Як загибель шатла Challenger змінила космонавтику

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Кирило Размислович

Вранці 28 січня 1986 року на території Космічного центру ім. Кеннеді заревли твердопаливні прискорювачі та двигуни RS-25. Цей звук ознаменував 25-й запуск системи Space Shuttle. Корабель багаторазового використання Challenger, на борту якого перебував екіпаж із семи астронавтів, піднявся в безхмарне небо.

Попри загалом рутинний характер місії, цей політ вважався цікавим із кількох причин. По-перше, однією з його учасниць була шкільна вчителька Кріста Маколіфф, яка здобула перемогу в конкурсі «Учитель у космосі» (в ньому брали участь понад 11 тис. осіб). Після виходу шатла на орбіту вона мала провести кілька уроків по телезв’язку. А по-друге, Challenger стартував через 16 днів після попереднього «космічного човника». Це було новим рекордом. NASA впритул підібралася до такої бажаної мети, як запуск шатлів у космос з інтервалом у пару тижнів.

Вибух шатла Challenger. Джерело: NASA

На жаль, місія STS-51L увійшла в історію зовсім не через це. На 73-й секунді польоту, коли Challenger перебував на висоті 15 км, на його місці утворилася величезна вогняна куля. Запуск транслювався у прямому ефірі, тож про трагедію відразу дізналися всі глядачі. Катастрофа мала величезні наслідки як для програми Space Shuttle, так і для всієї американської космонавтики, назавжди розділивши її на «до» та «після».

Запаморочення від успіхів

Перш ніж перейти до катастрофи корабля Challenger і її наслідків, необхідно розповісти про те, як розвивалася програма Space Shuttle до 1986 року. Цей контекст важливий для розуміння причин трагедії.

Фрагмент правого крила корабля Challenger, піднятий з дна океану командою підводників військового корабля Opportune. Він знаходився у 20 км від берега на глибині понад 20 м. Джерело: NASA

Крилаті кораблі вперше вирушили в космос 1981 року. Попри компромісний характер системи, вона надала NASA низку справді унікальних можливостей. Наприклад, екіпажі шатлів могли ремонтувати супутники прямо в космосі або, у разі необхідності, знімати вантажі з орбіти та повертати їх на Землю. Також «човники» можна було використовувати як космічні монтажники — для складання великих споруд (на кшталт орбітальної станції Freedom). Навіть 35 років потому звіти про деякі ранні місії багаторазових кораблів, коли астронавти виходили у відкритий космос без страхувальних фалів і ловили супутники, більше нагадують епізоди з фантастичних фільмів. Подібні операції в космосі не виконувались ані до, ані після цього.

Велика місткість шатлів і короткочасний характер їх польотів також надали NASA можливість включати до складу їхніх екіпажів «пасажирів» — людей, чиї навички, скажімо так, не сильно впливали на успіх самої місії, але їхнє перебування в космосі необхідне було з політичних міркувань або для зміцнення відносин з іноземними партнерами.

Наприклад, 1985 року в межах місії STS-51D на орбіту вирушив американський сенатор Джейкоб Гарн (Jacob Garn). Він запам’ятався настільки поганою адаптацією до невагомості, що інженери NASA пізніше назвали на його честь жартівливий показник, який оцінював ступінь втрати працездатності в космосі. За рік потому одним із «пасажирів» місії STS-61C став інший американський сенатор — Білл Нельсон (Bill Nelson). Також на шатлах у навколоземний простір вирушили перший астронавт ФРН і саудівський принц. Все це створило у публіки враження, що подорож на «човнику» мало чим відрізняється від польоту на літаку, і практично будь-яка здорова людина може спокійно злітати в космос після невеликого тренування.

Нарешті, не варто забувати, що спочатку Space Shuttle планувався як система, здатна в перспективі окупитися. Крім наукових місій і польотів в інтересах Пентагону, «човники» також використовувалися для виведення на орбіту різних комерційних вантажів. До середини 1980-х у NASA набрався чималий перелік приватних замовлень. Передбачалося, що вже в недалекому майбутньому шатли зможуть повністю замінити одноразові носії.

