280 подписчиков

Анализ аварий в ракетно-космической технике

Не только фото или фото-сувениры мы делаем для Вас, друзья.
Еще печатаем мы тексты просто, в цвете... и сканируем.
Копируем... Сейчас без этого нельзя.
Мы не читаем то, что в текстах пишется.
Заботит нас, лишь, качество печатного листа.
Но, если время есть, то мы с людьми общаемся.
О том как жизнь, здоровье и дела.

Работу для студента мы печатали.
Он разрешил её нам почитать.
И мы узнали, что у нас, оказывается,
Ракеты учат в космос запускать.
И делать это сложно, страшно, дорого...
И смелым, лишь, открыты звёзд врата.
И что у каждого прорыва в нашем космосе
Своя, порой кровавая цена.

Статья большая... Страшно интересная.
Такой она открылась нам.
Кому-то тоже, может быть, полезная.
Кого-то смелого возьмёт ко звёзд вратам!

Анализ аварий в ракетно-космической технике

Введение

Уже на заре возникновения ракетно-космической отрасли было очевидно, что она станет одной из важнейших отраслей в науке, технике и экономике. Ракетно-космическая индустрия существенно продвинула вперед картографию, метеорологию, средства коммуникации, а также дала мощный толчок развитию прикладных наук. Эксплуатация ракетно-космической техники – сложный комплекс процессов, и конечный результат – космический аппарат, выведенный на заданную орбиту в целости и сохранности – зависит от огромного числа факторов. До запуска ракеты происходит долгий и трудоемкий процесс конструирования и проектирования, разработка мер безопасности и требований к эксплуатации. Также рассматриваются и прорабатываются все варианты развития событий при запуске, устраняются всевозможные ошибки.

Несмотря на все меры предосторожности, нередки случаи аварийных ситуаций. Ввиду сложности устройства космической техники и относительно малых коэффициентов запаса, закладываемых при ее разработке, почти невозможно учесть и устранить все вероятные причины отказа. Из-за этого дать оценку работоспособности конструкции можно дать, лишь полагаясь на результаты полноценного испытания всего изделия. Осложняется это тем, что ракеты-носители и космические аппараты – практически штучные изделия, и каждый полет в какой-то мере является испытательным. Поэтому аварии и нештатные ситуации, какими бы трагичными они не были, являются единственным источником информации, позволяющей предотвратить их повторение.

Анализ аварийных ситуаций является исходным моментом всех работ по безопасности, а его результаты во многом определяют последующие технические решения при разработке аварийно-восстановительных и аварийно-спасательных средств. При анализе аварийных ситуаций рассматривают их распределение по месту возникновения (по бортовым и наземным системам) и по времени появления, определяют причины и вероятность их появления, характер развития по времени, последствия и значимость для последующего полета.

Целью данной работы является обзор и анализ значимых аварий при эксплуатации ракетной космической техники.

Глава 1. Место аварий в истории мировой космонавтики

На заре освоения космического пространства подход к проектированию ракет во многом был эмпирическим - слишком малоизучены были физические процессы, лежащие в основе реактивного полета. Тогдашние ученые и инженеры, открывавшие миру эту безусловно перспективную, но совершенно новую область инженерных наук, были в большинстве своем выходцами из авиации и артиллерии, и пытались перенести и адаптировать имевшийся у них багаж опыта к новым задачам. Недоставало и культуры производства, и систематизированного подхода к обеспечению надежности. Поэтому неудивительно, что первые образцы космических ракет, тогда еще суборбитальных, показывали весьма посредственную эффективность - едва ли половина запусков были успешными.

Так, из первых десяти изготовленных образцов первой классической в современном понимании ракеты "Фау-2" два были признаны непригодными к испытанию, на оставшиеся 8 ракет приходится 5 неудачных запусков и всего 3 – успешных:

· Первый запуск - отказ двигателя на 36 секунде полета;

· Второй запуск - отказ двигателя на 45 секунде и разрушение в полете;

· Третий, четвертый и пятый запуски прошли успешно;

· Шестой запуск - отрыв управляющих поверхностей в полете;

· Седьмой запуск - взрыв перекиси водорода в парогазогенераторе;

· Восьмой запуск - взрыв на стартовом столе.

В первые послевоенные годы у стран-победительниц, вступивших сначала в ракетную, а затем и в космическую гонку, дела обстояли не лучше. В 1945-1950 гг. в среднем 15..20% запусков оканчивались неудачно, а у отдельных типов ракет – гораздо больше. Например, аварией закончились первые 12 пусков советской ракеты Р-2 во время испытаний в 1950 году.

Более того, в значительной части попыток запуска ракета даже не отрывалась от стартового стола. Так, при летных испытаниях ракеты Р-1 «настоящему» пуску зачастую предшествовало до десятка неудачных попыток, вызванных отказом того или иного узла. Постоянно возникали проблемы с электрикой, системами навигации и управления; трубопроводами, насосами и клапанами; наземным оборудованием и системами зажигания, – другими словами, практически со всеми системами и агрегатами ракеты. Многие из них переделывались прямо на испытательном полигоне.

Тем не менее, такие показатели считались приемлемыми на то время. На то было несколько причин. Во-первых, экспериментальный характер большинства пусков, имевших цель поиска хороших технических решений и подготовки предприятий и конструкторских бюро к по-настоящему инновационной работе, предполагал весьма большую долю неудач. Во-вторых, ракеты, разрабатывавшиеся в то время, предназначались для массового развертывания в составе вооруженных сил, и создание пригодной для серийного производства ракеты оправдывало проведение даже нескольких десятков испытаний для каждого типа. В-третьих, эти ракеты, хоть и были передовой инженерной мыслью на тот момент, все равно были дешевле и имели более простую конструкцию, чем, например, современные им самолеты; содержали относительно небольшое количество горючего, а стоимость полезной нагрузки была мала по сравнению со стоимостью ракетной части, поэтому аварийные запуски не наносили особенно большого ущерба.

Ситуация изменилась к началу в СССР, а затем и в США, программ разработки межконтинентальных баллистических ракет. За предшествующее десятилетие была подготовлена научно-технологическая база, а НИИ, конструкторские бюро и заводы были укомплектованы специалистами, набравшимися опыта в разработке всё более совершенной техники. Исправлялась культура производства, а уроки десятков и сотен нештатных ситуаций, произошедших на ракетах старых типов, стали почвой для создания гораздо более тщательной программы наземных испытаний. Делалось все возможное для уменьшения рисков аварии.

Но и цена ошибки возросла многократно. Межконтинентальные ракеты, по сравнению с «младшими» ракетами малой и средней дальности, значительно располнели. Возросшие масса и габариты приводили к сильным колебательным нагрузкам; возрастали и требования к точности – все это компенсировалось новейшими системами управления, которые к тому же многократно дублировались. Необходимость увеличения дальности и полезной нагрузки требовала перехода от простых агрегатов к гораздо более сложным, точным и работавшим на пределе прочности. Вместе с возможностями изделия увеличивалась и его стоимость, и массовое их изготовление было и без аварийных пусков весьма затратно для экономики стран. Сложнее и дороже стали и стартовые позиции – на смену примитивным конструкциям пришли капитальные сооружения, строившиеся в единичных количествах и строительство которых занимало месяцы и годы. Любая серьезная авария грозила обернуться катастрофой для своей программы, что в условиях нарастающего конфликта между двумя сверхдержавами было совершенно неприемлемо. Отсюда и столь возросшие требования к надежности ракет.

Но и этих мер предосторожности было недостаточно. Новейшие образцы ракетной техники были неиссякаемым источником головной боли для своих создателей. Так, аварией окончился первый запуск ракеты Р-7 15 мая 1957 года: в боковом блоке «Д» на старте возник пожар, продолживший распространяться во время полета. Через 98 секунд блок «Д» самопроизвольно отделился от ракеты, из-за чего она начала самопроизвольно отклоняться от заданного курса, и на 103 секунде полета автоматика отключила двигатели. По итогу испытания была проведена тщательнейшая проверка следующих летных образцов, показавшая, что почти все соединения в топливных магистралях, гидравлических и пневматических системах были не в состоянии перенести транспортировку по железной дороге. Были также обнаружены грубые ошибки в сборке ракет – неправильно установленные или отсутствующие детали, мусор и крепежные элементы, по случайности потерянные внутри отсеков. По воспоминаниям Б.Е. Чертока, «обнаружили такое количество потенциальных источников пожаров, что удивились, почему на предыдущей «семерке» загорелся только блок «Д».

За первые пять стартов «семерки» успешно прошли активный участок траектории только две, еще две потерпели аварию, а одна и вовсе не взлетела. У американцев дела обстояли не лучше. Их первый испытательный запуск их первой МКБР, SM-65 «Atlas», состоялся немногим позже, в июне 1957 года. Из 8 летных образцов, запущенных за год, лишь два выполнили поставленную перед ними задачу.

