¿Podría Dick Scobee haber volado un RTLS en Challenger 51L?

En una pregunta anterior, exploré si, con una llamada de un controlador de vuelo observador, los SRB podrían separarse de la pila STS-51L antes de la destrucción del tanque ET a los 73 segundos.
Sin comentar sobre la probabilidad de éxito, creo que era posible. ¿Había un método disponible para salvar a la tripulación Challenger?

Sin embargo, quitar los SRB de la pila no salva a la tripulación del Challenger. A los 74 segundos, con el Challenger aún conectado al ET, se debe ejecutar un RTLS exitoso.

Las condiciones de contorno para el RTLS son únicas:

  1. Altitud 47,000 pies, velocidad 2900 pies por segundo (1,977 mph), Rango inferior 9 nm Inclinación orbital 28.5

  2. Tanque de ET al 87,7 % de O2 y al 87,9 % de H2 Desastre del Challenger: ¿cuán lleno estaba el tanque externo en el momento de la destrucción?

  3. Tanque de ET con una fuga de caudal desconocido y orificio de tamaño desconocido

  4. SRB vuela sin control durante otros 50 segundos cerca

Un RTLS nominal se realiza de la siguiente manera:Perfil RTLS nominal

Veo a Dick Scobee y Mike Smith enfrentando dos problemas casi insuperables:

  1. Con la masa del transbordador cambiando de manera impredecible debido a la fuga de LH, el FSW para RTLS será casi inútil.

    Del manual de entrenamiento para RTLS

    Si el aborto de RTLS se declara temprano en el vuelo, es necesario gastar algo de combustible, por lo que la tarea de disipación de combustible toma el control de la guía. La tarea de disipación de combustible funciona asumiendo un paso inmediato. A partir de esta suposición, el software predice la trayectoria de las fases PPA y flyback para calcular la masa del transbordador en MECO. Esta masa quemada se compara luego con el 2 por ciento deseado de propulsor ET restante. Si la masa predicha es menor que la masa deseada, entonces el cabeceo se inicia inmediatamente. Si la masa predicha sigue siendo mayor que la masa deseada, entonces es necesario desperdiciar más combustible. La diferencia de masa entre la calculada y la deseada se usa para calcular cuánto más combustible se debe desperdiciar.

    Creo que el MECO previsto sería mucho después de la falta de combustible del motor real. Además, con una gran cantidad de combustible en el ET, la maniobra de disipación de combustible alejaría la chimenea dañada del objetivo de retorno del KSC.

    Pregunta # 1: ¿Qué podría hacer un piloto de transbordador en esta situación para elegir un MECO que pueda sobrevivir?

  2. El tanque ET fue atravesado por la llama SRB a los 66 segundos y tiene un agujero en la pared de popa. Además, era de integridad estructural desconocida.
    La maniobra PPA requiere exponer el extremo de popa del ET a la estela. Creo que la falla real del tanque ET en 51L ocurrió porque el SRB derecho giró hacia la parte superior del ET y perforó un agujero. Este agujero luego creó un flujo de aire de alta presión en el tanque ET y literalmente "explotó" como un globo y reventó. La maniobra PPA podría exponer la fuga de ET de popa a la misma circunstancia.

    Pregunta n.º 2: dados estos riesgos, se podría ejecutar un RTLS girando el STS a una posición de transbordador hacia arriba, quemando suficiente combustible para ganar suficiente altitud para una secuencia de separación ET "segura". ¿Cuál sería la altitud segura para ejecutar esta tarea, a qué distancia y a qué velocidad estaría el transbordador?

La fuga en el intertanque LH fue lo suficientemente pequeña como para ser compensada por el sistema ET hasta el momento de la destrucción del ET a los 72 segundos. Como muestra la línea de tiempo, este evento comenzó a los 72,204 segundos cuando los caminos SRB derecho e izquierdo divergieron. Este fue el punto donde ocurrió la ruptura del domo delantero del tanque ET y comenzó la ruptura estructural ET y comenzó la destrucción del tanque LH. Mantuvo la presión nominal (por encima de 32,8 psi) hasta ese evento y solo el último punto de datos válido muestra una tendencia a la baja.

ingrese la descripción de la imagen aquí(Comisión Rogers, Volumen II, Apéndice L, página 15)ingrese la descripción de la imagen aquí

Hice algunas relaciones de empuje a peso a lo largo del tiempo usando los datos conocidos:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Estos datos me dicen que en 51L sin SRB conectado después de 72 segundos, la relación de empuje a peso daría como resultado que el vehículo perdiera velocidad. Sin embargo, después de MET 124, la relación de empuje a peso entre 51L con una fuga y un vuelo nominal sería similar. Proporciono 3 ejemplos de los números utilizados para un cálculo nominal en la parte inferior de esta hoja de cálculo.

