Plecaki odrzutowe z lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku nie mogły pochwalić się wysoką wydajnością. Te pojazdy, którym udało się jeszcze wzbić w powietrze, miały zbyt duże zużycie paliwa, co negatywnie wpłynęło na maksymalny możliwy czas lotu. Ponadto różne projekty miały inne problemy. Z czasem wojskowi i inżynierowie rozczarowali się taką technologią, która wcześniej była uważana za obiecującą i obiecującą. Nie doprowadziło to jednak do całkowitego wstrzymania pracy. Pod sam koniec lat pięćdziesiątych tematem zainteresowała się NASA, która miała nadzieję na zastosowanie nowej technologii w programach kosmicznych.
W dającej się przewidzieć przyszłości specjaliści NASA mieli nadzieję nie tylko wysłać człowieka w kosmos, ale także rozwiązać kilka innych problemów. W szczególności rozważono możliwość pracy na otwartej przestrzeni, poza statkiem. Do pełnego rozwiązania problemów w takich warunkach wymagany był pewien aparat, za pomocą którego astronauta mógł swobodnie poruszać się w pożądanym kierunku, manewrować itp. Na samym początku lat sześćdziesiątych NASA zwróciła się o pomoc do sił powietrznych, które do tego czasu zdołały przeprowadzić kilka podobnych programów. Ponadto przyciągnęła do pracy kilka przedsiębiorstw z branży lotniczej, które zostały zaproszone do opracowania własnych wersji osobistego samolotu dla programu kosmicznego. Między innymi taką ofertę otrzymał Chance-Vought.
Według dostępnych danych, już na etapie wstępnych badań, specjaliści NASA doszli do wniosków dotyczących optymalnego kształtu obiecującej technologii. Okazało się, że najwygodniejszym osobistym środkiem transportu będzie plecak z zestawem silników odrzutowych małej mocy. Takie urządzenia zamawiały firmy wykonawcze. Należy zauważyć, że rozważano również inne warianty aparatu, jednak za optymalny uznano plecak noszony na plecach astronauty.
Ogólny widok skafandra kosmicznego Chance-Vought i SMU. Zdjęcie z magazynu Popular Science
W ciągu następnych kilku lat Chance Vout przeprowadził szereg badań i ukształtował wygląd pojazdu kosmicznego. Projekt otrzymał oznaczenie SMU (Self-Maneuvering Unit). Na późniejszych etapach rozwoju projektu i podczas testów zastosowano nowe oznaczenie. Urządzenie zostało przemianowane na AMU (Astronaut Maneuvering Unit - "Urządzenie do manewrowania astronautą").
Prawdopodobnie autorzy projektu SMU mieli wyobrażenie o rozwoju zespołu Wendell Moore firmy Bell Aerosystems, a także wiedzieli o innych osiągnięciach w tym obszarze. Faktem jest, że plecaki odrzutowe Bella i statek kosmiczny, który pojawił się nieco później, musiały mieć te same silniki, choć o różnych charakterystykach. Zaproponowano wyposażenie produktu SMU w silniki odrzutowe pracujące na nadtlenku wodoru i wykorzystujące jego rozkład katalityczny.
Proces katalitycznego rozkładu nadtlenku wodoru do tego czasu był aktywnie wykorzystywany w różnych technikach, w tym w niektórych wczesnych plecakach odrzutowych. Istota tego pomysłu polega na doprowadzeniu „paliwa” do specjalnego katalizatora, który powoduje rozkład substancji na wodę i tlen. Powstała mieszanka parowo-gazowa ma wystarczająco wysoką temperaturę, a także rozszerza się z dużą prędkością, co umożliwia wykorzystanie jej jako źródła energii, w tym w silnikach odrzutowych.
