Как погибли астронавты «Колумбии» НК 02/2009
Как и обещал в предыдущем посте, выкладываю итоговую статью И.Лисова buchwurm про гибель "Колумбии", и самое главное - сделанные из нее выводы для разработчиков новых пилотируемых космических кораблей из журнала "Новости космонавтики" №2 за 2009 год.
Как погибли астронавты «Колумбии»
И. Лисов, «Новости космонавтики», №2 за 2009 г., стр.68-71.
30 декабря НАСА опубликовало обширный отчет о последних минутах полета «Колумбии» 1 февраля 2003 г. и о судьбе его экипажа. Документ на 400 страницах за номером SP-2008-565 стал результатом дополнительного расследования, проводившегося начиная с июля 2004 г. в течение четырех лет с целью дополнить выводы «основной» аварийной комиссии. Отчет содержит уточненную хронику катастрофы «Колумбии», детальное описание каждого из обстоятельств, которое могло бы повлечь гибель астронавтов, рекомендации по эксплуатации шаттла и разработчикам будущих пилотируемых кораблей. Из уважения к памяти погибших и к чувствам их родственников отдельные фрагменты отчета были исключены из опубликованной версии.
Напомню, что в результате разрушения «Колумбии» во время возвращения с орбиты погибли семь астронавтов - командир Рик Хазбанд, пилот Уилльям МакКул, специалисты полета Дэвид Браун, Калпана Чаула, Майкл Андерсон и Лорел Кларк, специалист по полезному грузу астронавт Израиля Илан Рамон.
Итак, что же нового принесло второе расследование катастрофы «Колумбии» по сравнению с первым (НК №10 и №11, 2003)?
От схода с орбиты до потери связи
1 февраля 2003 г. в 13:15:30 UTC командир «Колумбии» Рик Хазбанд и пилот Уилльям МакКул выдали 158-секундный тормозной импульс для схода с орбиты. Приземление должно было произойти на посадочном комплексе Космического центра имени Кеннеди во Флориде в 14:15:50 UTC. В 13:44:09 орбитальная ступень прошла условную границу атмосферы на высоте 400000 футов (121.9 км).
В левом и правом пилотских креслах на летной палубе «Колумбии» находились Хазбанд и МакКул. Позади них было установлено кресло №4 бортинженера Калпаны Чаулы, а кресло №3 справа от него занимала Лорел Кларк. На средней палубе располагались Майкл Андерсон (кресло №5), Дэвид Браун (№6) и Илан Рамон (№7).
По инструкции к этому моменту все астронавты должны были находиться в креслах в готовых к применению индивидуальных средствах защиты: противоперегрузочном костюме, высотно-компенсационном костюме ACES с гермошлемом и гермоперчатками и с парашютным ранцем. Эти средства обеспечивают спасение астронавта в случае разгерметизации кабины на высоте до 30 км, а также при аварийном покидании корабля при устойчивом полете с дозвуковой скоростью и при приземлении (приводнении) на парашюте. Говоря далее условно о скафандрах, мы будем иметь в виду этот комплекс спасательных средств.
На момент катастрофы щитки гермошлема у всех астронавтов были открыты. Это не было ни разгильдяйством, ни нарушением инструкции - это особенность применения костюма ACES. Воопервых, при закрытом щитке и включенной подаче кислорода выдыхаемая астронавтом газовая смесь попадает в объем кабины. Из-за этого содержание кислорода в воздухе растет, и увеличивается опасность возгорания. Во-вторых, ни индикаторы, ни органы управления на приборной панели не приспособлены для работы в скафандрах и перчатках. (По проекту экипаж шаттла должен был летать без скафандров. Их использовали лишь в первых четырех испытательных полетах и вновь вынужденно ввели после гибели «Челленджера», но органы управления в кабине остались прежними.). В-третьих, циклограмма операций перед сходом с орбиты чрезвычайно насыщена, и астронавтам приходится завершать ее уже после выдачи тормозного импульса и даже после входа в атмосферу. В результате не всегда хватает времени выполнить те пункты, которые относятся к скафандрам.
Первым признаком нештатной ситуации на борту, о котором стало известно в ЦУП-Х, был отказ датчиков температуры в магистралях гидросистемы на левом крыле в период с 13:53:10 до 13:53:36. Постепенный отказ отдельных датчиков на левом крыле и растущая разбалансировка положения элевонов из-за нарушения геометрии крыла своевременно замечены не были. Первый звуковой сигнал в кабине раздался в 13:58:40, указывая на потерю давления в шине внешнего колеса левой стойки шасси, за ним в течение 16 секунд последовало еще три. В 13:59:06 ложно сработал датчик выпуска левой стойки шасси, и индикатор состояния стойки на пультах обоих пилотов перешел в состояние «неопределенное». Последний радиообмен с бортом был посвящен падению давления в шинах, так что весьма вероятно, что этот сигнал был также замечен пилотами и что в момент перехода аварии из стадии медленного развития в катастрофическую экипаж пытался установить причину их появления.
От потери связи до разрушения корабля
В 13:59:32.1 прервался радиообмен с экипажем и прекратилось поступление телеметрической информации в реальном времени. В этот момент «Колумбия» находилась на высоте 61.2 км и шла со скоростью, соответствующей числу Маха M=18.1 (около 5530 м/с). Корабль успел погасить около 44% кинетической энергии, с которой вошел в атмосферу.
