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.P.O. DRAWER B TR-86-MSFC-36196-059 HUNTSVILLE, ALABAMA 35805 FINAL TECHNICAL REPORT ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSIS FOR WTR HEADS-UP SPACE SHUTTLE TRAJECTORY CONTRACT NAS8-36196 MAY 1986 (NftSft-CK-178:8S4).. i ASCENT TSfiJECIOBY . N86-32509 DISPERSION ANfiLISIS f CB WTE HEADS-DP SP.ACE SHUTTLE TRAJECTORY Final Technical Report .{Byhetics, Inc. , Huntsvillc, Ala,}, ; 15.8', p Unclas CSCL 22A G3/16 PREPARED FOR: GEORGE C. MARSHALL SPACE FLIGHT CENTER NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION MARSHALL SPACE FLIGHT CENTER, ALABAMA https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19860023037 2020-06-08T16:36:24+00:00Z

ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSIS FOR WTR HEADS … · ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSIS FOR WTR HEADS-UP SPACE SHUTTLE TRAJECTORY CONTRACT NAS8-36196 MAY 1986 (NftSft-CK-178:8S4)

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• .P.O. DRAWER B TR-86-MSFC-36196-059HUNTSVILLE, ALABAMA 35805

FINAL TECHNICAL REPORT

ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSISFOR WTR HEADS-UP SPACE SHUTTLETRAJECTORY

CONTRACT NAS8-36196

MAY 1986

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CSCL 22A G3/16

PREPARED FOR:

GEORGE C. MARSHALL SPACE FLIGHT CENTERNATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATIONMARSHALL SPACE FLIGHT CENTER, ALABAMA

https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19860023037 2020-06-08T16:36:24+00:00Z

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TR-86-MSFC-36196-059

FINAL TECHNICAL REPORT

ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSISFORWTR HEADS-UP SPACE SHUTTLETRAJECTORY

CONTRACT NAS8-36196

MAY 1986

PREPARED FOR:

GEORGE C. MARSHALL SPACE FLIGHT CENTERNATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATIONMARSHALL SPACE FLIGHT CENTER. ALABAMA

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TABLE OF CONTENTS

Page

1. INTRODUCTION 1-1

2. NOMINAL TRAJECTORY REQUIREMENTS , 2-1

3. SYSTEM DISPERSION PARAMETERS 3-1

4. FORMULATION OF MAXIMUM AERODYNAMIC HEATING TRAJECTORIES 4-1

APPENDIX A-WTR DECEMBER LAUNCH CRITERIA AND GROUND RULES .... A-l

APPENDIX B-COMPUTER FILE INPUT/OUTPUT REQUIREMENTS .......... B-l

APPENDIX C-DISPERSION DATA (WTR) C-l

APPENDIX D-HEATING ANALYSIS DATA D-l

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LIST OF ILLUSTRATIONS

Figures Title Page

3-1 1st Stage CG 3a Uncertainties 3-7

3-2 2nd Stage CG 3a Uncertainties 3-8

4-1 AHI History for System Composite Trajectory 4-2

4-2 System Composite Angle of Attack HistoryCompari son 4-3

4-3 System Composite Sideslip Angle HistoryComparison 4-4

4-4 System Composite Dynamic Pressure HistoryComparison 4-5

4-5 System Composite Q-Alpha HistoryComparison 4-6

4-6 System Composite Q-Beta HistoryComparison 4-7

4-7 AHI History for Maximum Aero Heating Trajectorywith RQHW 4-9

4-8 AHI History for Maximum Aero Heating Trajectorywith HW 4-10

A-l WTR December Mean Wind Data A-3

A-2 SRM Vacuum Thrust Prof i 1 e A-8

D-l Relative Velocity Versus Altitude (First Stage) D-2

D-2 Relative Velocity Versus Altitude (Second Stage) D-3

D-3 Angle of Attack History for Maximum Heating RQHWCase with System RSS Dispersions Added D-4

D-4 Angle of Attack History for Maximum Heating HWCase with System RSS Dispersions Added D-5

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LIST OF ILLUSTRATIONS (Concluded)

Figures Titlj* Page

D-5 Sideslip Angle History for Maximum Heating RQHWCase with System RSS Dispersions Added. D-6

D-6 Sideslip Angle History for Maximum Heating HWCase with System RSS Dispersions Added D-7

VI

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LIST OF TABLES

Tables Title Page

3-1 Propulsion Perturbations 3-2

3-2 Aero/Environment Perturbations 3-3

3-3 Mass Property Perturbations 3-4

3-4 GN&C Perturbations 3-5

3-5 SRB Thrust Terminal Mismatch Data 3-6

4-1 System Composite Parameters 4-1

4-2 Maximum Aerodynamic Heating Trajectory Parameters 4-8

4-3 Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for HW 4-12

4-4 Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for RQHW 4-16

A-l Flight Control Parameter A-5

B-l Interpretation of IVAR Variables B-3

D-l Maximum Aerodynamic Heating (RQHW) Trajectory Data .... D-8

D-2 Maximum Aerodynamic Heating (HW) Trajectory Data D-10

vii(Reverse Blank)

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1. INTRODUCTION

This final report documents the results of a SpaceTransportation System ascent trajectory dispersion analysis performed byDynetics, Inc., under contract to the Marshall Space Flight Center(MSFC) of the National Aeronautics and Space Administration (NASA). Thepurpose of this dispersion analysis is to provide critical trajectoryparameter values for assessing the Space Shuttle in a "heads-up"configuration launched from the Western Test Range (WTR).

