Как катастрофа шаттла Challenger изменила космонавтику

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Кирилл Размыслович

Утром 28 января 1986 г. территорию Космического центра им. Кеннеди огласил уже привычный рев твердотопливных ускорителей и двигателей RS-25. Он ознаменовал 25-й запуск системы Space Shuttle. Корабль многоразового использования Challenger, на борту которого находился экипаж из семи астронавтов, устремился в безоблачное небо.

Несмотря на в целом рутинный характер миссии, полет считался примечательным по нескольким причинам. Во-первых, одной из участниц экипажа была школьная учительница Криста Маколифф (Christa McAuliffe), одержавшая победу в конкурсе «Учитель в космосе» (в нем приняло участие свыше 11 тыс. человек). После выхода шаттла на орбиту она должна была провести несколько уроков по телесвязи. А во-вторых, Challenger стартовал через 16 дней после предыдущего космического челнока. Это было новым рекордом. NASA вплотную подобралась к столь желанной цели запускать шаттлы в космос с интервалом всего в пару недель.

Взрыв шаттла Challenger. Источник: NASA

К сожалению, миссия STS-51L вошла в историю совсем не из-за этого. На 73-й секунде полета, когда Challenger находился на высоте 15 км, на его месте образовался огромный огненный шар. Запуск в прямом эфире транслировался по телевидению, так что о трагедии моментально узнала вся страна. Катастрофа имела огромные последствия как для программы Space Shuttle, так и для всей американской космонавтики, навсегда разделив ее на «до» и» «после».

Головокружение от успехов

Прежде чем перейти к катастрофе Challenger и ее последствиям, нужно сделать отступление и рассказать том, как развивалась программа Space Shuttle до 1986 г. Этот контекст важен для понимания причин трагедии.

Обломок правого крыла корабля Challenger, найденный на дне океана в 20 км от побережья. Источник: NASA

Крылатые корабли впервые отправились в космос в 1981 г. Несмотря на компромиссный характер системы, она предоставила NASA ряд поистине уникальных возможностей. Например, экипажи шаттлов могли заниматься ремонтом спутников прямо в космосе или, при необходимости, снимать грузы с орбиты и возвращать их на Землю. Также челноки можно было использовать в качестве космических монтажников — для сборки крупных сооружений, вроде проектировавшейся орбитальной станции Freedom. Даже по прошествии 35 лет отчеты о некоторых ранних миссиях челноков, в ходе которых астронавты выходили в открытый космос без страховочных фалов и ловили спутники, больше напоминают эпизоды из фантастических фильмов. Подобные операции в космосе не выполнялись ни до, ни после.

Большая вместимость шаттлов и кратковременный характер полетов также дали NASA возможность включать в состав их экипажей «пассажиров» — людей, чьи навыки, скажем так, не особо способствовали успеху самой миссии, но их пребывание в космосе требовалось по политическим соображениям или для укрепления отношений с иностранными партнерами.

Например, в 1985 г. в рамках миссии STS-51D на орбиту отправился американский сенатор Джейкоб Гарн (Jacob Garn). Он запомнился тем, что его организм исключительно плохо адаптировался к невесомости, и позже инженеры NASA позже назвали в его честь шуточный показатель для оценки степени потери работоспособности в космосе. А уже через год одним из «пассажиров» миссии STS-61C стал другой американский сенатор Билл Нельсон (Bill Nelson). Также шаттлы позволили NASA отправить в космос первого астронавта ФРГ и саудовского принца. Все это создало у публики впечатление того, что путешествие на «челноке» мало чем отличается от полета на самолете, и практически любой здоровый человек может спокойно слетать в космос после небольшой тренировки.

Наконец, не стоит забывать, что изначально Space Shuttle задумывался как система, способная в перспективе окупиться. Помимо научных миссий и полетов в интересах Пентагона, челноки также использовались и для вывода различных коммерческих грузов. К середине 1980-х у NASA набрался внушительный список частных заказов. Предполагалось, что уже в недалеком будущем шаттлы смогут полностью заменить одноразовые носители.

