アトラス LV-3B

アトラス LV-3B

マーキュリー・アトラス6号を打ち上げるアトラスD LV-3B
関数	有人使い捨て打ち上げシステム
メーカー	コンベア
原産国	アメリカ合衆国
サイズ
身長	28.7メートル（94.3フィート）
直径	ブーストフェアリング上の幅3.0 メートル (10.0 フィート)、 4.9 メートル (16 フィート)
質量	120,000キログラム（260,000ポンド）
ステージ	1½
容量
LEOへのペイロード
質量	1,360キログラム（3,000ポンド）[1]
発売履歴
状態	引退
発射場	CCAFS LC-14
総打ち上げ数	9
成功	7
失敗	2
初飛行	1960年7月29日
最終便	1963年5月15日
ブースター
ブースターなし	1
搭載	2ロケットダイン XLR-89-5
最大推力	1,517.4キロニュートン（341,130ポンド）
燃焼時間	135秒
推進剤	RP-1 /液体酸素
第一段階
直径	3.0メートル（10.0フィート）
搭載	ロケットダイン XLR-105-5 1台
最大推力	363.22キロニュートン（81,655ポンド）
燃焼時間	5分
推進剤	RP-1 /液体酸素
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アトラスLV-3B、アトラス D マーキュリー ロケット、またはマーキュリー アトラス ロケットは、米国のマーキュリー計画の一環として宇宙飛行士を低地球軌道に送るために使用された、有人対応の 使い捨てロケット システムです。コンベア社によって製造され、 SM-65D アトラスミサイルから派生したもので、アトラス ロケット ファミリーの 1 つでした。アトラスはもともと兵器システムとして設計されたため、安全で信頼性の高い打ち上げロケットにするために、ミサイルのテストと設計変更が行われました。変更が行われ承認された後、米国は LV-3B を 9 回打ち上げ、そのうち 4 回は有人マーキュリー宇宙船の打ち上げでした。

アトラスLV-3Bは、米国のマーキュリー計画の一環として宇宙飛行士を低地球軌道に送るために使用された、有人対応の 使い捨て打ち上げシステムである。米国の航空機製造会社コンベア社によって製造され、 SM-65Dアトラスミサイルから派生したもので、アトラスロケットファミリーの一員であった。^[2]アトラスDミサイルは、宇宙船を軌道に乗せることができ、データ収集のための飛行も多数行われた米国の兵器庫で唯一の打ち上げロケットであったため、マーキュリー計画には当然の選択であった。

アトラスは元々兵器システムとして設計されたため、その設計と信頼性は必ずしも100%完璧である必要はなく、アトラスの打ち上げは頻繁に爆発に終わっていた。そのため、NASAが有人プログラム専用の打ち上げ機の開発に数年を費やすか、次世代のタイタンII ICBMが運用可能になるまで待つことを望まない限り、ミサイルを安全で信頼できるものにするためには、有人評価するための重要なステップを踏む必要があった。アトラスの1.5段構成は、打ち上げ時にすべてのエンジンが点火されるため、打ち上げ前のチェック中にハードウェアの問題をテストするのが簡単であるという点で、2段式のタイタンよりも好ましいと考えられていた。^[3]

1959年初めにこの計画に選ばれた直後、マーキュリー宇宙飛行士たちは、打ち上げ1分後に爆発した2回目のDシリーズアトラス試験を見学した。これは5回連続の完全または部分的なアトラス失敗であり、この時点ではブースターは核弾頭や無人衛星を運ぶのに十分な信頼性がなく、ましてや人間の乗客を運ぶことは不可能だった。アトラスを有人飛行させる計画は事実上まだ設計段階にあり、コンベアは1961年初めまでに75%の信頼性が達成され、年末までに85%の信頼性が達成されると見積もっていた。アトラスの開発上の問題にもかかわらず、NASAはアトラスR&Dプログラムと同時にマーキュリー計画を実施できたため、マーキュリー用に改造された機器のテストだけでなく、データを取得するための十分なテスト飛行を行うことができた。^[2]

