Stele verzi – SNAPSHOT

Odată cu finalizarea testului RFD-1, următoarea sarcină era montarea unui reactor SNAP-10A pe un vehicul spațial. Vehiculul ales a fost Agena, cunoscut și sub numele de ATV (Agena Target Vehicle) sau GATV (Gemini-Agena Target Vehicle).

Pe scurt, GATV era un vehicul spațial derivat din Agena-D, care era o treaptă superioară a rachetelor Atlas și Titan. La începutul programului Apollo, misiunile Gemini primiseră sarcina de a experimenta cu diferite tehnici și proceduri de andocare spațiala, pentru a căpăta experiență în astfel de manevre înainte de folosirea lor în programul lunar. Dorind să ia exemplul Gemini, care era un vehicul-școală relativ ușor și ieftin comparativ cu Apollo, s-a luat decizia de a urma o strategie similară și pentru dezvoltarea unui satelit spațial cu rol de ținta de andocare. În urma unui proces de selecție riguros, designul-ul celor de la Lockheed, care era bazat pe ultima treaptă a rachetei Atlas (treapta denumită Agena-D) a fost selectat.

Deja în 1965, GATV era un cal de povară foarte familiar planificatorilor de misiune, un vehicul robust care permitea un număr relativ mare de manevre orbitale, și care fusese deja test-bed pentru multe dintre sistemele spațiale care urmau să fie folosite în constelațiile de sateliți din anii 70. Alegerea sa ca și test bed pentru reactorul SNAP-10A era logică.

Subsistemul urma să fie montat pe vehiculul Agena la unul dintre capete, pentru a permite o ecranare cât mai eficientă a restului de vehicul. Pentru că reactorul reprezenta un tip de sursă electrică diferit de ceea ce se folosea la acel moment, anumite sisteme speciale de transfer de energie au fost instalate.

Lângă reactor urmau să fie montate și sistemele de urmărire și comandă împreuna cu cele de control și reglare a voltajului. Atomics Internațional a încercat să compartimentalizeze pe cât posibil reactorul.

De asemenea, satelitul urma să aibă și o serie de experimente adiționale, precum un detector de micrometeoriți și un propulsor ionic prin contact, cu cesiu (un precursor al motoarelor ionice de mai târziu). Acest din urmă era un proof-of-concept și opera folosind energie de la un set de baterii, care urmau apoi a fi lent reîncărcate de reactor. În urma operării sale, vehiculul urma să fie nu doar primul vehicul spațial cu energie nucleară, ci și primul vehicul cu propulsie ionică!

SNAPSHOT pe orbita – imagine artistica

 

Teste pregătitoare

Pentru a asigura o integrare corespunzătoare a reactorului cu Agena, o serie de prototipuri denumite Flight System Prototypes (FSM-1 și FSM-4 pentru sisteme generale, FSEM-2 și 3 pentru sisteme electrice) au fost supuse unor teste la sol. Acestea erau modele non-nucleare (căldura miezului fiind simulată printr-o serie de bucle rezistoare) testate în incinte vidate. Simulările urmăreau imitarea condițiilor la care urma să fie supus vehiculul atât în timpul lansării cât și în timpul operațiunilor în spațiu.

• FSM-1 era menit a testa conceptul și sistemele de simulare. Nu avea o machetă a sistemului de putere electrică.
• FSEM-2 nu avea nici el o machetă a sistemului de putere electrică, dar a inclus o machetă de masă a reactorului, radiatorului și a altor sisteme adiacente. Testele cu FSEM-2 au arătat că existau probleme cu design-ul electric original al satelitului, necesitând modificări și o reconstrucție totală a prototipului, precum și a sistemului de zbor însuși. După aceste modificări, noul prototip (FSEM-2A) a fost supus unor teste de vibrație, accelerație, șoc și temperatură (poreclite „Shake and Bake”), pe care le-a trecut cu brio.
• FSEM-3 a fost supus unor teste detaliate la uzina din Sunnyvale a Lockheed, folosind evenimente de misiune pentru a testa compatibilitatea reactor-vehicul. Au fost implementate schimbări adiționale ale sistemului electric, dar deja în 1965, testele de integrare și electrice erau finalizate.
• Ultima runda de teste a folosit FSM-4, care era singurul ce a inclus amestecul lichid de NaK, verificând că performantele sistemului erau in linie cu necesitățile operaționale.

