Space Shuttle + Космический корабль

Всем привет! Натолкнулся тут на одну статью, не смотря на то что обожаю космос и много читал и про наши и про миссии США - про эту ничего не знал и кажется про это не писали тут, да и в вики мало информации, решил записать перевод .

Оказывается печально известный Шаттл Коламбия, погибший 1 Февраля 2003 года , из-за разрушения левого крыла, вызванного потерей плитки теплозащиты при запуске, мог быть потерян еще в 1999 , 23 июля при запуске миссии STS-93.

У него возникли две серьезные проблемы, которые должны были привести к катастрофе, но чудесным образом они взаимно друг друга компенсировали, что спасло экипаж от гибели.

Тяжелая полезная нагрузка STS-93

Чтобы понять, почему этот полет был таким опасным, нам нужно заглянуть в грузовой отсек шаттла. Он перевозил телескоп Chandra X-ray Observatory , весом 23 тонны что является самым тяжелым предметом, когда-либо запущенным системой Space Shuttle.

Он был также настолько большим по габаритам, что влезал в отсек только одного шаттла - Columbia. Проблема была в том, что Columbia был также самым старым и тяжелым из космических шаттлов, и поэтому эта комбинация привела к перевесу.

Пришлось сбросить несколько тонн перед полетом, поэтому экипаж был ограничен 5 Астронавтами, использовался более легкий внешний бак, а все 3 главных двигателя были заменены на более легкие. И все они были использованы повторно, что предполагается самой конструкцией шаттла(прим. Переводчика ) Одним из них был двигатель 2019, который уже летал в 18 миссиях, что сделало его одним из самых используемых двигателей Space Shuttle.

LOX в Space Shuttle

На шаттлах использовались двигатели RS-25 или SSME (Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока) работавшие на смеси Жидкий Водород+Жидкий кислород (LOX) Кислород используется как окислитель и подается "сверху" в двигатель.

Со временем на нескольких кислородных трубках начали появляться трещины. Если бы одна из них вышла из строя в полете, это разорвало бы двигатель и уничтожило бы весь аппарат.

Вместо того, чтобы заменить их, NASA просто их дезактивировало, помещая небольшой металлический штифт наверху перед камерой сгорания, который останавливал поток жидкого кислорода. Это было обычной практикой для NASA, и это спасало двигатель от длительного ремонта.

Но в этот раз, когда космический челнок Columbia запустил свои двигатели, один из этих металлических штифтов вырвался и выстрелил в камеру сгорания со скоростью более 30 метров в секунду.

Золотая пуля

В мгновение ока он отскочил от стенок камеры и пробил дыру в хрупком сопле двигателя. Эта часть двигателя состоит из более чем 1000 тонких трубок, по которым циркулирует жидкий водород, (см схему двигателя выше) чтобы не дать соплу расплавиться. Пройдя там, охладив стенки и нагревшись водород попадает в камеру сгорания, где воспламеняется и создает тягу. Когда штифт столкнулся с соплом, он пробил дыру в трех трубках, и жидкий водород начал выливаться из стенки сопла двигателя. Позднее было рассчитано, что если бы были повреждены еще две из этих трубок, сопло расплавилось бы, вызвав цепную реакцию, которая полностью уничтожила бы двигатель и корабль.

Space Shuttle едва держался, но все это прошло совершенно незамеченным, поскольку ни один из датчиков не мог обнаружить утечку. Было отмечено более низкое давление в камере, поскольку в нее попадало меньше водорода, он вытекал в само сопло.

Чтобы вернуть двигатель к заданному уровню тяги, контроллер открыл клапаны кислорода (почему не самого водорода я не знаю... наверное так было задумано в программе. прим переводчика ) больше, чем обычно. Утечка водорода и повышенный расход окислителя привели к тому, что правый двигатель отклонился от желаемого соотношения смешивания кислорода и водорода 6,03 и стал больше нагреваться. А так же, это означало, что Шаттл теперь сжигал свой кислород слишком быстро — и если бы он так продолжил, окислитель бы закончился задолго до выхода на орбиту.

Но "к счастью" пока все это происходило, в шаттле возникла совершенно не связанная с этим проблема с электрикой.

Проблема с Проводами

Внутри грузового отсека находился ряд электрических проводов, которые подводили питание к приборам по всему кораблю.

Один из этих проводов проходил рядом с небольшим винтом, который был перетянут и имел очень острый край. В ходе многих полетов( а как мы помним это Коламбия - она летает уже 26 раз) этот провод терся о винт, и его изоляция медленно стиралась. Через 5 секунд полета оголенный провод образовал дугу на винте, что привело к короткому замыканию и отключению ряда приборов.

