27 Ocak 1967 akşamı Florida'daki 34 numaralı rampada, Apollo komuta modülünde üç astronot fırlatma provası yapıyordu. Kabin, deniz seviyesinin biraz üstünde, 16,7 psi (yaklaşık 1,15 atmosfer) basınçta saf oksijenle doluydu. Yerel saatle 18.31'de telsizden yangın haberi geldi. On beş saniye sonra kabin içerideki basınca dayanamayıp yırtıldı. Gus Grissom, Ed White ve Roger Chaffee o yangında hayatını kaybetti.1
Bütün bir gezegenin havası saf oksijen olsaydı roketler yine kalkardı. Motor bu farkı neredeyse hiç hissetmezdi. Zorlanacak olan, egzozun dışarıdaki gazla karıştığı bölge ve roketin yanabilen her parçası olurdu.
- Roket motorunun itki hesabında dışarıdaki havanın hangi özelliğinin yer aldığını anlattık.
- Motorların yakıtın bir kısmını neden bilerek yakmadan dışarı attığını grafikle gösterdik.
- NASA'nın metal çubukları saf oksijende yaktığı testlerde alüminyumun nasıl sonuç verdiğini yazdık.
- Apollo 1'den sonra kabin havasının nasıl değiştirildiğini ve bunun bir sonraki uçuşa nasıl yansıdığını izledik.
Motor kendi oksijenini taşıyor
Jet motoru yakıtını yakmak için havayı içeri çeker. Roket motoru ise yakıtıyla birlikte oksijenini de tankında taşır. Satürn V'in birinci kademesindeki F-1 motorları sıvı oksijenle RP-1 adlı arıtılmış gazyağını, Uzay Mekiği'nin ana motorları sıvı oksijenle sıvı hidrojeni yaktı. Yanma odası dışarıya kapalı. Gaz nozuldan ses hızının birkaç katıyla çıktığı için dışarıdaki hava bu akışı aşıp odaya ulaşamaz.
NASA'nın verdiği itki denkleminde iki terim var. Birincisi saniyede dışarı atılan kütle ile egzozun çıkış hızının çarpımı. İkincisi nozul ağzındaki basınçla dış basınç arasındaki farkın, nozul ağzının alanıyla çarpımı.2 Dış atmosfer bu hesaba yalnızca basıncıyla girer. F-1'in nozul ağzındaki basınç 9,6 psi idi, deniz seviyesindeki 14,7 psi'nin altında.3 Motor kalkışta bu fark yüzünden itkisinin bir kısmını kaybediyordu. Aynı basınçta saf oksijen olsaydı kayıp da aynı kalırdı.
Değişecek kaba ölçülerden biri hava direnci. Oksijen molekülünün kütlesi 32, kuru havanın ortalaması 28,96 gram/mol. Aynı basınç ve sıcaklıkta saf oksijen havadan yüzde 10,5 daha yoğun olur ve roket aynı hızda o oranda daha fazla dirençle karşılaşır. Motorun tasarımını değiştirecek bir fark sayılmaz.
Egzoz dışarıda bir kez daha yanıyor
Roket motorları yakıtın tamamını yakacak kadar oksijen kullanmaz. Bir kilogram hidrojeni tamamen suya çevirmek için 7,94 kilogram oksijen gerekir. Uzay Mekiği'nden SLS'e taşınan RS-25 motoru 6,0 oranıyla çalışır.4 Yani odaya giren hidrojenin yaklaşık dörtte birine yetecek oksijen yok. F-1'de oran 2,27 idi, RP-1'i tam yakmak için gereken oran ise 3,4 civarında. Fazla yakıt egzozu hafifletir. Hafif gaz nozuldan daha hızlı çıkar, motor duvarları da sıcak oksijenin aşındırıcı etkisinden korunur.5
Egzoz nozuldan çıkınca içindeki hidrojen ve karbon monoksit dışarıdaki oksijenle buluşup yeniden yanar. Penn State'ten Stephen Turns ve Douglas Leone'nin NASA destekli 1994 çalışmasına göre Uzay Mekiği'nin katı yakıtlı iticilerinde gaz nozulu saniyede yaklaşık 2.400 metre hızla ve 2.300 kelvin sıcaklıkta terk ediyordu. Havadan gelen oksijenle başlayan ikinci yanma, dumanı uzun süre sıcak tutuyordu.6
Satürn V kalkışlarında bu ikinci yanma gözle görülüyordu. F-1'in turbo pompasını çeviren küçük yanma odası 0,416 oranında, yani çok fazla yakıtla çalışıyordu. Buradan çıkan gaz yaklaşık 614 °C'ye soğutulduktan sonra nozul uzantısının iç duvarına serilip duvarı koruyordu. Motor çalışırken bu gazı tutuşturmak için egzoz kanalına ayrıca iki ateşleyici konmuştu.3 Kalkış filmlerinde nozulların hemen altında görülen koyu, isli halka bu gazdır. Birkaç metre aşağıda havayla karışınca parlak bir alevle yanar.