Ultimul rând de teste a folosit un reactor SNAP-10A, în configurația de zbor obținută prin testele cu FSM-uri. Identic în configurație cu sistemul ce avea să zboare, acest test, denumit S10F-3 a avut loc între 22 Ianuarie 1965 și 15 Martie 1966 (practic concomitent cu misiunea în sine), operând neîntrerupt vreme de 10.000 ore, primele 390 de zile la putere termică de 35 kWe și apoi 25 de zile adiționale la 44 kWt. Testele au arătat că după un an de operațiuni, problema cunoscută a redistribuției hidrogenului în elementele de combustibil făcea ca puterea reactorului să scadă ușor mai mult decât se preconizase. S-au mai pus în vedere unele incertitudini minore, dar, per total, testul a fost un succes (mai mult decât misiunea însăși…) și a ajutat la operațiunile orbitale și analizele acestora de mai târziu. Tot acest test a definitivat și procedurile folosite la asamblarea sistemelor la sol, înaintea de lansare.

FSEM-3

 

Misiunea

Scopul misiunii era de a valida arhitectura reactorului SNAP-10A prin zbor orbital. Obiectivul era de a produce energie electrică (500 W / 0.5 kW, la o tensiune de 28.5 V curent direct) vreme de 9 zile fără control activ. Mai existau și o serie de obiective secundare:

• validarea posibilității de a folosi un reactor SNAP-2 cu modificări minime (acesta, folosind sistemul său de conversie cu vapori de mercur în ciclu Rankine, ar fi permis o putere electrică mult mai mare, în caz că misiunile ulterioare ale programului spațial ar fi avut nevoie de așa ceva).
• eliminarea necesității (dar nu a posibilității) controlului activ al reactorului vreme de un an, pentru eventuale misiuni viitoare care fi avut nevoie de o astfel de autonomie
• determinarea procedurilor de manipulare în condiții de siguranță în timpul procesului de integrare și asamblare a vehiculului spațial
• acomodarea eventualelor creșteri de masă atât în putere cât și în raportul de  putere/greutate

Dacă e să atragem atenția asupra acestor obiective secundare, cel mai interesant e obiectivul al doilea. Astfel, deși pragul pentru succes al misiunii era de 90 de zile, General Atomics dorea să dovedească capabilitatea de a opera vreme de un an (o capabilitate de fapt moștenită de la defunctul SNAP-2). Așadar, s-a dorit ca în acele 90 de zile, reactorul să demonstreze că era capabil să opereze mult mai mult timp, drept pentru care AI a impus niște linii directoare adiționale, mai stringente misiunii, specificând un număr de cerințe de proiectare, cum ar fi:

• Compartimentalizarea sistemului de energie in afara structurii vehiculului Agena pe cat posibil
• Cerințe de masă și poziție a centrului de greutate mai stringente comparativ cu cele primite de la Forțele Aeriene
• Întrunirea specificațiilor militare pentru expunere la radiație electromagnetica a Agena

Lansarea a fost aprobată formal în Martie, iar lansarea a avut loc pe 3 Aprilie 1965, la bordul unei rachete Atlas-Agena D, zburând de la Vandenberg Air Force Base. Lansarea în sine a mers fără cusur, iar vehiculul Agena a intrat pe orbită polară de 1300km cum era planificat.

Lansarea SNAPSHOT si SNAPSHOT pe orbita atașat de GATV (Agena)

Din păcate, alte aspecte ale misiunii nu au funcționat la fel de bine. Înainte de lansare una dintre sondele cu impedanță menite a fi folosite pentru studii ionosferice a cedat, și după lansare, o parte din sistemul de detectare a micrometeoriților a cedat și el înainte să apuce să transmită date.

Alte mici defecțiuni au fost observate, dar cel mai îngrijorător aspect erau ocazionalele scurtcircuite și dereglări de voltaj provenite de la propulsorul ionic, care suferea de o serie de moduri de avarie (similare cu condensatoarele de mare putere). De asemenea, s-au observat interferențe electromagnetice excesive, care au făcut ca o bună parte din telemetrie să fie non-inteligibilă. Din acest motiv, propulsorul a fost oprit și testarea lui lăsată pentru finalul misiunii.