This analysis has been conducted using a trajectory profilebased on a launch from the WTR in December. This trajectory has beenused since it has been defined as a critical aerodynamic heatingmission. The analysis has consisted of the following steps:

1. Nominal trajectories have been simulated under theconditions as specified by baseline reference missionguidelines.

2. Dispersion trajectories were simulated using predeterminedparametric variations. Dispersion parameters were selectedto represent system-related error sources stemming frompropulsion uncertainties, aerodynamic errors, mass propertyinaccuracies, and guidance, navigation and control (GN&C)errors.

3. Requirements for a system-related composite trajectory weredetermined by a root-sum-square (RSS) analysis of thepositive deviations between values of the aerodynamicheating indicator (AMI) generated by the dispersion andnominal trajectories.

4. Using the RSS assessment as a guideline, the system relatedcomposite trajectory was simulated by combinations ofdispersion parameters which represented major contributors.

5. An assessment of environmental perturbations via a RSSanalysis was made by the combination of +2a atmosphericdensity variation and 95% directional design winddispersions. Unique wind directions were chosen to reflectcritical heating conditions.

1-1

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6. Maximum aerodynamic heating trajectories were simulated byvariation of dispersion parameters which would emulate thesummation of the system-related RSS and environmental RSSvalues of AHI. The maximum aerodynamic heatingtrajectories were simulated consistent with the directionalwinds used in the environmental analysis.

Trajectory parameters associated with the maximum aerodynamicheating trajectory cases, the system composite trajectories, and the RSSanalysis were delivered as computer files to the Government. Thesefiles were generated on the MSFC MIPS VAX-1 computer system.

The following report provides a summary of the analysis and issubdivided in the same manner as the analysis steps. Section 2describes the nominal trajectory requirements. These requirements are

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based on inputs provided by MSFC. Section 3 summarizes the parametersused in the dispersion analysis. Section 4 discusses the formulation ofthe system composite trajectories and the maximum aerodynamic heatingtrajectories. Several appendices are provided which present simulationinput requirements, tabulated results from the various analyses, andplots of critical parameters.

1-2

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2. NOMINAL TRAJECTORY REQUIREMENTS

Appendix A provides the input requirements and ground rules forthe "heads-up" WTR nominal trajectory. These data requirements wereused in the MSFC resident six-degree-of-freedom (6-DOF) STAR6D computerprogram to simulate the trajectories .used in this analysis.Verification of the baseline trajectory was performed by detailedcomparison of trajectory parameters to the trajectory developed by theShuttle Systems Integration Contractor, Rockwell International.

(Reverse Blank)2-1

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3. SYSTEM DISPERSION PARAMETERS

Tables 3-1 through 3-4 provide a summary of the parameters usedin the system dispersion analysis. The tables also reflect the case IDnumbers and the initial record location of each trajectory on the outputfile. In coordination with the Ascent Flight Systems Integration Panel(AFSIG) panel, the dispersions represent a 99% (2.33a) variation for SRMand aerodynamic perturbations and 70% of 2.33o for all otherperturbations including SRM mass property dispersions. Using thesedispersion values, simulations were made by the individual biasing ofthese parameters. Thus, each dispersion parameter was treated as anindependent variation. Approximately 60 individual trajectories weresimulated, and data from these simulations were stored on computerfiles..

Appendix C provides time-ordered histories of the AHIparameter, angle of attack, and sideslip angle as a function of thedispersion variations. The data in this appendix are presented asincrements between the value obtained from the dispersion simulation andthe nominal value (shown as the second column of these tables). Thenotation at the right upper corner of each table gives the name of theparameter; i.e., AHI, and the sign of the dispersion value incrementused in the generation of the trajectory. The index numbers shown inTables 3-1 through 3-4 correspond to the table headings in theAppendices.

3-1

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*Values used for this analysis reflect 70% of 2.33awhich results in multiplication of these values bya 0.54367 multiplication factor.

Figure 3-1. 1st Stage CG 3a Uncertainties*

3-7-

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15

*Values used for this analysis reflect 70% of 2.33awhich results in multiplication of these values bya 0.54367 multiplication factor.

Figure 3-2. 2nd Stage CG 3a Uncertainties*

3-8

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4. FORMULATION OF MAXIMUM AERODYNAMIC HEATING TRAJECTORIES

The methodology used to define the maximum aerodynamic heatingtrajectories is a multistep process that combines system-related andenvironmental dispersions. After defining the system-relateddispersions of Section 3, the first step of the process was to define asystem composite trajectory. The system composite trajectory is definedas a trajectory that emulates an AMI time history determined by thesummation of the nominal AHI history and the positive RSS AMI historyfor the system dispersions. The simulation of the system compositetrajectory requires combining mixtures of dispersion parameters in such

a manner to match the summed AHI history. Table 4-1 identifies thecombinations of parameters that were used to define the system compositetrajectory. Figure 4-1 presents a plot of AHI versus time thatrepresents the nominal trajectory, the plus and minus RSS deviationabout the nominal, and the system composite trajectory. In thisanalysis, the comparative matching was made with respect to the AHIparameter only; and therefore, does not necessarily result in beingwithin or upon the dispersion limits of other parameters. Figures 4-2through 4-6 provide plots of several critical parameters plotted in thesame manner as AHI.

Table 4-1. System Composite Parameters

+SRM Thrust Vector Misalignment(Pitch) (2.33 o)

+SSME Vacuum Thrust(70% of 2.33 a)

-IMU Platform Error (Pitch)(70S of 2.33 a)

The definition of environmental dispersions was the second stepof the process. Parameters used to define the environmental dispersionsconsist of +2a atmospheric density variations and directional 95% design

4-1

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wind histories (supplied by the Systems Dynamics Laboratory of MSFC).For this analysis, a right quartering head wind (RQHW) and a head wind(HW) were chosen as wind dispersion candidates since they would resultin critical aerodynamic heating cases. Use of the two wind historiesresulted in the requirement for two environmental composites. Eachcomposite consisted of a RSS assessment of the combination of atmosphericdensity and directional wind dispersions.