Claramente, con la pérdida de empuje SRB, la pila habría estado en un arco balístico. Me pregunto si se podría haber logrado la separación ET cuando la pila alcanzó la parte superior de ese arco. La velocidad habría sido baja y las condiciones habrían sido similares a las del RTLS nominal posterior a la costa de MECO, con la excepción de que la carga de combustible no estaría en el 2 %.

No fui el votante negativo, pero en su pregunta vinculada, la respuesta me parece ser "los impulsores no se pueden separar manualmente de todos modos". Si es cierto, la situación que describe en esta pregunta no puede ocurrir y, por lo tanto, las respuestas a sus preguntas solo pueden ser especulaciones bastante hipotéticas, que generalmente no se consideran adecuadas para los sitios de SE.
Si realmente quiere un "qué pasaría si, suponiendo que todas estas suposiciones (poco realistas) se mantengan", podría considerar preguntar en Worldbuilding SE en una pregunta etiquetada [basado en la ciencia]
Una pregunta por publicación por favor.
La única suposición hecha en esta pregunta es que podría separar con éxito el SRB antes del tiempo "nominal". Todo lo demás en esta pregunta es completamente factual.
Esta pregunta está demasiado basada en datos técnicos esotéricos para ser apropiada para Worldbuilding.

Respuestas (4)

Hablando hipotéticamente, supongamos que los propulsores podrían haberse desprendido de alguna manera en T + 74 y no tuvieron impacto en el transbordador. Supongamos también que no hay fugas de combustible de alguna manera.

La aceleración en T+74s es de unos 23 m/s^2 con los SRB. La masa con SRB en ese punto es de aproximadamente 1.200.000 kg (2.640.000 libras) , el empuje de los motores principales es de aproximadamente 500.000 libras para cada motor. Parte de esa masa procedía de los SRB, pero aún así, la aceleración era demasiado pequeña para ganar velocidad cuando el tanque todavía estaba tan lleno como estaba, por lo que el transbordador espacial comenzaba a disminuir la velocidad. Solo en T+140 más o menos podría el transbordador espacial acelerar más rápido que la atracción de la gravedad. Los motores principales se reducirían un poco, pero aún así, no habría podido mantenerse al día.

En realidad, no he realizado el análisis completo requerido para determinar esto, pero estoy bastante seguro de que incluso si los SRB hubieran podido dejar el transbordador espacial de manera segura en T + 74, aún se habría estrellado. Los desembarcos en el océano se consideraron no seguros. En pocas palabras, todavía se habría bloqueado, aunque creo que se habría intentado un RTLS.

Gracias, esa también era mi preocupación, supuse que la pila STS no era realmente capaz de volar con el tanque lleno al 87%, la pérdida del empuje SRB a una altitud tan baja cerraría las opciones RTLS más razonables. Habría sido un salto en cuanto a si la fuga combinada con el flujo de combustible aligeraría la chimenea lo suficiente como para evitar el desastre.
El transbordador era un compromiso tal que tenía demasiadas condiciones en las que no era posible abortar.
Estoy de acuerdo en que el transbordador fue un compromiso, no estoy de acuerdo en que esta fuera una condición en la que no era posible abortar. Creo que la diferencia entre la NASA del Apolo 13 y la NASA del Challenger fue que los contratistas estaban a cargo de gran parte de la ingeniería y "el fracaso se convirtió en una opción" porque no era rentable explorar formas de abordar las condiciones nominales. La creencia de que el transbordador era un avión comercial negaba esa posibilidad. El fracaso total de la ingeniería de MTI para obtener una comprensión basada en la física de la dinámica conjunta SRB es solo el ejemplo más destacado.
Según Wikipedia , los SRB eran el 69% de la masa de la pila en el momento del despegue. Sin los SRB, incluso antes de drenar el combustible del tanque central, eso deja un peso de 'solo' alrededor de 1,17 millones de libras, por lo que la relación T/W sería de hecho> 1 con 3x 500,000 libras de empuje y sin SRB.
@PearsonArtPhoto Si no hubiera fugas de combustible, el transbordador Challenger no habría explotado.
@DekoRevinio El análisis supone que los SRB podrían haber sido abandonados de manera segura antes de dañar el cuerpo principal del transbordador espacial, lo que significa que no se habría perdido combustible del tanque externo.
@reirab ahora tenga en cuenta que el único trabajo real de la SRB era hacer despegar la maldita cosa y ponerla en marcha un poco.

