Ошибки мировой космонавтики

Программный токораспределитель

На проводах частично отделилась изоляция, и они стали задевать друг друга, несвоевременно замыкая цепи и запуская команды. Прибор требовал замены.

Чтобы уложиться в сроки, руководство решило не снимать токораспределитель, а отложить старт и сбросить систему на начало работы, а неверные команды выполнить вручную. Сливать топливо и отключать электропитание не стали.

Как и часы, токораспределитель не мог идти назад, поэтому, чтобы установить его параметры на начало, инженерам требовалось прогнать прибор по всему циклу заложенных в него последовательных команд. Так как электрические цепи работали, когда токораспределитель дал команду на включение двигателя второй ступени, он включился, как и было положено. Пламя от него прожгло бак с топливом первой ступени, и начался сильнейший пожар. Самовоспламеняющееся топливо, растекаясь от ракеты с большой скоростью, мгновенно начинало гореть. В это время на стартовой площадке было около 120 человек, и далеко не всем удалось скрыться от адского пламени. Среди погибших был главный маршал артиллерии Митрофан Иванович Неделин, присутствовавший на старте, поэтому этот трагический случай иногда называют «неделинской катастрофой».

После этого была проведена огромная работа над ошибками. В первую очередь руководители космических запусков запретили работать на заправленной ракете. Топливо должно быть слито. Токораспределитель доработали, а также были усовершенствованы системы отключения питания при коротких замыканиях (проще говоря, предохранители).

Тем не менее это не давало гарантий того, что не возникнут новые ошибки. 11 февраля 1985 года на долговременной орбитальной станции «Салют-7» произошел скачок напряжения первого комплекта передатчика системы дальней радиосвязи. Он был автоматически отключен от питания. По сути, механизм похож на выбивание пробки в электрическом щитке. В дело вступил второй (резервный) комплект. На стации в это время космонавтов не было, но полет продолжился. На Земле в Центре управления полетами специалисты заметили отказ, но дело было в конце рабочей смены, поэтому предпринимать ничего не стали, а только передали информацию заступившим на службу коллегам. Те, в свою очередь, вместо того чтобы разобраться, в чем дело, решили включить основной комплект. Это было нарушением инструкции, согласно которой на это сначала должен был дать добро специалист по токовой защите – космический электрик.

Логика операторов ЦУПа была проста: если проблема несерьезная, то передатчик запустится и продолжит работу; если же проблема не решалась сама собой, то «пробки» сработают еще раз. Это решение привело к катастрофическим последствиям. Сразу возникло короткое замыкание, но бортовая автоматика повторно не отключила неисправный передатчик. Из-за резкого возрастания тока потребления начали перегорать соседние системы. Это было похоже на то, что происходит, когда дома одновременно работают утюг, микроволновка, чайник, компьютер, телевизор, вентилятор, телефон и еще с десяток приборов. Первой закоротило систему связи. Ток свыше 100 ампер не только выводил из строя приборы, но и быстро разрядил аккумуляторы. Без энергии оказались резервные передатчики всех систем связи и, вероятно, целый ряд систем жизнеобеспечения. Правда, что конкретно вышло из строя, узнать было нельзя.

Систему связи починить было несложно, но только при наличии человека на борту. Тогда в СССР началась подготовка амбициозной операции по спасению «мертвой станции». Экипаж корабля «Союз Т-13» в составе Владимира Джанибекова и Виктора Савиных должен был, во-первых, в ручном режиме состыковаться с неуправляемым вращающимся объектом в космосе, и во-вторых, заменить на борту станции радиопередатчик и подключить дешифратор, а также шагнуть в неизвестность и попробовать починить то, что могло быть сломано. Пожалуй, это была самая сложная задача в истории космонавтики, поставленная экипажу еще до старта. Тем не менее космонавты с ней справились блестяще, хотя дополнительно выяснилось, что на «Салюте-7» не работали вентиляторы, была разгерметизирована система водоснабжения, температура упала ниже нуля. А риск короткого замыкания и пожара был просто колоссальным – особенно когда космонавтам удалось нормализовать температуру и начал таять иней, которым покрылась вся станция. Хотя станция ожила, проработать долго ей было не суждено.

