NASA projekt APOLLO: AS-508

Pro časopis Letectví + Kosmonautika zpracoval Antonín Vítek (L+K č. 21 / 1970)

Kresba a snímek: NASA

Na letošním zasedání organizace COSPAR v Leningradě slíbili zástupci NASA svým sovětským kolegům z Akademie věd SSSR, že jim v rámci vzájemné spolupráce zašlou kompletní zprávu o vyšetřování havárie Apolla 13, aby se mohli vyvarovat podobných chyb a omylů. NASA svůj slib splnil a v červnu t. r. rozeslal kopie zprávy do celého světa.

Protože závěry, obsažené ve zprávě, jsou velmi zajímavé, chceme s nimi ve stručnosti seznámit i naše čtenáře.

Na obrázku vidíte zjednodušené schéma kyslíkového tanku s dvojitými stěnami. Válcovým dómem v horní části procházejí potrubí a elektrické kabely dovnitř tanku, kde jsou umístěny dvě válcovité konstrukce. V ose tanku je kapacitní měrka, sestávající ze dvou soustředných hliníkových trubek, které představují dva polepy kondenzátoru. Jeho kapacita je závislá na hustotě kyslíku v tanku, a tedy i na jeho množství. Vnitřní trubka je současně prodloužením plnicího potrubí až ke dnu nádrže. Aby bylo prodloužení odizolováno od kostry tanku, je na dvou místech přerušeno teflonovými nástavci. Vedle je umístěna další válcová konstrukce, na které jsou navinuty dvě topné spirály se dvěma míchadly na koncích. Na vnitřní straně konstrukce jsou dva termostaty.

Kyslíkový tank je konstruován na 145 kg kyslíku v nadkritickém stavu (Pozn.: Termín “nadkritický" znamená, že kyslík je udržován při takovém tlaku a teplotě, že nemůže vytvořit oddělenou kapalnou a plynnou fázi.) při tlaku od 60,8 do 65,7 at a teplotách od -207 do +27 °C. Konstrukce tanku vydrží přibližně 155 at při -100 °C, což představuje více než dvojnásobek pracovního tlaku. Pojistný ventil je nastaven přibližně na 70 at. Dóm je normálně evakuován; jeho pojistná membrána praská při 2,5 at.

Podle původních specifikaci z roku 1962, předaných hlavním dodavatelem North American Rockwell Corp. (NR) subdodavateli tanků Beech Aircraft Corp., mělo být topení dimenzováno na 28 V stejnosměrného napětí, běžně používaného v celé kosmické lodi. V roce 1965 vydal NR změněné směrnice, podle kterých bylo možno použít při pozemních přípravách i napětí 65 V, aby se zkrátila doba potřebná ke zvýšení tlaku na provozní hodnoty před startem. Beech však objednal u svého dodavatele stejné termostaty, jako pro starší typ tanku. Jejich kontakty sice vydrží i proud o vyšším napětí, ale při pokusu o přerušení obvodu vznikne oblouk, který kontakty svaří a termorelé přestane sloužit jako tepelná pojistka. Tento konstrukční omyl ušel kontrole na všech stupních. Prakticky se při předchozích letech nemohl projevit, protože nikdy nedošlo k rozpínání kontaktů pod napětím 65 V.

Kyslíkový tank výr. č. 10024XTA0008 byl spolu s dalším odeslán 3. 5. 1967 do montážního závodu NR v Downey a namontován 11. 4. 1968 jako tank č. 2 na nosný panel spolu s dalším zařízením. Od 27. 4. probíhaly intenzívní zkoušky celého komplexu kyslíkových tanků výr. č. 0632AAG3277. Během nich byl zjištěn jeden netěsnící ventil, který byl vyměněn. Na tanku č. 2 závady shledány nebyly. 4. 6. 1968 byl celý komplet namontován do pomocné sekce SM-106 pro Apollo 10. Od 4. do 8. 8. proběhly bez závad komplexní zkoušky kyslíkového systému.