Последующая расшифровка сбойных данных телеметрии, записанных на Уайт Сэндз до момента 13:59:37.4, показала, что в 13:59:33 прозвучал аварийный сигнал, связанный с исключением из контура управления канала №4. Такая неисправность отрабатывалась на тренировках, и правильная реакция на нее сводилась к сбросу аварийной индикации.
В 13:59:36.8 к двум уже работающим в непрерывном режиме двигателям правого блока системы RCS подключился третий, а в 13:59:37.3 и четвертый. При непрерывной работе всех четырех двигателей запаса топлива хватило бы всего на 30 сек. Неизвестно, заметили ли астронавты соответствующую индикацию, а также индикацию балансировки элеронов, которая достигла 3°.
Все это время автопилот продолжал работать в автоматическом режиме, руль направления не задействовался.
В 13:59:37, судя по всем имеющимся данным, управляемый спуск «Колумбии» сменился баллистическим, характер которого диктовался текущей высотой и скоростью и начальными условиями в момент срыва. Вторая комиссия пришла к выводу, что непосредственной причиной потери управления стал разрыв гидромагистралей и падение давления в гидросистеме. Установлено, что в 14:00:02 давление в гидросистеме уже равнялось нулю, хотя все три вспомогательные силовые установки APU работали. Потеря давления должна была повлечь выдачу нового аварийного сигнала.
Компьютерное моделирование полета «Колумбии» после утраты управляемости
В результате отказа гидросистемы элевоны и хвостовой щиток заняли устойчивое положение в потоке и перестали оказывать влияние на ориентацию корабля; «Колумбию» должно было повести носом вверх и вбок, и она могла войти затем в плоский штопор с разворотом на 30-40° в секунду и со значительными колебаниями. Из второго участка сбойной телеметрии (с 14:00:02.7 до 14:00:04.8) известно, что уже в 13:59:46 сформировался еще один аварийный сигнал, свидетельствующий о неуправляемом развороте орбитальной ступени в потоке.
Потерю управляемости и такое событие, как отрыв в 13:59:52 левой гондолы двигателей OMS, астронавты не заметить не могли. Помимо того, что стали резко меняться положение горизонта в окнах и показания приборов, к обычным ускорениям, вдавливающим их в сиденье кресла, добавились боковые и продольные, стремящиеся оторвать человека от спинки. Суммарная их величина за 41 секунду неуправляемого спуска росла от 0.8 до 3 g или чуть больше. Температура и давление в кабине вплоть до 14:00:05 были в норме.
Объективные данные свидетельствуют, что на этапе от потери управляемости и до разрушения корабля экипаж вел целенаправленную борьбу за живучесть. В период между 13:59:37 и последними доступными данными телеметрии зафиксировано ручное снятие аварийного сигнала - для этого один из пилотов должен был ввести код на панели C2. Между 14:00:01.7 и 14:00:03.6 отмечен переход в режим ручного управления (вероятно, из-за случайного удара по ручке управления), однако практически в тот же момент один из пилотов нажатием кнопки восстановил режим автопилота.
Панель управления R2 с тумблерами управления вспомогательными силовыми установками
Между 14:00:05 и разрушением «Колумбии» пилот Уилльям МакКул пытался восстановить давление в гидросистеме - по-видимому, считая, что оно упало из-за отключения всех трех вспомогательных силовых установок APU. Положение переключателей на найденной среди обломков панели управления R2 свидетельствует, что он выключил и готовился перезапустить вспомогательные силовые установки APU №2 и №3, а в качестве экстренной меры попытался включить два циркуляционных насоса, которые обычно используются на орбите для прокачки жидкости по гидромагистралям. Это действие позволило бы создать в гидросистеме некоторое давление до момента включения APU. Действия МакКула были разумны и изобретательны, но после разгерметизации гидромагистралей не могли привести к успеху.
От разрушения корабля до разрушения кабины
В 14:00:18.3 на высоте 54-55 км и при скорости M=15 началось катастрофическое разрушение корабля, сопровождающееся быстрым ростом яркости точки на видеозаписи. Последняя запись MAGR - регистратора навигационных данных системы GPS - имеет отметку 14:00:18.7, а приемная катушка регистратора MADS/OEX перестала вращаться в 14:00:19.4 из-за потери электропитания. Наиболее вероятной причиной потери питания был разрыв электрических кабелей, идущих к кабине от топливных элементов в средней части корпуса орбитальной ступени. Разрушение заняло несколько секунд, и к 14:00:25 на видеозаписях уже видны раздельно передняя и задняя часть фюзеляжа «Колумбии».
Оторвавшаяся носовая часть имела значительно больший аэродинамический коэффициент, чем целый корабль, а ее центр тяжести находился далеко от центра тяжести целой орбитальной ступени. Перегрузки, испытываемые носовой частью, снизились скачком с 3.5 до 1 g, но угловые скорости значительно выросли. Резкое изменение динамики повлекло срыв герметичной кабины экипажа с креплений и удар ее об нижнюю часть фюзеляжа. В результате началась быстрая разгерметизация кабины, по-видимому, через несколько отдельных щелей в нижней половине. Точное время начала разгерметизации не установлено: оно находится в пределах от 14:00:18 до 14:00:35±05 сек. Скорость утечки атмосферы также неизвестна. Максимальное время, до которого она могла идти, - это видимое разрушение кабины в 14:00:59, но значительно более вероятно, что воздуха в кабине не осталось задолго до этого момента.
