ma raggiungere la velocità orbitale richiedeva un veicolo di un'altra categoria, e l'unico disponibile con quell'energia era il missile Atlas D fabbricato dalla Convair. La sua scelta non fu un capriccio: era l'unico veicolo dell'arsenale americano capace di mettere in orbita la navicella e, inoltre, accumulava un numero considerevole di voli da cui la NASA poteva trarre dati senza dover pagare essa stessa ogni prova. Le alternative erano attendere anni finché il missile intercontinentale Titan II della generazione successiva entrasse in servizio, oppure sviluppare da zero un lanciatore dedicato ai programmi con equipaggio, e nessuna delle due si adattava al calendario della corsa allo spazio.

Vi fu anche un argomento tecnico a favore dell'Atlas rispetto al Titan. La sua architettura a stadio e mezzo accendeva tutti i suoi motori a terra, cosicché l'intero apparato propulsivo risultava verificato prima di sganciare gli ormeggi; in un veicolo a due stadi, il secondo stadio non si accende finché non c'è più possibilità di tornare indietro. Per un programma che avrebbe portato persone a bordo, questa possibilità di verificare l'hardware nei controlli precedenti al lancio pesò molto.

L'inconveniente era l'origine del razzo. L'Atlas era stato progettato come sistema d'arma, e in un'arma l'affidabilità non deve essere assoluta: bastava che funzionasse a sufficienza, il che in pratica si traduceva in lanci che finivano spesso in esplosione. Poco dopo che il veicolo fu scelto per il programma, all'inizio del 1959, gli astronauti di Mercury furono portati ad assistere alla seconda prova della serie D, che esplose nel primo minuto di volo. Era il quinto fallimento consecutivo, totale o parziale, di quella serie. Il razzo non era allora nemmeno vicino a essere affidabile abbastanza da trasportare una testata nucleare o un satellite, tanto meno un passeggero umano. La Convair stimava di raggiungere il 75% di affidabilità all'inizio del 1961 e l'85% alla fine dello stesso anno. I piani per renderlo idoneo al volo umano erano ancora sul tavolo da disegno.

L'Atlas era un veicolo grande e complesso, con cinque motori, due dei quali si staccavano durante l'ascesa, un sofisticato sistema di guida e, soprattutto, serbatoi del tipo a pallone che avevano bisogno di una pressione interna costante per non collassare. Questa è la chiave di quasi tutta la storia della MA-1: la struttura del razzo non si regge da sola, ma grazie alla pressione dei propri propellenti. Il rivestimento in acciaio inossidabile è così sottile che la rigidità dell'insieme dipende dalla differenza di pressione tra interno ed esterno, e qualsiasi carico che superi ciò che quella pressione è in grado di contrastare produce un cedimento immediato per instabilità.

Su questo cilindro pressurizzato bisognava imbullonare una capsula con una forma aerodinamica molto diversa da quella di un'ogiva missilistica, e l'insieme doveva attraversare la zona di massima pressione dinamica con l'angolo di beccheggio imposto da una traiettoria di lancio orbitale. Né la Big Joe né la MA-1 volarono con il rivestimento rinforzato su tutta la loro lunghezza: entrambi i lanciatori montavano uno spessore leggermente maggiore nel serbatoio del carburante RP-1, ma il serbatoio dell'ossigeno liquido manteneva il rivestimento sottile standard del missile della serie D. Lì, appena sotto la navicella, si trovava il punto che la MA-1 avrebbe messo alla prova senza che nessuno avesse previsto che sarebbe stato quello a cedere.

Il precedente immediato fu la Big Joe 1, lanciata il 9 settembre 1959 dallo stesso complesso LC-14 su un Atlas 10-D con un modello strutturale della capsula. Il suo scopo era provare lo scudo termico ablativo della navicella Mercury, il riscaldamento del corpo posteriore, la dinamica di rientro, il controllo d'assetto e la capacità di recupero, e fu il primo lancio di una navicella del Progetto Mercury. Il volo fu preceduto da due prove di accensione sulla rampa: la prima, il 1° settembre, fu interrotta appena raggiunto il T-0 perché il temporizzatore ordinò l'arresto non essendosi verificata l'accensione dello stadio principale dopo quella dei motori vernier; la seconda, il 3 settembre, si completò normalmente dopo circa diciannove secondi di funzionamento.