以下に説明する改造とは別に、コンベアはマーキュリー・アトラス機専用の別の組立ラインを設け、有人宇宙計画の重要性と可能な限り最高品質の技量の必要性について特別な指導と訓練を受けた人員を配置した。マーキュリー・アトラス機に使用される部品は、適切な製造品質と動作状態を保証するために徹底的にテストされ、さらに、動作時間が長すぎたり、仕様外の性能を示したり、検査記録に疑問のある部品やサブシステムは拒否された。マーキュリー計画用に承認されたすべての部品は、他のアトラス計画用のハードウェアとは別に指定され、保管され、損傷から保護するために特別な取り扱い手順が行われた。マーキュリー機の工場検査は、経験、アトラス ハードウェアの知識、そして好ましい性格と労働倫理を示したコンベアの人員によって特別に選ばれた人員によって行われた。

マーキュリー宇宙船に使用される推進システムは、テストの結果、NASA の仕様とほぼ一致する性能パラメータを持つことが判明した、ロケットダイン MA-2 エンジンの標準 D シリーズ アトラス モデルに限定されました。NASA は、エンジンの最適な選択は、ほぼ中程度の性能を持つユニットであると決定しました。平均以上の性能を持つエンジンは受け入れられないとみなされました。特定のエンジン セットがなぜそのように動作するのかを正確に判断できないため、中程度の性能のエンジンを使用するのが最も安全であると考えられました。

NASA は、ほとんどの場合、マーキュリー機に対して保守的な姿勢を保ち、必要以上の改造は避けることを好んだ。アトラスへの改造は、パイロットの安全性を向上させるものに限定され、標準の D シリーズ アトラス構成は可能な限り維持されることになっていたため、最新のアトラス ミサイルに加えられたさまざまな機能強化は使用されない。マーキュリー機で使用されているさまざまな機器や手順は、時代遅れで、多くの場合最良でも最新でもないが、実証済みでよく理解されているため好まれた。マーキュリー機に加えられた新しい機器やハードウェアの変更は、NASA が使用を承認する前に、少なくとも 3 回のアトラス R&D テストで飛行する必要があった。マーキュリー機の設計には保守的で慎重な姿勢が取られていたにもかかわらず、4年間で膨大な数の変更が行われた。+プログラムの1年半で得られた教訓と品質管理への重点は、時が経つにつれてさらに厳しくなり、最後の 2 回のマーキュリー飛行では、1959 年にビッグ ジョーが飛行したときには聞いたこともなかったレベルのテストと飛行前検査が実施されました。

すべての打ち上げロケットはケープ カナベラルへの配送時に、部品の欠落や予定外の修正/アップグレードがなく、完全に飛行可能な状態でなければなりません。配送後、ブースターの包括的な検査が行われ、打ち上げ前には飛行審査委員会が招集され、各ブースターが飛行可能であることが承認されます。審査委員会は、打ち上げ前のすべてのチェックとハードウェアの修理/修正の概要を実施します。さらに、NASA と空軍の両プログラムにおける過去数か月間のアトラス飛行が審査され、マーキュリー計画に関連する部品や手順に問題がないことが確認されます。

NASA の品質保証プログラムにより、マーキュリー・アトラス宇宙船の製造と組み立てには、無人ミッション用に設計されたアトラス宇宙船の 2 倍の時間がかかり、飛行のためのテストと検証には 3 倍の時間がかかりました。

これらの取り組みの中心となったのは、アトラスのさまざまなコンポーネントの故障を検知し、必要に応じて打ち上げ中止をトリガーする中止検知および実施システム (ASIS) の開発でした。追加の冗長性が組み込まれており、ASIS 自体が故障した場合、電力損失によっても中止がトリガーされます。ASIS システムは、最初にいくつかのアトラス ミサイル研究開発飛行で使用され、その後、マーキュリー アトラス 1 でオープン ループで飛行しました。つまり、ASIS は中止信号を生成できますが、推進システムにカットオフ コマンドを送信することはできません。MA-3 で初めてクローズド ループで動作しました。