The guidelines for defining the maximum aerodynamic heatingtrajectory were based upon the addition of the system-dependent RSSassessment of AMI and the environmental RSS AMI values. The simulationof the maximum aerodynamic heating trajectories consisted of combiningthe system-related composite trajectory and the environmentaldispersions in a manner that reflected the accumulative sum of these tworoot sum squared values. Table 4-2 identifies the parameters that wereused in the construction of these maximum heat trajectories. Figures4-7 and 4-8 present plots of the nominal trajectory, the +RSS systemdispersion, the addition of the environmental RSS to the systemdispersion, and the simulated maximum aerodynamic heating trajectories.

Table 4-2. Maximum Aerodynamic HeatingTrajectory Parameters

RQHW Case

+SRM Thrust Vector Misalignment(Pitch) (2.33 a)

+SSME Vacuum Thrust(70% of 2.33 a)

-IMU Platform Error (Pitch)(70% of 2.33 a)

HW Case

IMU Platform Error (Pitch)(70% of 2.33 a)

4-8

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Tables 4-3 and 4-4 provide time histories of the AMI parameterfor the two maximum aerodynamic heating trajectories. These tables alsocontain an overview of the system composite, system RSS dispersion,environmental dispersions and RSS values, and the summed RSS used forthe guidelines of the maximum aerodynamic heating trajectory.

Output of this study for purposes of aerodynamic heatingevaluation has been prepared and is shown in Appendix D. These datahave been prepared by combining the maximum aerodynamic heatingtrajectory parameters with the +RSS system-related dispersions.

Trajectory parameters for the systems composite and the maximumaerodynamic heating trajectories are also stored on a computer file inthe same manner as the dispersion trajectories (see Appendix B).

4-11

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Table 4-3. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Head Wind

COMPOSITEAMI

TIME

0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.013.014.015.016.017.018.019.020.021.022.023.024.025.026.027.028.029.030.031.032.033.034.035.036.037.038.039.040.041.042.043.044.045.046.047.048.049.0

NOMINALVALUE

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.10.10.10.20.20.20.30.30.30.40.50.50.60.70.70.80.9.0.1.2.3.4.5.7.8.9

2.12.22.4

SYSTEMCOUP +RSS

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0o.b0.00.00.0

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.30.40.40.4

ENVIRONMENTATMOS HU +RSS

0.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.

0.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.3

0.00.00.00.00.00.00.00.00.06.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.30.3

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.20.30.30.30.30.40.40.40.40.50.50.50.60.60.7

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.20.20.20.30.30.3

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.20.20.20.30.30.40.40.50.50.60.70.80.9.0.1.2.3.4.5.7.82.02.12.32.52.7

4-12

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Table 4-3. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Head Wind (Continued)

COMPOSITEAHI

TIME

50.051.052.053.054.055.056.057.058.059.060.061.062.063.064.065.066.067.068.069.070.071.072.073.074.075.076.077.078.079.080.081.082.083.084.085.086.087.088.089.090.091.092.093.094.095.096.097.098.099.0

NOMINALVALUE

2.52.72.93.13.33.53.84.04.34.75.05.45.86.36.87.48.18.79.510.311.212.213.314.415.717.018.419.921.523.224.926.828.730.732.835.037.339.642.044.547.049.652.355.057.860.663.566.469.472.4

SYSTEMCOMP +RSS

0.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.30.30.30.40.40.50.50.60.60.70.80.90.9.0.1.2.3

" .5.6.7.92.02.22.32.52.72.83.03.23.43.63.94.14.34.5

0.40.50.50.50.60.60.70.70.80.9.0.1.2.3.4.5.6.8.9

2.12.32.52.62.83.03.23.43.53.73.8. .0

.1

.3

.4

.5

.6

.7

.84.95.05.15.15.25.35.35.45.55.55.65.7

ENVIRONMENTATMOS HW +R5S

0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.10.10.20.20.30.30.40.40.50.6

0.30.40.40.50.50.60.70.70.80.90.9.0.1.1.2.3.4.4.5.6.7.8.9

2.02.12.22.32.42.62.82.93.13.33.63.84.14.44.75.15.55.96.36.87.37.88.38.99.610.210.9

0.30.40.40.50.50.60.70.70.80.90.9.0.1.1.2.3.4.4.5.6.7.8.92.02.12.22.32.42.62.82.93.13.33.63.84.14.44.75.15.55.96.36.87.37.88.38.99.610.210.9

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

0.80.80.9.0.1.2.3.5.6.7.92.02.22.42.62.83.03.23.53.74.04.24.54.85.15.35.66.06.36.66.97.37.68.08.38.79.19.510.010.410.911.412.012.513.113.714.415.115.816.6

0.40.40.50.60.60.70.80.9.0.0.1.2.3.4.5.6.7.9

2.02.12.32.42.52.72.93.13.33.53.74.04.34.64.95.35.76.16.57.07.58.18.79.310.010.711.412.213.013.814.715.7

2.93.13.43.63.94.24.54.95.35.76.16.67.27.78.49.19.810.611.512.513.514.615.817.118.520.121.723.425.227.229.231.433.736.038.541.143.846.649.552.655.758.962.365.769.272.876.580.384.188.1