От разгерметизации и до начала разрушения кабины экипажа в 14:00:53 горячий забортный воздух мог проникать в нее только через щели. О том, что такие прорывы были, свидетельствуют шарики расплавленного и застывшего металла, найденные на ремнях привязных систем. Большая часть элементов кабины, однако, не несет следов воздействия высокой температуры.
Разгерметизация стала первым событием со смертельными последствиями для астронавтов. В результате ее дыхание астронавтов прекратилось, но кровообращение могло сохраняться еще некоторое время.
В случае, если бы индивидуальные средства спасения были задействованы правильно, на этом этапе развития аварии они бы сохранили им жизнь. Однако при том состоянии скафандров, с которым экипаж встретил разгерметизацию, она повлекла быструю (6-12 секунд) потерю сознания, за которой неизбежно последовала бы смерть.
Исследование человеческих останков показало, что к моменту разгерметизации кабины один из астронавтов на средней палубе - Дэвид Браун, заканчивавший свою часть предпосадочных операций, - был без шлема на голове и еще не зафиксировался в своем кресле. Судя по фрагментам кресла и по медицинским данным, он успел пристегнуть лишь плечевые ремни. Кроме того, два астронавта на средней палубе (Браун и Рамон) и один на верхней (Чаула) не надели перчатки. Комиссия считает, что вряд ли было возможно надеть и загерметизировать шлем и перчатки за 41 секунду между потерей управления и разрушением корабля. Однако ни один из шести астронавтов со шлемами на головах не закрыл щиток скафандра, хотя это можно было бы сделать всего за пару секунд.
Авторы отчета полагают, что это произошло из-за взрывного характера декомпрессии и очень быстрой потери сознания. Свою роль сыграла и неготовность астронавтов к катастрофическому развитию событий и переходу от решения проблем на борту к личному выживанию. Очевидно, вплоть до момента разрушения корабля астронавты пытались сделать все возможное для восстановления управляемости и, с одной стороны, не имели времени на приведение средств спасения в рабочее состояние, а с другой - не видели в этом необходимости. В конце концов, это нормальный инстинкт летчика-испытателя - пытаться спасти свой летательный аппарат, а вместе с ним и себя. Представляется, что, когда «Колумбия» начала разваливаться на части, а кабина утратила герметичность, астронавты могли успеть осознать, что спасение невозможно.
Конструкция кресел и системы фиксации. 1 - кресло пилота, 2 - специалиста полета
Второй смертельной угрозой для жизни астронавтов стала неадекватная конструкция пятиточечной привязной системы. По проекту в случае ускорения от 1.78 до 2.0 g в направлении «из кресла вперед» происходит автоматическое стопорение плечевых ремней, и они остаются в таком состоянии до того, как астронавт сам их расстопорит. В действительности во время разрушения корабля перегрузка по оси X не достигла порога срабатывания, и стопорения не произошло. Как следствие, во время самостоятельного полета кабины, когда перегрузка от торможения в потоке возрастала от 1 до 3 g, а скорость вращения - от 0.1 до 0.5 оборота в секунду, плечевые ремни своих функций не выполнили и не обеспечивали надежную фиксацию астронавтов в креслах. Судя по отложениям на сохранившейся задней части плечевого ремня, на кресле №4 (Чаула) она вышла из гнезда по крайней мере на 20 см, то есть на 40% длины, а на креслах №6 (Браун) и №7 (Рамон) ход ремней составил 54-55 см, или 96-98% полного. На креслах №1 (Хазбанд), №2 (МакКул) и №3 (Кларк) в момент обрыва плечевые ремни были вытянуты полностью. Верхняя часть кресла №5 с устройством подачи и стопорения MA-8 не была найдена.
Таким образом, тела шести астронавтов были зафиксированы только поясными ремнями. В условиях циклических перегрузок отсутствие фиксации верхней части тела в кресле и головы в шлеме стало причиной смертельных механических повреждений у некоторых астронавтов. При нормальной фиксации эти повреждения, вероятно, не были бы смертельными.
После разрушения кабины
Совместное воздействие аэродинамических и тепловых нагрузок через 35 секунд после гибели корабля повлекло и разрушение кабины экипажа. Оно началось в 14:00:53, когда кабина выпала из передней части фюзеляжа и оказалась незащищенной в гиперзвуковом потоке. На видеозаписи видно, что уже через несколько секунд кабина начала разрушаться и к 14:00:59 перестала быть единым целым. Судя по местам нахождения обломков и останков, процесс начался с передней переборки и нижней части средней палубы, затем отделилась и оставалась целой несколько секунд та часть, которая содержала летную палубу с креслами и шлюзовую камеру.
Уже в 14:00:10 в кадре не было видно никаких следов кабины и элементов передней части фюзеляжа - обломки стали слишком малы или так сильно замедлили свою скорость, что перестали давать достаточно света для фоторегистрации, в отличие от летевших впереди трех маршевых двигателей.
Кабина начала разваливаться на высоте около 44 км и полностью разрушилась на 32 км. Аэродинамическое давление за это время увеличилось с 0.0022 до 0.0027 кгс/см2. Эквивалентная скорость в начале разрушеения составляла примерно 740 км/ч и быстро росла.
