Смелый план, который мог бы спасти шаттл «Колумбия». Часть 1

Что можно было сделать… Source: Lee Hutchinson / NASA / NOAA

«Если мы погибнем, мы хотим чтобы люди приняли это как должное. Мы занимаемся рискованным делом и надеемся, что если с нами что-то произойдет, программа не будет задержана. Покорение космоса стоит того, чтобы рисковать жизнью ради него.»
— Астронавт Гас Гриссом, 1965 год

«Прежде всего важно отметить, что поломка на „Колумбии“ произошла во время той фазы полета, которая, с учетом текущей конструкции летательного аппарата, не давала команде шансов на выживание.»
— Из отчета Комиссии по расследованию катастрофы шаттла «Колумбия»

15 января 2003 года, в 10:39 по восточному стандартному времени космический шаттл «Колумбия» стартовал с площадки 39А космического центра Кеннеди во Флориде. Спустя всего лишь 81.7 секунд, кусок термоизоляционной пены отвалился от оранжевого внешнего топливного бака судна и врезался в набегающий край левого крыла на относительной скорости как минимум 640 км/ч, однако «Колумбия» продолжила свое восхождение к орбите.

NASA не наблюдали удар в прямом эфире. Только после того, как шаттл добрался до орбиты Земли, NASA запустила анализ изображений, который выявил тот факт, что крыло подверглось удару. Откалывание частей во время запуска случаются регулярно и руководители программы приняли решение не делать орбитальную съемку состояния «Колумбии» и визуальную оценку размера потенциального урона. Вместо этого, специальная команда NASA провела теоретическое моделирование столкновения корабля с обломком, но не смогла прийти к каким-либо определенным выводам относительно состояния крыла шаттла. Миссия продолжилась.

На самом же деле, удар разбил по крайней мере одну жизненно важную для корабля углерод-углеродную теплоизоляционную панель, которая окантовывала края крыла, в результате чего в хрупком керамическом материале образовалась огромная дыра. Через шестнадцать дней, когда «Колумбия» снова вошла в атмосферу, перегретая плазма проникла во внутренние структуры корабля через дыру в крыле и шаттл начал распадаться на части.

В центре управления полетами в Хьюстоне, операторы, следившие за спуском «Колумбии» начали замечать перебои в получении данных телеметрии с шаттла, после чего вся голосовая коммуникация и обмен информацией с кораблем были потеряны. Даже когда появились доказательства того, что произошла катастрофа, операторы продолжали надеяться, что они наблюдают всего лишь ошибки аппаратуры. В конце концов, в 9:12 по центральному восточному времени глава по контролю за этапом по входу в атмосферу Лерой Кейн отдал приказ, услышать который боялись все, и который звучал до этого лишь один раз, 17 лет назад, когда «Челленджер» развалился на старте: "Заприте двери".

Это означало признание того, что случилось худшее: миссия теперь перешла в режим «Чрезвычайная ситуация». Двери центра управления были закрыты и операторы внутри начали внимательно фиксировать всю информацию со своих консолей управления.

«Колумбия» была потеряна и все семь членов ее команды были мертвы. NASA обозначает эту самую редкую и худшую из возможных ситуаций как LOCV—«Loss of Crew and Vehicle» (потеря команды и судна — прим. переводчика).

Полная заморозка

«Колумбия потеряна. Выживших нет.»
— Президент Джордж Буш в своем обращении к нации по поводу случившегося, 14:14 по центральному восточному времени, 1 февраля 2003 года.

Весь мир космических полетов замер — сначала оплакивая погибших, а после, пытаясь понять, что произошло. Конгресс возложил ответственность расследования на плечи Комиссии по расследованию катастрофы «Колумбия» (которая, как это принято в NASA, получила свой название-акроним «CAIB», по произношению похожий на имя «Гейб»). В течении нескольких месяцев после этого, CAIB, в ходе своего расследования, проникла во все структуры NASA и ее контрактных поставщиков.

В моих собственных воспоминаниях о том, что последовало за катастрофой, преобладают картины хмурых встреч и сумасшедшей работы. Я тогда был главным системным администратором компании Боинг в Хьюстоне, и, поскольку, мы поддерживали программу шаттла, нам надо было искать и отправлять аналитикам NASA кучу ящиков с бэкапными кассетами, содержащими все, что случалось на каждом из серверов нашего дата-центра во время миссии.