К этому моменту СССР и США, в тайне друг от друга, уже начали великую «космическую гонку». Официально она открылась с запуском 4 октября 1957 года «Спутника-1» на одноименной ракете-носителе, представлявшей собой слегка модифицированную версию Р-7. К чести советских инженеров, этот запуск прошел успешно, с первой попытки окончившись выводом первого искусственного спутника Земли в полностью работоспособном состоянии. Успешным был и следующий запуск, когда на борту «Спутника-2» собака Лайка стала первым живым существом на орбите Земли, хоть и с оговоркой: из-за несовершенства космического аппарата она прожила на орбите лишь около 4-5 часов.

США же вступили в космическую гонку гораздо менее удачно. Их первая попытка запуска орбитального аппарата «Vanguard-TV3» на модифицированной суборбитальной ракете «Викинг» с двумя дополнительными ступенями, обернулась взрывом на стартовой площадке, ознаменовав таким образом первую катастрофу в истории космонавтики. Первый успех им принесла другая ракета, «Юнона-1», являвшаяся прямым потомком немецкой «Фау-2». Советский Союз, впрочем, недолго сохранял свой послужной орбитальных запусков безупречным – уже через 4 месяца после первой неудачи американцев, во время запуска «Спутника-3» ракета-носитель разрушилась в полете.

Так начался трудный путь человечества к освоению космоса. Особенно тяжелым этот путь был в первые 3-4 года космической гонки, когда аварийные и частично аварийные запуски составляли более половины от общего их числа. В эти годы приблизительно в равной мере плохую надежность показывали и советские, и американские ракеты, даже несмотря на различие в подходах к космической программе: СССР всецело полагался на носители семейства Р-7, базовый образец которой в межконтинентальном исполнении все еще находился в стадии испытаний, тогда как США, хотя и тоже брали за основу боевые ракеты, разрабатывали сразу несколько типов носителей.

Следующей ступенью человечества на пути освоения космоса стало покорение Луны. И СССР, и США, в атмосфере строжайшей секретности и не зная о планах соперника начали работу над этой амбициозной задачей. Она вновь потребовала расширения границ возможностей ракет-носителей: если с достижением первой космической скорости справлялись несколько модифицированные боевые баллистические ракеты, то вторая требовала включения в конструкцию еще одной ступени – разгонного блока. Ужесточились требования и к командно-контрольной аппаратуре, так как точность, с которой выводились ранее ИСЗ, не позволяла решить задачу сближения с Луной. Эти факторы, а также общая «сырость» и недостаточная освоенность первых ступеней вызвали весьма большое, по сравнению с неожиданным успехом первых спутников, число неудач.

Первая попытка запуска автоматической межпланетной станции по программе «Пионер» 17 августа 1958 года окончилась аварией ракеты-носителя «Тор-Эйбл-1». Через 17 секунд после старта с мыса Канаверал ракета начала отклоняться от расчетного курса и по команде с наземной станции управления была уничтожена. Причиной аварии объявили прорыв трубопровода в двигателе первой ступени. Чуть больше, чем через месяц, 23 сентября 1958, аналогичная участь постигла первый советский лунный аппарат. Этот запуск также оборвался во время работы первой ступени, она же стала причиной аварии и второго запуска 11 октября. Немногим лучше показал себя еще один американский «Пионер», запущенный 15 часами ранее в тот же день – и все равно из-за ошибки наведения аппарат не смог развить достаточную скорость. Попытка замкнуть орбиту до высокоэллиптической также провалилась, уже из-за несовершенства самого аппарата. Еще один запуск на все той же «Тор-Эйбл-1» окончился неудачей по новой причине – не запустился двигатель третьей ступени. Следующий аппарат – советская «Луна-1» №3 был уничтожен самоликвидацией ракеты по вине двигательной установки второй ступени. Последний в 1958 году аппарат, «Пионер-3», также не выполнил задачу из-за преждевременного отключения двигателя первой ступени новой на тот момент ракеты «Юнона-2».

Частичного успеха смогла достичь «Луна-1» №4, запущенная 2 января 1959 года. Блок «Е» ракеты-носителя «Восток-Л» впервые смог разогнать созданный человеком аппарат до второй космической скорости. Тем не менее, основную задачу – попадание по поверхности Луны – он не выполнил. Совсем небольшая погрешность на этапе выведения давала огромное отклонение траектории на дальности лунной орбиты, и той доли секунды, с которой опоздала радиокоманда на отключение двигателей второй ступени, хватило для промаха мимо цели на полтора диаметра Луны. Тем не менее, вся бортовая аппаратура отработала исправно.

Следующие два «лунных» запуска – один американский и один советский – вновь оказались неудачными. «Пионер-4» не вышел на орбиту Луны из-за ошибки в расчетах траектории. Первый экземпляр «Луны-2» не достиг и этого – сказалась авария на второй ступени.

Второй экземпляр «Луны-2» отправился в свое триумфальное путешествие лишь с четвертой попытки пуска. 6 сентября 1959 года, во время первой попытки, автоматика дала «сброс схемы». Причина – не был подключен один из разъемов на стартовой позиции. Запуск отложили. 8 сентября – вторая попытка: замерз датчик наддува бака кислорода, пуск отложили вновь. 9 сентября – третья попытка: после зажигания двигателей не прошла команда «Главная». Старт снова сорвался, и было принято решение заменить проблемную ракету. 12 сентября 1959 года запуск на новой ракете состоялся без единого замечания. «Луна-2» достигла поверхности Луны.

После покорения лунной поверхности следующей важной вехой стало осуществление межпланетных перелетов. Советские и американские инженеры и ученые стали готовить аппараты для полетов к Марсу и Венере. К этому моменту ракеты-носители обоих держав стали надежнее относительно первых лет запусков. Основной (и единственной) космической ракетой СССР продолжила оставаться «Р-7» в различных модификациях, которая к тому моменту избавилась от большинства своих «детских болезней»; США же смогли добиться вполне сносной надежности носителя «Тор-Аджена». Основная масса неудач в межпланетных миссиях стала виной разгонных блоков (недостатки которых, тем не менее, исправить было гораздо проще в силу их однотипности), и самих аппаратов. Проблемы с ними было решить труднее – необходима была разработка новых материалов и электроники, устойчивых к продолжительному воздействию космической среды.

Тем временем в СССР подготавливался новый прорыв: шли работы над обитаемым космическим кораблем. Международный престиж, который сулило это достижение, был огромен, но столь же огромной была и ответственность за возможный провал. И то, и другое подогревало энтузиазм рабочих коллективов, на которые была возложена эта задача.

Первый прототип будущего «Востока», «Спутник-4» был запущен на одноименной ракете из семейства «семерки» 15 мая 1960 года. Аппарат работал нормально до этапа торможения – из-за неверной ориентации, вызванной отказом датчика оптического горизонта, вместо торможения и входа в атмосферу аппарат, наоборот, перешел на более высокую орбиту. Работы продолжились

«Спутник-5» №1 был уничтожен, разбившись при падении вместе с носителем вскоре после старта, из-за дефекта бокового блока первой ступени. Второй экземпляр свои задачи полностью выполнил, впервые вернув живых существ на Землю после орбитального полета. «Спутник-6» не смог вовремя запустить тормозной двигатель. Аппарат был взорван в атмосфере системой самоуничтожения.

В начале 1960 года было выпущено специальное «Положение по ЗКА» (заводской чертежный индекс «Востока»), установившее строжайшие меры контроля качества и заводских испытаний всех приборов и испытаний космического корабля. СССР вовсю готовился отправить человека в космос. И все-таки, по воспоминаниям Б.Е. Чертока, «если исходить из современных стандартов надежности ракет-носителей, то у нас к апрелю 1961 года не было оснований для оптимизма. Даже для коммерческих пусков непилотируемых автоматов, в частности спутников связи, в 80-х годах по международным нормам полагалось использовать носители, у которых было подряд не менее восьми благополучных запусков. Из пяти кораблей-спутников, запущенных в 1960 году для отработки систем, взлетели четыре. Из этих четырех на орбиту вышли три, а приземлились два. Из двух вернувшихся только один приземлился нормально! До пуска человека было совершенно необходимо иметь еще два-три успешных беспилотных».

После этого неудачных испытаний «Востока» не было. «Спутники» 9 и 10 завершили свои полеты в штатном режиме безо всяких нареканий. 12 апреля 1961 года, всего через три с половиной года после первого искусственного спутника космический корабль «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту вышел на орбиту Земли. В столь краткие сроки был пройден огромный путь по обеспечению надежности как ракет-носителей, так и космических аппаратов. Из 50 запусков в 1961 году аварийными стали 15, из 81 в 1962 году – 9; по сравнению с пятидесяти- (и более) -процентной аварийностью в первые годы это было колоссальным прогрессом.