4-13

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Table 4-3. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Head Wind (Continued)

COMPOSITEAMI

TIME

100.0101.0108.0103.0104.0105.0106.0107.0108.0109.0110.0111.0112.0113.0114.0115.0116.0117.0118.0119.0120.0181.0122.0123.0124.0125.0126.0127.0128.0129.0130.0140.0150.0160.0170.0180.0190.0200.0210.0220.0230.0240.0250.0260.0270.0280.0290.0300.0310.0320.0

NOMINALVALUE

75.478.581.684.737.890.893.996.899.7102.5105.3107.9110.5113.1115.5117.9120.3122.5124.6126.8128.9130.9132.9134.8136.6138.5140.3142.0143.7145.3147.0161.1172.5181.8189.1195.0199.8204.0207.7210.8213.6216.2218.7221.2223.7226.3229.0232.0235.3238.9

SYSTEMCOMP +RSS

4.85.05.35.55.86.06.36.56.87.07.37.57.78.08.28.48.68. 89.09.29.49.69.810.010.210.410.610.811.011.211.413.314.916.518.019.420.521.522.523.424.225.025.726.427.127.728.429.129.830.6

5.85.85.96.06.2 •6.46.66.97.17.37.57.77.98.18.38.58.78.99.19.39.59.69.810.010.210.310.510.710.911.011.213.114.916.818.520.021.322.423.524.525.326.126.827.528.228.929.530.331.031.8

ENVIRONMENT MAXIMUM HEATING TRAJATMOS HW +RSS +RSS DISP VALUE

0.70.80.9.0.1.2.3.4.5.6.7.8.92.02.12.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.23.23.33.43.54.25.06.27.17.77.98.08.8.8.8.8.8.8.8.18.28.28.28.2

11.712.413.214.114.915.816.617.518.419.220.120.921.722.523.324.124.825.626.327.027.728.429.129.830.431.131.732.333.033.634.240.045.350.355.359.763.466.769.872.775.477.980.282.384.486.588.690.692. 895.0

11.712.513.314.114.915.816.717.518.419.320.121.021.822.623.424.224.925.726.427.227.928.629.229.930.631.231.932.533.133.734.440.245.650.755.860.263.967.270.273.175.978.380.682.784.886.988.991.093.195.4

17.418.319.220.121.122.223.324.425.526.627.628.729.730.731.732.733.734.635.536.437.338.239.139.940.841.642.443.244.044.845.653.360.567.574.380.185.289.693.797.6101.2104.4107.4110.3113.0115.7118.5121.3124.1127.2

16.717.718.819.921.022.223.324.525.626.827.929.130.231.232.333.334.335.336.337.338.339.240.241.142.042.943.844.745.546.447.255.362.869.876.983.388.993.998.5102.9107.1111.1114.7118.2121.5124.8128.1131.4134.8138.3

92.196.2100.4104.6108.8113.0117.2121.3125.4129.3133.2137.0140.7144.3147.8151.2154.5157.8161.0164.1167.1170.1173.0175.9178.7181.4184.0186.7189.2191.7194.2216.5235.3251.6266.0278.3288.8298.0306.2313.7320.7327.3333.4339.3345.2351.1357.1363.4370.1377.2

4-14

Page 32: ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSIS FOR WTR HEADS … · ASCENT TRAJECTORY DISPERSION ANALYSIS FOR WTR HEADS-UP SPACE SHUTTLE TRAJECTORY CONTRACT NAS8-36196 MAY 1986 (NftSft-CK-178:8S4)

Table 4-3. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Head Wind (Concluded)

COMPOSITEAMI

TIME

330.0340.0350.0360.0370.0380.0390.0400.0410.0420.0430.0440.0450.0460.0470.0480.0

NOMINALVALUE

243.0247.7253.2859.6267.1276.1286.9299.9315.5334.3356.8383.4414.4450.1490.3535.0

SYSTEMCOMP +RSS

31.532.533.534.735.937.338.840.442.143.945.847.649.250.751.952.9

33.733.834.936.137.438.940.542.244.146.248.450.652.854.856.758.3

ENVIRONMENTATMOS HW +RSS

8.28.28.28.38.38.38.38.38.38.38.38.38.38.38.28.2

97.499.9102.5105.3108.3111.5114.8118.2121.7125.2128.5131.6134.3136.4138.1139.3

97.7100.2102.9105.7108.7111.8115.1118.5122.0125.5128.8131.9134.5136.7138.3139.6

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

130.5134.0137.7141.8146.1150.7155.6160.7166.1171.7177.2182.5187.3191.5195.0197.9

142.0145.8149.9154.2158.7163.4168.3173.4178.4183.4188.2192.5196.1199.0201.2202.6

385.0393.6403.1413.8425.8439.6455.3473.3493.9517.7544.9575.9610.6649.1691.5737.6

4-15

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Table 4-4. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Right Quartering Head Wind

COMPOSITEAMI

TIME

0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.013.014.015.016.017.018.019.020.021.022.023.024.025.026.027.028.029.030.031.032.033.034.035.036.037.038.039.040.041.042.043.044.045.046.047.048.049.0

NOMINALVALUE

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.20.20.20.30.30.30.40.50.50.60.70.7•0.80.9.0.1.2.3.4.5.7.8.9

2.12.22.4

SYSTEMCOMP +RSS

0.00.0

• 0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.30.40.40.4

ENVIRONMENTATMOS RQHU +R5S

0.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0 0.00.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.

