Это перевод очень большого материала Тима Додда, более известного как Everyday Astronaut, о САС и её необходимости. Поехали!
Грядущая мегаракета SpaceX – Starship – быстро оживает на наших глазах. Starship станет самой большой и мощной ракетой из когда-либо летавших. Он способен доставить 100 человек на поверхность Марса и, что не менее важно, обратно. Мало того, это будет полностью многоразовая ракета. Святой Грааль космического полета, нечто, что может полностью изменить правила игры, открывая новую эру доступа человечества к космосу.
НО! Как бы я ни был взволнован по поводу Starship, кажется, что чего-то не хватает – системы прерывания полета. Как Starship может быть достаточно безопасным для людей, если у них нет возможности спастись из корабля во время нештатной ситуации? Система аварийного прерывания или система аварийного спасения может спасти экипаж из обреченного корабля, спасая им жизни в случае катастрофы. Они почти повсеместно признаны необходимостью, если на борту есть люди.
Так что, разве не было бы хорошей идеей иметь какую-нибудь съемную кабину с собственными подруливающими устройствами и системой посадки? Или, буквально, увеличенный Crew Dragon с собственной системой прерывания наверху в течение первых нескольких пилотируемых миссий, пока не будут устранены детские болезни? В конце концов Space Shuttle, который трагически потерял два экипажа, также не имел САС. Обязательно ли повторится така же история со Starship? Можем ли мы действительно доверять Starship?
Это одна из тех тем, о которых меня спрашивают снова и снова, и на то есть веские причины!
И эта тема стала актуальна еще больше в тот момент, как мы стали свидетелями разрушения прототипа Starship MK1, SN3/4/8/9 во время испытаний. Что, если бы на борту были люди, почему SpaceX не думает о установке САС?
Как вы, возможно, знаете, я уже много говорил о системах прерывания полета в статье, объясняющей, почему и Crew Dragon от SpaceX, и Starliner от Boeing выбрали САС на жидком топливе, в отличие от более традиционной системы – башни с твердотопливными двигателями наверху.
Теперь, если вы не заметили, когда нажали на эту статью, это снова еще одна довольно длинная статья на эту тему. Как вы наверное знаете, я не люблю бегло бегать по темам, мне нравится углубляться в данные и историю, чтобы найти ответы. Мы собираемся углубиться в множество мелких деталей, диаграмм и данных, а также БОЛЬШЕ диаграмм и БОЛЬШЕ данных.
Мы рассмотрим сертификаты ракет, надежность ракетных двигателей, риски и преимущества конструкции кораблей и даже посмотрим на всю историю космических полетов человека и выясним, сколько раз САС действительно спасала жизни тем, кто находился на борту.
К концу этой статьи это будет не просто мое мнение о том, является ли Starship без САС хорошей идеей или нет, это будет больше аналитическое резюме.
Как работает САС.
Итак, САС. Идея проста, ракеты – непостоянные “звери”. Они используют лучшие инженерные решения, должны выдерживать чрезвычайно интенсивные нагрузки, температуры и условия окружающей среды, а также быть максимально легкими. Поскольку существуют буквально миллионы частей, то, честно говоря, они вообще работают чудом.
Поэтому, когда кто-то садится в машину, которая представляет собой гигантскую бомбу с соплами, у которой миллионы деталей должны работать должным образом, чтобы НЕ выйти из строя, обычно считается хорошей идеей иметь запасной план, если что-то пойдет не так, как запланировано.
На протяжении большей части полетов человека в космос доминировал один метод – башня с твердотопливными ракетными двигателями. Это башня, которая находится наверху корабля, которую вы, возможно, заметили на таких кораблях, как Mercury, Союз, Apollo и даже Orion.
Некоторые корабли, такие как Восток, Gemini и ранние версии космических шаттлов, имели катапультные кресла в качестве системы эвакуации, но независимо от того, что из себя представляет система: катапультируемое сиденье, ТТРД или более современная система с жидкостными двигателями – концепция та же.
Если САС обнаруживает потерю тяги, серьезное отклонение от траектории полета или даже разрыв бака, она запускается и уводит корабль от разрушающейся ракеты.
Ранние ракеты имели три сенсорных провода, идущих по всей длине корпуса. Если какие-либо два из них теряли контакт, это указывало на то, что ракета разрушается, а САС начинает работу. Система также может быть запущена вручную астронавтом, который может заметить критическую ошибку, которую система не обнаруживает.
Как только она срабатывает, система разделения ступеней должна отпустить космический корабль, так как двигатели должны увести его подальше от ракеты, и очень быстро. САС во время работы создает некоторые серьезные перегрузки, например более 10G в течение коротких периодов времени.
Итак, системы прерывания запуска в значительной степени считались лучшим способом обезопасить экипаж. Но что, если бы вы просто сделали вашу ракету более безопасной? Что, если бы вы сделали больше резервных систем и перестроили детали с еще большим запасом прочности.
Безопасность космических Шаттлов
Создание ракеты, которая будет такой же надежной, как авиалайнер – это именно то, что НАСА надеялось сделать, создавая Space Shuttle. Мысль заключалась в том, что если бы каждая часть космического челнока была тщательно спроектирована, вероятность потери корабля и экипажа была бы очень низкой. Настолько низкой, что на самом деле это может быть безопаснее, чем добавление дополнительных движущихся частей и систем, необходимых для создания эффективной системы прерывания полета.
В эпоху Аполлона, когда у НАСА было то, что теперь кажется неограниченным финансированием, они заключили с General Electric контракт на проведение полной численной вероятностной оценки риска высадки человека на Луну и его безопасного возвращения на Землю.
