vierzig Jahre Apllo 13 – die Unglücksursache
Ich bin mir sicher, dass zu diesem Jahrestag viele Blogs heute erscheinen werden und die meisten werden sich mit dem Unglück und der Rettung beschäftigen. Eine spannende Geschichte, die ja auch von Tom Hanks verfilmt wurde. Wie von mir gewohnt betrachte ich die technische Seite.
Am 13.4.1970 explodierte der Sauerstofftank Nr.2 im SM und löst die Katastrophe aus. doch wie konnte das passieren? Jedes Servicemodul enthält zwei Sauerstofftanks mit jeweils 145 kg flüssigem Sauerstoff, zur Isolation ist der Tank doppelwandig. In ihn ragen nur zwei Rohre hinein. Das eine enthält zwei durch Thermostate geregelte Heizspulen und zwei Ventilatoren zum Durchmischen des Tanks, das zweite einen Messfühler der den Tankinhalt nach dem Kondensatorprinzip elektisch misst. Dazu kommt einen außen gebrachter Temperatursensor und ein Drucksensor, der automatisch die Heizung anwirft. Über dieses Rohr wird er auch betankt.
Sauerstofftank Nr. 8 machte schon Probleme bei der Herstellung. Schweißnähte waren zu porös, Der Ventilator zog zu viel Strom. Zum Schluss gelang es bei der Abgabeprüfung nicht den Tank zu entleeren – 45 kg Sauerstoff verblieben im Tank. Durch Erhitzen konnten 34 kg ausgetrieben werden, der Rest erst durch Spülen mit gasförmigen Sauerstoff unter 20 bar Druck.
Danach begannen die Einbauarbeiten in das Servicemodul von Apollo 10. Dies geschah am 11.3.1968. Im Sommer wurde eine Modifikation wegen EMV Interferenzen mit den Vakuumpumpen nötig, die man bei Tests entdeckte und die Einheit sollte ausgebaut werden. Am 11.10.1968 sollte der Tank aus dem SM-104 von Apollo 10 herausgehoben werden, ein Haltebolzen wurde aber vergessen und der Kran brach und der Sauerstofftank fiel aus 5 cm Höhe wieder in das SM. Dem maß man wegen der geringen Höhe keine Bedeutung bei, doch muss er dabei wohl an den vorderen Teil der Verkleidung gestoßen sein und der Einfüllstutzen dabei verbogen worden sein.
Es folgte der problemlose Einbau in das SM-106 von Apollo 13. Das geschah am 22.11.1968. Danach passierte lange Zeit gar nichts, bis am 16.3.1970 die Countdown-Generalprobe begann. Der Tank wurde vollgefüllt, die Brennstoffzellen in Betrieb genommen und das System geprüft, danach wurden beide Tanks wieder entlüftet. Das geschah durch das Einleiten gasförmigen Sauerstoffs. Während dies bei Tank 1 normal funktionierte und er bald den Füllstand von 50 % erreichte der für die nächsten Tests notwendig war blieb Tank 2 bei 92 % Füllung.
Man unterbrach die Prozedur und beriet sich mit dem Hersteller des Tanks Beech, North American über die weitere Vorgehensweise. Zuerst wurde am 27.3.1970 der Tank normal entlüftet. Durch das Verdampfen des Sauerstoffs hatte sich in ihm inzwischen ein Druck von 12,3 Bar aufgebaut. Das reduzierte die Menge auf 65 % Man diskutierte nun über das Problem und kam zu zwei Schlüssen – einem Leck in der Einfüllöffnung oder einem defekten Einfüllstutzen. Beide Möglichkeiten würden darin resultieren, dass der gasförmige Sauerstoff sofort zur Auslassöffnung gelangt ohne einen Druck auf den flüssigen Sauerstoff auszuüben.
