30 років тому, 26 січня 1986 р. відбулася одна з найбільших катастроф в космонавтиці – загинули сім молодих, успішних, мужніх людей: шість астронавтів і одна вчителька.

Ось їх імена:

Френсіс Дік Скобі – командир корабля, 46 років;
Майкл Сміт – другий пілот, 40 років;
Рональд Макнейр – доктор наук, 35 років;
Еллісон Онізука – пілот, 39 років;
Грегорі Джарвіс – інженер по супутниковому устаткуванню, 41год;
Джоудов Резник – доктор наук, 36 років;
Кріста Маколліф – вчителька, 37 років.

Програма «Спейс Шаттл»

Загибель космонавтів сталася внаслідок вибуху на 74-й секунді після старту космічного корабля «Challenger» («Челленджер») під кодовим номером №51-L, що здійснював з квітня 1983 р. свій десятий політ у космос. Англійське слово «Challenger» в перекладі на українську мову означає «той, що кидає виклик».

Але спочатку все по порядку. Запуск корабля «Челленджер» здійснювався з мису Канаверал в рамках програми під назвою «Space Shuttle» («Спейс Шаттл»), що означає космічний човник, тобто багаторазовий транспортний космічний корабель. Такі кораблі (скорочено «шаттли») були основою державної програми США «Space Transportation System, STS» (в перекладі «Космічна транспортна система»).

Шаттли розроблялися компанією North American Rockwell за дорученням National Aeronautic and Space Administration (державна організація США, що займається дослідженням космосу, скорочено НАСА) з 1971 року і спочатку розглядалися як засіб для виведення на орбіту військових супутників. При створенні системи використовувався ряд технічних рішень, отриманих за програмою «Аполлон» для місячних модулів і по твердопаливним прискорювачам.

Усього було побудовано п’ять шаттлів (два з них загинули в катастрофах) і один прототип. Передбачалося, що кожен із космічних кораблів може здійснити більше 100 польотів у космос. Але реальність внесла корективи в ці амбітні плани.

Польоти в космос здійснювалися з 12 квітня 1981 по 21 липня 2011 року. За 30 років експлуатації було зроблено 135 пусків, найбільше польотів (39) здійснив шаттл «Discovery» («Відкриття»).

Космічний корабель «Challenger» («Той, що кидає виклик»)

Корабель багаторазового використання «Challenger» складався з трьох основних частин: двох твердотільних ракетних прискорювачів (правого і лівого), паливного бака з рідким паливом і космічного літака – пілотованого орбітального супутника (мал.2) [1,2].

Два однакових твердотільних ракетних прискорювача працюють на початковій ділянці розгону ракети протягом трохи більше двох хвилин. Після витрачення палива на висоті в 40-50 км вони відокремлюються і на парашутах приводнюються в акваторії Атлантичного океану.

Підвісний паливний бак, що має форму гігантської сигари, постачає рідкий кисень і водень до основної рухової установки, розташованої в хвостовій частині орбітального ступеня.

Усередині бак розділений надвоє товстою, непроникною перегородкою; по одну сторону якої знаходиться зріджений водень, по іншу – зріджений кисень; під час їх злиття утворюється горюча суміш, що живить двигун «Челленджера». До бака прикріплені як два прискорювача, так і сам орбітальний корабель (мал. 2).

Після спорожнення бак згорає в щільних шарах атмосфери. Далі орбітальний корабель – космічний човник, що зовні нагадує літак з трикутним крилом, виведений на навколоземну орбіту, продовжує самостійний політ з астронавтами на борту.

Після виконання програми польоту човник повертається на Землю і здійснює подібно планеру посадку на злітно-посадкову смугу. Приземлення корабля, яке необхідно було здійснити з першого заходу, вважалося найнебезпечнішою частиною польоту.

Загальна маса «Челленджера» на старті дорівнювала 2 000 тонн, з яких 1700 тонн становило паливо.

Твердопаливні прискорювачі складаються з 11 базових секцій, з’єднаних між собою, остаточний стик між якими здійснювали і герметизували перед кожним польотом в Космічному Центрі Кеннеді у Флориді. Конструкція стику наведена на мал.3,а. Ось в ушкодженому стику одного з таких з’єднань секцій (мал.3, б) і прорвалися розпечені гази, що і призвело до катастрофи.

Через несприятливі погодні умови на мисі Канаверал, де розташований космодром, початок польоту шаттлу «Челленджер» кілька разів відкладався. І все ж 29 січня 1986 р. о 11.38 старт нарешті відбувся (мал. 4).

Спочатку всім, хто спостерігав за стартом космічного корабля на мисі Канаверал і мільйонам телевізійних глядачів здавалося, що все нормально, бо ніяких аварійних сигналів з борту шаттла не надходило. На 57-й секунді Центр управління повідомив: двигуни працюють з повним навантаженням, всі системи функціонують задовільно.