Скафандр типа ACES по техническим условиям должен обеспечивать спасение на высоте до 100 000 футов (30.5 км) и выдерживать попадание в поток на скорости до 1040 км/ч, что соответствует нагрузке 0.0039 кгс/см2. Теоретически сохранивший герметичность скафандр с закрытым шлемом мог бы выдержать внешние условия на момент разрушения кабины «Колумбии».В действительности скафандры астронавтов были разорваны потоком (возможно, помимо открытых шлемов свою роль в этом сыграли нагрев и воздействие атомарного кислорода) и найдены в виде фрагментов. Исходя из мест нахождения и состояния гермошлемов, баллистическим и тепловым анализом показано, что они были отделены от скафандров действием механических нагрузок и начали свободное падение в 14:01:03±10 сек.
Цветом отмечены найденные фрагменты скафандров членов экипажа, находившихся в креслах №3, 4 и 5: шлемы, замки крепления перчаток, баллоны с кислородом, радиомаяки системы SARSAT и т.п.
Если скафандры могли бы спасти астронавтов от разгерметизации, а более совершенная привязная система - от смертельных травм, то повреждения, полученные в ходе разрушения кабины, при отделении тел астронавтов от кабины экипажа и от кресел, были безусловно смертельны. Основными поражающими факторами стали травмы от поясных ремней привязной системы, ударная перегрузка из-за резкого замедления движения и последующие аэродинамические и тепловые воздействия. Ускорения отдельных фрагментов сразу после разрушения кабины находились в пределах от 30 до 10 g в течение 5-20 сек. О величине тепловых нагрузок говорит тот факт, что найденные фрагменты пола и кресел летной палубы сильно оплавлены и покрыты «брызгами» алюминия из разных частей кабины.
Авторы отчета сухо констатируют, что кровообращение астронавтов «прекратилось незадолго до или в процессе этого события» и что к концу данного этапа катастрофы все они были мертвы. Комиссия считает, что никакие существующие средства не обеспечивают спасение человека в случае разрушения кабины на такой высоте и при таких числах Маха.
Четвертое обстоятельство со смертельным потенциалом для астронавтов, выявленное комиссией, - это попадание в практически безвоздушное пространство с крайне низкой температурой, а также последующее тепловое воздействие при аэродинамическом торможении. От всех этих поражающих факторов, кроме нагрева, человека мог бы спасти исправный герметичный скафандр. Нагрев во время торможения до температуры порядка +250°C был более чем достаточен для расплавления нейлоновых привязных ремней и оболочек скафандра. Гермошлемы во время падения подвергались действию температуры около +300°C. Алюминиевый сплав стоек кресел, судя по характеру их разрушения, нагревался до +480°C и выше.
Наконец, пятое, что отметила комиссия, - это невозможность автоматического приземления астронавта на парашюте. В том варианте его использования, который разработан для шаттла, парашют раскрывается либо автоматически при штатном покидании кабины с использованием выдвижного шеста, либо самим астронавтом во время падения. Следовательно, астронавт, выпавший из разрушенной кабины и потерявший сознание, не сможет задействовать парашют и разобьется при ударе о землю.
Таким образом, условия, в которых находилась «Колумбия» в момент разрушения, полностью исключали возможность их спасения. Выявленные дефекты конструкции средств обеспечения безопасности членов экипажа, равно как и сознательные отступления от правильных способов их применения, не были решающими и лишь ускорили гибель людей на одну-две минуты. Все измышления о том, что астронавты могли бы выжить, если бы имели на себе закрытые шлемы и пристегнутые перчатки, являются плодом недобросовестной погони за сенсацией.
Основные рекомендации «второй» комиссии для шаттлов таковы:
➊ При подготовке экипажей должно уделяться больше внимания переходу от решения проблем к выживанию.
➋ Инструкции экипажу должны быть уточнены с учетом реалий движения потерявшего управление корабля и кабины.
Учитывая, что до окончания программы осталось всего девять полетов, многие разумные изменения считаются непрактичными.Единственное, что как будто бы сделано, - усовершенствован механизм стопорения плечевых ремней.
При создании будущих пилотируемых кораблей следует принять к исполнению следующие основные требования:
➀ Должна проводиться оценка динамики при потере управления с учетом полученных результатов при проектировании корабля и при подготовке экипажа.
➁ Скафандры должны быть интегрированы в общую конструкцию КА и не должны мешать нормальной работе членов экипажа. Они должны быть приведены в рабочее состояние до входа в атмосферу.
➂ Кресла и скафандры должны быть интегрированы так, чтобы обеспечить должную фиксацию астронавтов в нештатных ситуациях без создания помех работе. Шлемы призваны обеспечивать защиту головы и шеи в условиях переменных нагрузок. Проекты кораблей должны учитывать вариант с потерей управления и максимизировать шансы на спасение экипажа.
➃ На случай разрушения кабины следует предусматривать наиболее щадящую деградацию бортовых систем и элементов конструкции, чтобы увеличить шансы экипажа на выживание.
➄ Защитные костюмы, шлемы, ботинки и системы фиксации членов экипажа должны рассматриваться как интегрированная система и проверяться на все поражающие факторы (температура, давление, аэродинамический удар, химическое воздействие) с максимально возможным усилением защитных свойств.
