Dubbelkampanjen S16/S13, jag var där!

Sven Grahn

S13- och S16-kampanjen var en stor satsning och Meteorologiska Institutionen vid Stockholms Universitet (MISU) som hade den vetenskapliga ledningen för båda projekten tog på sig ett stort ansvar för att bygga instrument och sondmoduler. Jag medverkade själv genom att konstruera och bygga fotometrarna SIP-O₃ och SIP NOX på S16-sonderna. Jag var då anställd vid MISU:s atmosfärfysikgrupp som leddes av Georg Witt, den legendariske rymdforskaren.

S13 var egentligen ett projekt som godkänts för genomförande inom ramen för ESRO:s sondraketprogram under beteckningen C100. (C stod för att bärraketen var en Centaureraket). Men när ESRO avvecklade sin sondraketverksamhet fick Sverige ta över projektet. Raket och vissa delar, bl.a. den engelska noskonen, till nyttolasten medföljde från ESRO.

Projektet startade hos Rymdbolaget den 1 januari 1973 med systemstudier och definition av själva sonden. Under andra halvåret 1973 lades beställningen på sondarbetet ut på Saab-Scania och tillverkning av delsystem som t.ex. telemetrisystemet (som var Rymdbolagets ansvar) påbörjades. Saabs arbete inleddes den 1 augusti 1973. Under 1974 tillverkades alla delsystem och  prototypen av sonden provades. Acceptansprovning av flygexemplaret av sonden skedde i början av 1975.Rymdbolagets projektledare för S13 var Bengt Holmqvist.

Ändamålet med projektet anges i projektplanen på detta sätt (4):

"... Mätning av optiska spridningskoefficienten hos atmosfären ned hjälp av blixtlampor och fotometrar samt ljusemissionen hos natthimlen främst i syrebanden med hjälp av fotometrar och filter. För att komplettera dessa mätningar som syftar till att studera fotokemiska processer skall dessutom undersökningar av elektrontäthet, jontäthet, energetiska partiklar samt atomärt syre göras med hjälp av respektiva faradayrotationsexperiment, jonfälla, Geiger-Müller-rör samt syre-sonder ..."

Den totala kostnaden för projektet förefaller ha varit ungefär 700 000 kronor (5), vilket mostvarar ungefär 5 miljoner kronor i 2011 års penningvärde - ett facilt pris.

Experimenten på S13

Uno Fröberg (t.v.) och Torbjörn Forsell från Saab-Scania arbetar med S13-sonden på Esrange. På bilden ser man reflektorn och lampan till experimentet OBS.	Principen för experimentet OBS från ett föredrag från 2010 av Georg Witt (6 ).
Relativ signal från OBS. från (6 )

Viktigaste data för sondraketen S13 (C100)

Händelser under flygningen, S-13

Nedräkning och uppskjutning

De vetenskapliga villkoren var att raketen skulle skjutas mellan 1840 och 0300 lokal tid. Dessutom fick det inte finnas något månljus, inget norrsken och liten stjärnbakgrund i raketens flygriktning. Helst skulle skottet gå vid lokal midnatt. Raketen sköts faktiskt upp under den första nedräkningen efter några timmars väntan på att skjutvillkoren skulle uppfyllas. Ett någon miniut långt uppehåll i nedräkningen skedde vid -27 sekunder. Det var dimmigt när skottet gick. Raketen försvann omedelbart, kommer jag ihåg.

Tabellen nedan sammanfattar skottet:

Data	S13
Startdatum	7 mars 1975
Starttid	00.22.55 UT
Startramp	Centaure
Rakettyp	Centaure II C
Temperatur	-21°C, 972 mm Hg
Markvind	1,98 m/s från 311°
Startrampens elevation	85,8° (85,1° nom)
Startrampens bäring	022°
Verklig topphöjd	109,2 km
Predikterad topphöjd	102 km
Verklig bäring till nedslaget	34,2°
Nominell bäring till nedslaget	350°
Verkligt avstånd till nedslaget	60,7 km
Nominellt avstånd till nedslaget	70 km
Bärgningssystem	Nej
Bärgning genomförd	Ja
Spinnvarvtal efter brinnslut	5,9 rps
Spinnvarvtal efter noskonsfällning	4,7 rps
Telemetrimottagning	469 s

Anomalier under S13-skottet

• Det förefaller som om alla utfällbara sensorer fälldes ut när noskonen avskiljdes. Detta berodde troligen på att den wire som låste all dessa dealr hade lossat under uppfärden och armarna och sensorerna vilade mot noskonens insida. När konen försvann fälldes de ut - mellan 7 och 12 sekunder för tidigt.
• Spänningsregulatorn för -18 V upphörde att fungera vid +292 sekunder, troligen på grund av en kortslutning. Denna ledde också till att experimentens batteri slutade leverera spänning vid +300 sekunder.
• Radiofyren startade som planerat men signalen försvann vid nedslaget, troligen på grund av att antennen skadades.
• Vad jag minns gick raketen i flatspinn när noskonen separarrade. Detta syntes tydligt på magnetometersignaer och andra mottagna data såsom de presenterade i Esrange:s "scientific centre". I (2) nämns att det finns risk att en koningsvinkel på upp till 20° uppstå, men rapporten nämner inte med ett ord att raketen gick i flatspinn. I Torbjörn Forsells memoarer (1) framgår dock vad som hände:

"... Det blev ett lyckat skott vetenskapligt sett även om nyttolasten kom att få en koningsrörelse som var större än förväntat. Orsaken till detta ligger i den noskon som användes. Den var designad på så vis att två noskonshalvor skulle separera från nyttolasten när konen öppnades i överänden. Problemet var att de båda halvorna aldrig separerade exakt samtidigt varför en sidokraft introducerades på raketen. Detta gav i sin tur en konande rörelse under resten av flygningen..."

