Догоняем «Науку»: что мы узнали о полете модуля из отчетов ЦУПа

Полет «Науки» к МКС оказался не менее волнительным, чем его многолетнее ожидание. Модуль не сразу смог включить двигатели, чтобы после отсоединения от ракеты-носителя лечь на курс к МКС, космонавты во время стыковки чуть было не перешли в режим ручного управления, а после всего этого «Наука» еще и попыталась выйти из состава станции, включив двигатели на увод. В распоряжение редакции попали «отчеты по работе экипажа МКС-65», которые каждое утро рассылаются в организации российской космической отрасли, связанные с этим проектом. С 22 по 30 июля в них есть раздел «Автономный полет МЛМ», где коротко сообщалось о том, что происходит с «Наукой»: какие операции проводились, что планируется на следующий день, параметры орбиты, состояние систем. Давайте посмотрим, что нового можно из этих сообщений извлечь.

Модуль «Наука» отделился от третьей ступени ракеты «Протон-М» и вышел на орбиту через 580 секунд после запуска с космодроме Байконур, примерно в шесть вечера 21 июля. Аппарат успешно развернул солнечные батареи и антенны.

Сразу не раскрылась только одна из двух антенн системы автоматической стыковки «Курс-А» (2АСФ1М-ВКА) — но и это случилось чуть позже, в тот же день. Также не удалось протестировать основную и резервную системы управления из-за отказов двух датчиков инфракрасной вертикали (ИКВ), которые используются для определения ориентации модуля относительно Земли — но из сообщений за 24 июля видно, что работу системы управления также удалось наладить. В последующих отчетах есть сведения и о других отказах, с которыми справлялись в ЦУПе. Например, 29 июля, перед самой стыковкой не удалось сориентировать модуль с помощью звездного датчика БОКЗ1. На следующем витке специалисты порекомендовали использовать резервный БОКЗ2, и на этом сюжет закончился.

Но в день старта произошел сбой в еще одной системе — топливной. И он оказался как будто бы серьезнее всех прочих. Из-за него плановое включение двигателей для первой коррекции орбиты «Науки» заставило поволноваться всех, кто следил за ее полетом. Неизвестно, однако, разделяли ли это волнение в ЦУПе: циклограмма — то есть план полета модуля к МКС не публиковалась, а двигатели «Науки» российские специалисты в конце концов включили.

Вот на какие вопросы мы искали ответы в отчетах:

• Что именно и в какой момент произошло в топливной системе модуля?
• Что в связи с этим предприняли в ЦУПе?
• Действительно ли существовал риск потерять аппарат, если бы первая попытка стыковки не удалась?

Что могло случиться с баками

22 июля о неполадках в топливной системе сообщил наш источник в отрасли. По его словам, данные телеметрии указывали либо на разрыв сильфона в одном или нескольких баках «Науки» (о том, что это такое и какую роль они сыграли в истории МЛМ, читайте в материале «Роковая стружка») — либо на сбой в системе клапанов.

Чтобы понять, в чем разница, надо разобраться с устройством топливной системы МЛМ.

Топливо (под этим термином понимают горючее и окислитель вместе) на борту МЛМ хранится в шести емкостях объемом по 400 литров каждая. Это четыре бака низкого давления: по два для горючего и окислителя (БНДГ1 и БНДО1, БНДГ3 и БНДО3), а также два бака высокого давления (БВДГ и БВДО).

Из баков низкого давления берут топливо два двигателя коррекции и стабилизации (ДКС), самые мощные двигатели на борту модуля. Они оснащены турбонасосами.

Остальные двигатели, 24 двигателя причаливания и стабилизации (ДПС) и 16 двигателей точной стабилизации (ДТС), предназначены для изменения ориентации модуля, стабилизации его положения и «тонких» маневров при стыковке. Они имеют значительно меньшую тягу и получают топливо из баков высокого давления, поскольку у них нет собственных турбонасосов. Эти двигатели работают именно благодаря давлению газа наддува, то есть топливо подается в их камеры сгорания с помощью вытеснительной системы подачи.

Так же — от баков высокого давления — работают дополнительные двигатели управления креном. Два блока по шесть таких двигателей (на схеме МДДК) — новшество, их не было в исходной конструкции ФГБ, и формально в состав двигательной установки модуля они не входят, а образуют вместе с ней комбинированную систему двигательной установки — КсДУ.

Каждый бак модуля «Наука» разделен внутри на две полости сильфонами. С одной стороны сильфона в бак подается гелий из системы наддува, в другой находится жидкий компонент топлива. Газ создает давление в топливной системе, необходимое для корректной работы двигателей (разным двигателям нужно топливо под разным давлением). Повреждение сильфона могло привести к тому, что в баке вместо разделенных топлива и газа появилась «газировка» — топливо с разнокалиберными пузырями газа. Топлива с газом может привести к сбоям в работе двигателей, в частности, их турбонасосных агрегатов.

