26 января 1986 г., произошла одна из наиболее крупных катастроф в космонавтике – погибли семь молодых, успешных, мужественных людей: шесть астронавтов и одна учительница.

Вот их имена:

Фрэнсис Дик Скоби – командир корабля, 46 лет;
Майкл Смит – второй пилот, 40 лет;
Рональд Макнейр – доктор наук, 35 лет;
Эллисон Онизука – пилот, 39 лет;
Грегори Джарвис – инженер по спутниковому оборудованию, 41год;
Джудит Резник – доктор наук, 36 лет;
Криста Маколлиф – учительница, 37 лет.

 

Программа «Спейс Шаттл»

Гибель космонавтов произошла по причине взрыва на 74-й секунде после старта космического корабля «Challenger» («Челленджер») под кодовым номером №51-L , совершавшего с апреля 1983г. свой десятый полёт в космос. Английское слово «Challenger» в переводе на русский язык означает «Бросающий вызов».

Но всё по порядку. Запуск корабля «Челленджер» осуществлялся с мыса Канаверал в рамках программы под названием «Space Shuttle» («Спейс Шаттл»).

Шаттл – это космический челнок, т.е. многоразовый транспортный космический корабль. Такие корабли были основой государственной космической программы США «Space Transportation System», STS (в переводе на русский «Космическая транспортная система»).

Шаттлы разрабатывалась компанией North American Rockwell по поручению National Aeronautic and Space Administration (Государственная организация США, занимающаяся исследованием космоса, сокращённо НАСА), с 1971 года и первоначально рассматривались как средство для вывода на орбиту военных спутников.

При создании системы использовался ряд технических решений, полученных по программе «Аполлон» для лунных модулей и по твердотопливным ускорителям. Всего было построено пять шаттлов (два из них погибли в катастрофах) и один прототип. Предполагалось, что каждый из космических кораблей может совершить более 100 полётов в космос.

Но реальность внесла коррективы в эти амбициозные планы.

Полёты в космос осуществлялись с 12 апреля 1981 года по 21 июля 2011 года. За 30 лет эксплуатации было произведено 135 пусков, больше всего полётов (39) совершил шаттл «Discovery» (по-русски «Открытие»).

Космический корабль «Challenger» («Бросающий вызов»)

Корабль многоразового использования «Challenger» состоял из трёх основных частей: двух твердотельных ракетных ускорителей (правого и левого), топливного бака с жидким топливом и космического самолёта – пилотируемого орбитального спутника (рис.2) [1,2].

Два одинаковых твёрдотельных ракетных ускорителя работают на начальном участке разгона ракеты чуть больше двух минут. После израсходования топлива на высоте в 40-50 км они отделяются и на парашютах приводняются в акватории Атлантического океана.

Подвесной топливный бак, имеющий форму гигантской сигары, снабжает жидким кислородом и водородом основную двигательную установку, расположенную в хвостовой части орбитальной ступени.

Внутри бак разделён надвое толстой непроницаемой перегородкой; по одну сторону которой находится сжиженный водород, по другую - сжиженный кислород; при их слиянии образуется горючая смесь, питающая двигатель «Челленджера». К баку прикреплены как два ускорителя, так и сам орбитальный корабль (рис.2).

После опорожнения бак сгорает в плотных слоях атмосферы. Далее орбитальный корабль – космический челнок, внешне напоминающий самолет с треугольным крылом, выведенный на околоземную орбиту, продолжает самостоятельный полёт с астронавтами на борту.

После выполнения программы полёта челнок возвращается на Землю и совершает, подобно планёру, посадку на взлётно-посадочную полосу. Приземление корабля, которое необходимо было совершить с первого захода, считалось самым опасным участком полёта.

Общая масса «Челленджера» на старте равнялась 2000 тонн, из которых 1700 тонн составляло топливо.

Твёрдотопливные ускорители состоят из 11 соединяемых между собой базовых секций, окончательный стык между которыми осуществляли и герметизировали перед каждым полётом в Космическом Центре Кеннеди во Флориде. Конструкция стыка приведена на рис.3,а.

Вот в повреждённом стыке одного из таких соединений секций (рис.3,б) и прорвались раскалённые газы, что и привело к катастрофе.

Из-за неблагоприятных погодных условий на мысе Канаверал, где расположен космодром, старт шаттла «Челленджер» несколько раз переносили. И все же, 29 января 1986г. в 11.38 он наконец состоялся (рис.4).

Поначалу всем, наблюдавшим за стартом космического корабля на мысе Канаверал и миллионам телезрителей казалось, что всё протекает нормально, ибо никаких аварийных сигналов с борта шаттла не поступало. На 57-й секунде Центр управления сообщил: двигатели работают с полной нагрузкой, все системы функционируют удовлетворительно.