レッドストーンとアトラスの打ち上げで使用されたマーキュリー打ち上げ脱出システム(LES) は同一でしたが、アトラスは 5 つのエンジン (そのうち 2 つは飛行中に切り離されます) と、より洗練された誘導システム、および潰れないように一定の圧力を必要とする膨張したバルーン タンクを備えた、はるかに大きく複雑な乗り物であったため、ASIS システムは 2 つのブースター間で大幅に異なっていました。

ビッグ ジョーと MA-1 には脱出塔がなかったが、後者の飛行中の故障はおそらく LES の欠如が空力プロファイルに悪影響を及ぼしたため、MA-2 にはダミーの脱出塔が搭載された。実際の LES は MA-3 で初めて搭載され (予定外のテストでその機能性が実証された) た。

アトラスの飛行試験データを使用して、D シリーズ機の最も起こりやすい故障モードのリストが作成されましたが、単純化のため、限られた数のブースター パラメータのみを監視できました。中止は、以下の条件によってトリガーされる可能性があり、いずれも壊滅的な故障の兆候である可能性があります。

• ブースターの飛行経路が計画された軌道から大きく外れた
• エンジン推力または油圧が一定レベル以下に低下した
• 燃料タンクの圧力が一定レベル以下に低下した
• タンクの中間隔壁は構造的完全性を失う兆候が見られた。
• ブースター電気システムが動作を停止した
• ASISシステムは運用を停止した

ASIS システムが必要とされたのは、アトラス ビークル (たとえば、アトラス 6B) の飛行障害の一部があまりにも急速に発生したため、宇宙飛行士が間に合うように反応して LES を手動で起動することがほぼ不可能だったためです。正しい飛行軌道からの逸脱などのその他の障害モードは、必ずしも宇宙飛行士の安全に直ちに危険をもたらすものではなく、飛行を手動で中止することができました。

以下に挙げたすべての変更がマーキュリーのすべての飛行で実施されたわけではなく、改良のため、または失敗したアトラス打ち上げから得られた飛行データの結果として、途中で多数の変更が行われました。品質管理とチェックアウトの手順も、プログラムの過程で改善され、より詳細になりました。

レートジャイロパッケージは、マーキュリー/LESの組み合わせが弾頭よりもかなり長く、異なる空力特性を生み出すため、 LOXタンクの前部セクションにかなり近い場所に配置されました（標準のアトラスDジャイロパッケージは、ASISの使用のために機体に保持されました）。マーキュリー-アトラス5では、新しい信頼性機能も追加されました。打ち上げ前にジャイロスコープが適切に動作することを確認するためのモーションセンサーです。このアイデアは、1958年の最初のアトラスBの打ち上げでヨージャイロが機能しない状態で打ち上げられた後、制御不能になり自壊したときに最初に考案されましたが、アトラス機への導入は徐々に行われました。1961年に行われた別のアトラスミサイルのテストでも、打ち上げ中に自壊しましたが、この場合はジャイロスコープのモーター速度が低すぎたためでした。したがって、モーションセンサーにより、この故障モードが排除されます。

射場安全システムもマーキュリー計画のために改良された。エンジンの停止から破壊爆薬の起動まで 3 秒の遅延を設け、LES がカプセルを安全な場所まで引きずり出す時間を確保する。具体的には、射場安全破壊コマンドが送信された場合、ASIS システムはエンジン停止信号を通過させ、破壊信号を 3 秒間ブロックする。その後、エンジン性能の低下が ASIS によって感知され、LES が起動し、その後破壊信号がブロック解除されてロケットが破壊される。エンジン停止および破壊コマンドも、打ち上げ後最初の 30 秒間はブロックされ、故障したロケットが発射台上または発射台の周囲に落下するのを防ぐ。

