Mercury-Atlas 1

Quando a NASA definiu o Projeto Mercury, não existia nos Estados Unidos nenhum lançador civil concebido para colocar um ser humano em órbita. O Redstone servia para saltos balísticos de poucos minutos, mas alcançar a velocidade orbital exigia um veículo de outra categoria, e o único disponível com essa energia era o míssil Atlas D fabricado pela Convair. Sua escolha não foi um capricho: era o único veículo do arsenal americano capaz de colocar a nave em órbita e, além disso, acumulava um número considerável de voos dos quais a NASA podia extrair dados sem pagar ela mesma cada ensaio. As alternativas eram esperar anos até que o míssil intercontinental Titan II da geração seguinte entrasse em serviço ou desenvolver do zero um lançador dedicado aos programas tripulados, e nenhuma se encaixava no calendário da corrida espacial.

Houve também um argumento técnico a favor do Atlas frente ao Titan. Sua arquitetura de estágio e meio acendia todos os seus motores no solo, de modo que todo o conjunto propulsor ficava verificado antes de soltar as amarras; em um veículo de dois estágios, o segundo estágio não acende até que já não haja volta possível. Para um programa que iria colocar pessoas a bordo, essa possibilidade de verificar o hardware nas checagens anteriores ao lançamento pesou muito.

O inconveniente era a origem do foguete. O Atlas havia sido projetado como sistema de armas, e em uma arma a confiabilidade não precisa ser absoluta: bastava que funcionasse o suficiente, o que na prática se traduzia em lançamentos que terminavam com frequência em explosão. Pouco depois de o veículo ser escolhido para o programa, no início de 1959, os astronautas de Mercury foram levados para presenciar o segundo ensaio da série D, que explodiu no primeiro minuto de voo. Era o quinto fracasso consecutivo, total ou parcial, daquela série. O foguete não estava então nem perto de ser confiável o suficiente para carregar uma ogiva nuclear ou um satélite, e muito menos um passageiro humano. A Convair estimava chegar a 75% de confiabilidade no início de 1961 e a 85% no final desse mesmo ano. Os planos para torná-lo apto ao voo humano ainda estavam na prancheta.

O Atlas era um veículo grande e complexo, com cinco motores, dois dos quais se desprendiam durante a ascensão, um sistema de guiamento sofisticado e, sobretudo, tanques do tipo balão que precisavam de pressão interna constante para não colapsar. Essa é a chave de quase toda a história da MA-1: a estrutura do foguete não se sustenta por si só, mas pela pressão de seus próprios propelentes. A pele de aço inoxidável é tão fina que a rigidez do conjunto depende da diferença de pressão entre o interior e o exterior, e qualquer carga que supere o que essa pressão é capaz de contrariar produz uma flambagem imediata.

Sobre esse cilindro pressurizado era preciso aparafusar uma cápsula com uma forma aerodinâmica muito diferente da de uma ogiva de míssil, e o conjunto tinha que atravessar a zona de pressão dinâmica máxima com o ângulo de arfagem que impõe uma trajetória de lançamento orbital. Nem a Big Joe nem a MA-1 voaram com a pele reforçada em todo o seu comprimento: ambos os lançadores levavam uma espessura um pouco maior no tanque de combustível RP-1, mas o tanque de oxigênio líquido mantinha a pele fina padrão do míssil da série D. Ali, bem abaixo da nave, estava o ponto que a MA-1 iria pôr à prova sem que ninguém tivesse previsto que seria o que falharia.

O precedente imediato foi a Big Joe 1, lançada em 9 de setembro de 1959 do mesmo complexo LC-14 sobre um Atlas 10-D com uma maquete estrutural da cápsula. Seu propósito era ensaiar o escudo térmico ablativo da nave Mercury, o aquecimento do corpo posterior, a dinâmica de reentrada, o controle de atitude e a capacidade de recuperação, e foi o primeiro lançamento de uma nave do Projeto Mercury. O voo foi precedido por dois ensaios de ignição na rampa: o primeiro, em 1º de setembro, foi abortado assim que se chegou a T-0 porque o temporizador ordenou a parada ao não ocorrer a ignição do estágio principal após a dos motores vernier; o segundo, em 3 de setembro, se completou normalmente após cerca de dezenove segundos de funcionamento.