Так что нет ничего удивительного в том, что NASA хотела выжать все, что только было возможно, из уникальных возможностей кораблей многоразового использования. Аэрокосмическая администрация старалась нарастить частоту запусков шаттлов путем ввода в строй новых челноков и уменьшения времени их послеполетного обслуживания. Статистика первых пять лет программы наглядно демонстрирует этот процесс.

  •       1981 г. — 2 полета
  •       1982 г. — 3 полета
  •       1983 г. — 4 полета
  •       1984 г. — 5 полетов
  •       1985 г. — 9 полетов

Следующий, 1986 год должен был стать рекордным. NASA планировала осуществить не менее 15 запусков шаттлов.

Но в тени этих успехов крылись фундаментальные проблемы, которые в итоге и привели к катастрофе. Шаттлы справедливо называли самыми сложными машинами в истории. Они состояли из тысяч различных деталей — и отказ многих из них мог вызвать аварию. Еще до катастрофы Challenger в 1986 г. челноки несколько раз приближались к опасной грани. Например, во время посадки миссии STS-9 в двигательном отсеке шаттла Columbia произошла утечка гидразина, вызвавшая пожар. Случись возгорание на пару минут раньше, корабль потерял бы управление и попросту разбился. Такая же судьба могла постигнуть и Discovery (миссия STS-51D). При посадке у него произошло серьезное повреждение стойки шасси, из-за чего он чуть не вылетел за пределы ВПП. А во время миссии STS-51F у корабля Challenger отказал один из трех двигателей. Случись это на 20 секунд раньше, и экипажу пришлось бы совершать аварийную трансатлантическую посадку в Испании.

Вывоз шаттла Challenger на стартовую позицию. Источник: NASA

При этом по мере увеличения частоты полетов шаттлов росла и нагрузка на инженеров, занимавшихся подготовкой крылатых кораблей. По воспоминаниям очевидцев, к концу 1985 г. обслуживающий персонал был до предела вымотан. Специалистам приходилось работать без выходных, чтобы хоть как-то выдержать намеченные NASA сроки. Нехватка персонала и стремление как можно чаще запускать челноки в космос привели к тому, что должностные лица начали закрывать глаза на сопровождавшие полеты крылатых кораблей опасные инциденты. Это оправдывалось следующей логикой: раз в итоге все разрешилось благополучно — значит, система имеет достаточный ресурс безопасности и беспокоиться не о чем.

Наконец, последней фундаментальной проблемой было то, что шаттлы не имели абсолютно никакой системы спасения астронавтов в случае своего разрушения. Да, NASA разработала различные сценарии аварийных посадок крылатых кораблей. Но они могли использоваться лишь в ситуациях, если сам шаттл сохранил целостность конструкции и управляемость. В остальных же случаях экипаж был фактически обречен.

Все это стало рецептом грядущей катастрофы. Как стало понятно позже, вопрос заключался не в «если», а «когда» она произойдет. В итоге судьба выбрала миссию STS-51L. По злой иронии, причиной всего произошедшего стали твердотопливные ускорители, являвшиеся чуть ли не самым простым компонентом шаттлов, где, как считалось, было попросту нечему ломаться.

Гибель Challenger

Система Space Shuttle была оснащена парой твердотопливных ускорителей, обеспечивавших основную часть тяги начиная с момента отрыва от стартового стола и заканчивая отметкой в 46 км. Они были оснащены самым мощным ракетным двигателем из всех, когда-либо применявшихся в истории космонавтики. После выгорания топлива ускорители отделялись от шаттла и спускались на парашютах в океан, после чего использовались повторно.

Каждый ускоритель состоял из четырех отдельных стальных сегментов. Места их соединения были закрыты уплотнительными кольцами, которые в теории должны были выдержать воздействие раскаленных газов и не допустить их прорыва. В реальности уже после второго полета шаттлов (миссия STS-2) на одном из уплотнений бокового ускорителя были найдены следы термического повреждения. Это открытие стало настоящим шоком для сотрудников построившей ускорители фирмы Thiokol. Однако, вместо того, чтобы приостановить полеты и переделать конструкцию, было решено провести эксперимент. Инженеры намеренно повредили уплотнительное кольцо, после чего подвергли его воздействию более высокого давления, чем во время запуска шаттла. Оно выдержало испытание. Поэтому NASA решила продолжить эксплуатацию системы. А повреждения, полученные во время миссии STS-2, стали контрольным образцом, с которым сравнивались все последующие ускорители.

