Fördjupning - USA:s rymdfärder - Apollo 13

Här återfinns en fördjupning om den bemannade rymdfärden med Apollo 13.

Apollo 13

Astronauterna döpte kommandomodulen till Odyssey och månlandaren till Aquarius. Odyssey (Odyssé, d.v.s. irrfärd) på grund av deras långa färd, Aquarius (Vattumannen) efter den mytologiska Vattumannen, och möjligen även på grund av stjärnbilden Vattumannen.

Starten blev dramatisk, om än inte alls så dramatisk som för Apollo 12. Andra stegets mittenmotor stängdes ner två minuter tidigare än planerat. Saturn V:s båda första steg var dock bägge byggda för att kunna genomföra en rymdfärd om fyra av de fem motorerna fungerade, resultatet av en fallerad motor var att övriga fyra motorer fick arbeta lite längre. Man hamnade alltså lite senare än planerat i en lite annorlunda bana än planerat, men detta var inte något som påverkade Apollo 13:s förmåga att kunna ta sig till månen.

Desto större dramatik inträffade när man kommit ungefär två tredjedelar av vägen till månen. Ungefär 56 timmar efter starten exploderade en syretank i servicemodulen. Man visste först inte vad som hänt, utan det var först efter en hel del felsökning som man förstod att detta var ett mycket, mycket allvarligt fel, och att det inte bara uteslöt en månlandning, utan att det var ett så allvarligt fel att det var högst osäkert om astronauterna överhuvudtaget skulle kunna ta sig levande tillbaka till jorden igen.

Som nämnts i samband med Apollo 12 så hade Apollos servicemodul tre bränsleceller. Dessa genererade den allra största delen av den el som behövdes för rymdfärden. De tre bränslecellerna drevs av syre och väte. Dessa gaser förvarades i flytande form i två tankar för vardera gasen. Nu hade en av dessa syretankar exploderat.

Om olyckan hade inskränkt sig till att en av två syretankar gått sönder, så hade Apollo 13 haft hälften av sitt syre kvar och därmed hälften av sitt energiförråd. Nu var olyckan större, explosionen hade slitit sönder mer än bara en syretank.

Det första man kunde konstatera var att två av de tre bränslecellerna inte längre fungerade, de hade alltså även de gått sönder av explosionen. Med en ensam fungerade bränslecell kunde man fortfarande producera el om än inte lika mycket på en gång som med tre. Men, vad värre var, explosionen hade även skadat den andra syretanken så att den läckte syre i en takt som gjorde att den bara efter två timmar skulle vara tom på syre.

Man insåg direkt att man måste spara så mycket energi som någonsin möjligt, samtidigt som man måste rädda så mycket syre som möjligt för astronauterna att andas. Man isolerade den syretank som fanns i kommandomodulen och var avsedd för att ge syre till astronauterna vid återinträdet. Normalt var denna tank sammankopplad med övriga syretankar för att kunna fyllas på. Nu gällde det att denna tanks syre inte läckte ut tillsammans med det andra syret!

Man stängde även ner så mycket av elkonsumenter som man kunde, och använde de två timmarnas kvarvarande elproduktion för att ladda kommandomodulens batterier. Samtidigt startade man upp månlandaren på snabbast möjliga sätt, när man väl hade insett situationens allvar så hade man direkt förstått att astronauternas överlevnad berodde på att de kunde leva av resurserna i månlandaren.

När man fått igång månlandarens system var en av de viktigaste uppgifterna att flytta information från kommandomodulens navigationssystem till månlandarens. Innan man gjort det kunde man inte stänga ner kommandomodulens elförbrukning. Så länge kommandomodulen konsumerade el så naggade den på den lilla energi som fanns i de batterier som egentligen bara skulle användas vid återinträdet.

När man väl hade gjort detta stängde man ner kommandomodulens elsystem helt. Månlandaren fick ta över rollen som kommando-, navigations- och kommunikationscentral under resten av färden.