O voo real, às 08:19 GMT, saiu apenas parcialmente conforme o previsto. Aos dois minutos, a telemetria indicou que a seção propulsora não havia se separado, e o peso morto dos motores deixou a velocidade abaixo do previsto. A consequência foi uma cadeia de contratempos: o guiamento não gerou o sinal de corte do motor sustentador previsto para T+270 s porque não haviam sido alcançadas a altitude nem a velocidade necessárias, o corte chegou por esgotamento do oxigênio líquido em T+293 s, a ordem manual de segurança de campo chegou mas não teve efeito porque já não restava hélio de controle para fechar as válvulas, e também não foi gerado o sinal de separação da cápsula, de modo que foi preciso arrancá-la disparando repetidamente os propulsores do sistema de controle de reação até esgotar seu propelente. Ainda assim, a maquete caiu cerca de 500 milhas (800 quilômetros) aquém do ponto previsto, foi recuperada em bom estado e validou o escudo ablativo; o plano alternativo de um escudo de berílio foi descartado. O voo balístico havia percorrido 2.292 quilômetros até uma altitude de 140 quilômetros.

A Big Joe havia respondido, portanto, à pergunta térmica. O que restava em aberto era a pergunta estrutural e operacional: se uma cápsula Mercury de produção, com sua geometria real e sua massa real, podia voar sobre um Atlas ao longo de toda a ascensão e sobreviver à reentrada mais severa que se poderia esperar de um aborto.

A carga da MA-1 era a nave número 4 e o veículo lançador 50-D. A cápsula ia deliberadamente incompleta: levava foguetes de separação reais, mas retrofoguetes simulados, e faltavam-lhe sistemas que não eram necessários em um voo sem tripulação, entre eles o de pressurização da cabine e o assento do astronauta. Em compensação, foi instrumentada a fundo para o objetivo térmico, com 51 termopares distribuídos para medir as taxas de aquecimento do corpo posterior durante a reentrada.

A decisão mais discutida foi prescindir da torre de escape. Em seu lugar, sobre a cápsula foi montada uma carenagem de fibra de vidro que ocupava o espaço do sistema ausente. Os engenheiros da Convair haviam defendido que a torre deveria voar tanto por razões aerodinâmicas quanto para coletar dados na configuração real, mas os responsáveis pelo Projeto Mercury decidiram o contrário. Também o sistema de detecção de abortos voou em uma configuração intermediária: o ASIS, o sistema automático que vigiava os parâmetros do Atlas e devia disparar o aborto diante de uma anomalia, havia sido ensaiado antes em alguns voos de desenvolvimento do míssil e na MA-1 voava em malha aberta, isto é, capaz de gerar o sinal de aborto mas não de enviar a ordem de corte à propulsão; o funcionamento em malha fechada só chegaria com a MA-3.

Os objetivos oficiais do voo, tal como enunciados pela NASA, eram qualificar a combinação de nave e Atlas, recuperar a cápsula, determinar a integridade estrutural da nave e das telhas do corpo posterior sob o aquecimento máximo que podia ocorrer em um lançamento orbital, medir as taxas de aquecimento do corpo posterior na reentrada, determinar as características dinâmicas de voo da cápsula durante essa reentrada, verificar a adequação dos sistemas de recuperação e familiarizar o pessoal do projeto com as operações de lançamento e resgate.

O dia do lançamento amanheceu chuvoso e encoberto sobre Cabo Canaveral. A meteorologia não impedia voar, mas impedia ver, e em 1960 a observação óptica da ascensão — câmeras de rastreamento incluídas — fazia parte do instrumental de um ensaio tanto quanto a telemetria. Vários engenheiros de Mercury manifestaram sua oposição a lançar precisamente por isso: se algo desse errado, não haveria imagens com as quais reconstruí-lo. A objeção não prosperou e o Atlas 50-D decolou do LC-14 em 29 de julho de 1960.

Aos vinte e seis segundos de voo, o veículo entrou na nuvem e desapareceu. A partir desse instante, tudo o que se soube do voo chegou por rádio.

