Massive problem for USAs oppskytingsindustri

Av Johnny Grøneng Aase

I løpet av april og mai 1999 fekk fem amerikanske bererakettar startforbod. Titan 4, Delta 3, Athena og Atlas 2 og 3 har enten svikta under oppskyting eller inneheld komponentar som ikkje held mål.

I tillegg vart romferjeferd STS-93 utsett til 23. juli. Columbia utplasserte her røntgenobservatoriet Chandra. Dette skulle gå i ei høgare bane enn ferja kunne nå, og etter at Columbia hadde gjort sitt overtok eit øvre steg kalla Inertial Upper Stage (IUS). Dette hadde diverre ikkje fungert ved siste oppskytinga, og NASA ville vere sikker på å unngå problem. Chandra hadde ein prislapp på ikkje mindre enn 1,4 milliardar dollar, så organisasjonen var naturleg nok interessert i at alt skulle fungere. Oppskytinga var heldigvis vellukka.

Status for amerikansk oppskytingsindustri er at i perioden august 1998 til mai 1999 har tre Titan 4, to Delta 3 og ein Athena ikkje greidd å fullføre oppdraga sine. Dette uføret vert samanlikna med den tunge perioden mellom august 1985 og mai 1986 då det meste av amerikanske og vesteuropeiske bererakettar vart sett på bakken. Det mest alvorlege var likevel at USA i denne perioden mista sju astronautar om bord i Challenger. Menneskeliv kan ikkje erstattast.

9. april 1999: Titan 4B/IUS

Oppdraget til denne raketten var å plassere ein satellitt til 250 millionar dollar i serien Defense Support Program (DSP) i geosynkron bane for det amerikanske luftforsvaret. Han skulle inngå i eit nettverk av satellittar som skal varsle om rakettåtak på USA eller nokre av landet sine allierte.

Raketten tok av frå oppskytingskompleks 41 på Cape Canaveral i Florida klokka 13.01 lokal tid. (Dette var den siste Titan-oppskytinga frå rampe 41 etter mest 35 års bruk. Ho er no overdrege til Lockheed Martin for å klargjerast til den nye Atlas 5.)

Kjernesteget og faststoffrakettane plasserte den militære nyttelasta i ei 742 km x 188 km høg bane med ein inklinasjon på 28,6°. Då DSP-satellitten og IUS-trinnet passerte over Ny-Guinea 1 time og 35 minutt etter oppskytinga, tende det første IUS-steget (CSD Orbus 21), brann i 100 s og plasserte nyttelasta i ei sterkt elliptisk overføringsbane.

Satellitten tok til å klatre oppover mot apogeum på normal måte. 6 timar og 33 minutt etter oppskyting, høgt over Galapagosøyane, skulle andretrinnet (CSD Orbus 6E) gjere bana sirkulær. Dette skjedde ikkje, og satellitten vart fanga i ei ubrukeleg, sirkulær bane. Ein greidde å få satellitten under kontroll, og vil nytte han til å gjennomføre ulike testar, men han er ubrukeleg som varslingssatellitt. I tillegg til å vere i feil bane, var han lenge i eit spinn, og dei fire solcellepanela var falda inn og leverte ikkje straum. Desse to problema er no løyste. Total kostnad av bererakett og satellitt var 682 millionar dollar.

Ein teori gjekk ut på at det oppstod eit problem med rakettdysene i andretrinnet. Desse er falda saman under oppskyting. Dei måler 84 cm x142 cm, men etter utfalding strekkjer dei seg 194 cm ut. Sjølv den minste feil vil påverke effekta til andretrinnet kraftig. Straks etter at det var klart at IUS hadde svikta, gav ein ordre om å kontrollere utfaldingsmekanismane på dei to RL-10A-4-1 Centaur oksygen/hydrogen-motorane på Atlas 2AS-raketten som ei stund seinare plasserte Eutelsat W3 i bane. Ein kontrollerte samstundes RL-¹⁰B-2-motoren på Delta 3-raketten som svikta. Denne nyttar ein karbon-karbon dyseforlengar produsert av franske SEP. Ingeniørane konkluderte med at ingen av dei øvre trinna til Delta 3 eller Atlas har likskapstrekk med dei mekaniske systema til IUS sitt andretrinn.

