Спасти «Колумбию»

1 февраля 2003 года при возвращении с орбиты потерпел катастрофу корабль «Колумбия». Все семь членов его экипажа погибли. Ужасная трагедия, произошедшая на глазах всего мира, заставила американское политическое руководство пересмотреть отношение к космическим системам многоразового использования. Что же произошло с «Колумбией»? Можно ли было предотвратить катастрофу и вернуть астронавтов живыми?

Научная миссия

16 января 2003 года в свой двадцать восьмой полёт отправился пилотируемый космический корабль многоразового использования «Колумбия» (Columbia). Новая миссия получила обозначение STS-107 и была примечательна тем, что впервые за два года корабль системы «Спейс Шаттл» (Space Shuttle) стартовал не к Международной космической станции (МКС), а в самостоятельную экспедицию на орбиту.

«Колумбию» не использовали для строительства станции, потому что, будучи старейшим и самым тяжёлым шаттлом, она не могла поднимать необходимый груз на орбиту сближения и стыковки. Поэтому в новом веке под неё планировались задачи по обслуживанию Космического телескопа «Хаббл» (Hubble), запускам больших научных аппаратов, проведению испытаний корабля-спасателя X-38, а также автономные полёты с исследовательским модулем «Спейсхаб» (Spacehab Research Double Module) для выполнения разнообразных экспериментов.

Автономный полёт STS-107 появился в графике, опубликованном NASA в феврале 1998 года: тогда старт был назначен на весну 2000 года. Позднее миссию сдвинули на январь 2001-го. Помимо прочего, в её рамках собирались запустить спутник «Триана» (Triana), проект которого «проталкивал» вице-президент Альберт Гор, собиравшийся с его помощью продемонстрировать климатические изменения из-за «глобального потепления». К лету 2000 года стало ясно, что денег на завершение проекта не дадут, и вместо спутника в программу миссии были включены эксперименты для израильского астронавта.

Сроки продолжали сдвигаться, двадцать седьмой полёт под обозначением STS-109 «Колумбия» совершила к телескопу «Хаббл» в марте 2002 года, после чего её наконец-то начали готовить к STS-107. В мае модуль «Спейсхаб» поместили в грузовой отсек шаттла, в начале июня прошли все необходимые тесты, а 14 июня створки отсека были закрыты — старт запланировали на 19 июля. Впрочем, вскоре при тщательных осмотрах были найдены микротрещины в ламинизаторе потока в трубопроводе горючего основной двигательной установки, и «Колумбию» убрали с подготовки. Только 9 декабря транспортёр с шаттлом выдвинулся из Здания сборки системы (Vehicle Assembly Building, VAB) на стартовый комплекс LC-39A.

В ходе миссии STS-107 экипаж должен был выполнить больше сотни экспериментов в области космической биологии и медицины, космической физики и геофизики, материаловедения и производства в условиях невесомости. Исследовательская программа подразумевала круглосуточную работу, поэтому экипаж был разделён на две смены — дневную «красную» и ночную «синюю». По интенсивности программа заметно отличалась от работы космонавтов МКС, где наукой в то время занимались мало.

В состав экипажа «Колумбии» вошли: командир Рик Хазбанд, пилот Уильям Маккул, специалисты полёта Дэвид Браун, Калпана Чаула, Майкл Андерсон и Лорел Кларк, специалист по полезной нагрузке Илан Рамон. Самыми опытными астронавтами в миссии были полковник военно-воздушных сил Рик Хазбанд, подполковник военно-воздушных сил Майкл Андерсон и доктор философии в области аэрокосмической техники Калпана Чаула — они отправлялись в свой второй полёт. Полковник военно-воздушных сил Илан Рамон был не просто новичком в космосе, но и первым астронавтом Израиля, посему миссия STS-107 вызвала огромный интерес у граждан этой страны.

Старт состоялся 16 января 2003 года. «Колумбия» была выведена орбиту высотой 270,8×289,3 км и наклонением 39,02°. В каталоге Стратегического командования США шаттл получил номер 27647 и международное обозначение 2003-003A. В ходе полёта, продолжавшегося без малого шестнадцать суток, орбиту специально не меняли, и её высота несколько уменьшилась из-за торможения в верхних слоях атмосферы.

