Насколько безопасен запуск ракет? (Часть 2)

Полёт на ракете является по существу сидением на управляемом, длительном взрыве. Двигатели Фалькона-9 обладают тягой в 400 000 килограмм-сил и расходуют 1500 кг топлива ежесекундно. Ракета должна полностью управлять этим взрыв на всём протяжении полёта, борясь при этом со звуком. Громче всего шум на старте, когда звук мощных двигателей отражается от земли и врезается в ракету. Уровень шума достигает 140 децибелов, что громче сирены скорой помощи, этого достаточно, что бы быстро повредить барабанные перепонки и компоненты конструкции установленные снаружи. После запуска самое интенсивное давление накапливается во время движения на сверхзвуковой скорости, тогда ударные волны и вибрации примерно равны тому, с чем сталкивается ракета на старте.

По словам представителя НАСА Джона Йембрика, российский космический корабль Союз в плане безопасности в большой степени полагается не на сложные дублирующие системы, а на более прочные механические структуры. В середине 1990-ых годов НАСА сравнило проект российского космического корабля Союз со своими собственными стандартами и заключило, что требования НАСА и Роскосмоса в области безопасности совпадают, хотя русские и пошли другим путём. Решение НАСА о запуске американских астронавтов с помощью Союза было основано на безопасности и надежности ракеты. НАСА чувствовало, что неуместно просить Россию перепроектировать под человеческие требования НАСА.

Человеческие требования всегда связаны с компромиссом. Всегда можно построить, что более-то крепкое и, по-видимому, более безопасное, но в некоторой точке оно будет придавлено своим собственным весом или расходами. Запуская спутник, в обмен на снижение затрат фирмы принимают определенное количество риска. Однако общественность, и  в частности НАСА, не собирается принимать риск в отношении запусков людей.

"Расчётная надёжность сильно зависит от стоимости, - рассказывает Джефф Вард, вице-президент SpaceX по разработке бортового радиоэлектронного оборудования и систем наведения и управления. - Очевидно, что в случае полёта астронавтов в космос, мы готовы заплатить повышенную стоимость за очень высокий уровень расчётной надежности, так как что речь здесь идёт об угрозе жизни. Для беспилотных миссий клиенты балансируют между стоимостью и уверенностью. Они признают, что имеется рубеж снижения эффективности – точка, где дальнейшие траты денег практически не делает транспортное средство более надежным, и поэтому не имеют смысла".

Строительство ракет-носителей является как манипулирование требованиями, так конструирование. "Не имеет значения, делаете ли вы ракету, стиральную машину, автомобиль, независимо от всего того, в чём заключается ваша цель, всегда приходится балансировать", - рассказывает Нейл Отте, инженер проекта Арес из центра космических полетов НАСА имени Маршалла. Он сравнивает эту задачу с проектированием стола — его постройка зависит от того, должен ли он использоваться в столовой или в мастерской. Инженеры взвешивают риск отказа, основываясь на том, как ракета будет использоваться, и либо продолжают разрабатывать дальше без изменений, либо встраивают резервные средства управления.

Астронавты сами по себе являются в своём роде дублирующую систему: они могут обнаруживать и реагировать на события так, как не могут механические системы, что произошло, к примеру, во время полёта Аполлона 13. Однако стандарты человеческих требований также требуют формы резервной системы для астронавтов; любой космический корабль с людьми на борту должен быть так разработан, чтобы справляться с человеческими ошибками.

Чрезвычайные ситуации на космических кораблях с людьми на борту также должны соответствовать определенным стандартам. Правила человеческих требований говорят, что "также очень желательно, чтобы работа системы космического полета ухудшалась предсказуемым способом, чтобы дать достаточно времени для обнаружения отказа и, если возможно, восстановление системы, даже если происходят многократные отказы". Самый простой вид отказа, отказ оборудования, происходит, когда, к примеру, ломается клапан или пульт управления. Более сложный вид, компьютерный сбой, происходит, когда небольшие ошибки в системе наблюдения или в компьютерных программах приводят к предоставлению неправильной информации и в результате к неверному заключению, например что клапан сломан, хотя на самом деле он отлично работает. В правилах человеческих требований не определенно то, как справляться с  компьютерными сбоями. Они просто упоминают, что проектировщики должны сделать все возможное, чтобы принять меры против ошибок в программном обеспечении. SpaceX наняла специалиста в этой области, чтобы спроектировать сложную систему, которая опрашивает компьютеры и решает какая информация верна.