Это немедленно вызвало всевозможные предупреждения внутри кабины, одним из которых было предупреждение о топливных элементах. Топливные элементы на борту Shuttle использовали водород и кислород для производства всего электричества для корабля. Если бы они вышли из строя, результат был бы катастрофическим. К счастью, это были просто неверные показания, и с топливными элементами все было в порядке. Настоящая проблема таилась глубже.

Компьютеры управления двигателями космического челнока

Два компьютера, отвечающие за управление двигателями шаттла, были выведены из строя после короткого замыкания. У каждого двигателя был основной компьютер и резервный компьютер, который брал на себя управление, если что-то шло не так.

Правый двигатель, из которого вытекало топливо, только что потерял свой резервный компьютер, а центральный двигатель потерял свой основной компьютер.

Это вызвало уникальную проблему, которая на самом деле превратилась в решение.

При нормальных обстоятельствах оба компьютера работают одновременно. Данные с обоих компьютеров сравниваются и усредняются, и полученные значения используется для управления двигателями. Это означает, что если датчик на одном из компьютеров показывает ненормально высокие или низкие показания, это не окажет большого влияния на двигатель. Как позже выяснилось, датчик давления на резервном компьютере Центрального двигателя сразу работал некорректно и отправлял ненормально высокие показания давления. Первые 5 секунд, это не влияло на потребления топлива центральным двигателем ввиду усреднения показаний. Но сейчас после КЗ, поскольку основного компьютера не было, чтобы это отменить, резервный "обманывал" двигатель, заставив его думать, что давление слишком высокое.

Из-за этого в центральный двигатель стало закачиваться меньше жидкого кислорода, чтобы снизить давление.

Это означало, что хотя правый двигатель поглощал слишком много кислорода (как и водорода впрочем - так как часть утекала в сопло) , центральный двигатель использовал меньше кислорода, чем обычно, и поэтому проблемы компенсировали друг друга.

Если бы в центральном двигателе не было неисправного датчика или если бы не отказало электроснабжение, весь Шаттл исчерпал бы топливо гораздо раньше, и он бы не достиг орбиты. В этом случае экипажу пришлось бы прервать полет и совершить экстренную посадку, все еще неся огромный телескоп на "спине". Что конечно лучше чем разрушение двигателя непосредственно при взлете, но тоже рискованно.

По чистой случайности, возникли две совершенно независимые проблемы, которые идеально устранили друг друга, позволив Шаттл выйти на орбиту всего на 5 (4,6 м/с) метров в секунду ниже желаемой скорости. В конце концов, Шаттл смог компенсировать это, используя свои двигатели OMS, и телескоп Chandra был успешно развернут. А поскольку основные двигатели не были нужны для остальной части миссии, корабль и его команда благополучно вернулись на Землю без каких-либо проблем. После этого полета NASA внесло изменения в свою политику восстановления, и поврежденные трубки жидкого кислорода теперь должны были быть полностью заменены.

Оригинал - https://primalnebula.com/the-almost-disastrous-space-shuttle...
Автор - Ewan Cunningham

Это перевод (с небольшими сокращениями) записи в блоге бывшего руководителя полётов NASA Уэйна Хейла, работавшего по программе полётов Спейс Шаттлов и позднее занимавшего руководящие посты в подразделениях управления. Мои комментарии выделены курсивом.

На фотографии выше - старт шаттла «Дискавери» STS-33, ноябрь 1989 года.

STS-33 был одним из тех засекреченных полётов шаттла Департамента обороны, о которых мы на самом деле не можем говорить. Но я не думаю, что у меня будут какие-то проблемы с безопасностью из-за этой по большей части правдивой истории. Я был руководителем полётов команды «Орбита 1», и график смен требовал, чтобы моя команда была у пульта около полудня. Большой семейный обед в честь Дня благодарения у нас был рано в том году. Насытившись индейкой, всеми закусками и пирогом, я прибыл в ЦУП, чтобы начать передачу от команды планирования, возглавляемой Робом Келсо (руководитель полётов из другой команды). Мы ожидали по-настоящему тихой смены.

Фэлкон Флайт (позывной Келсо) сообщил мне важные новости ещё до того, как я подключил гарнитуру к пульту: «Горшок сломан!» Ох. Руководили полётов тратят сотни часов на изучение различных систем: двигателей, топливных элементов, навигации. Самая нелюбимая всеми система не работала. «Если его не починить, экипажу придётся доставать мешки Аполло», продолжил Роб. Если вы не знаете, что такое мешок Аполло, ну… скажем так, вы на самом деле и не хотели бы знать. Это большой пластиковый пакет с липким веществом по краю, который вы прикладываете к своему… телу… чтобы заняться своими… делами. Не гламурно.

