هیوستون، ما بقایای موتور را داریم: چگونه آزمایشگاه من قسمتی فراموش شده از موشک آپولو را با هم ترکیب کرد

من هم مانند بسیاری از مردم، زمانی که کودک بودم آرزو داشتم به عنوان فضانورد به فضا پرواز کنم. این علاقه به هوافضا و اکتشافات فضایی در طول زندگی من ادامه داشته است.

بنابراین وقتی همکارم تیم فوکه، که در آن زمان در NIST کار می‌کرد، از من دعوت کرد تا در پروژه‌ای تحقیقاتی مربوط به برنامه فضایی آپولو کمک کنم، از این فرصت استفاده نکردم. تیم سابقه طولانی در پزشکی قانونی و حفاظت از دریا دارد.

ده موشک عظیم Saturn V فضانوردان را در طول ماموریت آپولو به ماه به فضا پرتاب کردند. برای رسیدن به ماه، تکه‌های موشکی که به عنوان استیج شناخته می‌شوند، به دلیل تمام شدن سوخت دور انداخته شدند. اولین مراحل موشک Saturn V به اقیانوس اطلس سقوط کرد و از دهه 1960 و 1970 در آنجا بوده است.

یک دهه پیش، Bezos Expeditions برخی از این آثار را از کف اقیانوس بازیابی کرد. محافظان سال ها برای حفظ این اشیاء برای مطالعه تلاش کردند.

بسیاری از این قطعات در حال حاضر در موزه ها به نمایش گذاشته شده اند تا عموم مردم برنامه آپولو را ببینند و به خاطر بسپارند. برخی از دست نخورده ترین اقلام بودند موتورهای عظیم F-1. محافظان بر اساس محل پیدا شدن و شماره سریال هنوز در برخی از قسمت‌ها مشخص کردند که این آثار از ماموریت‌های آپولو 11، آپولو 13، آپولو 14 و آپولو 16 آمده‌اند.

من و تیم در ابتدا با برخی از محافظان کار کردیم تا به شناسایی برخی از مواد مورد استفاده در موتورهای موشک کمک کنیم. با این حال، محافظان با یک نوع قطعه – پره های توربین – چالش های مهمی داشتند. آنها دریافتند که بسیاری از تیغه ها بسیار سبک تر از آنچه باید باشند و در لمس شکننده هستند.

پس از بازیابی از محل استراحت طولانی مدت خود در کف اقیانوس اطلس، یک تیغه توربین از موتور موشک Saturn V اخیراً برای تجزیه و تحلیل به آزمایشگاه ما در Gaithersburg، مریلند راه یافت.

من در ابتدا با ذکر پره های توربین کاملاً متحیر بودم. من می دانستم که آنها معمولا در موتورهای جت استفاده می شوند، اما در ابتدا به سختی متوجه شدم که چگونه آنها را در موتورهای موشکی جا می دهند. با خواندن بیشتر در مورد آن، از اینکه توربین‌ها بخشی از یک موتور جت هستند که به هر موشک متصل شده‌اند، شگفت‌زده شدم، تنها با هدف هدایت سوخت و اکسیژن به موتور موشک!

داستان موشک Saturn V و موتورهای F-1

طراحی موتور موشک F-1 مورد استفاده در Saturn V در دهه 1950 آغاز شد. طراحان بزرگ ترین موتوری را تصور کردند که ممکن است در دهه آینده مورد استفاده قرار گیرد.

رانش راکت نیرویی است که تعیین می‌کند موشک اصلاً حرکت می‌کند یا خیر، موشک می‌تواند چه محموله یا ابزاری را پرتاب کند و با چه سرعتی راکت در هوا حرکت می‌کند. طراحان بر روی عدد گرد 1 میلیون پوندی رانش (4.4 مگان نیوتن) برای این موتور استقرار داشتند.

در آن زمان، اکثر موتورهای موشک حدود 120000 پوند نیروی رانش (530 کیلونیوتون) تولید می کردند. بنابراین، ایجاد موتوری با 10 برابر این میزان نیروی رانش ممکن است کمی پوچ به نظر برسد. اما با ایجاد ناسا در سال 1958 و پس از آن مسابقه فضایی در طول دهه 1960، این ایده دیگر چندان دور از ذهن نبود. ناسا نیاز به موتورهای با رانش بالا را درک کرد که قادر به حرکت فضانوردان تا ماه و بازگشت هستند.