Тож немає нічого дивного в тому, що NASA хотіла вичавити максимум із унікальних характеристик кораблів багаторазового використання. Аерокосмічна адміністрація намагалася наростити частоту запусків шатлів через введення в експлуатацію нових «човників» і зменшення часу їхнього обслуговування після польотів. Статистика перших п’яти років програми наочно демонструє цей процес.

  • 1981 р. — 2 польоти
  • 1982 р. — 3 польоти
  • 1983 р. — 4 польоти
  • 1984 р. — 5 польотів
  • 1985 р. — 9 польотів

1986 рік мав стати рекордним. NASA планувала здійснити не менше 15 запусків шатлів. Але в тіні цих успіхів крилися фундаментальні проблеми, які у підсумку й призвели до катастрофи. Багаторазові космічні кораблі справедливо називали найскладнішими машинами в історії. Вони складалися з тисяч різних деталей, і відмова багатьох із них могла спричинити аварію. Ще до вибуху Challenger у 1986 році «човники» кілька разів наближалися до небезпечної межі. Наприклад, під час посадки місії STS-9 у відсіку двигунів шатла Columbia стався витік гідразину, який спричинив пожежу. Якби загоряння сталося кількома хвилинами раніше, корабель би втратив управління і розбився. Така ж доля могла спіткати й Discovery (місія STS-51D). Під час його посадки відбулося серйозне пошкодження стійки шасі, через що він мало не вилетів за межі злітно-посадкової смуги. А під час місії STS-51F у шатла Challenger відмовив один із трьох двигунів. Якби це сталося на 20 секунд раніше, екіпажу довелося би здійснювати аварійну трансатлантичну посадку в Іспанії.

Туманним січневим ранком Challenger востаннє вивезлина стартову позицію. Джерело: NASA

Водночас зі збільшенням частоти польотів шатлів зростало навантаження на інженерів, які працювали над крилатими кораблями. За спогадами очевидців, до кінця 1985 року обслуговуючий персонал був надто втомлений. Фахівцям доводилося працювати без вихідних, щоб хоч якось вкластися в намічені терміни. Брак персоналу і прагнення NASA якомога частіше запускати  «човники» в космос призвели до того, що посадові особи почали закривати очі на небезпечні інциденти, котрі супроводжували польоти багаторазових кораблів. Це виправдовувалося такою логікою: якщо в підсумку все гаразд — значить, система має достатній ресурс безпеки й турбуватися не варто.

Останньою фундаментальною проблемою було те, що шатли не мали жодної системи порятунку астронавтів у разі свого руйнування. Так, NASA розробила  різні сценарії аварійних посадок, але вони могли використовуватися лише за умови, що сам корабель зберіг цілісність конструкції та керованість. В інших же випадках екіпаж був фактично приречений.

Все це робило прийдешню катастрофу неминучою. Як стало зрозуміло пізніше, питання полягало не в «якщо», а «коли» вона відбудеться. У підсумку, доля вибрала місію STS-51L. За злою іронією, причиною всього, що сталося, виявилися твердопаливні прискорювачі — чи не найпростіші компоненти шатлів, у яких, як вважалося, просто не було чому ламатися.

Чому загинув Challenger

Система Space Shuttle була оснащена парою твердопаливних прискорювачів, що забезпечували основну частину тяги, починаючи від моменту відриву від стартового столу і завершуючи позначкою в 46 км. Вони мали найпотужніші ракетні двигуни з усіх, що коли-небудь застосовувалися в історії космонавтики. Після вигоряння палива прискорювачі відділялися від шатла та спускалися на парашутах в океан, після чого виловлювалися спеціальними кораблями й використовувалися повторно.

Кожен прискорювач складався з чотирьох окремих сталевих сегментів. Місця їхнього з’єднання були закриті ущільнювальними кільцями, які теоретично мусили витримати вплив розжарених газів і не допустити їхнього прориву. Насправді вже після другого польоту шатлів (місія STS-2) на одному з ущільнень знайшли сліди термічного пошкодження. Це відкриття стало справжнім шоком для інженерів фірми Thiokol, яка  побудувала прискорювачі. Однак замість того, щоб тимчасово припинити польоти й переробити конструкцію, фахівці вирішили провести експеримент. Вони навмисно пошкодили кільце ущільнювача та піддали його впливу більш високого тиску, ніж під час запуску шатла. Випробування було пройдено. Тому NASA вирішила продовжити експлуатацію системи. А пошкодження, отримані під час місії STS-2, стали контрольним зразком, із яким порівнювалися всі наступні прискорювачі.