TL;RD: No

El SRB Sep exitoso habría sido imposible antes de Pc<50

El accesorio de unión delantera de SRB a ET era una rótula que transportaba el 100 % de las cargas de empuje del SRB a una viga de empuje en el tanque intermedio ET. Los accesorios de fijación traseros solo sirvieron para reaccionar a las cargas transversales relativamente pequeñas que mantenían a los SRB y ET apuntando en la misma dirección.

Disparar los pernos de separación SRB habría cortado el eslabón de unión trasero, así como el único perno que existía en la rótula en el accesorio de unión delantero, pero el empuje positivo neto de los SRB habría evitado que ese accesorio se separara.

El resultado final es que los SRB solo se habrían unido al ET en un solo punto cada uno y habrían podido girar libremente. Por cierto, esto es exactamente lo que hizo el SRB derecho cuando el penacho cortó el eslabón de conexión trasero. El resultado abrumadoramente probable es que los SRB habrían impactado el orbitador o ET y habrían resultado en la destrucción inmediata del vehículo.

Si los SRB se separaron antes de Pc<50, habría resultado en LOCV inmediato

Si, por algún milagro, los SRB lograron separarse de debajo del accesorio de conexión delantero, habrían salido disparados por delante del vehículo, bañando tanto al orbitador como al ET en sus columnas de escape. Esto también habría resultado en una ruptura inmediata.

Si los SRB se las arreglaron para separarse antes de Pc<50 sin volver a contactar o plomar el resto de la pila, es posible que el ET no haya podido soportar sus nuevas rutas de carga.

Durante la primera etapa del vuelo, los SRB generan la mayor parte del empuje. Esta carga de empuje se transporta al resto de la pila mediante una conexión a una viga de empuje muy gruesa ubicada en el tanque intermedio ET. Las cargas de empuje del orbitador, por otro lado, se llevaron a través de los accesorios de fijación traseros. Esto significa que las cargas del tanque ET LOx (más de 1 millón de libras) fueron transportadas casi en su totalidad por la mitad superior de la estructura entre tanques, hasta la viga de empuje y los SRB. Las cargas del tanque ET LH2 solo estaban sujetas a la contribución de la carga de compresión de los motores principales del transbordador.

La separación normal implica una reducción del empuje del SRB, lo que permite una transferencia gradual de la carga desde la viga de empuje entre tanques hasta los accesorios de fijación traseros. Si los SRB se hubieran separado mientras estaban bajo empuje, la respuesta transitoria del cambio repentino en la trayectoria de la carga podría haber sido suficiente para aplastar la estructura del tanque ET LH2.

Si los SRB lograron separarse antes de Pc<50 sin LOCV, el ET pesó demasiado para que los SSME mantuvieran una trayectoria viable

En o alrededor de T+60 segundos, la masa combinada del Orbiter, ET y los propulsores habría sido de alrededor de 1,6 millones de libras. Cada uno de los tres SSME produce un poco menos de 400 000 libras de empuje, lo que deja al vehículo con una TWR de alrededor de 0,75 hasta que se quemaron suficientes propulsores para aumentar esa relación de nuevo a 1. Hasta que eso sucediera, el vehículo habría estado cayendo lentamente, perdiendo energía necesaria para la vuelta y el vuelo de regreso. Lo más probable es que esto signifique que el vehículo no habría podido regresar al sitio de lanzamiento.

Otros pensamientos

Hay otros escenarios que se consideraron, como un apagado rápido de los SSME y la separación del orbitador de la pila ET/SRB, que, aunque técnicamente posible, también habría resultado en LOCV inmediato. Incluso si esto tuviera éxito (estaríamos a cuatro milagros de profundidad ahora), el orbitador estaría en una trayectoria de planeo hacia ninguna parte, y la única opción restante sería amerizar en el océano, ya que el escape de la tripulación no se desarrolló hasta después del Challenger.

