Уроки космических аварий: поражение и триумф «Аполлона-13»

В такие же апрельские дни 1970 года разыгралась, наверное, самая драматическая история из всего, что происходило в космосе. Три астронавта, отправившиеся на Луну, оказались в смертельной опасности и были вынуждены трое суток возвращаться домой, преодолевая различные возникающие трудности. Это очень красивая история о том, как небольшие изменения в спецификации могут привести к большим проблемам, о слаженной работе сотен людей в ЦУПе в режиме аврала, о смелости и профессионализме.

Причина

Как это регулярно бывает в сложных технических системах и больших проектах, причина аварии была заложена ещё за годы до полёта «Аполлона-13», а сама авария сложилась из сложной цепочки событий, причем, отсутствие любого звена привело бы к отсутствию аварии.

Конструкция

Для того, чтобы понять, что произошло, необходимо рассказать о конструкции сервисного модуля «Аполлона»:


Энергетическая подсистема сервисного модуля «Аполлона» состояла из двух баков водорода, двух баков кислорода и трёх топливных элементов. Топливные элементы, потребляя водород и кислород, производили электроэнергию и воду, которая потреблялась экипажем для питья и оборудованием для охлаждения. Это была очень эффективная система, лучше, чем солнечные батареи, при условии, что полёт будет не дольше 2-3 недель.


Это — бак кислорода сервисного модуля «Аполлона». Он настолько хорошо теплоизолирован, что способен хранить жидкий кислород годами. Жидкий кислород хранится в нем в состоянии сверхкритической жидкости, и, поэтому, проявляет свойства и жидкости и газа. Как известно, при расширении температура газа понижается. Теплоизоляция настолько хороша, что жидкий кислород охладился бы и потерял свехкритические свойства просто от расширения при нормальном расходе на топливные элементы. Поэтому пришлось ставить специальный нагреватель для поддержания требуемых температуры и давления. В невесомости жидкий кислород в сверхкритическом состоянии имел дурную привычку расслаиваться на жидкие и газообразные слои, что приводило к неверным показаниям датчика уровня. Поэтому пришлось ставить специальную турбинку для перемешивания кислорода, а для экипажа в набор «работы по дому» добавили процедуру перемешивания кислорода в баках, чтобы после неё ЦУП Хьюстона мог получить верные данные о количестве кислорода на борту.

Небольшое изменение спецификации

1965 год. До полёта «Аполлона-13» ещё пять лет, до первого беспилотного полёта «AS-201» ещё год, даже программа «Джемини» только в этом году совершила свой первый пилотируемый полёт. Активно ведутся работы по кораблю «Аполлон». В силу огромности масштабов работы подрядчики NASA нанимают субподрядчиков для изготовления необходимых элементов. Сервисный модуль «Аполлона» делала «North American Aviation», а баки для него делал субподрядчик «Beech Aircraft». Поскольку топливные элементы выдавали 28 вольт напряжения, в спецификации к баку было указано рабочее напряжение 28 вольт. Однако, уже в процессе разработки сервисного модуля выяснилось, что при подготовке к старту «Аполлон» будет получать электричество от наземных генераторов стартового комплекса, а они имеют рабочее напряжение 65 вольт (совершенно нормальная ситуация, когда много квалифицированных людей делают большой проект, никаких шуток). Поэтому спецификацию пришлось переделывать. Инженеры «Beech Aircraft» изменили оборудование кислородного бака, но забыли изменить под новое напряжение всего одну вещь — контакты термостата. Они предназначены для размыкания цепи нагревателя при необходимости. Контроль качества на всех уровнях — «Beech Aircraft», «North American Aviation» и NASA не заметил эту ошибку.