در زمان نهایی شدن طرح های Saturn V، موتورهای F-1 به 1.5 میلیون پوند نیروی رانش (6.6 مگان نیوتن) ارتقا یافته بودند. Saturn V از پنج عدد از این موتورها برای نیروی رانش ترکیبی 7.5 میلیون پوندی (33 مگان نیوتن) استفاده کرد.

تمام آن نیروی رانش مورد نیاز بود، همانطور که خود زحل V نیز به آن نیاز داشت بلندتر از مجسمه آزادی و بیش از 6 میلیون پوند (2.7 میلیون کیلوگرم) وزن داشت. اکثریت قریب به اتفاق وزن ترکیبی از نفت سفید، هیدروژن مایع و اکسیژن مایع برای تغذیه موتورها بود. این سازه عمدتاً یک لوله توخالی سبک وزن بود تا همه چیز را در کنار هم نگه دارد.

مطالعه تیغه توربین موتور F-1

هر تیغه دست نخورده توربین به اندازه یک قوطی نوشابه است و شبیه بال پیچ خورده هواپیما است. این شکل خیلی تعجب آور نیست زیرا کار مشابهی با بال هواپیما دارد. در مورد توربین، به جای ایجاد بالابر مانند بال هواپیما، پره‌ها چرخشی ایجاد می‌کنند تا سوخت و اکسیژن را به جایی که لازم است حرکت دهند.

در ابتدا یک تیغه سالم برای ما فرستاده شد، اما مطالعات ما محدود به مشاهده و آزمایش بود که به نمونه آسیب نمی رساند. تجزیه و تحلیل اولیه ما نشان داد که احتمالاً یک آلیاژ فلزی است که می تواند در دماهای بالا استفاده شود که به عنوان سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل شناخته می شود. اما این نتیجه گیری با هیچ یک از آلیاژهای شناخته شده در آن زمان مطابقت نداشت. علاوه بر این، از آنجایی که ما فقط می‌توانستیم سطح تیغه را بررسی کنیم، مطمئن نبودیم اندازه‌گیری‌های سطح مانند داخل تیغه باشد.

پس از بحث در مورد یافته‌های ما، محافظان چهار قطعه تیغه را به ما دادند که می‌توانیم آن‌ها را باز کنیم و آن‌ها را تجزیه و تحلیل کنیم که داخل آن چگونه به نظر می‌رسند. فقط با دست زدن به قطعات مشخص بود که آنها فلز جامد سابق نیستند. خیلی خیلی سبک بودند قطعه را در یک محفظه خلاء قرار دادیم تا ساختار داخلی را پشتیبانی کند و مخلوط اپوکسی را روی آن ریختیم. سپس هوا را وارد محفظه خلاء کردیم که اپوکسی را به بسیاری از فضاهای باز داخل تیغه فشار داد.

وقتی به داخل نگاه کردیم، تکان دهنده بود که تیغه ها چقدر متخلخل هستند، زیرا داخل آن خورده شده بود. سطوح بیرونی بیشتر دست نخورده بودند، اما داخل آن اکنون با اپوکسی پر شده بود، جایی که بیش از 40 سال پیش فلز وجود داشت. اپوکسی شفاف از منافذ فلزی شکننده حمایت می‌کرد در حالی که بقایای فلز خورده‌شده سبز رنگ را در جای خود نگه می‌داشت، مانند یخ شفاف روی یک حوض که در بسیاری از زمستان‌ها در غرب میانه دیدم.

سپس از یک میکروسکوپ تخصصی و سایر تجهیزات پیشرفته استفاده کردیم تا به طور همزمان ببینیم چه چیزی در حال خوردگی است و چگونه عناصر مختلف در سراسر تیغه توزیع شده اند. این به ما اجازه داد تا تأیید کنیم که احتمالاً آلیاژی است که به طور خاص برای این مأموریت ساخته شده است.

به عنوان محقق، ما هیچ اطلاعاتی در مورد موادی که در موتور استفاده شده است نداشتیم. تصور می‌کنم شرکتی که دهه‌ها پیش این موتور را ساخته بود، فقط باید الزامات ناسا را ​​برآورده می‌کرد و شاید مجبور نبودند دقیقاً مواد موجود در آن را فاش کنند. همچنین ممکن است آن رکوردها در طول سال ها گم شده باشند.

یکی از معماهای دیگر در این پروژه این بود که در چهار مجموعه توربین که پیدا شد، دو مجموعه توربین با پوشش محافظ آنها پیدا شد. دو نفر دیگر بدون پوشش پیدا شدند.