Parallellt med detta arbete arbetade man i markkontrollen med att ta fram vilka olika alternativ man hade att ta sig tillbaka till jorden.

Alternativa återresor till jorden

Att avbryta omedelbart var inte ett möjligt alternativ givet situationen. Detta alternativ krävde en mycket stor insats av servicemodulens stora raketmotor, och även så krävdes, för att resan hem skulle bli tillräckligt snabb, att man inte hade med sig månlandaren. Eftersom man redan konstaterat att astronauterna behövde månlandaren för att överleva så var alternativet att släppa månlandaren och tvärvända inte möjligt.

Alltså blev huvudalternativet att runda månen för att komma tillbaka till jorden. Även här fanns det flera alternativ.

För ökad säkerhet under resan mot månen lades färdens bana, för alla Apollo-färder som gick mot månen, på ett sådant sätt att om något gick fel och man inte kunde göra banändringar, så skulle den bana man befann sig i ta kapseln runt månen och slunga den tillbaka mot jorden. På engelska kallas detta "free-return trajectory", d.v.s. man får en "gratis" returresa.

Tyvärr bara så hade Apollo 13 kort innan olyckan lämnat denna gratis returbana för att lägga sig i en bättre bana inför månlandningen. Ett av de första besluten efter olyckan var därför huruvida man skulle återgå till den ursprungliga banan, och man beslöt göra det. Ungefär fem timmar efter olyckan gjorde man därför en banändring som tog Apollo 13 tillbaka till en bana som skulle föra dem åter till jorden utan extra åtgärder.

Problemet med denna gratis returresa var att den skulle ta lång tid, och man hade ytterst begränsade resurser i form av el, vatten och syre att tillgå. Det var osäkert om resurserna skulle räcka för en sådan lång återfärd. Alltså räknade man på sätt att snabba upp återfärden.

Den gratis returbanan skulle medföra en landning efter 155 timmar (räknat från rymdfärdens start), d.v.s. nästan 100 timmar efter olyckan. Det var tveksamt om de tillgängliga resurserna skulle räcka så länge. Dessutom skulle landningen i detta alternativ ske i Indiska oceanen, en plats där USA hade väldigt lite fartygsresurser på plats för bärgning. (Fyra dygn är en väldigt lång tid när man sitter i en trasig rymdkapsel och försöker komma tillbaka till jorden, men när det gäller att flytta ett örlogsfartyg från ett världshav till ett annat så hinner man inte göra mycket på fyra dygn.)

För att landa på den i förväg planerade landningsplatsen i Stilla havet, där stora fartygsresurser fanns redo, fanns flera möjligheter. Två av dem skulle ge en total färd på 118 timmar, ett tredje alternativ innebar en landning 142 timmar efter start.

Dessutom fanns ett femte alternativ där man 133 timmar efter start landade i Atlanten.

De olika alternativen förde med sig olika risker. För att snabba på återfärden och göra den kortare än de 155 timmar den skulle ta om man inte gjorde något extra, så var man tvungen att använda en raketmotor för att öka farten. Man hade två motorer att välja på: servicemodulens stora motor, och månlandarens betydligt klenare landningsmotor. (Den mindre motorn i månlandarens övre del som var avsedd att lyfta månlandarens överdel från månen, var inget alternativ eftersom användning av den krävde att man kopplade loss månlandarens underdel. I underdelen fanns större delen av det syre och de batterier som man behövde ha kvar.)

För att nå till Stilla havet på 118 timmar från start så fanns det två alternativ. Man kunde använda servicemodulens stora motor. Detta ville man dock undvika om inte astronauternas liv hängde på en så snabb återfärd. Man visste att explosionen hade förstört saker i servicemodulen, men man visste inget om ifall motorn var skadad och vad som i så fall skulle hända om man startade den. I värsta fall kunde en explosion förstöra hela rymdfarkosten. Man försökte alltså undvika att använda servicemodulens motor.