Переезд баков

1968 год. Баки, которые в итоге оказались на «Аполлоне-13», устанавливают в сервисный модуль, который станет частью «Аполлона-10». Поскольку в баки вносились изменения, спустя некоторое время было решено установить на «Аполлон-10» баки более новой версии, а уже установленные снять, модернизировать и поставить на другой сервисный модуль. В процессе снятия баков рабочие забыли открутить один болт, и лебедка, уже начавшая поднимать полку с баками, забуксовала и уронила баки обратно в стойку. Высота падения была смехотворная, всего 5 см., но для космической техники это серьезное ЧП. Происшествие задокументировали, провели испытания бака, посчитали его исправным и отправили на модернизацию. Очевидно, модернизация не была связана с серьезной разборкой бака (это важно для понимания следующего этапа). После модернизации баки поставили в сервисный модуль «Аполлона-13».


Тот самый бак номер два на переднем плане, сфотографирован после установки.

Взведение курка

27 марта 1970 года, две недели до старта «Аполлона-13». Производится т.н. тренировочный предстартовый отсчет — полная симуляция старта с заправкой корабля рабочими жидкостями, переходом на полётную атмосферу, короче, всё, кроме реальной команды «Зажигание». Симуляция прошла успешно за одним исключением — бак номер два отказался опорожняться после окончания испытаний. В процессе решения проблемы инженеры предположили, что при падении в 1968 году был поврежден нижний сливной штуцер. Теоретически это ЧП, надо переносить старт и менять баки. Но, с другой стороны, нижний сливной штуцер используется только один раз — при тренировочном предстартовом отсчете. В полёте он не нужен, и лететь можно и с неработающим штуцером. Поэтому для стравливания кислорода предложили использовать нагреватель, газифицировать кислород, который самотёком испарится через верхний штуцер. Решение согласовали с командиром корабля астронавтом Джимом Ловеллом. Джим подписал документы, исходя из имеющихся данных: предложенное решение является лучшим из придуманных, других неисправностей не обнаружено, в полёте нижний штуцер не нужен, а смена баков займет сорок пять часов, не считая проверки новых баков, что сорвет график предстартовой подготовки и отложит пуск на месяц.
При включении нагревателя с наземным напряжением 65 вольт контакты термостата, рассчитанного на 28 вольт, приварились в положении «включено», нагреватель потерял возможность выключаться:


Замкнувший контакт, фотография натурного эксперимента по воспроизведению аварии.

Температурный сенсор внутри бака, сделанный для измерения рабочей температуры в районе -207 градусов, имел верхнюю границу измерений +27 градусов. Инженер, контролирующий работу, мог получить только два параметра — «нагреватель включен» и «температура не выше +27 градусов». В реальности постоянно включенный нагреватель быстро испарил кислород и, продолжая работать в пустом баке, нагрелся до +540 градусов. Где-то в огромном комплексе зданий стартовой площадки стоял самописец, фиксирующий постоянный ток нагревателя вместо циклов «вкл-выкл», но никто не посмотрел на его ленту до аварии. Раскалившийся до +540 градусов нагреватель расплавил тефлоновую изоляцию, и провода превратились в детонатор.
Нештатный нагрев невозможно было зафиксировать непосредственно — бак был хорошо теплоизолирован, поэтому пожар в сервисном модуле не мог возникнуть, а нештатная температура продержалась до предстартовой заправки, когда новый жидкий кислород охладил внутренности бака.

Действующие лица

Экипаж «Аполлона-13»

Слева направо: Ловелл, Суайгерт, Хейз. Фотографировались второпях из-за замены в экипаже.

Джим Ловелл — командир, ветеран космической программы, совершил два полёта на «Джемини» и облёт Луны на «Аполлоне-8».
Джон Суайгерт — пилот командного модуля. Первый полёт в космос, был в дублирующем экипаже, переведен в основной экипаж за несколько дней до полёта из-за того, что астронавт основного экипажа — Кен Маттингли контактировал с астронавтом Чарльзом Дьюком, заболевшим краснухой, и не имел иммунитета к краснухе. Первый холостяк среди астронавтов.
Фред Хейз — пилот лунного модуля. Первый полёт в космос.

