Авария «Прогресса»: хроника, матчасть и версии

engineering_ru — 05.05.2015 — Технологии
28 апреля к МКС стартовал "Прогресс М-27М". Это был уже 150 пуск "Прогресса" и 59 миссия снабжения МКС. Старт и первые минуты полета прошли успешно, и корабль был выведен на орбиту, но сообщения об успешном выведении быстро сменились новостями о проблемах на борту. Количество и серьезность называемых проблем росли, и, спустя сутки, стало ясно, что корабль потерян окончательно. В настоящее время "Прогресс" с севшими батареями, неконтролируемо вращаясь, постепенно тормозится атмосферой Земли, и, по последним данным, сойдет с орбиты 7-11 мая. Пока не обнародованы официальные результаты расследования, самое время восстановить хронологию событий, разобраться в технике и попытаться проанализировать возможные версии аварии.

Хронология

Хронология событий рассказывается без послезнания, чтобы нагляднее показать, как менялись новости и восприятие событий.
"Прогресс М-27М" стартовал 28 апреля 2015 года в 10:09:50 (здесь и далее всё время московское):



Спустя девять минут в прямой трансляции ЦЭНКИ прошло сообщение об успешном выведении корабля и его отделении от третьей ступени ракеты-носителя. Новостные агентства опубликовали дежурные сообщения об успешном выведении и перешли к другим текущим новостям.
Те, кто смотрели трансляцию NASA-TV, могли видеть, что на экране ЦУПа на несколько минут показалось окно системы автоматической стыковки "Курс". Также, по сообщениям диктора, ЦУП ожидал подтверждения по телеметрии раскрытия антенн и солнечных батарей корабля. Спустя пять минут появилась информация, что солнечные батареи успешно раскрыты, но всё еще нет подтверждения раскрытия антенн. "Прогресс" ушел из зоны видимости наземных пунктов. Спустя примерно полчаса по НАСА-ТВ сообщили об отсутствии подтверждения раскрытия всех антенн "Курса", и, поэтому, вместо шестичасовой схемы стыковки с МКС корабль перешел на двухсуточную.
В 10:35 агентство "Интерфакс" сообщило об отсутствии телеметрии и, в 10:42 ТАСС опубликовало новость о переходе на двухсуточную схему стыковки. В 10:54 "Интерфакс" сообщил о "выведении на 30 км выше нужной орбиты". Вся эта информация базировалась на тех данных, которые ЦУП успел получить после разделения - "Прогресс" должен был появиться в зоне видимости в районе 11:30.
В 11:40 появились первые открытые данные об орбите "Прогресса" от NORAD:

40619 / 2015-024A: 127x251 км, 51.6°
40620 / 2015-024B: 123x306 км, 51.7°

Данные были, прямо говоря, пугающими. Параметры орбиты сильно отличались от штатных 193(± 2)х238(± 5) км. Также, с перицентром 127 км "Прогресс" мог "зарыться" в атмосферу уже через несколько витков.
В районе 11:47 появилась картинка системы "Курс", которую показывали в ЦУПе и ретранслировало NASA-TV:



Появление картинки воспринялось как успешный выход "Прогресса" на связь, и было ретранслировано новостными агентствами.
В 12:44 появилась дивная новость о "несинхронизированной работе двигателя третьей ступени". Что с чем должно было синхронизироваться, журналисты сообщить не пожелали, впрочем, спустя некоторое время, в новость было добавлено более-менее понятное объяснение, конечно же, не имеющее отношения к какой бы то ни было синхронизации.
В районе 13 часов включилась трансляция ЦУПа, в которой были показаны уже другие параметры орбиты:



Несовпадение данных еще сильнее запутало картину. Какая орбита верная? А другие неисправности? Есть ли телеметрия? Раскрылись ли антенны? Тем более, что ТАСС передало сообщение о том, что ЦУП не располагает информацией о нераскрытии антенн.
В 13:30, когда "Прогресс" был на третьем витке, появилась информация об отсутствии телеметрии с борта.
На четвертом витке в районе 14:50 на трансляции NASA-TV появилась картинка с камеры "Курса" (до этого она, скорее всего, была выключена, что объясняет черный фон на дневной стороне орбиты), на которой было ясно видно, что корабль вращается по рысканию и тангажу одновременно:



Кроме этого комментатор сообщил о многочисленных отказах датчиков угловых скоростей и том, что ЦУП передал на борт команду запрета на попытки поддержания ориентации в пространстве (очевидно, чтобы система управления не могла раскрутить корабль еще сильнее из-за неверной работы датчиков, системы управления или двигателей).
Позже NASA-TV сообщило, что в конце участка связи на четвертом витке ЦУП Москвы передал команды на борт для остановки вращения корабля. Также, из-за того, что маневр на сближение с МКС не мог быть выполнен вовремя, стыковка по двухдневной схеме была отменена.
На пятом витке ни передать команды, ни получить полноценную телеметрию не удалось. "Прогресс" ушел на "глухие витки", и связь с ним могла быть установлена только 29 апреля.
Вечером 28 апреля NORAD подтвердило свои первоначальные данные орбиты "Прогресса" с перигеем 120 км. Что уже не лезло ни в какие ворота, потому что с таким низким перигеем корабль не может существовать дольше нескольких витков. Впрочем, ночью 29 апреля пришло исправление данных с нормальным перигеем в 180 км. Одной загадкой стало меньше.
Первый сеанс связи 29 апреля должен был состояться в 03:50. В пять утра пришло сообщение ТАСС, что попытка прошла неудачно. Второй сеанс в пять утра также окончился неудачей. В прессе появилась информация о возможном сведении корабля с орбиты. Как это можно было бы сделать с очевидно неуправляемым кораблем, осталось загадкой. Отдельным небольшим скандалом стала история с копией Знамени Победы, которая, очевидно, не сможет попасть на МКС, однако, как выяснилось, она уже была доставлена на МКС в марте с "Союзом". Также, в течение 29 апреля шли новости о возможных попытках ручного управления "Прогрессом" с МКС по системе телеоператорного радиоуправления ТОРУ.
Днем 29 апреля прошла информация, что попыток связаться с кораблем больше не будет.
Также, 29 апреля появилась информация об обнаружении 44 обломков неизвестного происхождения недалеко от "Прогресса". А радиолюбитель R4UAB (Дмитрий Пашков) зафиксировал работу бортового радиокомплекса "Квант-В". Эта система служит для передачи команд на борт и получения землей телеметрической информации.
Ну и, наконец, вечером 29 апреля состоялась пресс-конференция Роскосмоса, на которой озвучили новые данные и признали потерю корабля.
1 мая космонавты на МКС сфотографировали пролетавший на две сотни километров ниже "Прогресс", чтобы попытаться визуально определить повреждения. К сожалению, несмотря на телеобъективы, картинка получилась недостаточно информативной:



По состоянию на вечер 4 мая корабль достаточно активно теряет высоту:



Похоже, что корабль сгорит в атмосфере раньше, чем ожидалось, в районе 8 мая.

Факты

На пресс-конференции Роскосмоса были озвучены следующие факты:

• Пуск и полет корабля до участка отделения от третьей ступени проходил штатно.


• За 1,5 секунды до расчетного времени разделения пропала телеметрическая информация.


• Впоследствии было установлено, что отделение "Прогресса" от третьей ступени прошло своевременно.


• Работоспособность телеметрии была частично восстановлена. В результате стало известно, что часть агрегатов функционирует в нештатном режиме.


• Корабль вращается со скоростью примерно 90° в секунду.


• Корабль имеет апоцентр примерно на 30 км выше расчетной орбиты, ступень - примерно на столько же ниже.


• Топливная система негерметична.


• Наблюдаются отказы отдельных узлов и агрегатов корабля.


• Безопасная стыковка корабля с МКС не представляется возможной.


• Угрозы для МКС нет.