➅ Системы выживания членов экипажа должны срабатывать автоматически, не дожидаясь ручной активации.
Как погибли астронавты «Колумбии»
И. Лисов, «Новости космонавтики», №2 за 2009 г., стр.68-71.
30 декабря НАСА опубликовало обширный отчет о последних минутах полета «Колумбии» 1 февраля 2003 г. и о судьбе его экипажа. Документ на 400 страницах за номером SP-2008-565 стал результатом дополнительного расследования, проводившегося начиная с июля 2004 г. в течение четырех лет с целью дополнить выводы «основной» аварийной комиссии. Отчет содержит уточненную хронику катастрофы «Колумбии», детальное описание каждого из обстоятельств, которое могло бы повлечь гибель астронавтов, рекомендации по эксплуатации шаттла и разработчикам будущих пилотируемых кораблей. Из уважения к памяти погибших и к чувствам их родственников отдельные фрагменты отчета были исключены из опубликованной версии.
Напомню, что в результате разрушения «Колумбии» во время возвращения с орбиты погибли семь астронавтов - командир Рик Хазбанд, пилот Уилльям МакКул, специалисты полета Дэвид Браун, Калпана Чаула, Майкл Андерсон и Лорел Кларк, специалист по полезному грузу астронавт Израиля Илан Рамон.
Итак, что же нового принесло второе расследование катастрофы «Колумбии» по сравнению с первым (НК №10 и №11, 2003)?
От схода с орбиты до потери связи
1 февраля 2003 г. в 13:15:30 UTC командир «Колумбии» Рик Хазбанд и пилот Уилльям МакКул выдали 158-секундный тормозной импульс для схода с орбиты. Приземление должно было произойти на посадочном комплексе Космического центра имени Кеннеди во Флориде в 14:15:50 UTC. В 13:44:09 орбитальная ступень прошла условную границу атмосферы на высоте 400000 футов (121.9 км).
В левом и правом пилотских креслах на летной палубе «Колумбии» находились Хазбанд и МакКул. Позади них было установлено кресло №4 бортинженера Калпаны Чаулы, а кресло №3 справа от него занимала Лорел Кларк. На средней палубе располагались Майкл Андерсон (кресло №5), Дэвид Браун (№6) и Илан Рамон (№7).
По инструкции к этому моменту все астронавты должны были находиться в креслах в готовых к применению индивидуальных средствах защиты: противоперегрузочном костюме, высотно-компенсационном костюме ACES с гермошлемом и гермоперчатками и с парашютным ранцем. Эти средства обеспечивают спасение астронавта в случае разгерметизации кабины на высоте до 30 км, а также при аварийном покидании корабля при устойчивом полете с дозвуковой скоростью и при приземлении (приводнении) на парашюте. Говоря далее условно о скафандрах, мы будем иметь в виду этот комплекс спасательных средств.
На момент катастрофы щитки гермошлема у всех астронавтов были открыты. Это не было ни разгильдяйством, ни нарушением инструкции - это особенность применения костюма ACES. Воопервых, при закрытом щитке и включенной подаче кислорода выдыхаемая астронавтом газовая смесь попадает в объем кабины. Из-за этого содержание кислорода в воздухе растет, и увеличивается опасность возгорания. Во-вторых, ни индикаторы, ни органы управления на приборной панели не приспособлены для работы в скафандрах и перчатках. (По проекту экипаж шаттла должен был летать без скафандров. Их использовали лишь в первых четырех испытательных полетах и вновь вынужденно ввели после гибели «Челленджера», но органы управления в кабине остались прежними.). В-третьих, циклограмма операций перед сходом с орбиты чрезвычайно насыщена, и астронавтам приходится завершать ее уже после выдачи тормозного импульса и даже после входа в атмосферу. В результате не всегда хватает времени выполнить те пункты, которые относятся к скафандрам.
Первым признаком нештатной ситуации на борту, о котором стало известно в ЦУП-Х, был отказ датчиков температуры в магистралях гидросистемы на левом крыле в период с 13:53:10 до 13:53:36. Постепенный отказ отдельных датчиков на левом крыле и растущая разбалансировка положения элевонов из-за нарушения геометрии крыла своевременно замечены не были. Первый звуковой сигнал в кабине раздался в 13:58:40, указывая на потерю давления в шине внешнего колеса левой стойки шасси, за ним в течение 16 секунд последовало еще три. В 13:59:06 ложно сработал датчик выпуска левой стойки шасси, и индикатор состояния стойки на пультах обоих пилотов перешел в состояние «неопределенное». Последний радиообмен с бортом был посвящен падению давления в шинах, так что весьма вероятно, что этот сигнал был также замечен пилотами и что в момент перехода аварии из стадии медленного развития в катастрофическую экипаж пытался установить причину их появления.
От потери связи до разрушения корабля
В 13:59:32.1 прервался радиообмен с экипажем и прекратилось поступление телеметрической информации в реальном времени. В этот момент «Колумбия» находилась на высоте 61.2 км и шла со скоростью, соответствующей числу Маха M=18.1 (около 5530 м/с). Корабль успел погасить около 44% кинетической энергии, с которой вошел в атмосферу.
