Урок из космоса

28 января 1986 года спустя 73 секунды после старта с мыса Канаверал челнок «Челленджер» взорвался в воздухе. На борту шаттла находилось 7 астронавтов, все они погибли. В этом году исполнилось 30 лет этой трагедии. До сих пор эта авария служит напоминанием о том, что покорение космического пространства является опаснейшим делом.

Старт челнока переносился несколько раз — в основном из неблагоприятной погоды. 28 января температура на мысе Канаверал была -1 градус Цельсия, поэтому стартовая площадка была покрыта льдом. И хотя время старта переносили, погодные условия были признаны пригодными для полета. В 11:38 по местному времени челнок отправился в космос.

Хронология событий

О том, что происходило дальше, мы знаем из подробного расследования президентской комиссии, результаты которого выложены на сайте NASA. Первая минута полета не отличалась от предыдущих 24 стартов, но на 59-й секунде наблюдатели на земле разглядели шлейф пламени, возникший сбоку правого ускорителя. Шлейф был направлен в сторону топливного бака. В это же время экипаж и персонал на земле фиксируют падение тяги ускорителя. Как стало понятно позже, в это время из-за прогара в топливном баке началась утечка жидкого кислорода.
На 73-й секунде высокая температура пламени разрушила нижнее крепление правого ускорителя. Через секунду кормовая емкость с кислородом внутри топливного бака сорвалась и ударила емкость с жидким водородом. Спустя еще доли секунды правый ускоритель проворачивается по оставшемуся в целостности верхнему креплению и ударяет топливный бак. Бак разрушается, смесь водорода и кислорода воспламеняется. На высоте 15 километров над землей происходит мощный объемный взрыв.

Челнок был почти полностью разрушен взрывом и действием сильных аэродинамических нагрузок, вызванных разрушением конструкции сцепки. Кабина с астронавтами, однако, сохранила свою целостность и продолжила лететь вверх. Позже было установлено, что как минимум трое астронавтов после взрыва были живы и в сознании — они успели воспользоваться кислородным оборудованием. Свободное падение с высоты почти 20 километров (именно туда долетела кабина) и перегрузка в 200g при ударе о воду не оставила астронавтам шансов. Кабина падала несколько минут.

Трагедия произошла на глазах многих тысяч американцев, которые смотрели запуск в прямом эфире или в записи. На борту находился гражданский человек — школьная учительница Шэрон Криста Корриган Маколифф должна была провести урок прямо из космоса. Абсолютно всех интересовал лишь один вопрос: почему это произошло и можно ли было предотвратить катастрофу?
Очень быстро было установлено, что катастрофа связана с одним из твердотопливных ускорителей. Твердотопливные ускорители, по сути, представляют собой металлическую трубу, в которой расположено твердое топливо в виде полого цилиндра. В момент старта вся внутренняя поверхность этого цилиндра одновременно воспламеняется, при этом тягу невозможно регулировать, а сам двигатель после запуска невозможно остановить. Вообще говоря, твердотопливные ускорители Шаттла — это настоящее произведение технического искусства, так как оба ускорителя стабильно работают в течение нескольких минут, а разница тяги между ускорителями настольно невелика, что ее можно купировать основными двигателями Шаттла.
Корпус ускорителя собран из нескольких сегментов, которые последовательно соединены друг с другом. Герметичность соединений должна была обеспечиваться двумя резиновыми уплотнительными кольцами (основным и резервным). При корректной работе уплотнительных колец они не контактируют с раскаленными газами (чья температура достигает 2700 градусов), так герметичность соединения препятствует проникновению этих газов в зазор. С другой стороны, малейшая утечка в соединении приводит к его лавинообразному разрушению — полная аналогия с падением дамб из-за маленькой течи.

Старт твердотопливных двигателей вызывает мощное сотрясение всей конструкции. Из-за этого сотрясения и напряжения, создаваемого чудовищной тягой двигателя (1400 тонн, что является абсолютным рекордом среди всех ракетных двигателей), соединение сегментов ускорителя выгибалось и лишалось герметизации. Обычно основное уплотнительное кольцо успевало совершить «отскок» и закрыть щель, но из-за низкой температуры перед этим стартом кольцо потеряло эластичность и закрыло ее не полностью.

При анализе видео пуска выяснилось, что спустя 0,67 секунды с момента запуска твердотопливных ускорителей из проблемного соединения начали вырываться клубы дыма, причем он шел не однородно, а с частотой около четырех герц. Такая частота с высокой точностью совпадает с колебаниями конструкции носителя и челнока при старте. Возникновение дыма говорит о том, что соединение перестало быть герметичным, а уплотнительные кольца начали прогорать уже на стартовом столе. Но истечение дыма тогда быстро прекратилось и заняло около трех секунд.

Специалисты, расследовавшие катастрофу, выяснили, что это было связано с закупориванием щели шлаками, возникающими при сгорании твердого топлива. Именно благодаря этой шлаковой «пробке» прогорание конструкции в момент старта было предотвращено и сам старт оказался успешным.

