[Перевод] Аварии космических ракет, связанные с топливом: заправлять до полного?
Запуск ракеты «Протон» в 2010 не удался не потому, что ей не хватило топлива, а потому, что его было слишком много
Автор статьи — Уэйн Элиазер, проработал в ВВС США 25 лет, был менеджером программы «Тор», директором испытаний ракет семейства «Атлас», главой отдела космических запусков в управлении по снабжению ВВС секретариата Пентагона.
Одна из самых распространённых проблем, приводивших к крушениям самолётов, заключалась в том, что пилот спокойно сидел в кабине, пока топливо в машине не заканчивалось. С космическими запусками подобные неудачи происходят реже, однако в некоторых особо показательных случаях во время первых запусков были зафиксированы отключения двигательных установок ввиду нехватки топлива.
У большинства из запускавшихся ракет-носителей на жидком топливе отсутствовала система отслеживания уровня горючего — даже такая несложная, как сбитый с толку пилот, пялящийся на падающие показатели датчика топлива. Двигатели испытывали, их потребление записывали, и необходимое количество топлива и окислителя подсчитывали по простым формулам. Аппаратам с жидким кислородом в качестве окислителя заливали просто полный бак — это было необходимо, поскольку кислород испарялся до последних секунд перед стартом, когда закрывали клапан. Топлива грузили расчётное количество плюс ещё немного, на всякий случай. Таким образом работали ракеты семейств «Тор», «Титан» и «Дельта», как и большая часть ракет вне США.
«Атлас» работал по-другому — в нём использовалась система утилизации топлива, измерявшая количество топлива и окислителя в баках, и подстраивавшая тягу двигателя с целью максимизировать эффективность. Однако запускалась она только во время работы маршевых двигателей — сразу после того, как большие разгонные двигатели достигли расчётных уровней тяги в первые пару минут полёта. Система включалась, когда аппарат двигался за счёт центрального маршевого двигателя. Именно эта система позволила ракете «Атлас 19F» восстановиться после серьёзной потери скорости во время миссии NOAA-B 29 мая 1980 года.
Сложность задачи подсчёта правильного количества топлива хорошо проиллюстрировала неудача миссии «Тор LV-2F F34» по запуску военных метеорологических спутников, запуск которой проходил на военно-воздушной базе Ванденберг 19 февраля 1976. В то время при запуске метеорологических спутников на ракетах «Тор» использовали слишком упрощённый процесс подсчёта количества топлива. Стартовая бригада использовала данные эксплуатационных испытаний двигателя первой ступени ускорителя для расчета необходимой топливной нагрузки, а для измерения количества топлива, загруженного в ракету, использовался счётчик. И всё. В бак разгонного двигателя загрузили требуемое количество топлива, начался обратный отсчёт, произошёл взлёт. Однако полезная нагрузка не дотянула до стабильной орбиты, и вернулась в атмосферу после первого витка.
Последующее расследование обнаружило, что данные эксплуатационных испытаний двигателя были неверными. Двигателю требовалось больше топлива для достижения нужных показателей, чем следовало из данных. Ситуация была похожей на то, как если бы вы зашли в автосалон, и выбрали бы новый автомобиль, тратящий 6 литров бензина на 100 км, хотя у всех остальных машин точно такой же марки, модели и с такими же опциями этот показатель равнялся бы 7 литрам на сотню; и вы бы даже не задумывались над тем, почему эта машина настолько экономичнее других. Для оставшихся запусков в рамках проекта «Тор» были проведены тщательные исследования и более подробный анализ.
Ещё одна авария произошла на военно-воздушной базе Ванденберг 3 августа 1981 года с ракетой «Дельта 3914» миссии Dynamics Explorer. Нормальный порядок запуска предполагал, что вторую ступень ракеты заправляли топливом во время обратного отсчёта. В той миссии заправочному оборудованию добавили новинку: «мельничку», крутившуюся в заправочном шланге в качестве индикатора подачи топлива, похожую на то колёсико, что крутится на некоторых заправочных станциях. К сожалению, новое колёсико заклинило и произошла утечка топлива, из-за чего заправочная команда решила, что вторая ступень полностью заправлена. Топливо закончилось у неё на 16 секунд раньше срока, из-за чего полезный груз недотянул до нужной орбиты 160 км. Потом оказалось, что касательно нужной высоты орбиты шли споры, поэтому приверженцы более низкой орбиты остались довольны, в отличие от всех остальных.