D シリーズのアトラス ミサイルと初期の SLV 派生型は、旧式の電気機械式自動操縦装置(主要部品が収納されていたコンテナの形状から「丸型」自動操縦装置と呼ばれていた) を搭載していたが、マーキュリー ビークルでは、E シリーズおよび F シリーズ ミサイル、および今後登場するアトラス セントール ビークル用に開発された、より新しいトランジスタ式の「四角型」自動操縦装置を使用することが決定された。最初の 3 機のマーキュリー アトラス ビークルには丸型自動操縦装置がまだ搭載されており、マーキュリー アトラス 3 で初めて飛行したが、ブースターがプログラムされたピッチオーバー操作を実行せず、悲惨な故障を起こし、射場安全措置により破壊されなければならなかった。その後、ミサイル プログラマーが回収され、検査された。故障の正確な原因は特定されなかったが、いくつかの原因が提案され、プログラマーにいくつかの変更が加えられた。マーキュリー・アトラス 4 では、飛行中の振動レベルが高かったため、さらなる改良が必要となり、最終的にマーキュリー・アトラス 5 で完璧に動作しました。

MA-3 以降、重く、消費電力が高く、機体の高度が上がるにつれて信号が減衰する傾向があった古い真空管ベースのユニットに代わって、新しいトランジスタ式テレメトリ システムが導入されました。アトラスのほとんどの SLV 構成と同様に、マーキュリー機にはテレメトリ パッケージが 1 つしか搭載されていませんでしたが、R&D ミサイル テストには 3 つ搭載されていました。

信号干渉を低減するために誘導アンテナが改造されました。

マーキュリー・アトラス車は、信頼性と軽量化の理由から、標準の D シリーズ バルブではなく、C シリーズ アトラスのボイルオフ バルブを採用しました。

燃焼不安定性は、MA-2 エンジンの静的点火テストで繰り返し発生する問題であり、1960 年初頭に 2 機のアトラス機の発射台上での爆発の原因にもなっていました。そのため、燃焼レベルを監視するためにエンジンに追加のセンサーを取り付けること、また、スムーズな推力を確保するために点火後数分間はブースターを発射台に押し付けておくことが決定されました。エンジンは「ウェット スタート」も使用することになりました。つまり、エンジン チューブにはショック ダンパーとして機能する不活性液体が入っています (失敗した 2 回のアトラス D 飛行テストでは、エンジン チューブに液体が入っていないドライ スタートが使用されました)。ブースターがチェックに合格しなかった場合は、自動的に停止します。 1961年後半、3発目のミサイル（27E）が燃焼不安定性により発射台で爆発した後、コンベア社は火工品方式に代えてバッフル付き燃料噴射装置とハイパーゴリック点火装置を備えた大幅に改良された推進システムを開発したが、NASAはこれらの未テストの改良でジョン・グレンの今後の飛行を危険にさらすことを望まなかったため、マーキュリー・アトラス6号のブースターに搭載することを拒否した。そのため、その飛行とスコット・カーペンターのMA-7号の飛行では旧式のアトラス推進システムが使用され、新しい派生型は1962年後半のウォーリー・シラーの飛行まで採用されなかった。

ロケットダイン エンジンの静的試験では、高頻度の燃焼不安定性が発生しました。これは「レーストラック」効果として知られ、燃焼中の推進剤がインジェクター ヘッドの周囲を渦巻き、最終的には衝撃波でインジェクター ヘッドを破壊します。アトラス 51D および 48D の打ち上げでは、低次の粗い燃焼によってインジェクター ヘッドと LOX ドームが破裂し、推力部の火災が発生して最終的にミサイルが完全に失われました。51D および 48D で連続して燃焼不安定性が発生した正確な理由は確実には特定されていませんが、いくつかの原因が提案されています。この問題は、インジェクター ヘッドにバッフルを設置して渦巻く推進剤を分散させることで解決されましたが、バッフルによって重量が増加し、推進剤が噴射されるインジェクターの穴の数が減少したため、パフォーマンスがいくらか低下しました。アトラス計画で得られた教訓は、後に、はるかに大型のサターン F-1 エンジンの開発に極めて重要であることが判明しました。