Удар по крылу

Как обычно, старт шаттла снимали телекамеры, расположенные непосредственно на стартовом комплексе и вблизи от него. Документирование через видеозапись позволяет увидеть различные отклонения от штатного режима выведения. Непосредственно в ходе запуска операторы не заметили ничего необычного. Однако 17 января при детальном просмотре был обнаружен светлый объект, который появился на 81-й секунде в области передней стойки крепления орбитального корабля к внешнему баку, упал и ударил левое крыло «Колумбии» недалеко от передней кромки, разлетевшись затем на куски. Нижняя поверхность левого крыла была видна другой камере, но её разрешения не хватило для того, чтобы рассмотреть отдельные плитки теплозащитного покрытия.

Информация о падении некоего объекта на крыло «Колумбии» быстро распространилась, но не вызвала большой тревоги у инженеров. Было проведено расследование инцидента, и специалисты установили, что по крылу, вероятно, ударил фрагмент пеноизоляции внешнего бака шаттла массой примерно 1,2 кг. Моделирование показало, что при возвращении под действием нагрева в атмосфере в худшем случае возможны локальные повреждения конструкции крыла, но до прогара дело не дойдёт. Что же касается углерод-углеродного материала, защищающего переднюю кромку крыла, то она будет лишь поцарапана. Известны похожие случаи: например, в ноябре 1997 года во время старта миссии STS-87 защитные плитки «Колумбии» тоже получили повреждения при падении кусков пены. Тогда же была установлена причина. Оказывается, изначально пенополиуретановое покрытие внешнего бака наносилось с применением фреона. Когда началась кампания против использования фторсодержащих соединений, которые наносят ущерб озоновому слою планеты, было принято решение изменить технологию покрытия, но «экологически безвредная» технология показала себя хуже: покрытие вздувалось и отлетало. По результатам STS-87 технологию дополнили прорезанием небольших отверстий до металлической поверхности бака, что вроде бы исправило ситуацию.

Вечером 23 января об ударе по крылу сообщили Рику Хазбанду и Уильяму Маккулу, но не для того чтобы организовать осмотр места повреждения или какое-то другое осмысленное действие. Сменный руководитель полёта Стивен Стич в электронном послании на борт шаттла описал происшествие при запуске довольно точно и заверил астронавтов в отсутствии опасности:

«Об этом даже не стоило бы упоминать, но мы хотим быть уверены, что вопросы журналистов не застанут вас врасплох. <…> Угрозы для кромки или плиток нет. Мы видели такое в нескольких полётах, и нет абсолютно никакой тревоги за возвращение».

Другим письмом на борт отправили видеозапись удара. Хазбанд подтвердил, что получил оба, и тоже не встревожился. До назначения на миссию STS-107 он был шефом отделения безопасности Отдела астронавтов и вполне доверял выводам своих товарищей. В любом случае у экипажа «Колумбии» не было времени на осмотр теплозащиты: в этом полёте корабль не оснастили манипулятором, и астронавт, выйдя наружу, не мог без специальных приспособлений попасть под днище корабля. Хуже того, из окон кабины была видна только верхняя сторона дальней от фюзеляжа половины каждого крыла. Попытки заснять нижнюю часть шаттла с разведывательного спутника или наземными обсерваториями тоже не предпринимались.

31 января состоялся предпосадочный брифинг для журналистов в Космическом центре имени Линдона Джонсона. Руководитель посадочной смены Лерой Кейн сообщил, что проверка оборудования «Колумбии» прошла без замечаний. Единственная проблема — это незначительное повреждение левого крыла во время запуска. Он специально подчеркнул, что вопрос изучен очень тщательно:

«Никаких тревог у нас нет. Мы ничего не изменили в том, что касается типа траектории. Это будет стандартная траектория. <…> И это будет очень интересное зрелище для людей [в районе Сан-Франциско], которые никогда не видели полёта шаттла ночью. На это стоит посмотреть».