I tillegg granska Luftforsvaret om det var ei vellukka fråkopling av førstetrinnet til IUS. Dei to trinna er kopla saman med åtte eksplosive boltar. Under ein normal separasjon vil ein elektrisk kommando utløyse og slik øydeleggje boltane, og ei fjør vil presse dei to delane frå kvarandre. Det synte seg etter kvart at ein ikkje greidde å kople frå førstetrinnet. Det vart hengande fast nederst på andretrinnet, og den ekstra, usymmetriske massa drog satellitten ut av kurs. Årsaken til at førstetrinnet ikkje vart skikkeleg separert var at eit termisk omslag rundt ein elektrisk kontakt forhindra ein plugg i å frigjerast.

Når så mange Titan-bererakettar har svikta, kan ein setje spørjeteikn ved om det amerikanske forsvaret er i stand til å plassere tunge nyttelaster i bane når det er naudsynt. Eit stort prosjekt dei nærmaste åra vil vere å skifte ut varslingssystemet DSP med SBIRS (Space-Based Infrared System).

Dette var andre gongen i løpet av 15 års bruk at IUS svikta. Første gongen var på romferjeferd STS-6 med Challenger i 1983, då den første satellitten i NASA sitt TDRS-nettverk vart plassert i feil bane. Ved å bruke satellitten sitt eige drivstoff vart TDRS-A til slutt plassert i den ønska geosynkrone bana. DSP har ikkje den same kapasiteten.

28. april 1999: Athena 2

Ikonos 1 skulle etter planen verte den første kommersielle jordobservasjonssatellitten med ei oppløysing på mindre enn ein meter. Han skulle operere frå ei 680 km høg solsynkron polbane med ein inklinasjon på 98,1°.

Oppskytinga fann stad frå Vandenberg-flybasen på den amerikanske vestkysten. Granskingar synte at første og andre steget med Thiokol Castor 120 faststoffmotorar, tredjetrinnet sin Pratt & Whitney Orbus 21 faststoffmotor og Lockheed Martin/Primex Tecnologies sin Orbit Adjust Module (OAM) med flytande drivstoff ikkje kunne lastast for den mislykka oppskytinga.

Nyttelastdekselet skulle koplast frå raketten medan han enno var innanfor radiorekkevidde frå Vandenberg. Tredjetrinnet brann ut og OAM skulle ta til med å justere apogeum før ein etter 478 s mista signalet ved Vandenberg. I løpet av denne perioden fekk ein ned all forventa telemetri.

21 minutt seinare skulle ein etter planen opprette samband med satellitten via følgjestasjonen ved McMurdo i Antarktis. Dette skjedde ikkje, men ein trudde først at dette var på grunn av feil med mottakaren på bakken. Då det heller ikkje vart lese ned signal ved Melindi i Kenya, visste ein at noko var gått gale.

Det er no klart at nyttelastdekselet på eit halvt tonn ikkje vart kopla frå som planlagt 267 s etter oppskyting, og at den ekstra vekta drog fjerdetrinnet og Ikonos 1 ned att i atmosfæra, der dei brann opp ein stad over det sørlege Stillehavet. Dekselet var laga av litium og aluminium, og skulle verte fjerna når satellitten var utanfor jordatmosfæra.

Elektriske kretsar fører straum og kommandoar langs sida på Athena for å gje ordre om når deksla skal separerast. To sprengladningar fjernar først dekselet frå det øvre steget. Millisekund seinare deler ein tredje ladning dekselet vertikalt. Analyser tyder på at dei to første eksploderte som planlagt. Sjokket førte til at kontaktane som bar kommandoane til den tredje ladninga vart dregne ut eit lite augneblink. I denne korte perioden vart ordren om å setje av ladning nummer tre sendt ut, og han kom difor ikkje fram. Dekselet vart difor verande på.

Bereraketten Athena 2 hadde ein antatt verdi på rundt 25 millionar dollar. Ein liknande rakett sendte den svært vellukka sonda Lunar Prospector mot Månen.

Tekniske problem forseinka oppskytinga av Ikonos 1 med nesten to år. Ikonos 2 var difor nesten oppskytingsklar, og vart sendt opp 24. september 1999. (Då hadde satellitten endra namn til Ikonos.) Dette er andre gongen ein misser ein kommersiell overvakingssatellitt med høg oppløysing. Earthwatch 1 svikta rett etter at han var plassert i bane i desember 1997. Konkurrenten OrbImage sin Orbview-3 vil kunne verte den neste kommersielle satellitten som kjem under den magiske grensa på ein meter. Dette kan skje i midten av 2000.

Nokre ser på denne marknaden som ei lita nisje, men ho er stor nok til at høgoppløyselege bilete kan få ein marknad på tre til fem milliardar dollar i løpet av dei neste åra. Aktuelle brukarar er statlege etatar og fjernsynskanalar. Ein kan berre spekulere på om amerikanske CNN i framtida vil sende bilete «live» både frå hotellbalkongen i Bagdad og låg jordbane. Berre fantasien set grenser for kva dette verktyet kan nyttast til.