Число, предложенное GE, было… 5,5 процента. Администратору НАСА Джеймсу Уэббу не понравились эти цифры, и вместо того, чтобы вносить изменения в ракету, они изменили способ разработки, исключающий риски. Что, позвольте мне отметить, не обязательно плохо. Они разработали то, что называется анализом режимов и последствий отказов, который был способом определения конструкций и оборудования, которые в худшем случае могут привести к катастрофе.
Они были оценены как “Критичность 1”, которая угрожала жизни экипажа или существованию корабля, “Критичность 2”, которая угрожала миссии, или “Критичность 3” для чего-либо еще. Они также добавили литеру R в качестве обозначения избыточных систем в этих частях корабля, а также при анализе конструкции.
Поскольку после высадки людей на Луну бюджет НАСА начал сокращаться, а поддержка Конгрессом предстоящей программы Шаттлов ослабевала, NASA пришлось предложить Шаттл как дешевую и надежную рабочую лошадку.
Тестирование надежности сложной системы включает изучение системы в целом, определение потенциальных точек неисправности, а затем сбор предельных значений этих потенциальных точек неисправности по различным условиям окружающей среды. Вы также тестируете их в статистических моделях и компьютерных симуляциях и повторяете их, чтобы убедиться, что компьютерные симуляции соответствуют реальной производительности, чтобы помочь определить, превышает ли вероятность успеха требуемый порог.
Каждая отдельная деталь будет иметь проектную спецификацию и определенный запас прочности на то, насколько больше она может обрабатывать сверх ее проектной спецификации. Общее практическое правило для большинства частей ракеты – коэффициент запаса прочности 1,5. Это означает, что если деталь должна выдерживать силу 10 ньютонов, при испытании она должна быть способна выдержать силу 15 ньютонов без сбоев. Но когда нет хороших данных с испытаний, то коэффициент безопасности 2,0 считается хорошим практическим правилом.
Но к началу программы Shuttle оценки катастрофических отказов находились в диапазоне от менее 1% до менее 0,001%, что составляет пару порядков величины в предполагаемом диапазоне прогнозируемой безопасности.
Несмотря на оптимистичный характер NASA, первые четыре полета челнока имели активные катапультные кресла, но позже были убраны из-за их очень ограниченной возможности их использования и того факта, что они могли катапультировать экипаж только на верхней палубе, так как остальная часть экипажа находилась на средней палубе под ними.
После катастрофы Challenger`a NASA рассматривало возможность использования катапультируемой кабины, которая могла бы выбросить всю кабину экипажа из Шаттла, как в самолетах F-111 и ранних прототипах B-1, но она была сочтена слишком сложной, слишком тяжелой и потребовала слишком много модификаций, чтобы стать реальной.
Итак, оглядываясь назад, мы знаем, что Шаттл потерпел два отказа из 135 полетов, один во время запуска и один во время входа в атмосферу, что дает ему показатель безопасности всего 98,5%, что ОТЛИЧАЕТСЯ даже от самых консервативных оценок безопасности.
Вероятно, из-за общего послужного списка космического челнока, NASA изменило свою систему сертификации для программы Commercial Crew Program, которая требует, чтобы вероятность потери экипажа составляла 1:500 при старте, 1:500 при спуске и 1:270 для возникновения проблемы на орбите.
Чтобы действительно сертифицировать и утверждать системы, иногда нужно просто протестировать системы в целом, наряду с тестированием каждой отдельной части. Тестирование системы в целом – это то, что НАСА в эпоху Аполлона называло «комплексным тестированием».
Комплексное тестирование на самом деле может быть более быстрым путем для проверки системы по сравнению с получением сертификата с помощью дополнительных наземных испытаний, анализа и использования данных, которые могут потребовать более высокого коэффициента безопасности для каждой части, если она не будет тестироваться в целом.
Вы могли увидеть эту разницу в том, как SpaceX решила проверить и сертифицировать свою САС, решив испытать ее в полете, в то время как Boeing решила сертифицировать свою САС путем более строгой сертификации отдельных деталей.
Поскольку и в Space Shuttle, и в Starship отсутствует САС, какие конструктивные особенности Space Shuttle были настолько опасными и есть ли у Starship те же недостатки?
Что сделало Space Shuttle таким опасным?
Есть несколько вещей, которые делают Space Shuttle опасным по своей сути, но давайте начнем с твердотопливных ускорителей. Эти гигантские белые твердотопливные ускорители сбоку от внешнего топливного бака фактически обеспечивали более 70% тяги при взлете.
Но как только они зажигались, их НЕЛЬЗЯ выключить. Это означало, что любой режим прерывания, независимо от того, насколько плохи или ужасны дела, требовал, чтобы экипаж «переждал» ускорители. Так что в течение целых 127 секунд, если возникла проблема, вам просто нужно было скрестить пальцы рук и ног, а также надеяться, что это не слишком серьезно.
В основном это связано с тем, что если вы отсоедините челнок от внешнего топливного бака или попытаетесь катапультироваться, то вы в любом случае окажетесь в огненном шлейфе этих ускорителей, что, безусловно, смертельно.
Очевидно, некоторые проблемы нельзя просто решить, как, например катастрофа Challenger`a 28 января 1986 года, когда Шаттл взлетел во время своего 10-го полета, негерметичное уплотнительное кольцо, которое герметизировало одну из секций ускорителя, прогорело, что в конечном итоге привело к прожигу внешнего топливного бака и полному разрушению конструкциии, а также трагической потере экипажа из 7 человек.
Но, возможно, самой большой проблемой катастрофы Challenger`а была не проблема с оборудованием, а проблема с программным управлением и необходимостью этого полета. Ещё до полета было известно, что температура находится за пределами заранее установленного рабочего диапазона ТТУ, и было рекомендовано не запускать Шаттл в тот день.