И всё-таки аварии продолжили происходить. Накопленный опыт, а также сильно изменившееся отношение к безопасности пусков сильно сократили их число, но полностью предотвратить их было невозможно. К 1970-м годам сформировалась тенденция к дальнейшему росту надежности ракет-носителей, которые, после нескольких аварийных запусков на этапе разработки, в дальнейшем показывали надежность более 95 процентов. Доля аварий по вине космических аппаратов, наоборот, возросла. Так, на этапе входа в атмосферу погиб Владимир Комаров (единственный член экипажа «Союза-1») и экипаж шаттла «Колумбия». Из-за повреждения орбитального модуля в результате неудачной стыковки погибли Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев, вновь на участке входа в атмосферу. Лишь катастрофа «Челленджера» из всех запусков, окончившихся гибелью космонавтов, произошла на участке выведения.

Худшие показатели надежности из всех типов аппаратов в последние десятилетия имеют автоматические межпланетные станции. Почти каждая из них имеет оригинальную конструкцию, что усложняет поиск возможных причин аварии, а из-за большой дальности и времени полета до сближения с целевым небесным телом системы связи, управления и в особенности двигательные установки часто выходят из строя или показывают характеристики ниже расчетных, отсюда и основные причины неудач: отказы двигательной установки или отклонение от запланированной траектории. Еще чаще случаются отказы приборов и систем, не ведущие к прекращению миссии аппарата.

Работы по повышению надежности ведутся постоянно, и анализ неудач – одно из важнейших направлений этой работы. У каждой аварии множество причин, но почти всегда можно выделить один решающий фактор, ставший спусковым крючком для катастрофы. Такие факторы можно грубо категоризировать по их природе: человеческий фактор, когда на производстве или на стартовом столе по какой-либо причине были нарушены инструкции или совершены отступления от требуемой организации работ, а также по невнимательности проверяющих были упущены дефекты; конструктивные ошибки, допущенные инженерами по недостатку опыта или в силу неточности применяемых методов; ошибки программного характера, вызывающие неправильную обработку сигналов от датчиков или прерывающие управление аппаратом; наконец, непредвиденные обстоятельства непреодолимой силы. В последующих главах мы рассмотрим некоторые наиболее замечательные случаи аварий из мировой практики ракетостроения, относящиеся к этим категориям – причины их возникновения, к чему они привели и какие выводы были сделаны из них инженерным сообществом.

Глава 2. Конструктивные ошибки и производственные дефекты

Наиболее частой причиной аварий ракет-носителей и космических аппаратов являются дефекты аппаратного характера, вызванные ошибками и недочетами при разработке, изготовлении и сборке изделия. Их доля особенно высока в ракетах-носителях, в виду высоких нагрузок на участке выведения и малых коэффициентов запаса. Так, на 70 аварий отечественных РН, для которых достоверно известны причины возникновения, 82,9% приходится именно на аппаратные отказы. Наиболее распространенные причины таких отказов РН: ненормальная работа автоматики (клапанов) ДУ; прогары и разрушения основных и рулевых камер сгорания и камер сгорания газогенераторов ДУ; отказы и поломки турбонасосных агрегатов ДУ; отказы в системах опорожнения баков, негерметичность топливных и газовых магистралей; отказы основных приборов системы управления; отказы в системах электропитания; повышенные вибрации конструкции и приборов [6].

2.1. Аварии пилотируемых космических аппаратов со смертельными исходами

Именно аппаратные дефекты стали причиной всех пяти катастроф в истории космонавтики, приведших к человеческим жертвам (помимо четырех упомянутых в предыдущей главе, следует рассмотреть и «Аполлон-1», авария в котором произошла во время тренировки экипажа). В двух из них (аварии «шаттлов» «Челленджер» и «Колумбия») о проблемах, повлекших за собой уничтожение аппаратов, было известно из предыдущих запусков, но они были ошибочно признаны несущественными. Экипажи еще трех космических аппаратов – «Аполлона-1», «Союза-1» и «Союза-11» – погибли из-за погибли в космических аппаратах, имевших недостатки конструкции, не выявленные в ходе безэкипажных испытаний. Рассмотрим эти катастрофы подробнее.

2.1.1. «Апполон-11»

К 27 января 1967 года в ходе подготовки NASA ракеты «Сатурн-5» с космическим кораблем «Аполлон» к пилотируемому полету к Луне уже было успешно проведено два беспилотных запуска. Модификация корабля «Аполлон», использовавшаяся в этих запусках, отличалась от той, которая предназначалась для пилотируемых полетов, и которую предполагалось доработать с учетом выявленных замечаний по первой версии, причем многие из этих изменений вносились в конструкцию уже на космодроме, и зачастую производились по упрощенной схеме, без всех необходимых расчетов и документирования. Примерно в 13 часов 27 января началось первое испытание с симуляцией работы командного модуля на бортовом питании. Оно состояло в проверке работоспособности приборов корабля и наборе стартовой готовности до момента пуска, но без реального запуска. Набор готовности шёл очень медленно. В 18:31 в кабине начался пожар, и через 15 секунд спускаемый аппарат разрушился от внутреннего давления. Все члены экипажа – Гас Гриссом, Эд Уайт и Роджер Чаффи – погибли от отравления угарным газом.

Возгорание произошло из-за стечения нескольких обстоятельств. Его непосредственной причиной по результатам расследования была признана дефектная система электропитания. Условия для возникновения пламени создала полностью кислородная атмосфера внутри корабля, которая применялась для упрощения системы жизнеобеспечения. Пренебрежению пожарной безопасностью при использовании чистого кислорода поспособствовал успешный опыт применения такой атмосферы в предшествовавших космических полетах по другим программам. Более того, многие материалы, примененные в герметичном объеме, были горючими (рис. 3), в том числе изоляция проводов. Покинуть космический аппарат экипажу помешала конструкция люка, внутренняя часть которого должна была открываться внутрь (рис. 1 и рис. 2), чему препятствовало избыточное давление внутри корабля. Аварийное открытие люка было предусмотрено в конструкции более раннего аппарата «Меркьюри», но на «Аполлоне» от этой системы отказались.

результатам расследования аварии была проведена очень серьезная работа по повышению пожаробезопасности космического аппарата (так, содержание кислорода в воздухе внутри кабины было понижено до 60 процентов; все горючие материалы были заменены негорючими аналогами). Появилась процедура аварийного покидания командного модуля, для чего в конструкцию аппарата были внесены соответствующие изменения (люк стал открываться наружу, была переделана эргономика кабины).

2.1.2. «Союз-1»

«Союз-1» был первым пилотируемым запуском космических аппаратов этого типа. По плану запуск должен был быть сдвоенным: «Союз-2» должен был выйти на орбиту следом, затем аппараты предполагалось состыковать и осуществить переход экипажа между ними через открытый космос. Вопреки здравому смыслу и соображениям безопасности, корабль 7К-ОК №4 был допущен к пилотируемому полету несмотря на то, что испытательных пусков было проведено всего два, оба из которых (7К-ОК №2 и №3) были неудачными. Тем не менее, 23 апреля 1967 года корабль с единственным членом экипажа – Владимиром Михайловичем Комаровым – был выведен на НОО. Сразу после выхода на орбиту проявились дефекты аппарата: не раскрылась одна из солнечных панелей, отказали системы автоматической ориентации корабля. Было принято решение совершать аварийную посадку. Ориентация корабля и выдача тормозного импульса были проведены вручную, и корабль перешел на траекторию спуска. Отделение бытового и приборно-агрегатного отсека произошло успешно, но отказала парашютная система.

На высоте 9,5 км был сброшен люк отсека основного парашюта, вытяжной и тормозной парашюты вышли и раскрылись, однако основной парашют, который должен был вытянуться тормозным, не вышел. На высоте 5,5 км автоматика запасного парашюта оценила скорость снижения как неприемлемую и задействовала запасной парашют. Однако он оказался затененным тормозным парашютом и не раскрылся. Космический аппарат ударился о землю со скоростью около 140 км/ч.

Комиссия, расследовавшая катастрофу, выяснила следующее:

Контейнер с основным парашютом (рис. 4, поз. 12) при сбросе его крышки испытывал разницу в давлении между атмосферным давлением на высоте 9,5 км и гораздо более высоким внутрикорабельным. Вследствие этого контейнер сжимался и сдавливал укладку парашюта внутри, увеличивая усилие, необходимое для его вытягивания. Во время единственной штатной процедуры посадки этот недостаток не был замечен, так как аппарат 7К-ОК №3 при посадке разгерметизировался, а на испытаниях с самолетным сбросом проблема по неизвестным причинам ни разу не возникла.