30. april 1999: Titan 4B/Centaur

Uhellet med Titan 4-B/Centaur Milstar er den dyraste ubemanna ulukka som til no har skjedd frå Cape Canaveral. Milstar skulle verte den mest avanserte militære kommunikasjonssatellitten til det amerikanske luftforsvaret. Satellitten, som måler 15,5 m x 35,4 m, er no i ei ubrukeleg bane, og vert offisielt sett på som ein fadese av luftforsvaret. Rakett og satellitt kosta 1,23 milliardar dollar.

Oppskytinga skjedde frå rampe 40 klokka 12.30 lokal tid. Oppskytinga hadde då vorte utsett 94 minutt av di førebuingane hadde falle bak skjemaet. Kvelden før var det kraftig uver, og personellet som skulle klargjere raketten hadde trukke seg unna for ein periode.

Då raketten tok av, var Cape Canaveral dekka av låge skyer. Vertilhøva var likevel sett på som akseptable, og den første delen av oppskytinga var vellykka. Kjerna i Titan 4 brann i ni minutt. Centaur skulle deretter brenne i totalt 6 minutt og 32 sekund fordelt over tre periodar. Første brennperioden skulle vare i to minutt for å plassere Centaur/Milstar i ei midlertidig 156 km x 167 km bane med ein vinkel på 28°. Data syner at unøyaktig programvare i Centaur sendte dei to Pratt & Whitney RL-10-motorane på feil kurs.

Ved Schriever Air Force base i Colorado var ein ikkje i stand til å gjere noko som helst for å rette opp problema då ein mottok den fatale telemetrien etter ein halv time. Centaur er konstruert for å operere på eiga hand.

Etter første brennperioden heldt Centaur fram med å oppføre seg unormalt. Han skulle tenne for andre gong etter 65 minutt ein stad nordaust av Australia. Denne avfyringa skulle sende Milstar mot den geostasjonære bana. Etter 6 timar 22 minutt skulle motoren tenne for tredje gong og plassere satellitten over Stillehavet vest av Sør-Amerika. Motorseksjonen skulle etter planen ha vorte separert frå eit par minutt seinare.

Den dårlege programvaren gav Centaur ordre om å brenne av alt drivstoffet mindre enn tre timar etter oppskyting, og Milstar vart kopla frå Centaur tre timar for tidleg. Han endte opp i ei altfor låg bane på berre 640 km x 4340 km.

Det militære bakkepersonellet starta då å sende ordrar til Milstar for å ta vare på det som stod att å redde. Dei greidde å stabilisere satellitten, falde ut solcellepanela og vingene til nyttelasta. Sjølv om det elektriske om bord fungerte, var satellitten ubrukeleg til militært samband sidan antennene ikkje kunne vriast for å dekke det same området i lengre periode og sende data frå ei så låg bane.

Dette var ein ny type satellitt med større reservar enn dei to som vart sendte opp i 1994 og 1995. Han skulle kunne sende opp til 1,5 Mbit/s.

Etter at det var klart at det var programvaren som hadde svikta, vart fokus sett på korleis Lockheed Martin hadde utvikla, kontrollert og overført styreprogramma til Centaur sitt siste steg utan å oppdage at noko var gale. Det syner seg at ein matematisk konstant hadde fått feil verdi. Sjølve oppskytinga vart gjennomført av 45th Space Wings 3rd Space Launch Squadron. Dei hadde ikkje ansvaret for å kontrollere dataprogramma, berre sørge for at informasjonen vart lasta inn i raketten før start.

Dette var svært dårlege nyhende for Lockheed Martin si programvaregruppe. Ansatte i Littleton hadde alt fått kjennskap til at arbeidsstyrken skulle reduserast med 900 personar. Mange av dei tilsette hadde og born som var elevar på Columbine High School, som vart råka av den ufattelege skytetragedien tidlegare i år.

4. mai 1999: Delta 3

Dette var den første oppskytinga av ein Delta 3 sidan den mislukka første oppskytinga av raketten i august 1998. Han skulle no plassere kommunikasjonssatellitten Orion 3 i geostasjonær bane.