В августе 2003 года, CAIB опубликовала свой заключительный отчет. Наряду с обнародованием прямой причины, которая заключалась в ударе куском пены, отчет содержал серьезную критику решений, принятых до и после запуска, изображая NASA, как агенство, ведомое менеджментом среднего звена, одержимым получением громких результатов. Чрезмерная концентрация структур на своих собственных целях и специфике отчетности, без дополнительного фокуса на совместной работе подразделений и поддержании связи между ними, сыграла, как минимум, не меньшую роль в крушении, чем это сделало столкновение с обломком. Эти обвинения отдавались едва слышимым эхом, уже знакомым нам по событиям 17 летней давности, когда многие из них уже были озвучены Комиссией Роджерса, расследовавшей катастрофу «Челленджера».

В конечно счете, произошедшее с «Колумбией» привело не только к потере человеческих жизней, но и завершению многих карьер на всех уровнях NASA. Часть известных управляющих программой полета людей были переведены на другие должности. Крушение «Колумбии» также, вероятно, стало причиной отставки директора NASA Шона О'Кифи. Многие люди, работавшие над миссией, включая большое количество людей, которые работают в NASA по сей день, до сих пор борются с пост-травматическим стрессом и виной выжившего. Все запланированные полеты шаттлов были приостановлены а три корабля-компаньона «Колумбии» — «Дискавери», «Атлантис» и «Эндевор» возвращены на Землю.

NASA обратила свой взор внутрь самой себя, а мы гадали, полетим ли мы теперь в космос снова.

Выбор, который не был сделан

«Для получения полной картины событий, комиссия запросила у NASA установить, были ли у команды полета STS-107 возможности вернуться целыми и невредимыми.»
— Из отчета Комиссии по расследованию катастрофы шаттла «Колумбия»

Выше описаны события, которые произошли на самом деле. Но давайте представим альтернативную историю развития событий для миссии «Колумбия», при котором в NASA быстро осознали, насколько разрушительным был удар обломка. Был ли безопасный способ забрать астронавтов с орбиты?

Во время написания своего отчета, CAIB задалась тем же вопросом, поэтому они запросили у NASA разработать теоретический план починки и спасения для «Колумбии», «основанный на допущении, что повреждение крыла во время запуска было бы замечено на раннем этапе.» Результатом было совершенно исключительное собрание документов, которое появляется в конце отчета в качестве «Приложения D.13». Оно проходит под скромным заголовком "Возможные варианты развития событий во время полета STS-107", однако сценарий, которые в нем описываются заставили бы NASA работать на пределе своих возможностей, проводя самую грандиозную космическую операцию за все время своего существования.

У инженеров NASA, ответственных за планирование, действительно был один козырь в рукаве, который делал этот план возможным: во время полета «Колумбии» STS-107, «Атлантис» уже проходил приготовление к полету STS-114, запуск которого был запланирован на 1 марта. Пока «Колумбия» летела к орбите, более молодой шаттл находился в Зоне подготовки корабля №1 (OPF-1) в Космическом Центре Кеннеди. Три его основных двигателя уже были установлены, хотя в его грузовом отсеке еще отсутствовали полетная аппаратура и рука-манипулятор. Оставались еще две недели подготовительной работы и приведения его в рабочее состояние, после которого его должны были перевезти через весь космический центр к огромному Блоку вертикальной сборки, чтобы присоединить к внешнему топливному баку и паре твердотопливных стартовых ракет.



«Эндевор» на этапе подготовки в OPF-2. «Атлантис» проходил через те же процедуры, когда «Колумбия» летела на свое последнее задание. Source: Lee Hutchinson / NASA / NOAA

И этого следует, что спасение на орбите было по крайней мере возможно, однако подготовка шаттла к полету — невероятно сложная процедура, которая включает в себя миллионы отдельных шагов. Чтобы приблизить запуск «Атлантиса» планировщикам нужно было определить, какие шаги в каких процедурах можно было бы безопасно пропустить, не подвергая опасности жизни спасательной команды.