Надалі інженери неодноразово знаходили сліди пошкоджень на бічних прискорювачах. Але щоразу ступінь руйнування була меншою, ніж під час місії STS-2. Польоти «човників» тривали, бо вважалося, що нібито все гаразд. Пізніше цей підхід отримав назву «нормалізація відхилень».

Лід на стартовій позиції шатлів. Джерело: NASA

Ніч із 27 на 28 січня видалася надзвичайно холодною як для Флориди. Температура в районі мису Канаверал опустилася до -1°С. Деякі фахівці забили на сполох. Під час одного з попередніх запусків, що відбувся після того, як шатл простояв на стартовому майданчику холодну ніч, були виявлені сильні пошкодження з’єднання. Існувало припущення, що низькі температури зменшили гнучкість вулканізованого ущільнювального матеріалу, зробивши його більш крихким і вразливим для навантажень. Відомо, що вранці 28 січня кілька інженерів Thiokol вимагали скасування майбутнього запуску. Але, не бажаючи зривати запланований графік польотів, посадові особи NASA виступили проти. Що стосується екіпажу Challenger, то він і поготів не знав про існування проблем із прискорювачами.

Полум’я проривається крізь пошкоджене ущільнювальне кільце. Джерело: NASA

Після того, як Challenger відірвався від стартового столу, шатл був приречений. Незабаром струмінь розжарених газів прорвався крізь кільце ущільнювача, яке втратило свою еластичність, і пробив дірку в центральному паливному баку (що виготовлявся зі сталі завтовшки менше міліметра з 2,5-сантиметровим пінопластовим покриттям), а також перепалив з’єднання з самим прискорювачем. У результаті останній просто відірвався і вдарив у паливний бак, що призвело до його миттєвого руйнування.

Вціліла під час руйнації кабіна шатла Challenger. Джерело: NASA

Найстрашніше полягало в тому, що кабіна з сімома астронавтами пережила руйнування бака. Вона продовжила політ по балістичній траєкторії, досягла висоти 18 км і впала в океан. Розслідування показало, що як мінімум кілька членів екіпажу залишалися притомними після катастрофи. Вони активували персональні пристрої подачі повітря та перемкнули деякі тумблери, намагаючись відновити енергопостачання. Але в ситуації, що склалась, астронавти вже не могли нічого вдіяти. Через дві хвилини вільного падіння кабіна вдарилася об поверхню Атлантичного океану на швидкості майже 333 км/год і з перевантаженням понад 200 g. Усі, хто перебував на борту, загинули миттєво.

Прямі та непрямі наслідки катастрофи

Для розслідування причин катастрофи шатла Challenger була створена незалежна комісія, до складу якої увійшли представники наукових кіл, космічної та авіаційної промисловості й військових відомств, а також астронавт Ніл Армстронг (Neil Armstrong) і нобелівський лауреат з фізики Річард Фейнман (Richard Feynman). Через кілька місяців комісія надала звіт, у якому стверджувалося, що прямою причиною інциденту стало викликане конструкторським прорахунком руйнування кільця ущільнювача твердопаливного прискорювача під впливом гарячих газів.

Ніл Армстронг — перша людина на Місяці — у якості члена урядової комісії з розслідування вибуху шатла Challenger заслуховує свідчення очевидців катастрофи на спеціальному засіданні у Вашингтоні 11 лютого 1986 року. Джерело: NASA

Комісія також жорстко розкритикувала культуру ухвалення рішень всередині NASA і практику «нормалізації відхилень», яка, власне, й прирекла Challenger. У процесі розслідування було виявлено безліч недоробок конструкції шатлів і численні випадки замовчування фактів, які могли зашкодити публічному іміджу аерокосмічної адміністрації. У своїй доповіді щодо катастрофи Річард Фейман зауважив: «Для успішного розвитку технологій реальність має бути вищою за піар, бо природу не обдуриш».

