Space Shuttle

В начале 80-х годов, в период активного развития программы Space Shuttle, возникла острая необходимость в увеличении полезной нагрузки, особенно для запусков на полярные орбиты с базы Ванденберг. Это требовалось Министерству Обороны США для вывода на орбиту тяжелых разведывательных спутников серии Keyhole, масса которых достигала 14.5 тонн. Для решения задачи снижения массы этих ускорителей NASA обратилось к концепции использования композитных материалов.

В январе 1981 г. космический центр им. Маршалла выдал запрос на изучение возможности создания твердотопливных ускорителей с корпусами, изготовленными из углепластика (FWC SRB), этот подход обещал снижение сухой массы каждого ускорителя на 11 тонн (по сравнению со "стандартными" ускорителями, сделанными из высокопрочной стали марки D6AC) и увеличение выводимой полезной нагрузки на 2100 кг. Подрядчиком по разработке стала компания Hercules Aerospace совместно с Morton Thiokol.

Инженеры столкнулись с задачей создания композитного корпуса, который бы полностью соответствовал геометрии и интерфейсам существующих стальных ускорителей, но при этом обладал значительно меньшей массой. Конструкция FWC SRB была аналогична стандартной и состояла из 4 сегментов. Предполагалось использование системы соединений типа “двойной шип-паз” (или “двойной выступ-впадина") и двух уплотнительных O-ring колец, как и в оригинальной конструкции ускорителей, применявшейся до катастрофы Challenger.

Для изготовления корпусов применялось углеродное волокно Hercules AS4 12K и эпоксидная смола. Технология заключалась в комбинированной намотке волокна на оправку: спиральной (под углом примерно 29 градусов) и поперечной (под углом 90 градусов) с последующей полимеризацией в автоклаве. Толщина стенок варьировалась от 28.4 мм в средней части сегмента до 45.7 мм на краях, чтобы повысить прочность соединений. Полученные сегменты проходили ультразвуковой контроль.

В рамках программы были изготовлены три опытных двигателя: DM6, DM7 и QM5. Огневые испытания двигателя DM6 состоялись в октябре 1984 года. Испытания показали, что корпус из композитных материалов не выдерживает расчётные внутренние нагрузки (проблемы возникли уже на 20% сверх номинала, хотя по требованию должно было быть как минимум 40%). Второе огневое испытание, двигателя DM7, было проведено в апреле 1985 года и также выявило проблемы с прочностью корпуса. Третье огневое испытание, двигателя QM5, было отменено после катастрофы Шаттла Челленджер в январе 1986 года.

Несмотря на усилия инженеров, достигнуть приемлемых характеристик прочности не удалось. После катастрофы Challenger все работы по программе FWC SRB были прекращены. Программа была закрыта, а её наработки, в частности, конструкцию соединений, применили в RSRM (Redesigned Solid Rocket Motor - модернизированный твердотопливный ускоритель), которые использовались в миссиях Шаттла после STS-51L. В конечном итоге, с использованием RSRM и работой двигателей SSME на 109% режиме, удалось достичь массы полезной нагрузки в 12.7 тонн. Однако, целевая масса в 14.5 тонн, необходимая для вывода на полярную орбиту с базы Ванденберг тяжелых спутников, так и не была достигнута. Таким образом, даже с учетом всех улучшений, задача увеличения грузоподъемности Шаттла для этих специфических миссий не была выполнена.

Автор Виктор Булыбенко (Goyda Space)

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.

Как известно, на "шаттлах" использование скафандров для экипажей во время полета изначально не предполагалось, но средства спасения на случай, если всё-таки придется переправлять экипаж с аварийного корабля в безвоздушном пространстве, разрабатывались. На фото Personal Rescue Enclosure (PRE) , т.н. "спасательный шар" - фактически герметичный сферический мешок на "молнии", куда помешался астронавт с индивидуальным дыхательным аппаратом и в котором он мог быть в космосе перенесен на другой корабль - другим астронавтом в полноценном скафандре, манипулятором или просто перетянут на тросе.

Устройство так и осталось опытным.

Катапультируемое кресло в кабине "Колумбии".

Такие кресла устанавливались только в первых четырех полетах, пока летали только парные экипажи, а астронавты при этом использовали скафандры. Зато потом отказались и от первого, и от второго (пример на третьем снимке), хотя скафандры для экипажа позднее всё-таки вернули - после катастрофы "Челленджера".

via