На главную страницу

К рубрикатору «Эссе и статьи Переслегина»

Сменить цвет

Выход (FAQ и настройки цвета)


С.Б. Переслегин

Усталость металла:

мистика, экзотика и правда о старости

Экспресс-анализ версий катастрофы "Колумбии"

"Космический челнок" "Колумбия" был головным кораблем серии1. Его первый полет, состоявшийся 12 апреля 1981 г., в двадцатую годовщину подвига Юрия Гагарина, подчеркнул победу США в "космической гонке" (да и в "холодной войне") и ознаменовал новый этап в освоении людьми околоземного пространства. В последующие двадцать с лишним лет "шаттлы" совершили более ста полетов, доставив на орбиту ИСЗ свыше шестисот астронавтов.

Эти успехи не разрешили сомнений относительно продуманности конструкции американского корабля многоразового использования и адекватности его предполетной подготовки. В 1986 г. был потерян первый "шаттл" - "Челенджер". 1 февраля та же судьба постигла "Колумбию". Из пяти находящихся в эксплуатации "челноков" разбилось два - 40%. Столь же несчастливы были, например, английские подводные лодки серии К, итальянские линкоры типа "Леонардо да Винчи", американские аэробусы DC-10. Перечисленные технические системы вошли в историю как "уроки" для инженеров: на их примерах студентам объясняют, чего делать нельзя2.

Формальная статистика, впрочем, дает системе Space Shuttle высокую оценку3.

Страна Тип корабля Запуски "Человеко-полеты" Катастрофы % Погибшие %
СССР/Россия "Восток" 6 6 0 0,0% 0 0,0%
  "Восход" 2 5 0 0,0% 0 0,0%
  "Союз" (всех модификаций) 86 207 2 2,3% 4 1,9%
Всего Россия   94 218 2 2,1% 4 1,8%
США "Меркурий" 4 4 0 0,0% 0 0,0%
  "Джемини" 10 20 0 0,0% 0 0,0%
  "Аполлон" 14 42 1 7,1% 3 7,1%
  "Колумбия" 28 110 1 3,6% 7 6,4%
  "Челленджер" 10 61 1 10,0% 7 11,5%
  "Дискавери" 30 181 0 0,0% 0 0,0%
  "Атлантис" 26 156 0 0,0% 0 0,0%
  "Индевор" 18 124 0 0,0% 0 0,0%
  Всего "Shuttle" 112 632 2 1,8% 14 2,2%
Всего США   140 698 3 2,1% 17 2,4%
Всего мир   234 9164 5 2,1% 21 1,9%

Согласно этой таблице, "шаттлы" являются наиболее привлекательным средством доставки людей и грузов на околоземную орбиту. На долю "челноков" приходится почти половина всех пилотируемых запусков и три четверти "человеко-вылетов", "шаттлы" контролируют до 80% грузопотоков, поступающих на МКС. Что же касается катастроф, то они не превышают "среднестатистический уровень".

Это благоприятное впечатление рассеивается, когда начинаешь анализировать причины катастроф.

Гибель экипажа "Аполлона-1" (27.01.1967 г., Гриссом, Уайт, Чаффи) была вызвана пожаром в кислородной атмосфере кабины. Можно посетовать на недомыслие американских конструкторов, явно переусердствовавших с чтением фантастики 1920-х годов и выбравших неудачное техническое решение, но опасность среды с повышенным содержанием кислорода стала очевидной только после трагедии на мысе Канаверал.

23.04.1967 г. погиб В. Комаров. Не раскрылся основной парашют спускаемого аппарата. Причиной оказалось проникновение в отсек парашютных контейнеров летучих фракций теплозащитного покрытия. Классическая "катастрофа незнания" - ряд действий, призванных повысить безопасность, привел к непредвидимым последствиям5.

30.06.1971 г. Гибель экипажа "Союза-11" (Г. Добровольский, В. Волков, В. Пацаев). Возможно, самая загадочная из космических катастроф. Причина гибели людей была установлена сразу - разгерметизация. Была понятна и причина разгерметизации - нештатное открытие "дыхательного клапана"6. Но вот почему открылся клапан, неизвестно до сих пор. Сигнал на его открытие пришел, как и положено, на высоте 3 км. Сам клапан был в полном порядке - его подвергли полному циклу испытаний в барокамере, и он нормально работал. Ни до, ни после катастрофы "Союза-11" каких-либо проблем с "дыхательным клапаном" не возникало.