В дальнейшем инженеры неоднократно находили следы повреждений на боковых ускорителях. Но каждый раз степень разрушения была меньшей, чем во время миссии STS-2. Поэтому полеты челноков продолжались и считалось, что все вроде как в порядке. Позже этот подход получил название «нормализация отклонений».

Лед на стартовой площадке перед запуском шаттла Challenger. Источник: NASA

Ночь с 27 на 28 января выдалась необычайно холодной по меркам Флориды. Температура в районе мыса Канаверал опустилась  до -1 °С. Некоторые из специалистов забили тревогу. Во время одного из предыдущих запусков, состоявшегося после того, как шаттл простоял на стартовой площадке холодную ночь, были отмечены особенно сильные повреждения соединения. Появилось предположение, что низкие температуры уменьшили гибкость вулканизированного уплотнительного материала, сделав его более хрупкими и уязвимым для нагрузок. Известно, что утром 28 января несколько инженеров Thiokol требовали отмены предстоящего запуска. Но, не желая срывать намеченный график полетов, должностные лица NASA выступили против. Что касается экипажа Challenger, то он и вовсе не знал о существовании каких-то проблем с ускорителями.

Прорывающееся через уплотнительное кольцо твердотопливного ускорителя пламя. Источник: NASA

После того, как Challenger оторвался от стартового стола, корабль был обречен. Вскоре струя раскаленных газов пробилась через потерявшее эластичность уплотнительное кольцо и начала бить в топливный бак. Она пробила в нем дыру, а также пережгла соединение с самим ускорителем. В итоге ускоритель попросту оторвался и ударил в топливный бак, что привело к его мгновенному разрушению.

Пережившая взрыв кабина экипажа корабля Challenger. Источник: NASA

Самое страшное заключается в том, что кабина с семью астронавтами пережила разрушение бака. Она продолжила полет по баллистической траектории и достигла высоты в 18 км, после чего упала в океан. Последующее расследование показало, что как минимум несколько членов экипажа оставались в сознании после катастрофы. Они активировали персональные приборы подачи воздуха и переключили некоторые тумблеры, пытаясь восстановить энергоснабжение. Но в сложившейся ситуации астронавты уже не могли ничего изменить. Через две минуты свободного падения кабина ударилась о поверхность Атлантического океана на скорости около 333 км/ч с перегрузкой свыше 200 g, мгновенно убив всех, кто находился на борту.

Прямые и косвенные последствия катастрофы Challenger

Для расследования причин катастрофы была создана независимая комиссия. В нее вошли представители научных кругов, космической и авиационной промышленности и военных ведомств, включая астронавта Нила Армстронга (Neil Armstrong) и нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана (Richard Feynman). Через несколько месяцев комиссия предоставила отчет, в котором было указано, что прямой причиной катастрофы стало вызванное конструкторским просчетом разрушение уплотнительного кольца твердотопливного ускорителя под воздействием горячих газов.

Нил Армстронг выслушивает показания одного из очевидцев катастрофы шаттла Challenger. Источник: NASA

Комиссия также подвергла жесткой критике культуру принятия решений внутри NASA и практику «нормализации отклонений», которая и обрекла Challenger. В ходе расследования выявилось множество недоработок конструкции шаттлов и многочисленные случаи замалчивания фактов, которые могли повредить публичному имиджу аэрокосмической администрации. В своем докладе Ричард Фейман подвел следующий итог случившемуся с Challenger: «Для успешного развития технологий реальность должна ставиться выше пиара, ибо природу не одурачишь».

Наиболее очевидным последствием катастрофы стал почти трехлетний перерыв, в течение которого флот «челноков» оставался прикован к Земле. Лишь после того, как инженеры передали конструкцию твердотопливного ускорителя, они смогли возобновить полеты. На замену погибшему шаттлу Challenger был построен новый корабль Endeavour.