SECO が時間どおりに、指示されたときに実行されるように、推進システムの電気回路に冗長性が追加されました。LOX 燃料供給システムには配線の冗長性が追加され、エンジン始動時に推進剤バルブが適切な順序で開くようにしました。

MA-7 までのマーキュリーロケットは、極低温の液体酸素によって RP-1 が凍結するのを防ぐため、中間隔壁に発泡断熱材が取り付けられていました。ジョン・グレンの飛行前の MA-6 の修理中に、断熱材は不要であり、現場でのブースターの整備の妨げになるとして、取り外すことが決定されました。NASA は、GD/A にメモを送り、以降のマーキュリー・アトラスロケットには隔壁断熱材を取り付けないように要求しました。

1962 年初頭、2 回の静的エンジン試験と 1 回の打ち上げ (ミサイル 11F) で、インペラ ブレードがポンプの金属ケースに擦れて摩擦火花が生じたことにより、 LOX ターボポンプが爆発しました。これは、アトラスが 3 年以上ターボポンプの問題を起こさずに飛行した後に発生し、擦れがなぜ発生したかは明らかではありませんでしたが、このすべてのエピソードは、サステイナー インレット バルブが飛行準備完了の「開」位置に移動しているとき、およびテストされていないハードウェア変更を実行しているときに発生しました。さらに、ウォーリー シラーの飛行に使用されたブースターであるアトラス 113D には、推進システムの適切な機能を確認するための PFRT (飛行前準備テスト) が実施されました。MA-9 では、この故障モードの再発を防ぐために、ポンプの内側にプラスチック ライナーが追加されました。

マーキュリーの宇宙船は標準的な D シリーズ アトラス空気圧システムを使用していましたが、特定の積載条件下で発生することが知られているタンク圧力の変動の原因について研究が行われました。これらの研究により、初期の D シリーズ宇宙船で使用されていたヘリウム レギュレータは打ち上げ時に共振振動を引き起こす傾向があることが判明しましたが、それ以降、この影響を生じない新しいモデルのレギュレータの使用など、空気圧システムにいくつかの変更が加えられました。

マーキュリーロケットの液体酸素タンクへのヘリウムの流量は、1 秒あたり 1 ポンドに制限されていました。この変更は、VAFB の IOC テストであるアトラス 81D が、加圧レギュレータの故障によりタンクが破裂するまで過圧状態となり、飛行中に破壊された後に行われました。

マーキュリー機の油圧システムは、標準的な D シリーズ アトラス セットアップでした。マーキュリー機はバーニア ソロ モードを実行しなかったため、バーニア ソロ アキュムレータは削除されました。MA-7 の油圧スイッチが作動し、誤った中止信号がフラグ付けされたため、LOX ラインからの低温がそれをトリガーしたと考えられ、後続の機体では追加の断熱材が追加されました。

誘導システムが持続エンジンへの個別のカットオフ コマンドを発行できず、エンジンが燃焼して推進剤が枯渇した場合、LOX 過剰シャットダウンが発生する可能性があり、高温によりエンジン部品が損傷する可能性があります。安全上の理由から、PU システムは SECO の 10 秒前に持続エンジンへの LOX フローを増やすように変更されました。これは、SECO で LOX 供給が完全に使い果たされ、LOX 過剰シャットダウンを防ぐためです。PU システムは信頼性を考慮して MA-6 までアトラス C 構成に設定され、標準の D シリーズ PU 設定は MA-7 まで使用されませんでした。