Другая долговременная орбитальная станция (ДОС № 3), которая получила имя «Космос-557», вышла из строя уже на первом витке вокруг Земли из-за неверной логики работы системы ориентации. Три двигателя должны создавать тягу в разных направлениях и тем самым разворачивать космический аппарат по трем осям. К ним подключается датчик ориентации, который дает команду разворачиваться в конкретную сторону. Например, инфракрасная вертикаль регистрирует тепло Земли. Если тепловое излучение планеты – с правой стороны от датчика, тот дает команду двигателям повернуть всю конструкцию направо, если Земля слева, то, соответственно, нужно поворачивать налево. В случае «Космоса-557» для определения положения Земли датчик использовал движение ионов в атмосфере и давал команду не одному двигателю, а сразу трем. От двигателей тоже шли ионы, которые датчик воспринимал неправильно и думал, что Земля находится не там, где она был на самом деле. Прибор был рассчитан для работы с помехами только от одного двигателя. Соответственно, он снова давал команду двигателям, и те разворачивали станцию. И опять ситуация повторилась. По словам Б. Е. Чертока, «Процесс напоминал поведение собаки, которая вертится, пытаясь поймать собственный хвост». На станции слежения это заметили, но, как назло, в кабинете специалистов был выключен телефон. Когда до руководителей полета дошла информация, уже было невозможно отключить работу системы ориентации, так как станция ушла из зоны радиовидимости. Когда с «Космосом-557» снова можно было выйти на связь, станция стала бесполезна, так как двигатели исчерпали топливо. Позже логика работы всей системы ориентации была переделана, а потом от ионных датчиков и вовсе отказались.

Еще одна такая же станция, получившая имя «Салют-3», была выведена на орбиту, но предполагаемая стыковка с ней космического корабля «Союз-15» не удалась также из-за автоматики. На этот раз система стыковки «Игла» неправильно воспринимала расстояние. Когда до станции было 350 м, автоматика решила, что расстояние равно 20 км. Как раз с такого расстояния режим работы должен переключаться на стыковку по методу параллельного наведения. Космонавты включили «Иглу», когда дистанция была намного меньше. Автоматика подумала, что станцию необходимо догонять, и включила двигатели на максимум. И с большой относительной скоростью корабль пролетел мимо «Салюта-3». По счастливому стечению обстоятельств аппараты не столкнулись. Космонавты Геннадий Сарафанов и Лев Дёмин не сразу сообразили, что произошло. Они развернули корабль и дали автоматике еще одну попытку. Результат был тот же – «Салют-3» и «Союз-15» с большой скоростью пролетели мимо друг друга, чуть не столкнувшись. Космонавты еще раз развернули корабль, и третья попытка тоже провалилась. Топлива на четвертую попытку или стыковку в ручном режиме уже не было. Космонавты вернулись на Землю, даже не подлетев к месту своей миссии. Инженеры проблему в автоматике исправили, сохранив ручной контроль действий машины. Если бы космонавты сразу обратили внимание на проблему и отключили автоматику, провести стыковку в ручном режиме было бы несложно.

За ориентацию и положение кораблей и ракет в пространстве чаще всего отвечают специальные гироскопы. Если заставить вращаться такой предмет, то потом ось его вращения не будет менять свое положение в пространстве. За это отвечает закон сохранения момента импульса. Этот эффект легко пронаблюдать у вращающейся юлы и у Земли. Ось волчка направлена вверх, а ось нашей планеты – на Полярную звезду. Времена года, положения звезд, Солнца и Луны меняются, люди учатся, создают семьи, меняют адреса, а ось смотрит на Полярную звезду. Вращающийся волчок тоже как планета. Его ось будет всегда направлена на его собственную Полярную звезду, а какую конкретно – можно выбрать, раскрутив его в нужном направлении. Если взять волчок в ракету, то, взглянув на ось его вращения, мы сразу поймем, где наша точка отсчета (Полярная звезда) и в каком положении относительно нее находится ракета, как бы она ни кувыркалась. Собственно, так работает простейший гироскоп.

Даже если на вращающееся тело действует некая сила, например сила тяготения, то ось начинает двигаться, но не абы как, а особым образом по кругу. Это движение называется прецессией, и ее тоже можно использовать для ориентации и навигации. С этим прибором связана ошибка первого срабатывания системы аварийного спасения (САС).

В систему входят датчики, двигательная установка и парашюты для посадки. Датчики регистрируют аномальное поведение ракеты-носителя, а двигательная установка, подобно катапульте, в случае угрозы отбрасывает спускаемый аппарат с космонавтами от ракеты-носителя. САС – важнейшая и необходимая для безопасности космонавтов система, которая спасла три экипажа. Она срабатывает в случае ручного запуска, резкого повышения температуры или при сильном отклонении от курса (более 7°) – например, если ракета будет наклоняться на стартовом столе или крениться в полете. Но однажды эта система, наоборот, стала причиной аварии.

Двигательная установка САС

14 декабря 1966 года с космодрома Байконур предполагался запуск беспилотного корабля «Союз 7К-ОК № 1». Во время старта после команды «Зажигание» двигатели заработали, но не на полную мощность, и ракета оставалась неподвижной на пусковом столе. Было принято решение остановить запуск, и инженеры отключили двигательные установки. На стартовом комплексе возникло небольшое возгорание, которое довольно быстро потушили. Начался процесс слива топлива. Тем временем САС продолжала работать и фиксировать положение ракеты в пространстве. Приблизительно через полчаса вследствие естественного вращения Земли ракета (впрочем, как и сам космодром) поменяла свое положение в пространстве. Гироскоп САС воспринял это как отклонение от вертикали и заваливание ракеты и дал команду на срабатывание системы. Запустились реактивные двигатели, и пламя от их сопел вызвало возгорание верхней (третьей) ступени. Огонь быстро распространился до первой ступени, и в итоге ракета взорвалась. Сами спускаемый аппарат и бытовой отсек с помощью штатно отработавшей САС были подняты на высоту около километра, где произошло отделение спускаемого аппарата, который спустился на парашюте.

Еще одна ошибка из-за вращения Земли, точнее, из-за смены дня и ночи, произошла при посадке корабля «Союз ТМ-5» с советским космонавтом Владимиром Ляховым и космонавтом Афганистана Абдулом Ахадом Момандом на борту. Маневр ориентации проходил, когда космический аппарат пролетал над границей дня и ночи. Инфракрасный вертикал ищет Землю по ее инфракрасному тепловому излучению и дает двигателям команду развернуться к планете. Днем и ночью интенсивности излучения от планеты заметно различаются, и датчик дал бортовому вычислителю два различных показания среднего значения интенсивности излучения для определения уровня фона и помех. На саму ориентацию эти данные не влияли, но компьютерная программа был написана так, что она выдавала ошибку в случае получения любых сильно отличающихся друг от друга показаний. В итоге двигатель не включился вовремя, и по инерции корабль перелетел нужное место посадки (об этой проблеме данного полета подробнее рассказывается в главе «Орбиты, инерция и гравитация»). На Земле быстро написали новую временную последовательность для возвращения на Землю, но в программе была ошибка. Бортовой компьютер взял из памяти другую временную последовательность, сделанную еще для предыдущего корабля, но в данном случае она не работала. Космонавтам пришлось все делать вручную. Пока они возились, автоматика, посчитав, что уже идет непосредственно посадка в атмосфере, дала команду на запуск таймера, по завершении отсчета которого произойдет отделение приборно-агрегатного отсека с двигателем. Это могло стать концом. Если бы двигатель отделился, то космонавты никак не смогли бы вернуться на Землю, прежде чем у них бы кончился кислород для дыхания. С учетом того, что бытовой отсек с системой жизнеобеспечения был отделен еще до возникновения всех этих проблем, конец наступил бы очень быстро. Все же в корабле имелась система ручного отключения разделения. Ей командир корабля и воспользовался. Вернуться на Землю космонавты смогли, но только на следующие сутки после устранения всех ошибок в программе.

За многими системами ракет-носителей человек уследить не может. Ими управляют компьютеры. Пока вычислительные машины были большого размера, инженеры использовали радиосвязь. Датчики регистрировали состояние ракеты или космического корабля. Информация передавалась на Землю. Компьютер обрабатывал данные и отправлял команды на борт. Позже для лунных пилотируемых программ инженеры разработали небольшие компьютеры для космической техники – бортовые центральные вычислительные машины (БЦВМ).

В их работе тоже было много нештатных ситуаций. Одна из них стала известна как «самый дорогой дефис в истории». «Маринер-1» была грандиозной миссией, основной задачей которой должен был стать полет автоматического зонда к Венере. Для обеспечения надежности помимо ручного управления по радиосвязи с Земли имелось программное обеспечение на борту для контроля курса. Старт начинался согласно плану, но на третьей минуте полета аппарат потерял синхронизацию радиосигнала с Землей. Как раз на этот случай и был предусмотрен автоматический контроль траектории. На «Маринере-1» автоматика не работала, и отклонение от курса возрастало. Когда стало понятно, что компьютер не исправит положение, во избежание неуправляемого падения ракеты было принято решение ее взорвать. Промежуток времени, когда полет к Венере возможен, достаточно мал, так что нужно было быстро найти неисправность и устранить ее, чтобы следующий аппарат «Маринер-2» работал исправно. Ошибку искали интенсивно и достаточно быстро нашли, но не одну. Во-первых, антенна наведения оказалась недостаточно мощной. Прием сигнала был неустойчив и несколько раз прерывался. Программа на борту «Маринера-1» стала игнорировать команды, едва различимые среди шума или приходящие с опозданием. В программе корректировки, как оказалось, была опечатка. Писавший пропустил макрон, или надчеркивание. Этот символ отвечал за работу функции сглаживания при расчете траектории. Если отклонения ракеты-носителя от курса были небольшими, программа должна была их пропускать и не учитывать. У руля есть конкретный минимальный шаг поворота, и, соответственно, он может изменить траекторию на определенный угол. Если отклонение ракеты-носителя меньше, чем угол, на который ракета-носитель может повернуться, то исправление траектории не поможет, а может даже ухудшить ситуацию. Так и произошло. Без сглаживания, обозначаемого макроном, автоматика воспринимала нормальные небольшие отклонения как очень серьезные, что вызывало лишние поправки, которые сбивали ракету с курса еще больше. На «Маринере-2» эту ошибку исправили оперативно, и вторая попытка совершить полет на Венеру была успешной.