Należy zauważyć, że rozkład nadtlenku wodoru nie jest najbardziej ekonomicznym źródłem energii w kontekście plecaków odrzutowych. Potrzeba zbyt dużej ilości „paliwa”, aby wytworzyć wystarczającą siłę ciągu, aby unieść osobę w powietrze. Tak więc w projektach Bella 20-litrowy czołg pozwalał pilotowi pozostać w powietrzu nie dłużej niż 25-30 sekund. Jednak dotyczyło to tylko lotów na Ziemi. W przypadku otwartej przestrzeni lub powierzchni Księżyca, ze względu na mniejszą (lub nieobecną) wagę astronauty, udało się zapewnić wymagane parametry aparatu bez niedopuszczalnie wysokiego zużycia nadtlenku wodoru.
W trakcie projektu SMU trzeba było rozwiązać kilka głównych problemów, z których głównym był oczywiście typ silnika odrzutowego. Ponadto konieczne było określenie optymalnego układu całego urządzenia, składu niezbędnego wyposażenia oraz szeregu innych cech projektu. Według doniesień, badanie tych zagadnień doprowadziło ostatecznie do zaprojektowania oryginalnego skafandra kosmicznego, który zaproponowano do użycia z produktem SMU/AMU.
Główne prace projektowe zostały ukończone w pierwszej połowie 1962 roku, wkrótce potem Chance-Vought wyprodukował prototypowy kosmiczny plecak odrzutowy. Jesienią tego samego roku urządzenie zostało po raz pierwszy pokazane prasie. Zdjęcia proponowanego systemu zostały po raz pierwszy opublikowane w listopadowym numerze Popular Science. Ponadto artykuł w tym czasopiśmie zawierał schemat układu i kilka kluczowych cech.
Jedno ze zdjęć opublikowanych przez Popular Science przedstawiało astronautę w nowym skafandrze kosmicznym z SMU na plecach. Proponowany skafander miał kulisty hełm z obniżoną osłoną twarzy i rozwiniętą dolną częścią, która miała spoczywać na ramionach astronauty. Było też kilka złączy do połączenia skafandra z systemami plecaka odrzutowego. Skafander firmy Chance-Vought wyraźnie różnił się od nowoczesnych produktów do tego celu. Został wykonany jak najlżejszy i najwyraźniej nie był wyposażony w zestaw środków ochronnych niezbędnych do spełnienia obecnych wymagań.
Sam plecak był prostokątnym blokiem z wklęsłą ścianą przednią i zestawem środków do mocowania na plecach astronauty. Tak więc na szczycie przedniej ściany znajdowały się dwa charakterystyczne „haki”, którymi plecak spoczywał na ramionach astronauty. W środkowej części znajdował się pas biodrowy, na którym znajdował się cylindryczny panel sterowania z kilkoma dźwigniami. Dostarczono również kilka kabli i elastycznych rurociągów do połączenia plecaka ze skafandrem kosmicznym.
Konieczność zapewnienia długotrwałej pracy poza statkiem kosmicznym, a także niedoskonałość ówczesnych technologii wpłynęły na układ statku kosmicznego. Na szczycie SMU znajdowała się duża jednostka systemu tlenowego z zamkniętą pętlą. Urządzenie to miało na celu dostarczanie mieszanki oddechowej do hełmu astronauty, a następnie wypompowywanie wydychanych gazów i usuwanie dwutlenku węgla. W przeciwieństwie do węży do podawania mieszaniny oddechowej ze statku czy butli ze sprężonym gazem, system z pochłaniaczami dwutlenku węgla nie ograniczał manewrowości astronauty i umożliwiał długie przebywanie na otwartej przestrzeni.
SMU bez tylnego panelu. Zdjęcie z magazynu Popular Science
Według doniesień podczas demonstracji dla reporterów SMU nie było wyposażone w system podtrzymywania życia zawodowego. Sprzęt ten nie był jeszcze gotowy do pracy i wymagał dodatkowych kontroli, dlatego został zastąpiony na prototypie symulatorem o tej samej wadze i wymiarach. To właśnie w tej konfiguracji urządzenie brało udział w pierwszych testach. Co więcej, prace w tym kierunku zostały poważnie opóźnione, dlatego nawet późniejszy prototyp, zbudowany pod koniec 1962 roku, był testowany bez instalacji tlenowej i wyposażony tylko w jej symulator.