Ein hadde store problem under nedtellinga. Det mest alvorlege skjedde seint om kvelden 22. april under ein datamaskinstyrt kontroll av systema i raketten. Denne gjekk føre seg kontinuerleg, ti gonger i sekundet. Han avbraut ein startkommando på grunn av ein feil i datamaskinene på bakken. Nedtellingsklokka synte 0, men startkommandoen vart sendt ved T-2 sekund. Nedtellinga vart heldigvis stansa før hovudmotorane var tente. Etter dette tok den vanskelege prosessen med å få raketten ut av startklar modus til.

Den same nedtellinga hadde tidlegare vorte avbrote tre gonger innanfor T-3 minutt. Nedtellinga blei deretter rutinemessig sett attende til T-4 minutt. To av desse avbrota var på grunn av datamaskinfeil i bakkesystema. Den siste kom etter at ein person i bakkekontrollen ikkje greidde å kople ut ein alarm som planlagt. Tre andre nedtellingar hadde vorte avbrotne den 4., 5. og 21. april. Den første var på grunn av ugunstige vindtilhøve. Seinare hadde ein først problem med datamaskiner, deretter svikta ein følgeradar på kysten av Florida.

Raketten tok endeleg av frå rampe 17B klokka 09.00 lokal tid. Alle motorar i første trinnet fungerte som planlagt, og dei utbrente motorane vart kopla frå slik ein venta. 4 minutt og 37 sekund etter starten, rett før det nye øvre trinnet tende, vart den utfaldbare dysa og utplassert som planlagt. Den første brennperioden til RL-10-motoren varte i 8 minutt og 50 sekund, og fartyet var plassert i ei bane på 137 km x 1198 km. Siste trinnet i raketten og Orion 3 heldt fram over Atlanteren i nye 8 minutt før motoren skulle brenne att i 2 minutt og 31 sekund. Det starta som planlagt vest for kysten av Afrika, men stansa att etter eitt sekund. Telemetri syner at det då var eit 25 psi overtrykk i oksygenpumpa. Samstundes registrerte eit akselerometer eit mekanisk sjokk. Data syner at motoren stoppa av seg sjølv, og ikkje vart kommandert til å slå seg av på grunn av ein unormal tilstand.

Alle andre parameter i øvre steget var normale for den første brennperioden og eit stykke inn i nummer to. All programvare og styrefunksjonar fungerte som normalt.

Ein veit no at luftbobler i skøytar i RL-10-motoren var årsak til uhellet. Boblene svekte skøytane så mykje at dei brast under avfyring av motoren.

Orion 3 har ikkje nok drivstoff til å sende seg sjølv opp i geosynkron bane, og slik gjennomføre i hvert fall ein del av det 15 år lange oppdraget sitt. Han skulle stå over Ny-Guinea, og bruke 43 Ku- og S-band-transponderar til å setje opp forretnings- og Internett-samband mellom Asia og USA og Europa. Det vil ta 18 månader å bygge ein erstatningssatellitt.

Orion 3 er no i ei 422 km x 1315 km høg bane. Det elektriske systemet om bord fungerer, og rotasjonen er sakte og stabil. Han kan overleve her i eit år før Van Allen-belta tek til å gjere skade på systema om bord.

Kvifor?

Fem feil i løpet av ti månader tyder på at noko er fundamentalt feil. Ein av tankane er at dei kontinuerlege forsøka på å redusere kostnader har gått ut over kvaliteten og tryggleiken til dei amerikanske rakettane.

Ein faktor er at ein etter kvart har fått for stor tillit til modellering og simuleringar. Ein stadig større del av tida går med til analyse, og mindre til praktisk testing av utstyr. Det har vorte sett fram påstandar om at ingeniørane no er alt for glade i dei avanserte simuleringsverktya sine.

Under Reagan-administrasjonen var det ei stund eit nasjonalt mål å redusere bruken av eingongsbererakettar, og heller satse på å plassere nyttelaster i bane med romferga. (Etter at Challenger gjekk tapt, har ein gått bort frå dette.) Konsekvensen var at det i fleire år ikkje var noko nyrekruttering av arbeidarar til å byggje slike rakettar. Ein stor del av arbeidsstyrken er no på veg mot pensjonsalderen, og ferske, nyutdanna ingeniørar har ikkje same rutinene som desse. Ein er redd for at mykje dyrkjøpt erfaring slik vil gå tapt i løpet av dei neste åra.

Ein har lenge prøvd å redusere kostnadene ved utviklingsarbeid, bygging og oppskytingar. Det er mogeleg at dei stadige forsøka på effektivisering, rasjonalisering og omorganisering i praksis har liten økonomisk verdi og skaper så store problem og mykje frustrasjon bland arbeidarane at det i praksis ikkje er nokon økonomisk vinst.