Была нарушена технология изготовления аппарата. Внешнее теплозащитное покрытие требовало полимеризации в автоклаве, в который посадочный аппарат должен был помещаться со штатно установленными крышками парашютных отсеков, но ввиду задержек с их изготовлением автоклавирование производилось без них. Парашютные отсеки при этом были закрыты подручными материалами, и недостаточно плотно, вследствие чего летучие фракции материала ТЗП осаждались на стенки контейнера. Это сделало их шероховатыми и клейкими, еще больше увеличив усилие, необходимое для вытяжки парашюта.

Эти причины в совокупности увеличили усилие вытяжки до более чем 2800 кг, что превышало вес посадочного аппарата. Тем не менее, посадка могла бы пройти успешно, если бы правильно отработала запасная парашютная система. Однако:

Запасной парашют попал в аэродинамическую тень неотстреленного тормозного парашюта основной парашютной системы и не наполнился в достаточной мере. Возможность их одновременной работы ранее не проверялась.

Конструкция парашютного контейнера была переработана: увеличена жесткость и изменена форма. Главным же выводом стало серьезное ужесточение мер предосторожности: усилился контроль за процессом изготовления и сборки космического аппарата; допуск к пилотируемому полету был отозван и не присвоен обратно до окончания гораздо более глубокой и всеобъемлющей программы испытаний.

2.1.3. «Союз-11»

«Союз-11» был запущен 6 июня 1971 года к орбитальной станции «Салют-1». Экипаж – три человека: командир - Георгий Добровольский, бортинженер - Владислав Волков, и инженер-исследователь - Виктор Пацаев. Это была первая в истории долговременная орбитальная экспедиция. 29 июня 1971, после успешного завершения полетного задания, космический аппарат отделился от станции, выполнил маневр торможения и перешел на траекторию входа в атмосферу. После отделения бытового и приборно-агрегатного отсеков связь с экипажем прервалась. Спускаемый аппарат приземлился штатно в автоматическом режиме, но экипаж к этому моменту уже погиб.

Причина смерти у всех одинаковая – декомпрессионная болезнь. Она была вызвана разгерметизацией аппарата на высоте около 150 км, при внешнем давлении 0,07 от нормального атмосферного. Разгерметизация произошла из-за нештатного открытия одного из двух клапанов, предназначенных для выравнивания давления в спускаемом аппарате с внешним. При нормальной работе эти клапаны открываются пиропатроном автоматически на высоте 2-3 км. Причина преждевременного открытия клапана так и не была выяснена. По версии комиссии, расследовавшей катастрофу, пиропатрон клапана сработал из-за ударной волны от срабатывания пироболтов при разделении отсеков КА, однако подтвердить эту версию не удалось.

Этот отказ мог бы не стать гибельным для экипажа, если бы не совпало три обстоятельства:

Космонавты летали без скафандров – из соображений экономии веса и полезного пространства аппарата. Такой подход – наследие серии КА «Восход», неспособных вместить 3 человек в скафандрах. Надежность аппаратов серии «Союз» к моменту аварии считалась приемлемой, и на полеты в скафандрах переходить не планировалось.
Клапаны были снабжены ручной заслонкой, предназначенной для их закрытия в случае приводнения. Таким образом, можно было отказаться от автоматики их открытия, одновременно упростив конструкцию и повысив ее надежность, однако этого сделано не было.
Для ручного закрытия клапана одному из членов экипажа необходимо было отстегнуть ремни и покинуть кресло. На эту операцию требовалось гораздо больше времени, чем человек способен оставаться в сознании при декомпрессии.

При разработке космических аппаратов серии «Союз» использовался следующий принцип: «Любой один отказ в любой системе не должен приводить к невыполнению программы, любой второй отказ не должен приводить к опасности для жизни экипажа». Конструкция клапана вкупе с отсутствием скафандров нарушила этот принцип.

После аварии полеты аппаратов серии «Союз» прервали на 27 месяцев. Были введены скафандры, что потребовало отказа от третьего члена экипажа, существенно улучшена эргономика органов управления. Конструкция клапана также была изменена.

2.1.4. «Челленджер»

Запуск «Челленджера» 28 января 1986 был 25-м полетом по программе «Спейс Шаттл». К тому моменту «шаттлы» считались достаточно надежными космическими аппаратами, и запуск готовился в рекордные сроки, всего через 16 дней после предыдущего полета. Сразу после отрыва от стартового стола из соединения в корпусе правого твердотопливного ускорителя начал выходить дым. На 59-й секунде из проблемного соединения вырвалось пламя; к 65-й секунде оно прожгло стенку внешнего бака водорода. На 73-й секунде началось разрушение конструкций аппарата: сначала крепления поврежденного ускорителя, затем внешнего топливного бака, а после воспламенения компонентов топлива, выходящих из него – и самого челнока. К 76-й секунде полета он разрушился окончательно, поврежденная кабина экипажа стала падать в Атлантический океан. К моменту удара о воду члены экипажа были еще живы и в сознании, все они – астронавты Майк Смит, Дик Скоби, Рон Макнейр, Эл Онизука, Грег Джарвис, Джуди Резник, а также школьный учитель Криста Маколифф – погибли от удара.

Конструкция соединения изначально была неудачной. Для предотвращения прорыва газов через соединение в него были включены два уплотнительных кольца (рис. 5, поз. «В» и «С»). Несмотря на дополнительное подкрепление оболочки (рис. 5, поз. «D»), жесткость соединения была недостаточной ввиду слишком больших допусков размеров на соединяемых поверхностях. Под давлением внутри ускорителя его стенки выгибались наружу, из-за чего соединение, в свою очередь, выгибалось внутрь (рис. 6, слева), и уплотнительные кольца переставали обеспечивать герметичность. Кроме того, в день запуска погодные условия на стартовой площадке были неблагоприятными: из-за холодной погоды поверхность аппарата охладилась до -13 , из-за чего уплотнение еще больше теряло эффективность [8].

О недостатках соединения сегментов твердотопливного ускорителя было известно еще со второго полета «шаттла». В 18 из 24 предыдущих миссий уплотнение соединение вызывало проблемы, в 9 из них был зафиксирован прорыв газов через уплотнение. Подрядчику-изготовителю твердотопливных ускорителей – «Morton Thoikol» – было известно о проблеме и о степени ее опасности, но по неким причинам управление компании предпочло скрыть этот недостаток; NASA получало сфальсифицированные отчеты и не проводило собственных испытаний. Кроме того, длительный опыт успешной эксплуатации «шаттлов» несколько скрыл серьезность недостатка. Также по неизвестным причинам при разработке «шаттлов» в них не было заложено системы аварийного спасения для всего экипажа.

Действия, предпринятые по результатам аварии, также не отличались радикальностью: была повышена жесткость соединения, добавлено третье уплотнительное кольцо, но в целом конструкция осталась неизменной. Была введена рудиментарная система спасения, которая, впрочем, не могла бы спасти экипаж в случае повторения аварии.

2.1.5. «Колумбия»

«Шаттл» «Колумбия» был запущен 16 января 2003 года. Во время запуска было отмечено, что кусок теплоизоляции внешнего топливного бака отвалился и ударил челнок по левому крылу. К инциденту отнеслись без должного внимания, так как подобные случаи происходили во время запусков «шаттлов» регулярно. Утром 1 февраля 2003 года после 16-суточного полёта «шаттл» «Колумбия» возвращался на Землю. Приблизительно через 600 секунд после вхождения в атмосферу начались видимые разрушения челнока, перестали поступать данные с датчиков в левом крыле, вскоре после чего связь с аппаратом прервалась. На 969 секунде после входа в атмосферу было зафиксировано разрушение аппарата. Погиб весь экипаж – Дэвид Браун, Лорел Кларк, Майкл Андерсон, Илан Рамон, Рик Хасбэнд, Калпана Чавла и Уильям МакКул.

Непосредственной причиной аварии является повреждение передней кромки крыла на участке выведения ударом теплоизолирующей пены внешнего топливного бака. Размер и степень повреждений достоверно неизвестны, поскольку никто из инженеров не обеспокоился всерьез этой проблемой, и, несмотря на техническую возможность осмотра повреждений, этого не было сделано. Если бы проблема была выявлена вовремя, гибель экипажа было возможно предотвратить, спустив их с орбиты на другом «шаттле», один из которых был на высоком уровне готовности к пуску.

Авария фактически привела к закрытию программы «Спейс Шаттл». После катастрофы «Колумбии» «шаттлы» продолжили выполнять уже запланированные миссии, но прием новых заказов был закрыт. Проблему с отваливающейся теплоизоляцией так и не решили; во избежание повторения аварии была введена процедура визуального осмотра челнока перед спуском с орбиты.