Reactorul a primit comanda de pornire la 3.5 ore după intrarea pe orbită, iar tamburii de control grosier au fost inserați la maxim, urmând ca tamburii pentru control fin să înceapă un proces de inserare graduala a reactivității în reactor. După 6 ore, regimul critic a fost atins, și etapa de control activ a fost demarată.

Vreme de 154 de ore, tamburii de control au fost operați prin comenzi de la sol, pentru a testa comportamentul reactorului. Din cauza problemelor cu motorul ionic, sistemele de detectare a erorilor au fost și ele oprite pentru a nu genera avertismente false. După trecerea primelor 200 de ore, reactorul a fost setat pe regim autonom la putere maximă.

În intervalul de timp 600-700 de ore, voltajul reactorului precum și temperatura sa au început să scadă, un fenomen observat și anticipat de modelul S10-F3, și care se datora migrației moleculelor de hidrogen din miez.

Pe 16 Mai, puțin peste l luna de la lansare, contactul cu satelitul a fost pierdut vreme de 40 de ore. În timpul acestei pene, reflectoarele reactorului au fost ejectate din miez (deși au rămas atașate de cablurile actuatoarelor lor), oprind reacția nucleară. Asta a însemnat și sfârșitul operațiunilor vehiculului, iar când bateriile de urgență s-au consumat 5 zile mai târziu, s-a oprit definitiv și comunicațiile cu nava. Trecuseră 45 de zile de la lansare și fuseseră făcute numai 616 orbite.
 

Analiza misiunii

Care a fost cauza? Posibilitățile sunt multe, dar telemetria a arătat niște evenimente grave. Ce se știe cu siguranță a fost că evenimentul a fost cauzat de Agena, nu de reactor. Nu existaseră indicații că reactorul urma să între în oprire de urgență (ejectarea reflectoarelor fiind procedura de scram), iar problema nu era una care ar fi trebuit să se petreacă fără comenzi de la sol. Pe baza telemetriei, s-au făcut supoziții.

Cauza cea mai probabilă a fost o comandă eronată de la decodorul de comandă pentru sistemul de tensiune a Agenei, parte din sistemul de condiționare și distribuție a energiei electrice. Cauza comenzii poate ține de două lucruri: ori o parte a regulatorului a cedat, ori a devenit supraîncărcat datorită lipsei de utilizare a energiei electrice sau a unei comenzi date pentru creșterea puterii. Sau amândouă simultan.

Cauza exactă a cascadei nu a putut fi identificată mai departe, dar toate detaliile par să indice o problema a sistemului de voltaj înalt (folosit pentru propulsor și alte sisteme care necesită multă putere) și nu a celui de voltaj redus. Au putut fi eliminate alte cauze posibile precum:

• cedarea instrumentarului sau a reactorului din motive de regim termic sau radiație cosmica
• coliziunea cu un alt obiect
• explozia substanțelor chimice folosite de motoarele de la bord
• cauze legate de arcurile electrice și interferentele EM pornind de la propulsorul buclucaș

În ciuda morții timpurii a satelitului, multe informații referitoare la design, calificare, operațiuni la sol, și probleme de lansare, au putut fi adunate pe parcursul programului, și au devenit disponibile pentru eventuale viitoare misiuni. O serie de sugestii în baza acestora urmau să fie adoptate:

• Îmbunătățiri de instrumente si caracteristici
• Adăugarea unui ecran parasolar pentru radiatorul principal pentru a elimina diferența de eficiență între partea luminată și partea umbrită (radiatorul devenea mai puțin eficient când era in bătaia soarelui, și diferența între partea umbrită și cea luminată era notabilă și iritantă)
• Utilizarea unui scut de radiație de tip SNAP-2 pentru a permite folosirea unor componente off-the-shelf, care să nu necesite rezistență la radiație, economisind bani și masă pentru satelit.
• Alte sugestii minore

De altfel, întregul program de siguranță creat pentru SNAPSHOT, incluzând testele de criticalitate în submersie a SCA4, zborul RFT-1, și corelația bună între rezultatele observate la sol și cele de pe orbită, a arătat atât Comisiei pentru Energie Atomică (AEC) cât și eventualilor utilizatori a SNAP-10A că sistemul era matur și pregătit pentru orice misiune care ar fi putut să îl utilizeze.