Надо отдать должное руководству советской космической программы: хотя катастрофа явно была вызвана каким-то невероятным стечением обстоятельств, КК "Союз" подвергся коренной модификации. Из трехместного он превратился в двухместный, причем космонавты на режимах взлета и спуска обязаны были находиться в скафандрах.

Все перечисленные трагедии произошли на раннем этапе развития космических исследований и могут рассматриваться как неизбежная "цена" познания. Проектировщики кораблей и наземные службы не предвидели этих катастроф и не могли их предвидеть.

Катастрофы "шаттлов" относятся к иному периоду.

28.01.1986 г. "Челленджер" взрывается на 73-й секунде полета. Причина - нарушение герметичности в межсекционном уплотнении правого твердотопливного ускорителя. О такой возможности - особенно в холодную погоду - руководство НАСА было предупреждено. В частности, за год до катастрофы поступила докладная от инженеров фирмы "Тиокол", разработавших метод герметизации секций. Чтобы "разобраться", была создана рабочая группа, которая в октябре 1985 г. подала докладную со словами "Это - сигнал тревоги". Ничего, однако, сделано не было, и прогнозируемая катастрофа (ее вероятность специалисты оценивали в 1/35 для каждого твердотопливного укорителя) произошла. Погибли Ф. Скоби, М. Смит, Г. Джарвис, Р. Макнэйр, Э. Онизука, Д. Резник, К. Маколифф.

01.02.2002 г. Крушение "Колумбии" и гибель семерых астронавтов - Р. Хасбэнда, У. Маккула, М. Андерсона, К. Чавла, Д. Брауна, Л. Кларк, И. Рамона. О практической неизбежности этой катастрофы НАСА также была предупреждена.

 

Заниматься расследованием катастрофы по материалам новостных лент Интернета - дело неблагодарное. Проще и естественнее подождать результатов работы комиссии. Только вот есть сомнения, что будут обнародованы реальные результаты. Ведь президент уже высказался в том смысле, что полеты "шаттлов" можно будет возобновить во второй половине года. Разумеется, при устранении всех неисправностей и неполадок.

Прежде всего, установим реперные факты.

В отношении этих фактов все свидетельства согласуются. Далее начинаются разночтения.

Прежде всего, неясно, на какой высоте произошла катастрофа. Первоначально указывалась цифра 61 километр. Затем разговор шел о 19000 метров и даже о семи километрах. В последующие часы вновь всплыла исходная оценка - свыше 60 км.

Важность этого параметра понятна. 7000 метров - это предпосадочная стадия. Скорость "Колумбии" ниже звуковой, тепловые нагрузки на корпус минимальны. 20000 метров - последняя стадия торможения. "Челнок" двигается с небольшой сверхзвуковой скоростью, тепловые нагрузки умеренны. Наконец, 60000 метров - торможение в атмосфере, скорость около 5 км/сек, нагрев корпуса свыше 1600 градусов.

Попытаемся внести ясность. Цифра 7 километров явно появилась по недоразумению. Катастрофа на такой высоте привела бы к существенно меньшему разлету осколков, да и упала бы их основная масса много ближе в мысу Канаверал. Но не слишком правдоподобно звучит и оценка в 61 километр. Прежде всего, если бы распад "шаттла" произошел на этой высоте, никаких человеческих останков (да и целого шлема) на Земле найти бы не удалось: при температуре 1600 градусов органика испаряется мгновенно. Далее, опять-таки возникают проблемы с дислокацией падения обломков корабля. По-видимому, ближе всего к истине находится среднее значение - высота около 19 километров.

Поскольку траектория снижения "шаттла" практически фиксирована, неопределенность в высоте катастрофы означает аналогичную неопределенность ее пространственной дислокации. В СМИ приводится только одна цифра - 500 километров от ВПП. Это примерно соответствует подлетному времени 16 минут, высоте около 20 километров и скорости около 1,5М.

Версии катастрофы, предлагаемые специалистами, можно разделить на мистические, экзотические и правдоподобные. К мистике относятся разного рода "нумерологические" и "лингвистические" гипотезы: так, индийский астролог Мадан Гупта Спатху обвинил в гибели "Колумбии" число 16 и его цифровой корень 7; ряд обозревателей указывает на символическое значение штата Техас и города Палестина в нем. К экзотике - диверсия, компьютерный вирус, попадание разряда атмосферного электричества. Наконец, серьезных версий всего две - разрушение теплозащиты и недостаточная конструктивная прочность корпуса.