Dolna lewa część kadłuba (w stosunku do pilota) została przeznaczona na umieszczenie zbiornika nadtlenku wodoru. Po prawej stronie znajdował się zestaw innego sprzętu do różnych celów. Na górze dolnego prawego przedziału znajdowała się radiostacja zapewniająca dwustronną łączność głosową, pod nią zainstalowano baterie i zasilacz do sprzętu, a także butlę ze sprężonym azotem do układu zasilania paliwem i reduktor gazu.
Na bocznych ścianach górnej powierzchni plecaka odrzutowego umieszczono cztery miniaturowe silniki z własnymi dyszami (po dwie z każdej strony). Te same silniki znaleziono na dolnej powierzchni kadłuba. Ponadto pośrodku dolnej powierzchni znajdowały się dwa silniki o podobnym układzie. W sumie dostępnych było 10 silników do uwalniania gazów odrzutowych. Dysze wszystkich silników były obracane i pochylane na różne strony i musiały być odpowiedzialne za tworzenie ciągu skierowanego w pożądanym kierunku.
Opisano, że każdy silnik jest małą jednostką z płytowym konwerterem katalitycznym wywołującym rozkład paliwa. Przed katalizatorem znajdował się zawór sterowany elektromagnetycznie. Zaproponowano podłączenie wszystkich dziesięciu silników do zbiornika paliwa, który z kolei był podłączony do butli ze sprężonym gazem.
Zasada silników była prosta. Pod ciśnieniem sprężonego azotu nadtlenek wodoru miał dostać się do rurociągów i dotrzeć do silników. Na polecenie systemu sterowania elektrozawory silników musiały otworzyć zawory i zapewnić dostęp „paliwa” do katalizatorów. Następnie nastąpiła reakcja rozkładu z uwolnieniem mieszaniny para-gaz przez dyszę i wytworzeniem ciągu.
Dysze zostały ustawione w taki sposób, aby poprzez synchroniczne lub asymetryczne załączanie silników można było poruszać się w żądanym kierunku, wykonywać skręty lub korygować ich położenie. Na przykład jednoczesne włączenie wszystkich silników skierowanych do tyłu umożliwiło poruszanie się do przodu, a skręt został zrealizowany dzięki asymetrycznemu włączeniu silników po różnych stronach.
Pierwsza wersja SMU otrzymała stosunkowo prosty panel sterowania wykonany w cylindrycznej obudowie i umieszczony na pasie biodrowym. Z boku, pod prawą ręką, znajdowała się dźwignia sterowania ruchem do przodu lub do tyłu. Na przedniej ściance umieszczono dźwignię regulacji pochylenia i odchylenia. Powyżej znajdowała się kolejna dźwignia odpowiedzialna za kontrolę przechyłu. Dodatkowo przewidziano przełączniki do włączania silnika, stacji radiowej i autopilota. Za pomocą takich elementów sterujących pilot mógł dostarczać nadtlenek wodoru do wymaganych silników, a tym samym kontrolować swoje ruchy.
Oprócz sterowania ręcznego, SMU posiadało automatykę zaprojektowaną w celu ułatwienia pracy astronauty. W razie potrzeby mógł włączyć autopilota, który za pomocą żyroskopu i stosunkowo prostej elektroniki musiał monitorować pozycję plecaka odrzutowego w kosmosie, dostosowując go w razie potrzeby. Zakładano, że taki reżim będzie stosowany podczas długotrwałej pracy w jednym miejscu, np. przy serwisowaniu instrumentów na zewnętrznej powierzchni statku kosmicznego. W tym przypadku astronauta miał możliwość wykonywania różnych prac, a automatyzacja musiała monitorować zachowanie pożądanej pozycji.
Prezentowana reporterom wersja plecaka odrzutowego SMU ważyła około 160 funtów (około 72 kg). W przypadku użycia na Księżycu waga urządzenia została zmniejszona do 25 funtów (11,5 kg), a podczas pracy na orbicie okołoziemskiej waga powinna być całkowicie wolna.