Din păcate, astfel de misiuni nu erau în pregătire și nici nu aveau să sosească. Pur și simplu, 500 We nu înseamnă multă putere (deși era mai multă decât foloseau multe dintre misiunile de la acel moment). Îmbunătățiri ale sistemelor termoelectrice au continuat (și continuă și astăzi, utilizate fiind pentru RTG-urile folosite curent, precum și în industria grea, la capturarea energiei termice reziduale în diferite procese de amploare). Reactorul a rămas pe raft, și astfel primul sistem astronuclear care a zburat vreodată și singurul sistem astronuclear american a fost retras din uz aproape imediat după SNAPSHOT.
 

Sfârșitul și analiza programului SNAP-10

SNAP-10 și derivatul sau au fost de la bun început sisteme de putere redusă, chiar și după ce s-a dorit reinventarea sa ca și sistem cu putere de ordinul kWe. De la bun început, era gândit ca și sistem pentru sonde spațiale, pe orbită joasă (dar și pentru eventualele misiuni interplanetare ce se conturau la orizont, cum erau Mariner și Pioneer). Dacă SNAPSHOT ar fi funcționat corect, propulsorul cu cesiu ar fi fost o capabilitate utilă pentru misiunile ulterioare. Dar eventualele misiuni interplanetare ar fi durat ani de zile, și e discutabil dacă combustibilul fragil folosit pentru SNAP-10 și SNAP-10A ar fi rezistat. Programul-sora SNAP-2 și SNAP-B, cu design-uri care aveau durate de funcționare mai mari și putere mai mare, ar fi fost ideale pentru astfel de scenarii.

În esență, SNAP pe de-a întregul dorea să creeze o panoplie de sisteme, SNAP-10 fiind varianta cea mai redusă ca putere și capabilitate pentru anumite misiuni care se doreau ieftine și de nișă. Dacă se doreau misiuni mai lungi și puteri mai mari, urmau să se folosească SNAP-2. Ar mai fi urmat alte reactoare pe care le vom discuta în viitorul apropiat, de ordinul zeci de kWe, pentru stații spațiale sau baze lunare (SNAP-8, SNAP-50, etc). Din păcate, bugetul colosal absorbit de Apollo (care nu avea nevoie de reactoare pentru că misiunile durau numai câteva zile) își punea amprenta, iar tăierile au vizat partea cea mai scumpă din programul SNAP (adică SNAP-2, cu turbina sa în ciclu Brayton și combustibilul sau robust) și a rămas SNAP-10-le care, de la bun început, era o chestie de nișă și nu foarte utilă. Au continuat să fie realizate teste la modele pe care le vom prezenta în articolele viitoare, sperându-se că după Apollo, inevitabilul program de realizare a stațiilor spațiale și a bazelor lunare ar fi permis reprioritizarea programului SNAP. Adică, după aselenizare, continuarea programului lunar ar fi permis includerea SNAP în bugetul acestuia. Din păcate, programul de expansiune spațială (de care am vorbit deja la naveta nucleară) nu s-a dovedit la fel de inevitabil pe cât se dorea, iar necesitatea unor astfel de sisteme a dispărut. Dar în 1965, astea nu se întâmplaseră încă, așadar dezvoltarea familiei SNAP avea să continue o vreme.

Cronologia ce se dorea a fi realizata a dezvoltării tehnologiei electrice astro-nucleare. Vise…

Cât despre SNAP-10 însuși, am menționat că utilizările sale erau limitate. Reactoarele în general concurau cu panourile fotovoltaice, care deveneau din ce în ce mai eficiente. Totuși, ele aveau o mare hiba: dimensiunile fizice. Reactoarele sunt chestii compacte, și astfel, ele nu generau multă rezistență la înaintare. Panourile solare se desfășoară sub formă unor „aripi” vaste, și fac ca eventualul obiect orbital să aibă o secțiune transversală mare.

Aerul nu se termină brusc la o anumită altitudine, ci pur și simplu devine din ce în ce mai rarefiat. Peste 200 km înălțime, prezența acestor molecule izolate de gaze atmosferice e insesizabilă, dar ele sunt tot acolo, și generează frânare pentru navele din orbite joase (LEO – Low Earth Orbit). Acesta este motivul pentru care sateliții Starlink au o durata de viață limitată, măsurată în ani, și pentru care Stația Spațială Internațională / ISS (ale cărui panouri solare sunt mari cât lățimea unui teren de fotbal) necesită ocazionale corecții orbitale din partea vehiculelor andocate.