Опубликованные заметки о предпосадочном брифинге в дальнейшим стали важным свидетельством, потому что доказывали: Кейн и его подчинённые не считали аварию реальной. Если бы они допустили малейшую возможность развития катастрофической ситуации в результате повреждения крыла, то изменили бы траекторию таким образом, чтобы «смягчить» режим торможения в атмосфере на более щадящий для теплозащиты.

Смерть в небе

Полёт «Колумбии» прошёл гладко, почти без замечаний. По этой причине средства массовой информации уделяли ему мало внимания за исключением той части, что касалась Илана Рамона. Даже пресс-служба Космического центра Джонсона выпускала лишь коротенькие вечерние пресс-релизы, в которых преобладали новости с МКС.

1 февраля погода во Флориде, куда садился шаттл, постоянно менялась: низкая облачность ушла; поднялся, но развеялся туман; начался сильный ветер на высоте, но и он стих. За шесть минут до расчётного времени Лерой Кейн дал разрешение на сход с орбиты. В 13:15 (по всемирному координированному времени, UTC) на высоте 283 км над Индийским океаном Рик Хазбанд и Уильям Маккул включили два двигателя орбитального корабля на торможение.

В 13:44 «Колумбия» вошла в атмосферу. Космодром находился в 8000 км от района схода с орбиты и почти точно на трассе полёта. Шаттл должен был пройти над Сакраменто, Санта-Фе, Далласом, Новым Орлеаном и приземлиться в 14:16. Почти весь путь «Колумбия» летела на автопилоте, и лишь за три минуты до касания, на высоте 15 км, командир Хазбанд собирался взять управление на себя. В 13:53 термодатчики в различных точках левого крыла начали регистрировать быстрый рост температуры, а некоторые отключились. Экипаж об этом ничего не знал, а в Центре управления полётами пропадание сигнала от датчиков восприняли спокойно, ведь такое случалось и раньше. Между 13:58:33 и 13:58:39 перестала поступать информация с датчиков давления и температуры шин колёс левой стойки шасси, и пилоты шаттла получили аварийный сигнал. Хазбанд начал доклад, но в 13:59:32, когда «Колумбия» находилась на высоте около 61 км, связь прервалась. К тому моменту левое крыло прогорело и разрушилось. Система управления не могла справиться с увеличившимся аэродинамическим сопротивлением, корабль развернуло, после чего он разломился. Инверсионный след в небе над Техасом стал ветвиться, появились вспышки. «Колумбия» погибла.

Несмотря на шок, охвативший всех, кто наблюдал катастрофу, практически сразу начались аварийно-спасательные работы. Обломки шаттла выпадали в полосе шириной до 50 км и длиной 400 км, от южных пригородов Далласа до Лисвилла в штате Луизиана. Мелкодисперсная пыль висела в воздухе несколько часов, а потом была унесена ветром на восток.

В первые часы усилия спасателей были направлены на поиски тел астронавтов: надежды на то, что кто-то из них выжил, не оставалось. Задача осложнялась наличием обширного леса и двух больших водохранилищ, поэтому к операции подключили полторы тысячи, а позднее — четыре тысячи человек. Штаб аварийно-спасательных работ разместился на авиабазе Барксдейл в Луизиане. Астронавт Джеймс Уэзерби возглавил операцию по обнаружению и эвакуации обломков, а Джерри Росс — по поиску погибших. Опознаваемые останки всех семерых были найдены 2 февраля, но работы продолжались ещё долго, ведь тела разорвало на части. Похороны Илана Рамона состоялись 10 февраля в Израиле; американских астронавтов предали земле в марте.

Как часто случается, вслед за отрядами спасателей в поход отправились мародёры. Вскоре на электронном аукционе eBay появились предложения о продаже фрагментов «Колумбии». Только 5 февраля, когда за присвоение обломков в Техасе были арестованы Мерри Хипп и Брэдли Годет, местные жители осознали: правительство настроено очень серьёзно.