Кроме этого, по открытым источникам и неофициальной информации от людей, работающих в отрасли, удалось установить:

Расшифровка данных "Курса":



Экран "Курса" появляется сразу после выведения, на первом витке (правый верхний экран ЦУПа). Почти наверняка внизу видна метка аварии, но экран показывается издалека и слишком короткое время, чтобы уверенно делать какие-то выводы. Зато на втором витке периодическая помеха на картинке говорит, что с вероятностью 95% корабль вращался с примерно такой же, как и на четвертом витке, угловой скоростью.

Первые три орбиты корабля. Желтым выделены зоны видимости наземных пунктов управления:

Матчасть

Корабль "Прогресс". Учитывая все модификации, это был уже сто пятидесятый запуск. А авария с потерей корабля всего лишь вторая. Первый случай произошел в 2011 году, когда "Прогресс М-12М" не был выведен на орбиту из-за отказа третьей ступени ракеты-носителя "Союз-У".
На корабле расположены пять антенн системы "Курс":



Камера, "глазом" которой мы видели вращение, расположена внизу корабля аналогично перископу "Союза". На фото отмечена стрелкой:



Т.е. с точки зрения корабля, он вращался по часовой стрелке.
Видео подготовки к пуску потерпевшего аварию корабля:



Ракета "Союз-2.1а". В отличие от "Прогресса", ракета сравнительно новая. Является развитием РН "Союз-У". Первый полет совершила в 2004 году. Модификации 2.1а и СТ-А (версия для космодрома Куру) совершили 22 полета, все модификации - 46 полетов. За время эксплуатации было две аварии по вине разгонного блока и одна авария модификации 2.1б из-за нештатной работы двигателя третьей ступени. Аварий по причине отказа третьей ступени модификации 2.1а не было.
Третьи ступени различных модификаций "Союза":


Третья ступень, еще одна схема:


Модификации третьей ступени отличаются, главным образом, двигателем. На 2.1а стоит давно использующийся, надежный и освоенный РД-0110, а на 2.1б - более новый, с улучшенными характеристиками, РД-0124.

Циклограмма:


Разделение. Незадолго до того, как корабль выходит на заданную орбиту, двигатель третьей ступени начинает процесс выключения. Ракетный двигатель нельзя выключить мгновенно, у него есть т.н. "импульс последействия", который добавляет немного скорости и учитывается системой управления. После того, как двигатель выключен, срабатывают пирозамки, которые отделяют корабль от третьей ступени. Пирозамок - это замок, который открывается при срабатывании пиропатрона. В таком случае, в отличие от разрывных болтов, меньше встряска корабля. После отделения корабля, третья ступень открывает дренажный клапан бака окислителя и уходит в сторону на его оставшемся давлении. Процесс отделения хорошо виден на видео пуска спутника "Sentinel-1A" в Куру. Ракета-носитель - "Союз СТ-А", фактически, 2.1а с модификациями для Куру.

Версии аварии

Версия 1. Разрушение бака горючего третьей ступени. Самый вероятный вариант. Верхняя часть ступени разрушается, осколки секут агрегатный отсек "Прогресса", выводя из строя топливопроводы, антенны и прочие блоки. Избыточное давление отбрасывает ступень назад, а, корабль, соответственно, вперед, в результате чего корабль оказывается выше своей орбиты, а ступень ниже. Разрушение ступени выводит из строя ее блок телеметрии или антенны (они расположены в верхней части ступени), что объясняет пропадание телеметрии. Вращение корабля можно объяснить неравномерным истечением топлива из пробитых топливопроводов.
Проблема: Нужно найти причину разрушения бака. В конце работы ступени там практически нет топлива, это снижает нагрузку на нижнюю стенку бака, но может вырасти вибрация. Почему бак не разрушился в первые секунды полета? Также, запаса и давления газа в баке может физически не хватить для того, чтобы изменить орбиты ступени и корабля на 30 км каждую.

Подверсия. Диверсия. Бомба, подложенная диверсантом, прекрасно объясняет, "почему" взорвалась ступень, но создает гораздо более сложный вопрос - "зачем"? Идти на очень большой риск (бомбу надо подложить незаметно, ее потом могут обнаружить при проверках) ради того, чтобы взорвать консервы, баки с водой, влажные салфетки и пижамы для гражданских космонавтов? На мой взгляд это полный абсурд.



