Awarie statków kosmicznych: część II

W pierwszej części tego artykułu przyjrzeliśmy się kilku awariom pojazdów kosmicznych. W tej części przyjrzymy się kolejnym czterem przypadkom oraz krótko omówimy, w jaki sposób można je wykryć, a w konsekwencji nawet im zapobiec.

Mars Climate Orbiter

Czy zdarza Ci się popełniać błędy przy przeliczaniu jednostek z dwóch różnych systemów? Właśnie to przydarzyło się inżynierom pracującym nad Mars Climate Orbiter – bezzałogową sondą kosmiczną wystrzeloną w 1998 roku przez NASA w celu badania klimatu Marsa. Sonda miała wejść na orbitę planety we wrześniu 1999 roku.

Podczas lotu na Marsa jeden z manewrów korekty trajektorii ustawił statek kosmiczny na kursie odbiegającym od planowanego. Nie uznano jednak tego za poważny problem – według dostępnych obliczeń trajektoria nadal miała pozwolić orbiterowi wejść na orbitę Marsa na wysokości, która umożliwiałaby bezpieczne przejście przez atmosferę planety.

Po awarii okazało się, że obliczenia uwzględniające błędny manewr były zaniżone, a rzeczywista wysokość orbity była niższa, niż zakładano. Podczas wejścia na orbitę kontakt z orbiterem został utracony, gdy sonda znalazła się za planetą, jednak łączności nigdy już nie udało się odzyskać.

Jak się okazało, jeden z kluczowych programów obliczających impulsy pracy silników manewrowych podawał wyniki w jednostkach systemu amerykańskiego (US customary units), podczas gdy inny system oczekiwał danych w jednostkach układu SI. Doprowadziło to do błędnego przewidywania położenia statku kosmicznego, a w konsekwencji do jego zniszczenia w atmosferze – sonda weszła w nią zbyt szybko i na zbyt niskiej wysokości, gdzie opór aerodynamiczny odgrywał już bardzo dużą rolę.

Katastrofy Challengera i Columbii

Te dwie katastrofy należą do najsmutniejszych w historii lotów kosmicznych, ponieważ w tych wypadkach zginęło czternaście osób.

Katastrofa Challengera miała miejsce w lutym 1986 roku. Jak wiadomo, cały Space Transportation System składał się z orbitera, zbiornika ciekłego paliwa i utleniacza oraz dwóch bocznych rakiet na paliwo stałe (solid rocket boosters). W przemyśle kosmicznym każdy system ma określone warunki pracy, w których inżynierowie mają pewność, że urządzenie działa prawidłowo. Jednym z takich kluczowych parametrów w tym przypadku była temperatura otoczenia. Poranek w dniu startu był bardzo zimny – na tyle, że temperatura znajdowała się poza zakresem operacyjnym bocznych boosterów, które zostały wyprodukowane przez firmę Thiokol. Inżynierowie z firmy produkcyjnej nie chcieli przeprowadzać startu, jednak NASA naciskała (z powodów politycznych), więc ostatecznie uznano, że są „gotowi” do startu.
Niestety ich obawy się potwierdziły – jeden z boosterów uległ awarii w trakcie lotu, co doprowadziło do zniszczenia orbitera i śmierci całej załogi.

Po dochodzeniu przeprowadzonym przez specjalną komisję – w której ważną rolę odegrał znany fizyk Richard Feynman – okazało się, że jedna z uszczelek O-ring łączących segmenty bocznego boostera na paliwo stałe (SRB) uległa awarii z powodu niskiej temperatury. Uszczelka nie była w stanie odpowiednio się rozszerzyć i uszczelnić połączenia segmentów tak skutecznie jak w standardowych warunkach. W rezultacie część gorących gazów wylotowych zaczęła wydostawać się bokiem boostera, a powstały otwór powiększał się w trakcie lotu.
W pewnym momencie uszkodzeniu uległ element mocujący booster do zewnętrznego zbiornika paliwa, przez co booster obrócił się i uderzył w zbiornik. Doprowadziło to do eksplozji pojazdu.

W kolejnych lotach wahadłowców system gumowych uszczelek O-ring został przeprojektowany, aby zapewnić skuteczniejsze uszczelnienie pomiędzy segmentami. Dodatkowo zmieniono procedury, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu podobnego wypadku. Komisja zaleciła m.in. poprawę komunikacji między kierownictwem a inżynierami. Ponadto utworzono nowy panel doradczy oraz biuro ds. bezpieczeństwa.

W 2003 roku doszło do katastrofy Columbii. Podczas startu fragment pianki izolacyjnej oderwał się od zewnętrznego zbiornika paliwa i uszkodził system ochrony termicznej na krawędzi natarcia lewego skrzydła wahadłowca.

Wstępna ocena uszkodzeń, przeprowadzona jeszcze podczas pobytu na orbicie, wskazywała, że nie są one poważne i nie powinny budzić większych obaw. Uderzenie fragmentu pianki porównywano do podobnych zdarzeń z wcześniejszych misji, w których nie doszło do poważnych konsekwencji, a symulacje często przeceniały skalę uszkodzeń. Niestety, jak się później okazało, uszkodzenia były poważne, a osoby zgłaszające obawy miały rację. Po zakończeniu misji, podczas ponownego wejścia w atmosferę Ziemi, gorące gazy zaczęły przenikać przez uszkodzoną osłonę termiczną, co doprowadziło do stopienia wewnętrznej aluminiowej konstrukcji skrzydła. W rezultacie z orbitera zaczęły odpadać fragmenty konstrukcji, aż pojazd rozpadł się nad terytorium kontynentalnych Stanów Zjednoczonych.