În mod normal, rezolvarea acestei probleme impune ori corecții orbitale (care depind ori de lansările unor vehicule remorcher, ori de cât combustibil ai la bord) sau folosirea unor orbite înalte. Dar sunt cazuri când ai nevoie de orbite joase. Spre exemplu, înălțimea joasă ajută la obținerea unei rezoluții mai bune pentru imagistică la sol. Adică, sateliții de spionaj preferă altitudini joase pentru a obține imagini mai bune. Sau pentru a înregistra mai clar comunicațiile adversarilor (vezi Ucraina).
De asemenea, ele permit utilizarea unor radare de mare putere la altitudine mai joasă, reactoarele fiind și compacte și de mare putere. Nevoia asta a fost unul dintre motivele demarării programului astro-nuclear sovietic US-A, ei dorind să poată să obțină imagini mai clare a mișcărilor forțelor navale americane în timpul războiului din Vietnam.

SUA, în schimb, nu avea de-a face cu un adversar naval serios, dar doctrinar considerau forțele aeriene ca fiind cel mai puternic multiplicator de forță la dispoziția lor. Iar avioanele sunt vulnerabile la capriciile meteorologiei. Din acest motiv, principala utilizarea propusă reactoarelor de 500 We era pentru sateliți meteorologici. Puterea era suficientă pentru a transmite în timp real imagini (folosind nou apărutele camere digitale) și posibil pentru a transmite informații referitoare la umezeala aerului. Ar fi permis, pentru acele vremuri primitive, probabil cele mai detaliate și precise informații meteorologice din lume.

Din păcate, interesul USAF a scăzut pe măsură pe bugetul sau era lovit de necesitățile războiului din Vietnam, iar sateliții meteo au scăzut în importantă până în anii 70-80, când tehnologia a devenit suficient de matură pentru aplicații duale civil-militare. Dar nici un operator non-militar nu vrea să se lege la cap cu un reactor, chiar dacă ii îmbunătățea satelitul.

Și astfel SNAP-10 a luat calea SNAP-2, marcând sfârșitul primei etape din programul SNAP. Design-urile mai avansate despre care vom vorbi în viitor s-au testat doar la sol sau au fost gândite doar pe hârtie. Programul SNAP a continuat până în anii 70, la fel ca NERVA, dar a devenit un program strict de cercetare.

Pentru data viitoare vom vorbit și despre motoarele ionice, care ar constitui una dintre principalele utilizări ale reactoarelor spațiale, urmând apoi detaliile despre restul programului SNAP și apoi vom vorbi în premieră despre tehnologiile muscăleștii. Până atunci, să ne auzim cu bine!

 

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. SNAP-10A SNAPSHOT Program Development, Atomics International 1962 ( https://www.osti.gov/biblio/4194781 )
2. Reliability Improvement Program Planning Report for the SNAP-10A Reactor, Coombs et al 1961 ( https://www.osti.gov/biblio/966760 )
3. ACCEPTANCE TEST FACILITY SAFEGUARDS REPORT 1963 ( https://www.osti.gov/biblio/4647237 )
4. FINAL SNAPSHOT PERFORMANCE REPORT 1966 ( https://www.osti.gov/servlets/purl/4474823 )
5. SNAPSHOT NUCLEAR FLIGHT SAFETY PROGRAM 1961 ( https://www.osti.gov/biblio/4648974 )
6. SNAPSHOT SAFETY PROGRAM PLAN 1962 ( https://www.osti.gov/biblio/966134 )
7. SNAP lOA Power System Shipment Safeguard s Report 1963 ( https://www.osti.gov/biblio/4201278 )
8. SNAP lOA Launch and Reentry Hazards Due to Steady-State Operation 1964 ( https://www.osti.gov/biblio/4195957 )
9. ACCEPTANCE TEST FACILITY SAFEGUARDS REPORT 1963 ( https://www.osti.gov/biblio/4647237 )
10. https://beyondnerva.com/fission-power-systems/systems-for-nuclear-auxiliary-power-snap/snap-10-10a-and-snapshot/
11. https://www.osti.gov/includes/opennet/includes/Understanding%20the%20Atom/SNAP%20Nuclear%20Space%20Reactors.pdf