Havada oksijen yüzde 21. Saf oksijende bu oran yaklaşık beş katına çıkar ve egzozdaki yanmamış yakıt oksijeni çok daha kısa mesafede bulur. Alev nozula yaklaşır, daha sıcak ve daha parlak yanar. Bu sıcaklığın bir kısmı roketin tabanına geri döner. NASA, RS-25'leri SLS'e uyarlarken hem geri dönen egzozun hem de dışarı atılıp yakılan hidrojen gazının nozullarda yarattığı ek ısınmayı ayrıca test etti.4 Saf oksijenli bir gezegende taban ısı korumasının bu yüzden baştan hesaplanması gerekirdi.
Yanabilen her parça
Apollo 204 inceleme kurulu yangının büyük olasılıkla sol taraftaki ekipman bölmesinde bir elektrik arkıyla başladığını yazdı. Alevler, eşyalar makinelerin arasına düşmesin diye gerilen naylon ağlar ve cırt cırt bantlar boyunca ilerledi. Eriyen naylon damlaları ateşi kabinin öbür ucuna taşıdı. Kabin, dışarıya göre 13 psi fazla basınca dayanacak şekilde tasarlanmıştı. Yangının ısıttığı gaz bu sınırı ilk 15 saniyede aştı.1
Saf oksijende metal de yanar. NASA'nın New Mexico'daki White Sands Test Tesisi, 3,2 milimetre çaplı metal çubukların alt ucunu güçlü bir tutuşturucuyla ateşleyip alevin çubuk boyunca ilerleyip ilerlemediğine bakıyor. Alev 3 santimetreden fazla ilerlerse metal o basınçta yanıcı sayılıyor. 2010'da yeniden derlenen sonuçlara göre en yaygın alüminyum alaşımlarından 6061-T6, saf oksijende 0,07 megapaskalda yanmayı sürdürdü.7 Deniz seviyesindeki hava basıncı 0,101 megapaskal.
- 15 saniye
- Apollo 1'de yangın haberiyle komuta modülünün yırtılması arasında geçen süre.Apollo 204 Review Board, NASA, 1967
- 0,07 MPa
- 3,2 mm'lik 6061-T6 alüminyum çubuğun saf oksijende yanmayı sürdürdüğü en düşük basınç.Lewis, Jeffers ve Stoltzfus, NASA WSTF, 2010
- 6,0
- RS-25 motorunun oksijen/yakıt oranı; hidrojeni tam yakmak için 7,94 gerekir.Vetcha vd., NASA, 2018
Aynı tabloda 316L paslanmaz çeliğin eşiği 1,4, Inconel 718 nikel alaşımınınki 2,8 megapaskal. Roket motorlarının yanma odası astarında kullanılan bakır 72,4 megapaskalda bile yanmadı. Testin bir sınırı var: ince bir çubuğu güçlü bir tutuşturucuyla yakmak en kötü durumu ölçer, kalın bir tank duvarını tutuşturmak çok daha zordur. Yine de saf oksijenli bir rampada yanan bir kablo ya da yalıtım parçası, yangını alüminyum bir yapıya kadar taşıyabilir.