По радиосвязи с борта «Челленджера» прозвучали слова командира корабля Фрэнсиса Дика Скоби: «Всё в порядке, идём на полной скорости», которые, однако, оказались последними.

Через 73,618 секунды после старта на экране радиолокатора Центра управления полётом отчетливо обозначились траектории падающих с неба многочисленных обломков, и дежурный Центра испуганно воскликнул: «Корабль взорвался!»

Гибель «Челленджера»

Медленный просмотр отснятых фотоснимков в процессе взлёта ракеты, начиная с момента её старта, позволил проследить процесс развития катастрофы [1].

Сначала в районе нижнего стыка секций правого твердотопливного ускорителя появилось облачко серого дыма; затем число струек увеличилось до 8; далее в месте стыка соединений, где расположены кольцевые уплотнители, начал гореть изоляционный материал, а после 59-й секунды появилось пламя и вспыхнул огонь.

На высоте 13800 м «Челленджер» превратился в пылающий факел, мчащийся со скоростью вдвое быстрее звука и разваливающийся в результате взрыва на две части.

Это произошло на 74-й секунде после старта.

В течение часа на мыс Канаверал падали обломки «Челленджера», после чего команда береговой охраны приступила к их сбору. Далее район поисков увеличили, охватив 6 тысяч квадратных миль Атлантического океана.

В итоге со дна океана удалось поднять многие фрагменты корабля, в том числе – с глубины 27 м экипажный отсек с останками астронавтов.

Даже если кто-то из них и оставался живым после взрыва корабля, то выдержать удар жилого отсека о водную поверхность со скорости 333 км/ч при перегрузке в 200g было невозможно. Останки экипажа извлекли из отсека и идентифицировали.

Проведенное тщательное расследование показало, что разрушение «Челленджера» явилось следствием повреждения уплотнительного кольца правого твердотопливного ускорителя при старте (см.рис.3,б).

Повреждение кольца стало причиной прогорания отверстия в боку ускорителя, из которого в сторону внешнего топливного бака стала бить реактивная струя. Это привело к разрушению хвостового крепления правого твердотопливного ускорителя и несущих структур внешнего топливного бака.

Боковые ускорители отцепились от ракеты, и некоторое время летали вокруг корабля, пока не были уничтожены командой с Земли. Кабина экипажа, более прочная, чем весь орбитальный модуль, также осталась целой, но, скорее всего, разгерметизировалась. После взрыва обломки челнока упали в Атлантический океан.

И встал главный вопрос: по какой причине было повреждено уплотнительное кольцо, что привело к выбросу горючей смеси, вызвавшей пожар и взрыв, приведший к столь ужасной катастрофе?

Американцы были потрясены произошедшей на их глазах катастрофой. Но особенно тяжело трагедию переживали в небольшом городе Конкорд, где жила и работала учительница Криста Маколифф.

Дело в том, что за два года до старта в США по инициативе президента Рональда Рейгана был объявлен конкурс, на который поступило одиннадцать тысяч заявок. Программа, названная «Учитель в космосе», касалась нескольких естественных дисциплин.

Предполагалось рассмотреть в условиях невесомости действие законов Ньютона, работу простых механизмов и протекание процессов, относящихся к гидропонике, вспениванию и хроматографии.

Криста Маколифф – мать двоих детей - выиграла конкурс и была включена седьмым членом в экипаж «Челленджера». Она была готова провести из космоса два урока, которые на четвертый день полёта должны были транслировать по телевидению для тысяч школ.

Узнав о трагедии, все тридцать тысяч жителей городка Конкорд погрузились в траур.

Потрясённый случившимся, президент Рональд Рейган обратился к нации проникновенной речью. Вот одна из произнесённых им фраз: «Я понимаю, очень тяжело осознавать, что такие горькие вещи иногда случаются. Но всё это является частью процесса исследований и расширения горизонтов человечества».

В США был объявлен траур, а останки семи отважных астронавтов, извлечённые со дна океана, торжественно захоронены в окрестностях Хьюстона.

Комиссия Роджерса

В феврале 1986г. президент Рональд Рейган назначил комиссию в составе 13 членов по расследованию катастрофы «Челленджера». Председателем комиссии стал Уильям Роджерс - бывший генеральный прокурор (с 1957 по 1961г.г.) и госсекретарь (с 1969 по 1973г.г.) США.

В состав комиссии вошли политики, астронавты, военные и один учёный – выдающийся физик, лауреат Нобелевской премии, профессор Ричард Фейнман (1918-1988).