ビッグジョーとMA-1のブースターは燃料タンクに厚い外皮を装備していたが、液体酸素タンクには標準のDシリーズミサイル外皮が使用されていた。後者の機体が飛行中に失われた後、NASAは標準の液体酸素タンク外皮が不十分であると判断し、より厚くするよう要請した。アトラス100Dは最初に納品された厚い外皮のブースターとなるが、その間にMA-2のブースター（67D）はまだ薄い外皮モデルであったため、カプセルとブースターの接合部に鋼鉄の補強バンドを装備する必要があった。当初の計画では、アトラス77DがMA-3に使用されるブースターとなる予定だった。1960年9月に工場でのロールアウト検査を受けたが、その後まもなくMA-1の飛行後調査結果が判明し、薄い外皮の77Dは回収され、100Dに置き換えられた。

運用中のマーキュリー飛行では研究開発飛行よりも多くの機器や消耗品を搭載し、カプセルの重量が増加したため、MA-7 では LOX タンクの外皮がさらに厚くなりました。

持続遮断後のミサイル速度を微調整するために ICBM で使用されるバーニア ソロ フェーズは、簡素化と性能および揚力容量の向上のために誘導プログラムから削除されました。軌道飛行ではミサイルとはまったく異なる飛行経路が必要だったため、誘導アンテナは信号強度を最大限に高めるために完全に再設計する必要がありました。アトラスの上部にあるポジグラード ロケット モーターは、使用済みミサイルを弾頭から遠ざけるために設計されていましたが、マーキュリー カプセル自体に移動されました。これにより、LOX タンクのドームにファイバーグラスの断熱シールドを追加して、ロケット モーターによって破裂しないようにする必要もありました。

アトラス機によく見られる通常は無害な現象として、自動操縦装置がまだ作動していないために、離陸後の最初の数秒間にブースターがわずかにロールする傾向があることが挙げられます。しかし、数回の飛行では、有人打ち上げであれば打ち上げ中止状態を引き起こす可能性のあるほどのロール運動をブースターが引き起こしました。アトラスのタービン排気によって自然にいくらかのロールが生じましたが、これで問題全体を説明することはできませんでした。むしろ、エンジンのアライメントに関係していました。エンジン供給業者 (ロケットダイン) の受け入れデータによると、81 基のエンジンのグループで、飛行中に経験したのとほぼ同じ大きさの同じ方向へのロール運動が平均して見られました。個々のエンジンの受け入れテストスタンドと飛行経験データには相関がありませんでしたシラーのマーキュリー飛行では打ち上げ初期に一時的なロールの問題が生じたため、その変更はゴードン・クーパーの MA-9 のブースターに組み込まれました。

9機のLV-3Bが打ち上げられ、そのうち2機は無人弾道試験飛行に、3機は無人軌道試験飛行に、4機は有人 マーキュリー宇宙船に搭載された。^{[4] [1]アトラスLV-3Bの打ち上げはフロリダ州}ケープカナベラル空軍基地の第14発射施設から行われた。^[4]

初飛行は1960年7月29日で、弾道飛行マーキュリー・アトラス1号の試験飛行を行った。ロケットは打ち上げ直後に構造上の故障に見舞われ、その結果、宇宙船を予定の軌道に乗せることができなかった。^[5]初飛行に加え、初の軌道打ち上げとなったマーキュリー・アトラス3号も失敗した。この故障は、ピッチとロールのコマンドを実行できない誘導システムに問題があったため、射場安全責任者が宇宙船を破壊する必要があった。宇宙船は打ち上げ脱出システムによって分離され、発射台から1.8キロメートル (1.1マイル) の地点で回収された。

さらなる一連のマーキュリー打ち上げが計画され、追加のLV-3Bが使用される予定であったが、これらの飛行は最初のマーキュリー計画の成功後にキャンセルされた。^[6]最後のLV-3B打ち上げは1963年5月15日、マーキュリー・アトラス9号の打ち上げのために実施された。NASAは当初、余ったLV-3B機を使ってジェミニ・アジェナ・ターゲット・ビークルを打ち上げる予定であったが、1964年の資金増加により、NASAは代わりに真新しいアトラスSLV-3機を購入する余裕ができたため、このアイデアは廃案となった。^[7]

• マーキュリー・レッドストーンロケット
• SM-65 アトラス