Alternativet att använda månlandarens landningsmotor hade problemet att den motorn var betydligt klenare. Om månlandarens motor skulle orka med att ta Apollo 13 tillbaka på 118 timmar räknat från start, så skulle man vara tvungen att göra sig av med den tunga servicemodulen innan man tände månlandarens motor. Detta hade dock en mycket stor nackdel.

Kommandomodulens värmesköld, den som gjorde att kapseln och astronauterna skulle kunna överleva hettan vid ett återinträde, var inte designad för att utsättas för rymdens kyla under en längre tid. Värmeskölden satt i botten av kommandomodulen och var vänd mot servicemodulen och satt alltså skyddad. Om man gjorde sig av med servicemodulen redan vid månen, så skulle värmeskölden utsättas för rymdens kyla under hela återresan. Ingen visste om den skulle tåla det. Sprickor kunde kanske uppstå i skölden så att hettan vid återinträdet förstörde kapseln. Återigen, om inte astronauternas liv hängde på en retur efter 118 timmar, så ville man inte riskera detta alternativ.

Alternativet att komma till Atlanten 133 timmar efter start hade också en baksida. För att få upp den farten krävdes att man brände i princip allt bränsle man hade i månlandarens underdel. Eftersom man saknade erfarenhet att flyga den udda farkostkombinationen, så var man orolig för att detta skulle innebära att man skulle tvingas till stora bankorrigeringar under återfärden. Om man brände allt bränsle redan vid månen skulle man inte kunna göra dessa stora bankorrigeringar om det krävdes.

Mest tilltalande var alternativet att landa på den förplanerade landningsplatsen vid 142 timmar efter start. Man skulle använda motorn i månlandarens underdel för att få upp farten, men man skulle ha tillräckligt med bränsle kvar för eventuella stora bankorrigeringar. Man kunde undvika att starta motorn i servicemodulen, men man kunde ha kvar servicemodulen för att skydda värmeskölden.

Allt hängde egentligen på hur mycket resurser man hade. Att landa i Stilla havet som planerat var tilltalande, och alternativet att landa efter 142 timmar var tilltalande eftersom det innebar mindre risker. Frågan var om de kritiska resurserna skulle räcka så länge?

Kritiska resurser

Syre

Först och främst naturligtvis syre. Syre var nödvändigt för astronauternas överlevnad. De två stora syretankarna i servicemodulen hade gått förlorade, nu fanns bara syret i kommandomodulens och månlandarens tankar kvar.

Syre för att andas är dessutom i princip omöjligt att ransonera. El och vatten och andra kritiska resurser kan man vara sparsam med, men syre måste astronauterna andas hela tiden för att överleva.

Lyckligt nog var syre den resurs man hade mest gott om. Den sammanlagda syremängden i kvarvarande tankar skulle räcka betydligt mer än 200 timmar från start, d.v.s. med råge längre än alla alternativ för återresan. Syre kunde man alltså vara lugn för att det fanns tillräckligt för återfärden.

El

El var den största huvudvärken. Kommandomodulen hade i princip bara energi i sina batterier för själva återinträdet. Man skulle alltså behöva genomföra hela återfärden från månen med den energi som fanns i månlandarens batterier. (Månlandaren hade inga bränsleceller utan drevs helt med batterier.)

Problemet var förstås att batterierna i månlandaren var dimensionerade för att systemen i månlandaren skulle vara påslagna i cirka två dygn, och under drygt ett av dessa dygn skulle månlandaren stå parkerad på månytan utan att ha navigationssystemen påslagna. Nu skulle man istället behöva få energin i månlandarens batterier att istället räcka i fyra dygn, med påslagna navigationssystem.