2.2. Другие аварии на пилотируемых миссиях

2.2.1. «Союз-5»

14 и 15 января 1969 года успешно вышли на НОО космические аппараты «Союз-4» (экипаж - Владимир Шаталов) и «Союз-5» (экипаж - Борис Волынов, Алексей Елисеев и Евгений Хрунов). Задачей обоих кораблей было произвести стыковку на орбите и осуществить переход экипажей из одного корабля в другой. Задачи полета были выполнены в полной мере. После успешной стыковки Елисеев и Хрунов через открытый космос перешли из «Союза-5» в «Союз-4». После расстыковки экипажи аппаратов начали готовиться к возвращению на Землю.

«Союз-4» совершил посадку в штатном режиме. При сходе же с орбиты «Союза-5» возникла проблема: не сработал пиропатрон отделения спускаемого аппарата от приборно-агрегатного отсека, спуск пошёл по нештатной траектории с перегревом спускаемого аппарата из-за неверной ориентации во время торможения (тепловым экраном назад), нерасчётными перегрузками и закруткой. Спускаемый аппарат отделился при прохождении плотных слоев атмосферы по причине взрыва в приборно-агрегатном отсеке из-за сильного нагрева баков с горючим на высоте 90 километров. Так как спуск продолжался по нерасчетной баллистической траектории с вращением вокруг продольной оси, выпущенный парашют стало закручивать, что увеличило скорость спуска. Нерасчётно сработала и система мягкой посадки (в метре от поверхности), в результате чего Волынов получил инерционные травмы.

2.2.2. «Союз-18-1»

Это обозначение было присвоено несостоявшемуся полету к орбитальной станции «Салют-4». Запуск состоялся 5 апреля 1975 года, первая и вторая ступени отработали нормально. Авария при отделении второй ступени ракеты-носителя. Из-за отказа реле три из шести пирозамков хвостового отсека третьей ступени не сработали. Тяга двигателя третьей ступени сорвала нераскрывшиеся пирозамки, при этом космический аппарат стал отклоняться от заданной траектории. На 295 секунде полета по превышению углов отклонения сработала система аварийного спасения.

Апогей суборбитального полета составил 192 км. Аппарат начал выполнять посадочную программу, произошло разделение отсеков. Из-за неконтролируемого вращения корабля система ориентации дала сбой и развернула корабль так, что в атмосферу он входил гораздо быстрее, чем в нормальном режиме. Спускаемый аппарат испытал пиковую перегрузку более 20g. Спускаемый аппарат совершил безопасное приземление, экипаж (Василий Лазарев и Олег Макаров) выжили и перенесли аварию без значительного вреда здоровью.

2.2.3. «Союз МС-10»

11 октября 2018 аварийно закончился запуск космического аппарата «Союз МС-10» на РН «Союз-ФГ». Полет был прерван на 123 секунде при отделении бокового блока «Д».

По результатам расследования комиссии было установлено, что в процессе сборки ракеты-носителя на космодроме Байконур была допущена ошибка, которая привела к изгибу на 6°45’ штока концевого выключателя одного из блоков. Из-за этого изгиба в ходе штатного процесса отделения блока Д, после отключения двигателей боковых блоков, разъединения нижнего пояса связей и выхода шаровой опоры из гнезда (после выключения двигателя боковой блок отстает от остальной части ракеты, которая продолжает двигаться вперед с ускорением), шток концевого выключателя не сдвинулся, и не произошла подача сигнала на открытие крышек реактивных сопел на баках окислителя и горючего. Носовая часть бокового блока Д не отошла от центрального блока, а продолжила скольжение своим концом по его наружной поверхности (по нижней конической части бака окислителя) и достигла цилиндрической части, где начинается бак горючего. На изгибе корпуса центрального блока носовая часть бокового блока, столкнувшись c кривизной корпуса, пробила корпус бака горючего. В результате произошла разгерметизация бака и выброс газов наддува под давлением около 3,5 атм. Образовавшаяся реактивная сила создала мощное, нерасчётное поперечное воздействие на ракету-носитель, которое система управления не смогла парировать штатными средствами и инициировала сигнал «авария носителя».

Спасение экипажа (командир – Алексей Овчинин, бортинженер – Тайлер Хейг) было обеспечено двигателями головного обтекателя, т.к. штатная двигательная установка системы аварийного спасения к тому моменту уже была сброшена. Приземление по баллистической траектории прошло без замечаний.

2.3. Аварии РН

2.3.1. «Н-1»

Сверхтяжелая ракета-носитель «Н-1» начала разрабатываться в 1961 году как носитель для вывода на НОО тяжелого межпланетного корабля для казавшихся тогда перспективными пилотируемых межпланетных полетов. Впоследствии, с началом «лунной гонки», носитель был переориентирован для вывода двух верхних ступеней и лунного корабля в составе лунного отлетного комплекса.

Топливной парой для носителя были выбраны керосин и жидкий кислород. Причины такого решения во многом были определены политическими соображениями и конкуренцией между конструкторскими бюро; в подробности этого обстоятельства в данной работе мы углубляться не будем. Важно то, двигатели, разработанные для «Н-1», обладали относительно малой тягой по сравнению с весом заправленной ракеты, и для первой ступени потребовалась установка 30 таких двигателей.

Между 1969 и 1972 годами состоялось 4 испытательных пуска ракеты-носителя, все из которых закончились неудачно:

Первый пуск состоялся 21 февраля 1969 года. Через несколько секунд после старта системой контроля ракетных двигателей (КОРД) был выключен двигатель 12, а затем симметричный ему двигатель 24. В ракете возникли продольные автоколебания, приведшие к разрыву линий подачи компонентов топлива, что повлекло за собой пожар. Автоматика отключила первую ступень ракеты на 68 секунде полета.
Второй пуск состоялся 3 июля 1969 года. Почти сразу после отрыва от стартового стола был отключен двигатель 8 из-за ненормальной его работы, вслед за тем началось последовательное отключение всех двигателей, кроме двигателя 18. Будучи одним из периферийных двигателей, его работа начала опрокидывать ракету. На 15 секунде по отклонению от курса сработала система аварийного спасения, ракета отключилась и упала на стартовый стол.
Третий пуск состоялся 27 июня 1971 года. В этот раз нормально функционировали все двигатели, но на ракету начал действовать неучтенный и не обнаруженный ранее момент по крену. В результате закрутки ракеты она начала разрушаться в полете. По соображениям безопасности отключение первой ступени было заблокировано до 51 секунды полета.
Четвертый (последний) пуск состоялся 23 ноября 1972 года. До пятидесятой секунды полета ракета функционировала нормально, после чего начались автоколебания корпуса и давления в двигателях. При снижении тяги для отделения первой ступени произошел взрыв турбонасоса двигателя 4. Отделение первой ступени так и не произошло, т.к. автоматика оказалась неспособной отреагировать на сложившуюся ситуацию

После этого запуска работы по созданию «Н-1» были прекращены. Главным фактором, вызвавшим череду отказов, было то, что наземные огневые и динамические испытания первой ступени и ракеты в сборе не проводились ввиду ее огромного размера. В результате к летным испытаниям была допущена ракета с огромным числом неучтенных недостатков, которые на ракета такой сложности в то время невозможно было учесть на этапе проектирования.

2.3.2. Третья ступень «Протона»

Третья ступень РН «Протон» стала причиной трех аварий: в 1988, 2014 и 2015 годах. Причиной аварии является конструктивный дефект рулевого двигателя третьей ступени. В жестких условиях работающего двигателя с высокой температурой и вибрацией ротор турбонасосного агрегата мог терять прочность. Ослабевший ротор еще сильнее вибрировал, перегревался и в итоге разрушался.

После первой аварии, в 1988 году, о месте возникновения отказа было известно лишь то, что оно находилось в третьей ступени, но достоверно выяснить причину аварии не удалось. Вердикт комиссии – обрыв трубки, дефект посчитали единичным. О повреждении ТНА известно не было.

После второй аварии, в 2014 году, комиссия правильно определила ТНА как дефектный агрегат. По версии комиссии, причина аварии – разрушение вала подшипника ТНА. После этой аварии на него установили датчики вибрации.

Только в 2015 году по показаниям с датчиков вибрации удалось определить истинную причину аварии. Более раннему выявлению причин аварии препятствовал недостаток данных телеметрии о работе агрегатов третьей ступени, а визуальное наблюдение на этом участке полета невозможно. Для устранения дефекта изменен материал ротора турбонасосного агрегата, крепления ТНА к раме маршевого двигателя и методика балансировки ротора ТНА.