Сбой в работе клапанов может поменять давление в системе — если будет открыт «неправильный» вентиль, то давление тоже может измениться не так, как должно. Однако пузыри газа в топливе никакой комбинацией открытых и закрытых вентилей не создашь: трубопроводы системы наддува и топливные магистрали везде разделены.

Что в отчетах?

В данных ЦУПа ни за 21-е число, ни за следующие дни, о механических повреждениях сильфонов или попадании в топливо газа наддува — ни слова.

Вместо этого там сообщается, что вечером в день запуска, когда модуль начал выстраивать солнечную ориентации по данным со звездного датчика, «произошло объединение баков высокого и низкого давления горючего и окислителя».

Согласно отчету, на третьем витке «Науки» из одного бака высокого давления с горючим (БВДГ) и бака высокого давления с окислителем (БВДО) топливо начало перетекать в баки низкого давления, БНДГ3 и БНДО3 (тройка, соответственно, обозначает номер бака).

Почему это произошло, мы не знаем. Возможно, что дело в программной ошибке — для того, чтобы это «объединение» произошло, нужно, судя по схеме, открыть как минимум два не связанных друг с другом клапана.

Тем не менее, в результате инцидента половина топлива на борту «Науки» должна была стать недоступна для главных двигателей ДКС — потому что давление в баках № 3 оказалось выше допустимого для них. Судя по параметрам ДКС, они могут работать при давлении топлива на входе от 0,3 до 0,6-0,8 мегапаскаля, в то время как двигатели ДПС и ДТС, которые получают топливо из баков высокого давления рассчитаны на 1,47 мегапаскаля.

Итак, проблемы с двигателями «Науки», по данным из ЦУПа, были связаны не с многострадальными сильфонами, а сбоем пневмогидравлической системы.

Как ЦУП решал проблему

Судя по отчету, 22 июля специалисты провели «отсечку баков высокого давления от баков низкого давления» и наконец выполнили коррекцию траектории полета «Науки».

По сообщению пресс-службы Роскосмоса, первое включение произошло в 18:07, двигатели проработали 17,23 секунды, а скорость выросла на 1 метр в секунду. Второй импульс — в 20:19, время работы — 250,04 секунды, а приращение скорости — 14,59 метра в секунду. Сочетание длительного времени работы и относительно скромной прибавки заставило нас предположить, что МЛМ включил не маршевые двигатели ДКС, а вспомогательные — ДПС (читайте об этом в блоге «Какие двигатели включала „Наука“?»).

В материалах ЦУПа это сказано прямо: маневр проводился на двигателях причаливания и стабилизации (ДПС), причем горючее и окислитель к ним в тот момент поступали не от «штатных» баков, а от баков низкого давления (давление в которых должно было быть выше штатного из-за «объединения»). Вспомогательные двигатели ДПС и ДТС, которые запитываются от баков высокого давления, требуют от 1 до 2 мегапаскалей (номинальное значение 1,47 мегапаскаля).

Основной целью маневра был подъем перигея. Если бы модуль оставался на орбите, на которую был выведен, он очень скоро (примерно через 30 витков, то есть через двое суток) мог зарыться в верхние слои атмосферы и упасть на Землю. Кроме того, можно предположить, что таким образом специалисты ЦУПа не только поднимали орбиту, но и сжигали топливо, чтобы снизить давление в БНДГ3 и БНДО3.

Третий день полета, 23 июля, стал крайне напряженным. Для коррекции снова включались двигатели ДПС, которые опять брали топливо из баков низкого давления (видимо, оно там было все еще достаточно высоким). В отчете впервые говорится, сколько именно двигателей включалось — шесть из 24 ДПС. Они добавили модулю 4,4 метра в секунду.

Вероятно, что и в предыдущей коррекции участвовали только шесть ДПС. Дело в том, что двигатели ДПС и ДТС расположены на корпусе «Науки» группами, в виде четырех связок, две со стороны кормы, где находится активный стыковочный узел (именно им модуль стыковался к МКС) и две — со стороны носа (сферической «головы» МЛМ, куда будет пристыкована шлюзовая камера). В каждой связке три двигателя ДПС направлены соплами вдоль продольной оси, то есть их запуск придает «Науке» поступательное движение — в одну или другую сторону.

Таким образом, если мы захотим разогнать МЛМ в одну сторону, мы сможем запустить не более шести двигателей ДПС одновременно, в двух связках со стороны носа или кормы — остальные будут, наоборот, тормозить модуль. Можно предположить, что всякий раз, когда коррекция орбиты велась с помощью ДПС, на борту работали не более, чем шесть двигателей.

После коррекции (которая должна была еще несколько снизить давление в баках низкого давления-3) специалисты занялись «переконфигурацией КсДУ». В чем была суть этой переконфигурации, в документе не уточняется.