0.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.20.20.20.3

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.0.10.10.20.20.20.20.20.3

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.20.30.30.30.30.30.40.40.40.50.50.50.60.60.7

0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.10.10.10.20.20.20.20.3

»r w K- w

0.00.00.00.00.00.00.00.0

. 0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0.0.0.0.0.20.20.20.30.30.40.40.50.50.60.70.80.80.91.01.11.31.41.51.61.81.92.12.32.5

i 2.6

4-16

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Table 4-4. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Right Quartering Head Wind(Continued)

COMPOSITEAMI

TIME

50.051.052.053.054.055.056.057.058.059.060.061.062.063.064.065.066.067.068.069.070.071.072.073.074.075.076.077.078.079.080.081.082.083.084.085.086.087.088.089.090.091.092.093.094.095.096.097.098.099.0

NOMINALVALUE

2.52.72.93.13.33.53.84.04.34.75.05.45.86.36.87.48.18.79.510.311.212.213.314.415.717.018.419.921.523.224.926.828.730.732.835.037.339.642.044.547.049.652.355.057.860.663.566.469.472.4

SYSTEMCOMP +RSS

0.00.00.00.10.0.0.0.0.0.0.0.20.20.20.20.30.30.30.40.40.50.50.60.60.70.80.90.9.0.1.2.3~i5.6.7.92.02.22.32.52.72.83.03.23.43.63.94.14.34.5

0.40.50.50.50.60.60.70.70.80.9.0.1.2.3.4.5.6.8.9

2.12.32.52.62.83.03.23.43.53.73.84.04.14.34.44.54.64.74.84.95.05.15.15.25.35.35.45.55.55.65.7

ENVIRONMENTATMOS RQHW +RSS

0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.10.10.20.20.30.30.40.40.50.6

0.30.30.40.40.50.60.60.70.70.80.90.9.0.1.2.2.3.4.5.6.7.8.92.02.12.22.32.52.62.83.03.23.43.63.94.14.44.75.15.55.96.36.87.37.98.49.09.710.411.1

0.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.90.91.01.11.21.21.31.41.51.61.71.81.92.02)12.22.32.52.62.83.03.23.43.63.94.14.44.75.15.55.96.36.87.37.98.49.09.710.411.1

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

0.70.80.9.0.1.3.3.4.5.7.8

2.02.22.42.52.83.03.23.43.74.04.24.54.85.15.45.76.06.36.67.07.37.78.08.48.79.19.510.010.510.911.512.012.613.213.fi14.515.216.016.8

0.30.40.40.50.60.60.70.80.80.9.0.1.2.3.4.5.6.7.9

2.02.22.32.52.72.93.13.33.53.84.14.44.75.15.55.96.36.87.37.88.49.09.710.411.212.012.813.714.615.616.6

2.93.13.33.63.84.14.44.85.25.66.06.57.07.68.28.99.710.511.412.413.414.515.817.118.520.121.723.425.327.329.331.533.836.238.741.344.146.949.852.956.159.462.766.269.873.577.281.185.089.0

4-17

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Table 4-4. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Right Quartering Head Wind(Continued)

COMPOSITEAH I

TIME

100.0101.0102.0103.0104.010S.O106.0107.0108.0109.0110.0111.0112.0113.0114.0115.0116.0117.0118.0119.0iao.0121.0122.0123.0124.0125.0126.0127.0128.0129.0130.0140.0150.0160.0170.0180.0190.0200.0210.0220.0230.0240.0250.0260.0270.0280.0290.0300.0310.0320.0

NOMINAL SYSTEMVALUE COMP +RSS

75.478.581.684.787.890.893.996.899.7102.5105.3107.9110.5113.1115.5117.9120.2122.5124.6126.8128.9130.9132.9134.8136.6138.5140.3142.0143.7145.3147.0161.1172.5181.8189.1195.0199.8204.0207.7210.8213.6216.2218.7221.2223.7226.3229.0232.0235.3238.9

4.85.05.35.55.86.06.36.56.87.07.37.57.78.08.28.4 '8.68.89.09.29.49.69.810.010.210.410.610.811.011.211.413.314.916.518.019.420.521.522.523.424.225.025.726.427.127.728.429.129.830.6

5.85.85.96.06.26.46.66.97.17.37.57.77.98.18.38.58.78.99.19.39.59.69.810.010.210.310.510.710.911.011.213.114.916.818.520.021.322.423.524.525.326.126.827.528.228.929.530.331.031.8

ENVIRONMENTATMOS RGHU +RSS

0.70.80.9.0.1.2.3.4.5.6.7.8.9

2.02.12.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.23.23.33.43.54.25.06.27.17.77.98.08.8.8.8.8.8.8.8.8.28.28.28.2

11. B12.513.314.114.915.816.617.418.219.019.820.521.222.022.723.424.024.725.325.926.527.127.728.228.829.329.930.430.931.431.936.841.345.649.753.356.359.061.564.066.268.170.071.873.575.176.878.580.382.1

11.812.613.414.215.015.816.617.518.319.119.820.621.322.022.823.524.124.825.426.026.627. 227.828.428.929.530.030.631.131.632.137.141.646.050.253.856.959.662.164.566.768.670.572.273.975.677.278.980.782.5

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

17.618.419.320.221.222.223.324.325.326.427.328.329.330.231.132.032.933.734.535.336.136.937.638.439.139.840.541.341.942.643.350.256.562.768.773.878.282.085.588.992.094.797.399.7102.1104.4106.8109.2111.7114.4

17.618.719.821.022.223.324.525.726.928.029.130.231.332.333.334.335.336.337.238.139.039.940.841.642.543.344.144.945.746.547.354.861.668.174.680.585.690.194.398.3102.1105.6108.9112.0115.0118.0121.0124.0127.1130.2