Te dwie tragiczne katastrofy były jednymi z wielu powodów, dla których program Space Shuttle zakończono w 2011 roku – załoga nie miała żadnej możliwości ucieczki w przypadku poważnej awarii. Późniejsze pojazdy, których NASA używa do transportu astronautów na orbitę, takie jak Dragon firmy SpaceX, Starliner firmy Boeing czy Orion NASA, posiadają systemy ratunkowe dla załogi, które umożliwiają oddzielenie kapsuły od rakiety w sytuacji zagrożenia. Jednak nadchodzący pojazd Starship firmy SpaceX nie będzie posiadał klasycznego systemu ratunkowego. Jedyną formą „ucieczki” ma być w praktyce drugi stopień statku, który – zgodnie z planami – nie będzie w pełni zatankowany, dzięki czemu w razie potrzeby będzie mógł oddzielić się od pierwszego stopnia i kontynuować lot samodzielnie.

Awaria startu Proton-M

Proton to rosyjska rakieta, która regularnie wynosi na orbitę satelity i różnego rodzaju ładunki. Start, który miał miejsce w 2013 roku, był jednym z takich lotów – Proton transportował trzy satelity nawigacyjne. Tuż po starcie z kosmodromu Bajkonur można było zauważyć, że rakieta zaczęła zbaczać z kursu i chwiać się na boki. Kilka sekund później niemal odwróciła się do góry nogami i zaczęła spadać w kierunku ziemi. Siły aerodynamiczne działające na rakietę doprowadziły do zniszczenia jej struktury, a pojazd rozpadł się jeszcze w powietrzu. Na ziemię spadło ponad siedemset ton szczątków, a toksyczne hipergoliczne paliwo rozlało się w okolicy. Fala uderzeniowa była tak silna, że wybiła szyby w pobliskich budynkach. Do dziś na zdjęciach satelitarnych można zobaczyć krater powstały w miejscu uderzenia.

Źródło:

Była to awaria, której można było łatwo uniknąć dzięki właściwej kontroli zmontowanej rakiety. Po przeprowadzeniu dochodzenia okazało się, że wszystkie trzy wewnętrzne jednostki pomiarowe (IMU) dla osi yaw zostały zamontowane nieprawidłowo – do góry nogami. Co więcej, nie był to zwykły błąd montażowy. Elementy te zostały zaprojektowane w taki sposób, aby uniemożliwić ich nieprawidłową instalację. Mimo to zostały wbite na siłę, prawdopodobnie nawet przy użyciu zwykłego młotka. Dodatkowo znajdowała się na nich strzałka wskazująca prawidłowy kierunek lotu. Niezależnie od tego wszystkiego, według inspektora kontroli jakości wszystko było w porządku.

I oczywiście wszystko zostało zatwierdzone jako gotowe do lotu. Czy można było temu zapobiec? Z łatwością – wystarczyłaby właściwa kontrola oraz test odczytów jeszcze na stanowisku startowym. W takim teście jednostki IMU musiałyby wskazać, że rakieta jest skierowana w dół, co oczywiście nie było prawdą, gdy stała pionowo na wyrzutni. Dlaczego więc nikt nie zareagował? Czy był to po prostu błąd przeoczenia? Najprawdopodobniej tak – ktoś tego nie zauważył. Jednak oprogramowanie również nie zareagowało.

Jak wykryć ewentualne problemy?

W przeszłości wykrywanie uszkodzeń lub nieprawidłowo działających elementów czy oprogramowania było bardzo trudne. Jednak dziś, wraz z ciągłym zmniejszaniem się rozmiarów systemów elektronicznych i rosnącą mocą obliczeniową komputerów pokładowych, próby wykrywania problemów ze statkiem kosmicznym są znacznie łatwiejsze.

Jednym z takich systemów jest autorska technologia Scanway o nazwie SCS – Scanway Camera System. Jest to system zaprojektowany do wykrywania wszelkich uszkodzeń obserwowanej części lub systemu.

Działa w oparciu o sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe. System jest stale zasilany danymi z wielu czujników podczas pracy satelity. Gdy pojawi się anomalia, potrafi automatycznie ją wykryć i poinformować o tym użytkownika.

Jedną z konfiguracji SCS jest VIBE – Vision Inspection Boom Experiment, czyli wysięgnik rozkładany ze statku kosmicznego. Umożliwia on inżynierom zamontowanie na wysięgniku kamery, która może obserwować różne elementy statku kosmicznego, takie jak panele słoneczne czy dysze silników. System w sposób ciągły analizuje obserwowane komponenty, dzięki czemu w przypadku pojawienia się uszkodzenia natychmiast wysyła sygnał ostrzegawczy.

Jedną z zalet systemu SCS jest jego niewielki rozmiar, łatwość integracji ze statkiem kosmicznym oraz możliwość dostosowania do indywidualnych potrzeb.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o systemie SCS, skontaktuj się z nami mailowo: space@scanway.pl.