Хотя использование ракетных ускорителей на жидком топливе не устранило бы все потенциальные отказы и, возможно, могло бы быть менее надежным, чем твердотопливный ускоритель, они, по крайней мере, могут быть остановлены, что в целом может открыть больше возможностей для спасения экипажа.
Взгляните на эту диаграмму. Обратите внимание на черные участки. Да, это участки подъема, на которых произошла бы полная потеря управления и/или отказ конструкции, если бы корабль потерял 2 или 3 главных двигателя. Итак, в основном – потеряйте два из трех главных двигателей, и вы облажались. И мы даже не говорим о том, есть ли проблемы с ТТУ.
Но после «Челленджера» НАСА продумало намного больше непредвиденных обстоятельств, включая альтернативные взлетно-посадочные полосы и культовые оранжевые костюмы для эвакуации экипажа, чтобы, ну знаете, сбежать, если что-то пойдет не так. Буквально… сбежать…
Ага, видите эти серые участки взлета? Теперь по плану команда буквально выпрыгивала на этих участках. Например: “Осторожно опустите внешний топливный бак, приведите челнок в стабильное глиссирование, буквально отцепите от бака, взорвите люк, вытяните столб, чтобы вы не попали в крыло, и выпрыгните,” – серьезно.
Кстати о попадании в крыло, это еще один серьезный недостаток челнока. Он [Шаттл] свисал сбоку от основного топливного бака, что ставило кабину экипажа и хрупкую систему теплозащиты прямо на пути ударов льда и пены.
Оранжевый внешний топливный бак, содержащий криогенный водород и кислород, имел хорошую изоляцию, чтобы поддерживать их при рабочих температурах. Можно увидеть, как ледяной покров падает практически с любой ракеты, работающей на жидком топливе, при взлете – это известная переменная, и даже большие куски пены падали с внешнего топливного бака Шаттла, но NASA все больше и больше мирилось с этим фактом.
Когда вы объединяете большой кусок пены и хрупкую систему теплозащиты челнока, то сталкиваетесь с реальной возможностью катастрофы. И это именно то, что стало причиной провала Columbia.
Большой кусок пены попал в переднюю кромку крыла челнока на подъеме, пробив большую дыру в композитной секции теплозащиты левого крыла. Шаттл и экипаж из семи человек на борту продолжали выполнять свою миссию в течение 15 дней с дырой, которая обрекала их на смерть.
1 февраля 2003 года, когда Колумбия снова вошла в атмосферу, большая дыра в крыле позволила плазме попасть внутрь и разрушить крыло и, следовательно, весь челнок, трагически унеся жизни семи членов экипажа на борту.
Помимо того, что Шаттл находился сбоку топливного бака и подвергался опасности от падающих обломков, ещё опасность была усилена тем, насколько хрупкой была система теплозащиты шаттла. Более 24 000 теплозащитных плиток Space Shuttle были буквально наклеены на алюминиевый корпус челнока и покрывали всю нижнюю часть корабля.
Их хрупкая “натура” вызвала не только много головных болей, но и стала причиной недовольства. Пожалуй, наиболее заметным был STS-27, который подвергся удару обломков на 85 секунде полета. Это привело к сносу одной и повреждению БОЛЕЕ 700 других плиток! В самом удачном из обстоятельств пропавшая плитка находилась прямо на стальной монтажной пластине для антенны L-диапазона, у которой температура плавления выше, чем у алюминиевого корпуса, и, по счастливой случайности, челнок пережил вход в атмосферу и его полет не окончился катастрофой, как у Колумбии спустя 15 лет.
Чем Starship отличается от Space Shuttle
Хорошо. Итак, теперь, когда мы знаем некоторые из основных недостатков конструкции, присущих космическому шаттлу, давайте поговорим о Starship и о том, чем отличается его конструкция. Что ж, сразу же видно, что Starship находится на вершине первой ступени, а не установлен сбоку. Как мы уже отмечали, это явно более безопасное место, что позволяет избежать возможных ударов о теплозащиту.
Но стоит отметить кое-что, что обязательно нужно будет изучить. Помните, что у Starship также есть те большие закрылки, которые жизненно важны для его входа в атмосферу. Это означает, что лед с внешних стенок баков с жидким кислородом и жидким метаном может ударить по передней кромке закрылков.
Вот где нержавеющая сталь и прикрученные болтами термозащитные плитки имеют огромное преимущество перед хрупкой кремниевой плиткой и усиленным композитным покрытием, покрывающим алюминиевый планер.
Но мы не должны забывать, что передняя кромка и нижняя сторона закрылков Starship по-прежнему будут использовать тепловой экран, но, в отличие от углеродных плиток шаттла, они предположительно намного прочнее и прикреплены к планеру механически, а не приклеены.
Мы уже видели, как SpaceX тестирует монтаж теплозащитного экрана и варианты материалов на нескольких прототипах, выдерживая экстремальные условия окружающей среды, вибрации и температуры. Они также испытали повторный вход, когда SpaceX поместила несколько маленьких кусочков теплового щита Starship на капсулу Dragon, чтобы наблюдать за его возвращением.
Стальные панели корпуса и некоторые варианты теплозащитного экрана TUFROC, прикрепленные болтами к корпусу, должны быть более эластичными, чем у Шаттла, учитывая, что сталь может получать все больше вмятин, но не будет полностью разрушаться, как армированный композит, или просто отвалиться, как углеродные плитки. Но также, как и у STS-27, которому повезло, сталь имеет гораздо более высокую температуру плавления, чем алюминий.