A telemetria mostrou um Atlas que funcionava normalmente até T+58 s, sem o menor indício de problema, e naquele momento registrou uma perturbação axial severa. Aproximadamente um segundo depois, a diferença de pressão entre o tanque de RP-1 e o de oxigênio líquido caiu a zero; seguiram-se a perda de empuxo e a perda de telemetria, e o radar começou a mostrar múltiplos objetos onde antes havia um. O veículo estava atravessando a zona de pressão dinâmica máxima, a cerca de 30.000 pés (9,1 quilômetros) de altitude e 11.000 pés (3,4 quilômetros) de alcance. Algumas testemunhas afirmaram ter ouvido uma explosão, mas isso não pôde ser confirmado.

A análise posterior separou duas perturbações distintas. A primeira, em T+58,5 s, provocou a perda instantânea das medições de telemetria da parte dianteira do foguete. A segunda ocorreu em T+59,4 s, após o corte de motores atribuído ao ASIS. A propulsão, por outro lado, não parecia afetada pelo evento inicial. Os dados dos giroscópios da cápsula sugeriram que o conjunto chegou a arfar até 10°.

A reconstrução esbarrou em uma limitação de instrumentação: ao contrário dos Atlas D de pesquisa e desenvolvimento, que voavam carregados de sensores, o 50-D levava apenas cinquenta medições de telemetria. Além disso, o último segundo e dois décimos de dados ficaram em dúvida por causa dos circuitos abertos que a perturbação havia deixado no foguete. O veículo parecia seguir uma trajetória estável quando a telemetria se perdeu por completo em T+60 s.

A cápsula, por outro lado, se comportou bem até o final. Os dados registraram movimentos violentos logo após a perda da telemetria do lançador, mas a nave continuou funcionando normalmente e transmitindo até se chocar contra o oceano cerca de 220 segundos após a decolagem, a umas 6 milhas (9,7 quilômetros) da costa. O sistema de paraquedas não chegou a se abrir porque o aborto havia ocorrido cedo demais na ascensão. O voo durou 3 minutos e 18 segundos, alcançou um apogeu de 13 quilômetros e percorreu 9,6 quilômetros de alcance; a massa da nave era de 1.154 quilogramas e a velocidade máxima registrada, segundo a NASA, cerca de 1.701 milhas por hora.

Sem imagens da ascensão, a investigação dependia do que pudesse ser recuperado do fundo. A operação de salvamento trouxe à superfície a cápsula, os motores propulsores do Atlas e a válvula de ventilação do oxigênio líquido. Owen Maynard, engenheiro de sistemas de Mercury na NASA, dirigiu a recuperação da nave a partir do leito marinho e chegou a fazer um mergulho livre de 30 pés (9,1 metros) para localizar um componente específico que faltava.

O exame das peças deu dois resultados de sinal contrário. Os motores não mostravam mais dano do que a deformação causada pelo choque contra a água, o que apontava que a propulsão não havia sido a origem do acidente. A válvula de ventilação do oxigênio líquido e um trecho de tubulação que ainda estava unido a ela, por outro lado, apresentavam rachaduras de fadiga apreciáveis. Os destroços da nave número 4 foram remontados para estudo.

A primeira suspeita foi que a carenagem de fibra de vidro colocada sobre a cápsula no lugar da torre de escape ausente tivesse se soltado e perfurado o tanque de oxigênio líquido do Atlas. A hipótese era razoável, mas os cálculos posteriores ao voo feitos por Maynard apontaram para outra coisa, mais profunda: a pele do lançador logo abaixo da nave teria flambado sob a combinação de resistência aerodinâmica, aceleração e cargas de flexão, um conjunto de esforços que superava a tensão que a pressurização interna era capaz de opor naquela zona. Em outras palavras, o foguete não falhou por um impacto nem por uma falha de seus motores, mas porque, na junção com a cápsula, a estrutura estava exigida além de sua margem. Maynard resumiria anos depois, em uma entrevista de história oral, que o problema de acoplar a cápsula Mercury ao Atlas estava longe de estar bem resolvido na época da MA-1.