I figuren nedan som är tagen från (8)  ser man att något dramatiskt hände med raketens attityd när noskonen separerade vid +70 sekunder:

 

S16 - NOX - jag var en av experimentatorerna!

Ändamålet var att utforska ozonet, kväveoxider och vattenångehalten i atmosfären upp till 100 km höjd. MISU stod för den vetenskapliga ledningen av projektet. Rymdbolaget hade totalansvaret och Saab-Scania i Linköping byggde sonderna.

Saabs arbete inleddes formellt 14 mars 1974. Under 1974 tillverkades alla delsystem och  prototypen av sonden provades. Acceptansprovning av flygexemplaret av sonden skedde i början av 1975. Rymdbolagets projektledare för S16 var Bengt Holmqvist, och projektledare hos Saab var Jonny Andersson.

Vid den formella projektstarten befann jag mig i Kouoru, Franska Guiana, där jag var med vid uppskjutningen av en prototyp till det instrument för mätning av ozon och kvävedioxid som senare sändes upp med S16. Denna prototyp sändes upp ombord på en sondraket från NASA. S16 innefattade uppsändning av två Nike-Apache-raketer.

Experimenten på S16

Sonden innehöll sju experiment: 

Experiment	Beskrivning
SIP	Meteorologiska Institutionen vid Stockholms Universitet (MISU) levererade ett instrument, SIP (Solar Irradiance Photometer), som mätte ozon- och kvävedioxidprofilen med hjälp solljusets absorption på ett antal väglängder från ultraviolett till nästan infrarött ljus. Principen var att solen stod strax under horisonten under raketfärden. Fotometern för ozon använde en fotomultiplikator som detektor och kvävedioxiddetektorn var en fotodiod. Experimentatorer var Georg Witt och Sven Grahn. Jag stod för den detaljerade konstruktioonen, sammansättning, provning och utvärdering av resultaten.
SCRAP	MISU  ansvarade också för ett experiment som gjorde fotometriska mätningar av spritt solljus vid våglängderna 365, 536 nm och vid NO vid 215 nm. (experimentator G Witt).
TOI	University of Saskatchewan (Edward Llewellyn)  levererade en fotometer som mätte emission från syremolekyler på 1,27 µm. TOI integrerades av MISU i sondens främre del.
Spectrometer	Johns Hopkins University, Baltimore, USA (P Feldman) levererade en avsökande UV-fotometer.
Experiment NO2	Atmospheric Environment Service /Environment Canada, Toronto (Wayne F J Evans), levererade en radiometer för att mäta NO2-halten med synligt ljus.
Experiment H2O	Atmospheric Environment Service /Environment Canada, Toronto, (Wayne F J Evans), levererade också en radiometer för att mäta vattenångehalten med infrarött ljus.
GM	Forsvarets Forskningsinstitutt två GM-rör. Dessa sensorer var riktade ungefär 45° från spinnaxeln.

Viktigaste data för sondraketerna S16

Nyttolastmodulmått och startvikter för S16-raketerna 

Modul	Längd (mm)
Nossektion, konisk del	680	Alla moduler: Diameter 230 mm. Noskonens konvinkel 19° 14'
Nossektion, cylindrisk del	220
Cylindrisk nyttolastsektion	1192
Anslutningsring till motordiameter	75	Övergång från 230 mm diameter till 172 mm
Bärgningssystem	508	Diameter 172 mm, endast S16-2.
Totalt	2635	Endast S16-2, 2127 mm för S16-1.

Raketernas startvikter
Raket	S16-2	S16-1
Del	Massa (kg)	Massa (kg)
Nyttolast	58,9	72,3
Bärgningssystem	13,3	-
Apache	98,8	98,8
Nike	597,7	597,7
Total startvikt	768,7	768.8

Nedräkningar och uppskjutningar

"Skjutfönstret" defiierades av det intervall för solens vinkel under horisonten (soldepressionen) mellan 3° och 5° (7 ) som gav bästa observationsförhållanden för ozon- och kväveoxidmätningarna. Denna soldepression medförde att solens skugga låg mellan 9 km och 25 km över Esrange. Dessutom skulle lugna magnetiska förhållanden råda och inget norrsken förekomma. Den 5 mars var "skjutfönstret" endast 6 minuter långt: 1629.08-1635.35 UT. Den 13 mars var "skjutfönstret": 1658.29-1704.50 UT (3). 