Это обеспечивает гораздо большую устойчивость к нагреву, чем у алюминиевого корпуса Шаттла. На самом деле, вполне вероятно, что Starship мог бы войти в атмосферу в целости и сохранности с минимальной или отсутствующей дополнительной теплозащитой, поскольку нержавеющая сталь может пережить повторный вход практически в целости и сохранности.
Это одна из основных причин, по которой SpaceX перешла на нержавеющую сталь, а не на углеродное волокно, потому что, когда вы учитываете, насколько большой тепловой экран необходим, то видите, что нержавеющая сталь начинает выходить вперед, поскольку в целом может выдерживать гораздо более высокие температуры.
Хорошо, надеюсь, что корпус из нержавеющей стали и более прочная система тепловой защиты с механическим креплением, а также размещение Starship сверху всей системы должны помочь снизить риск катастрофы при возвращении, таком же как Колумбия.
А теперь как насчет того, чтобы поставить все это на вершину первой ступени, которая будет иметь по крайней мере 28 самых передовых и сложных двигателей в мире? То есть, конечно же, двигатель Raptor с полной газификацией топлива. Как это может быть безопаснее и иметь меньше отказов, чем простая пара твердотопливных ракетных ускорителей?
Надежность двигателя.
Вот где у SpaceX есть хорошие знания и опыт. Их Falcon 9 делает что-то довольно необычное в ракетном мире, когда на ступени установлено 9 двигателей вместо одного или двух больших. Это фактически позволяет использовать несколько двигателей.
Теперь, в зависимости от того, какие двигатели выходят из строя и в какой момент полета они выходят из строя, они дают Falcon 9 большой запас прочности по сравнению с другими ракетами. Также каждый двигатель изолирован внутри сегмента камеры как часть конфигурации octoweb.
Вот почему двигатель может выйти из строя и не повлиять на другие двигатели. Смешайте это с современными датчиками и быстродействующими компьютерами и ракета имеет возможность выключить двигатель до того, как произойдет катастрофический отказ.
Компания SpaceX разработала свой двигатель Merlin с точки зрения ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ надежности. Фактически, только один Merlin когда-либо выходил из строя в полете из более чем 800 летающих на сегодняшний день. Не говоря уже о том, что это было в самом начале программы. А точнее, четвертый полет Falcon 9 для миссии CRS-1. И с тех пор двигатель имеет стопроцентную надежность.
Таким образом, в целом двигатель Merlin на сегодняшний день доказал свою надежность на 99,88%, смешайте это с избыточностью на первом этапе, и вы получите невероятно надежный бустер. Не говоря уже о том, что некоторым «Мерлинам» на первой ступени Falcon 9 приходится зажигаться дополнительно 2 или 3 раза за полет, чтобы приземлиться.
Ни один двигатель никогда не выходил из строя при входе в атмосферу или при посадке и не приводил к тому, что ракета не приземлялась. Конечно, нельзя сказать, что каждая посадка была идеальной, но это никогда не было ошибкой двигателя Merlin, ну, в общем, в зависимости от того, считаете ли вы отсутствие пусковой жидкости (TEA-TEB) отказом двигателя или нет.
Но просто для шуток давайте посмотрим на некоторые другие ракетные двигатели на протяжении всей истории и посмотрим, насколько они надежны. Но сделаю небольшое предостережение: становится невероятно сложно просто сказать «надежность», потому что существует так много факторов, особенно когда вы учитываете повторное зажигание двигателей или нехватку жидкости для зажигания (TEA-TEB) или что-то в этом роде. Но, тем не менее, просмотр этих цифр должен дать нам достойное представление о том, насколько надежными могут быть двигатели, работающие на жидком топливе.
Итак, опять же, Merlin в настоящее время имеет надежность 99,88% в полете, что делает его немного более надежным, чем главный двигатель Шаттла RS-25, который также включается только один раз в полете, в 135 миссиях он отлетал с надежностью в полете 99,75%.
Затем есть РД-180, который технически отключился на 4 секунды раньше в одном из своих полетов, что делает его надежным на 98,83%, хотя он также является своего рода 100%, поскольку эта миссия (OA-6) продолжилась и была успешной.
Таким образом, мы можем сказать от 98,83% до 100% в зависимости от того, как вы определяете надежность двигателя. Я имею в виду, что отключение раньше запланированного считается отказом двигателя, если бы это произошло в любой момент до этого, миссия провалилась бы. Но я бы посчитал это успешной миссией для Атласа V, поскольку разгонный блок Centaur смог скомпенсировать провал.
А как насчет другого российского двигателя? РД-107/108, которые летают на ракете «Союз». Эта ракета летела ТАК МНОГО РАЗ и ТАК ДОЛГО в таком большом количестве различных версий, что определенно нечестно сравнивать первые дни существования Союза. Кроме того, данные по тем годам также действительно трудно найти.
Итак, давайте просто посмотрим на 267 полетов в 21 веке, в которых использовались РД-107/108. Из 1335 двигателей, запущенных в этом столетии, только ОДИН отказал, что дает РД-107/108 99,92% надежности.
Но одним из самых надежных двигателей, когда-либо летавших, был на самом деле двигатель-монстр F-1, который приводил в действие Saturn V. 13 раз летал Saturn V, все 65 двигателей F-1, которые приводили в действие эти полеты, были на 100% успешными.
Теперь, прежде чем вы прыгнете в раздел комментариев и скажете: «А разве у Аполлона 13 не отказал центральный F-1?», Нет, это был J-2 на втором этапе. Кажется, есть эффект Манделы на надежность F-1, когда все, включая меня, склонны думать, что F-1 провалился.