Markkontrollen arbetade fram en plan för elransonering där elförbrukningen i månlandaren skars ner till mindre än en tredjedel av normalt. Istället för omkring 50 ampere skulle man kunna komma ner i en förbrukning kring 15 ampere. Detta innebar att ett minimum av navigationssystem och kommunikationssystem användes, och att alla onödiga elförbrukare slogs av.

Om man följde ransoneringsplanen skulle elenergin räcka ganska precis de 155 timmar som den fria returresan skulle ta. Om man valde en snabbare återfärd skulle man ha lite marginaler.

Vatten

Vatten var en annan huvudvärk. Som nämnts på sidan om Gemini-programmet så var bränslecellernas restprodukt vatten. Apollo-kapslarnas vattenförsörjning byggde därför på att bränslecellerna kontinuerligt producerade vatten. Nu hade bränslecellerna slutat fungera. Det vatten som fanns var dels en del av det som redan hunnit produceras innan bränslecellerna slutade fungera, dels vatten i tankar i månlandaren. (Månlandaren var som nämnts helt batteridriven och hade inga bränsleceller. Därför måste månlandaren bära allt sitt vatten i tankar.)

Det handlade inte bara om vatten för astronauterna att dricka. Vatten användes även för att kyla rymdkapslarna. Rymden är en ogästvänlig miljö. Det kan vara mer än 100 grader varmt på rymdkapselns solsida, och mer än 100 grader kallt på kapselns skuggsida. För att miljön inuti kapseln skall bli uthärdlig för astronauterna så måste kapseln isolera mot både stark värme och stark kyla. Så långt är allt väl.

I kapslarna finns dock inte bara astronauter, utan även en stor mängd elförbrukande utrustning. Elförbrukningen innebär att värme utvecklas. I en välisolerad kapsel måste denna värme ledas bort på något sätt. Sättet man hade löst det i Apollo-farkosterna var att använda det vatten som bränslecellerna producerade. Man hade kylslingor som på utsidan av kapseln kyldes genom att vatten avdunstade ut i rymden. Det gick alltså ständigt åt vatten för att kyla kapslarna. I normalfallet var detta en smidig lösning, eftersom bränslecellerna producerade en stor mängd vatten som kunde användas för denna typ av kylning. Nu var situationen en annan, inget vatten alls producerades.

Vatten visade sig vara den mest kritiska resursen. Enligt de tidigaste beräkningarna skulle vattnet inte räcka till den landning vid 142 timmar som man av säkerhetsskäl helst ville genomföra.

Dock, genom experiment med tidigare månlandare hade man testat hur länge elektroniken i månlandaren klarade sig utan kylning. Man trodde att månlandaren kunde klara sig uppemot tio timmar utan kylning innan elektroniken blev överhettad, och tiden då vattnet beräknades ta slut var mindre än tio timmar innan landning vid 142 timmar.

Man valde därför att satsa på landning vid 142 timmar och att månlandaren de sista timmarna skulle vara utan kylvatten. Man förmanade astronauterna att vara ytterst sparsamma med vatten, något som ledde till att de alla tre var uttorkade vid landningen. Man planerade även att flytta vatten från kommandomodulen till månlandaren (där strömmen förbrukades och därför kylningen krävdes). Dessutom planerade man för att ta kylvatten ur den utrustning som man skulle använt för månpromenaderna.

Det visade sig att vattensituationen blev bättre än befarat. Som nämnts användes huvuddelen av vattnet till att kyla rymdkapslarna. Markkontrollen lyckades spara ännu mer el än man först trodde möjligt. När man gick ner på den allra snålaste ransoneringen så drog månlandaren bara 13 ampere istället för de planerade 15. Det innebar förstås att behovet av kylning minskade, och i slutänden tog vattnet inte slut, utan man hade till och med lite vatten kvar.

