Ждать у моря погоды

Перенос запуска космического корабля Crew Dragon из-за погодных условий 27 мая пощекотал нервы стартовой команды и зрителей. Вероятность переноса сохранялась и при второй попытке, но, к счастью, в этот раз погода была значительно лучше, и пуск ракеты состоялся. Мы решили разобраться, какая погода — и как именно — может навредить ракете.

Контролем и прогнозом погоды для запусков из Космического центра им. Кеннеди и для стартовых площадок на мысе Канаверал занимается подразделение ВВС США, которое имеет несколько названий: 45-я погодная эскадрилья, 45-е космическое крыло или 45-я оперативная группа. Она расквартирована на авиабазе ВВС имени Патрика рядом с космодромом, в 40 километрах южнее стартовой площадки, с которой был запущен Crew Dragon. 

Специалисты этого подразделения предоставляют метеорологические данные для обеспечения запусков из Космического центра им. Кеннеди и мыса Канаверал. На основании своих наблюдений 45-я погодная эскадрилья дает прогнозы погоды, рекомендации по дате запуска и оценивает возможную грозовую активность. И выдает предупреждения о границах приемлемых погодных условий для того или другого типа ракеты, которая планируется к запуску.

Эти ограничения опираются на погодные критерии запуска NASA и рассчитываются для каждого типа ракеты-носителя. Они достаточно подробны и охватывают запуск подробным перечнем. Чтобы ощутить глубину проработки такого перечня ограничений, взглянем, как выглядят погодные критерии запуска для Falcon 9. Запуск запрещается, если:

• на высоте 49 метров над взлетной площадкой устойчивый ветер со скоростью более 56 км/ч;

• наблюдается сдвиг ветра в верхних слоях тропосферы — он может вызвать проблемы с управлением ракетой-носителем;

• при полете ракете предстоит пройти облачный слой толщиной более 1400 метров, который распространяется в зону отрицательных температур;

• менее чем в 19 километрах от площадки есть кучевые облака с вершинами, простирающимися до зоны отрицательных температур;

• менее чем в 19 километрах от площадки находится край грозы, в которой наблюдалась молния в течение 30 минут после предыдущей молнии;

• менее чем в 19 километрах от площадки есть грозовое облако-наковальня (мощное кучевое облако с вершиной, расплющившейся об тропопаузу);

• менее чем в 9,3 километров от площадки есть облака плохой погоды, распространяющихся до зоны отрицательных температур и содержащие умеренное или большее количество осадков;

• менее чем в 5,6 километров от площадки есть остатки распавшегося грозового облака;

• ракете предстоит пролет сквозь кучевые облака, образовавшиеся в результате или непосредственно связанные с дымовым шлейфом.

 А также запуск должен быть задержан:

• на 15 минут, если показания прибора измерения напряжённости электрического поля в пределах 9,3 км от стартовой площадки превышают +/- 1500 вольт на метр,

• на 30 минут, если в пределах 19 километров от стартовой площадки или траектории полета наблюдалась молния.

Ограничения по ветру в приземном слое очевидны — горизонтальный ветер большой силы на стартовой площадке может просто повалить ракету в момент ее отрыва от стартового сооружения. Особенно опасны в этот момент шквалистые порывы ветра — внезапное резкое усиление его скорости. При шквалистых усилениях ветра в районе стартовой площадки пуск ракет сегодня не производят. Но так было не всегда.

Также низкие плотные тучи могут быть грозовыми, неся опасность разряда молнии. Для субтропической Флориды совершенно обычны не только грозовые фронты, но и отдельные, локальные внутримассовые грозы, которые могут произойти и в относительно спокойной нижней воздушной массе. Чтобы обезопасить ракету во время обслуживания и пуска, вокруг площадки установлены мачты очень большой высоты, порядка 200 метров, с белыми 25-метровыми колоннами молниеотводов на вершине. Между мачтами протянуты в воздухе металлические провода, охватывающие пространство вокруг головной части ракеты проводящим кольцом, принимающим на себя возможный удар молнии между мачтами.

После отрыва от стартового стола ракета поднимается выше молниеотводов стартовой площадки, становясь удобной целью для атмосферных разрядов. В случае грозовой активности над площадкой и вблизи нее попадание молнии в стартующую ракету не исключено.

Подобное случилось полвека назад, 14 ноября 1969 года, при запуске «Аполлона-12» с той же самой площадки, с которой стартовал в прошлую субботу Crew Dragon. Обстановка в тот день была грозовой и крайне неблагоприятной. Порывы ветра у земли достигали 26 метров в секунду, шел сильный ливень. Директор старта Уолт Каприян, занимавший эту должность впервые, дал разрешение на старт за 13 минут до «времени ноль».

Ракета начала взлет в расчетное время. С ее отрывом от стартового стола дождь усилился (в том числе за счет акустического поля двигателей сверхтяжелого «Сатурна-5», достигавшего 220 децибел), и через 15 секунд ракета ушла в облака. На 37-й секунде полета в нее ударила молния, пройдя через ракету, реактивную струю двигателей, выхлопной след и стартовую башню обслуживания до земли.

Это привело к аварии в электросети и аварийному отключению трех топливных элементов в служебном отсеке. В командном отсеке «Аполлона-12» погас свет, отказало большинство измерительных приборов, загорелось множество аварийных сигналов. Командир экипажа Чарльз Конрад переключил ракету на аварийную систему управления.