Отчаянная гонка

«Сценарии предполагали, что решения о починке шаттла „Колумбия“, или спасении его команды должны были приниматься быстро и без принятия во внимание возможных рисков.»
— Из Приложения D.13 отчета Комиссии по расследованию катастрофы шаттла «Колумбия»

Однако даже перед тем, как эти решения могли бы быть приняты, NASA должна была также оценить количество времени, которое было у них на подготовку. Согласно информации NASA о запасах «Колумбии», планировщики понимали, что самой критичной проблемой для астронавтов была не нехватка чего-то вроде воздуха или воды, но выработка избытка кое-чего другого, а именно — углекислого газа.

Вес — очень ценный ресурс для космического судна. За каждый грамм массы, которую нужно вытолкнуть на орбиту вы платите топливом, добавляя которое вы также прибавляете и дополнительный вес, за который вы опять же платите еще большим количеством топлива (этот замкнутый круг «масса добавляет топливо, которое добавляет массу, которая добавляет топливо, которое добавляет массу» также называют "тиранией ракетного уравнения"). Не имея возможности получать воздух из космоса, судно отправляется в полет с ограниченным объемом воздуха внутри, который они перерабатывают, возвращая в его структуру недостающие газы. Космический шаттл несет с собой запасы жидкого кислорода и азота, которые превращаются в газ и смешиваются с воздухом внутри экипажного отсека, для того, чтобы соблюдать соотношение 78% азота / 21% кислорода, как в земной атмосфере. Однако при этом команда выдыхает углекислый газ, который должен быть удален из воздуха.

Чтобы сделать это, воздух в шаттле фильтруется через емкости, наполненные гидроксидом лития (LiOH), который реагирует с молекулами углекислого газа и формирует кристаллы карбоната лития (Li2CO3), изолируя таким образом токсичные молекулы CO. В каждой из этих емкостей содержится определенное количество LiOH, поэтому их использование ограничено по времени. «Колумбия» была оснащена 69 таким емкостями.

Однако оценить, как долго эти 69 емкостей смогли бы продержаться трудно, потому что, существует довольно мало достоверной информации о том, какой уровень углекислого газа человеческое тело может выдержать в условиях слабой гравитации. Стандартные правила по поведению во время миссии указывают, что ее необходимо прекратить в случае, если уровень CO2 превысит отметку парциального давления в 15 мм рт.ст. (около двух процентов объема воздуха в экипажном отсеке). Инженеры, планирующие миссию полагали, что они смогут растянуть запасы емкостей с LiOH на «Колумбии» так, что команда будет иметь в распоряжении 30 дней полета, без превышения указанного порога. Однако это потребовало бы от экипажа каждые пол-суток в день проводить за сном, отдыхом и вообще всем, что не требовало бы высокой метаболической активности.



Оригинальное изображение Source: NASA / CAIB Report, Appendix D.13

Если бы команда была не в состоянии придерживаться такой низкой активности, то по предположениям авиационных врачей NASA, повышение парциального давления до 26.6 мм. рт. ст. (около 3.5% воздушного объема экипажного отсека) «не оказало бы долгосрочного эффекта на здоровье членов экипажа.» Это позволило бы команде работать в более нормальном графике с 8 часами сна и 16 часами бодрствования, ценой возможных физиологических недугов, таких как головные боли, усталость и другие проблемы, связанные с высоким уровнем углекислого газа, которые бы начали проявляться довольно быстро.



Оригинальное изображение Source: NASA / CAIB Report, Appendix D.13

Следующий после фильтров углекислого газа, самый ограниченный в потреблений элемент — кислород. Запасы жидкого кислорода использовались не только для воссоздания атмосферы, пригодной для дыхания, но также и для генерирования электричества в топливных элементах шаттла (которые смешивают кислород и водород чтобы производить не только электричество, но и питьевую воду). Количество жидкого кислорода на борту можно было бы растянуть на те же 30 дней, что и в случае с фильтрами CO2, резко снизив потребление электроэнергии на «Колумбии».

Тремя оставшимися потребляемыми продуктами были еда, вода и реактивное топливо. Предполагая минимум движения со стороны команды, еда и вода могли бы быть растянуты на гораздо большее время нежели запас емкостей с LiOH. Чтобы сохранить топливо, корабль нужно было бы расположить в пространстве так, чтобы ему требовалось минимум топлива для удержания курса.