Итак, давайте предположим, поскольку после нескольких полетов Starship на Raptor будет так много данных, что Raptor в конечном итоге сможет сравниться с надежностью двигателя Merlin.
Предполагая, что SpaceX приложит все усилия, чтобы отказ двигателя не повлиял на другие двигатели поблизости, как это было с Falcon 9, наличие десятков двигателей может сделать ракету невероятно надежной.
Хорошо, конечно, десятки двигателей при старте могут помочь сделать ускоритель безопасным и надежным. Но как насчет большого слона в комнате? Для того, чтобы люди выжили во время посадки на Starship, Starship должен не только выполнить довольно дурацкий маневр переворота, но и полагаться на два из трех двигателей Raptor, работающих при посадке.
Это безопасно? Можем ли мы действительно полагаться на пропульсивную посадку для пилотируемых кораблей? Что же, давайте продолжим и на самом деле снова посмотрим на Falcon 9, так как это одна из двух ракет в истории, которая совершает пропульсивную посадку. Но помните, что она также не достигает орбитальной скорости, поэтому мы сейчас просто собираемся взглянуть на двигатель при посадке.
На сегодняшний день SpaceX совершил 74 успешные посадоки из 85 попыток приземления. Это не очень хорошо, но помните, до первой посадки это буквально считалось невозможным. Если мы посмотрим на попытки посадки, начавшиеся в 2017 году после того, как они стали менее экспериментальными и более рутинными – мы получим довольно удивительные цифры.
С 2017 года было совершено 45 попыток, и только три из них оказались неудачными. Ни одна из этих трех неудачных попыток приземления не произошла из-за отказа самого двигателя Merlin, хотя опять же все усложняется.
По порядку, 6 февраля 2018 года SpaceX запустила первый Falcon Heavy в своей демонстрационной миссии и приземлила всё, кроме центрального блока Falcon Heavy. В центральном блоке закончился TEA-TEB, пирофорная пусковая жидкость, воспламеняющая двигатели. Похоже, что было простое решение, и на самом делене то, что ему нужно было больше TEA-TEB, а просто нужно было поменять емкость, из которой поступает жидкость, а так же время..
Позже в том же году, 5 декабря 2018 года, для миссии CRS-16 совершенно новый Block 5 не смог приземлиться, когда гидравлическая система, управляющая решетчатыми рулями, вышла из строя. Решением был просто спускной клапан, который предотвратил бы подобное повторение. Двигатель Merlin работал нормально и позволил ступени коснуться платформы достаточно мягко, чтобы она не разрушилась и ее можно было отбуксировать обратно в порт.
Наконец, запуск Falcon Heavy 25 июня 2019 года для миссии STP-2, также неудачная попытка приземления центрального блока. SpaceX не ожидали, что блок выживет при повторном входе в атмосферу из-за чрезвычайно высокой скорости и предельной нагрузки. Насколько нам известно, сами двигатели по-прежнему работали нормально, но управление вектором тяги на двигателе было нарушено из-за нерасчетной температуры возврата, из-за чего ступени не хватало точного контроля при посадке.
Поскольку это было на пределе возможностей ракеты-носителя, решение состоит в том, чтобы не давить на нее так сильно, если вам нужно приземлиться. Так что, если бы это была миссия Starship с людьми на борту, они бы удостоверились, что есть достаточные запасы, которые находятся в безопасном диапазоне действия Starship, и даже не приняли бы миссию, в которой они в первую очередь доводят ее до предела.
Так можем ли мы когда-нибудь полагаться на пропульсивную посадку для людей? В конце концов, конечно. Пока есть дублирование. Если три двигателя работают и один двигатель не работает, то это хорошее место для начала.
Но как насчет других существующих систем? А как насчет этих гигантских крыльев/закрылков/плавников? Что, если гидравлическая система у них выйдет из строя, и они застрянут, как это случилось на CRS-16? Что ж, для этого нам не нужно искать дальше авиалайнеров и космических челноков.
Здесь в игру вступает избыточность. В случае отказа гидравлических систем авиалайнеры потеряют управление и не смогут использовать свои шасси должным образом. То же самое и с космическим челноком. Именно поэтому есть резервные генераторы, резервные насосы, резервные линии, в основном, все избыточно.
На самом деле не очень разумно сравнивать отказавшую гидравлическую систему CRS-16 и говорить: «Видите, а что, если это произойдет на Starship?» Потому что посадка ускорителя Falcon 9 не является критически важной, не говоря уже о безопасности человека, поэтому для простоты им намеренно не хватает избыточности.
Но есть ОДНА большая вещь, которая не является лишней и может иметь катастрофические последствия в случае отказа, и я имею в виду большой топливный бак/фюзеляж. Честно говоря, это моя самая большая проблема. И, честно говоря, это единственное, с чем SpaceX снова и снова не везет.
Первый отказ Falcon 9 произошел из-за наполненного гелием композитного резервуара высокого давления или COPV, который создает давление в топливных и кислородных баках, разорвавшихся в кислородном резервуаре верхней ступени 28 июня 2015 года для миссии CRS-7. Это вызвало RUD (быстрая внеплановая разборка) и полную потерю ракеты и полезной нагрузки.
Следующей была печально известная аномалия AMOS-6 1 сентября 2016 года. Опять же, избыточное давление из-за неисправного гелиевого бака в верхней ступени привело к полной потере ракеты и ПН.
Затем у нас есть аномалия на Crew Dragon 20 апреля 2019 года. Это произошло,во время тестирования САС на земле и SpaceX обнаружило, что замороженный кусок четырехокиси азота вылетел через титановый клапан, вызвав разрыв в системе и полную потерю корабля.