ЦУП Хьюстона

Джин Кранц — руководитель «белой команды», главной полётной смены (всего было четыре смены), и ведущий руководитель полётов.



«Белая команда». Миссия неизвестна.

Авария

55 часов 54 минуты полёта. Очередное включение системы перемешивания баков (она включалась регулярно, чаще, чем раз в сутки) вызвало короткое замыкание в баке номер два. Тефлоновая изоляция загорелась:


Горение тефлона в кислороде, фотография натурного эксперимента по воспроизведению аварии.

Горение тефлона в кислороде вызвало резкий нагрев бака и повышение давления, превышающее пределы прочности бака. Сорвало верхнюю крышку бака:


Срыв крышки, фотография натурного эксперимента по воспроизведению аварии.

Резкое повышение давления сорвало лист обшивки секции сервисного модуля:


Срыв панели, фотография натурного эксперимента по воспроизведению аварии.

Кроме этого, встряска от срыва крышки бака вызвала нештатное закрытие клапанов топливных элементов 1 и 3, приведя к их отключению через три минуты, и привела к нарушению герметичности трубопроводов бака кислорода номер один. Спустя 130 минут давление в кислородном баке номер один упало до нуля — командный модуль лишился воды и энергии. От Земли он находился на расстоянии 320 000 километров.


Фотография с наземного телескопа.

«Хьюстон, у нас тут была проблема»

Схема полёта.

Да, фраза-мем звучала в оригинале именно так: «Houston, we've had a problem here». У астронавтов и ЦУПа, конечно же, не было полного знания ситуации, рассказанной в предыдущем абзаце, поэтому первые минуты люди пытались разобраться в том, что случилось. В любом космическом происшествии прежде всего необходимо установить, это реальная проблема или отказ датчиков/телеметрии. Сначала экипаж перезагружал компьютер, докладывал показания индикаторов, подключал топливные элементы к разным шинам питания, чтобы разобраться, что происходит. Но уже спустя пятнадцать минут Джим Ловелл сообщил, что наблюдает утечку какого-то газа из сервисного модуля — проблема явно была очень серьезной, и она далеко не кончилась.
В это время в ЦУПе прозвучала ещё одна крылатая фраза — «Парни, давайте решать проблему. Давайте не будем ухудшать ситуацию догадками.»
Первоначальной задачей стала попытка спасения оставшегося кислорода в баке номер один. Несмотря на все попытки, место утечки не удалось изолировать, давление продолжало падать. Единственной возможностью стало включение лунного модуля, который становился спасательной шлюпкой. Работу приходилось проводить очень быстро, одновременно выключая командный модуль и включая лунный. Включение лунного модуля по инструкции занимало примерно три часа. Скорость утечки увеличивалась, и, когда стало понятно, что топливный элемент проработает меньше пятнадцати минут, пришлось менять процедуру включения на ходу. Отдельную проблему представляла навигация. Необходимо было переписать данные гиростабилизированной платформы командного модуля, провести пересчет (углы стыковки командного и лунного модуля были не строго 180 градусов) и ввести полученные данные в гиростабилизированную платформу лунного модуля. Сложная процедура была успешно произведена. Командный модуль отключился, лунный модуль взял на себя управление.

Трудный выбор и первая коррекция траектории

Следующей задачей стал выбор режима возвращения. Все «Аполлоны» летали по такой траектории (т.н. траектории свободного возвращения), которая позволяла облёт Луны и нормальную посадку на Землю. Из-за этого все высадки «Аполлонов» были недалеко от лунного экватора. В то же время, существовали режимы аварийного возвращения, когда достаточно длительный импульс двигателями возвращал корабль на Землю без облёта Луны:
После достаточно напряженного совещания (там прозвучала ещё одна крылатая фраза — «Провал — это недопустимый вариант»), было принято решение остаться на траектории свободного возвращения. Аргументы:

1. Вариант с отстрелом лунного модуля для уменьшения массы, которую было бы необходимо тормозить, стал невозможен.
2. Вариант с использованием двигателей лунного модуля, пока хватит горючего, не давал заметного выигрыша по времени. А сброс сервисного модуля мог нарушить тепловой режим теплозащитного экрана на дне командного модуля. Повреждение теплозащитного экрана делало посадку невозможной.
3. Расходных материалов (воды, электричества) по расчетам хватало на свободное возвращение.
4. Главный двигатель сервисного модуля, возможно, был поврежден и его использование было большим риском.
5. Корабль находился уже близко к Луне и маневры аварийного возвращения становились всё менее выгодными

Однако, «Аполлон-13» уже сошёл с траектории свободного возврата. Небольшое отклонение было необходимо для посадки в выбранном районе. Поэтому пришлось произвести коррекцию посадочным двигателем лунного модуля, включив его на 30 секунд. Отдельная проблема состояла в навигации. Куски теплоизоляции, вырванные при разрушении кислородного бака, в изобилии разлетелись вокруг корабля, став ложными звездами. Поэтому пришлось использовать Солнце для проверки точности ориентации. К счастью, данные были перенесены верно, а гиростабилизированная платформа работала исправно, навигация сохранилась точной, и коррекция прошла успешно.

Маневр PC+2

Траектория свободного возвращения также требовала небольшого маневра. Он проводился спустя два часа после периселения (перицентра орбиты вокруг Луны), поэтому назывался просто «ПериСелений +2» (PC+2). Благодаря ему точка посадки сместилась из Индийского в Тихий океан, где штатно находились основные корабли обеспечения посадки, а время посадки сдвинулось вперед на 10 часов. Посадочный двигатель лунного модуля, рассчитанный на одно включение перед посадкой, включили уже во второй раз, и он проработал 4 минуты 24 секунды.

Строгая экономия

Лунный модуль работал от батарей, а не топливных элементов. Поэтому, с одной стороны, кислорода было в достатке, потому что он использовался для наполнения лунного модуля после выхода на поверхность Луны. С другой стороны, электричество и вода были в жестоком дефиците. Лунный модуль был рассчитан на работу двух людей в течение полутора суток, но теперь он должен был обеспечивать трёх человек в течение четырех суток. Поэтому после выхода корабля из-за диска Луны были приняты все возможные меры для экономии электричества и воды. Вода потреблялась людьми и расходовалась на охлаждение техники. Поэтому в лунном модуле было выключено всё, что можно, а людям пришлось терпеть жажду. При подготовке ко сну в командном модуле по привычке задернули шторки на окнах, он быстро остыл и так и не прогрелся до самой посадки. В лунном модуле ситуация была чуть лучше, но и там было холодно настолько, что вода оседала росой на стенах и панелях.

Засунуть квадратный штырь в круглое отверстие

В английском языке есть идиома — «квадратный штырь в круглом отверстии» — «square peg in a round hole». Она обозначает человека не на своём месте. А в полёте «Аполлона-13» идиома стала реальностью. Несмотря на обилие кислорода у экипажа назревала проблема с дыханием. Дело в том, что выдыхаемый углекислый газ надо чем-то поглощать. Больше 15% углекислоты во вдыхаемом воздухе приводят к нарушениям зрения, затем сознания, и, в итоге, смерти. В лунном модуле были круглые канистры гидроксида лития, которые поглощали углекислоту. Но их не хватало. В командном модуле было достаточно канистр гидроксида лития, но они были квадратными:


Фото из фильма «Аполлон-13», но смысл передан очень верно.