Отчёт комиссии Роджерса был опубликован в июне 1986 г. [3]. Комиссия установила, что причиной разрушения летательного аппарата «Челленджер» явилось повреждение уплотнительного кольца правого твердотопливного ускорителя при старте (рис.3,б). Повреждение кольца привело к выбросу наружу струи реактивного топлива, прогоранию отверстия в боку ускорителя, возникновению пожара, взрыву и разрушению корабля.

Экспериментальным путём было установлено, что при запуске твердотопливного ускорителя между хомутом и штифтом в зависимости от силы тяги ускорителя образуется зазор размером от 0,17 до 0,29 дюйма (0,42-0,73 см).

Этот зазор должен быть перекрыт эластичным кольцевым уплотнителем. Последний, однако, при нормальной и при низкой температуре функционирует по-разному: при температуре +250С уплотнители принимают исходную форму в пять раз быстрее, чем при температуре, равной нулю.

Низкая температура воздуха на мысе Канаверал во время десятого старта «Челленджера» повлекла за собой недопустимо большое сжатие резинового уплотнителя, что и явилось «спусковым крючком» для развития катастрофы.

Комиссия пришла к выводу, что решение руководства НАСА о старте «Челленджера» зимой было ошибочным. Это решение приняли лица, незнакомые с особенностями функционирования кольцевых уплотнителей; они, к сожалению, не знали инструкций фирмы-изготовителя уплотнителей, не рекомендовавших производить запуск при температуре воздуха ниже +110С, и поэтому не в состоянии были оценить опасные последствия обледенения тех или иных узлов «Челленджера» перед стартом.

Те же, кто всё это знал, ничего не решали, точнее, посчитали, что вопросы эти недостаточно существенны и носят слишком частный характер, чтобы докладывать о них начальству.

Комиссия Роджерса предложила девять рекомендаций по повышению уровня безопасности в программе «Спейс Шаттл». Президент Рейган обязал НАСА в течение 30 дней составить план по реализации этих рекомендаций.

Полёты шаттлов были надолго прерваны и возобновлены только 29 сентября 1988 г. после успешного старта космического корабля «Discovery».

Американцы облегчённо вздохнули: страна вернулась к полётам в космос с астронавтами на борту. Экипаж корабля «Дискавери» из пяти человек впервые был облачён в оранжевые спасательные скафандры и снабжён индивидуальными парашютами и плавсредствами - на случай аварии при посадке.

Особое мнение Ричарда Фейнмана

Профессор Ричард Фейнман был единственным из членов комиссии Роджерса, который не вписывался в её работу, а вёл собственное расследование причин катастрофы «Челленджера» [4].

Фейнман был человеком бесстрастным и объективным, не побоявшимся озвучить свою точку зрения на всю страну. По результатам своего расследования Фейнман составил собственный доклад и добился его включения в общий доклад комиссии в качестве приложения.

В своем докладе Фейнман критиковал принятые в НАСА критерии оценки безопасности полётов ракет с двигателями на твёрдом и жидком топливе, написав в заключении: «Позвольте порекомендовать официальным лицам НАСА реально оценивать технические слабости и дефекты, чтобы активно их устранять. Они должны видеть реальные обстоятельства, сопоставляя затраты и практическую полезность кораблей с другими способами проникновения в космос».

Но самое интересное произошло на пресс-конференции, устроенной комиссией после завершения своей работы.

В присутствии множества журналистов Фейнман проделал следующий простой, но очень впечатляющий эксперимент, опустив в чашку с ледяной водой кольцевой уплотнитель, использовавшийся на стыке секций твердотельных ускорителей (рис.3).

Вынув из воды уплотнитель, ставший ломким, Фейнман наглядно продемонстрировал влияние температуры на свойства этой детали. Отсюда следовал неизбежный вывод: пускать ракету в космос при низкой температуре воздуха на стартовой площадке ни в коем случае было нельзя.

Низкая температура деформировала кольцевой уплотнитель, что и привело в конечном итоге к взрыву и гибели «Челленджера» с семью астронавтами на борту.

 Дополнение.
Повторите эксперимент Ричарда Фейнмана. Достаньте из холодильника банку с холодной водой и опустите в неё кусочки разной резины. Убедитесь в том, что только специальная морозостойкая резина не изменит своих свойств, а остальные сорта резины потеряют свою эластичность.

 Ссылки

1.Катастрофа космического корабля «Челленджер».

2.Леонид Комиссаренко. Катастрофа «Челленджера», Фейнман и мифы. Интернет, сайт. ARTOFWAR, 2008.

3. Отчет комиссии Роджерса. Интернет.

4. Ричард Фейнман. Радость познания. – М., АСТ, 2914 (В книге опубликован доклад Р. Фейнмана).

В.И. Каганов, доктор технических наук, профессор МИРЭА