Для изучения обстоятельств произошедшего руководство NASA назначило комиссию во главе с отставным адмиралом Харольдом Геманом. Хотя группа конгрессменов-демократов поставила под сомнение объективность комиссии, президент Джордж Буш-младший не последовал их совету создать специальную группу по аналогии с той, что расследовала катастрофу шаттла «Челленджер» (Challenger) в 80-е годы. Свою работу комиссия Гемана начала 4 февраля с посещения района падения обломков «Колумбии».

В то же самое время средства массовой информации обсуждали множество версий — одну причудливее другой. Прежде всего возникли подозрения о террористическом акте, ведь сторонники иракского диктатора Саддама Хусейна выразили неприкрытую радость при вести о гибели шаттла, называя её «актом возмездия». Впрочем, никаких фактов саботажа при подготовке миссии STS-107 не было выявлено ни тогда, ни теперь.

Куда более убедительными выглядели соображения о технической неисправности, вызванной возрастом «Колумбии», которая впервые отправилась на орбиту ещё в апреле 1981 года. Печальную роль могли сыграть усталость металла или отказ исполнительных органов управления. С другой стороны, корабли системы «Спейс Шаттл» создавались в расчёте на сто полётов, и даже старейший из них был далёк от выработки заложенного ресурса: «Колумбию» планировали использовать как минимум до 2015 года.

Ещё одна экзотическая версия — столкновение шаттла с метеоритом или объектом искусственного происхождения. Она появилась 8 февраля как реакция на слух о том, что будто бы Стратегическое командование США наблюдало отделение некоего объекта от «Колумбии» через сутки после старта — возможно, это был фрагмент корабля после удара? Военные получили запрос о возможности столкновения «Колумбии» с космическим мусором. В каталоге неидентифицированных околоземных объектов нашёлся «кандидат» размером 30×40 см, который сошёл с орбиты 20 января. Моделирование его движения показало, что за три дня до этого он мог находиться в окрестностях «Колумбии». И всё же эта версия была отвергнута, поскольку астронавты, работавшие круглосуточно, никакого удара не ощутили. Не зарегистрировали его и штатные средства навигационной системы корабля.

Разумеется, комиссия Гемана рассматривала все версии, но предпочтение явно отдавалось самой напрашивавшейся: катастрофа стала следствием повреждения левого крыла при старте «Колумбии».

В ходе расследования были затребованы отчёты специалистов по изучению возможных повреждений крыла от удара фрагментом пеноизоляции, выпущенных во время полёта «Колумбии». Всего их было три. При подготовке второго, от 23 января, использовалась «официальная» компьютерная программа Crater (по сути — эмпирическая формула, связывающая глубину повреждения плитки с размерами и плотностью ударившего её предмета, скоростью и направлением его движения), которая показала, что при падении куска массой 1,2 кг может образоваться полоса длиной до 82 см, шириной 18 см и глубиной в полтора раза больше, чем толщина плиток теплозащиты. Проще говоря, программа предсказывала неизбежный снос нескольких плиток, причём в самом теплонапряжённом месте! Однако, вместо того чтобы насторожиться, инженеры подняли результаты натурных испытаний, проведённых после STS-87, решили, что программа Crater «переоценила» размер повреждений, и пришли к заключению, что даже точечный прогар крыла невозможен.

Итоги расчётов продолжали обсуждаться в личной переписке, и среди прочих сохранилось электронное письмо Кевина Макклуни, инженера Космического центра Джонсона, от 31 января, в котором тот описывал гипотетический сценарий развития аварии. Оказалось, что он сумел предсказать катастрофу с точностью до порядка отключения датчиков, но к его мнению, к сожалению, не прислушались.

Варианты спасения

26 августа 2003 года руководству NASA и общественности был представлен первый том отчёта комиссии Гемана. В нём подтверждалось, что непосредственной причиной гибели «Колумбии» стал прогар переднего лонжерона левого крыла орбитального корабля на этапе спуска в атмосфере, что повлекло проникновение плазмы во внутренний объём крыла, потерю прочности элементов конструкции и её разрушение. Прогар произошёл из-за повреждения композитной передней кромки крыла куском пеноизолирующего покрытия массой 0,76 кг, упавшего с внешнего бака шаттла во время выведения на орбиту. Астронавты погибли в результате механических травм и удушья при разгерметизации кабины на большой высоте.