93.197.2101.4105.7109.9114.2118.4122.5126.6130.5134.4138.2141.8145.4148.9152.2155.5158.7161.8164.9167.9170.8173.6176.4179.1181.8184.4186.9139.4191.8194.2215.9234.1249.9263.7275.4285.4294.1301.9309.0315.7321.8327.6333.2338.7344.3350.0356.0362.3369.2

4-18

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Table 4-4. Criteria for Determination of Maximum AerodynamicHeating Trajectory for Right Quartering Head Wind(Concluded)

COMPOSITEAMI

TIME

330.0340.0350.0360.0370.0380.0390.0400.0410.0430.0430.0440.0450.0460.0470.0480.0

NOMINALVALUE

243.0247.7253.2257.6267.1276.1286.9299.9315.5334.3356.8383.4414.4450.1490.3535.0

SYSTEMCOMP +RSS

31.532.533.534.735.937.338.840.442.143.945.847.649.250.751.952.9

32.733.834.936.137.438.940.542.244.146.248.450.652.854.856.758.3

ENVIRONMENTATMOS RQHU +RSS

8.28.28.28.38.38.38.38.38.38.38.38.38.38.38.28.2

84.186.288.490.893.396.098.8101.7104.7107.7110.5113.2115.5117.4118.8119.9

84.586.688.891.193.796.399.1102.0105.0108.0110.8113.5115.8117.7119.1120.2

MAXIMUM HEATING TRAJ+RSS DISP VALUE

117.2120.3123.6127.2131.1135.2139.6144.2149.1154.2159.3164.1168.6172.5175.8178.5

133.6137.1140.8144.8148.9153.3157.8162.4167.1171.8176.2180.2183.6186.3188.2189.5

376.6384.8394.0404.3416.0429.4444.7462.3482.6506.0532.9563.5598.0636.3678.5724.5

4-19(Reverse Blank)

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APPENDIX A-HTR DECEMBER LAUNCH CRITERIA AND GROUND RULES

Mission

a. 33,664-1b. pay!oad

b. 98° orbit inclination

c. 4 man, 7 day

Trajectory

a. General

Shaped for normal trajectory

b. Launch

1. Launch Pad '

Latitude = 34.58139° North .Longitude = 239.3747° EastAltitude = 461 ft

Altitude corresponds to booster station 1942 (11.36 in. belowthe base of the booster skirt),

2. Orbiter tail-west orientation.

3. Staggered start on main engines. 120-ms delay between starts;each space shuttle main engine (SSME) reaches 90% thrust at3.7 s after its start signal.

4. Solid rocket booster (SRB) ignition command defines t0 and isissued 2.716 s after last SSME reaches 90% thrust. Solid rocketmotor (SRM) thrust rise starts 0.011 s after ignition command.

5. Vertical rise until vehicle has gained 365 ft of altitude.

c. First stage

1. WTR Revised Range Reference Atmosphere (RRRA), DEC

2. WTR December Mean Wind (see Figure A-l)

3. Flight Control 10

4. Maximum dynamic pressure nominal 680 psf

A-l

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o 55

as 5

8

o•o

c030)

s-<u

Oa*oa:

s-3C7>

3annnv

A-2

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5. MRS throttle single step

I-Load Entries Reference Values

Vrel(fps)

0.072.2

552.6

1202.5

CommandThrottle

(*)•

100109

77

109

Time(s)

0.03.54.420.023.246.1

ActualThrottle

49.3

100100log1097777109

6. SSME throttle change rate +I0%/s

7. Alpha profile and negative q-alpha limit profile

MachNumber

0.601.051.151.502.00

q alpha(psf-deg)

-1250-3500-3750-37500.0*

*Continue linearly through M0 = 2 toalpha = 2° and hold

8. Ny = zero following roll-to-flight azimuth

9. Elevon schedule Rev. 2

RelativeVelocity(fps)

0.0119513691575.11718.92287.92390.32493.95933.4

,5,5

Inboard ElevonDeflection

(deg)

10.0010.0010.0010.0010.001.430.000.000.00

Outboard ElevonDeflection

(deg)

9.09.01.5-5.0-5.0-5.0-2.50.00.0

MachNumber

(Reference)

0.001.181.401.641.80405060

6.00

A-3

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10. Nonpropulsive materials lost.

L/0 to staging: 1.61 Ib/sStaging to MECO: 0.644 Ib/s

11. Adaptive Guidance/Throttle Inputs

Symbol

TREF_ADJUST

VREF_ADJUST

L_THRT

L_THRTL

THRT_FAC

THRT_FACL

PTCH_FAC

PTCH_FACL

PTCH PCT

Input

18.72 s

510.315 fps

2.0

3.0

6543.0

9000.0

0.014

0.0

0.6

Definition

Design reference timeto obtain referencevelocity

Design referencevelocity for SRBadaptive guidance

Throttle index for hotSRBs

Throttle index for coldSRB

Throttle adjustmentfactor for hot SRBs

Throttle adjustmentfactor for cold SRBs

Pitch adjustment factorfor hot SRBs

Pitch adjustment factorfor cold SRBs

Variable load reliefgain

12. Steering commands data (see Table A-l)

d. Staging

1. SRB separation 6.2 s after Pc = 50 psi

2. Command SRB nozzle actuators to null 4.5 s after Pc = 50 psi

3. Attitude hold from SRB separation to 4.0 s after separation

A-4

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Table A-l. Flight Control Parameter