Protože však byla v průběhu předcházejících startů zjištěna interference vakuové pumpy pro evakuování plášťů tanků s elektronickým zařízením, pracovalo se souběžně na její modifikaci. Modifikovaný komplet tanků byl prověřen a připraven k instalaci do SM-106. Při demontáži původního kompletu zapomněli technici uvolnit jeden ze šroubů, přidržujících plošinu v SM. Při pokusu o vytažení se plošina vysmekla ze závěsu a spadla zpět do lože z výšky asi 5 cm. Tento incident byl protokolován a po vyjmutí kompletu byla prověřena jeho tlaková těsnost a neporušenost elektrické instalace.

Jak však ukázalo pozdější vyšetřování, může nešťastný souběh povolených tolerancí při výrobě teflonových spojek na prodloužení plnicího potrubí způsobit, že toto spojení je velmi labilní. K tomu pravděpodobně došlo u tanku 10024XTA0008 a při otřesu teflonová spojka sklouzla. Protože netěsnost byla uvnitř tanku, nemohla být tlakovou zkouškou zjištěna.

Po modifikaci pump prošel kyslíkový komplet zkouškami a 22. 11. 1968 byl nainstalován do SM-109. Po komplexních testech koncem prosince a v lednu 1969 byl SM v červnu odeslán na Kennedyho základnu. Zde byl spojen s CM-109, přezkoušen a namontován na nosnou raketu.

Dne 16. 3. 1970 bylo zahájeno simulované zpětné počítání (CDDT). Až do té doby nevykazoval tank č. 2 žádné závady. Kyslíkové tanky byly nejprve evakuovány na 5 mm Hg a pak vypláchnuty plynným kyslíkem. Po vychlazení palivových článků proběhlo natankování kapalným kyslíkem a tlakování na 23,3 at bez potíží. V určeném okamžiku během CDDT se vypouští polovina kyslíku z nádrží, a to tak, že do odběrného potrubí se vpustí pod tlakem 5,6 at plynný kyslík a otevře se kohout na plnicím potrubí. Plyn pak vytlačuje kapalný kyslík jako ze sifonu. Tank č. 1 se choval normálně, množství v tanku č. 2 však kleslo pouze na 92 %. Závada byla protokolována a v CDDT se pokračovalo.

V pátek 27. 3. se technici základny po diskusi s výrobci znovu pokusili vyprázdnit tank. Po otevření kohoutu na plnicím potrubí kleslo množství kyslíku na 65 %, ale zvyšování tlaku nepomáhalo. Proto použili nouzové metody “vyvařování". Na topení bylo přivedeno napětí 65 V a po 90 minutách technici spustili také míchání. Vyprázdňování trvalo 8 hodin.

Nastala otázka, zda vyměnit kyslíkový komplet či nikoli. Protože zkoušky ukázaly, že tank č. 2 se dá naplnit bez obtíží a protože bylo zřejmé, že netěsnost v prodloužení plnicího potrubí nebude mít vliv na funkci tanku za letu, a protože při demontáži by mohly být poškozeny další systémy, rozhodli se nechat zařízení tak, jak je. Nikdo však netušil, že v závěrečné fázi “vyvařování" se topný element zahřál nad 500 °C, že se poškodila teflonová izolace kabelů v tanku a že tedy může kdykoli dojít ke krátkému spojení. Nikoho také nenapadlo prověřit, zda termorelé rozpínají při teplotě 27°C.

Apollo 13 odstartovalo podle plánu 11. dubna 1970 směrem k Měsíci. V průběhu prvních 46 hodin letu byla funkce tanku č. 2 jak podle telemetrie, tak podle výpovědí posádky normální. Ve 46.40.02 GET posádka zapojila míchadla v tanku č. 2 a o tři vteřiny později ukazatel množství v tanku z polohy 82 % vyletěl nad horní okraj stupnice. Rozbor závady ukázal, že byla pravděpodobně způsobena zkratem mezi polepy kondenzátoru. Mohla to být buď uvolněná spojovací trubka nebo kousek pájky, roztavené při “vyvařování" tanku.

