Черноголовская газета
29 января 2004 года, N 004

Почему погибла "Колумбия" и уцелел "Буран".

Год назад, 1 февраля 2003 года, во время возвращения на Землю потерпел катастрофу американский космический корабль многоразового использования "Колумбия". Все семь членов экипажа погибли. Изучением обстоятельств этого печального события занималась специально созданная Коллегия по расследованию катастрофы "Колумбии" (CAIB) под руководством адмирала Хола Гемана, а также группа из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), были задействованы тысячи различного рода организаций и учреждений.

Обломки "Колумбии" оказались разбросанными на площади в сотни квадратных километров в штатах Техас и Луизиана. В результате поисков в труднодоступной горно-лесистой местности было собрано большое количество фрагментов космического корабля; а самое главное - удалось найти "черный ящик" с записями показаний датчиков (этот контейнер упал в болото и поэтому почти не пострадал). Через семь месяцев на сайте NASA был размещен отчет объемом более пятисот страниц, с массой графиков и фотографий, в котором представлены основные результаты проведенных расследований. Установлено, что через несколько минут после начала торможения в атмосфере, при котором поверхность корабля сильно нагревается, в передней части левого крыла "Колумбии" образовалась дыра размером около 20 см (как раз в том месте, куда попал оторвавшийся во время старта кусок термоизоляционного покрытия топливного бака). Струя раскаленного примерно до 14000 градусов Цельсия воздуха проникла через эту дыру в полость крыла, прожгла алюминиевую обшивку корпуса корабля и повредила его несущие конструкции, что привело к гибели корабля и его экипажа.

Возникает вопрос: почему руководство полетом не приняло мер по спасению корабля, хотя во время старта возникла нештатная ситуация? Дело в том, что просмотр видео- и фотоснимков крыла, сделанных экипажем после этого события, не выявил видимых повреждений в месте удара. Математическое моделирование, проведенное специалистами NASA, не дало никаких оснований для тревоги. Полученное повреждение не проявилось и во время шестнадцатисуточного полета "Колумбии" вокруг Земли. Оно дало о себе знать только на самом опасном участке траектории спуска: во время аэродинамического торможения корабля в земной атмосфере, когда для его спасения уже ничего нельзя было сделать. Но если бы даже повреждение было замечено заранее, все равно экипаж не удалось бы спасти, так как корабль не был оборудован ни необходимой для этого системой, ни устройством для стыковки с Международной Космической Станцией (МКС).

Так по какой же причине образовалась дыра в обшивке левого крыла "Колумбии", приведшая к катастрофе? Как уже отмечалось, при торможении в атмосфере Земли поверхность космического аппарата из-за трения о воздух сильно нагревается, местами до температур, при которых конструкционные материалы теряют прочность. Поэтому, чтобы защитить корабль от разрушения, его поверхность покрывают специальными плитками из термостойких материалов, которые приклеивают к металлической обшивке аппарата. Наиболее теплонагруженные участки корпуса корабля - его носовую часть, передние кромки хвостового оперения и крыльев - изготовляют из композиционного материала, сделанного из углеродных волокон, армированных углеродной матрицей (на фотографии "Колумбии" этот материал выглядит как полосы черного цвета). Во время возвращения корабля на Землю теряются десятки - а иногда и сотни - плиток теплозащиты из имеющихся тысяч. К чему это может привести, изображено на снимке участка крыла советского космического корабля "Бурана", полученном после его возвращения на Землю. Видно, что из-за потери трех плиток теплозащиты материал обшивки крыла из алюминия уже начал разрушаться. "Буран" чудом уцелел. Если бы этот корабль имел на своем борту груз или экипаж, что привело бы к увеличению его веса и, следовательно, времени пребывания в условиях аэродинамического торможения и нагрева, его, скорее всего, ждала бы участь "Колумбии".