Мешок Аполло. А ещё у него есть кармашек для пальцев, чтобы помогать ими. Но почему его сделали прозрачным?

Починка унитаза – не совсем та проблема, над которой хочется работать после обильного приёма пищи.

Итак, Центр управления завершил смену команд, получил несколько отрывочных подробностей от экипажа и приступил к работе, чтобы выяснить, как можно исправить «Систему управления сбором отходов» (у автора – Waste Management Collection System, официально – Waste Collection System, WCS).

Только на послеполётных разборах мы услышали, что в действительности произошло на борту. Стори Масгрейв, выдающийся рассказчик, был очевидцем. Похоже, жертвой отказа WCS стал командир, Фред Грегори.

Экипаж STS-33 во время тренировки, слева направо: пилот Джон Блаха, специалисты полёта Мэнли Картер, Стори Масгрейв и Кэтрин Торнтон, командир Фредерик Грегори.

Для начала, вы должны знать основы, как ходить в туалет в космосе (любимая тема каждого школьника). Отсутствие гравитации означает, что повседневные земные технологии не работают. Ранние попытки были примитивными (смотрите обсуждение мешков Аполло выше). О малой нужде можно позаботиться легко, но большая – намного большая проблема (каламбур не специальный). Без гравитации… отходы… имеют тенденцию не выводиться из тела. Туалет шаттла справляется с этим в основном потоком воздуха. Очень маленькое отверстие в сиденье унитаза (намного меньше, чем в земных туалетах) позволяет только критической части… тела… точно соответствовать отверстию. В здании 5 космического центра имени Джонсона в тренажёре WCS есть знаменитый замкнутый телевизионный контур, который помогает астронавтам учиться правильно располагать себя. Руководителям полётов не приходилось проходить через это маленькое унижение во время наших тренировок.

Помимо изучения различных систем космического корабля и множества разнообразных тренировок членам экипажей Спейс Шаттлов приходилось учиться правильно и чрезвычайно точно садиться на космический унитаз. Каждый садился на тренажёр и после включал видеокамеру под сиденьем, изображение с которой выводилось на монитор перед его лицом, таким образом проверяя себя.

В ранних конструкциях WCS под этим отверстием был сложный механизм, называемый «разбрасыватель/измельчитель», что довольно хорошо описывает его предназначение. Астронавты возражали против размещения высокооборотистого механического устройства так близко к своим… личностям… и испытания показали, что «разбрасыватель/измельчитель», вероятно, не будет хорошо работать, так что конструкция изменилась рано при работе над шаттлом.

Что касается «разбрасывателя/измельчителя», то мне удалось найти фотографии только после «полевых испытаний», и постить их, пожалуй, не стоит. Он представлял собой вращающийся в параллельной сиденью плоскости диск с торчащими вверх длинными зубьями по краю.

Теперь туалет просто использует поток воздуха чтобы сделать то, что гравитация делает здесь на земле. Человек сидит в отсеке WCS с ногами в стременах и ремнём на поясе для удержания. Правильно расположившись, жертва использует рукоятку, очень похожую на рычаг переключения передач автомобиля, чтобы запустить механизм. Первое нажатие на рычаг закрывает вакуумный клапан – все запахи из неиспользуемого унитаза высасываются за борт через вентиляционную систему орбитального корабля. Второе нажатие на рычаг открывает «золотниковый клапан» прямо под сидением, и это означает, что туалет открыт для… дела. Следующее нажатие запускает небольшой вентилятор, который обеспечивает циркуляцию воздуха, чтобы помочь с… удалением. Когда всё закончено, изменение направления хода рычага сначала выключает вентилятор, затем закрывает золотниковый клапан и в конце открывает вакуумный клапан. В таком порядке.

Отсек WCS

Схема WCS

Некая причуда садистского проектирования космического корабля потребовала, чтобы весь воздух, поступающий в отсек экипажа космического челнока, шёл через «крышу» отсека WCS. Обычно требуется очень мало дополнительного воздуха, но, когда давление немного падает из-за естественной утечки в отсеке экипажа, подпиточный воздух поступает через автоматические выпускные клапаны. Сложная система автоматически отслеживает, должен ли дополнительный газ быть кислородом или азотом, требование – поддержание состава и давления атмосферы на уровне моря. Поскольку экипаж вдыхает кислород (а выдыхаемый углекислый газ удаляется в другом месте), подпиточный газ обычно кислород. Криогенные кислородные баки в грузовом отсеке питают и топливные элементы, и воздух для дыхания. Жидкий кислород должен быть подогрет, чтобы стать газом, но он всё равно поступает очень холодным в отсек WCS.