Koldioxid ("anti-resurs")

Jag kallar koldioxid för en "anti-resurs" eftersom det inte gäller att ha tillräckligt av koldioxid, utan istället att bli av med koldioxiden ur atmosfären. I kapslarna fanns under färd en atmosfär ("luft") av rent syre med ett tryck som var ungefär en tredjedel av lufttrycket vid jordytan. För enkelhets skull kallar jag här atmosfären i kapslarna för "luft".

Eftersom atmosfären (luften) i kapslarna var ett slutet system (det fanns ingen "uteluft" att ha utbyte med), så behövde man hela tiden tillföra nytt syre allt eftersom astronauterna andades. Eftersom andning producerar koldioxid som restprodukt, så var man dessutom tvungen att rensa luften från koldioxid för att undvika att koldioxidhalten i luften blev för hög.

I Apollo-kapslarna rensades luften genom att luften cirkulerades i kapslarna i ett ventilationssystem och då pumpades luften genom filter som innehöll litiumhydrooxid. Litiumhydrooxid binder koldioxiden. Dessa filter behövde bytas med jämna mellanrum, och såväl kommandomodul som månlandare hade extra filter för att täcka behovet.

Problemet var förstås (i likhet med övriga resurser i månlandaren) att månlandarens system var dimensionerat för att ta hand om två astronauters koldioxid i två dygn, medan systemet nu skulle behöva hantera tre astronauters koldioxid i nästan fyra dygn. Filtren i månlandaren skulle alltså inte räcka för hela resten av färden. Eftersom kommandomodul och månlandare tillverkades av olika företag så såg filtren olika ut, och kommandomodulens fyrkantiga filter passade inte i månlandarens runda filterhållare.

På marken startade man en aktivitet för att med material som fanns tillgängligt i kapslarna hitta ett sätt att få månlandarens ventilationssystem att använda kommandomodulens filter. Man hade tillräckligt med kapacitet i månlandarens filter för att inte behöva stressa, och dessutom hade markkontrollens läkare gett tillåtelse att tillfälligtvis gå över den normala koldioxidgränsen. När man hade en procedur klar att förklaras för astronauterna, så väntade man till ett lämpligt tillfälle när två astronauter var tillgängliga för att be dem utföra proceduren. Ibland beskrivs denna aktivitet som en kamp om minuter, men i verkligheten hade man god (men inte oändlig) tid på sig.

Problemet med att rena luften blev ganska väl känt bland allmänheten, kanske på grund av att problemet var så enkelt att relatera till. Den klassiska barnleksaken med olikformade klossar som skall stoppas i olikformade hål lär barn att en fyrkantig kloss inte passar i ett runt hål. Denna grundläggande problematik var vad Apollo 13 behövde komma runt.

Lösningen innebar en del pyssel. En utgångspunkt var slangar som fanns i månlandaren. När astronauterna befann sig inne i månlandaren men hade rymddräkterna på sig, så hade de luftväxling i dräkterna genom slangpaket som kopplades till månlandarens ventilationssystem. Dessa slangar använde man nu. Den av slangarna som sög luft anslöts till kommandomodulens filter genom ett arrangemang som innefattande plastpåsar, styv kartong och en hel del silvertejp.

En sak man var noga med var att se till att man sög ut koldioxid-fylld luft även från kommandomodulen, och att man blåste in syrerik luft i den. Ventilationen i kommandomodulen var avstängd liksom allt annat där, så för att minska risken att farliga mängder koldioxid samlades i kommandomodulen, så såg man till att slangarna man använde räckte så långt in i kommandomodulen som möjligt.

Allteftersom filtren blev fulla med koldioxid så genomförde astronauterna nya "pysselstunder" för att koppla till nya filter. Det hela fungerade bra, så snart färska filter kopplades in sjönk koldioxidnivåerna till nästan noll.

