Детектив с «Протоном» или как компьютеры спасают ракеты
Успешный космический пуск привлекает мало внимания. Но если знать, что миссия по выведению Intelsat 31 находилась на волосок от гибели, становится гораздо интересней. По данным в открытом доступе можно вычислить, что произошло, и почему спутник все-таки был успешно выведен на нужную орбиту.
Хронология драмы
Первое смутное ощущение тревоги появилось, когда диктор, ведущий репортаж о пуске с интервалом в десять секунд, замолчал на целых сорок (с 1:56:00):
То, что диктор замолчал не просто так, стало ясно, когда появилась в открытом доступе телеметрия с участка работы второй ступени:
В районе 315 секунды упала тяга двигателей. Попробуем определить, что же случилось. На второй ступени стоят четыре двигателя (3 РД-0210 и РД-0211). Они практически одинаковые по конструкции, разве что у РД-0211 есть дополнительный теплообменник для наддува баков. Суммарная тяга четырех двигателей составляет 2400 килоньютонов. В конце работы второй ступени угол тангажа равен примерно 20°, и на ракету воздействуют следующие силы:
Силой сопротивления воздуха мы пренебрегли, потому что разделение второй и третьей ступени происходит на высоте примерно 80 км, где атмосферы уже практически нет. Из известного по телеметрии ускорения мы можем примерно вычислить тягу двигателей.
У нормально летящей второй ступени итоговое ускорение по оси составляет 2,5 g. Однако, к нему надо добавить проекцию притяжения Земли, чтобы получить ускорение ракеты от двигателей. Если бы вторая ступень летела вдали от небесных тел, то 2400 кН тяги двигателей сообщили бы ей ускорение 2,5 g + g*sin (20°)=2,5 g+ 0,34 g=2,84 g. По школьной формуле F=m*a (второй закон Ньютона) получаем, что масса ракеты на момент разделения составляет 86,1 тонну. Это совпадает с аналитическими расчетами: 11 т (пустая вторая ступень) + 46,5 т (полная третья ступень) + ~26 т (частично заправленный Бриз-М и полезная нагрузка) + 2 т (головной обтекатель) = 85,5 т, значит мы считаем примерно правильно.
Теперь посчитаем тягу двигателей, которая бы создала перегрузку 2 g при выведении Intelsat 31. a = 2 + 0.34 = 2.34 g, а тяга двигателей для той же массы в 86,1 тонны составит 1976 кН. Тяга одного двигателя 600 кН, а в случае с Intelsat 31 суммарная тяга упала на 424 кН.
Вывод: Один двигатель второй ступени потерял как минимум две трети своей тяги, а учитывая то, как работает система управления, он скорее всего был аварийно отключен. Также эта версия подтверждается нарастанием углов отклонения — двигатель, расположенный по диагонали от вышедшего из строя, стал разворачивать ракету:
К счастью, на второй ступени все четыре двигателя находятся в карданных подвесах, и система управления стала бороться за жизнь ракеты, компенсируя разворачивающий момент поворотом двигателей. Это удавалось не вполне, углы отклонения росли, но, к счастью, до разделения оставалось меньше десяти секунд, и вторая ступень не успела уйти в сторону настолько, чтобы аварийно прекратить полет.
Но расслабляться было рано. Ракета-носитель «Протон-М» из-за аварии на второй ступени недодала связке разгонного блока «Бриз-М» и спутника 28,2 м/с.
Известно, что три ступени «Протона-М» выводят разгонный блок и полезную нагрузку на незамкнутую траекторию. Если «Бриз-М» не справится с нехваткой скорости, то разгонный блок и дорогой спутник окажутся в Тихом океане. «Бризу» пришлось нелегко — сравнительно маломощный двигатель тягой 2 тонны вытаскивал на опорную орбиту связку массой примерно 26 тонн дополнительные 35 секунд.
Несмотря на то, что выведение на опорную орбиту было успешным, опасность все еще не миновала. Дополнительный расход топлива означал, что его может не хватить на последующие маневры. И спутник, оказавшийся на неподходящей траектории, был бы вынужден тратить топливо, сокращая свой срок существования на целевой геостационарной орбите. Но и тут «Бриз-М» показал себя с отличной стороны — двигатель работал более эффективно, чем от него в среднем ожидалось (в реальной жизни ракетный двигатель показывает немного отличающиеся от расчетных характеристики, поэтому при планировании миссии на этот разброс также берут так называемый гарантийный запас топлива). Поэтому двигатель на последующих включениях выключался раньше:
В итоге, спустя 15 часов, «Бриз-М» успешно вывел спутник Intelsat 31 на суперсинхронную орбиту 3428×64964 км с наклонением 29.53° с ошибкой всего 1,1 м/с.
А причем тут компьютеры?
Возможность исправить нехватку скорости из-за аварии есть благодаря цифровым системам управления. Они работают в режиме терминального управления (terminal guidance) и, в отличие от следования жесткому алгоритму «на такой-то секунде повернуть на такой-то угол», анализируют данные с датчиков ускорений и угловых скоростей, формируя на ходу управляющие воздействия для того, чтобы выйти на нужную траекторию. Самый известный случай такого управления — выключение двух из пяти двигателей на второй ступени ракеты-носителя Saturn-V в беспилотной испытательной миссии «Аполлон-6». Тогда система управления сумела удержать управляемый полет ракеты и вывести ее на орбиту. В 1971 году при выведении «Аполлона-13» аварийно отключился один из пяти двигателей второй ступени «Сатурна-V», что никак не повлияло на миссию. В 2012 году разрушился один из девяти двигателей первой ступени Falcon 9, ракета успешно вышла на орбиту и доставила к МКС грузовой корабль Dragon, но попутная полезная нагрузка была потеряна. В 2016 году раньше, чем нужно, выключился двигатель первой ступени Atlas-V, вторая ступень смогла скомпенсировать нехватку скорости, и грузовой корабль Cygnus успешно долетел до МКС.
Успешная авария
Да, конечно, необходимо расследовать причину аварии и принять меры, чтобы она не повторилась. Но авария, которая не привела к провалу миссии и потере полезной нагрузки — это скорее победа техники и людей, ее создавших.
Небольшое объявление: 16 июня, в 19:00 в музее советского быта (Гостиный двор, г. Уфа) будет моя лекция «Женщины и космос». Вход 100 р.