Apollo kabinine azot geri döndü
NASA bu riskle yerde yüzleşti. Ekim 1967 ile Şubat 1968 arasında tam boyutlu komuta ve ay modülü maketlerinde 140'tan fazla yangın testi yapıldı. 14 Mart 1968'de kurum, Apollo kabininin rampada yüzde 60 oksijen ve yüzde 40 azot karışımıyla, 16 psi basınçta tutulacağını açıkladı. Astronotlar vurgun riskine karşı giysilerinin içinde saf oksijen solumaya devam etti.8 Kalkıştan sonra kabin havası kontrollü biçimde boşaltılıp saf oksijenle tamamlanıyordu. 4 ila 6 saat içinde oksijen oranı yüzde 95'e, basınç uzaydaki çalışma değeri olan yaklaşık 5 psi'ye iniyordu.9
Kurul bu değişiklikle birlikte kabindeki yanıcı malzemenin miktarını ve yerini sıkı biçimde sınırladı, açıktaki kablo demetlerini metal kılıflarla kapattı.8 Saf oksijenli bir gezegende roket yapan mühendisler de motoru büyük ölçüde olduğu gibi bırakıp gövdeyi, kabloyu ve yalıtımı oksijene dayanıklı malzemelerden seçmek zorunda kalırdı. Apollo 7, karışık gazlı yeni kabinle 11 Ekim 1968'de, yangından yaklaşık 20 ay sonra fırlatıldı.
Dipnotlar ve Kaynaklar
- Apollo 204 Review Board (1967). Report of the Apollo 204 Review Board, bölüm "Chronology of the Fire" ve "Findings, Determinations and Recommendations". NASA. nasa.gov ↩
- NASA Glenn Research Center. "Rocket Thrust Equation", Beginner's Guide to Rockets. grc.nasa.gov ↩
- Rocketdyne (değişiklik 9: 4 Kasım 1970). F-1 Engine Familiarization Training Manual, bölüm I; Şekil 1-5 motor parametreleri, paragraf 1-23 nozul uzantısı. pdf-archive.com ↩
- Naveen Vetcha, Matt Strickland, Ken Philippart, Tom Giel (2018). "Overview of RS-25 Adaptation Hot-Fire Test Series for SLS, Status and Lessons Learned". AIAA Propulsion and Energy Forum, NASA NTRS 20180006349. ntrs.nasa.gov ↩
- George P. Sutton, Oscar Biblarz (2017). Rocket Propulsion Elements, 9. baskı. Wiley; bölüm 5, karışım oranı ve egzoz molekül ağırlığı. ↩
- Douglas M. Leone, Stephen R. Turns (1994). "Active chlorine and nitric oxide formation from chemical rocket plume afterburning". 32nd AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA 94-0788; NASA-CR-197503. doi:10.2514/6.1994-788 ↩
- Michelle Lewis, Nathan Jeffers, Joel Stoltzfus (2010). "Promoted Combustion Test Data Re-Examined". NASA Johnson Space Center White Sands Test Facility, NASA NTRS 20100021068; Tablo 2 ve 3. ntrs.nasa.gov ↩
- NASA History Office (2018). "50th anniversary of NASA deciding on a mixed-gas atmosphere for Apollo, a direct result of the Apollo fire". nasa.gov ↩
- North American Rockwell. Apollo Command and Service Module News Reference, "Safety", s. 235-238. nasa.gov ↩
- Kapak: Apollo 11 Satürn V roketi kalkış anında, 16 Temmuz 1969, NASA S69-39525, kamu malı. commons.wikimedia.org. Apollo 1 kabin fotoğrafı: NASA, kamu malı. commons.wikimedia.org ↩
kafa1milyon
Meraklı bir kafa. Bilimsel makaleleri, arşiv belgelerini ve saha notlarını okuyup gündelik dile çeviriyor; bilinmeyeni bilinmiyor diye yazmaktan çekinmiyor.
.jpg){kind=link}