При расследовании теоретически было показано, что орбитальный корабль сможет пережить возвращение из космоса с отверстием размером до 25 мм в теплонапряжённой секции крыла из углерод-углеродного материала. Поэтому группа специалистов под руководством Скотта Хаббарда провела в Юго-Западном исследовательском институте Сан-Антонио (Техас) серию натурных экспериментов. Вначале состоялся опыт с макетными фибергласовыми секциями шаттла-прототипа «Энтерпрайз» (Enterprise). Выстрел куском пеноизоляции вызвал столь значительные повреждения, что было решено сразу перейти к испытаниям реальных секций передней кромки крыла, снятых с шаттлов «Дискавери» (Discovery) и «Атлантис» (Atlantis). Решающий эксперимент провели 7 июля, когда «снаряд», изготовленный из пеноизоляции и выпущенный из азотной пушки, пробил в секции полуметровую дыру.

Нашлось объяснение и объекту, отделившемуся от «Колумбии» на второй день полёта и зарегистрированному средствами Стратегического командования США. По уровню отражённого сигнала и скорости торможения объекта в верхних слоях атмосферы специалистам удалось доказать, что это мог быть только кусок секции из углерод-углеродного материала.

Причину отрыва пеноизоляции при выходе на орбиту достоверно установить не удалось. Предположительно, сработал комплекс причин. Конструкция узла крепления корабля к баку оптимизировалась под нагрузки, но не под тепловую защиту. Пеноизоляция имеет сложную форму и наносится вручную в несколько слоёв. В процессе возможно образование «воздушных карманов», а средства контроля качества покрытия не были предусмотрены. Комиссия не выявила доказательств небрежности при нанесении покрытия — тем не менее три рампы на готовых баках были тщательно изучены, и в них обнаружились похожие дефекты. Аэродинамические нагрузки, охлаждение и нагрев, вибрации и напряжения в конструкции внешнего бака на активном участке траектории могли вызвать рост повреждений вплоть до отрыва частей пеноизоляции.

Получается, что в течение двадцати пяти лет производства внешних баков их тепловая изоляция представляла собой угрозу для орбитальных кораблей. Комиссия установила, что из 79 запусков, для которых сохранились видеозаписи внешнего бака в полёте, отрывы пеноизоляции были отмечены в 65. В семи полётах было зафиксировано падение крупных кусков с рампы левой стойки: по одному разу с «Челленджером» и «Атлантисом», пять раз — с «Колумбией». И за все годы не было принято ни единой меры для устранения явного нарушения проектных требований к системе «Спейс Шаттл».

В выводах комиссия подчеркнула, что катастрофа «Колумбии» не является случайностью — она стала результатом практики игнорирования проблем с теплозащитой. Решения в ходе миссии принимались узким кругом лиц без учёта всех обстоятельств, а специалисты, которым эти обстоятельства были известны, не решились высказать своё мнение публично. Если «организационная культура» NASA не будет изменена, она приведёт к новым авариям.

Комиссия в порядке «мысленного эксперимента» рассмотрела варианты операции по спасению «Колумбии», которая могла быть организована, если бы руководство NASA серьёзнее отнеслось к проблеме повреждения теплозащиты. Для начала требовалось осмотреть шаттл на орбите с помощью средств ВВС США. Такой возможностью обладал спутник оптико-электронной разведки KH-12, фигурирующий в каталогах под обозначением USA 129 (1996-072A). Он шесть раз проходил рядом с кораблём на расстоянии от 221 до 429 км, имея условия наблюдения лучше, чем для земных объектов. В случае направления его камер на «Колумбию» наземные службы получили бы изображения с разрешением от 6 до 14 см.