Поэтому возникла задача быстро создать способ засунуть квадратный штырь в круглое отверстие. Специальная группа, взяв такие же материалы, как и те, которые были на «Аполлоне-13», достаточно быстро собрала адаптер и написала инструкцию по сборке. Идея была достаточно простая — канистра помещалась в пакет, в который подавался воздух из насоса воздушной системы. Пакет взяли из упаковки полётных костюмов, шланг — от скафандров, скрепили это изолентой, поставили согнутую крышку полётного плана в качестве распорки для равномерного распределения воздуха, а штатное отверстие в канистре закрыли носком и залепили той же изолентой.


Сборка адаптера и работающее устройство. Веет чем-то неуловимо родным...

Инструкцию передали на «Аполлон-13», и в космосе собрали такой же адаптер. Проблема углекислоты была решена.

Критически важная процедура

Параллельно всем этим делам шла крайне напряженная работа по созданию процедуры запуска командного модуля. Без включения командного модуля посадка была невозможна. А включение осложнялось тем, что его батареи были уже частично разряжены, а сама процедура включения полностью выключенного командного модуля не только не была разработана заранее, о ней не задумывались и в симуляторе не проверяли. Джон Аарон, тот самый «ракетчик со стальными глазами», спасший «Аполлон-12», возглавил группу создания этой процедуры. В условиях ограниченного времени (командный модуль неумолимо летел к Земле) они придумали развернуть шину питания, которая была разработана для аварийного энергоснабжения лунного модуля. Буквально несколько ампер, которых не хватало для запуска систем командного модуля, были получены от лунного модуля, и процедура была готова вовремя.

Взрыв батареи

На 97 часу полётного времени произошёл взрыв в одной из аккумуляторных батарей лунного модуля. Нормально выделяющийся при работе батарей водород и кислород скопились в отсеке одной из батарей и случайная искра привела к взрыву. К счастью, особых проблем этот взрыв не принёс, три батареи работали также, у четвертой немного снизился заряд.

Проблема из ниоткуда

Все время возвращения от Луны у корабля накапливалась проблема, причину которой никто не мог установить. Для нормальной посадки корабль должен находиться в достаточно узком диапазоне углов входа в атмосферу. Слишком маленький угол — и корабль отскочит от атмосферы как плоский камень от воды, слишком большой угол, и корабль сгорит из-за слишком сильного нагрева при торможении. И неизвестная сила во время полёта приводила к тому, что угол входа медленно, но неуклонно уменьшался. Вроде бы все силы, действующие на корабль, были учтены. Даже сброс мочи за борт запретили для того, чтобы реактивная сила не испортила траекторию, но всё тщетно — угол вышел за допустимые границы. Была нужна ещё одна коррекция. Для экономии электричества её провели вручную, не включая компьютер. Посадочный двигатель лунного модуля включился на 14 секунд на 10% тяги, уже в третий раз. Время отмеряли также вручную по наручным часам. Коррекция прошла удовлетворительно, угол вхождения в атмосферу оказался в приемлемых рамках, но позднее потребуется ещё одна коррекция.
Уже после полёта было установлено, что реактивную силу создавала испаряющаяся из системы охлаждения лунного модуля вода. До этого лунный модуль никогда не находился в свободном полёте настолько долго, чтобы эта небольшая сила стала заметной.

Ещё одна коррекция

На 108 часу полёта произошёл разрыв предохранительной мембраны бака наддува. Гелий, рассчитанный для однократной работы перед посадкой на Луну, был разогрет ещё перед первой коррекцией после аварии. Давление в баке постоянно росло, и был неизбежен прорыв предохранительной мембраны. Потеря газа наддува означала, что посадочный двигатель лунного модуля уже не мог быть запущен. Но была нужна ещё одна коррекция. Пришлось использовать двигатели ориентации лунного модуля. К счастью, импульс был нужен маленький, всего 22 секунды гораздо менее мощных двигателей ориентации, и коррекция на 137 часу полёта прошла успешно.