Ficou também no ar a suspeita de que a ausência do sistema de escape tivesse piorado o perfil aerodinâmico do conjunto, exatamente o que os engenheiros da Convair haviam argumentado antes do voo ao pedir que a torre voasse.

Com base nessa descoberta, a NASA impôs duas mudanças de fundo nos lançadores Mercury-Atlas posteriores. A primeira foi estrutural: acrescentar reforços de pele (doublers) na zona crítica sob a nave e engrossar a pele do tanque de oxigênio líquido, que até então era a do míssil de série. A segunda foi de trajetória: achatar o perfil de ascensão para reduzir a velocidade de arfagem e, com ela, os esforços de flexão sobre o veículo.

A aplicação prática levou seu tempo, porque os foguetes já estavam fabricados. O Atlas 100-D seria o primeiro veículo de pele espessa entregue. Enquanto isso, o 67-D designado para a MA-2 continuava sendo do modelo de pele fina, então foi preciso modificá-lo: instalou-se nele uma faixa de reforço de aço inoxidável ao redor do veículo entre as estações 502 e 510 — a interface entre a cápsula e o foguete — com uma lâmina fina de amianto intercalada entre a faixa e a pele do tanque, precisamente como precaução contra o tipo de falha sofrido pela MA-1. O 77-D, que segundo os planos originais deveria voar na MA-3 e havia passado por sua inspeção de saída de fábrica em setembro de 1960, foi retirado pouco depois, quando surgiram as conclusões da análise posterior ao voo da MA-1, e foi substituído pelo 100-D. Mais adiante, já na MA-7, a pele do tanque de oxigênio líquido foi engrossada ainda mais, porque as naves operacionais levavam mais equipamento e consumíveis do que as de pesquisa e o peso da cápsula continuava crescendo.

A prova de que o diagnóstico estava correto veio em 21 de fevereiro de 1961, às 14:10 UTC, quando a MA-2 decolou do LC-14 sob um céu azul e limpo, tão diferente da névoa da MA-1. No bunker, esperou-se com nervosismo a passagem pela zona de pressão dinâmica máxima, e quando o veículo a superou, a reação da equipe de lançamento foi de júbilo. A MA-2 completou um voo suborbital de 17 minutos e 56 segundos, alcançou 114 milhas (183 quilômetros) de altitude e 13.227 milhas por hora (21.287 quilômetros por hora), suportou uma aceleração máxima de 15,9 g e a cápsula foi recuperada a 1.432 milhas (2.305 quilômetros) do ponto de lançamento. Todos os objetivos foram cumpridos e o único problema digno de nota foi um pouco de chapinhar do propelente. O modo de falha da MA-1 não voltou a se repetir em nenhum voo posterior.

A MA-1 é contabilizada como fracasso e o foi: perderam-se a nave número 4 e o Atlas 50-D, não se recuperou nenhum dado de reentrada, não foram testadas nem as telhas do corpo posterior nem os sistemas de recuperação, e nenhum dos objetivos declarados chegou a ser cumprido. Mas o voo fez, involuntariamente, algo que nenhum ensaio planejado havia conseguido: evidenciou que a junção entre a cápsula e o lançador não estava resolvida, e o fez em um voo sem ninguém a bordo, quando ainda faltavam dezoito meses para o primeiro voo orbital tripulado.

Esse é o padrão que se repete em toda a série não tripulada de Mercury e a razão pela qual esses voos merecem ser contados com o mesmo detalhe que os tripulados: a Big Joe validou o escudo térmico à custa de uma separação falha, a MA-1 descobriu o ponto fraco estrutural à custa do veículo inteiro, e cada descoberta se traduziu em hardware diferente no foguete seguinte. Da MA-1 saíram a faixa de aço do 67-D, a retirada do 77-D, a antecipação do 100-D de pele espessa e as trajetórias mais achatadas que acompanhariam o resto do programa.

Da própria nave resta material físico: peças da Mercury número 4 são conservadas em exposição no Cosmosphere de Hutchinson, no Kansas, e a escotilha se encontra no American Space Museum de Titusville, na Flórida.