Il volo vero e proprio, alle 08:19 GMT, andò solo in parte come previsto. Ai due minuti la telemetria indicò che la sezione propulsiva non si era separata, e il peso morto dei motori lasciò la velocità al di sotto del previsto. La conseguenza fu una catena di contrattempi: la guida non generò il segnale di spegnimento del motore sustentatore previsto per T+270 s perché non erano state raggiunte l'altitudine né la velocità necessarie, lo spegnimento arrivò per esaurimento dell'ossigeno liquido a T+293 s, l'ordine manuale di autodistruzione di sicurezza arrivò ma non ebbe effetto perché non restava più elio di controllo per chiudere le valvole, e neppure fu generato il segnale di separazione della capsula, per cui fu necessario strapparla via azionando ripetutamente i propulsori del sistema di controllo di reazione fino a esaurirne il propellente. Ciononostante il modello cadde circa 500 miglia (800 chilometri) prima del punto previsto, fu recuperato in buone condizioni e convalidò lo scudo ablativo; il piano alternativo di uno scudo in berillio fu scartato. Il volo balistico aveva percorso 2.292 chilometri fino a un'altitudine di 140 chilometri.

La Big Joe aveva quindi risposto alla domanda termica. Ciò che restava aperto era la domanda strutturale e operativa: se una capsula Mercury di produzione, con la sua geometria reale e la sua massa reale, potesse volare sopra un Atlas per tutta l'ascesa e sopravvivere al rientro più severo che ci si potesse aspettare da un aborto.

Il carico della MA-1 era la navicella numero 4 e il veicolo lanciatore 50-D. La capsula era deliberatamente incompleta: montava razzi di separazione reali ma retrorazzi simulati, e le mancavano sistemi non necessari in un volo senza equipaggio, tra cui quello di pressurizzazione della cabina e il sedile dell'astronauta. In compenso fu strumentata a fondo per l'obiettivo termico, con 51 termocoppie distribuite per misurare i ritmi di riscaldamento del corpo posteriore durante il rientro.

La decisione più discussa fu quella di rinunciare alla torre di fuga. Al suo posto, sopra la capsula fu montata una carenatura in fibra di vetro che occupava lo spazio del sistema assente. Gli ingegneri della Convair avevano sostenuto che la torre dovesse volare sia per ragioni aerodinamiche sia per raccogliere dati nella configurazione reale, ma i responsabili del Progetto Mercury decisero diversamente. Anche il sistema di rilevamento degli aborti volò in una configurazione intermedia: l'ASIS, il sistema automatico che sorvegliava i parametri dell'Atlas e doveva far scattare l'aborto di fronte a un'anomalia, era già stato provato in alcuni voli di sviluppo del missile e sulla MA-1 volava a circuito aperto, cioè capace di generare il segnale di aborto ma non di inviare l'ordine di spegnimento alla propulsione; il funzionamento a circuito chiuso sarebbe arrivato solo con la MA-3.

Gli obiettivi ufficiali del volo, così come enunciati dalla NASA, erano qualificare la combinazione di navicella e Atlas, recuperare la capsula, determinare l'integrità strutturale della navicella e delle piastrelle del corpo posteriore sotto il massimo riscaldamento che poteva verificarsi in un lancio orbitale, misurare i ritmi di riscaldamento del corpo posteriore nel rientro, determinare le caratteristiche dinamiche di volo della capsula durante quel rientro, verificare l'idoneità dei sistemi di recupero e familiarizzare il personale del progetto con le operazioni di lancio e recupero.

Il giorno del lancio si presentò piovoso e coperto su Cape Canaveral. Il meteo non impediva di volare, ma impediva di vedere, e nel 1960 l'osservazione ottica dell'ascesa — telecamere di tracciamento incluse — faceva parte della strumentazione di una prova tanto quanto la telemetria. Diversi ingegneri di Mercury manifestarono la loro opposizione a lanciare proprio per questo motivo: se qualcosa fosse andato storto, non ci sarebbero state immagini con cui ricostruirlo. L'obiezione non ebbe seguito e l'Atlas 50-D decollò dal LC-14 il 29 luglio 1960.

Dopo ventisei secondi di volo, il veicolo entrò nella nuvolaglia e sparì. Da quel momento, tutto ciò che si seppe del volo arrivò via radio.