RelativeVelocity

0.00133.43380.18455.10

584.80

697.40

800.30

899.60

948.10995.70

1110.70

1226.40

1338.20

1435.60

1544.40

1666.10

1801.20

1949.90

2112.002286.50

2469.50

2656.30

2908.50

3165.703427.80

3824.40

4213.70

4508.204613.90

4800.00

No Engine FailuresPitch

Command

90.000

93.570

93.57092.320

88.950

85.400

82.540

79.760

77.87075.910

70.460

64.930

60.150

56.360

52.900

50.280

48.220

46.710

45.76045.430

44.820

42.880

39.490

36.060

33.52031.050

28.740

26.12024.020

20.320

YawCommand

183.000174.570174.570174.570

174.570174.570

174.570

174.610

179.990185.190

188.690

190.880

192.030

192.380

192.280191.900

191.380

190.770

190.150189.670

189.360

190.750

191.690

191.040

190.060190.730

191.790

192.730193.210

194.060

RollCommand

93.0000.0000.0000.000

0.520

4.370

10.960

13.970

6.9800.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

36.000

84.000

132.000

180.000180.000

180.000

180.000180.000

180.000

A-5

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Table A-l. Flight Control (Concluded)

RelativeVelocity

0.00

110. 00'

270.00

550.00

650.00

880.00

960.00

1090.00

1130.00

1200.00

1280.00

1370.00

1500.00

1600.00

1760.00

2060.00

2280.00

2380.00

4085.00

5000.00

SRB Gimbal Trim

Nominal

-0.1000

-0.2600

-0.2900

-0.5600

-0.3200

-1.0400

-1.1000

-0.7400

-0.7900

-0.9200

-1.5100

-1.4100

-0.9000

-0.5900

-0.3400

-0.0200

0.2400

0.1900

0.7600

0.7600

Normal Load Factor

Nominal

0.0660

0.0660

0.0620

0.0910

0.0870

0.1410

0.1690

0.2150

0.2340

0.2250

0.2720

0.2890

0.2900

0.2710

0.2360

0.1480

0.1060

0.0870

0.1320

0.1320

SSME GIMBAL TRIM= -2.00° AT STAGING

A-6

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4. Maximum dynamic pressure at separation shall not exceed 75 psf(with dispersions)

5. Begin SSME trim command after Pc = 380 psi (6-s ramp). ConstantSRB trim command beyond Vrel corresponding to nominalPc = 380 psi

e. Second stage

1. General

Maximum acceleration = 3 g's by MRS throttling

2. Normal Trajectory

(a) MPS throttle setting = 109%

(b) Pitch paralleling SSMEs from staging +12 s to MECO -60 s(mass cue)

(c) SSMEs throttle to reach 65% (MPL) 6 s before MECO at -10%/s

(d) MECO target conditions

h (equatorial) 57 nmgamma (inertial) 0.65°v (inertial) 25,374 fpsInclination 98°Ascending node 55.25236°.*

Propulsion .

1. SRM

(a) Block II SRM Prediction, TC-MD-271-84-MAX2. FWC HPM with0.392 inches per second (IPS) burnrate for 60°F motor.Thrust and Isp degraded by 0.736% for aerocompatibility. Athrust bias is also included (see Figure A-2).

PMBT =54°

2. SSME

U) Tvac = sPec (469,946 Ib at 100% power level)

(b) Aexit = 6391.6 in2

*Referenced to Greenwich at t = 0 s.

A-7

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ORIGINAL -PAGE -B3OF POOR QUALITY

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A-8

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(c) rspvac = 452.39 s at 100% PL,

(d) Jspvac =452.65 s at 109% PL,

(e) Pitch null = -16° (No. 1 engine) and -10° (No. 2 and No. 3engines)

(f) Yaw null = 0° (all engines); No. 2 and No. 3 areelectronically biased to 0° from their mechanical nulls of3.5° outboard

Aerodynamics

IVBC-3 Aero

Mass Properties

1. Element weightOrbiter control weight

(orbiter + bouyancy) =148,784 IbExternal tank (ET) control

(weight ET + bouyancy) = 67,098 IbSSME control weight = 20,958 Ib

2. MPS propel 1 ant weightsMPS propel 1 ant unexpended

(trapped + FPR + bias) = 12,643 Ib*MPS propel 1 ant expended = 1,596,095 IbTotal MPS propellent at

t = 0 (SRB ignition) = 1,605,549 Ib

3. SRB weightsSRB total gross weight = 2,544,067 Ib

4. FPR and fuel bias

NORMAL

Inflight FPR = 4637 IbLH2 Bias = 1317 Ib

*Normal mission

A-9(Reverse Blank)

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APPENDIX B-COMPUTER FILE INPUT/OUTPUT REQUIREMENTS

A resident file is provided on the MSFC VAX-1 computer system.This file is a direct access file that contains time-ordered dataassociated with all trajectories simulated in this study. This appendixdefines the input/output requirements of this file.

A file is made up of 16,000 records and each record consists of13 words.

The FORTRAN read statement for this file is the following:

'READdV'NRjVAR.IVAR1

where

N - file numberNR - number of requested record (1 to 16000)VAR - a storage array consisting of 12 parameters:

(1) - time from liftoff (s)(2) - angle of attack (a) (deg)(3) - sideslip angle (3) (deg)(4) - aerodynamic heating indicator (BTU)(5) - dynamic pressure (Ib/ft^)(6) - altitude (ft)(7) - Earth relative velocity (ft/s)(8) - airspeed (ft/s)(9) - radius from the Earth's center (ft)(10) - inertial velocity (ft/s)(11) - inertial flight path angle (7) (deg)(12) - Mach number

IVAR - multipurpose variable flag used to specify the contentsof the records (see Table B-l)

All trajectory cases are stored within a maximum of 200records; therefore, the start of each trajectory will begin at some

B-l

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multiple of 200 plus 1. The normal mode for reading this data is tofirst interrogate the starting record which indicates by the value ofIVAR the type of trajectory. Data can be extracted from the file bycontinued reading of sequential records until the value of IVAR is equalto 9999 (which specifies the end of the trajectory data).