Итак, во время сна экипажа ранним утром Дня благодарения, Фреду Грегори пришлось сделать то, что естественно. Всё было хорошо, пока он не переместил переключатель для закрытия WCS. Стори рассказал, что было дальше, с большим удовольствием. К сожалению, где-то в механизме, золотниковый клапан вышел из строя и не закрылся – но вакуумный клапан был открыт! Разгерметизация! Можете представить, каково это – быть пристёгнутым, чувствовать всасывание чистого космоса, приложенное к… вам…, стремительный поток холодного кислорода врывается над головой, и одновременно с этим гудит сигнал тревоги.

Стори открыл дверь WCS и вместе они добились, чтобы механизм закрыл золотниковый клапан, а затем сняли Фреда с сиденья.

Конечно же, весь экипаж был разбужен этой суматохой и Джон Блаха, пилот, начал отрабатывать аварийную процедуру на случай утечки в кабине.

Непосредственная опасность миновала, но Центр управления теперь был на радиосвязи и хотел знать, что произошло. Было получено очень сокращённое изложение. Излишне говорить, что экипаж не много спал в оставшийся период сна. И туалет определённо был закрыт на обслуживание.

На земле ЦУП вызвал инженерную команду, которая проектировала и испытывала WCS (помните, был праздник, и большинство как раз тогда садились за большой обед!) Мы связались с бригадой техников, чтобы открыть один из агрегатов WCS на земле. Тем временем диспетчеры изучали схемы систем и правила полёта. Мы все размышляли, как заставить эту штуку работать. Ребята из команды обслуживания в полёте пришли нам на помощь. Сняв кожух с передней части устройства и применив плоскогубцы к соотвествующему рычагу, можно было пользоваться туалетом, не разгерметизируя кабину снова.

Ух. Проблема решена. Вот для чего и существует ЦУП.

Теперь каждый День благодарения, где-то после пирога и перед футбольным матчем/сном, я хихикаю, вспоминая тот эпизод. И благодарю за ускорение свободного падения и три туалета в моём доме.

В 1960-х гг., когда в США во всю шла реализация пилотируемой лунной программы "Аполлон", а Конгресс выделял на космонавтику многие миллиарды долларов, НАСА стало строить огромные планы на освоение как низкой околоземной орбиты, так Луны. Сюда относятся как строительство трех обитаемых космических станций: на низкой околоземной орбите, на геостационарной и на лунной орбите, так и лунную обитаемую станцию на ее поверхности. Но важным элементов всей это системы был космический челнок. С этого момента и начинается история космического корабля, который в последующем превратился во всеми известный спейс шаттл.

Космический челнок в данной программе играл роль многоразового корабля, задачей которого было поднятие с поверхности Земли грузов на низкую околоземную орбиту. В 1960-х гг. было множество проектов космического челнока. И самой главной задачей было создание именно многоразового космического корабля. Это с учетом того, что ракеты были одноразовыми. Инженеры понимали, что для космического челнока потребуется более мощный многоразовый двигатель, а также мощная тепловая защита обшивки корабля. В целом, в этом направлении уже были наработки и, даже шли некоторые испытания как с тепловой защитой, так и с ЖРД.

Речь идет о ЖРД (жидкостном ракетном двигателе) RL-10. По его подобию, и предполагали создание двигателя для космического челнока. Это двигатель на топливной паре кислород-водород, но с более повышенной эффективностью, за счет увеличения давления в камере сгорания. Тепловую защиту корабля предполагалась создать на основе волокон двуокиси кремния. Кроме того, были замыслы создания абляционных панелей, которые просто меняли бы после каждого полета. И уже на основе всего этого во второй половине 1960-х гг. стали появляться проекты различных компаний. Например, космопланы таких компаний как Локхид, МакДоннелл Дуглас, Дженерал Дайнэмикс.

Примерно с начала 1970-х гг. Конгресс стал в разы сокращать финансирование НАСА. Проекты создания трех орбитальных станций, лунной базы и ядерного буксира ушли в прошлое, так и оставшись на бумаге. Кроме того, так и не был реализован проект создания марсианского космического корабля. Проект создания комического челнока, чуть было не закрыли, но в Конгрессе этот проект отстояли с преимуществом в 1 голос. Ввиду этого, НАСА стало искать себе союзника в финансировании в лице Пентагона, а вернее ВВС США. Ведь, в целом, данная структура была заинтересована в создании многоразового корабля, который мог бы выводить людей на околоземную орбиту.