18 апреля 2001 года для индийской космической программы был большой день — тогда произошёл запуск первой ракеты для вывода спутника GSAT 1 на ракете-носителе для запусков геосинхронных спутников GSLV. Праздник по поводу достижений длился недолго. Третья ступень использовала двигатель российского производства, не летавший ранее, и ему не хватило тяги. Спутник вышел в космос с дефицитом скорости в 0,5%, из-за чего он не смог достичь нужного места на орбите. Спутник работал нормально, однако быстро снижался, пересекая орбиты других спутников и вмешиваясь в их работу. Это было неприемлемо, и его отключили всего через несколько дней.
6 декабря 2010 года новая версия славного разгонного двигателя «Протон» подняла ракету с космодрома Байконур, несущую спутники ГЛОНАСС. На верхней ступени использовался новый разгонный блок ДМ-03. Полезная нагрузка так и не вышла на орбиту, и упала в Тихий океан. Ситуация оказалась противоположной случаю с Dynamics Explorer. Объём баков нового разгонного блока был значительно больше, чем у предыдущих моделей, и при заправке этот момент не учли. Хотя для миссии дополнительного топлива не требовалось, его всё равно залили — на 2000 кг больше, чем было нужно. И вместо недостатка топлива, как у миссий «Тор F34» и «Дельта» Dynamics Explorer, у «Протона» его оказалось слишком много.
Почему же излишек топлива стал проблемой? В случае с аварией «Тор F34» проблема была не просто в том, что топлива на борту не хватило. Во время запусков военных метеорологических спутников у ракеты «Тор» и верхних ступеней баки были слишком малы, а масса всего корабля с каждой миссией возрастала. Одним из решений данной проблемы была замена топлива RP-1 на RJ-1. Топливо RJ-1, предназначенное для прямоточных воздушно-реактивных двигателей, было плотнее RP-1, благодаря чему в ограниченное пространство топливного бака «Тор» можно было впихнуть больше топлива на единицу объёма — а, значит, и больше энергии.
Якобы большая тяга двигателя, использовавшегося на миссии «Тор F34» была отмечена за несколько лет до этого, поэтому его и выбрали специально для самой тяжёлой миссии в этой серии ракет. Однако на деле такой тяги не было не только у этого двигателя — подобной тяги в принципе не мог дать ни один двигатель подобного устройства. В бак «Тор» невозможно было впихнуть столько топлива, чтобы эта миссия успешно взлетела — поскольку увеличение веса топлива только уменьшало тягу двигателя.
Та же проблема была и у ДМ-03. Топлива у верхней ступени было полно, однако в итоге оно оказалось слишком тяжёлым для того, чтобы ракета смогла выйти на расчётную траекторию. При проектировании ракет «Дельта-4» и «Атлас-5» главными параметрами были стоимость разработки и производства, и двигатели стоили явно больше, чем хранящееся в баках горючее. Предыдущие ракеты, в верхних ступенях которых использовались двигатели RL-10, таких двигателей было минимум по два, но можно было рассчитать траекторию так, чтобы использовать только один двигатель. Траектория должна идти почти вертикально вверх во время работы первой ступени, тем самым избегая как аэродинамического сопротивления, так и гравитационных потерь, которые есть у более низких и эффективных траекторий. Поднявшись достаточно высоко, верхняя ступень RL-10 могла работать довольно долго, гораздо медленнее набирая скорость, но зато экономя много денег на дорогостоящем оборудовании. Такой подход вызвал некоторые опасения, связанные с дальностью полёта, но, поскольку ракеты с американских полигонов пролетают над океаном, это препятствие не было непреодолимым.
Возможно, «Протон» с разгонным блоком ДМ-03, запущенный 6 декабря 2010 года, смог бы выйти в космос по похожей траектории, и вывести верхнюю ступень на такую высоту, на которой она могла бы воспользоваться дополнительным топливом, однако никто не думал о такой возможности, поскольку в эту ступень не предполагалось закачивать столько горючего.
Поэтому эта проблема состоит не просто в том, чтобы убедиться, что перед поездкой вы заправили полный бак — а, скорее, в том, чтобы убедиться, что топлива у вас ровно столько, сколько требуется для миссии. А перед тем, как выбрать автомобиль, почитайте сначала характеристики нескольких экземпляров.