Посадка

Перед посадкой нужно было выполнить множество операций. Во-первых, надо было перенести в командный модуль балласт — ненужные вещи, которые бы заменили 45 килограммов лунных камней. Таким балластом стали камеры, прочая мелочевка, и табличка, которую планировалось оставить на Луне — её Ловелл решил взять в качестве сувенира.
Во-вторых, надо было включить командный модуль, а, учитывая несколько дней простоя и обилие влаги на стенах, это было волнующим моментом. К счастью, процедура была разработана верно, и модуль на короткое время жизни батарей вернулся в строй. Затем был отстыкован сервисный модуль. Он удалялся, медленно вращаясь, а астронавты с удивлением смотрели на то, какие большие повреждения были нанесены аварией — целая панель была сорвана:


В-третьих, надо было отстыковать лунный модуль. Астронавты с грустью провожали модуль, который не доставил их на Луну, но спас жизнь.
И в-четвертых, надо было проверить правильность ориентации командного модуля. Поскольку финальная часть полёта проходила в тени Земли, было замерено время покрытия Землей Луны. Время совпало с расчетами ЦУПа, ориентация была верной, а дальше работали компьютеры.

Охлаждение лунного модуля снова успело уменьшить угол вхождения в атмосферу, поэтому корабль дольше обычного проходил без связи плотные слои атмосферы, что наверняка заставило людей поволноваться. И уже после восстановления связи осталась последняя интрига — сработают ли парашюты. К счастью, они сработали, и в прямом эфире вся планета могла порадоваться за успешное возвращение астронавтов домой.

Уроки

• «Аполлон-13» очень наглядно показал, к каким большим проблемам могут привести небольшие изменения спецификации, небольшие проблемы документации и небольшие недоработки в тестировании.
• Второй урок, который мы можем извлечь из этой истории — это то, что квалифицированная, сработавшаяся, мотивированная команда, с квалифицированным лидером сделает всё возможное, и даже чуть-чуть больше для успеха проекта, преодолевая самые разные проблемы.
• А вот фраза «Провал — это недопустимый вариант» сейчас иногда опасно неверно используется как своя противоположность. «Аполлон-13» успешно вернулся только потому, что огромные ресурсы были потрачены на отработку сценариев различных аварий, резервирование важных систем, и прочие меры по обеспечению безопасности. Сказать «Провал недопустим» можно только тогда, когда проблема уже есть, для воодушевления команды. Пытаться успокоить себя словами «провала не будет», игнорируя управление рисками и прочие меры обеспечения безопасности — это преступная небрежность.
• И последний урок, не из сферы управления проектами, а общефилософский. «Аполлон-13» не высадился на Луну, и, вроде бы, это поражение. Но то, какое количество трудностей было преодолено, какой профессионализм был показан людьми, и какое качество показала техника — это настоящий триумф миссии.

Эпилог и примечания

Это — пост из цикла «уроки космических происшествий». Первый пост этого цикла для интересующихся.
Я прекрасно понимаю, что в этом посте очень много про технику, очень мало про людей, и многое осталось за кадром. Скомпенсируйте этот дисбаланс, посмотрев фильм «Аполлон-13», его стоит посмотреть, даже если вы не особо увлекаетесь космонавтикой.

Источники информации:

1. Википедия и указанные в её статьях источники.
2. Lovell Jim and Kluger Jeffrey, «Lost Moon: The Perilous Voyage of Apollo 13». Есть перевод Хартикова, но он очень неровный, часто трудные места переданы верно, и тут же какой-нибудь ляп перевода. Если нет других переводов, рекомендуется к прочтению. Есть аудиокнига на английском.
3. «Moon Machines», Science Channel, сериал, 2008, эпизод «Лунный модуль».
4. «When We Left Earth», Discovery Channel, сериал, 2008, четвертая серия.
5. «From the Earth to the Moon», HBO, сериал, 1998.
6. JSC Digital Image collection — фотоматериалы.
7. Apollo Expeditions To The Moon.
8. "«Неудачу из списка возможностей ИСКЛЮЧИТЬ!» " — НК, 2006.

Источник: habrahabr.ru/post/220049/