Konsekvensar

Å tape satellittar og rakettar til ein kostnad av fleire milliardar dollar vil få følgjer for USA sine forsøk på å hente inn ein større del av den internasjonale, kommersielle oppskytingsmarknaden. Ein reknar med at fleire operatørar ikkje vil overleve, medan andre vil sjå til utlandet for å få materiellet sitt opp i bane. Dette er ikkje heilt enkelt for tida. Ansvaret for å skrive ut lisensar for eksport av satellittar er overført frå handelsdepartementet til utanriksdepartementet, noko som truleg kjem til å auke sakshandsamingstida.

Det minste ondet kan vere å nytte amerikanske rakettar, og slik hindre utsetjingar. Tidlegare CINCSPACE (sjef for USAs romstyrkar), general Howell M. Estes (USAF), ser på dette som eit kritisk nasjonalt problem. USA har på dette feltet to overordna mål: Å få sikker og billeg tilgang til rommet. For tida klarer ein ikkje å nå nokon av dei.

Noverande CINCSPACE, general Richard B. Myers, sa i ein kommentar at dei amerikanske satellittane som no er i bane, kan handsame både noverande og sannsynlege framtidige konflikter med omsyn på samband, navigasjon, varsling av oppskytingar frå uvenlege statar, meteorologi og etterretning. Dei tre tapte satellittane skulle styrke dei konstellasjonane som alt er der oppe, og CINCSPACE vil at desse skal erstattast. (Sjå og Aktuelt-notisen Åtaksdetektorar på satellittar? i Nytt om Romfart nummer 108, 1998, sidene 6-7.) For at CINCSPACE skal kunne utføre oppdraget sitt må han vere i stand til å plassere nyttelaster i bane når behovet skulle melde seg.

Eit anna problem er at dyktig militært personell vert lokka til sivile, kommersielle selskap av betre løn, arbeidstid og arbeidstilhøve enn det amerikanske forsvaret kan tilby. Kongressen og Pentagon har fått opp augene for dette, og vil gjennom ein ny personellpolitikk betre tilhøva for militært nøkkelpersonell.

Avslutning

Alt er likevel ikkje heilsvart. Lockheed Martin skaut 12. april opp Eutelsat W3. Dette er den tyngste satellitten som Eutelsat nokon gong har fått plassert i bane. Dette var 43. suksessen for Atlas på fem år. Centaur plasserte Eutelsat W3 i ei geostasjonær overføringsbane. Ved hjelp av fire brennperiodar med satellitten sine DaimlerChrysler motorsystem var satellitten framme i geostasjonær bane den 14. april. Satellitten skal operere frå sju gradar aust, der dei 24 transponderane i Ku-bandet vil gje Europa utvida kringkastingstenester. Den europeiske kringkastingsunionen EBU vil gjere seg nytte av satellitten, og ikkje mindre enn seks transpondarar skal sende fjernsynssignal mot Tyrkia.

22. mai plasserte ein Titan 4-bererakett ei hemmeleg National Reconnaissance Office-nyttelast i bane frå Vandenberg-flybasen i California. Den første bana var på 200 km x 300 km, og banevinkelen var på 63,4°. Det er mogeleg at dette var berre eitt romfarty, men banevinkelen og det vesle dekselet er tolka som tre små farty som opererer saman for å samle inn elektroniske etterretningsdata (elint). Hvis det berre er ein satellitt, kan han ha vore utstyrt med ein radar.

Dette var første gongen ein skaut opp Titan 4B frå Vandenberg-flybasen.

Tekst til illustrasjoner brukt i artikkelen

Ein av det amerikanske luftforsvaret sine satellittar for tidleg varsling vart plassert i feil bane då IUS-trinnet svikta.

Sjølv om denne Titan 4B-raketten fungerte etter planen 9. april 1999 vart nyttelasta plassert i feil bane.

Tre Titan 4/Centaur-trinn ligg på rekke og rad i hangaren til Lockheed Martin. Tre mindre Centaur for Atlas-rakettar ligg i bakgrunnen.

Boeing sitt IUS-trinn og ein DSP-satellitt vert plassert i lasterommet til romferja Atlantis i 1991. Dette var einaste romferje/DSP-oppskytinga så langt.

Ein satellitt av Milstar-typen under klargjering.

Delta 3 og Orion 3 startar frå Cape Canaveral.

Dette øvre Delta 3-trinnet svikta under oppskytinga av kommunikasjonssatellitten Orion 3. RL-¹⁰B-2-motoren er lett synleg. Seinare vart det montert på ein fransk dyseforlengar.