Supongo que quiso decir que el RH SRB giró violentamente. Con respecto a la separación SRB, usted olvidó considerar el efecto de los motores de separación SRB. Cada propulsor contenía 8 motores de cohetes sólidos diseñados para obtener la separación mientras el vehículo viajaba a 2900 mph. Si el empuje lateral de los motores de separación fuera suficiente para deslizar la bola SRB fuera de los dedos que la sostenían, al menos un miembro senior de MSFC dio una probabilidad del 75%. El problema real es ¿cuán diferente sería una separación SRB con empuje total de una nominal?
En mi opinión, la separación del orbitador de la pila a cualquier velocidad significativa era LOCV segura. He proporcionado proporciones de empuje a peso posteriores a la SRB sep a los 72 segundos en mi pregunta.
Los motores de separación de refuerzo solo tenían que contrarrestar el empuje del tiempo de separación de un SRB, que era inferior a 100 klbf. Cada uno de los ocho motores de separación tenía solo alrededor de 20 klbf de empuje. No hay forma de que hubieran podido superar el empuje nominal de alrededor de 2500 klbf. Simplemente habrían disparado inútilmente.
No quiero debatir este tema en este hilo. Podemos llevarlo a un foro de discusión o más apropiado a la pregunta anterior sobre la capacidad del SRB para separarse a los 73 segundos. En resumen, al disparar el perno de separación SRB, ni la bola ni el casquillo existían. Se mantuvieron unidos por el perno y se desmoronaron a propósito para evitar el bloqueo que sugieres.
"Ni la bola ni el zócalo existieron" <-- Claramente falso. El perno solo sirvió para precargar la rótula y evitar que la bola se salga del zócalo. Bajo suficientes cargas de empuje, la bola permanecería asentada. Vea esta imagen: forum.nasaspaceflight.com/…
La misma fuente con la que comencé. Solo que esta es una mejor imagen. foro.nasaspaceflight.com/… . La información que tengo de un vicepresidente de ingeniería de SRB en 1986 es que cuando el perno se quita de forma explosiva, los elementos en azul oscuro (bola) y los elementos en verde oscuro (enchufe) ya no están unidos estructuralmente al SRB y al ET. Dejando solo las paredes en verde claro (ET) y Celeste (SRB)
Excepto bajo cargas de empuje, esos accesorios permanecerán en su lugar hasta que la carga neta en el refuerzo caiga por debajo de cero.

No, era imposible.

Este gráfico muestra que tres motores apagados antes de la separación de SRB siempre dan como resultado una zona negra (definida como "pérdida de control y/o falla estructural o amerizaje").

También tenga en cuenta que un RTLS de tres motores seleccionado en ET Sep da como resultado una zona negra.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Dado el impacto de la pluma, el recontacto ET y los problemas de T/W discutidos en otras respuestas, la selección de RTLS a los 73 segundos solo podría haber sido incluso peor que lo que se muestra en este gráfico.

Estas zonas negras se redujeron enormemente después de la falla del STS-51L, pero esas mejoras, por supuesto, no se aplican al caso por el que está preguntando.

Fuente

Me pregunto cómo sería el gráfico de la NASA para la pérdida de ambos tanques de O2 en el CM después de TLI.
@ChallengerTruth, no tengo los gráficos reales, pero básicamente fue "evaluar la situación y decidir entre una trayectoria de 'aborto directo' y una trayectoria de 'retorno libre'". Desde el punto de vista de la dinámica de vuelo, Apollo no tuvo ninguna situación en la que no se pudiera sobrevivir.
Creo que ese es realmente el punto que estoy haciendo. La NASA durante Apolo analizó los posibles modos de falla y desarrolló formas de prevenirlos. La NASA bajo STS, fue administrada por contratistas como una propuesta de lucro. MTI, Lockheed y otros no iban a gastar dinero buscando modos de falla inesperados y ver si podían evitarse. La respuesta "oficial" fue que si ocurría una falla antes de la separación del SRB, la tripulación moría, punto. Nadie quería mirar esta u otra alternativa, el fracaso era una opción.

La clave para cualquier RTLS exitoso es la gestión de la energía. El motivo de la peligrosa maniobra PPA en un RTLS nominal es purgar la velocidad excesiva antes de la separación ET y el planeo. Esto debe hacerse dentro de las condiciones de contorno adecuadas para tener éxito. En términos simples, deben usar el SSME para reducir la velocidad. El problema al que se enfrentaban los pilotos del Challenger era similar, pero si no tomaban ninguna medida, la pila de STS sin los SRB perdería velocidad de forma natural. La situación a los 74 segundos requiere que la pila restante de 51L elimine el exceso de velocidad y obtenga la configuración correcta para la costa posterior a MECO y la separación ET sin alejarse demasiado de KSC.