Нужно сразу же сказать о том, что основные изменения в дизайн будущего космического челнока внесли, как раз-таки, именно военные. Благодаря их потребностям, был увеличен размер грузового отсека корабля: с 12 x 3.5 метров до 18.2 x 4.5 метров. Все для того, чтобы туда помещались как перспективные американские спутники-шпионы, так как советские спутники, о похищении которых с полной серьезностью думали в военных структурах США. Полезную нагрузку корабля было решено увеличить: до 30 тонн на низкую околоземную орбиту, и до 18 тонн - на полярную орбиту. Кстати, особенно слабое место челнок - его треугольное крыло было предложено именно военными.

Тем не менее, союз с военными помогли НАСА мало того, что сохранить проект многоразового корабля, а сделать его настоящим флагманом американской космонавтики на 30 с лишним лет вперед, вплоть до 2011 года, когда проект был окончательно закрыт. Кроме того, ВВС помогли НАСА и в Конгрессе, где у них было сильное лобби. После того, как НАСА полностью сумело отстоять проект в американском Конгрессе, данный проект двухступенчатого полностью многоразового космического Шаттла разослали на проработку его компоновки. Помимо всего этого, был заказан расчет экономической обоснования проекта, который показал, что Шаттл становился рентабельным после 1100 запуска.

Существовали проекты разных компаний: проект Норт Американ Рокуэлл, проект МакДоннелл Дуглас, проект Грумман. Конгресс США выделили НАСА более чем в два раза меньше средств, которые были необходимы для создания и производства Шаттлов. Это примерно 4,5 миллиарда долларов. Также, было запрещено в каждый из годов тратить больше чем 1 миллиарда долларов выделенных средств. Поэтому, чтобы уложиться в данную сумму, было решено сделать систему частично многоразовой, сделав одноразовой первую ступень. Также к ней было предложено добавить твердотопливные бустеры-ускорители. В итоге, получили тот самый всем известный Спейс Шаттл.

Вместо вывода нужно сказать о том, что Спейс Шаттл совсем не был неудачным челноком. Далеко нет. Дело в том, что беда всей данной космической системы заключалась в том, что из-за того, что власти США не одобрили далеко идущие планы НАСА в реализации своей амбициозной программы по освоению орбиты Земли, орбиты Луны и строительства лунной базы на ее поверхности. А также в том, что Конгресс в разы урезал финансирование НАСА, что в итоге, пришлось, хотя бы спасать свой пилотируемый космический корабль, так как НАСА, в свое, время и создавалось для осуществления пилотируемых полетов на орбиту. Жадность американского Конгресса понять можно: с начала 1970-х гг. в США началась экономическая рецессия и кризис на фоне нефтяного эмбарго.

Стоит подметить, что в 1980-е гг. Шаттлы доставили на околоземную орбиту 40% из всего объема доставленной в это десятилетие полезной нагрузки. И это при том, что пуски шаттлов составляли всего 4% от общего количества пусков ракет-носителей. Тут, конечно же, сказывается высокая грузоподъемность шаттлов. Кроме того, шаттлы доставили, на сегодняшний день, основную часть побывавших в космосе людей. Кстати, был выбран проект компании Норт Американ Рокуэлл (North American Rockwell). Уже в 1974 году начали строить первые два шаттла. Всего было построено шесть шаттлов. Первым же, шаттлом, который полетел в космос стал шаттл "Колумбия".

Данный шаттл имел обозначение "Columbia, OV-102". Изготовили его в 1979 году. Первый полет шаттла "Колумбия" с астронавтами на борту состоялся 12 апреля 1981 года. Корабль назвали в честь парусника, на котором капитан Роберт Грей в 1792 года исследовал внутренние воды Британской Колумбии (сегодня это побережье штатов Вашингтон и Орегон). Спустя 20 с небольшим лет, шаттл "Колумбия" потерпел катастрофу при входе в атмосферу Земли. Произошло это 1 февраля 2003 г. Челнок взорвался на высоте около 60 км из-за разрушения плиток термоизоляции на кромке левого крыла. Данная катастрофа стала предтечей закрытия всей программы "Спейс Шаттл" в 2011 году.

Если Вам понравилась статья - поставьте лайк. Будем рады вашей подписке на нашу страницу в Пикабу и сообщество в ВК, а также сообщество в Пикабу "Все о космосе".