В таком случае возникает другой вопрос: по какой причине щель вновь открылась, и началось лавинообразное прогорание? Фотографии дымного следа от Шаттла спустя небольшое время после катастрофы (они тщательно проанализированы в «

») помогают на него ответит: на высоте с 3 до 10 км (с 37 по 64 секунду с момента запуска) челнок попал в разнонаправленные сильные потоки воздуха. Более того, именно на этом участке полета Шаттл испытывал максимальный скоростной напор — в этой зоне свойства воздуха и скорость челнока в совокупности дают наибольшее сопротивление, вызывая повышенные вибрации конструкции. Совместное воздействие этих факторов вызвало сильное сотрясение и пробка разрушилась. Началось прогорание корпуса ускорителя.

История колец
О дефекте уплотнительных колец было известно заранее. Еще на этапе испытаний в 1977 году было установлено, что изгиб соединения при старте двигателя приводит к некорректной работе уплотнения — при этом второе, резервное кольцо в силу этого изгиба в принципе не могло обеспечить герметизацию и де-факто было бесполезным. Несмотря на все это никаких изменений в конструкцию внесено не было.
В ходе одного из первых полетов шаттлов (STS-2) при осмотре вернувшихся на землю ускорителей был обнаружен прогар и обугливание уплотнительных колец, и этот прогар был тут же связан с низкой температурой перед стартом челнока. Инженеры Thiokol (производителя ускорителя), зная о холодной погоде 28 января 1986, предупреждали руководство компании о возможной катастрофе «Челленджера» и просили NASA отложить запуск до более теплой погоды, но руководство этим предупреждениям не вняло, и запуск не отложили.
Проблемное соединение наконец переделали уже после аварии, исключив его изгиб и добавив третье уплотнительное кольцо.

Была ли у астронавтов возможность пережить этот полет? Как показали итоги расследования, к катастрофе привело стечение нескольких неблагоприятных обстоятельств — низкой температуры перед стартом и порывов ветра на большой высоте — и исключение хотя бы одного из них с высокой вероятностью предотвратило бы данную трагедию. Но главной причиной катастрофы стал именно конструкторский просчет — и если бы случай распорядился оставить «Челленджер» и его экипаж в живых в ходе этого запуска, подобный инцидент рано или поздно случился бы в ходе любого из следующих полетов.
Система спасения
Косвенной причиной гибели людей стал другой неустранимый конструктивный недостаток Space Shuttle — отсутствие эффективной системы спасения. До катастрофы «Челленджера» единственным возможным способом спасти экипаж была «самолетная» посадка челнока на аэродром или на воду, т.е. подразумевалось корректное отделение стартовых ускорителей и внешнего топливного бака, и при этом должна была сохраниться структурная целостность челнока и его систем. Эти оговорки подходят для большинства возможных аварийных ситуаций — частичного отказа двигателей SSME или утечки топлива из бака, но для быстроразвивающихся аварий такая схема абсолютно неприменима.
Даже если бы наземный персонал вовремя заметил проблему в правом ускорителе, остановить запуск было уже невозможно. А преждевременная расстыковка орбитера с ускорителями тоже не гарантировала спасения: челнок нельзя назвать хорошим самолетом, и при недостаточной начальной скорости он мог попросту потерять управление или банально не дотянуть до аэродрома. А возможности покинуть его на высоте у экипажа не было.
После гибели «Челленджера» ситуация улучшилась, но не сильно — у экипажа появилась возможность покинуть челнок и совершить спуск на индивидуальных парашютах. Такой способ расширил «окно» возможностей для спасения, но он тоже имеет существенные ограничения, прежде всего по скорости челнока относительно воздуха. Ко всему прочему, покидание челнока должно было производиться физическими усилиями членов экипажа — а перегрузки, тряски и вибрации в ходе аварии стали бы серьезным препятствием на пути людей.

На других пилотируемых аппаратах NASA и СССР были предусмотрены системы аварийного спасения (САС), которые подразумевали отстрел аппарата с экипажем и его приземление на штатных парашютах. В истории было два случая, когда эта система спасла экипажи — в ходе полетов кораблей Союз-18-1 и Союз Т-10-1, причем в последнем случае САС сработала прямо на стартовом столе из-за пожара на ракете-носителе. Наличие САС позволяет спасти жизни космонавтов на любом этапе взлета ракеты, если что-то пойдет не так.
Но САС спасает только спускаемый аппарат — а в случае Space Shuttle это сам челнок массой более 80 тонн (с учетом минимальной загрузки), что потребовало бы очень мощных резервных двигателей и абсолютно нереалистичных парашютов. Гибель «Челленджера» вернула к жизни вариант с катапультируемой капсулой-кабиной — но и он был отвергнут по причинам необходимости радикальной перестройки челнока и серьезного снижения полезной нагрузки, делая его бесполезным. Конечно же, если спасаемая кабина была бы предусмотрена на этапе проектирования орбитера, то потери в нагрузке и сложность системы были бы меньше — но создатели шаттла сознательно пошли на риск в целях удешевления и упрощения и без того крайне дорогой и сложной конструкции.
Катастрофа «Челленджера» (ровно как и катастрофа «Колумбии», «Союза-1» и «Союза-11», а также десятки трагических инцидентов на земле) является напоминанием человечеству о том, что безопасность нельзя приносить в жертву в пользу удешевлению, бóльшей полезной нагрузке, спешке в связи с предстоящими выборами или грядущим съездом партии. О том, что выявленные проблемы нельзя заметать под ковер с мыслями «и так сойдет», а нужно максимально оперативно устранять. О том, что космос — это не игрушка.

Сергей Иванов