Поднятые со дна океана обломки шаттла. Источник: NASA

Но, хоть челноки и возобновили полеты, это была уже совсем не та программа Space Shuttle, что в первой половине 1980-х. Из-за пересмотра стандартов безопасности крылатые корабли больше никогда не летали с прежней интенсивностью. Девять запусков в 1985 г. так и остались рекордными. Еще более важным последствием катастрофы стало решение полностью отказаться от использования шаттлов для запуска коммерческих грузов. Challenger вынудил NASA навсегда забыть о самоокупаемости программы и планах по замене челноками одноразовых ракет. Вдобавок аэрокосмической администрации также пришлось отказаться от эксплуатации установок для перемещения астронавтов в открытом космосе и миссий, в ходе которых шаттлы снимали неисправные спутники с орбиты и возвращали их на Землю для ремонта. Практически полностью были прекращены полеты «пассажиров».

Мало кто это помнит, но изначально шаттлы должны были запускаться не только с мыса Канаверал, но и с базы ВВС США Ванденберг. Подобные миссии были интересны военным. Использование Ванденберга позволило бы выводить грузы на полярные и солнечно-синхронные орбиты.

Корабль Enterprise на базе ВВС США Ванденберг и пусковой комплекс, построенный для запусков шаттлов. Источник: NASA

Эти планы были очень близки к реализации. Для миссий шаттлов на базе Ванденберг был возведен пусковой комплекс SLC-6 и удлинена существующая взлетно-посадочная полоса. После успешного завершения тестов с использования атмосферного прототипа Enterprise первый запуск крылатого корабля с западного побережья США (миссия STS-62-A) был назначен на 15 октября 1986 г. Но после катастрофы Challenger американские ВВС быстро приняли решение отказаться от планов по использованию шаттлов. 4 млрд долларов, выделенные на переоборудования Ванденберга и подготовку запусков на полярные орбиты, оказались потрачены впустую.

Гибель Challenger косвенным образом привела к другой катастрофе. Из-за длительного перерыва в полетах шаттлов на заводе PEPCON, производившем топливо для твердотопливных ускорителей, остались большие запасы неиспользованного перхлората аммония. 4 мая 1988 г. там возник пожар, приведший к серии детонаций, фактические сравнявших с землей все производство. По оценкам, суммарная энергия взрывов составила приблизительно одну килотонну в тротиловом эквиваленте. Катастрофа привели к гибели двух и ранениям 372 человек, а сумма нанесенного ущерба составила около 100 млн долларов.

Уничтоженный взрывом завод PEPCON. Источник: NASA

Большой удар был причинен и научной программе. Например, знаменитый телескоп Hubble изначально должен был отправиться на орбиту в сентябре 1986 г. На период до возобновления полетов шаттлов обсерватория была помещена на долговременное хранение в специальное помещении с искусственно очищенной атмосферой. Один месяц нахождения телескопа в хранилище обходился в 6 млн долларов. Эти расходы значительно увеличили общую смету проекта.

Ужесточение стандартов безопасности также привело к тому, что NASA решила не брать на борт шаттлов мощные разгонные блоки Centaur G, которые могли обеспечить исследовательским аппаратам перелет к другим планетам по прямой траектории без гравитационных маневров. Это сыграло важную роль в истории миссий Galileo и Ulysses, чьи запуски тоже изначально должны были состояться в 1986 г. Из-за катастрофы Challenger они отправились в космос лишь в 1989 и 1990 г. соответственно. Их пришлось оснастить менее мощными разгонными блоками, что значительно увеличило время полета к цели.

Шаттл и разгонный блок Centaur G (концепт). Источник: NASA

Для Galileo это обстоятельство чуть не стало роковым. Чтобы компенсировать отсутствие разгонного блока, инженерам пришлось разработать новую траекторию полета, включавшую выполнение не предусмотренного ранее гравитационного маневра у Венеры. Поскольку основная антенна аппарата не была рассчитана на воздействие высоких температур, было решено не разворачивать ее, пока он не удалится на безопасное расстояние от Солнца. До этого момента Galileo использовал маломощную вспомогательную антенну.