То, когда именно команда «Колумбии» смогла бы притворить в действие эти меры по сохранению энергии и кислорода зависело от короткого порядка принятия решении. В сценарии, который мы рассматриваем, мы предполагаем, что NASA уже на второй день полета (17 января) определило, что удар от обломка причинил урон. Далее понадобился бы еще один день на то, чтобы собрать изображения «Колумбии», используя «национальные активы», такие как наземные телескопы, а также другие, базирующиеся в космосе источники (например, спутники-шпионы) находящиеся под контролем USSTRATCOM.



Увеличенный размер Source: NASA / CAIB Report, Appendix D.13

Если бы с помощью полученных изображений удалось определить повреждения, «Колумбия» бы немедленно вошла в режим низкого потребления энергии. Если бы изображения не позволяли сделать вывод, команда предприняла бы EVA (extra-vehicular activity — выход наружу, на поверхность шаттла) чтобы визуально оценить урон крылу и после этого отключила бы потребление электроэнергии.

В любом случае, третий день полета обозначил бы начало многих бессонных ночей для большого количества людей.

Никаких ошибок, никаких переделок

«Миссия спасения, будучи вполне осуществимой, стала бы испытанием для всех.»
— Из отчета Комиссии по расследованию катастрофы шаттла «Колумбия»

Планирование выхода из шаттла наружу заняло бы весь 4 день полета (19 января), однако срок использования емкостей с гидроксидом лития истекал ровно на 30 дне полета (15 февраля), независимо от того, что произойдет на Земле. Поэтому одновременно с этим, в Космическом Центре Кеннеди должны были начаться работы по ускорению подготовки «Атлантиса».

«Ускорение» — слишком простое слово для описания титанических усилий, которые бы потребовались. Деятельность, которая обычно занимает недели или месяцы должна была быть осуществлена в течении часов или дней. Чиновники и рабочие должны были начать работать 24 часа в сутки, приборы должны были функционировать постоянно, потребовался бы каждый час в сутках на протяжении 21 дня чтобы провести «Атлантис» через проверку и подготовить его к запуску.

Это были бы три недели непрекращающейся и тяжелой круглосуточной работы без права на ошибку или неудачу. Команды Зоны подготовки корабля, Блока вертикальной сборки, и стартовой площадки №39 должны были выполнить правильно миллионы шагов и каждый модуль «Атлантиса» должен был бы функционировать идеально впервые за все время полетов. В противном случае вся работа пошла бы насмарку.



Source: NASA / CAIB Report, Appendix D.13

Работа предстояла большая. Прежде всего, компьютеры «Атлантиса» должны были быть перепрограммированы, чтобы соответствовать изменениям в миссии. К счастью, полетное ПО, разработанное для стыковки с МКС в рамках полета STS-114 можно было адаптировать для стыковки с «Колумбией», пусть для этого и пришлось бы изменить большинство параметров. Изменения были бы загружены на компьютеры «Атлантиса» во время DOLILU—the Day of Launch Input Load Update (Апдейт в день запуска — прим. переводчика), стандартного апдейта ПО, который шаттл получает за два часа до запуска. Обычно DOLILU включает в себя обновление системы управления, нужное, чтобы подготовить шаттл к погодным условиям в день запуска, однако апдейт, о котором мы говорим, изменил бы абсолютно все настройки полета. Это был бы крупнейшее обновление ПО, которое когда-либо пытались осуществить на стартовой площадке.

Чтобы поскорее завершить подготовку «Атлантиса», пришлось бы пропустить ряд стандартных проверок. Всего через 6 дней после прибывания в Зоне подготовки корабля, «Атлантис» должен был попасть в Блок вертикальной сборки, круглосуточная подготовительная работа в котором, смогла бы сэкономить еще 1 день, для того чтобы как можно скорее подсоединить его к внешнему топливному баку и ракетоносителям. Всего лишь спустя 4 дня, 30 января, на 15 день полета, один из двух гусеничных транспортеров перегнал бы «Атлантис» на 39-ый пусковой комплекс, где его поместили бы на площадку A или B.