Найочевиднішим наслідком катастрофи стала майже трирічна перерва, впродовж якої флот шатлів залишався «прикутим» до Землі. Лише після того, як інженери переробили конструкцію твердопаливного прискорювача, «човники» змогли відновити польоти. Загиблий Challenger замінили новим кораблем Endeavour.

Уламки шатла, підняті з дна океану. Джерело: NASA

Попри відновлення польотів, у подальшому програма Space Shuttle лише позірно нагадувала ту, що була в першій половині 1980-х. Через перегляд стандартів безпеки крилаті кораблі більше ніколи не літали з колишньою інтенсивністю. Дев’ять запусків у 1985 році так і залишилися рекордними. Ще важливішим наслідком катастрофи стало рішення повністю відмовитися від використання шатлів для запуску комерційних вантажів. Керівництву NASA довелося назавжди забути про самоокупність програми та плани заміни «човниками» одноразових ракет, а також відмовитися від експлуатації установок для самостійного переміщення астронавтів у відкритому космосі та місій, під час яких шатли знімали несправні супутники з орбіти й повертали їх на Землю для ремонту. На додаток були практично повністю припинені польоти «пасажирів».

Мало хто пам’ятає, але спочатку шатли мали запускатися не тільки з мису Канаверал, але і з бази ВПС США Ванденберг на узбережжі Тихого океану. Подібні місії були цікаві військовим. Використання цієї бази дозволило би виводити вантажі на полярні та сонячно-синхронні орбіти.

Enterprise на базі Ванденберг і пусковий комплекс, побудований для шатлів. Джерело: NASA

Ці плани були дуже близькі до реалізації. Для місій шатлів на базі Ванденберг звели пусковий комплекс SLC-6 і подовжили злітно-посадкову смугу. Після успішного завершення тестів атмосферного прототипу Enterprise перший старт крилатого корабля з західного узбережжя США (місія STS-62-A) був призначений на 15 жовтня 1986 року. Але загиблий Challenger змусив американські ВПС відмовитися від планів щодо використання шатлів. 4 млрд доларів, виділені на переобладнання Ванденберга і підготовку запусків на полярні орбіти, були витрачені даремно.

Загибель шатла Challenger непрямим чином призвела до іншої катастрофи. Через тривалу перерву в польотах багаторазових кораблів на заводі PEPCON, що виробляв паливо для твердопаливних прискорювачів, залишилися великі запаси невикористаного перхлорату амонію. 4 травня 1988 року там виникла пожежа, що спричинила серію детонацій, які фактично зрівняли з землею все підприємство. За оцінками, сумарна енергія вибухів склала приблизно одну кілотонну в тротиловому еквіваленті. Вони призвели до загибелі двох і поранень 372 осіб, а сума завданих збитків склала майже 100 млн доларів.

Завод PEPCON знищений пожежею. Джерело: wikipedia.org

Великого удару зазнала й наукова програма. Наприклад, знаменитий телескоп Hubble спочатку повинен був відправитися на орбіту в вересні 1986 року. На період до відновлення польотів шатлів обсерваторію помістили на довгострокове зберігання в спеціальне приміщення зі штучно очищеною атмосферою. Місяць її перебування у такому сховищі вартував 6 млн доларів. Ці витрати значно збільшили загальний кошторис проєкту.

Через жорсткіші стандарти безпеки NASA вирішила не брати на борт шатлів потужні розгінні блоки Centaur G, які могли забезпечити дослідницьким апаратам переліт до інших планет по прямій траєкторії без гравітаційних маневрів. Це зіграло важливу роль в історії місій Galileo і Ulysses, запуски яких теж спочатку мали відбутися 1986 року. Challenger вніс свої корективи — міжпланетні зонди вирушили в космос лише в 1989 і 1990 роках відповідно. Аерокосмічній адміністрації довелося оснастити апарати менш потужними розгінними блоками. Для першого з них ця обставина мало не стала фатальною.

Шатл і розгінний блок Centaur G (концепт). Джерело: NASA

Інженерам довелося розробити нову траєкторію польоту, що включала виконання непередбаченого раніше гравітаційного маневру біля Венери. Оскільки основна антена Galileo не була розрахована на вплив високих температур, її вирішили не розгортати, поки апарат не опиниться на безпечній відстані від Сонця, і на перших етапах місії використовували малопотужну допоміжну антену.