Entonces, la respuesta a la primera pregunta es que la elección de MECO después de que SRB se sep. a los 72 segundos no es crítica, siempre que no se retrase demasiado. El vehículo en la configuración de separación posterior a SRB está haciendo lo que usted quiere que haga, perder velocidad. Sin el empuje SRB, la pila está perdiendo velocidad a razón de 10 pies por segundo, incluso con los tres motores en marcha. Mi cálculo muy aproximado con una velocidad inicial de 2900 pies por segundo indica que el transbordador seguirá ganando 3800 pies/seg en altitud y moviéndose 1962 pies hacia abajo cada segundo.

Entonces, después de una separación exitosa de SRB, dé a Dick y Mike 15 segundos para recuperar el conocimiento de la situación. Eso los pone a 90,000 pies y 15 millas de profundidad. La velocidad ha bajado a 2618 pies por segundo.

Es en este punto donde entran en juego las habilidades del piloto. Dick Scobee era instructor de vuelo de aviones de transporte de lanzadera y estaba familiarizado con las condiciones de liberación nominales para el transbordador y el SCA. Hubiera sido el mejor astronauta en el programa para tomar esta decisión nominal de septiembre ET.

El mejor movimiento es aumentar la pérdida de velocidad rápidamente para que pueda ejecutar el ET sep y comenzar el planeo de regreso hacia KSC. La forma más obvia de purgar la velocidad es hacer un MECO. Sin empuje del SSME y un vehículo de 1,6 millones de libras, la pila perderá energía rápidamente. Primero, el paso sería hacer rodar el transbordador a una "posición de transbordador hacia arriba" MECO ocurriría a los 95 segundos, a 2240 pies por segundo, altitud 111,000 pies, 18 millas hacia abajo. El RTLS FSW se haría cargo y controlaría el proceso de separación de ET A 1300 pies por segundo ocurriría la separación de ET. Mi cálculo indica que esto ocurriría 18 segundos después de MECO o MET 113 segundos. La altitud sería de 138,000 pies y 26 millas de distancia.

En este punto, el Challenger está alto y apunta lejos de la pista de aterrizaje del KSC. Creo que el Gliding RTLS FSW podría manejar la situación desde MECO en adelante. El programa Gliding RTLS TAEM (Terminal Area Energy Management) realizaría los giros necesarios para alinearse con el HAC (cono de alineación de rumbo).

*La guía TAEM se divide en cuatro secciones o fases. Las cuatro fases son:

• Fase de adquisición
• Fase de alineación de rumbo
• Fase prefinal

La clave para entender cómo funciona TAEM es el concepto de "rango para llevar". Para que la guía TAEM funcione, debe conocer la distancia exacta que debe volar el transbordador antes de que pueda aterrizar. No es suficiente saber la distancia en línea recta desde el transbordador hasta la pista. Esto es obvio cuando se considera que el transbordador debe acercarse a la pista a la velocidad y dirección adecuadas. Por lo tanto, se debe tener en cuenta el giro necesario para que el transbordador se alinee para aterrizar.

Para modelar estos giros, las computadoras del transbordador proyectan lo que se llama un cono de alineación de rumbo o HAC. Este HAC es un cono imaginario en el espacio que se encuentra a 7 n. mi. desde el final de la pista. La proyección de este cono a cualquier altitud es un círculo que describe un giro que debe hacer el transbordador para alinearse con la pista. Al acercarse al HAC por la tangente y luego encender el HAC, el transbordador completará el giro alineado con la línea central de la pista. Para cada pista, hay dos HAC, uno a cada lado de la pista. El transbordador normalmente tiene como objetivo el HAC más lejano, que se denomina HAC superior, ya que el transbordador debe realizar un largo giro por encima de la cabeza para alinearse en la pista. El HAC más cercano es el HAC directo, y el transbordador hace un giro más corto para alinearse. También se puede ver que el HAC superior requiere más energía.

https://www.aerospacearchives.tk/rtls-abort/grtls-guidance.html

¿Tiene una fuente que respalde su afirmación de que el software de vuelo GRTLS (MM602) podría llegar a la pista en un caso en el que el vector de velocidad apunte a 180 grados desde la pista en ET sep? Esa no es la norma. Además, para separar con seguridad el orbitador del ET, el ET no debe tener más del 2 por ciento restante de propulsor.
El tanque ET en MET 113 habría estado lleno en un 78,9 %. También sería en una atmósfera mucho más densa que una separación nominal. Es simplemente mi suposición que la atmósfera inferior limitaría la capacidad del tanque ET para volver al orbitador. Este riesgo, como el riesgo de colisión SRB, es simplemente un elemento desconocido no probado, sin datos conocidos que pueda encontrar.
¿Podría Dick Scobee haber volado un RTLS en Challenger 51L?
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