Затем специалисты разделили «первые» и «третьи» баки по наддуву, то есть трубопроводы с газом наддува к этим бакам оказались разделены. К «первым» бакам подключили маршевые двигатели ДКС, а затем с помощью системы наддува подняли на 1,47 мегапаскаля давление в «третьих» баках (из которых до сих пор получали топливо двигатели ДПС) — это номинальное давление для работы ДПС.

Наконец в этот же день впервые в тестовом режиме был запущен маршевый двигатель ДКС1, который до этого подключили к «первым» бакам. Судя по всему тест прошел удачно, прибавка скорости оказалась почти точно равна расчетной — 7,04 против 7 метров в секунду.

Пресс-служба Роскосмоса не стала говорить об этих подробностях, сообщив лишь, что специалисты «провели два корректирующих маневра».

На четвертый день полета, 24 июля, была проведена полноценная коррекция орбиты с помощью ДКС1. Два включения двигателя обеспечили приращение скорости в 24,02 и 14,03 метра в секунду.

После этого манипуляции с топливной системой и системой наддува из отчетов ЦУПа исчезают. ДКС1 благополучно поднимает орбиту модуля и успешно работает до самой стыковки.

Чего мы не узнали

Незадолго до успешной стыковки появились сообщения, что топлива на борту «Науки» осталось в обрез (что отрицал лично глава Роскосмоса), что на вторую попытку стыковки его не хватит — поскольку необходимо оставить неприкосновенный запас на отвод модуля и сведение его с орбиты. Второй попытки, как мы знаем, не понадобилось. Но действительно ли на борту к моменту стыковки осталось критически мало топлива? Ни прямого, ни даже косвенного ответа на этот вопрос в полученных нами документах нет.

Можно ли свести баланс и понять, сколько топлива могло остаться в баках? Всего в шесть 400-литровых бака МЛМ могло быть залито около 950 килограммов горючего и 1730 килограммов окислителя (различие возникает за счет разной плотности компонентов), то есть суммарно около 2680 килограмма топлива.

Сколько именно было заправлено в баки МЛМ, мы не знаем, но знаем, сколько потратила по дороге на орбиту «Заря». По данным журнала «Новости космонавтики», через две недели после вывода первого модуля МКС на орбиту на его борту оставалось еще 2648 килограмма топлива без учета недоступного для двигателей остатка (около 200 килограммов). То есть все ее двигатели: и ДКС, и двигатели ориентации, потратили 559 килограммов топлива за все путешествие. Можно предположить, что примерно столько же могла сжечь и «Наука».

Кроме того, на момент стыковки в баках модуля должен был оставаться «неприкосновенный запас» запас топлива, необходимый на отвод от МКС и управляемый свод с орбиты. «Союзам» на эти операции требуется суммарный запас скорости около 80-100 метров в секунду, то есть «Науке» для этого нужно 450-580 килограммов топлива.

Таким образом, если «Наука» не была сильно недозаправлена (например, если в ее баках было меньше 1000 килограммов топлива), угрозы, что модуль не сможет повторить попытку стыковки с МКС, не было — если не предположить, что в результате сбоя какая-то часть топлива оказалась недоступной для двигателей — например, если часть баков оказалась изолирована, или в топливо попал газ наддува из-за разрыва сильфона.

Если это все-таки произошло, то из общего запаса могло быть выключено порядка 400-500 килограммов горючего или окислителя, то есть примерно 800-900 килограммов топлива (оставшийся «лишний» окислитель или «лишнее» горючее бесполезно). В этом случае, если «Наука» на старте была заправлена полностью, на борту должно было остаться примерно 1200 килограммов топлива — даже если один бак был бы выключен.

Можно ли определить, сколько топлива сожгли двигатели «Науки» уже после стыковки? Модуль «Наука» самопроизвольно включил двигатели и привел МКС в движение примерно через три часа после успешной стыковки. Из данных ЦУПа, мы знаем, что причиной инцидента была «некорректная работа программного обеспечения МЛМ», которое выдало на двигатели ДПС команду «на отвод» — то есть они «оттаскивали» «Науку» от МКС. Двигатели, по данным ЦУПа, отключились только после того, как кончилось топливо в баках высокого давления.

По данным NSF, двигатели ДПС работали 55 минут. Но сколько именно топлива они сожгли, определить сложно. Суммарно в двух баках высокого давления около 890 килограммов. Если предположить, что все 55 минут работал только один двигатель ДПС (а чтобы уводить модуль как можно быстрее можно было включить шесть из них), то при расходе топлива 158 граммов в секунду, он мог сжечь 521 килограмм топлива.

Но и это не минимально возможное количество топлива в баках высокого давления. Двигатели ДПС, как правило, не работают непрерывно — продолжительность непрерывного импульса не должна превышать 1000 секунд. Сколько было импульсов, какие были паузы между ними, сколько в них участвовали двигателей, из бумаг ЦУПа неизвестно.

Поэтому каким был риск, и могли ли специалисты провести вторую попытку стыковки — мы не знаем.