Układ plecaka odrzutowego SMU podczas testów. Zdjęcie z raportu
Według publikacji Popular Science prezentowana próbka SMU została obliczona tak, aby umożliwić astronaucie przelot do 1000 stóp (304 m) na jednym tankowaniu nadtlenku wodoru. Według twórców ciąg silnika wystarczał do przenoszenia wystarczająco dużych ładunków. Zadeklarowano np. możliwość przemieszczenia obiektu, na przykład statku kosmicznego, ważącego do 50 t. W tym przypadku astronauta musiał rozwinąć prędkość rzędu jednej stopy na sekundę.
Kilka miesięcy przed demonstracją aparatu SMU dziennikarzom, w połowie 1962 roku, prototyp został dostarczony do bazy sił powietrznych Wright-Patterson (Ohio), gdzie miał być testowany. Aby przeprowadzić wszystkie niezbędne testy, w projekt zaangażowani byli specjaliści z Ministerstwa Obrony, a także specjalny sprzęt. Jako platformę testową wybrano więc specjalny samolot KC-135 Zero G, który służył do badań w warunkach krótkotrwałej nieważkości.
Pierwszy lot z „zerową grawitacją” odbył się 25 czerwca 62, a przez kolejne miesiące przeprowadzono kilkadziesiąt prób działania plecaka odrzutowego w stanie zerowej grawitacji. W tym czasie udało się ustalić fundamentalną możliwość wykorzystania takich systemów w praktyce. Ponadto potwierdzono niektóre cechy i podstawowe dane lotu. Tak więc ciąg silników wystarczył do latania w atmosferze powietrznej i wykonywania prostych manewrów.
Pomyślne testy urządzenia SMU nie doprowadziły do wstrzymania prac projektowych. Pod koniec 1962 roku rozpoczęto prace nad zaktualizowaną wersją plecaka odrzutowego dla astronautów. W zmodernizowanej wersji projektu zaproponowano zmianę układu aparatury, a także wprowadzenie kilku innych poprawek w projekcie. Dzięki temu miał poprawić charakterystykę, przede wszystkim zapas „paliwa” i podstawowe dane lotu. Po rozpoczęciu prac nad zaktualizowanym projektem pojawiła się nowa nazwa AMU, która wkrótce zaczęła być stosowana w stosunku do poprzedniego produktu SMU, dlatego możliwe jest pewne zamieszanie.
Według dostępnych danych zmodernizowany AMU nie różnił się zbytnio wyglądem od podstawowego JM. Zewnętrzna część kadłuba nie uległa większym zmianom, a system mocowania aparatu do pleców astronauty pozostał ten sam. Jednocześnie radykalnie zmienił się układ jednostek wewnętrznych. Zasięg lotu na poziomie 300 m nie odpowiadał NASA, dlatego zaproponowano użycie nowego zbiornika paliwa. Plecak odrzutowy AMU otrzymał duży, długi zbiornik na nadtlenek wodoru, który zajmował całą środkową część kadłuba. Objętość nowego czołgu wynosiła 660 metrów sześciennych. cale (10,81 l). Inne wyposażenie zostało umieszczone na bokach tego czołgu.
W nowej aparaturze znajduje się między innymi zbiornik na sprężony azot układu wyporowego do podawania nadtlenku wodoru. Zgodnie z projektem azot miał być dostarczany do zbiornika paliwa pod ciśnieniem 3500 psi (238 atmosfer). Jednak podczas testów zastosowano niższe ciśnienia: około 200 psi (13,6 atm). Prototyp aparatu UAM został wyposażony w silniki o różnych mocach. Tak więc dysze odpowiedzialne za ruch do przodu i do tyłu rozwinęły poziom ciągu 20 funtów, używany do poruszania się w górę iw dół - 10 funtów.