Итак, первая гипотеза. Причина образования дыры в обшивке крыла, приведшей к гибели "Колумбии", - это потеря плиток теплозащиты при входе корабля в атмосферу Земли, спровоцированная ударом по крылу куска термоизоляции топливного бака. Более определенно по этому поводу сказать нечего: на мой запрос из NASA сообщили, что процесс горения и разрушения материала обшивки в результате потери теплозащитных плиток в должной мере не изучался. Конечно, без внимания эта проблема не оставалась. В моем распоряжении имеются результаты работы сотрудников университетов Стэнфорда и Карнеги, проделанной еще в 1994 году и посвященной анализу риска полетов космических кораблей типа "Шаттл" (к которому принадлежала и "Колумбия"), связанного с потерей теплозащитных плиток. Среди рекомендаций, выданных этими учеными, есть и такие: для повышения качества работы усилить координацию между предприятиями-смежниками, принимающими участие в изготовлении оборудования для "Шаттлов", и поднять зарплату наклейщикам упомянутых плиток до уровня высокооплачиваемых электронщиков. Да, с этими предложениями нельзя не согласиться.

Вторая и наиболее вероятная причина образования дыры в обшивке крыла "Колумбии", если судить по месту ее расположения и размеру, - это воспламенение и горение углеродных панелей, из которых сделана кромка крыла "Колумбии". Известно, что многие конструкционные материалы, работающие в окислительной атмосфере, могут воспламеняться в результате удара об их поверхность различного рода частиц и, тем более, крупных предметов. Во всяком случае, конструкторам советского орбитального корабля "Бурана" это явление сильно досаждало на стадии доработки аппарата. Тогда, в начале восьмидесятых годов, за решение проблемы воспламенения и горения конструкционных материалов энергично взялся Ф.И.Дубовицкий, в то время директор Отделения института химической физики в Черноголовке. Я был привлечен Ф.И.Дубовицким к работе над этой проблемой как теоретик в области горения. В помощь мне был назначен Н.И.Перегудов, один из самых квалифицированных математиков-программистов. Группа химиков Н.Н.Алейникова, усиленная специалистом по горению Б.М.Зуевым, должна была изучать кинетику окисления конструкционных материалов. Лаборатория В.Е.Фортова была привлечена для изучения процесса удара и его последствий. Конструирование и изготовление необходимого оборудования Ф.И.Дубовицкий возложил на производственно-технический отдел, возглавляемый В.К.Энманом.

Для объяснения наблюдаемых на практике эффектов мы построили математическую модель процесса зажигания материала, согласно которой удар какого-либо предмета о его поверхность приводит к образованию совокупности трещин, т.е. размельчению материала, что существенно ускоряет процесс воспламенения. Этот эффект хорошо известен из практики. Некоторые измельченные в порошок материалы, например, металлы, иногда воспламеняются на воздухе даже при комнатной температуре, в то время как монолитный кусок того же материала может храниться без всяких проблем очень долго. Важная особенность процесса воспламенения размельченного материала - наличие резко выраженных критических условий. Например, стоит числу трещин в материале превысить критическое значение, - и процесс воспламенения, как говорится, "пошел".

Итак, наиболее вероятная причина катастрофы "Колумбии" состоит в следующем. В результате удара куска термоизоляции топливного бака о крыло корабля число малозаметных микроскопических трещин в панели передней кромки крыла превысило критическое значение. Поэтому во время торможения корабля произошло возгорание и образовалась та самая злополучная дыра, в которую и проникла струя горячего воздуха, разрушившая корабль.

Ну, а как же быть с американскими кораблями многоразового использования семейства "Шаттл"? В докладе Коллегии по расследованию катастрофы "Колумбии" специалистам Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства настоятельно рекомендуется детально изучить процесс окисления и воспламенения конструкционных материалов (особенно изготовленных на основе углерода), чтобы дать реальную оценку степени их пригодности для применения в конструкциях космических кораблей многоразового использования. Думаю, что фундаментальные исследования ученых Черноголовки помогут нашим коллегам справиться с этой важной проблемой.