По радіо з борту «Челленджера» пролунали слова командира корабля Френсіса Діка Скобі: «Все в порядку, йдемо на повній швидкості», які, проте, виявилися останніми.

Через 73,618 секунди після старту на екрані радіолокатора Центру управління польотом чітко позначилися траєкторії падаючих з неба численних уламків і черговий Центру злякано вигукнув: «Корабель вибухнув!»

Загибель «Челленджера»

Повільний перегляд знятих фотознімків в процесі зльоту ракети, починаючи з моменту її старту, дозволив простежити процес розвитку катастрофи [1].

Спочатку в районі нижнього стику секцій правого твердопаливного прискорювача з’явилася хмарка сірого диму; потім число струменів збільшилося до 8; далі в місці стику з’єднань, де розташовані кільцеві ущільнювачі, почав горіти ізоляційний матеріал, і потім після 59-ї секунди з’явилося полум’я і спалахнув вогонь.

На висоті 13800 м «Челленджер» перетворився на палаючий факел, який мчить зі швидкістю вдвічі більшою за швидкість звуку та розвалюється в результаті вибуху на дві частини.

Це сталося на 74-й секунді після старту.

Протягом години на мис Канаверал падали уламки «Челленджера», після чого команда берегової охорони приступила до їх збирання. Далі район пошуків збільшився, охопивши 6000 квадратних миль Атлантичного океану.

У підсумку з дна океану вдалося підняти багато фрагментів корабля, у тому числі з глибини 27 м екіпажний відсік з останками астронавтів. Навіть якщо хтось із них і залишався живим після вибуху корабля, то витримати удар житлового відсіку по водній поверхні зі швидкістю 333 км/год при перевантаженні в 200 g було неможливо. Останки екіпажу витягли з відсіку і ідентифікували.

Проведене ретельне розслідування показало, що руйнування «Челленджера» стало наслідком пошкодження ущільнювального кільця правого твердопаливного прискорювача під час старту (см. мал.3, б).

Пошкодження кільця стало причиною прогорання отвору в боці прискорювача, з якого у бік зовнішнього паливного бака став бити реактивний струмінь. Це призвело до руйнування хвостового кріплення правого твердопаливного прискорювача і навантажених структур зовнішнього паливного бака.

Бічні прискорювачі відчепилися від ракети і якийсь час літали навколо корабля, поки не були знищені командою із Землі. Кабіна екіпажа, міцніша за орбітальний модуль, також залишилася цілою, але, швидше за все, розгерметизувалася. Після вибуху уламки шаттлу впали в Атлантичний океан.

І постало головне питання: з якої причини було пошкоджене кільце ущільнювача, що призвело до викиду горючої суміші і викликало пожежу і вибух, який призвів до такої жахливої катастрофи?

Американці були приголомшені катастрофою, що сталася на їх очах. Але особливо важко трагедію переживали в невеликому місті Конкорд – місці проживання і роботи вчительки Крісти Маколіфф.

Справа в тому, що за два роки до старту в США за ініціативою президента Рональда Рейгана був оголошений конкурс, на який надійшло одинадцять тисяч заявок. Програма, названа «Вчитель у космосі», стосувалася декількох природничих дисциплін.

Передбачалося розглянути в умовах невагомості дію законів Ньютона, роботу простих механізмів і протікання процесів, що відносяться до гідропоніки, вспінювання і хроматографії.

Кріста Маколіфф – мати двох дітей – виграла конкурс і була включена сьомим членом в екіпаж «Челленджера». Вона була готова провести з космосу два уроки, які на четвертий день польоту мали транслювати по телебаченню для тисяч шкіл. Дізнавшись про трагедію, всі тридцять тисяч жителів містечка Конкорд занурилися в траур.

Вражений тим, що сталося, президент Рональд Рейган звернувся до нації з проникливою промовою. Ось одна з вимовлених ним фраз: «Я розумію, дуже важко усвідомлювати, що такі гіркі речі іноді трапляються. Але все це є частиною процесу досліджень та розширення горизонтів людства».

У США був оголошений траур, а рештки семи відважних астронавтів, витягнуті з дна океану, урочисто поховані в околицях Х’юстона.

Комісія Роджерса

У лютому 1986 р. президент Рональд Рейган призначив комісію у складі 13 членів для розслідування катастрофи «Челленджера». Головою комісії був призначений Вільям Роджерс – колишній генеральний прокурор (з 1957 по 1961 рр.) і держсекретар (з 1969 по 1973 рр.) США. До складу комісії увійшли політики, астронавти, військові і один учений – видатний фізик, лауреат Нобелівської премії, професор Річард Фейнман.