20 ноября 2019 года, мы действительно увидели отказ прототипа Starship MK1, когда мы увидели, как он разорвался от избыточного давления во время испытаний. А теперь я немного уступлю – этот прототип и эти испытания намеренно проводились в условиях, существенно отличающися от предполагаемых. Их целью было определение допустимого порога превышения параметров.
SpaceX продвинула этот прототип намного дальше обычных рабочих диапазонов, а также это были мелкие сварные швы начального и очень грубого прототипа, и они действительно не представляют собой более совершенный транспорт будущего. Но это действительно немного пугает, когда вы думаете, что если бы это был полностью заправленный Starship.
Параметры прерывания полета Starship
Итак, я предполагаю, что это подводит нас к вопросу о том, какие варианты САС могут быть у Starship? Мы уже рассмотрели, какие конструктивные соображения позволяют избежать тех же недостатков конструкции, что у космического шаттла, но в нем ВСЕГДА отсутствует реальная САС. Так может ли он вообще прервать полет в случае ЧП?
Что ж, давайте сначала убедимся, что у нас есть четкое представление о вариантах прерывания. Существует большая разница между прерыванием со стартовой площадки (пэда), прерыванием полета, прерыванием полета на орбите и прерыванием миссии в целом.
Прерывание с пусковой площадки – это возможность вытащить космический корабль из ракеты, оставаясь на площадке. На самом деле это довольно опасное время, когда ракета полностью заправлена топливом под высоким давлением. Так может ли Starship выполнить прерывание пэда? Да и нет. Если проблема в самом Starship, например в разрыве бака или что-то в этом роде, простой ответ – нет. Но что если проблема в первой ступени?
Если с первой ступень что-то пойдет не так, то Starship может выполнить аварийный запуск двигателей Raptor, что МОЖЕТ помочь предотвратить катастрофу.
Если все Рапторы, включая вакуумные, будут запущены, то у Starship хватит тяги, чтобы оторваться от площадки и уйти в безопасную зону для приземления. Это при условии, что ускоритель при аварии не повредил Starship настолько, что он стал непригодным для эксплуатации. Не забывайте, вы не пытаетесь обогнать ударную волну, потому что, спойлер: если вы не можете мгновенно перейти с 0 до скорости звука, вы не сможете уйти от нее. Так что, если вы находитесь внутри корабля, вы должны пережить первый взрыв.
Вы также можете спросить, как они могут запускать вакуумные двигатели на уровне моря? Ну, по словам Илона, они могли иметь конструкцию с двойным “колпаком” и прикреплять сопло к стенке корпуса, что могло бы стабилизировать его. И в целом, да, вы можете запустить вакуумный двигатель на уровне моря в экстренной ситуации, но это, скорее всего, выведет его из строя. Но почему бы не попробовать, если другой вариант все равно приведет к полной неудаче?
Так что отмена пэда, по крайней мере, лучше, чем полное отсутствие у Space Shuttle возможности прерывания на пэде. То же самое касается прерывания полета. Прерывание в полете – это именно то, на что это похоже, прерывание во время полета ракеты.
Опять же, если предположить, что верхняя ступень не является виновником проблемы, Starship теоретически может оторваться и выполнить любой маневр, необходимый для ухода и приземления в другом месте, или в худшем случае выполнить аварийную посадку с мягким приводнением. Опять же, здесь должно быть больше возможностей, чем у Шаттла.
После того, как Starship отделился от Super Heavy, у него действительно нет никаких вариантов отмены, кроме перехода к безопасному профилю входа и последующего посадки, если он не может выйти на орбиту. Но, к счастью, с управляющими поверхностями на Starship они могли значительно изменить свой аэродинамический профиль и динамику для нескольких вариантов безопасного входа в атмосферу.
Это полезно, особенно в сравнении с капсульными кораблями, которые не могут изменить свою форму и на самом деле имеют области в профиле запуска, которых инженерам следует избегать. Например, если бы стандартный разгонный блок RL-10 Centaur использовался на Boeing Starliner, были бы большие участки полета, где прерывание было бы смертельным из-за экстремальных нагрузок.
Поэтому Boeing и ULA были вынуждены выбрать вариант с двумя двигателями разгонного блока Centaur, который мог летать с более безопасным профилем и допускал безопасность прерывания на протяжении всего подъема.
И, конечно же, при повторном входе действительно никогда не будет возможности прерывания полета. Даже если бы во время повторного входа была возможность механического прерывания, это, вероятно, не было бы очень полезным. Конечно, в пассивно стабильной капсуле с абляционным тепловым экраном очень мало того, что могло бы выйти из строя, но, опять же, избыточная гидравлика для поверхностей управления и конструкция, которая может выдерживать высокие температуры в целом, должны обеспечить приличный буфер при входе Starship`а в атмосферу.
Действительно ли САС делает ракету более безопасной?
Хорошо, мы наконец подошли к сути вопроса. Действительно ли лучше иметь САС на ракете и точка? Для этого давайте быстро рассмотрим все происшествия, связанные с полетом человека в космос, и определим, могла ли помочь САС.
Если посмотреть на историю орбитальных космических полетов, то за время всех полетов на самом деле произошло всего 18 смертей. Первая из них – отказ парашюта во время первого полета “Союза” в 1967 году, в результате которого погиб космонавт Владимир Комаров. САС не помогла бы.
Следующей трагедией стал Союз-11 в 1971 году, декомпрессия которого фактически привела к гибели трех космонавтов. По сей день это единственный инцидент, в котором люди погибли в космосе над линией Кармана. САС не помогла бы.