д.ф.-м.н. С.С. Рыбанин

Дорогой Вадим!
По поводу Ваших комментариев к моей статье, могу сообщить следующее. Образование дыры в панели RCC сразу же после удара - это только одна из возможных версий причин катастрофы "Колумбии". Именно в таком наклонении изложены в отчете CAIB (Volume 1, p.83) результаты её исследований. Цитирую: "The test clearly demonstrated that a foam impact of the type Columbia sustained could seriously breach the Wing Leading Edge Structural Subsystem". Такое отсутствие категоричности в выводе комиссии обусловлено тем обстоятельством, что точное место удара оторвавшегося куска термоизоляции топливного бака о панель, как и его вес, размер и форма, а также скорость не были установлены с достаточной точностью из-за низкого качества видеосъемок этого инцидента. Кроме того, эксперименты по упомянутому удару проводились с использованием компактного куска термоизоляции (см. справа рис. 3.8-3, стр. 80 первого тома отчета CAIB), а это несомненно увеличивало силу удара.
Поясню сказанное на простом примере. Если кто-нибудь ради шутки выльет на прохожего воду из кружки или стакана из окна второго или более высокого этажа жилого дома, то кроме досады тот ничего не испытает. Потому, что во время полета вода в результате взаимодействия с воздухом раздробится на мелкие капельки. Но, если же это же количество воды сбросят с той же высоты в тонкой резиновой оболочке, например от воздушного шара, то прохожий может получить увечье. Надо заметить, что даже незначительная модификация поверхности легко разрушаемого материала, может сильно повлиять на результат взаимодействия сталкивающихся тел. Например, хорошо известно, что если под вышкой прыгуна в воду будет плавать размокший и совсем непрочный газетный лист, то это может привести к серьезной травме при столкновении прыгуна с поверхностью воды. Поэтому даже покрытие краской куска метаемой пены, могло заметно повлиять на силу удара. Такие тонкости, да и вообще, влияние формы куска оторвавшегося термоизоляции в работе CAIB и его структура, после того как этот кусок испытал в результате взаимодействия со встречным потоком воздуха ускорение в сотню g, не принимались CAIB во внимание. И это понятно: правдами или неправдами, используя свой метательный снаряд и газовую пушку, дыру в панели RCC им удалось получить и закрыть на время, стоящие перед ними проблемы. Я же отношусь к выводам CAIB о причинах образования злополучной дыры в крыле "Колумбии" с большим сомнением.

На мой взгляд, наиболее вероятным последствием удара куска термоизоляции о крыло "Колумбии" всё же является образование трещин в панели RCC и развитие дальнейших событий по сценарию, изложенной в моей статье. Подтверждением моей гипотезы служит тот факт, что первые отклонения от нормального хода торможения корабля в показаниях датчиков, зафиксированы лишь на 270 секунде после его входа в плотные слои атмосферы (см. справа рис. 3.6-6 на стр. 66 цитируемого выше отчета CAIB).

Такая задержка характерна для процессов воспламенения и носит название периода индукции.
Замечу, что к воспламенению поверхности конструкционного материала могут привести даже незначительные удары, главное в такой ситуации, чтобы были выполнены критические условия воспламенения. Помню, был случай, когда во время испытания двигателя "Бурана" произошло его воспламенение в результате удара о его стенку оторвавшейся головки термопары размером порядка миллиметра. В этом случае и речи не могло идти о сколько-нибудь значительном разрушении стенки двигателя.

На мой запрос в NASA по поводу механизма, образования дыры в крыле "Колумбии" в результате воспламенения и горения, мне в свое время ответили, что они этим вплотную занимаются. Однако такие исследования не столь просты, как исследования по удару, проведенные CAIB, поэтому их результаты появятся не скоро. Но проводить такие исследования им все равно придется. Пусть поработают. Будущее покажет, кто из нас окажется прав.

Можно привести и другие факты в пользу моей гипотезы образования злополучной дыры в крыле "Колумбии", но не буду Вас утомлять их детальным анализом.

В связи с изложенным выше прошу Вас изменить тон Ваших комментариев к моей статье. Лучше всего их вообще исключить из текста, поскольку я не вижу причин считать мою версию гибели "Колумбии" менее вероятной по сравнению с изложенной в отчете CAIB. То же относится и моему предположению о возможной катастрофе "Бурана", так как дыра в обшивке его крыла превосходила по своему размеру дыру в крыле "Колумбии". "Буран" спасло то, что время его пребывания в условиях аэродинамического нагрева было меньше, чем у "Колумбии" из-за отсутствия на нем груза. В общем, поместите на страничке с моей статьей снимок дыры в крыле "Бурана". Может быть, кто-нибудь из специалистов в области горения, увидев его, выскажется по этому поводу более определенно и обоснованно, чем я или Вы.

Переход на:

Web-master: ©Вадим Лукашевич 1998-2005
E-mail: buran@buran.ru