Ovan: Den första S16-raketen monterad på Centaurestartrampen i den s.k. Centaurehallen på Esrange. Att det är den första raketen ser man på det röda bärgningssystemet strax bakom nyttolasten. I bakgrunden till vänster ser man den röda Centaureraketen för S13-sonden. Till höger: Frigolitboxen skyddar hela raketekipaget från kyla när det står på startplatsen,

Sammanfattning av uppskjutningarna

Anomalier under de två S16-skotten

Den första raketen, S16-2, startade den 5 mars 1975 och redan efter 3 ekunder, under startraketen Nikes brinntid, försvann alla mätdata från raketen eftersom raketen brutits av. Nike, Apache och nyttolast singlade ned mot marken och nyttolasten slog ned efter ungefär 52 sekunder. Jag satt i "scientific center" vid uppskjutningen. Min fotometer (SIP) hade en liten lampa som före uppskjutningen, matades med kraft genom "navelsträngen". När raketen lyfte slockande lampan och signalen från fotometern klingade av utefter en rät linje (lampans ljus avtog exponentiellt, men fotometern var logaritmisk). Men sen försvann signalen och ersattes av brus. Ingenjörer från alla instrumentbyggare satt på rad och tittade på sina bläckskrivare. När signalen försvann sneglade alla på sina grannars skrivare och kunde då se att alla skrivarpapper var fyllda med bläck från den brusiga signalen. Ett haveri hade tydligen inträffat.

Den havererade nyttolasten - i förbluffande gott skick.

De två havererade raketstegen: Nike och Apache. Apachen tände aldrig.

Direkt efter haveriet begav jag mig till Esranges bibliotek och studerade bl.a. en samling tekniska föredrag från en sondraketkonferens i USA där NASA varnat för aeroelastisk instabilitet hos mycket långa Nike-Apache-ekipage.

I sin slutrapport framhöll Saab-Scania att en analys av ekipagets elasticitet med programmet FLMD (Flight Loads, Modes, and Deflections) inte ingått i Rymdbolagets uppdragsbeskrivning. jag minns hur denna incident användes som ett exempel på hur man skall skriva beställningar. Man skall skriva att leverantören skall "göra allt som behövs för att systemet skall fungera, även om det inte står i uppdragsbeskrivningen". En nyttig lärdom.

En orsaken till att ekipaget var så elastiskt var ju att nyttolasten var mycket lång och hade flera skarvar med liten diameter. Bärgningssystemet bidrog avsevärt till denna omständighet. Direkt efter haveriet började Saab-Scania att undersöka om man kunde eliminera bärgningssystemet och ersätta dess massa med motsvarande massa som ballast på insidan av noskonen.  Jag minns tydligt hur Saab-Scanias personal hamrade till blyplåt och skruvade fast den på insidan av noskonshalvorna till S16-1. På så sätt flyttades masscentrum framåt, vilket bidrog till stabiliteten och nyttolasten behöll sin massa vilket i sin tur minnebar att den modifierade raketen borde ha samma topphöjd som den omodifierade.

NASA:s Goddard Space Flight Center engagerades för att köra programmet FLMD (på stordator, förstås). Eftersom bärgningssystemet med sin separationsanordning hade eliminerats installerade Saab-Scania ett egenkonstruerat separationssystem (användes på S10) mellan raketmotor och nyttolast. Något prov med detta system hanns inte med och när systemet utlöstes under raketens nedfärd vid +273,6 s försvann telemetridata, men då hade alla viktiga mätningar redan slutförts. När man återfann nyttolasten visade det sig att separationsladdningen hade tryckt batteripaketet 100 mm framåt. Detta bröt strömförsörjningen till nyttolasten.

Det andra skottet skedde, otroligt nog, endast åtta dagar efter det första och gav bra vetenskapliga data. En verklig prestation av Saabs ingenjörer! 

Källor

1. Torbjörn Forsell: "Balloon Releaser in Blockhouse. Time for Lift-off...." Memoarer 2004.
2. Final Report Payload S13, Saab-Scania RRK-S13-75:67, 16 april 1975. Författad av Torbjörn Forsell.
3. Final Report Payload S16, Saab-Scania RRK-S16-75:68, 21 april 1975. Författad av Torbjörn Forsell.
4. Projektplan för Sond C100 (Etapp 2), Rymdbolagets dokument S13-4, 1 augusti 1973, Bengt Holmqvist.
5. Projektplan för Sond C100 (Etapp 4), Rymdbolagets dokument S13-8, 20 december 1974, Bengt Holmqvist.
6. G Witt,  Atmospheric sounding by active optical probes, presentation at 39 th Annual Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Valladolid, Spain, 2-27 August 2010.
7. Preliminär beskrivning sond S16 (NOX-TWILIGHT), Rymdbolagets dokument S16-2, 15 februari 1974, Bengt Holmqvist.
8. Preliminära attityddata för sond S13, Rymdbolagets dokument S13-9, 14 augusti 1975, Per Zetterquist, Sven Grahn.

Tillbaka tiil svensk rymdverksamhet