La telemetria mostrò un Atlas che funzionava normalmente fino a T+58 s, senza il minimo indizio di problemi, e in quel momento registrò una perturbazione assiale severa. Circa un secondo dopo, la differenza di pressione tra il serbatoio dell'RP-1 e quello dell'ossigeno liquido crollò a zero; seguirono la perdita di spinta e la perdita di telemetria, e il radar iniziò a mostrare oggetti multipli dove prima ce n'era uno solo. Il veicolo stava attraversando la zona di massima pressione dinamica, a circa 30.000 piedi (9,1 chilometri) di altitudine e 11.000 piedi (3,4 chilometri) di gittata. Alcuni testimoni affermarono di aver udito un'esplosione, ma ciò non poté essere confermato.

L'analisi successiva separò due perturbazioni distinte. La prima, a T+58,5 s, provocò la perdita istantanea delle misurazioni di telemetria della parte anteriore del razzo. La seconda si verificò a T+59,4 s, dopo lo spegnimento dei motori attribuito all'ASIS. La propulsione, d'altra parte, non sembrava colpita dall'evento iniziale. I dati dei giroscopi della capsula suggerirono che l'insieme arrivò a beccheggiare fino a 10°.

La ricostruzione si scontrò con un limite di strumentazione: a differenza degli Atlas D di ricerca e sviluppo, che volavano carichi di sensori, il 50-D portava solo cinquanta misurazioni di telemetria. Inoltre, l'ultimo secondo e due decimi di dati rimasero incerti a causa dei circuiti aperti che la perturbazione aveva lasciato nel razzo. Il veicolo sembrava seguire una traiettoria stabile quando la telemetria si perse del tutto a T+60 s.

La capsula, invece, si comportò bene fino alla fine. I dati registrarono movimenti violenti subito dopo la perdita della telemetria del lanciatore, ma la navicella continuò a funzionare normalmente e a trasmettere fino a schiantarsi contro l'oceano circa 220 secondi dopo il decollo, a circa 6 miglia (9,7 chilometri) dalla costa. Il sistema di paracadute non arrivò ad aprirsi perché l'aborto era avvenuto troppo presto durante l'ascesa. Il volo durò 3 minuti e 18 secondi, raggiunse un apogeo di 13 chilometri e percorse 9,6 chilometri di gittata; la massa della navicella era di 1.154 chilogrammi e la velocità massima registrata, secondo la NASA, circa 1.701 miglia orarie.

Senza immagini dell'ascesa, l'indagine dipendeva da ciò che si poteva recuperare dal fondo. L'operazione di salvataggio riportò in superficie la capsula, i motori propulsori dell'Atlas e la valvola di sfiato dell'ossigeno liquido. Owen Maynard, ingegnere di sistemi di Mercury alla NASA, diresse il recupero della navicella dal fondale marino e arrivò a compiere un'immersione in apnea di 30 piedi (9,1 metri) per localizzare un componente specifico che mancava.

L'esame dei pezzi diede due risultati di segno contrario. I motori non mostravano più danni della deformazione causata dall'impatto con l'acqua, il che indicava che la propulsione non era stata all'origine dell'incidente. La valvola di sfiato dell'ossigeno liquido e un tratto di tubazione ancora unito ad essa, invece, presentavano crepe da fatica apprezzabili. I rottami della navicella numero 4 furono riassemblati per lo studio.

Il primo sospetto fu che la carenatura in fibra di vetro montata sulla capsula al posto della torre di fuga assente si fosse staccata e avesse perforato il serbatoio dell'ossigeno liquido dell'Atlas. L'ipotesi era ragionevole, ma i calcoli successivi al volo eseguiti da Maynard indicarono qualcosa di diverso, più profondo: il rivestimento del lanciatore appena sotto la navicella si sarebbe incurvato per instabilità sotto la combinazione di resistenza aerodinamica, accelerazione e carichi di flessione, un insieme di sollecitazioni che superava la tensione che la pressurizzazione interna era in grado di contrastare in quella zona. In altre parole, il razzo non fallì per un impatto né per un guasto dei suoi motori, ma perché, nel punto di giunzione con la capsula, la struttura era sollecitata oltre il suo margine. Maynard avrebbe riassunto anni dopo, in un'intervista di storia orale, che il problema di accoppiare la capsula Mercury all'Atlas era ben lungi dall'essere risolto ai tempi della MA-1.