The only data on the file that do not correspond to the abovedefinition of the VAR array are associated with IVAR = 5100. In thiscase, the VAR array is defined in the following manner:

VAR (1) - time from liftoff (s)(2) - positive RSS dispersion for aerodynamic heating

indicator(3) - negative RSS dispersion for aerodynamic heating

indicator (value is positive in sign)(4) - positive RSS dispersion for angle of attack(5) - negative RSS dispersion for angle of attack(6) - positive RSS dispersion for sideslip angle(7) - negative RSS dispersion for sideslip angle(8) - positive RSS dispersion for dynamic pressure(9) - negative RSS dispersion for dynamic -pressure

(10) - positive RSS dispersion for the product of dynamicpressure and angle of attack

(11) - negative RSS dispersion for the product of dynamicpressure and angle of attack

(12) - positive RSS dispersion for the product of dynamicpressure and sideslip angle

(13) - negative RSS dispersion for the product of dynamicpressure and sideslip angle

B-2

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Table B-l. Interpretation of IVAR Variables

0000 VAR contains data

9999 Terminal point has been reached for thistrajectory

0 Positive dispersion (the parameter is perturbed ina positive sense)

1 Negative dispersion (the parameter is perturbed ina negative sense)

0010 The following data contain the nominal trajectory

1 The following data are related to propulsiondispersion parameters

101_ SRM web action time

102. SRM terminal thrust mismatch

103_ SRM specific impulse

104_ SRM steady state thrust mismatch

105_ SRM steady state specific impulse mismatch

106. SRM thrust misalignment (pitch)

107. SRM thrust misalignment (yaw)

108. SSME vacuum thrust

109_ SSME vacuum specific impulse

110. SSME thrust misalignment (pitch)

111. SSME thrust misalignment (yaw)

2 The following data are related to aero/environmentdispersion parameters

201_ Axial force coefficient

202. Pitch force coefficient

B-3

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Table B-l. Interpretation of IVAR Variables (Continued)

203_ Pitch moment coefficient

204_ Side force coefficient

205. Yaw moment coefficient

206_ Roll moment coefficient

207. Base force

208_ Atmosphere (+ density variations)

3 The following data are related to mass propertiesdispersion parameters

301_ External tank propel 1 ant weight

302_ SRB propel 1 ant weight

303. SRB inert weight

304_ Second stage inert weight

305_ First stage longitudinal center of gravity

306_ First stage lateral center of gravity

307_ First stage normal center of gravity

308_ Second stage longitudinal center of gravity

309_ Second stage normal center of gravity

4 The following data are related to GN&C dispersionparameters

401_ Accelerometer error (pitch)

402_ Accelerometer error (yaw)

403_ Rate gyro (pitch)

404~ Rate gyro (yaw)

B-4

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Table B-l. Interpretation of IVAR Variables (Concluded)

405" Inertial measurement unit (IMU) platformerror (pitch)

406_ IMU platform error (yaw)

407_ IMU platform error (roll)

408_ MECO targeting

5 The following data are related to the compositeand wind related trajectories

501_ Composite (system dispersion only)

502_ Right quartering head wind (RQHW)dispersion (95% design)

503_ Maximum aerodynamic heating trajectory withRQHW

504_ Head wind (HW) dispersion (95% design)

505_ Maximum aerodynamic heating trajectory withHW

5100 The following data are time ordered RSSvalues for positive and negativedispersions of aerodynamic heatingindicator, angle of attack, sideslip angle,dynamic pressure, the product of dynamicpressure and angle of attack, and theproduct of dynamic pressure and sideslipangles

B-5(Reverse Blank)

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APPENDIX C-DISPERSION DATA (WTR)

C-l

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APPENDIX 0-HEATIN6 ANALYSIS DATA

D-l

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ORIGINAL -PAGE S3gg POOR QUALITY

Table D-l. Maximum Aerodynamic Heating (RQHW) Trajectory Data

TIME(SEC.)

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ALTITUDE(FE£T)

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D-8

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Table D-l.

ORIGJWAL -PAG£. 13

OF POOR QUALITY

Maximum Aerodynamic Heating (RQHW)Trajectory Data (Concluded)

TIME(SEC. )

3 1 0 . 00320.00330.00340.00350. 00360.00370.00380.00390.00400.004 1 0 . 00420.03430.00440.00450.00460.00470.00480.00490.00

ALTITUDE(FE£T) =

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D-9

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ORIGINALOF POOR QUALITY

Table D-2. Maximum Aerodynamic Heating (HW) Trajectory Data

TIME(SEC. )

0.000.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.0055.0060.0065.0070.0075.0080.0085.0090.0092.0094.0096.0098.00100.00102.00104.00106.00108.00110.00

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D-10

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OF POOR QUALITY

Table D-2. Maximum Aerodynamic Heating (HW) Trajectory Data (Concluded)

TIME(SEC. >

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DISTRIBUTION LIST

Name of Organization No. Copies

National Aeronautics and Space AdministrationGeorge C. Marshall Space Flight CenterMarshall Space Fligth Center, AL 35802ATTN: EL24

10 + 1reproducible

AS24D 5AT01 1EM12A 1CCOl/Wofford 1

NASA Scientific and TechnicalInformation Facility 1 + 1

reproducible

(Reverse Blank)

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