Пасмурный день, гусеничный транспортер везет «Атлантис» для запуска в полет STS-129. Source: NASA / WikiMedia Commons

Как только корабль оказался на площадке, начался бы финальный рывок к его запуску. Астронавты, выбранные для этой миссии полетели бы без репетиции обратного отсчета. Не было бы и дополнительных проверок утечки топлива. До этого запуска, шаттлы стояли на площадке в течении 14 дней. У команды «Атлантиса» было бы только 11 дней, чтобы подготовить его к полету.

И пока рабочие на мысе Канаверал в сумасшедшем темпе пытались опередить сроки, еще больше работы нужно было сделать в Космическом Центре им. Линдона Джонсона в Хьюстоне, ведь, кроме всего прочего, «Атлантису» была нужна команда.

Сделать все правильно

«Очень важно было иметь уверенность в том, что астронавты смогут быстро приспособиться к среде с низкой гравитацией.»
— Из Приложения D.13 отчета Комиссии по расследованию катастрофы шаттла «Колумбия»

На борту «Колумбии» было 7 астронавтов, которые к 15-ому дню полета выполнят уже половину своей неожиданно продленной миссии. Это представляло проблему для NASA: космические шаттлы были спроектированы для 5-7 астронавтов на борту, а «Атлантису» нужна была собственная команда, чтобы отправиться в полет на встречу с «Колумбией». По возвращению, он привез бы с собой не только астронавтов, с которыми улетел, но и спасенную команду Колумбии, поэтому, чтобы минимизировать количество людей на его борту, необходимо было определить минимальное количество человек, которое требовалось для выполнения миссии.

После анализа ситуации, было установлено, что «Атлатису» понадобится минимальная команда из 4 человек. Двое из них — командир и пилот, понадобились бы непосредственно для полета, сближения до соединения и контроля за судном во время стыковки, что по подсчетам NASA займет как минимум 8-9 часов активного ручного пилотирования (а возможно, и более того). Другие двое членов команды надели бы скафандры и выполняли спасательную миссию, которую NASA пришлось бы спроектировать с чистого листа.

Как и во все остальных задачах, связанны со спасением, здесь также не было права на ошибки или возможности что-то переделать. «Атлантис» должен был отправиться в полет с командой, состоящей из ветеранов, которые были бы выбраны исходя, прежде всего из способности астронавтов быстро приспособиться к условиям низкой гравитации (времени на борьбу с космической болезнью не было) и годности к работе на поверхности шаттла и во время стыковки. В отчете не приводятся конкретные имена, но в нем есть указание на список из 9 кандидатов для выхода наружу, 7 кандидатов на роль командира, и 7 кандидатов в пилоты, способных, согласно данным NASA, приступить к миссии в январе 2003 года.

Четверо астронавтов, выбранных для полета на «Атлантисе» столкнулись бы с чрезвычайно сжатым графиком тренировок, а также с невероятными профессиональными и психологическими нагрузками. Сжатые сроки означали, что двое астронавтов, выбранных непосредственно для спасательной вылазки между двумя шаттлами, скорее всего, тренировались бы почти каждый день в течении этих двух недель в Лаборатории гидроневесомости NASA, разбив все многочасовое нахождение в космосе на небольшие действия и процедуры, повторяя их, пока они крепко не осядут в памяти. Параллельно с этим, двое астронавтов, выбранных для пилотирования шаттла, провели бы это время в огромных моделирующих тренажёрах в здании №9 Космического центра им. Линдона Джонсона, прорабатывая каждый момент сближения, поддержания стыковки и самой стыковки от начала до конца.



Вид на Лабораторию гидроневесомости NASA с одной из комнат управления испытаниями. Source: Steven Michael

С уверенностью можно также сказать, что СМИ оказали бы свое собственное колоссальное давление, пытаясь повсюду засунуть камеры и осветить каждый уголок тех помещений, где ведется подготовка. «Космическая катастрофа» и «спасательная миссия» стали бы самыми рейтинговыми фразами. Клиар Лэйк в Хьюстоне и Мыс Канаверал во Флориде были бы переполнены передвижными ТВ-станциями. Эмблема первой в истории NASA спасательной миссий стала бы основным фоном как на местном, так и на национальном телевидении.

И пока на Земле шли бы недели безумия, команда «Колумбии» ждала.

продолжение следует...

Источник: habrahabr.ru/post/216565/