Изучив последствия удара, специалисты могли принять один из двух вариантов спасения экипажа. Первый вариант — разработать специальную траекторию снижения и облегчить корабль. Расчёты показали, что массу «Колумбии» можно было уменьшить примерно на 14,2 т, «отстрелив» лабораторию «Спейсхаб» и другую аппаратуру в грузовом отсеке, а также слив топливо бортовой двигательной установки и вспомогательных силовых установок до минимума. Кроме того, за два выхода в открытый космос астронавты выбросили бы за борт всё лишнее из кабины, включая часть электронных блоков. Впрочем, риск разрушения корабля всё равно оставался, поэтому в качестве дополнительной меры рассматривался ремонт подручными средствами. Инженеры нашли способ добраться до места повреждения без использования манипулятора и предложили заткнуть дыру в крыле пакетом с водой, укрепив его тефлоновой плёнкой. Затем шаттл следовало развернуть днищем в тень, чтобы вода замёрзла. Какое время продержалась бы такая «заплатка» при входе в атмосферу, достоверно оценить не удалось.

Второй вариант предложили независимые эксперты. Они указывали, что если бы задача спасения была поставлена в первые сутки полёта, то появлялся шанс эвакуировать астронавтов. На момент схода с орбиты после полного выполнения программы «Колумбия» располагала небольшими запасами системы жизнеобеспечения, но, установив «режим выживания» с уменьшенным потреблением воды и повышенным порогом по углекислому газу, их можно было растянуть до 15 февраля.

Адмирал Геман заказал дополнительное исследование по изучению возможности использования для эвакуации астронавтов шаттла «Атлантис». Согласно утверждённым планам, 1 марта тот должен был стартовать к МКС. Ускорив подготовку и отказавшись от части наземных тестов, его могли бы запустить 10-11 февраля — при условии, что не будет технических сбоев и не подведёт погода. Через сутки после старта «Атлантис» с экипажем из четырёх спасателей сблизился бы с «Колумбией» до расстояния 15-20 м, после чего между шаттлами был бы переброшен трос, по которому астронавты «Колумбии» могли перебраться на «Атлантис». Хотя такой сценарий остаётся гипотетическим, Шон О’Киф, возглавлявший NASA, заявил 21 мая, что дал бы разрешение на экстренный запуск «Атлантиса», если бы знал, что «Колумбия» обречена.

В реальности после катастрофы полёты шаттлов были приостановлены. Следующая миссия под обозначением STS-114 состоялась только в июле 2005 года: в космос отправился корабль «Дискавери». На 33-й минуте полёта стало известно, что старт чуть снова не обернулся бедой: через несколько секунд после отделения твердотопливных ускорителей с внешнего бака сорвался довольно крупный кусок пеноизоляции. Установленная на баке видеокамера позволила увидеть, что он, к счастью, был унесён потоком в сторону и не врезался в корабль. Тем не менее получалось, что после всех модернизаций и проверок, которые обошлись в миллиард долларов, угроза серьёзного повреждения теплозащиты остаётся. Даже сторонникам сохранения шаттлов пришлось признать, что программа эксплуатации многоразовых крылатых кораблей должна быть закрыта.

---

Источники и литература:

1. Лисов И. «Дискавери» вновь в космосе! // Новости космонавтики. 2005. №9
2. Лисов И. «Колумбия»: ясно — как, непонятно — отчего // Новости космонавтики. 2003. №5
3. Лисов И. Комиссия Гемана закончила работу. «Колумбию» погубили спешка и легкомыслие // Новости космонавтики. 2003. №10
4. Лисов И. Последнее путешествие «Колумбии» // Новости космонавтики. 2003. №3
5. Лисов И. Почему же это случилось? // Новости космонавтики. 2003. № 4
6. Лисов И. Уроки «Колумбии»: надо менять систему? // Новости космонавтики. 2003. №7
7. Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди. / Под ред. Ю. Батурина. — М.: Изд-во «РТСофт», 2005
8. Павельцев П. 40 лет системе Space Shuttle // Новости космонавтики. 2012. №3
9. Evans B. Space Shuttle Columbia. Her Mission and Crews. Praxis Publishing Ltd., 2005
10. Houston R., Ross J. Wheels Stop: the Tragedies and Triumphs of the Space Shuttle Program, 1986-2011. Board of Regents of the University of Nebraska. 2013
11. Remembering Columbia STS-107. https://history.nasa.gov/columbia/index.html
12. Report of Columbia Accident Investigation Board, Volume I. https://www.nasa.gov/columbia/home/CAIB_Vol1.html