На 53-й секунде полета в ракету ударила вторая молния. Отказала гиростабилизированная платформа «Аполлона-12», и следом должен был произойти автоматический сброс командного отсека с экипажем. Но пилот лунного модуля Алан Бин по командам с Земли сумел включить топливные элементы на второй минуте полета. После этих происшествий ракета прошла грозовую облачность, третья ступень с «Аполлоном-12» вышла на опорную орбиту, гироскопы корабля удалось привести в рабочее положение, и корабль перешёл на траекторию к Луне. Запуски в такие грозы больше никогда не производились, а ограничения по метеоусловиям пуска и требования к безопасности полетов американцы пересмотрели. 

Но вот ракета поднялась выше грозовой активности нижнего или среднего яруса облаков. Впереди уже синее небо. Грозит ли ей что-либо еще?

На высоте около 15 километров над землей тропосфера в субтропиках заканчивается тропопаузой — относительно неподвижным атмосферным слоем, разграничивающим тропосферу и стратосферу. Здесь затихают все вертикальные потоки бурлящей тропосферы. Но зато возникают потоки горизонтальные, и временами очень большой силы. Вплотную к тропопаузе, примыкая к ней снизу, формируются высотные струйные течения, которые в субтропических широтах достигают скоростей 100 метров в секунду и больше. Наибольшие скорости струйных течений были зафиксированы над Японией —180-200 метров в секунду. В небе над Флоридой столь быстрых течений не бывает, но десятков метров в секунду они вполне могут достигать.

При этом граница ветра по высоте может быть очень резкой – ниже воздух течет спокойно и в одном направлении, а несколькими метрами выше он значительно сильнее и может иметь другое направление. Это явление называется сдвигом ветра. Оно опасно для самолетов, и не менее опасно для ракет-носителей. Попав головной частью в резкое изменение ветра, носитель может наклониться, изменив угол тангажа, или совершить движение по рысканию, изменив курс: на практике эти два движения происходят одновременно. Система управления полетом должна успеть быстро компенсировать возникшие угловые отклонения ракеты от программных углов для этого времени – при работающих на полную мощность двигателях первой ступени добавочные углы создадут значительное отклонение носителя от расчетной траектории.

Быстрый поворот ракеты-носителя не так прост. 4,5 тонны девяти двигателей «Мерлин» на нижнем крае первой ступени, массивная полезная нагрузка на верху ракеты. Быстро повернуть такую конструкцию с распределенными на концах корпуса массами, увеличивающими инерцию ракеты, означает создать большие управляющие усилия, обычно всегда связанные с потерей части продольной тяги. Поэтому для ракеты определяют ограничения по сдвигу ветра, который может возникать на ее пути.

Быстро входя в высотное струйное течение, ракета испытывает внезапный боковой обдув. Из-за того, что у Falcon 9 относительно тонкий и длинный корпус, сильное и быстрое нагружение боковым ветром может вызвать изгиб, с инерционными колебаниями из-за быстроты нагружения ракеты ветром. Однако прочность корпуса на изгиб рассчитывается с учетом таких ветровых нагрузок. Поэтому, хотя изгибающее ветровое воздействие может возникнуть, оно не создаст ракете больших проблем.

К высоте 15 км ракета подходит уже сверхзвуковой, со скоростью примерно М = 1,5. При этом уже существенно наклонившейся к горизонту. При полете на сверхзвуковой скорости сильное горизонтальное течение воздуха создает косой обдув ракеты. В результате сложения векторов скоростей ракеты и воздуха возникает значительный добавочный угол атаки, под которым на ракету набегает сверхзвуковой встречный поток. Этот угол атаки создает сверхзвуковое сжатие на корпусе ракеты со стороны дующего ветра, а сжатие порождает боковую подъемную силу фюзеляжа. Эта подъемная сила тащит ракету вбок от расчетной траектории.

Компенсация возникшего бокового движения ракеты приносит небольшие добавочные потери скорости. Ракету приходится наклонять к ветру для компенсации сноса, и это отклоняет тягу главных двигателей, снижая тягу вдоль траектории — попросту говоря, уменьшая разгон ракеты при той же работе двигателей. С точки зрения разгона ракеты, это ветровые потери при выведении.

Струйные течения могут возникать также и в нижней и средней стратосфере. Только пройдя стратосферу и достигнув высоты порядка 50 километров взлетающий носитель окончательно оставляет позади все возможные возмущения, которыми может повлиять на его полет атмосфера.

Однако одним влиянием на подъем Falcon 9 погода не ограничивается. Погодные условия должны быть приемлемыми и для приземления первой ступени. Ведь она тоже пересекает атмосферу со сверхзвуковой скоростью, только уже в обратном направлении. И может испытывать при этом добавочные углы атаки при сверхзвуковом обтекании воздухом своего длинного корпуса. Кроме того, на финальной стадии приземления ее не должно ни снести ветром с посадочного круга, ни опрокинуть после вставания на свои раскрывшиеся посадочные опоры. Поэтому ограничения по приемлемой погоде должны выполняться в районе приземления первой ступени.

Экипаж на борту корабля тоже создает повышенные требования к погоде. В случае аварийного отделения корабля от ракеты ему предстоит приводнение в Атлантическом океане. При этом отделение от ракеты возможно в любой точке траектории выведения, а приводнение произойдет в одном из районов, куда корабль будет направлен работой двигателей системы аварийного спасения. И там тоже должна быть приемлемая погода. Поэтому требования по погоде предъявляются не только к району старта, но и нескольким другим локациям, удаленным от старта на сотни километров.

Сразу после старта с берега Атлантического океана, ракета летит в шестом океане — воздушном. Его особенности приходится учитывать, а капризы и сюрпризы отслеживать и прогнозировать. И, как всегда для уходящих в океан, ждать у моря погоды. С надеждой, что погода не подведет, и путешествие сквозь этот океан будет благополучным.