Версия 2. Разрушение двигателя. Наличие турбонасосного агрегата, который работает под нагрузкой, может логично объяснить взрыв с образованием опасных осколков. Также возможен вариант неверного закрытия клапанов, в результате чего может произойти прогар или взрыв не только в турбонасосном агрегате, но и в камере сгорания.
Проблема: Почему корабль и ступень разлетелись в разные стороны? Если бы осколки разлетались с нижней части ступени, логично было бы предположить равномерное или направленное большей частью вниз истечение газов из баков, что не согласуется с наблюдаемой картиной. Также, процесс неверного выключения двигателя должен был попасть на телеметрию до ее исчезновения.



Версия 3. Раннее отделение. Допустим, процесс разделения почему-то начался при еще работающем двигателе. В этом случае корабль получил импульс, "подпрыгнул" над ступенью, а затем ступень догнала корабль и врезалась в него, помяв агрегатный отсек.
Проблема: Это должно было быть заметно по телеметрии. Процесс сравнительно медленный, может занять до нескольких секунд и просто обязан попасть на телеметрию.



Версия 4. Разрушение агрегатного отсека "Прогресса". Объясняет проблемы корабля, но имеет фундаментальные недостатки:

• До отделения "Прогресс" условно "спит", у него не наддуты топливные баки, чему взрываться?


• Почему взрыв на "Прогрессе" выключил телеметрию на ступени? Получить тяжелые и опасные осколки от корабля гораздо сложнее.

Версия 5. Нарушение процедуры отделения. Представим, что "Прогресс" отделился лишь частично, повиснув на одном или нескольких замках. Начавшийся дренаж ступени стал раскручивать связку. Центробежная сила поломала замки, корабль и ступень разлетелись в стороны, силовое разделение повредило агрегатный отсек "Прогресса".
Проблемы:

• Процесс очень медленный, должен попасть на телеметрию.


• Не факт, что давления в баке окислителя хватит на раскрутку тяжелой связки.


• Разница орбит требует, чтобы разрыв произошел, когда корабль будет строго спереди, а ступень - сзади, что при вращении не очень вероятно.


• Сломавшийся замок не означает обязательного повреждения агрегатного отсека.

Заключение

Комиссия по расследованию аварии должна представить результаты до 13 мая. Надеюсь, причина аварии будет обнаружена, и в дальнейшем такого типа аварий больше не будет.
Не сочтите за цинизм или сарказм, но в том, что эта авария случилась, есть хорошая сторона. Ракета "Союз-2.1а" сравнительно новая, и на нее когда-нибудь пересядут пилотируемые "Союзы". Представьте, что такая авария случится с живыми людьми. Космонавтам придется срочно разбираться, что происходит, устранять начинающееся вращение, определять потерянные и оставшиеся ресурсы. Срочно садиться? Но посадка будет в южной части Тихого океана, это значит аварийное приводнение и ожидание спасения часами и сутками. Ждать хотя бы один виток? Но топливо утекает, что если оно совсем кончится? А если неисправны двигатели? Как тормозить и садиться? А на многодневное ожидание естественного торможения может не хватить электричества или кислорода. В любом варианте получается страшная картина. И не факт, что из такой переделки вообще возможно выбраться живыми. А сейчас, и разработчики, и производственники проведут расследование, и есть надежда, что такая страшная опасность не будет больше никому угрожать.

Список использованных источников

Кроме указанных в тексте в качестве ссылок использовались:

• Тема на форуме журнала "Новости Космонавтики". Журнал сейчас находится в крайне тяжелом положении, вы можете его поддержать, купив прошлые номера в электронном виде. Старые номера не становятся менее интересными от времени.


• Страница "Прогресса М-27М" на сайте Анатолия Зака.


• Прогноз по падению корабля на сайте Spaceflight 101.


• Сухая информация о "Прогрессе" от Александра Москаленко.


• Страница корабля на сайте ЦУПа.

По тегу "космические происшествия" - другие аварии и катастрофы, случившиеся и нет.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• По теме
• Архив