Последующая расшифровка сбойных данных телеметрии, записанных на Уайт Сэндз до момента 13:59:37.4, показала, что в 13:59:33 прозвучал аварийный сигнал, связанный с исключением из контура управления канала №4. Такая неисправность отрабатывалась на тренировках, и правильная реакция на нее сводилась к сбросу аварийной индикации.
В 13:59:36.8 к двум уже работающим в непрерывном режиме двигателям правого блока системы RCS подключился третий, а в 13:59:37.3 и четвертый. При непрерывной работе всех четырех двигателей запаса топлива хватило бы всего на 30 сек. Неизвестно, заметили ли астронавты соответствующую индикацию, а также индикацию балансировки элеронов, которая достигла 3°.
Все это время автопилот продолжал работать в автоматическом режиме, руль направления не задействовался.
В 13:59:37, судя по всем имеющимся данным, управляемый спуск «Колумбии» сменился баллистическим, характер которого диктовался текущей высотой и скоростью и начальными условиями в момент срыва. Вторая комиссия пришла к выводу, что непосредственной причиной потери управления стал разрыв гидромагистралей и падение давления в гидросистеме. Установлено, что в 14:00:02 давление в гидросистеме уже равнялось нулю, хотя все три вспомогательные силовые установки APU работали. Потеря давления должна была повлечь выдачу нового аварийного сигнала.
Компьютерное моделирование полета «Колумбии» после утраты управляемости
В результате отказа гидросистемы элевоны и хвостовой щиток заняли устойчивое положение в потоке и перестали оказывать влияние на ориентацию корабля; «Колумбию» должно было повести носом вверх и вбок, и она могла войти затем в плоский штопор с разворотом на 30-40° в секунду и со значительными колебаниями. Из второго участка сбойной телеметрии (с 14:00:02.7 до 14:00:04.8) известно, что уже в 13:59:46 сформировался еще один аварийный сигнал, свидетельствующий о неуправляемом развороте орбитальной ступени в потоке.
Потерю управляемости и такое событие, как отрыв в 13:59:52 левой гондолы двигателей OMS, астронавты не заметить не могли. Помимо того, что стали резко меняться положение горизонта в окнах и показания приборов, к обычным ускорениям, вдавливающим их в сиденье кресла, добавились боковые и продольные, стремящиеся оторвать человека от спинки. Суммарная их величина за 41 секунду неуправляемого спуска росла от 0.8 до 3 g или чуть больше. Температура и давление в кабине вплоть до 14:00:05 были в норме.
Объективные данные свидетельствуют, что на этапе от потери управляемости и до разрушения корабля экипаж вел целенаправленную борьбу за живучесть. В период между 13:59:37 и последними доступными данными телеметрии зафиксировано ручное снятие аварийного сигнала - для этого один из пилотов должен был ввести код на панели C2. Между 14:00:01.7 и 14:00:03.6 отмечен переход в режим ручного управления (вероятно, из-за случайного удара по ручке управления), однако практически в тот же момент один из пилотов нажатием кнопки восстановил режим автопилота.
Панель управления R2 с тумблерами управления вспомогательными силовыми установками
Между 14:00:05 и разрушением «Колумбии» пилот Уилльям МакКул пытался восстановить давление в гидросистеме - по-видимому, считая, что оно упало из-за отключения всех трех вспомогательных силовых установок APU. Положение переключателей на найденной среди обломков панели управления R2 свидетельствует, что он выключил и готовился перезапустить вспомогательные силовые установки APU №2 и №3, а в качестве экстренной меры попытался включить два циркуляционных насоса, которые обычно используются на орбите для прокачки жидкости по гидромагистралям. Это действие позволило бы создать в гидросистеме некоторое давление до момента включения APU. Действия МакКула были разумны и изобретательны, но после разгерметизации гидромагистралей не могли привести к успеху.
От разрушения корабля до разрушения кабины
В 14:00:18.3 на высоте 54-55 км и при скорости M=15 началось катастрофическое разрушение корабля, сопровождающееся быстрым ростом яркости точки на видеозаписи. Последняя запись MAGR - регистратора навигационных данных системы GPS - имеет отметку 14:00:18.7, а приемная катушка регистратора MADS/OEX перестала вращаться в 14:00:19.4 из-за потери электропитания. Наиболее вероятной причиной потери питания был разрыв электрических кабелей, идущих к кабине от топливных элементов в средней части корпуса орбитальной ступени. Разрушение заняло несколько секунд, и к 14:00:25 на видеозаписях уже видны раздельно передняя и задняя часть фюзеляжа «Колумбии».
Оторвавшаяся носовая часть имела значительно больший аэродинамический коэффициент, чем целый корабль, а ее центр тяжести находился далеко от центра тяжести целой орбитальной ступени. Перегрузки, испытываемые носовой частью, снизились скачком с 3.5 до 1 g, но угловые скорости значительно выросли. Резкое изменение динамики повлекло срыв герметичной кабины экипажа с креплений и удар ее об нижнюю часть фюзеляжа. В результате началась быстрая разгерметизация кабины, по-видимому, через несколько отдельных щелей в нижней половине. Точное время начала разгерметизации не установлено: оно находится в пределах от 14:00:18 до 14:00:35±05 сек. Скорость утечки атмосферы также неизвестна. Максимальное время, до которого она могла идти, - это видимое разрушение кабины в 14:00:59, но значительно более вероятно, что воздуха в кабине не осталось задолго до этого момента.