Понятно, что мистика анализу не поддается. Аналогично - с экзотикой. Ну не бывает молний ни на высоте шестидесяти одного километра, ни на высоте двадцати километров, ни даже на семи. Сбить "Шаттл" из переносного ЗРК на такой высоте теоретически невозможно. Если высота около 20 км, а скорость около 1800 км/час, стационарный ракетный комплекс может "взять" "челнок", но это должен быть хороший комплекс. И, конечно, старт ракеты был бы немедленно зафиксирован. Дальше в этой версии начинается уже полная экзотика: антенные фазированные решетки, лучевое оружие и прочая фантастика из фильмов про Джеймса Бонда.

Что касается бомбы, подложенной в "Колумбию" специалистами Усамы бен Ладена, то такая диверсия находится за пределами человеческих возможностей. И, во всяком случае, любой разумный террорист организовал бы взрыв на участке выведения корабля на орбиту, а не на стадии посадки.

Кроме того, террористический акт подразумевает "авторизацию" в виде распространения в СМИ заявления организаторов, в котором они берут на себя ответственность, объясняют причины своего поступка и, обычно, выдвигают те или иные требования. Анонимный теракт - это нонсенс.

Идея погубившего "шаттл" компьютерного вируса, распространяемая по Сети, казалось бы вполне серьезными новостными порталами, характеризует лишь истероидность так называемого "постмодернистского мышления". Для того чтобы опровергнуть эту версию, достаточно указать, что ни экипаж, ни ЦУП не докладывали о каких-либо сбоях в работе компьютерных систем.

Оставшиеся предположения требуют серьезного анализа. В конце концов, выбирать придется между ними, и выбор этот сделать будет непросто.

Обе проблемы - нарушение теплозащиты и потеря прочности конструкции - действительно имели место и, видимо, замкнулись в контур положительной обратной связи: одна усиливала другую. Остается понять, что явилось ведущей причиной гибели "шаттла", с чего началась катастрофа и почему она стала неизбежной.

Источники, прежде всего американские, обращают внимание на повреждение теплозащиты "Колумбии" при взлете - та самая изолирующая пена, упавшая на левое крыло. По официальным данным, в этот момент "шаттл" потерял" одну плитку теплозащиты. Впрочем, уже появилась версия, согласно которой отвалился кусок теплозащиты 76 см на 19 см.

Между тем, до катастрофы инцидент на старте не вызвал ни у кого ни малейшей тревоги. "Колумбию" не осматривали в космосе. На посадку она заходила по штатной, а не "щадящей" траектории. Первые известия о росте температуры левого крыла не вызвали серьезного беспокойства (это, впрочем, можно объяснить тем, что возможность что-то предпринять была уже минимальной).

При каждой посадке, включая первую, когда аппарат исследовался очень тщательно, "шаттл" терял некоторое количество плиток теплозащиты. Это явление никогда не считалось нормальным, но особого беспокойства не вызывало: по расчетам, серьезные проблемы могли начаться после разрушения 20% теплозащитного покрытия. Это - не одна, не две и не десять плиток. Конечно, проблема становится более серьезной, если повреждения приходятся на один участок корпуса корабля, но, в конце концов, это уже тоже "проходили". Остается рассматривать версию "эффекта домино" - повреждение получила "ключевая плитка", в результате началась "цепная реакция" разрушения теплозащиты. Опровергнуть такое предположение так же трудно, как гипотезу о столкновении "Колумбии" с метеоритом или "летающей тарелкой".

Но убедительно обосновать ее вряд ли будет возможно. Но, может быть, самое серьезное возражение против версии: авария на старте - повреждение теплозащиты - разрушение "шаттла", - содержит график роста температуры. Вернее, то обстоятельство, что датчики выходили из строя раньше, нежели перегревались, из чего приходится сделать вывод, что деформации в крыле опережали перегрев, а не следовали за ним.

Остается последняя версия, которая, по всей видимости, и является наиболее правдоподобной. В гибели "Колумбии" виновата недостаточная конструктивная прочность корпуса космического корабля, точнее - то явление, которое известно инженерам всего мира под названием "усталость металла".

Очень трудно сломать стальную проволоку, растягивая ее. Но несколько десятков или сотен циклов перегиба приводят к тому, что проволока ломается сама. О резком падении прочности металлических конструкций в результате циклических нагрузок знали давно, а подробно это явление было исследовано в середине 1950-х годов в связи с серийными катастрофами английского самолета "Комета-1".

Это была во многих отношениях новаторская машина: первый в мире реактивный пассажирский самолет, первый в мире стратосферный пассажирский самолет с полностью герметизированной кабиной и т.п. Расчеты показывали полную надежность "Кометы".