Rimase anche il sospetto che l'assenza del sistema di fuga avesse peggiorato il profilo aerodinamico dell'insieme, esattamente ciò che gli ingegneri della Convair avevano sostenuto prima del volo chiedendo che la torre volasse.

Sulla base di questa scoperta, la NASA impose due cambiamenti di fondo nei lanciatori Mercury-Atlas successivi. Il primo fu strutturale: aggiungere rinforzi al rivestimento (doubler) nella zona critica sotto la navicella e ispessire il rivestimento del serbatoio dell'ossigeno liquido, che fino ad allora era quello del missile di serie. Il secondo fu di traiettoria: appiattire il profilo di ascesa per ridurre la velocità di beccheggio e, con essa, i carichi di flessione sul veicolo.

L'applicazione pratica richiese tempo, perché i razzi erano già fabbricati. L'Atlas 100-D sarebbe stato il primo veicolo dal rivestimento spesso consegnato. Nel frattempo, il 67-D destinato alla MA-2 restava del modello dal rivestimento sottile, per cui fu necessario modificarlo: vi fu installata una fascia di rinforzo in acciaio inossidabile attorno al veicolo tra le stazioni 502 e 510 — l'interfaccia tra la capsula e il razzo — con un sottile foglio di amianto interposto tra la fascia e il rivestimento del serbatoio, proprio come precauzione contro il tipo di guasto subito dalla MA-1. Il 77-D, che secondo i piani originali avrebbe dovuto volare sulla MA-3 e aveva superato la sua ispezione di uscita di fabbrica nel settembre 1960, fu ritirato poco dopo, quando emersero le conclusioni dell'analisi successiva al volo della MA-1, e fu sostituito dal 100-D. Più avanti, già sulla MA-7, il rivestimento del serbatoio dell'ossigeno liquido fu ispessito ulteriormente, perché le navicelle operative portavano più attrezzatura e materiali di consumo di quelle di ricerca e il peso della capsula continuava a crescere.

La prova che la diagnosi fosse corretta arrivò il 21 febbraio 1961, alle 14:10 UTC, quando la MA-2 decollò dal LC-14 sotto un cielo azzurro e sereno, tanto diverso dalla foschia della MA-1. Nel bunker si attese con nervosismo il passaggio attraverso la zona di massima pressione dinamica, e quando il veicolo la superò, la reazione della squadra di lancio fu di giubilo. La MA-2 completò un volo suborbitale di 17 minuti e 56 secondi, raggiunse 114 miglia (183 chilometri) di altitudine e 13.227 miglia orarie (21.287 chilometri orari), sopportò un'accelerazione massima di 15,9 g e la capsula fu recuperata a 1.432 miglia (2.305 chilometri) dal punto di lancio. Tutti gli obiettivi furono raggiunti e l'unico problema degno di nota fu un lieve sciabordio del propellente. Il tipo di guasto della MA-1 non si ripeté mai più in nessun volo successivo.

La MA-1 viene contabilizzata come un fallimento, e lo fu: si persero la navicella numero 4 e l'Atlas 50-D, non si recuperò alcun dato di rientro, non furono provate né le piastrelle del corpo posteriore né i sistemi di recupero, e nessuno degli obiettivi dichiarati fu raggiunto. Ma il volo fece, involontariamente, qualcosa che nessuna prova pianificata era riuscita a fare: dimostrò che la giunzione tra la capsula e il lanciatore non era risolta, e lo fece in un volo senza nessuno a bordo, quando mancavano ancora diciotto mesi al primo volo orbitale con equipaggio.

Questo è lo schema che si ripete in tutta la serie senza equipaggio di Mercury e il motivo per cui questi voli meritano di essere raccontati con lo stesso dettaglio di quelli con equipaggio: la Big Joe convalidò lo scudo termico al prezzo di una separazione fallita, la MA-1 scoprì il punto debole strutturale al prezzo dell'intero veicolo, e ogni scoperta si tradusse in hardware diverso sul razzo successivo. Dalla MA-1 nacquero la fascia d'acciaio del 67-D, il ritiro del 77-D, l'anticipazione del 100-D dal rivestimento spesso e le traiettorie più appiattite che avrebbero accompagnato il resto del programma.

Della navicella stessa resta materiale fisico: pezzi della Mercury numero 4 sono conservati in esposizione al Cosmosphere di Hutchinson, in Kansas, e il portello si trova all'American Space Museum di Titusville, in Florida.