Как выплескивание мешало служебному модулю «Аполлона» безопасно удалиться от командного модуля и как это было исправлено?

Начнем с «Постановления о проблеме» в отчете об аномалии.

... служебный модуль, сброшенный во время обратного полета на Луну, должен был войти в атмосферу Земли, а затем выйти на высокоэллиптическую околоземную орбиту. Таким образом, риск повторного контакта с командным модулем при входе был бы устранен. Однако на Аполлонах 8, 10 и 11 служебный модуль не проскочил, как ожидалось.

Когда космический корабль ориентируется примерно хвостом вперед*, приближаясь к Земле, служебный модуль отделяется от командного модуля, начинает запускать свои двигатели RCS перевода -X, кратковременно запускает свои вращательные двигатели, чтобы войти в состояние стабилизации вращения, и продолжает запускать - X, пока не закончится топливо RCS. Если бы стабилизация сохранилась, все дельта-v от двигателей были бы приложены в одном направлении, и СМ набрал бы скорость ~100 м/с относительно командного модуля, что достаточно, чтобы обеспечить большое расстояние от командного модуля и избежать быстрого повторного входа в сервисный модуль.

Однако до того, как двигатели начнут срабатывать, разделение модулей придаст служебному модулю небольшой угол тангажа и/или рыскания, что приведет к выбрасыванию топлива из баков с одной стороны СМ вперед, а топливо с другой стороны на корме.

Из-за дисбаланса топливных масс валковые двигатели придавали бы колебательное, прецессирующее вращение, а не устойчивое вращение, топливо продолжало бы плескаться взад и вперед, вращение становилось бы хаотичным, а служебный модуль кувыркался во всех направлениях. поскольку двигатели -X продолжали работать, что предположительно могло вернуть его на КМ.

Решение было удивительно грубым. Моделирование различных сценариев показало, что при правильной начальной скорости крена продольная ось оставалась направленной в правильном общем направлении в течение примерно 25 секунд, прежде чем она действительно начала расходиться, поэтому они сократили время горения крена, чтобы получить правильную скорость крена и просто приказал двигателям -X гореть всего 25 секунд вместо того, чтобы гореть до истощения топлива. Служебный модуль все еще кувыркался бы из-за выплескивания, но без запуска двигателей он не мог бы разогнаться до командного модуля. Более короткого разделительного прожига было бы недостаточно, чтобы предотвратить быстрый повторный вход в атмосферу служебного модуля, но, очевидно, это не было необходимой особенностью операции.

Кстати, я думаю, что статья сильно преувеличивает серьезность аномалии; это не «чуть не убило» экипаж «Аполлона-11». Служебный модуль будет удаляться от командного модуля примерно в течение минуты, затем, по сути, его скорость будет «случайным блужданием» в течение примерно 15 минут, пока атмосферные силы стали доминировать на траекториях двух модулей. Повторный контакт возможен, но маловероятен. Очевидно, было важно понять проблему и свести ее к минимуму, отсюда и отчет об аномалии, но, вероятно, сотня других факторов могла так же легко убить экипаж «Аполлона». (Это обнадеживает?)

* Я угадываю отношение здесь; наведение хвостом вперед и запуск -X максимизирует орбитальную скорость СМ и, следовательно, аспект «пропуска».