2.4. Аварии КА

2.4.1. «Венера-1»

«Венера-1» была первым космическим аппаратом, пролетевшим на близком расстоянии от Венеры. Запуск аппарата состоялся 12 февраля 1961 года на ракете-носителе «Молния» и прошел в штатном режиме, межпланетная станция вышла на расчетную траекторию.

В течение 7 дней станция функционировала нормально, передавая телеметрию и научные данные с приборов. 19 февраля связь со станцией была потеряна. Восстановлению связи мешало то обстоятельство, что бортовые приемники в целях экономии ресурсов аппарата включались только по заранее определенному расписанию по команде бортовой автоматики. Во время последних сеансов были обнаружены сбои в работе датчика ориентации по Солнцу; оказалось, что его тепловой режим был рассчитан неверно, и датчик перегрелся и отказал.

По результатам запуска было принято решение в последующих межпланетных полетах не отключать систему связи, чтобы иметь возможность связаться с аппаратом в любой момент.

2.4.2. «Сервейер-2»

Аппарат «Сервейер-2» был запущен 20 сентября 1966 года в рамках подготовки к программе «Аполлон» для совершения мягкой посадки на поверхность Луны с целью определения характеристик лунной поверхности.

Аппарат вышел на запланированную траекторию, в середине которой требовалась небольшая коррекция, при совершении которой один из двигателей системы ориентации не запустился. Попытки центра управления исправить ситуацию оказались безуспешными. Через двое суток центр управления, зная, что спасти аппарат не получится, принял решение включить посадочный двигатель для изучения поведения различных систем аппарата. Спустя минуту после этого связь с аппаратом была утеряна, все попытки ее восстановить провалились [9].

2.4.3. «CONTOUR»

Зонд «CONTOUR» предназначался для исследования комет Энке, 73P/Швассмана — Вахмана и д’Арре. Аппарат был выведен ракетой «Дельта-4» на высокоэллиптическую орбиту Земли. 15 августа был применен твердотопливный двигатель, который должен был вывести аппарат на пролетную траекторию к комете Энке. Во время маневра связь с аппаратом была потеряна.

По результатам расследования была выдвинута версия о повреждении бортовых систем аппарата из-за нагрева от работающего твердотопливного ускорителя.

Глава 3. Программные и расчетные ошибки

Другой частой причиной потери космических аппаратов являются ошибки в системах управления: неправильные или несвоевременные команды с наземных комплексов управления; отказы из-за несовместимости разработанных в разное время систем; некорректно заданные программы полета; ошибки и опечатки в программном обеспечении бортовых вычислительных систем.

3.1. Аварии ракет-носителей

3.1.1. «Маринер-1»

21 июля 1962 с Мыса Канаверал был произведен запуск ракеты-носителя «Атлас», несущей аппарат «Маринер-1», который должен был отправиться к Венере. Через несколько минут после взлета ракета отклонилась от курса и была подорвана из соображений безопасности.

Инженеры, проанализировавшие записи телеметрии, вскоре обнаружили, что причиной послужили две независимых ошибки. Антенна ведения на „Атласе“ была изготовлена некачественно, с параметрами ниже заявленных. Когда получаемый ракетой сигнал стал слабым и зашумленным, ракета потеряла привязку к сигналу с Земли, посредством которого передавались команды поворота. Такая возможность была предусмотрена; в случае потери сигнала радиоведения бортовой компьютер должен был игнорировать сигналы с неисправной антенны и выполнять собственную программу, которая, возможно, смогла бы обеспечить успешный запуск. Однако, в этот момент проявилась вторая ошибка. В программе ведения оказался пропущенным дефис, что привело к некорректному управлению ракетой — уходу влево и опусканию носа. Дефис был пропущен и во время предыдущих успешных запусков «Атласа», но эта часть программы не использовалась, т.к. не происходило разрыва радиосвязи.

3.1.2. «Ариан-5»

4 июня 1996 года случился неудачный запуск ракеты-носителя Ariane 5, которая была разработана Европейским космическим агентством. Ракета разрушилась на 39-й секунде полета из-за неверной работы бортового программного обеспечения.

В системе управления полетом новой ракеты Ариан 5 использовались фрагменты программного обеспечения ракеты Ариан 4, в частности системы инерциальной навигации. Однако при переносе этой системы для использования на новой ракете, разработчиками не были учтены все особенности. Из-за другой траектории выведения ракеты на 30-й секунде после запуска значение горизонтальной скорости превысило установленные в программе ограничения и вызвало сбой в работе компьютера.

В результате ракета получила ложную команду на отклонение сопел ускорителей, а позже и основного двигателя. На 39-й секунде полета ракета стала разрушаться под действием аэродинамических сил и самоуничтожилась.

Программное обеспечение, установленное на борту «Ariane 5», было разработано для более ранней модели – «Ariane 4». Более мощный двигатель «Ariane 5» спровоцировал ошибку, не встречавшуюся в предыдущих версиях ПО. Программа попыталась записать 64-разрядное число в 16-разрядное пространство. Возникло переполнение, в результате которого отказал и основной, и резервный компьютер (поскольку на обоих компьютерах выполнялись одни и те же программы).

3.1.3. «Протон-М» с РБ «Бриз-М»

18 августа 2011 года — ракета-носитель «Протон-М», запущенная с Байконура, не смогла вывести на орбиту спутник связи «Экспресс-АМ4». По выводам созданной комиссии, в ходе формирования циклограммы работы разгонного блока «Бриз-М» был необоснованно «заужен» временной интервал доворота гиростабилизированной платформы, что и привело к неправильной ориентации блока. В результате «Экспресс-АМ4» был выведен на нерасчетную орбиту. Внутреннее расследование показало, что авария стала результатом программной ошибки и небрежности работников космической отрасли ввиду отсутствия надлежащего контроля со стороны Роскосмоса. 25 марта 2012 года спутник сгорел в плотных слоях атмосферы.

3.1.4. «Союз 2.1б» с РБ «Фрегат»

Причиной аварии явилось несовершенство алгоритмов программного обеспечения системы управления разгонного блока «Фрегат», которое проявилось при запуске именно с космодрома «Восточный». Алгоритм работы системы управления привел к некорректному определению ориентации блока после отделения от ракеты-носителя при неверно выставленных начальных азимутах ракеты-носителя и разгонного блока на стартовом комплексе. При этом существующие методы математического моделирования не могли выявить подобной ошибки.

По результатам расследования госкомиссией никаких замечаний к работе космодрома не было. Кроме того, «Союз», «Фрегат» и его составные части, а также двигательная установка отработали согласно заложенному алгоритму.

Однако из-за совокупности перечисленных выше причин в момент отделения разгонного блока от носителя ошибка по вращению составляла 363 градуса. «Фрегат» начал разворот, но просто не успел его отработать, так как согласно циклограмме полета включился маршевый двигатель, который придал импульс при неверно ориентированном блоке, после чего началось его падение в океан

К аварии привела разница подходов к проектированию систем управления разгонного блока и «Союза»

3.2. Аварии космических аппаратов

3.2.1. «Джемини-8»

Пилотируемый аппарат «Джемини-8» был запущен 16 марта 1966 года, цель полета: осуществление стыковки с беспилотным аппаратом-мишенью «Аджена-VIII». «Джемини» вышел на орбиту в штатном режиме, совершил маневр сближения с «Адженой», экипаж (Нил Армстронг и Дэвид Скотт) осуществил стыковку в ручном режиме.

Вскоре после стыковки автоматическая система ориентации «Аджены» дала команду на поворот на вправо. Во время этого маневра Скотт заметил вращение связки аппаратов по крену. Экипаж попытался погасить вращение двигателями системы ориентации, но безуспешно. Полагая, что проблема находится на стороне «Аджены», экипаж отстыковал пилотируемый аппарат. Без дополнительной массы корабля мишени скорость вращения стала увеличиваться гораздо быстрее. Армстронг принял решение отключить систему орбитальной ориентации и погасить вращение двигателями посадочной ориентации, управление которыми осуществлялось по отдельным каналам. За время инцидента было потрачено более 70% топлива системы ориентации. Было принято решение досрочно завершить полет, спускаемый аппарат безопасно приводнился в Тихом океане.

Расследование аварии показало, что причиной неисправности было короткое замыкание в соленоидном клапане двигателя №8 ДСО (рис. 9). По результатам аварии была изменена схема управления так, что двигатели системы орбитальной ориентации можно было отключать по отдельности; кроме того, теперь короткое замыкание отключало двигатель, а не включало его.

3.2.2. Фобос-1

Запуск первой станции «Фобос-1» состоялся 7 июля 1988 года на РН «Протон-К» с РБ «Д-1» и «Д-2». Аппарат вышел на орбиту Земли, а затем и на траекторию полета к Марсу в штатном режиме. 16 июля был выполнен первый коррекционный маневр. 18 августа управление станцией было передано Центру управления полетом ЦНИИМаш. 28 августа по вине оператора ЦУП вместо команды на включение гамма-спектрометра на аппарат была выдана команда на выключение пневмосистемы двигателей ориентации и стабилизации.

Ошибка была замечена не сразу. Без работающей системы стабилизации и ориентации аппарат начал неконтролируемо и хаотично вращаться, была потеряна ориентация солнечных батарей на Солнце. К запланированному на 1 сентября сеансу связи аккумуляторы станции оказались полностью разряженными, и она не вышла на связь. Попытки установить контакт с аппаратом продолжались еще два месяца.

3.2.3. Mars Polar Lander

Аппарат был частью миссии Mars Surveyor 98 и предназначался для исследования полярных областей Марса. Запуск и межпланетный перелет прошли успешно, и 3 декабря 1999 года состоялась попытка посадки на поверхность планеты.

Процедура посадки проходила в автоматическом режиме без передачи телеметрии. В назначенное время аппарат не вышел на связь. Была собрана комиссия для выяснения состояния аппарата и возможности восстановить связь. Итогом работы комиссии стала следующая версия: аппарат потерян в результате преждевременного отключения посадочных двигателей.

Каждая из трех посадочных опор была снабжена датчиком Холла для определения сближения с поверхностью Марса. По сигналу с датчиков отключались посадочные двигатели, и аппарат свободно падал на поверхность планеты, по расчету – с высоты 12 метров и практически нулевой начальной вертикальной скоростью. Посадочная логика требовала наличие сигнала на протяжении двух последовательных запросов к датчику. Планировалось, что эта часть программы не будет задействована до определенного момента, но это не было реализовано.

Вибрации, вызванные выдвижением посадочных опор, оказались достаточно сильными, чтобы вызвать срабатывание датчика, и достаточно продолжительными, чтобы на них отреагировала посадочная логика. Эта версия была подтверждена испытаниями на копии аппарата на Земле. Логика отключила двигатель на высоте 40 метров при скорости снижения 13 м/с, в результате чего аппарат разбился.

3.2.4. Mars Climate Orbiter

Аппарат также входил в миссию Mars Surveyor 98. 23 сентября 1999 года должен был выдать тормозной импульс и перейти на высокоэллиптическую орбиту с периодом 14 часов, а затем в течение двух месяцев с помощью ряда аэродинамических манёвров в верхней атмосфере Марса довести орбиту до круговой. В расчетное время на высоте 193 км аппарат включил двигатели на торможение.

Расследование выяснило, что имело место несовпадение единиц измерения в частях программного обеспечения, разработанных разными подрядчиками. Часть ПО, рассчитывавшая необходимый тормозной импульс, выдавала результат в фунт-силах, в нарушение существовавших спецификаций НАСА. Другая часть ПО, выдававшая команды на двигатели, ожидала на вход значения в ньютонах. В результате примененный тормозной импульс был в 4,45 раз меньше необходимого, что привело к прохождению аппарата в атмосфере Марса на высоте 57 км, вместо запланированных 226, и к потере аппарата [14].

Глава 4. Человеческий фактор

Даже с полностью правильно разработанными космическими аппаратами случаются аварии. Чаще всего их причиной является невнимательность рабочих на производстве, неправильно собирающих изделие из совершенно пригодных к использованию деталей, или персонала стартового комплекса, не соблюдающих инструкции при подготовке к запуску.

4.1.1. «Аполлон-13»

«Аполлон-13» стал единственным из аппаратов, запущенных по программе «Аполлон», который не выполнил свое полетное задание. Авария произошла на траектории полета к Луне: в сервисном модуле взорвался бак кислорода системы электропитания.

В сервисном модуле «Апполонов» использовались электрогенераторы на топливных ячейках, для питания которых конструкция предусматривала два бака с жидким кислородом и два – с жидким водородом. Жидкий кислород в баках хранится в нем в состоянии сверхкритической жидкости, и при нормальном расходе вследствие расширения его температура бы снижалась, что привело бы к потере сверхкритического состояния. Для поддержания температуры в баках были установлены нагревательные элементы. В условиях невесомости сверхкритическая жидкость склонна расслаиваться на жидкие и газообразные слои, для предотвращения чего в баках была предусмотрена специальная турбинка (рис. 11).

Изначально оборудование баков было рассчитано на напряжение бортовой энергосистемы 28 вольт. В процессе разработки сервисного модуля выяснилось, что при подготовке к старту «Аполлон» будет получать электричество от наземных генераторов стартового комплекса с рабочим напряжением 65 вольт. Все оборудование баков было переделано под новое напряжение, кроме контактов термостата, которые изменить забыли.

Баки, полетевшие на «Аполлоне-13», изначально предназначались для «Аполлона-10» и уже были установлены в его сервисный модуль. В процессе доработки аппарата было принято решение модернизировать баки. При демонтаже баки случайно уронили с совсем небольшой высоты, около 5 сантиметров. Это было достаточно серьезным происшествием, но бак испытали и признали пригодным, после чего отправили на модернизацию, после которой он был установлен в сервисный модуль «Аполлона-13».

27 марта 1970 года, за две недели до полета состоялась тренировка старта с полной заправкой всех систем ракеты и космического аппарата и выполнением всех команд, кроме команды «Зажигание». Симуляция прошла успешно с единственным замечанием: бак №2 системы электропитания не опорожнился. Было выдвинуто предположение, что при падении повредился нижний сливной штуцер. Это требовало замены бака, из-за чего дату пуска требовалось перенести. Так как сливной штуцер нужен только для симуляции старта и в полете не используется, запускать аппарат решили с поврежденным баком, а опорожнить его до дня старта решили при помощи нагревателя, который должен был испарить кислород. Решение согласовали с командиром корабля астронавтом Джимом Ловеллом. При включении нагревателя с наземным напряжением 65 вольт контакты термостата, рассчитанного на 28 вольт, приварились в положении «включено», нагреватель потерял возможность выключаться (рис. 12).

Датчик температуры внутри бака, сделанный для измерения рабочей температуры в районе -207 градусов, имел верхнюю границу измерений +27 градусов. Инженер, контролирующий работу, мог получить только два параметра – «нагреватель включен» и «температура не выше +27 градусов». В реальности постоянно включенный нагреватель быстро испарил кислород и, продолжая работать в пустом баке, нагрелся до +540 градусов. Гипотетически, отказ размыкания можно было отследить по постоянному току, текущему через нагреватель, вместо периодических включений, но этого никто не заметил. Раскалившийся до +540 градусов нагреватель расплавил тефлоновую изоляцию, и провода превратились в детонатор. Нештатный нагрев невозможно было зафиксировать непосредственно – бак был хорошо теплоизолирован, поэтому пожар в сервисном модуле не мог возникнуть, а нештатная температура продержалась до предстартовой заправки, когда новый жидкий кислород охладил внутренности бака.

На 55 часу и 54 минуте полёта состоялось очередное включение системы перемешивания баков, вызвав короткое замыкание в баке номер два. Тефлоновая изоляция загорелась, горение тефлона в атмосфере кислорода вызвало резкое повышение давления в баке и его взрыв. Мощность взрыва была достаточна для того, чтобы сорвать одну из панелей сервисного модуля; были повреждены топливные элементы и второй кислородный бак.

Предотвратить потерю космического аппарата и гибель экипажа удалось только решительными действиями и профессионализмом команды «Аполлона-13»: Джеймса Ловелла, Джона Суайгерта и Фреда Хейза, а также персонала ЦУПа, в авральном режиме разработавших инструкции и процедуры, необходимые для возвращения спускаемого аппарата на Землю.

Авария произошла из-за совпадения множества отдельных обстоятельств, каждое из которых в отдельности неспособно было нарушить ход миссии. Они, в свою очередь, возникли из-за множественных отступлений от разработанных процедур и непротестированных изменений в спецификациях.

4.1.2. «Vega» VV17

Старт четырехступенчатой ракеты состоялся 17 ноября 2020 года. Ступени с первой по третью отработали штатно. После запуска четвертой ступени (разгонного блока AVUM) началось отклонение от запланированной траектории, связь с носителем была утеряна и больше не восстановилась.

После расшифровки телеметрической информации выяснилось, что в процессе сборки разгонного блока были перепутаны между собой кабели, ведущие к двум приводам системы управления вектором тяги двигателя. Из-за этого команды, идущие на один привод, шли на второй, и наоборот, что привело к потере управления полетом.

4.1.3. «Протон-М» 05.12.2010

Авария 5 декабря 2010 года произошла по вине нового разгонного блока ДМ-03 семейства РБ «Д».