В своих последних версиях человеческих требованиях НАСА незаметно отошло от определенных критериев (например, о 40-процентном структурном запасе прочности) к предпосылке, что инженеры должны сделать ракетоносители максимально безопасными, а затем устроить им адские испытания. Для ракеты Арес I, определенные критерии удерживают её на 40-процентной границе, однако инженеры могут использовать и меньший показатель, если это позволят испытания. Запас прочности второго поколения внешних топливных баков Спейс Шаттла было снижен до 25-процентной отметки, однако этого произошло только после жесткого тестирования. 

В случае с SpaceX единственные изменения, требуемые, что бы Дракон смог перевозить людей, является установка системы аварийного прекращения полёта и спасения, сидений и полной системы жизнеобеспечения. Эти изменения обойдутся в 300 миллионов долларов, причём большая часть этой суммы пойдёт на спасательную систему и испытательные полеты, которые требуют правила НАСА. SpaceX уже договорился с НАСА о финансировании этого шага.

Тем временем, НАСА должно справиться с препятствием в продвижении своего собственного корабля. Ранний анализ  твёрдотопливной первой ступени ракеты Арес I, используемой сейчас в ракетоносителе Шаттла, показал, что в полете в ней обязательно возникнут опасные низкочастотные вибрации, или по научному, эффект Пого. Газы, циркулирующие в ракетоносителе, начали бы резонировать, совсем как звуковые колебания в трубе органа. Через 115 секунд после старта астронавты внезапно почувствовали бы себя на конце отбойного молотка, неспособные прочитать данные приборов или переключать тумблеры. Инженера планируют решить эту проблему при помощи системы пружин и  демпферов, расположенной между первой и второй ступенью и набором из 16 грузов на пружинах установленных в юбке в основании ракетоносителя.

Прочие тесты Арес I показывают пока неплохие результаты, включая недавний запуск системы аварийного прекращения работы в пустыне Юты.

У следующего поколения космических кораблей НАСА, Ориона, в отличие от Спейс Шаттла, будет быстрый и грубый метод отдаления астронавтов подальше от ракетоносителя в случае непредвиденной ситуации. Это видео показывает недавний тест ракет аварийного прекращения полёта, которые будут установлены сверху Ареса I. В этом испытании, проводимом в пустыне Юты подрядчиком НАСА ATK, ракеты перевернуты вверх дном для статического огневого испытания (видео). Вообразите себе, что произойдёт, если повернуть их на 180 градусов и закрепить на космическом корабле Орион. Хотя Орион и весит больше 10 тонн, эти ракеты способны удалить его на полтора километра вверх и на полтора километра вбок. Шесть астронавтов внутри капсулы были бы подвергнуты краткой перегрузке в 15 G, что вполне терпимо, так как она придётся на их спины. Позже в этом году, НАСА проведет полный тест системы аварийного прекращения полёта с полномасштабным макетом капсулы Орион.

Также были испытаны маленькие ракеты - "объемные" ускорители; они будут работать на протяжении нескольких секунд на стадии разделения, чтобы оттолкнуть вторую ступень Ареса I от первой. Они также обеспечит зажигание ЖРД второй ступени. Критическим с точки зрения человека элементом Созвездия является криогенный двигатель Pratt &Whitney Rocketdyne для посадки на Луну, похожий на двигатель Аполлона RL10. В прошлом январе новый двигатель закончил третий раунд огневых испытаний, показавших, что его мощность можно широко варьировать, что должно обеспечить мягкое прилунение.

Когда дело доходит до надёжности, ни один ракетоноситель не сравниться своей важностью с двигателем для посадки на Луну, который будет должен замедлить падение до безопасного и нежного приземления на Луне. В настоящее время НАСА проверяет различные конфигурации посадочного двигателя (видео). Регулируя мощность в пределах 15 - 100 процентов, посадочный двигатель даст будущим астронавтам точный контроль над своим приземлением. Когда жидкий кислород температурой в -182 градуса Цельсия смешивается с жидким водородом температурой в -253 градуса Цельсия и воспламеняется. В результате газы, содержащие горячий пар, вырываются из сопла. Так как сопло также охлаждено, этот пар конденсируется, формируя сосульки на кромке, прямо рядом с выхлопом температурой в 2760 градусов Цельсия.

По материалам Air & Space/Smithsonian