Krátce po dokončení prověrky LM, v 55.52.30 GET, alarmoval hlavní poplach posádku, protože ve vodíkovém tanku č. 1 poklesl tlak na dolní mez pracovního rozsahu, jak se to stalo v průběhu letu již několikrát před tím. V 55.52.58 GET řídicí středisko proto požádalo posádku o zapojení míchadel a topení. Pilot velitelské sekce potvrdil žádost v 55.53.06 a jak ukazují data, byla míchadla v kyslíkovém tanku č. 2 zapojena v 55.53.20 GET.

Asi o půldruhé minuty později došlo přibližně na 1,8 vteřiny ke ztrátě telemetrického spojení. V tomto období signalizoval poplašný systém podpětí v hlavním rozvodu B stejnosměrného proudu. Současně posádka zaslechla silnou ránu.

Na základě výzkumů vyšetřující komise je dnes naprosto jasné, že havárie Apolla 13 byla způsobena explozí tanku č. 2. Podrobný rozbor telemetrických dat umožnil identifikovat několik fází katastrofy:

55.53.20 zapojena míchadla v tanku č. 2

55.53.22,757 pokles napětí ve stř. rozvodu č. 2 o 1,2 V

55.53.22,772 proudový náraz 11,1A u palivového článku č. 3 následovaný poklesem proudu a vzrůstem napětí, charakteristickým pro odpojení jednoho míchadla

55.53.36 začal růst tlak v tanku č. 2 z původní hodnoty 62,3 at

Tyto údaje nesporně ukazují na vznik krátkého spojení v přívodním kabelu k jednomu míchadlu, nebo přímo v elektromotoru. Proudový náraz je charakteristický při vypínání elektromotoru. Topení nebyla v tomto okamžiku pod proudem. Odborníci v komisi vypočítali, že energie, která se uvolnila při vzniku oblouku, činila asi 10 až 20 joulů. To podle provedených zkoušek stačilo na zapálení zbytků teflonové izolace. Dalším anomálním zjevem byl růst tlaku o 13 vteřin později. Toto zpoždění lze vysvětlit pomalým hořením na počátku požáru.

55.53.38,057 pokles napětí o 11 V ve stř. rozvodu č. 2

55.53.41,172 proudový náraz 22,9 A u palivového článku č. 3, následovaný poklesem proudu a vzrůstem napětí, charakteristickým pro odpojení jednoho míchadla

55.54.00 růst tlaku se zastavil na 67,1at

55.54.15 tlak opět začal růst

55.54.30 měřič množství kyslíku v tanku č. 2 klesl z horního okraje stupnice (kde byl od selhání ve 46.40 GET) nejprve na nulu, pak se ustálil na 75 %. Pravděpodobně se samovolně odstranil zkrat

55.54.31 teplota v tanku č. 2 začala prudce růst

55.54.45 tlak v tanku č. 2 dosáhl maximální naměřené hodnoty - 70,9 at

55.54.52,763 tlak v tanku č. 2 klesl na 70,0 at

Vzrůst teploty a tlaku v tanku lze jednoznačně přičíst hoření látek v nadkritickém kyslíku. Teplota začala růst teprve 55 vteřin po prvním proudovém nárazu. Bylo to způsobeno tím, že teplotní čidlo měří místní teplotu, která nemusí nutně odpovídat teplotě v celé nádrži. Protože rychlost růstu tlaku ukazuje na relativně pomalé hoření, je pochopitelné, proč požáru trvalo tak dlouho, než se dostal do blízkosti teplotního čidla.

V tanku je dost materiálů, které mohou v kyslíku hořet. Nejlépe hoří teflon, pak některé kovy, zejména hliník. Množství tepla, které by se uvolnilo pouze spálením teflonu, je dostatečné, aby vysvětlilo naměřený vzrůst teploty a tlaku. Kromě toho pomalý růst tlaku odpovídá spíše pomalému hoření teflonu než prudké reakci kyslíku s kovem.