Однако после ряда успешных полетов последовали слабо мотивированные либо вовсе "безмотивные" катастрофы. Для того чтобы разобраться в ситуации, английские специалисты построили огромный испытательный стенд, в котором моделировалось изменение нагрузки на фюзеляж в цикле "взлет-посадка". В результате выяснилось, что хотя статическая прочность "Кометы" и достаточна, ее динамическая прочность много меньше расчетной, причем к ее снижению приводят именно усталостные деформации.

После этого были разработаны специальные (и весьма дорогие) методы дефектоскопии, и катастрофы в гражданской авиации по причине усталости металла практически прекратились7.

"Шаттл" в ходе цикла "взлет-посадка" испытывает огромные аэродинамические нагрузки в сочетании с очень сильным нагревом. Развитию усталостных микротрещин способствуют также вибрации. Наконец, испытаний "челнока" на "усталость металла", подобных тем, которые делали английские специалисты в связи с "Кометами", никогда не проводилось.

В этой связи версию усталостного разрушения конструкции "Колумбии" в воздухе представляется основной.

 

Космический корабль был стар. Он находился в эксплуатации более 20 лет и совершил 28 полетов. Считается, что "шаттлы" были рассчитаны на 100 полетов, но никаких доказательств этому нет. Да и быть не может: те же источники говорят о девятилетнем гарантийном сроке, что соответствует ежемесячным стартам. Последнее невозможно физически - по условиям подготовки стартового комплекса.

Ремонт и реконструкция привели, вероятно, к некоторой модернизации компьютерных систем "шаттла"; скорее всего, перебрали двигатели и трубопроводы. Но несущие детали корпуса нельзя ремонтировать. Их можно только менять целиком. А это означает собрать новый "челнок", используя некоторые детали старого.

Инцидент на старте привел к некоторому повреждению обшивки крыла и повышению его аэродинамического сопротивления. При посадке корпус корабля подвергся значительным, а в данном случае еще и несимметричным аэродинамическим нагрузкам, которые нарастали по мере вхождения в плотные слои атмосферы.

В 8:53 на высоте 61 километр началась деформация конструкции левого крыла "шаттла", что было обозначено обрывом первого датчика. В процессе снижения и торможения нагрузки на крыло усиливались, а его аэродинамическое сопротивление (в связи с повреждением обшивки) медленно увеличивалось. Появился крен, который компьютер попытался выправить. Эта коррекция увеличила нагрузку и ускорила деформацию несущих конструкций. В 8:58 рвутся еще несколько электрических кабелей. В связи с изменением формы крыла плитки теплозащиты расходятся, между ними возникают зазоры, что и приводит к прогрессирующему (хотя и не чрезмерно быстро) нагреву крыла и корпуса.

В 8:59 ситуация становится катастрофической, повреждена гидросистема шасси (именно так следует толковать сообщения СМИ о "потере давления"). В 9:00 наступает разрушение корпуса8.

Из предложенных версий эта - наиболее вероятная. Но она же - и наихудшая для президента Буша, НАСА, американской космической программы. Принять ее - значит поставить на немедленный "прикол" "Дискавери" (30 полетов) и "Атлантис" (26 полетов), остаться с одним "Индевором" и строить дорогостоящий испытательный корпус для выявления действительной усталостной прочности "шаттлов". Кроме того, потребуются "оргвыводы".

Отказаться от нее - значит сменить топливные баки на "легкие" (это так и так предполагается сделать), ввести изменения в технологию обмазки баков изолирующей пеной, уволить пару-тройку одиозных администраторов. И можно летать.

До следующей катастрофы.

Приложение. динамика гибели "Комет" в связи с "усталостью металла":

2 мая 1953 г. Индия, Западная Бенгалия, тропический шторм. Усталостное разрушение обеих плоскостей руля высоты. 43 человека погибли.

10 января 1954 г. Остров Эльба. Разрушение самолета в воздухе, 35 погибших.

После этой катастрофы полеты "Комет" были запрещены, но вскоре их вновь разрешили.

8 апреля 1954 г. Стромболи, Италия. Разрушение самолета в воздухе, 21 человек погиб.

После этой катастрофы "Комета-1" как пассажирский самолет в воздух больше не поднималась.

