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:
Altitud 47,000 pies, velocidad 2900 pies por segundo (1,977 mph), Rango inferior 9 nm Inclinación orbital 28.5
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?
Tanque de ET con una fuga de caudal desconocido y orificio de tamaño desconocido
SRB vuela sin control durante otros 50 segundos cerca
Un RTLS nominal se realiza de la siguiente manera:
Veo a Dick Scobee y Mike Smith enfrentando dos problemas casi insuperables:
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?
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.
(Comisión Rogers, Volumen II, Apéndice L, página 15)
Hice algunas relaciones de empuje a peso a lo largo del tiempo usando los datos conocidos:
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 %.
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.
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, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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