En lång och kall hemresa

Astronauterna använde månlandaren som "arbetsrum" och kommandomodulen som "sovrum". En anledning till detta var att man på grund av den speciella situationen hade bestämt sig för att arbeta i skift, så att alltid minst en astronaut var vaken. Normalt hade man sovperioder då alla astronauterna sov samtidigt. Så hade man haft det ända sedan tidigt i Gemini-programmet när man insåg att skiftarbete inte fungerade eftersom den vakne och aktive astronauten störde den som försökte sova.

På grund av skiftarbetet, och på grund av hur trångt det var i månlandaren, så blev valet att använda kommandomodulen som sovrum. Astronauterna skämtade t.o.m. om att de hade världens första rymdstation eftersom de hade flera rum att vistas i.

En följd av att man stängt ner kommandomodulen helt och hållet var att det blev kallt där. Ingen elektrisk utrustning värmde upp kommandomodulen, och den blev långsamt allt kallare. Mot slutet av färden var det bokstavligen kylskåpskallt i kommandomodulen, cirka 4 plusgrader. Månlandaren var varmare, men hade inte plats för både arbete och sömn för tre personer. Astronauterna frös. Lovell och Haise hade på sig de tjocka stövlar som var tänkta för månpromenaderna. Swigert hade inga sådana, utan fick ta på sig mera kläder istället.

Återinträde och hemkomst

Man utformade därför en omvänd procedur där man kopplade loss servicemodulen först, och först därefter månlandaren. Man kopplade loss servicemodulen i så god tid att astronauterna fick några minuter på sig att fotografera servicemodulen efter det att den kopplats loss. Under färden hade astronauterna inte kunna se hur stor skada explosionen gjort på servicemodulen. Nu när de såg hur skadad servicemodulen faktiskt var, häpnade de över att de trots detta hade lyckats ta sig tillbaka till jorden. Bilden till vänster visar ett av de foton som besättningen tog av den skadade servicemodulen. Man ser ett stort hål i sidan där diverse saker hänger ut.

Återinträdet bjöd även det på lite dramatik, men mest för markkontrollen. Under varje återinträde uppstår det en stund när det plasma som bildas av upphettningen omöjliggör radiokommunikation med kapseln. Det är alltså alltid några minuters radiotystnad under återinträdet. För Apollo 13 blev denna period längre än normalt, och man hann i markkontrollen bli orolig att något hade gått fel i det sista kritiska momentet.

Dock, ett par minuter senare än planerat hörde markkontrollen astronauterna i kapseln. De tre stora fallskärmarna fungerade som de skulle, och Apollo 13 landade i Stilla havet, på den plats man hade räknat ut tre dygn tidigare.

Astronauterna berättade senare om den märkliga upplevelsen att landa i 30 graders värme, men samtidigt frysa som hundar i en kylskåpskall kapsel där andedräkten stod som rök ur munnarna.

Apollo 13:s dramatiska färd engagerade en hel värld, och för några dygn blev USA:s rymdfärder återigen lika uppmärksammande som under den första månlandningen med Apollo 11. Genom Apollo 13 visade USA att man menade allvar även med den andra delen av president Kennedys löfte: att ta astronauterna välbehållna tillbaka till jorden igen. Trots dåliga odds hade man genom en otrolig insats lyckats att få de egentligen otillräckliga resurserna att räcka till för en säker hemfärd.

Effekter på Apollo-programmet

Ändringar som genomfördes innan Apollo 14 tilläts genomföra USA:s nästa månfärd, inkluderade att ändra designen på syretankarna för att minska risken för brand, och striktare kvalitetskontroll. Man införde en tredje syretank som placerades på motsatt sida av servicemodulen jämfört med de två andra, för att minska risken för att en explosion skulle slå ut alla syretankar. En vattentank för dricksvatten i nödfall sattes in i kommandomodulen, och servicemodulen fick ett batteri att använda i nödsituationer.

Här är en länk vidare till Apollo 14.

Här är en länk tillbaka till fördjupningssidan om Apollo.

Här är en länk tillbaka till fördjupningssidan om rymden.

//MatsB   v 1.0 2020-10-04