Затем у нас есть катастрофа космического корабля “Челленджер” в 1986 году, о которой мы уже говорили. Система механического прерывания, вероятно, спасла бы экипаж из 7 человек.
Наконец, у нас есть катастрофа космического корабля “Колумбия” в 2003 году, в результате которой снова трагически погиб экипаж из семи человек. САС, вероятно, не помогла бы. Есть шанс, если бы спасательная капсула имела свой собственный тепловой экран и тому подобное, это могло бы помочь. Но маловероятно, что аварийное отключение при входе в атмосферу было бы очень хорошим вариантом.
Теперь давайте посмотрим, сколько раз ракета или корабль с экипажем выходили из строя. Мало, на сегодняшний день САС, фактически активированная для полета, срабатывала только 3 раза. Впервые она использовалась во время испытательного полета корабля «Союз» без экипажа для полета «Союз 7К-ОК №1» в 1966 году. Запуск был прерван, когда не сработал ускоритель.
Экипаж вышел, чтобы осмотреть ракету, когда внезапно, через 27 минут после заправки, авионика активировалась, потому что ее гироскоп заметил, что она отклонена от оси на 8 градусов от того места, где, по её мнению, должна была быть. В результате срабатывания системы аварийной остановки загорелась третья ступень, а затем остальная часть ракеты взорвалась на площадке, в результате чего погиб один наземный экипаж. В этом случае система вызвала сбой и привела к гибели людей.
Следующий раз срабатывания башни САС был единственным случаем аварийного срабатывания с экипажем на борту. 26 сентября 1983 года экипаж корабля “Союз Т-10-1” был вынужден прекратить полет на своей ракете “Союз”, которая загорелась еще на стартовой площадке. После работы САС и приземления в 4 км от точки старта экипаж был в синяках и потрясен. Встретившая их спасательная бригада дала им сигареты и рюмку водки, чтобы расслабиться. В этом случае, очевидно, САС спасла жизни.
Наконец, САС сработала во время другой миссии «Союз» МС-10 в 2018 году, когда возникла проблема с отделением боковых ускорителей, которая привела к взрыву ступени. Это привело к срабатыванию САС, но не башни, которую сбросили за несколько секунд до этого, а САС меньшего размера, встроенной в обтекатель, закрывающий корабль..
В этом случае САС спасла жизни, но, возможно, простого выключения двигателей и отсоединения корабля от ракеты было бы достаточно.
На самом деле есть ещё два других полета, но традиционная САС там не использовалась, первым был Союз 7К-Т 18А в 1975 году, полет которого прервали после того, как аварийная башня и обтекатель были сброшены, поэтому он использовал только свой встроенный двигатель. Очевидно, что САС не помогла бы, поскольку её уже не было.
Затем есть единственный Шаттл, полет которого был прерван – STS-51F в 1985 году. Он выполнил маневр выхода на орбиту, когда отключился один из главных двигателей RS-25. Опять же, САС не помогла бы, поскольку в этом не было необходимости.
Таким образом, на сегодняшний день САС спасла жизни только дважды, могла предотвратить одну трагедию и в одном случае стала причиной смерти. Таким образом, из 320 орбитальных полетов человека на момент написания статьи только три миссии в общей сложности потребовали использования САС, или менее 1% запусков с экипажем.
И если мы посмотрим на последние 30 лет пилотируемых космических полетов, с 90-х годов, только один запуск из 180 требовал фактического использования САС.
Как повысить безопасность ракеты без использования САС
Теперь, прежде чем мы ответим на вопрос, необходима ли САС, давайте взглянем еще на одну вещь. Как мы можем повысить безопасность ракет в целом, чтобы вообще не нуждаться в аварийной системе?
Думаю, ответ на этот вопрос – нам нужно летать больше, намного больше. И нам нужно повторно использовать системы снова и снова, чтобы мы могли видеть, где находятся слабые места в конструкции, а где мы можем добиться наибольшего повышения безопасности. Давайте посмотрим на безопасность авиалайнеров. Это диаграмма, показывающая, сколько километров коммерческих авиалиний происходит на одну аварию с течением времени. К сожалению, эти данные относятся только к 1929 году и даже не отражают ранний 20 век, когда люди путешествовали по воздуху. Но менее чем за столетие показатели безопасности в отрасли улучшились на три порядка.
Сейчас мне действительно очень жаль, что у нас не было данных о первых трех десятилетиях полетов человека, но, к сожалению, эти данные недоступны, но я не удивлюсь, если они будут не слишком далекими от этой диаграммы. Это на самом деле показатель успешных орбитальных запусков за год. Обратите внимание, как быстро люди попали в верхние 90%. Но потом он заглох…
Давайте сравним это с авиационной отраслью за тот же период времени. Да, люди к тому времени в значительной степени научились летать, и только когда вы увеличите масштаб до десятков тысяч, вы действительно сможете даже начать расшифровывать улучшения полетов в сторону успеха, потому что на данный момент мы стремимся к надежности >99%.
И я думаю, для этого есть несколько причин. Во-первых, еще не было даже 6000 орбитальных запусков ВСЕГО. Сравните это с почти 4 миллиардами пассажиров, летавших на гражданских лайнерах в ОДНОМ 2019 году, и вы поймете, насколько все еще редки космические полеты.
Могу поспорить, что первые 6000 попыток полета самолетов имели такой же ужасный показатель. 6000 полетов, вероятно, были просто выполнены в гораздо более короткие сроки и со значительно более низким входным барьером.
Я не думаю, что мы действительно увидим быстрое улучшение и надежность ракет, близкую к 99,99%, пока мы не увидим, что они буквально летают десятки раз в неделю, снова и снова, чтобы мы действительно могли увидеть, какие части выходят из строя в первую очередь, и внести улучшения в них.