Сноски

1. Всего космический флот США насчитывал шесть "шаттлов": "Энтерпрайз" (1977 г.), "Колумбия" (1981 г., потерян в 2003 г.), "Челленджер" (1983 г., потерян в 1986 г.), "Дискавери" (1984 г.), "Атлантис" (1985 г.), "Индевор" (1992 г.). При этом "Энтерпрайз" (1977 г.), использовался исключительно в испытательных целях и не предназначался для космического полета. [Назад]

2. Подводные лодки серии К появились на свет в результате ошибочного тактического задания, предусматривающего совместное плавание субмарин с крупными надводными кораблями. Для этого была нужна высокая скорость надводного хода. Соответственно, лодки сделали узкими, длинными (и, следовательно, плохо управляемыми), снабдили их паротурбинными установками с огромными клапанами-заглушками для трубы и вентиляторов. Всего таких лодок построили семнадцать. Четыре из них погибли (причем одна ухитрилась затонуть дважды), еще пять получили тяжелые повреждения в результате столкновений и были списаны.

Два корабля серии "Леонардо да Винчи" погибли от внутренних взрывов (сам "Леонардо да Винчи" и "Джулио Чезаре", переданный Советскому Союзу и переименованный в "Новороссийск"), третий был потоплен авиабомбами на стоянке. Корабли с самого начала строились по "экономическому" принципу, а дальнейшая эксплуатация лишь усугубляла их конструктивные недостатки.

Широкофюзеляжные самолеты DC-10 отличались слабой проработкой конструкции, что привело к целому ряду катастроф с большими человеческими жертвами. [Назад]

3. Таблица составлена путем анализа ряда интернет-ресурсов (в частности, "Энциклопедии космонавтики" Железнякова). Не учтены суборбитальные полеты. Гибель экипажа "Аполлона-1" произошла на Земле во время подготовки к запуску, тем не менее, здесь, как и во всех доступных источниках, это происшествие включается в число катастроф программы "Аполлон".

В таблицу не включены тяжелые аварийные ситуации, в том числе - полет "Аполлона-13".

Таблица может содержать ошибки, в частности, связанные с процедурой обработки. Необходимо также учесть, что данные сайтов не всегда обновляются своевременно. Это означает, что могут быть не учтены последние российские запуски (в СССР и РФ не принято информировать о предстоящих полетах заранее). С другой стороны, некоторые из запланированных и обозначенных в электронных СМИ полетов шаттлов могли не состоятся (так, по "Индевору" одни источники дают 17, а другие 18 полетов). СМИ указывают, что последний, закончившийся катастрофой полет "Колумбии" был 107-й экспедицией по программе "Space Shuttle", в то время как формальный счет "по аппаратам" дает 112. Эти ошибки, если они и есть, не оказывают существенного влияния на статистику. [Назад]

4. Конечно, учтены повторные полеты. На настоящий момент в космосе побывало 430 человек, из них 39 женщин: 272 человека из США, 96 из СССР/России, 10 из Германии, 9 из Франции, 7 из Канады, 5 из Японии, 4 из Италии, 2 из Казахстана, 2 из Бельгии, 21 из остальных стран (Чехословакия, Венгрия, Польша, Вьетнам, Куба, Монголия, Румыния, Индия, Саудовская Аравия, Нидерланды, Швейцария, Украина, Словакия, Испания, Мексика, Сирия, Афганистан, Австрия, Великобритания, ЮАР, Израиль). [Назад]

5. В теплозашите "Союза" использовались не керамические плитки, как на всех типах "шаттлов", включая советский "Буран", а синтетические смолы. Спускаемый аппарат обмазывали слоем теплозащиты и помещали в автоклав, где происходила полимеризация. На первых автоматических "Союзах" было допущено отклонение от инструкции: поскольку парашютные контейнеры не были готовы, аппарат нагревали без них. Но когда собирали пилотируемый корабль, все было сделано "по науке", за тем исключением, что крышки контейнеров были заменены чем-то временным и не герметичным. Испытания же парашютных систем проводились путем сбрасывания спускаемого аппарата с самолета, и такие аппараты не проходили термической обработки. [Назад]

6. Этот клапан был поставлен на тот маловероятный случай, если после приземления аппарат окажется "люком книзу", и экипаж не сможет самостоятельно покинуть СА, - для того чтобы обеспечить доступ в корабль земного воздуха. [Назад]

7. За исключением гибели DC-10 в Чикаго в 1979 г.[Назад]

8. Поскольку к этому моменту должна была быть нарушена герметичность ряда трубопроводов, разрушение могло быть ускорено взрывом - гидразина в маневровых двигателях или даже гидросмеси.[Назад]

[наверх]


© 2002 Р.А. Исмаилов

Rambler's Top100 Service Наш Питер. Рейтинг сайтов.