В итоге, когда Galileo приступил к развертыванию основной антенны, ее попросту заклинило и она так и не смогла раскрыться. Из-за этого на протяжении всей своей последующей миссии аппарату приходилось поддерживать контакт с Землей исключительно через вспомогательную антенну, что негативно сказалось на эффективности его работы. Из-за ее малой мощности Galileo передал намного меньше данных, чем смог бы, если бы основная антенна сохранила работоспособность.

Запуск аппарата Galileo. Источник: NASA

Стоит сказать, что это далеко не все последствия катастрофы шаттла Challenger. Но даже по приведенным примерам можно представить ее масштаб. Гибель корабля запустила настоящую цепную реакцию, так или иначе затронувшую практически все аспекты американской космической индустрии.

В завершение стоить сказать, что, хоть инженеры и переработали конструкцию твердотопливных ускорителей, сделав их более безопасными, в конструкции шаттлов осталось слишком много уязвимых мест и компонентов, поломка или повреждение которых могла привести к катастрофе. А поскольку «челноки» так и не получили полноценной системы спасения экипажа, любая серьезная авария априори оставалась смертельной для астронавтов. К тому же, несмотря на все усилия по улучшению организационной структуры и культуры принятия решений в NASA, многие нормы так и не сумели укрепиться. Все это создало предпосылки для следующей катастрофы.

Уже во время миссии STS-27 в 1988 г. отвалившийся от бокового ускорителя осколок ударил по теплозащитному покрытию шаттла Atlantis. Инцидент был зафиксирован наземными камерами, и после выхода на орбиту экипаж развернул манипулятор с камерой для осмотра места удара. Астронавты были очень обеспокоены увиденным. Шаттл лишился одной плитки, в то время как многие другие оказались повреждены. Но из-за низкого качества трансляции специалисты на Земле не смогли разглядеть повреждения и попросту не поверили словам экипажа, решив, что его обманула игра света и тени. Несмотря на все попытки астронавтов объяснить серьезность положения, в ЦУП не стали предпринимать никаких действий.

Расплавленный металл на месте сорванной теплозащитной плитки миссии STS-27. Источник: NASA

В итоге Atlantis все же совершил благополучную посадку. Но по итогам осмотра техники насчитали в общей сложности свыше 700 поврежденных плиток, протянувшихся на половину длины корабля. Его спасло то, что на месте сорванной плитки находилась дополнительная алюминиевая пластина, закрывавшая одну из антенн. Фактически повреждение образовалось чуть ли не в единственно возможном месте, где оно могло существовать и не привести к гибели корабля. Удар в любую другую точку шаттла привел бы к его разрушению во время входа в атмосферу.

Экипаж миссии STS-27 рассматривает повреждения на месте сорванной теплозащитной плитки. Источник: NASA

Экипажу STS-27 очень повезло. После полета инженеры внесли еще одно изменение в конструкцию бокового ускорителя. Но NASA так и не сделала никаких долговременных выводов из случившегося и не разработала процедуры контроля на случай повторения подобной ситуации.

16 января 2003 г. во время запуска шаттла Columbia от топливного бака отвалился кусок теплоизоляции, ударивший по левой плоскости крыла «челнока». После изучения видеозаписи старта инженеры обратили внимание на это событие. Но в ходе последующего анализа руководство NASA постановило, что инцидент не представляет никакой опасности для корабля. Несмотря на просьбы некоторых технических специалистов, ведомство отказались поддержать отправку запроса Пентагону на съемку Columbia с использованием одного из разведывательных спутников.

Обломки шаттла Columbia. Источник: NASA

23 января командир экипажа и второй пилот шаттла Columbia получили электронное письмо от директора полета, в котором содержалась следующая фраза: «Эксперты изучили высокоскоростную съемку и пришли к выводу, что у них нет опасений по поводу возможного повреждения теплозащиты. Мы уже наблюдали схожие инциденты во время некоторых других миссий и у нас нет абсолютно никаких поводов для беспокойства по поводу входа в атмосферу». Через восемь дней Columbia разрушилась во время возвращения на Землю. Катастрофа унесла жизни семи астронавтов.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine