Катастрофа шаттла «Челленджер»

Разрез соединения двух секций твердотопливного ускорителя челнока: A — стальная стенка толщиной 12,7 мм, B — основное уплотнительное кольцо, C — резервное уплотнительное кольцо, D — укрепление оболочки, E — секции ускорителя, F — теплозащитная изоляция, G — покрытие, H — герметизирующая паста, I — ракетное топливо

Для старта каждого челнока использовались два твердотопливных ускорителя, состоящих из семи секций, шесть из которых попарно соединялись ещё на этапе изготовления. Полученные четыре части собирались воедино уже на космодроме Космического центра им. Джона Кеннеди в Здании вертикальной сборки. Заводские соединения секций покрывались асбесто-силикатным покрытием, а соединения, осуществлявшиеся на космодроме, закрывались двумя резиновыми уплотнительными кольцами (по результатам расследования причин катастрофы количество колец увеличили до трёх)[5]. Покрытие требовалось для того, чтобы исключить прорыв высокотемпературных газов и обеспечить нормальную работу ускорителя на всём этапе разгона.

На этапе разработки «Спейс шаттлов» в 1971 году в отчёте компании «McDonnell Douglas» обсуждалась безопасность использования твердотопливных ракет. Одним из самых опасных моментов использования данного типа, согласно отчёту, была ситуация прорыва горячих газов через прожог в оболочке ракеты. В отчёте упоминалось, что «если прожог появится рядом с баком [жидкого водорода или кислорода] или челноком, своевременное обнаружение и аварийная остановка запуска будут невозможны»[6].

Контракт на разработку и поставку ускорителей выиграла компания «Morton Thiokol». При разработке корпуса ускорителя, желая сэкономить на времени и стоимости, инженеры заимствовали многие детали и узлы от другой твердотопливной ракеты «Титан III», хорошо зарекомендовавшей себя на службе ВВС США. Однако инженеры Morton Thiokol предложили объединять части секций с помощью соединений, изолируемых с помощью двух уплотнительных колец, которые отличались от применявшихся на «Титане»[7]. Гидравлические испытания 1977 года показали, что вода под давлением, использовавшаяся для симуляции работы ускорителя, выгибала наружу металлические стенки секции, из-за чего соединение выгибалось внутрь, при этом уплотнительные кольца переставали обеспечивать герметичность. Данный эффект, названный «вращением соединения» (англ. joint rotation), мог вызвать резкое падение давления и разрушение уплотнительных колец, а затем — прорыв струи горячих газов и разрушение соединения, что в конечном итоге могло привести к разрушению ускорителя и челнока[8].

Инженеры Космического центра Маршалла указывали на то, что предложенное «Thiokol» соединение частей ускорителя недопустимо. Один из инженеров предположил, что из-за вращения соединения использование второго уплотнительного кольца вообще бесполезно, однако менеджер проекта твердотопливных ускорителей Джордж Харди не придал этому особого значения и не передал отчёты инженеров подрядчику. В итоге соединение частей с помощью уплотнительных колец было допущено к полётам в 1980 году[7].

Признаки серьёзного повреждения уплотнительных колец проявлялись уже в ходе второй миссии STS-2 космического челнока «Колумбия». Вопреки требованиям, инженеры Космического центра Маршалла на этот раз не сообщили о проблеме руководству НАСА, решив устранить проблему напрямую с подрядчиком «Thiokol». Даже после того, как проблеме уплотнительных колец был присвоен высший уровень критичности, никто из центра Маршалла не выступил с идеей прекратить эксплуатацию челноков до полного устранения проблемы[7].

К 1985 году был начат процесс по перепроектированию, предусматривавший наращивание толщины соединений на три дюйма (76 мм), что могло предотвратить изгибание соединений. Однако всё это время челноки эксплуатировались с потенциально опасными ускорителями. «Thiokol» пошёл ещё дальше, сумев убедить руководство NASA в том, что проблема уплотнительных колец «решена»[7].

Первоначально миссия STS-51L должна была стартовать из Космического центра им. Джона Кеннеди 22 января. Однако задержки в графике запуска предыдущей миссии STS-61C привели к тому, что запуск «Челленджера» был отложен сначала на 23, а затем на 24 января. Из-за плохой погоды в Дакаре (там находился аэродром Трансатлантической аварийной посадки в случае вступления в силу режима аварийного прекращения полёта «шаттлов») старт был снова перенесён — уже на 25 января. В NASA приняли решение использовать аэродром в Касабланке в случае Трансатлантической аварийной посадки, который, однако, не был оборудован для приёма шаттла в условиях ночной посадки, из-за чего старт был передвинут на утро. Из-за плохого прогноза погоды в центре Кеннеди старт был назначен на 27 января в 09:27[* 1][9].

В процессе проверки систем возникли проблемы с оборудованием внешнего люка челнока[9]. Пока техники устраняли проблему, погода на стартовом столе испортилась настолько, что не позволила воспользоваться стартовым окном в этот день[10].

Лёд на площадке стартового стола за несколько часов до старта «Челленджера»

Утро следующего дня, 28 января, выдалось необычайно холодным — температура опустилась до отметки −1 °C, минимально допустимой для разрешения старта. Предыдущий самый «холодный» старт был проведён при температуре 12 °C. Низкая температура вызвала обеспокоенность у инженеров «Thiokol». Во время закрытой телевизионной конференции между «Thiokol» и руководством NASA они высказывали опасения, что подобные экстремальные условия могут отрицательно сказаться на эластичности уплотнительных колец твердотопливных ускорителей, так как соединения не испытывались при температурах ниже 12 °C, и рекомендовали отложить запуск[11]. Вместе с тем, что проблема уплотнительных колец ещё не была решена и имела высшую критичность, инженеры сомневались, что оба кольца при низкой температуре смогут сохранить герметичность соединения. Инженер компании «Thiokol» Роджер Божоли настаивал на немедленной отмене старта.

Руководство «Thiokol» поддержало своих инженеров, однако из-за постоянных задержек руководство NASA было категорически против. Они отмели опасения о неэластичности кольца, безосновательно аргументируя тем, что в случае, если основное кольцо не сможет обеспечить герметичность, это сделает резервное. Видя категоричность NASA, руководство «Thiokol» уступило и дало разрешение на старт[11][12].

Тем временем на площадке запуска возникло обледенение, что само по себе являлось непреодолимым препятствием для запуска. Были опасения, что обледенение может повредить плитки теплоизолирующего покрытия шаттла. Специалисты «Rockwell International» пришли к мнению, что запуск следует отложить, однако руководство не выразило твёрдого запрета старта, и руководитель миссии Арнольд Элдрич смог настоять на продолжении подготовки, отложив лишь запуск на час для повторного осмотра. В ходе этого осмотра лёд уже начал таять, и ледовая команда дала добро на запуск челнока в 11:38[12].

Последний старт «Челленджера»

После подготовки всё было готово к старту. За 6,6 секунды до отрыва по расписанию заработали основные двигатели челнока (англ. Space Shuttle Main Engine (SSME)), которые работали на жидком топливе и могли быть остановлены в любой момент. В 11:38:00.010 были включены и заработали двигатели твердотопливных ускорителей.

Выброс серого дыма от правого ускорителя

Анализ съёмки старта челнока показал, что спустя 0,678 секунды после старта из основания правого ускорителя в районе крепления к внешнему топливному баку вырвался серый дым. Выброс дыма периодически продолжался в течение примерно 3 секунд. Позднее было выяснено, что выбросы дыма были вызваны разгерметизацией соединения секций ускорителя от ударной нагрузки во время пуска двигателей. Соединение выгнулось внутрь, ослабив крепление и открыв путь разогретым до 2760 °C газам наружу. Подобное случалось и раньше, однако в прошлом основное уплотнительное кольцо ударом выбивалось из своего гнезда и плотно прижималось к стенкам, обеспечивая надёжную изоляцию на время работы ускорителя. Однако в этот раз из-за низкой температуры основное уплотнительное кольцо стало твёрже и потеряло эластичность, из-за чего не смогло вовремя сформировать изоляцию. Второе кольцо из-за изгиба соединения вообще не могло обеспечивать изоляцию. Образовалась утечка горячих газов, которые буквально испарили кольца в месте крепления к внешнему баку. Однако пробка из окислов алюминия, образовавшихся при сжигании топлива, временно запечатала прожог в повреждённом соединении.

Выброс пламени из правого ускорителя. 58,778 секунды после старта

Начиная с 37-й секунды после старта и в течение 27 секунд челнок испытал влияние нескольких порывов бокового ветра[13]. На 58-й секунде полёта на высоте более 10 км челнок испытал сильнейшее воздействие порыва бокового ветра, который отклонил его от курса на 2 градуса[14]. Это выбило пробку из окислов, и горячие газы начали прожигать отверстие в стенке. Спустя 58,788 секунды после старта камера наблюдения зафиксировала шлейф пламени, вырывающийся у основания правого ускорителя. Давление в ускорителе начало падать, что было зафиксировано приборами. Работа двигателей полностью контролировалась бортовыми компьютерными системами, которые компенсировали дисбаланс в работе двигателей. Спустя 60,238 секунды после старта струя газов начала бить во внешний топливный бак[15].

Камера слежения, снимавшая полёт челнока, на 64,66 секунды полёта зафиксировала изменение формы выброса пламени, что свидетельствовало о том, что из внешнего бака начал вытекать жидкий водород. На 66,764 секунды начало падать давление во внешнем топливном баке[15]. Катастрофические изменения в работе двигателей не были замечены ни экипажем, ни наземным контролем. На 68-й секунде были переданы последние слова члена экипажа «Челленджера»: диспетчер Ричард О. Кови (англ. Richard O. Covey) передал сообщение о начале ускорения: Челленджер, увеличивайте мощность (англ. Challenger, go at throttle up), приём которого подтвердил командир челнока: Понял, увеличиваю мощность (англ. Roger, go at throttle up).

На 72,284 секунды правый ускоритель оторвался от крепления у основания топливного бака, что вызвало резкое боковое ускорение вправо, которое, вероятно почувствовали члены экипажа[16]. На 73,124 секунды оболочка кормового бака с жидким водородом была нарушена, из-за чего он сошёл с креплений и с силой ударился о бак с жидким кислородом. Одновременно правый ускоритель провернулся по верхнему креплению и пробил носовой частью оболочку внешнего топливного бака. Внешний бак разрушился, высвободившийся кислород и водород смешались и сдетонировали. Огромный огненный шар поглотил «Челленджер»[17].

Разрушение началось на 73,162 секунды полёта на высоте около 15 километров[18]. После разрушения внешнего бака при не отделившихся и всё ещё работающих ускорителях «Челленджер» испытал перегрузку в 20 g (в 4 раза сильнее предусмотренных при разработке 5 g) и был буквально разорван на части. Ускорители наконец отделились от основания разрушенного бака и некоторое время продолжали неконтролируемый полёт вокруг разрушившегося челнока, пока не были уничтожены по команде с Земли из соображений безопасности.

Герметичная кабина экипажа челнока, выполненная из армированного алюминиевого сплава[19] и поэтому более прочная, уцелела и продолжала движение по баллистической траектории. Её выход из облака газов и обломков зафиксировала камера слежения на 75,237 секунды на высоте 20 километров[18]. По приблизительным подсчётам NASA, кабина испытала перегрузки от 12 до 20 g, после чего перешла в свободное падение. По крайней мере три астронавта были живы в момент падения и некоторое время были в сознании, так как у них были включены персональные приборы подачи воздуха (англ. Personal Egress Air Packs, PEAP). Также при анализе приборной панели было выявлено, что несколько тумблеров электросистемы на месте второго пилота Майкла Дж. Смита были перемещены из положений, обычно устанавливаемых во время старта. Так как эти переключатели имеют защитные блокировочные скобы, предотвращающие их случайное переключение, скорее всего, Смит пытался с помощью них восстановить подачу электроэнергии в кабину после её отделения от останков челнока[20].

То, насколько долго находились в сознании оставшиеся в живых астронавты, зависит от того, удалось ли кабине сохранить герметичность. В случае практически мгновенной декомпрессии астронавты могли быть в сознании всего несколько секунд, поскольку персональные приборы подачи воздуха не обеспечивают нагнетание. Если же кабина имела незначительные пробоины, астронавты могли находиться в сознании вплоть до удара о воду. Кабина ударилась о поверхность Атлантического океана на скорости около 333 км/ч с перегрузкой свыше 200 g. Шансов выжить у членов экипажа не было[18].

Поиск обломков и тел начался спустя неделю после крушения силами Министерства обороны США при поддержке Береговой охраны. 7 марта на океанском дне была обнаружена кабина «шаттла» вместе с телами астронавтов внутри[21][22].

Патологоанатомами было проведено вскрытие, однако из-за продолжительного воздействия морской воды точной причины смерти астронавтов узнать не удалось.

Обнаруженный фрагмент правого ускорителя. Хорошо видны разрушения, появившиеся на месте прожога оболочки

Исследование обнаруженных обломков опровергло несколько гипотез, выдвигавшихся ранее. Так, была отброшена гипотеза о том, что причиной катастрофы стали заряды системы самоуничтожения, расположенные на внешнем топливном баке, — они оказались целыми. Основные двигатели челнока тоже были найдены относительно целыми. На них были обнаружены следы теплового повреждения, вызванного воздействием богатой жидким кислородом смеси. Анализ микроконтроллеров первого и второго двигателей показал, что они работали в штатном режиме вплоть до 72-й секунды полёта, когда из-за утечки жидкого водорода упало давление и поднялась температура в камерах двигателя, из-за чего двигатели были автоматически заглушены компьютером. Анализ других частей челнока не выявил следов преждевременного разрушения или заводского брака.

Обломки твердотопливных ускорителей не имели следов взрывов (за исключением сработавшей по команде системы самоликвидации). Вместе с тем, на месте соединения кормовых секций правого ускорителя были обнаружены следы сильного прожога. По данным телеметрии, после разрушения нижнего крепления правый ускоритель начал биться головной частью о внешний топливный бак.

По мере анализа обломков большинство гипотез о разрушении челнока было отброшено. Собранных материалов, касающихся правого ускорителя, стало достаточно для выявления точной причины крушения. К 1 мая основные мероприятия по извлечению были завершены. Всего было поднято около 14 тонн обломков. Около 55 % челнока, 5 % кабины и 65 % полезной нагрузки осталось на дне Атлантики[23].

Обломки «Челленджера» после анализа были захоронены в бывшей ракетной шахте на мысе Канаверал (стартовый комплекс 31).

Члены комиссии Роджерса прибывают в Космический центр Кеннеди

Представители NASA не раскрывали деталей крушения, высший руководящий состав агентства не был доступен для репортёров[24]. В условиях отсутствия официальной информации в прессе циркулировали версии о сбое в работе внешнего топливного бака челнока. Вместе с тем, внутреннее расследование NASA сразу сфокусировалось на твердотопливных ускорителях[25][26].

Президент США Рональд Рейган организовал Президентскую комиссию по расследованию катастрофы космического челнока «Челленджер» (англ. Presidential Commission on the Space Shuttle Challenger Accident), которая также стала известна как Комиссия Роджерса (по имени председателя Уильяма Пирса Роджерса). В неё вошли представители науки, космической и авиационной промышленности, военных ведомств, включая нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана[* 2], астронавтов Нила Армстронга и Салли Райд, генералов ВВС Чарльза Йегера и Дональда Кутины.

Комиссия работала над расследованием в течение нескольких месяцев. В итоговом отчёте комиссия указала, что причиной катастрофы стало разрушение уплотнительного кольца твердотопливного ускорителя рядом с соединением с внешним топливным баком под воздействием горячих газов, которое было вызвано конструкторскими просчётами[27].

Отчёт также содержал в себе анализ ситуации, которая привела к катастрофе. В нём члены комиссии констатировали, что ни NASA, ни «Thiokol» не смогли адекватно отреагировать на возможный отказ уплотнительных колец из-за просчёта в конструировании ускорителей. В отчёте было указано, что об этом просчёте руководство Космического центра Маршалла знало ещё на этапе проектирования в 1977 году, однако обсуждение проблемы в нарушение правил NASA не вышло за пределы организации, а замечания по устранению не дошли до подрядчика «Thiokol». Вместо того, чтобы заново разработать узел соединения секций ускорителя, NASA восприняло проблему как допустимый риск отказа оборудования. Даже когда стало ясно, что устранение данной проблемы является первоочередной и неотложной задачей, никто из Космического центра не выступил за немедленную приостановку программы «Спейс шаттла» до тех пор, пока конструктивный недостаток не будет устранён. Напротив, после шести успешных запусков челноков руководство центра уверилось, что проблема уплотнительных колец не является серьёзной[7].

В отчёте также жёстко критиковались сформировавшиеся в NASA корпоративная этика и культура принятия решений, которые привели к запуску «Челленджера»:[12]

Это свидетельство выявило проблемы во взаимодействии, которые привели к решению запуска миссии 51L, основанному на неполной, а иногда и недостоверной информации, конфликту между инженерными данными и руководящими решениями, и которые позволяли руководству НАСА обходить проблемы безопасности полёта в обход ключевых фигур программы Спейс-шаттл.

Оригинальный текст (англ.): 

That testimony reveals failures in communication that resulted in a decision to launch 51-L based on incomplete and sometimes misleading information, a conflict between engineering data and management judgments, and a NASA management structure that permitted internal flight safety problems to bypass key Shuttle managers.

Комитет США по науке 29 октября 1986 года также выпустил отчёт расследования причин катастрофы «Челленджера»[28]. Согласившись с выводами Комиссии Роджерса о технических проблемах, вызвавших крушение, Комитет, однако, высказался об организационных проблемах в другом ключе:

Комитет считает, что основной проблемой, повлёкшей за собой катастрофу «Челленджера», является не слабое взаимодействие между службами или выполнение предписаний, как это указано в заключении комиссии Роджерса. Основная проблема заключалась в слабой политике принятия решений по техническим вопросам, в течение нескольких лет практиковавшейся в НАСА и его подрядчиках, которые не смогли действовать в инициативном порядке для решения серьёзной проблемы в соединениях твердотопливных ускорителей.

Оригинальный текст (англ.): 

The Committee feels that the underlying problem which led to the Challenger accident was not poor communication or underlying procedures as implied by the Rogers Commission conclusion. Rather, the fundamental problem was poor technical decision-making over a period of several years by top NASA and contractor personnel, who failed to act decisively to solve the increasingly serious anomalies in the Solid Rocket Booster joints.

Комиссия также отметила, что при обсуждении возможности запуска были рассмотрены не все данные прошлых запусков. По мнению британского статистика Дэвида Хэнда, пропущенные сведения образовали так называемые тёмные данные, исключение которых привело к недооценке опасности и, как следствие, к катастрофе[29].