У підсумку, коли автоматичний розвідник приступив до розгортання основної антени, її просто заклинило — вона так і не змогла повністю розкритися. Впродовж усієї місії апарату доводилося підтримувати контакт із Землею через допоміжну антену, що негативно позначилося на ефективності його роботи. Через її малу потужність Galileo передав набагато менше даних, ніж зміг би, якби його основна антена зберегла працездатність.

Запуск міжпланетного апарата Galileo. Джерело: NASA

Зрозуміло, це далеко не всі наслідки катастрофи шатла Challenger. Але навіть зі згаданих вище прикладів можна уявити її масштаб. Загибель корабля запустила справжню ланцюгову реакцію, яка так чи інакше зачепила практично всі аспекти американської космічної індустрії.

На завершення варто сказати, що хоча інженери й переробили твердопаливні прискорювачі, зробивши їх більш безпечними, в конструкції шатлів залишилося занадто багато вразливих місць і компонентів, пошкодження яких могли призвести до непоправних наслідків. А оскільки «човники» так і не отримали повноцінної системи порятунку екіпажу, будь-яка серйозна аварія апріорі залишалася смертельною для астронавтів. До того ж, попри всі зусилля щодо поліпшення організаційної структури та культури ухвалення рішень у NASA, багато норм так і не закріпилися. Все це створило передумови для наступної катастрофи.

Уже під час місії STS-27 в 1988 році уламок, що відокремився від бокового прискорювача, вдарив по теплозахисному покриттю шатла Atlantis. Інцидент зафіксували наземні камери. Після виходу на орбіту екіпаж розгорнув маніпулятор з бортовою телекамерою та оглянув місце удару. Астронавти були дуже занепокоєні побаченим. Atlantis позбувся однієї плитки теплозахисту, а багато інших були пошкоджені. Але через низьку якість трансляції фахівці на Землі не змогли розгледіти дефекти й просто не повірили словам екіпажу, вирішивши, що його ввела в оману гра світла і тіні. Попри всі спроби команди корабля пояснити серйозність становища, Центр управління польотом не вживав жодних заходів.

Розплавлений метал на місці зірваної теплозахисної плитки (місія STS-27). Джерело: NASA

Врешті Atlantis здійснив благополучну посадку. Але за підсумками огляду обслуговуючий персонал нарахував у цілому понад 700 пошкоджених плиток, що простягалися на половину довжини шатла. Його врятувало те, що на місці зірваної плитки була додаткова алюмінієва пластина, яка закривала одну з антен. Фактично, пошкодження утворилося мало не в єдино можливому місці, де воно не призвело би до загибелі корабля. Удар у будь-яку іншу точку шатла призвів би до його руйнування під час входу в атмосферу.

Екіпаж оглядає пошкодження на місці вибитої під час запуску плитки теплозахисту. Джерело: NASA

Екіпажу STS-27 дуже пощастило. Після польоту інженери внесли ще одну зміну в конструкцію бічного прискорювача. Але NASA так і не зробила жодних довгострокових висновків з того, що сталося, і не опрацювала процедури контролю на випадок повторення подібної ситуації.

16 січня 2003 року під час запуску шатла Columbia від паливного бака відірвався шматок теплоізоляції, який ударив по лівій площині крила «човника». Після вивчення відеозапису старту інженери звернули увагу на цю подію. Але під час подальшого аналізу керівництво NASA вирішило, що інцидент не становить жодної небезпеки для місії. Попри прохання деяких технічних фахівців, аерокосмічна адміністрація відмовилася підтримати відправку запиту Пентагону на зйомку корабля з використанням одного з розвідувальних супутників.

Уламки шатла Columbia. Джерело: NASA

23 січня командир екіпажу та другий пілот шатла отримали електронного листа від директора польоту, в якому була така фраза: «Експерти вивчили високошвидкісну зйомку і дійшли висновку, що не мають побоювань із приводу можливого пошкодження теплозахисту. Ми вже спостерігали схожі інциденти під час деяких інших місій, але у нас немає жодних приводів для занепокоєння щодо входу в атмосферу». Через вісім днів Columbia зруйнувалася під час повернення на Землю. Катастрофа забрала життя семи астронавтів.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine