Какое ТЕБЕ дело до того, что думают другие?

Они предупреждают о том, что что-то не в порядке. Оборудование работает не так, как должно, а потому существует опасность того, что оно начнет работать с еще большими отклонениями, совершенно неожиданным и не до конца понятым образом. Тот факт, что ранее это не привело к катастрофе, не гарантирует, что катастрофа не произойдет в следующий раз, если только все это не будет понято до конца. При игре в русскую рулетку тот факт, что при первом нажатии на курок выстрела не последовало, ничуть не гарантирует того, что его не последует и при повторном нажатии на курок. Происхождение и следствия эрозии и прорыва газов не были поняты. Эрозия и прорыв газов не были одинаковыми во всех полетах и во всех стыках: иногда они были сильнее, иногда слабее. Почему не могло случиться так, что однажды, когда определяющие эти явления условия оказались подходящими, произошло их усиление, которое и привело к катастрофе?

Несмотря на эти изменения, которые происходили от случая к случаю, официальные лица вели себя так, словно они все понимают, приводя друг другу, на первый взгляд, логичные аргументы — зачастую ссылаясь на «успех» предыдущих полетов. Например, при определении, насколько безопасно осуществить полет 51-L в виду эрозии кольца во время полета 51-С, было замечено, что глубина эрозии была равна лишь одной трети его радиуса. Во время эксперимента, когда кольцо разрезали, обнаружилось, что разрезание кольца на глубину радиуса необходимо до его выхода из строя. Вместо того, чтобы начать беспокоиться из-за того, что изменения плохо понятых условий на этот раз вполне могут создать более глубокую эрозию, утверждалось, что «коэффициент безопасности равен трем».

Это весьма странный метод использования инженерного термина «коэффициент безопасности». Если мост строят для того, чтобы он выдерживал определенную нагрузку и чтобы его балки при этом не испытывали постоянную деформацию, не трескались и не ломались, то его могут спроектировать так, чтобы используемые материалы выдерживали нагрузку, фактически в три раза большую. Этот «коэффициент безопасности» необходим, чтобы учесть неопределенные превышения нагрузки, неизвестные перегрузки или слабые места материала, который может иметь непредвиденные дефекты и прочее. Но если новый мост подвергается ожидаемой нагрузке и на балке при этом появляется трещина, то это недостаток конструкции. В этом случае ни о каком коэффициенте безопасности не может быть и речи, даже несмотря на то, что мост не развалился, потому что балка треснула только на одну треть диаметра. В конструкции колец твердотопливных ракета-носителей эрозия не предусматривалась. Эрозия являла собой ключ, который указывал на какие-то неполадки. Эрозия не могла служить основой для вывода о безопасности.

Нет совершенно никакого способа, за исключением полного понимания, обрести уверенность в том, что в следующий раз не возникнет эрозия, в три раза большая, чем та, что была в прошлый раз. Тем не менее, официальные лица обманывали сами себя, считая, что они обладают подобным пониманием и уверенностью, несмотря на своеобразные изменения, происходившие от случая к случаю. Для вычисления эрозии была создана математическая модель. Однако эта модель основывалась не на физическом понимании, а на вычерчивании по точкам эмпирической кривой. В частности, предполагалось, что струя горячего газа ударяется о материал кольца, а тепло определяется в точке застывания (согласно разумным физическим законам термодинамики). Но, чтобы определить, насколько глубоко эродировала резина, допускалось, что эрозия изменяется как 0,58 степень от тепла, причем число 0,58 было получено с помощью самой близкой точки эмпирической кривой. Как бы то ни было, при подгонке других чисел было найдено, что модель совпадает с эрозией (на глубину одной трети радиуса кольца). В этом анализе нет ничего более ужасного, чем вера в полученный результат! Неопределенности просто переполняют созданную модель. Невозможно было предсказать силу струи газа; она зависела от размера отверстий, образовавшихся в замазке. Прорыв газов показал, что кольцо могло отказать, несмотря на то, что эрозия поразила его лишь частично. Всем была известна неопределенность эмпирической формулы, так как кривая проходила не прямо через данные точки, посредством которых она была найдена. Точек было целое облако: некоторые располагались в два раза выше, другие в два раза ниже нашей кривой, так что, исходя уже из одной этой причины, можно было предсказать эрозии, в два раза большие. Подобные неопределенности существовали и в отношении других констант в формуле и т.д., и т.п. Однако при использовании математической модели на неопределенности, в ней заложенные, следует обращать особое внимание.

Основные двигатели космического шаттла (ОДКШ)

Во время полета 51-L все три основные двигателя шаттла работали идеально, даже начиная останавливаться в последние мгновения, когда началось прекращение подачи топлива. Однако возникает вопрос, обнаружили ли бы мы — в случае отказа двигателей и столь же детального расследования причины этого отказа нами, какое мы провели для твердотопливных ракета-носителей, — подобное отсутствие внимания к недостаткам и снижение критериев безопасности. Другими словами, ограничивались ли те слабые места организации, которые внесли свой вклад в катастрофу, только сектором твердотопливных ракета-носителей или их можно было назвать общей характеристикой НАСА? В этой связи были исследованы основные двигатели космического шаттла и авиационная электроника. Однако подобного исследования орбитальной ступени или внешнего топливного резервуара проведено не было.

Двигатель представляет собой гораздо более сложную структуру, чем твердотопливный ракета-носитель, так что он требует гораздо более детальных инженерных разработок. В общем, эти разработки производят впечатление высококачественных, и, судя по всему, значительное внимание уделяется недостаткам и нарушениям, обнаруженным в работе двигателя.

Обыкновенно такие двигатели создаются (для военной или гражданской авиации) в виде так называемой составной системы, или по методу проектирования «снизу вверх». Прежде всего, необходимо полностью понять свойства и ограничения материалов, которые будут использоваться (например, для лопаток турбины), для чего на экспериментальных установках проводят специальные испытания. По получении необходимой информации начинают проектировать и по отдельности проверять более крупные детали (такие как подшипники). По мере обнаружения недостатков и ошибок проектирования их исправляют и проверяют на следующем этапе испытаний. Поскольку испытывают только детали, то испытания и модификации обходятся не слишком дорого. Наконец, дело доходит до окончательной конструкции всего двигателя согласно заданным техническим условиям. К этому времени уже высока вероятность того, что двигатель будет работать нормально или что любые отказы можно будет с легкостью устранить и проанализировать, потому что виды отказа, ограничения материалов и тому подобное абсолютно ясны. Существует очень высокая вероятность того, что модификации, которые будут сделаны, чтобы устранить сложности, присутствующие в окончательной конструкции двигателя, окажутся не слишком трудоемкими, так как большая часть серьезных проблем уже была обнаружена и решена ранее, на более дешевых этапах процесса.

Основной двигатель космического шаттла был спроектирован иначе — «сверху вниз», так сказать. Все детали двигателя проектировались и составлялись в одно целое одновременно при относительно небольшом детальном предварительном изучении материалов и составляющих. Но сейчас, когда обнаруживаются неполадки в подшипниках, лопатках турбины, трубах для подачи охлаждающей жидкости и т.п., обнаружить причины всего этого и внести какие-то изменения гораздо сложнее и дороже. Например, на лопатках турбины кислородного турбонасоса высокого давления были обнаружены трещины. Вызваны ли они дефектами материала, влиянием кислородной атмосферы на свойства материала, температурными напряжениями, появляющимися при запуске или остановке, вибрациями и напряжением, создающимися в процессе нормальной работы, или, главным образом, неким резонансом, возникающим при определенных скоростях или чем-то еще? Сколько времени может работать насос от появления трещины до отказа по причине ее появления, и как это зависит от уровня мощности? Использовать весь двигатель в качестве испытательного стенда для разрешения подобных вопросов чрезвычайно дорого. Никто не желает терять целые двигатели, чтобы узнать, где и каким образом возникает проблема. Тем не менее, точное знание этого факта необходимо для появления уверенности в надежности двигателя при его использовании. Без полного понимания о такой уверенности не может быть и речи.

Следующий недостаток метода проектирования «сверху вниз» состоит в том, что, если достигнуто понимание неисправности, простое ее устранение — например, новая форма корпуса турбины — может оказаться невозможным без изменения конструкции всего двигателя.

Основной двигатель космического шаттла — совершенно замечательный механизм. Отношение силы тяги, создаваемой им, к его весу больше, чем у какого-либо предыдущего двигателя. Он создан на грани — за которую, в некоторых отношениях, даже выходит — предыдущего инженерного опыта. А потому, как и можно было ожидать, в нем присутствует много разнообразных недостатков и сложностей. И, поскольку, к несчастью, он был спроектирован по варианту «сверху вниз», эти недостатки сложно обнаружить и исправить. Цель создания двигателя со сроком службы, достаточным для выполнения 55 заданий (27 000 секунд работы либо в каждом задании длительностью по 500 секунд, либо на испытательном стенде), достигнута не была. Сейчас двигатель требует очень частого ремонта и замены важных деталей, таких как: турбонасосы, подшипники, корпуса из листового металла и т.п. Топливный турбонасос высокого давления нужно заменять через каждые три или четыре испытания, эквивалентные заданию (хотя эту проблему можно устранить), а кислородный турбонасос высокого давления — через каждые пять или шесть. Все это составляет максимум 10 процентов технических условий исходной конструкции. На самая главная наша забота — это определение надежности.

За 250 000 секунд работы основные двигатели отказывали, вероятно, раз 16. Инженеры уделяют особое внимание этим отказам и стараются исправить их максимально быстро с помощью изучения испытаний на специальных установках, спроектированных специально для рассматриваемого недостатка, а также тщательной проверки двигателя для обнаружения ключей, способных дать ответ (например, трещин), и их серьезного изучения и анализа. Таким образом, несмотря на сложности конструкции, спроектированной «сверху вниз», благодаря тяжелой работе, множество проблем, судя по всему, были решены.

Список некоторых проблем (и их состояния):

Трещины лопаток турбины в топливных турбонасосах высокого давления (ТТНВД). (Возможно, решена.)

Трещины лопаток турбины в кислородных турбонасосах высокого давления (КТНВД). (Не решена.)

Пробой линии форсажного искрового воспламенителя (ФИВ). (Возможно, решена.)

Отказ контрольного вентиля для выпуска газов. (Вероятно, решена.)

Эрозия корпуса ФИВ. (Вероятно, решена.)

Растрескивание листового металла корпуса турбины ТТНВД. (Вероятно, решена.)

Повреждение футеровки труб для охлаждения ТТНВД. (Вероятно, решена.)

Отказ выходного коленчатого патрубка основной камеры сгорания. (Вероятно, решена.)

Смещение сварного шва входного коленчатого патрубка основной камеры сгорания. (Вероятно, решена.)

Субсинхронный вихрь КТНВД. (Вероятно, решена.)

Система аварийного отключения ускорения полета (частичный отказ системы с резервированием). (Вероятно, решена.)

Растрескивание подшипников. (Частично решена.)

Вибрация с частотой 4 000 герц, которая приводит некоторые двигатели в нерабочее состояние. (Не решена.)