Звіт комісії Роджерса, представлений президенту Рональду Рейгану, був опублікований у червні 1986 р. [3]. Комісія встановила, що причиною руйнування літального апарату «Челленджер» стало пошкодження ущільнювального кільця правого твердопаливного прискорювача під час старту (мал.3, б). Пошкодження кільця призвело до викиду назовні струменя реактивного палива, прогорання отвору в боці прискорювача, виникненню пожежі, вибуху та руйнуванню корабля.

Експериментальним шляхом було встановлено: при запуску твердопаливного прискорювача між хомутом і штифтом залежно від сили тяги прискорювача утворюється щілина розміром від 0,17 до 0,29 дюйма (0,42-0,73 см). Ця щілина повинна бути перекрита еластичним кільцевим ущільнювачем. Останній, однак, при нормальній та при низькій температурі функціонує по-різному: при температурі +250 С ущільнювачі приймають вихідну форму в п’ять разів швидше, ніж при температурі, що дорівнює нулю.

Низька температура повітря на мисі Канаверал при десятому старті «Челленджера» стала причиною неприпустимо великого стиснення гумового ущільнювача, що і стало «спусковим гачком» для розвитку катастрофи.

Комісія прийшла до висновку, що рішення керівництва НАСА про старт «Челленджера» взимку було помилковим. Це рішення ухвалили особи, незнайомі з особливостями функціонування кільцевих ущільнювачів; вони, на жаль, не були знайомі з інструкціями фірмивиробника ущільнювачів, що не рекомендували проводити запуск при температурі повітря нижче +11 °С, і тому не в змозі були оцінити небезпечні наслідки обмерзання тих чи інших вузлів «Челленджера» перед стартом.

Ті ж, хто все це знав, нічого не вирішували, точніше, вважали, що питання ці недостатньо істотні, щоб доповідати про них начальству.

Комісія Роджерса запропонувала дев`ять рекомендацій для підвищення рівня безпеки у програмі «Спейс Шаттл». Президент Рейган зобов’язав НАСА протягом 30 днів скласти план по реалізації цих рекомендацій.

Польоти шаттлів були надовго перервані та відновлені тільки 29 вересня 1988 р. після успішного старту космічного корабля «Discovery» (українською «Відкриття»).

Америка зітхнула з полегшенням: країна повернулася до польотів у космос з астронавтами на борту. Екіпаж корабля «Дискавері» з п’яти осіб вперше був одягнений в помаранчеві рятувальні скафандри та забезпечений індивідуальними парашутами і плавзасобами – на випадок аварії під час посадки.

Особлива думка Річарда Фейнмана

Професор Річард Фейнман був єдиним з членів комісії Роджерса, який не вписувався в її роботу, він вів власне, індивідуальне розслідування причин катастрофи «Челленджера» [4].

Фейнман був людиною безпристрасною і об’єктивною, не побоявся озвучити свою точку зору на всю країну. За результатами свого розслідування Фейнман склав власну доповідь і домігся її включення до загальної доповіді комісії в якості додатку.

У своїй доповіді Фейнман критикував прийняті в НАСА критерії оцінки безпеки польотів ракет з двигунами на твердому та рідкому паливі, написавши у висновках: «Дозвольте порекомендувати офіційним особам НАСА реально оцінювати технічні слабкості та дефекти, щоб активно їх усувати. Вони повинні бачити реальні обставини, зіставляючи витрати і практичну корисність кораблів з іншими способами проникнення в космос».

Але найцікавіше сталося на прес-конференції, влаштованій комісією після завершення своєї роботи. В присутності безлічі журналістів Фейнман продемонстрував наступний простий, але дуже вражаючий експеримент, опустивши в чашку з крижаною водою кільцевий ущільнювач, що використовувався на стику секцій твердотільних прискорювачів (мал.3).

Вийнявши з води ущільнювач, що став ламким, Фейнман наочно продемонстрував вплив температури на властивості цієї деталі. Звідси випливав неминучий висновок: пускати ракету в космос при низькій температурі повітря на стартовому майданчику в жодному разі не можна було.

Низька температура деформувала кільцевий ущільнювач, що і призвело в кінцевому підсумку до вибуху та загибелі «Челленджера» з сімома астронавтами на борту.

Доповнення. Повторіть експеримент Річарда Фейнмана. Дістаньте з домашнього холодильника банку з холодною водою та опустіть в неї шматочки різної гуми. Переконайтеся в тому, що тільки спеціальна морозостійка гума не змінить своїх властивостей, а інші сорти гуми втратять свою еластичність.

Посилання
1. Катастрофа космічного корабля «Челленджер».
2. Леонід Комісаренко. Катастрофа «Челленджера», Фейнман і міфи. Інтернет сайт. ARTOFWAR, 2008.
3. Звіт комісії Роджерса.
4. Ричард Фейнман. Радість пізнання. – М., АСТ, 2014. (В книзі опублікована доповідь Р. Фейнмана.)

В.І. Каганов, доктор технічних наук