Urządzenie AMU w przyszłości mogłoby otrzymać system podtrzymywania życia, ale nawet do czasu rozpoczęcia testów taki sprzęt nie był jeszcze gotowy. Z tego powodu doświadczony AMU, podobnie jak jego poprzednik, otrzymał tylko model pożądanego systemu o tych samych wymiarach i wadze. Po wykonaniu wszystkich niezbędnych prac projektowych i testach, system tlenowy można było zainstalować na kosmicznym plecaku odrzutowym.
Wkrótce po zakończeniu montażu, na samym końcu 1962 lub na początku 1963, AMU został wysłany do bazy Wright-Patterson na testy. Poligonem jego kontroli ponownie stał się specjalnie wyposażony samolot KC-135 Zero G. Różne kontrole trwały co najmniej do końca wiosny 1963 roku.
W połowie maja 1963 autorzy projektu przygotowali raport z przeprowadzonych badań. Do tego czasu, jak stwierdzono w dokumencie, wykonano ponad sto lotów na trajektorii parabolicznej, podczas których testowano działanie plecaków odrzutowych w stanie zerowej grawitacji. Podczas testów, pomimo krótkiego czasu lotów przy zerowej grawitacji, udało się opanować sterowanie obydwoma pojazdami, a także sprawdzić ich możliwości do przewożenia pilota lub ładunku.
Plecak AMU podczas testów. Zdjęcie z raportu
W końcowej części raportu przekonywano, że plecak odrzutowy UAM w obecnej formie ma zadowalające właściwości i może służyć do rozwiązywania przydzielonych mu zadań. Zwrócono również uwagę, że ciąg silnika do 20 funtów jest wystarczający do kontrolowanego lotu w pożądanym kierunku i wykonywania różnych manewrów. Wybrany układ dysz silników zapewniał, jak napisano w raporcie, doskonałą kontrolę nad aparatem dzięki umieszczeniu w równej odległości od środka ciężkości układu „pilot + plecak”.
Autopilot generalnie działał dobrze, ale wymagał ulepszeń i dodatkowych testów. W niektórych sytuacjach to urządzenie nie mogło prawidłowo reagować na zmianę położenia plecaka. Ponadto zaproponowano „nauczenie” automatyki sterującej ignorowania małych (do 10 °) odchyleń aparatu od określonej pozycji. Ten tryb umożliwił znaczne zmniejszenie zużycia nadtlenku wodoru.
Astronauci, którzy mieli w przyszłości korzystać z produktu UAM, musieli przejść specjalne szkolenie, podczas którego mogli nie tylko opanować sterowanie, ale także nauczyć się „wyczuwać” aparaturę. Potrzebę tego dowiodło kilka lotów testowych pod kontrolą pilota o niewystarczającym poziomie wyszkolenia. W takich przypadkach pilot działał powoli i nie różnił się dokładnością sterowania.
Ogólnie autorzy raportu wysoko ocenili sam UAM i wyniki jego testów. Zalecono kontynuowanie prac nad projektem, dalsze ulepszanie całej konstrukcji i jej poszczególnych elementów, a także zwrócenie uwagi na niektóre tryby lotu. Wszystkie te środki pozwoliły liczyć na pojawienie się praktycznego plecaka odrzutowego dla astronautów, w pełni nadającego się do rozwiązywania wszystkich przydzielonych zadań.
NASA i Chance-Vought, a także szereg powiązanych organizacji wzięły pod uwagę raport testerów i kontynuowały prace nad obiecującymi projektami. W połowie dekady, w oparciu o osiągnięcia projektu SMU / AMU, opracowano nowe urządzenie, które planowano nawet przetestować w kosmosie.
Dalsze prace w dziedzinie kosmicznych plecaków odrzutowych zakończyły się sukcesem. Na początku lat osiemdziesiątych w kosmos wysłano pierwsze MMU, które były wykorzystywane jako część wyposażenia statku kosmicznego promu kosmicznego. Sprzęt ten był aktywnie wykorzystywany w różnych misjach do rozwiązywania różnych problemów. Tym samym pomysł plecaka odrzutowego, mimo wielu niepowodzeń, znalazł praktyczne zastosowanie. To prawda, że zaczęli go używać nie na Ziemi, ale w kosmosie.