От разгерметизации и до начала разрушения кабины экипажа в 14:00:53 горячий забортный воздух мог проникать в нее только через щели. О том, что такие прорывы были, свидетельствуют шарики расплавленного и застывшего металла, найденные на ремнях привязных систем. Большая часть элементов кабины, однако, не несет следов воздействия высокой температуры.
Разгерметизация стала первым событием со смертельными последствиями для астронавтов. В результате ее дыхание астронавтов прекратилось, но кровообращение могло сохраняться еще некоторое время.
В случае, если бы индивидуальные средства спасения были задействованы правильно, на этом этапе развития аварии они бы сохранили им жизнь. Однако при том состоянии скафандров, с которым экипаж встретил разгерметизацию, она повлекла быструю (6-12 секунд) потерю сознания, за которой неизбежно последовала бы смерть.
Исследование человеческих останков показало, что к моменту разгерметизации кабины один из астронавтов на средней палубе - Дэвид Браун, заканчивавший свою часть предпосадочных операций, - был без шлема на голове и еще не зафиксировался в своем кресле. Судя по фрагментам кресла и по медицинским данным, он успел пристегнуть лишь плечевые ремни. Кроме того, два астронавта на средней палубе (Браун и Рамон) и один на верхней (Чаула) не надели перчатки. Комиссия считает, что вряд ли было возможно надеть и загерметизировать шлем и перчатки за 41 секунду между потерей управления и разрушением корабля. Однако ни один из шести астронавтов со шлемами на головах не закрыл щиток скафандра, хотя это можно было бы сделать всего за пару секунд.
Авторы отчета полагают, что это произошло из-за взрывного характера декомпрессии и очень быстрой потери сознания. Свою роль сыграла и неготовность астронавтов к катастрофическому развитию событий и переходу от решения проблем на борту к личному выживанию. Очевидно, вплоть до момента разрушения корабля астронавты пытались сделать все возможное для восстановления управляемости и, с одной стороны, не имели времени на приведение средств спасения в рабочее состояние, а с другой - не видели в этом необходимости. В конце концов, это нормальный инстинкт летчика-испытателя - пытаться спасти свой летательный аппарат, а вместе с ним и себя. Представляется, что, когда «Колумбия» начала разваливаться на части, а кабина утратила герметичность, астронавты могли успеть осознать, что спасение невозможно.
Конструкция кресел и системы фиксации. 1 - кресло пилота, 2 - специалиста полета
Второй смертельной угрозой для жизни астронавтов стала неадекватная конструкция пятиточечной привязной системы. По проекту в случае ускорения от 1.78 до 2.0 g в направлении «из кресла вперед» происходит автоматическое стопорение плечевых ремней, и они остаются в таком состоянии до того, как астронавт сам их расстопорит. В действительности во время разрушения корабля перегрузка по оси X не достигла порога срабатывания, и стопорения не произошло. Как следствие, во время самостоятельного полета кабины, когда перегрузка от торможения в потоке возрастала от 1 до 3 g, а скорость вращения - от 0.1 до 0.5 оборота в секунду, плечевые ремни своих функций не выполнили и не обеспечивали надежную фиксацию астронавтов в креслах. Судя по отложениям на сохранившейся задней части плечевого ремня, на кресле №4 (Чаула) она вышла из гнезда по крайней мере на 20 см, то есть на 40% длины, а на креслах №6 (Браун) и №7 (Рамон) ход ремней составил 54-55 см, или 96-98% полного. На креслах №1 (Хазбанд), №2 (МакКул) и №3 (Кларк) в момент обрыва плечевые ремни были вытянуты полностью. Верхняя часть кресла №5 с устройством подачи и стопорения MA-8 не была найдена.
Таким образом, тела шести астронавтов были зафиксированы только поясными ремнями. В условиях циклических перегрузок отсутствие фиксации верхней части тела в кресле и головы в шлеме стало причиной смертельных механических повреждений у некоторых астронавтов. При нормальной фиксации эти повреждения, вероятно, не были бы смертельными.
После разрушения кабины
Совместное воздействие аэродинамических и тепловых нагрузок через 35 секунд после гибели корабля повлекло и разрушение кабины экипажа. Оно началось в 14:00:53, когда кабина выпала из передней части фюзеляжа и оказалась незащищенной в гиперзвуковом потоке. На видеозаписи видно, что уже через несколько секунд кабина начала разрушаться и к 14:00:59 перестала быть единым целым. Судя по местам нахождения обломков и останков, процесс начался с передней переборки и нижней части средней палубы, затем отделилась и оставалась целой несколько секунд та часть, которая содержала летную палубу с креслами и шлюзовую камеру.
Уже в 14:00:10 в кадре не было видно никаких следов кабины и элементов передней части фюзеляжа - обломки стали слишком малы или так сильно замедлили свою скорость, что перестали давать достаточно света для фоторегистрации, в отличие от летевших впереди трех маршевых двигателей.
Кабина начала разваливаться на высоте около 44 км и полностью разрушилась на 32 км. Аэродинамическое давление за это время увеличилось с 0.0022 до 0.0027 кгс/см2. Эквивалентная скорость в начале разрушеения составляла примерно 740 км/ч и быстро росла.