Ответ на вопрос, что мы можем сделать, чтобы сделать ракеты более надежными, прост. Летайте на них чаще и запускайте многоразовые ракеты снова и снова, а не выбрасывайте их. Только тогда мы сможем приблизиться к надежности авиалайнера.
Необходима ли САС для полета человека в космос?
Пришло время подвести итоги. Нужна ли САС? Действительно ли она делает полет космонавтов безопаснее? Нужна ли она нам в будущем? Если да, всегда ли она понадобится нам в будущем? Помните, когда мы смотрели, сколько раз САС могла бы спасти жизни экипажа – это удивительно мало. Что ж, я по-прежнему считаю, что это хорошая идея для ракет этого поколения.
Я думаю, что НАСА, SpaceX и Boeing правы, полагая, что Falcon 9 и Atlas V надежные ракеты, но они все ещё не имеют существенных полетных данных, чтобы их можно было считать достаточно безопасными для запуска пилотируемых кораблей без САС.
Но эти системы по-прежнему приносят с собой свои сложности и проблемы. Помните, как взорвалась капсула Crew Dragon при тестировании САС? Ну, вы в основном берете больше деталей и небольшую ракету и прикрепляете все эти дополнительные системы, которые тоже могут выйти из строя, в любом случае прямо к кораблю.
Конечно, чтобы сделать их безопасными, нужно много работать, но вы решаете проблемы с ракетами, устанавливая на них больше ракет. Это все равно, что засунуть 172-ую Цессну в Боинг 747. В случае отказа 747 вы можете улететь на Цессне. Вам, вероятно, лучше просто убедиться, что вы проводите техобслуживание на должном уровне, чем идти и покупать запасную Цессну.
Это также похоже на то, как люди все время спрашивают, можно ли использовать двигатели Super Draco в качестве резервной копии парашютов, если парашюты выйдут из строя, и технически ответ – да, конечно. Но к тому времени, когда вы сертифицируете эту процедуру, эти системы и сделаете ее безопасной и надежной, вам, вероятно, будет намного лучше, если вы просто сделаете парашюты более надежными и менее склонными к сбоям.
Точно так же вы бы предпочли спроектировать САС, собрать воедино все эти процедуры и подсистемы или сосредоточиться на том, чтобы сделать весь автомобиль намного безопаснее. В какой-то момент вы действительно сможете добиться более надежной системы в целом, если в ней будет меньше частей.
Я думаю, что Илон Маск лучше всего сказал об обновлении Starship 2019 года, когда сказал: «Самое лучшее – это отсутствие роли. Лучшая деталь – это отсутствие детали, она ничего не весит, ничего не стоит, не может сломаться. Что меня больше всего впечатляет, когда я встречаюсь с дизайнерами в SpaceX, так это то, что вы не спроектировали? Отказ от дизайна – это лучшее. Просто удалите это, это лучше всего».
Итак, я думаю, вопрос должен заключаться в том, буду ли я летать на Starship без САС? На данный момент ответ отрицательный. Я думаю, мы должны сначала увидеть как минимум несколько десятков полетов без экипажа, найти пределы и границы, и только когда у нас есть Starship`ы, летающие более 10 раз без сбоев, я бы подумал о том, чтобы совершить один полет.
Однако я думаю, что мы могли бы увидеть людей на ранних этапах программы, и если это будут астронавты НАСА, я не удивлюсь, если им потребуется САС. Тем более, что SpaceX, скорее всего будут заправлять Starship с экипажем на борту, как и Falcon 9.
В общем, заправлять ракету и создавать давление в ней опаснее, чем держать её в устойчивом положении и полностью заправленной топливом. Так что, если SpaceX не сможет изменить эту процедуру для Starship, я, честно говоря, не могу себе представить, чтобы в ближайшее время НАСА снова захотело бы отправить одного из своих астронавтов на корабле без САС.
Вы не можете решить проблемы, о которых не подозреваете. Точно так же, как компания SpaceX была удивлена, обнаружив проблемы с системой заправки, COPV, отказом стойки или взрывом титанового клапана. Иногда вы просто не обнаруживаете недостаток конструкции, пока он не поднимет свою уродливую голову.
Вот почему я считаю жизненно важным видеть, как эти штуки летают, часто летают и летают снова и снова. Только тогда, я думаю, будет доказанна надежность, которая сделает его достаточно безопасным, чтобы не иметь САС.
Что вы думаете? Вы бы полетели на корабле без САС? Я, честно говоря, не уверен, что стал бы, пока этот конкретный корабль не пролетел бы хотя бы 10 раз, и это уже не так уж важно – это все еще пугает меня до чертиков!
Используемые ресурсы
Успешные орбитальные полеты – https://space.stackexchange.com/questions/8566/what-is-the-success-failure-ratio-of-space-bound-rockets
Уровень безопасности авиации – https://en.m.wikipedia.org/wiki/Aviation_accidents_and_incidents
Длина полетов в авиации – https://www.darrinqualman.com/global-air-travel-climate-change/
Конструкция Шаттла – https://spectrum.ieee.org/tech-history/heroic-failures/the-space-shuttle-a-case-of-subjective-engineering
Спасите поляка – http://youtu.be/dfVTX25hH-I
Данные о “Союзах” – https://www.spacelaunchreport.com/soyuz.html
Трафик и пропускная способность мировых авиалиний – https://www.airlines.org/dataset/world-airlines-traffic-and-capacity/
Всемирная авиационная безопасность – https://aviation-safety.net/statistics/period/stats.php?cat=A1
Все аварии с 1918 по 2018 год – http://www.baaa-acro.com/crashes-statistics