Nun wurde beschlossen den Sauerstoff durch Erhitzen „Boil off“ auszutreiben. Die Hitzeelemente wurden mit der 65 V Bodenausrüstung in Betrieb genommen. Nach sechs Stunden betrieb war die Sauerstoffmenge aber nur auf 35 % gefallen. Nun wurde ein Pressure Cycling angewandt – der Tank wurde auf 20.5 Bar beaufschlag ohne dass die Entlüftungsöffnung freigegeben wurde und gleichzeitig erhitzt. Das Entlüften trieb dann jeweils 7 % Sauerstoff aus. Nach fünf Zyklen war der Tank leer. Acht Stunden lang waren die Heizelemente gelaufen.
Nun wurde beraten, ob nicht beide Sauerstofftanks ausgebaut werden sollten (einer alleine ging nicht). Da es nur um das Betanken ging, er aber während der Mission nie enttankt werden musste wurde beschlossen, zwölf Tage vor dem Start den Tank normal zu betanken: Ginge dies so würde die Mission normal durchgeführt werden. Bei Problemen würden beide Tanks ausgetauscht werden und Apollo 13 müsste verschoben werden.
Am 30.3.1970 wurde dies durchgeführt und es klappte. Die 20 % die zugeladen wurden ließen sich aus Tank 1 normal entfernen und bei Tank 2 war wieder ein Pressure Cycling nötig. Die folgenden Diskussionen konzentrierten sich auf den defekten Einfüllstutzen, der offensichtlich nach dem Fall verbogen war und wie sich dies auf die Mission auswirken konnte.
Das war aber nicht die Fehlerursache. Sie lag woanders.
Ursprünglich war der Tank ausgelegt für einen Betrieb an der 28 V Bordstromversorgung von Apollo. Der Thermostat, der die Heizelemente vor Überhitzung schützen sollte, war auf diese Spannung ausgelegt. 1965 änderte North American die Spezifikation für des Block II Designs und gab diese an Beech den Hersteller weiter. Der Tank sollte auch an das Bodenequipment im KSC angeschlossen werden können um ihn (wie bei Apollo 13 zu be- und enttanken). Das KSC arbeitete jedoch mit einer 65-V-Spannung. Beech bestellte auch neue Schutzschalter, vergaß aber die Spezifikation zu ändern.
Bei 65 V Spannung war der Thermostatschalter, der die Heizelemente von der Stromversorgung trennen sollte, wenn die maximale Betriebstemperatur von +27°C im LOX-Tank erreicht ist jedoch unwirksam. Spätere Tests mit einem anderen LOX-Tank zeigten, dass sich die Heizelemente auf bis zu 530 °C erhitzt haben mussten. Dadurch würde de Teflonisolation der Leitungen beschädigt. Danach waren Metallleitungen blank und ragten in flüssigen Sauerstoff.
Das Unglück nahm dann seinen Lauf. Vor der Explosion sollte Swigert mit den Ventilatoren den Inhalt der Tanks durchmischen – flüssiger Sauerstoff neigt zur Schichtenbindung. Das erschwerte der Bodenkontrolle die Messung der Restsauerstoffmenge. Daher sollte der Inhalt mit den Ventilatoren durchgemischt werden. Erstmals seit Missionsbeginn bekamen die Leitungen Strom, es kam zu einem Kurzschluss mit einer Lichtbogenentladung, welche das Teflon entzündete. Das Teflon brannte in flüssigem Sauerstoff natürlich ganz gut und der Druck im Tank stieg rasch an, bis er explodierte und dabei weitere Systeme beschädigte.
Im Nachhinein muss man sagen hatte die Besatzung Glück im Unglück. Nicht nur, weil die Explosion auch anders hätte verlaufen können, sondern auch wegen des Zeitpunktes: Apollo war in 300.000 km Entfernung, 56 Stunden nach Missionsbeginn. Wäre das Manöver wesentlich früher durchgeführt worden, so hätten die Stromreserven wohl nicht ausgereicht, um die Besatzung zu retten. Bei einem Zeitpunkt nur einen Tag später wäre die Kapsel in einem Mondorbit gewesen und ohne Haupttriebwerk wäre keine Rückkehr zur Erde möglich gewesen.