Скафандр типа ACES по техническим условиям должен обеспечивать спасение на высоте до 100 000 футов (30.5 км) и выдерживать попадание в поток на скорости до 1040 км/ч, что соответствует нагрузке 0.0039 кгс/см2. Теоретически сохранивший герметичность скафандр с закрытым шлемом мог бы выдержать внешние условия на момент разрушения кабины «Колумбии».В действительности скафандры астронавтов были разорваны потоком (возможно, помимо открытых шлемов свою роль в этом сыграли нагрев и воздействие атомарного кислорода) и найдены в виде фрагментов. Исходя из мест нахождения и состояния гермошлемов, баллистическим и тепловым анализом показано, что они были отделены от скафандров действием механических нагрузок и начали свободное падение в 14:01:03±10 сек.
Цветом отмечены найденные фрагменты скафандров членов экипажа, находившихся в креслах №3, 4 и 5: шлемы, замки крепления перчаток, баллоны с кислородом, радиомаяки системы SARSAT и т.п.
Если скафандры могли бы спасти астронавтов от разгерметизации, а более совершенная привязная система - от смертельных травм, то повреждения, полученные в ходе разрушения кабины, при отделении тел астронавтов от кабины экипажа и от кресел, были безусловно смертельны. Основными поражающими факторами стали травмы от поясных ремней привязной системы, ударная перегрузка из-за резкого замедления движения и последующие аэродинамические и тепловые воздействия. Ускорения отдельных фрагментов сразу после разрушения кабины находились в пределах от 30 до 10 g в течение 5-20 сек. О величине тепловых нагрузок говорит тот факт, что найденные фрагменты пола и кресел летной палубы сильно оплавлены и покрыты «брызгами» алюминия из разных частей кабины.
Авторы отчета сухо констатируют, что кровообращение астронавтов «прекратилось незадолго до или в процессе этого события» и что к концу данного этапа катастрофы все они были мертвы. Комиссия считает, что никакие существующие средства не обеспечивают спасение человека в случае разрушения кабины на такой высоте и при таких числах Маха.
Четвертое обстоятельство со смертельным потенциалом для астронавтов, выявленное комиссией, - это попадание в практически безвоздушное пространство с крайне низкой температурой, а также последующее тепловое воздействие при аэродинамическом торможении. От всех этих поражающих факторов, кроме нагрева, человека мог бы спасти исправный герметичный скафандр. Нагрев во время торможения до температуры порядка +250°C был более чем достаточен для расплавления нейлоновых привязных ремней и оболочек скафандра. Гермошлемы во время падения подвергались действию температуры около +300°C. Алюминиевый сплав стоек кресел, судя по характеру их разрушения, нагревался до +480°C и выше.
Наконец, пятое, что отметила комиссия, - это невозможность автоматического приземления астронавта на парашюте. В том варианте его использования, который разработан для шаттла, парашют раскрывается либо автоматически при штатном покидании кабины с использованием выдвижного шеста, либо самим астронавтом во время падения. Следовательно, астронавт, выпавший из разрушенной кабины и потерявший сознание, не сможет задействовать парашют и разобьется при ударе о землю.
Таким образом, условия, в которых находилась «Колумбия» в момент разрушения, полностью исключали возможность их спасения. Выявленные дефекты конструкции средств обеспечения безопасности членов экипажа, равно как и сознательные отступления от правильных способов их применения, не были решающими и лишь ускорили гибель людей на одну-две минуты. Все измышления о том, что астронавты могли бы выжить, если бы имели на себе закрытые шлемы и пристегнутые перчатки, являются плодом недобросовестной погони за сенсацией.
Основные рекомендации «второй» комиссии для шаттлов таковы:
➊ При подготовке экипажей должно уделяться больше внимания переходу от решения проблем к выживанию.
➋ Инструкции экипажу должны быть уточнены с учетом реалий движения потерявшего управление корабля и кабины.
Учитывая, что до окончания программы осталось всего девять полетов, многие разумные изменения считаются непрактичными.Единственное, что как будто бы сделано, - усовершенствован механизм стопорения плечевых ремней.
При создании будущих пилотируемых кораблей следует принять к исполнению следующие основные требования:
➀ Должна проводиться оценка динамики при потере управления с учетом полученных результатов при проектировании корабля и при подготовке экипажа.
➁ Скафандры должны быть интегрированы в общую конструкцию КА и не должны мешать нормальной работе членов экипажа. Они должны быть приведены в рабочее состояние до входа в атмосферу.
➂ Кресла и скафандры должны быть интегрированы так, чтобы обеспечить должную фиксацию астронавтов в нештатных ситуациях без создания помех работе. Шлемы призваны обеспечивать защиту головы и шеи в условиях переменных нагрузок. Проекты кораблей должны учитывать вариант с потерей управления и максимизировать шансы на спасение экипажа.
➃ На случай разрушения кабины следует предусматривать наиболее щадящую деградацию бортовых систем и элементов конструкции, чтобы увеличить шансы экипажа на выживание.
➄ Защитные костюмы, шлемы, ботинки и системы фиксации членов экипажа должны рассматриваться как интегрированная система и проверяться на все поражающие факторы (температура, давление, аэродинамический удар, химическое воздействие) с максимально возможным усилением защитных свойств.
➅ Системы выживания членов экипажа должны срабатывать автоматически, не дожидаясь ручной активации.