برخلاف انتظار، پره های توربین با پوشش محافظ دست نخورده به شدت خورده شدند. با خواندن مقالات دیگر در مورد خوردگی، متوجه شدم که این اغلب ممکن است رخ دهد، جایی که یک محیط راکد در داخل پوشش می تواند باعث خوردگی بیشتر از موادی شود که فقط در معرض عناصر قرار می گیرند.

معنی تحقیق ما برای حفاظت چیست؟

این تحقیق زمینه اضافی را در چند زمینه ارائه کرد، از جمله:

• چه موادی در موتورهای Saturn V استفاده شده است،
• چه چیزی باعث خوردگی شد (و چگونه از آن جلوگیری کرد)،
• کدام مواد یا محیط‌ها ممکن است برای محافظ‌کنندگان آینده بیشتر مستعد این نوع خوردگی باشند و
• ایده هایی در مورد نحوه پشتیبانی از نمونه های شکننده مانند این در سایر برنامه ها.

همچنین منحصر به فرد این است که این موتورها در محیطی غوطه ور بودند (برای چندین دهه در کف اقیانوس نشسته بودند) کاملاً متفاوت از محیطی که برای آن در نظر گرفته شده بودند (چرخش سریع در جریان گاز داغ در موتور موشک).

فرصت های حفاظتی زیادی برای چیزهایی که اخیراً ایجاد شده اند وجود نداشته است، بنابراین نتایج این کار به عنوان مقاله در مطالعات در زمینه حفاظت.

حوزه دیگری که امیدواریم در آن تأثیر بگذاریم، استفاده از ایده‌های حفاظتی برای داده‌ها و ابرداده‌های کارمان و همچنین خود مصنوعات است. ما علاوه بر نوشتن مقاله، یک را نیز آماده کرده ایم انتشار داده ها که شامل تصاویر، داده‌ها، روش‌ها و اطلاعات اضافی در مورد کار ما می‌شود تا محققین آینده بر اساس آن کار بسازند. این پروژه به من این امکان را داد که از دانش خود استفاده کنم و کار مهمی را که کارکنان NIST برای در دسترس قرار دادن داده‌ها در دهه گذشته انجام داده‌اند، انجام دهم. امیدواریم این نشریه به نشان دادن برخی از آنچه آموخته‌ایم به جامعه وسیع‌تری کمک کند.

حفاظت از قطعات موشک آپولو ممکن است با حوزه اصلی تحقیق من که شامل توسعه آزمایش‌ها و استانداردهای جدید برای ادغام است همپوشانی زیادی نداشته باشد. مواد پیشرفته و سبک تر به وسایل نقلیه برای بهره وری انرژی و سوخت. اما یکی از چیزهایی که من در مورد NIST دوست دارم این است که اغلب از ما خواسته می شود کارهای جذاب و غیرعادی انجام دهیم. کار در NIST مرا تشویق کرد تا به مردم در مشکلات فنی شان کمک کنم. من از حل مشکل و سپس به اشتراک گذاشتن آزادانه آنچه می آموزیم با جامعه پژوهشی و عموم مردم خوشحال می شوم.

این یک فرصت هیجان انگیز برای من به عنوان یک مهندس هوافضا بود که بخش کوچکی از تاریخ برنامه اکتشاف فضایی آپولو باشم. همچنین رفتن با خانواده‌ام به موزه هوا و فضای اسمیتسونیان در واشنگتن دی‌سی برای دیدن برخی از اشیاء خوب بود. در طول حلقه ویدیویی معرفی مصنوعات، راوی از “دانشمندان مواد” که روی بازسازی کار کردند تشکر کرد. شنیدنش خوشحال کننده بود.

زمانی که موشک‌ها پرتاب می‌شدند، من خیلی دیر به دنیا آمدم تا بتوانم بخشی از برنامه آپولو باشم، اما خوب است که بتوانم به روش خودم در بخشی از اکتشافات فضایی مشارکت کنم.

یادداشت نویسنده: آدام کروزیگر مایل است از نویسندگان همکار کلودیا چملو، پل ماردیکیان و جراد الکساندر که به او اجازه دادند با تهیه قطعات مختلف موشک برای تحقیق، آرزوی دوران کودکی خود را برای مشارکت در برنامه فضایی برآورده کند، و از مگان کینگ برای کمک ویراستاری تشکر کند. در تدوین این مقاله آدام همچنین کمک های قابل توجهی به این پروژه و مقاله دکتر تیم فوک قبل از بازنشستگی او از NIST را تصدیق می کند.