Это был первый полет РБ ДМ-03, который отличается от предыдущих версий увеличенными объемами баков горючего и окислителя. Горючим разгонный блок заправляется еще на техническом комплексе, а вот окислителем - криогенным компонентом, жидким кислородом - уже на стартовом комплексе. Ввиду того, что формулы, по которым рассчитывался объем заправки компонентами топлива, не были скорректированы с учетом увеличения объема баков, масса заливаемого на стартовом комплексе космодрома Байконур жидкого кислорода была превышена на 1 582 кг, тогда как горючее было заправлено в правильном количестве. Ошибка привела к выводу трех спутников группировки «Глонасс-М» на незамкнутую орбиту и последующему падению разгонного блока вместе с полезной нагрузкой в Тихий океан.

4.1.4. «Протон-М» 02.07.2013

Запуск 2 июля 2013 с тремя спутниками «Глонасс-М» приобрел аварийный характер сразу после отрыва от стартового стола. Ракета резко отклонилась от траектории полета, начала распадаться в воздухе, упала на землю и взорвалась.

Причиной аварии стало грубое нарушение технологии сборки. Три из шести датчиков угловых скоростей по каналу рыскания были установлены в неправильной ориентации, а именно перевернуты на 180 , что привело к получению системой управления ракеты некорректных данных о её ориентации. Примечательно, что датчики были спроектированы таким образом, чтобы их установка в неправильном положении была невозможна, однако сборщик, монтировавший их, «применил грубую силу».

4.1.5. «Протон-М» 07.08.2012

Аварийно закончился запуск ракеты-носителя "Протона-М" с полезной нагрузкой – российским спутником связи "Экспресс-МД2" и индонезийским телекоммуникационным космическим аппаратом "Телком-3". Разгонный блок «Бриз-М» отключился через 7 секунд работы вместо запланированных 18 минут.

Комиссия по расследованию вынесла вердикт: причиной преждевременного отключения двигателей стало засорение магистрали наддува топливных баков горючего. Вся партия разгонных блоков была отозвана по итогам аварии.

Глава 5. Риски аварий в перспективных миссиях

Человечество уже давно привыкло к тому, что на орбите Земли постоянно обитают люди – на станциях МКС и «Тяньгун», и на несуществующих больше «Салютах», «Скайлэб» и «Мире». Тем не менее, в последнее десятилетие в космонавтике наблюдалось некоторое затишье ввиду отсутствия новых «громких» проектов. Но с недавнего времени освоение космоса испытывает некоторый ренессанс: после периода затишья человечество готовится покорять новый рубеж: установить постоянное присутствие в окололунном пространстве и на поверхности Луны. Фаворитом во «второй лунной гонке» на текущий момент являются США с их программой «Артемида», находящейся на этапе летных испытаний ракеты-носителя SLS и космического аппарата «Орион». В разработке находится проект международной окололунной орбитальной станции «Lunar Gateway». Есть проекты пилотируемых запусков к Луне и у России, и у Китая.

Риски присутствия в окололунном пространстве неоднозначны. С одной стороны, опыт эксплуатации долговременных орбитальных станций показал их более чем удовлетворительную надежность: даже самые серьезные из происшествий на станциях не приводили к их потере. Многократно проводились успешные ремонты и замены оборудования силами экипажей станций. Можно полагать, что и лунные орбитальные и посадочные космические аппараты покажут не меньшую надежность.

С другой стороны, станции, находящиеся на низкой околоземной орбите, всегда имеют в своем составе пристыкованные спускаемые аппараты, позволяющие покинуть станцию в случае аварии, угрожающей гибелью экипажа, за короткий срок (до нескольких часов). Возвращение же с окололунной орбиты занимает около шести дней, что в случае экстренных ситуаций может оказаться неприемлемым. То же касается и снабжения станций.

Кроме того, остается открытой проблема надежности космических аппаратов, направленных к Луне. Несмотря на более чем шестидесятилетний опыт запусков, даже сейчас исследовательские аппараты для изучения Луны, оказываются успешными менее, чем в 40% случаев (рис. 13-14).

Те же проблемы, но усугубленные еще большими расстояниями и временем полета, касаются и гипотетических пилотируемых межпланетных полетов.

Другое перспективное направление в космической технике – создание сверхтяжелых ракет-носителей. Активные работы в этом направлении сейчас ведет США, со своими носителями SLS и «Superheavy».

На текущий момент в цикле разработки РН «Superheavy» и РН «Н-1» есть немало схожих моментов. Так, оба носителя используют первую ступень с большим количеством относительно маломощных двигателей. Как и у «Н-1», некоторая часть этих двигателей отказала во время испытательного запуска (рис. 15)

Второй испытательный полет также закончился потерей обеих ступеней ракеты-носителя. Первая ступень успешно отработала до момента разделения, но после осуществления разворота для торможения и захода на посадку один из десяти двигателей не включился, затем начали отказывать и другие двигатели, вплоть до потери аппарата в результате взрыва. Вторая ступень также не смогла выйти на орбиту, связь с ней была потеряна на последней минуте ее работы.

Еще одна перспективная группа миссий – возврат образцов грунта с поверхности Марса. Для Луны этот результат был достигнут уже давно, но в случае Марса возможных точек отказа будет гораздо больше, ввиду наличия у него атмосферы со всеми вытекающими из этого последствиями, а также более сильной гравитации и необходимости достижения 2 космической скорости, что потребует более тяжелый и сложный возвращаемый аппарат.

Вывод

Таблица. 1. Сводная статистика по количеству успешных/аварийных космических запусков

Как видно из графика (рис. 16), соответствующего статистической сводке, доля аварийных космических запусков от общего их числа неуклонно снижалась на протяжении всей космической эпохи. Такой результат был достигнут в первую очередь учетом неудачного опыта работы с космической техникой, и соответствующим ему изменением подхода к обеспечению всего жизненного цикла изделий.

На рисунках 17 и 18 приведены аналогичные графики для главных космических держав – СССР (и РФ как страны-правопреемницы) и США. На обоих графиках заметен небольшой рост аварийности в одно из десятилетий. Для России он соответствует 2010-м годам, когда дурную репутацию из-за череды аварий получила РН «Протон-М». Для США это 1980-е годы, в которые финансирование NASA сократилось сильнее всего.

На текущий момент достигнуты крайне высокие показатели надежности ракет-носителей и пилотируемых космических аппаратов. Это следствие, во-первых, серийности этих изделий, а во-вторых, слишком высокой ценой аварий, измеряющейся не столько в материальных ценностях, сколько в человеческих жизнях. Высокую степень надежности показывают также спутники связи, также ввиду их серийности, как в производстве, так и в выведении на требуемую орбиту.

Гораздо более низкие показатели надежности свойственны исследовательским космическим аппаратам. Это обуславливается их уникальностью, необходимостью выполнения большого числа точных маневров, а также тем, что их цель, как правило, лежит за пределами «обжитого» околоземного пространства.

Среди причин возникновения аварий как в средствах выведения, так и в космических аппаратах превалируют аппаратные отказы, а также ошибки, вызванные человеческим фактором. Отказы систем управления, вызванные программными ошибками, относительно редки; как правило, аварии по вине этих систем также возникают из-за поломок, носящих аппаратный характер.

Работа по обеспечению надежности космической техники должна продолжаться непрерывно. Только комплексный подход, включающий моделирование узлов и агрегатов с учетом всех возможных возмущающих факторов, интенсивные испытания и строгий контроль качества, способны обеспечить высокую надежность ракетно-космической техники.

Литература

Черток Б.Е. Ракеты и люди (в 4 тт.) – М.: «Машиностроение», 1999
Хронология запуска ракет и космических аппаратов. URL: https://spasecraftrocket.org/index.html
Warren ICBM. and Heritage Museum. URL.: http://www.warrenmuseum.com/
Gunter's Space Page. URL.: https://space.skyrocket.de/index.html
Виссарионова Е.К. Анализ критических ситуаций в процессе пуска тяжелых ракет / I Липановские научные чтения – Ижевск: Издательство ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2021, с. 155-161
Голованов М.В., Баранов М.Е. Аварийные ситуации при эксплуатации ракетно-космической техники // Актуальные проблемы авиации и космонавтики, 2013. - №1, с. 318-319
Report of Apollo 204 Review Board – NASA, 1967
Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle Challenger Accident – NASA, 1986
Surveyor 2 flight performance Final report – NASA, 1967
Contour Comet Nucleus Tour Mishap Investigation Board Report – NASA, 2003
Oran W. Nicks. NASA publication SP-480 – NASA, 1985
J. L. Lions. ARIANE 5 Flight 501 Failure – European Space Agency, 1996
Report on the Loss of the Mars Polar Lander and Deep Space 2 Missions – Jet Propulsion Laboratory, 2000
Mars Climate Orbiter Mishap Investigation Board Phase I Report – NASA, 1999

15. Report of Apollo 13 Review Board – NASA, 1970