Důvod patnáctivteřinového období stálého tlaku (od 55.53.59,763) nebylo možno přesně určit. Pravděpodobně souvisí s postupem požáru různými částmi izolace.

55.54.52 poslední platné měření teploty (-100,5 °C) v tanku č. 2

55.54.52,763 poslední měření tlaku v tanku č. 2 před ztrátou spojení (70,0 at)

55.54.53,182 akcelerometry zaregistrovaly zrychlení ve směru os X, Y a Z

55.54.53,220 stabilizační systém zaregistroval rotaci lodi

55.54.53,5 vzrůst celkového odběru proudu o 2,8 A

55.54.53,542 akcelerometry registrují zrychlení a_x = 1,17 G, a_y = 0,65 G, a_z = 0,65 G

55.54.53,555 ztráta telemetrického spojení

55.54.55,35 obnovení telemetrického spojení

55.54.56 různá teplotní čidla v SM začínají registrovat rostoucí teplotu

55.54.56 teplotní čidlo v tanku č. 2 ukazuje teplotu nad horní hranicí stupnice

55.54.56 tlakoměr tanku č. 2 ukazuje tlak pod dolní mezí stupnice

Po relativně pomalém růstu tlaku došlo náhle k porušení těsnosti tanku č. 2. Asi 69 vteřin po začátku vzestupu dosáhl tlak maxima 70,7 at, při kterém má být pojistný ventil otevřen. Skutečně tlak začal pomalu po 8 vteřin klesat na 70,0 at těsně před ztrátou dat. Přibližně 0,42 vt po posledním měření tlaku navigační systém zaregistroval náhlý pohyb lodi. Přibližně v témže okamžiku se několik elektromagneticky ovládaných ventilů uzavřelo mechanickým otřesem, mezi jinými i ventily na přívodech kyslíku k palivovým článkům č. 1 a 3. “Ránu" kosmonauti pravděpodobně zaslechli také v tomto okamžiku.

Naměřená data nepostačují k přesné rekonstrukci “exploze". Provedené analýzy však umožňují udělat si o tom velmi pravděpodobný obraz. Požár pokračoval po kabelech až do místa, kde je ve stěně tanku průchodka. V tomto bodě se stěna tanku rozžhavila, snížila se její mechanická pevnost a vnitřní přetlak 70 at vyrazil do dómu, který se buď roztrhl, nebo přinejmenším povolila membrána. Unikající kyslík zaplnil prostor úseku č. 4 pomocné sekce a vymrštil krycí panel. Ten narazil do směrové antény a vychýlil ji z polohy, ve které mířila na Zemi. Tím došlo k přerušení telemetrického spojení. Není vyloučeno, že kyslík unikající spolu se zplodinami hoření zapálil na okamžik izolaci z umělé hmoty, kterou je vyložen vnitřek SM. Tomu nasvědčuje vzrůst teploty na různých místech SM, naměřený ihned po obnovení spojení.

55.54.53,323 tlak v tanku č. 1 klesl o 0,3 at (z 62,1 na 61,8 at)

55.54.53,555

až

55.54.53,35 ztráta spojení

55.54.56 tlak v tanku č. 1 činil 55,0 at a stále klesal

Protože není důvodu předpokládat, že samotný kyslíkový tank č. 1 byl vadný, připisuje se porušení jeho těsnosti explozi tanku č. 2. Náraz buď porušil některou z trubek systému tanku č. 1, nebo některý z ventilů, a tudy pomalu utíkal plyn do vesmíru. Během 130 minut tlak klesl natolik, že nebylo možno udržovat palivové články v provozu.

Ztráta veškerých zásob kyslíku v pomocné sekci, a v důsledku toho přerušení dodávky elektrického proudu z palivových článků, znamenala konec letu Apollo 13 na Měsíc. Jen díky dokonalé spolupráci posádky, řídicího střediska i specialistů z dodavatelských závodů se podařilo kosmonauty dostat bezpečně zpět na Zemi.