Awarie w kosmosie: statki kosmiczne – część I

„Houston, mamy problem” — słysząc coś takiego pojawia się pytanie: co dalej? Niestety nawet w sektorze kosmicznym zdarzają się awarie, jednak kluczowe jest ich szybkie wykrycie i usunięcie.

Niektóre z nich wynikają z błędów na etapie projektowania, inne z nieprawidłowo zainstalowanych komponentów, a jeszcze inne są po prostu wynikiem pecha. W tym artykule opowiemy o awariach statków kosmicznych oraz o tym, jak można je identyfikować, zapobiegać im i je naprawiać.

Niektóre awarie pozostają niezauważone, ponieważ ich skutki są niewielkie — na przykład mogą dotyczyć jednego lub dwóch sensorów. Inne jednak są na tyle poważne, że trafiają do wiadomości na całym świecie. W tym rozdziale przyjrzymy się właśnie kilku takim przypadkom.

N1

Rakieta N1 była radzieckim odpowiednikiem amerykańskiej rakiety Saturn V. Jej celem było wyprzedzenie Stanów Zjednoczonych w wyścigu na Księżyc i jako pierwsze państwo wysłanie kosmonauty na naturalnego satelitę Ziemi.

Radzieccy konstruktorzy zaproponowali rakietę o średnicy 17 metrów u podstawy i wysokości 105,3 metra. W pierwszym stopniu zastosowano aż 30 silników, które były znacznie mniejsze niż amerykańskie silniki F-1. Sowieci nie potrafili wówczas rozwiązać problemów związanych z niestabilnością spalania (które są znacznie trudniejsze do opanowania w dużych silnikach), dlatego zdecydowali się na prostsze, choć mniej efektywne i mniej eleganckie rozwiązanie.

Sekcja silnikowa sama w sobie stanowiła poważny problem. Silniki zastosowane w rakiecie N1 nie mogły być testowane przed lotem (wykorzystywały proste, niezawodne, ale jednorazowe zawory pirotechniczne), przez co ewentualne problemy były bardzo trudne do wykrycia. Dodatkowo testowano jedynie jeden z trzech wyprodukowanych silników (były to oczywiście egzemplarze przeznaczone wyłącznie do testów produkcyjnych, a nie do lotu).

Podczas pierwszego startu problemy pojawiły się już sześć sekund po oderwaniu rakiety od ziemi. Wyłączono dwa silniki, a następnie doszło do wycieku paliwa, który spowodował pożar. Dodatkowo wystąpiło zwarcie elektryczne, a start zakończył się 68 sekund po rozpoczęciu misji (z planowanych 125 sekund pracy pierwszego stopnia), gdy komputer automatycznie wyłączył pierwszy stopień rakiety.

Rakieta wystartowała cztery razy (w lutym i lipcu 1969 roku, a następnie w 1971 i 1972 roku), jednak każdy start zakończył się niepowodzeniem. Podczas drugiego lotu awaria silników była tak poważna (tylko jeden silnik nie został wyłączony po pęknięciu przewodów paliwowych spowodowanym eksplozją turbopompy w jednym z silników), że rakieta przechyliła się i spadła na stanowisko startowe. Doszło wówczas do największej eksplozji spowodowanej przez człowieka (z wyłączeniem broni jądrowej) — eksplodowało niemal dwa tysiące ton paliwa rakietowego. Odbudowa kosmodromu zajęła około 1,5 roku. W tym czasie wyścig na Księżyc był już przegrany, dlatego program został na pewien czas wstrzymany.

Apollo 13

Te słowa, które pojawiły się na początku artykułu, zna niemal każdy. Zostały wypowiedziane w 1970 roku przez Jacka Swigerta, astronautę misji Apollo 13, po tym jak w module serwisowym statku eksplodował zbiornik tlenu. Samo uszkodzenie miało jednak swoje źródło znacznie wcześniej — podczas produkcji i testów zbiornika, na kilka miesięcy przed startem misji. Eksplozja spowodowała wyciek tlenu, uszkodzenie anteny komunikacyjnej oraz poważne problemy z zasilaniem elektrycznym.

Misja nie osiągnęła swojego głównego celu, czyli lądowania na Księżycu, jednak dzięki wspólnemu wysiłkowi i pomysłowości najlepszych inżynierów NASA udało się uratować życie całej załogi.

Kosmiczny Teleskop Hubble’a

Kosmiczny Teleskop Hubble’a został wyniesiony na orbitę w 1990 roku na pokładzie wahadłowca Discovery. Po rozpoczęciu pracy naukowcy szybko zauważyli jednak poważny problem – obrazy przesyłane przez teleskop nie były ostre i wyglądały na rozmyte. Okazało się, że przyczyną był błąd w wykonaniu jednego z luster. Co ciekawe, samo lustro zostało technicznie ukształtowane bardzo precyzyjnie, ale przy użyciu źle skalibrowanych instrumentów pomiarowych, przez co jego kształt odbiegał od idealnego w sposób, który znacząco pogarszał jakość obrazów.

Teleskop został naprawiony trzy lata później podczas misji serwisowej przeprowadzonej przez wahadłowiec Endeavour. Dopiero wtedy naukowcy i opinia publiczna mogli zobaczyć ostre i wyraźne obrazy, a teleskop zaczął w pełni realizować swoje naukowe możliwości.
Co ciekawe, nawet wcześniej – gdy obrazy były rozmyte – dane z Hubble’a były wykorzystywane do badań. Opracowano specjalne algorytmy przetwarzania obrazu, które pozwalały częściowo poprawić jakość danych i prowadzić analizy naukowe mimo ograniczeń instrumentu.

Był to problem, który mógł zostać stosunkowo łatwo wykryty jeszcze przed startem. Wystarczyłoby, aby producent zdecydował się na niezależny pomiar lustra przez podwykonawcę, który na zlecenie NASA przygotowywał zapasowe lustro – wykonane bez żadnych wad. Producent jednak odrzucił taką możliwość, twierdząc, że według ich własnych pomiarów lustro nie posiada żadnych defektów. W trakcie pomiarów część instrumentów była jednak nieprawidłowo ustawiona, co sprawiło, że błąd kształtu głównego lustra Hubble’a został niewidoczny w wynikach pomiarów.

Ariane 5

1996 rok przyniósł pierwszy lot nowej generacji rakiety Ariane 5, która przejęła wiele systemów od swojego mniejszego poprzednika – Ariane 4. Start przebiegł bez problemów, podobnie jak pierwsze 37 sekund lotu. Nagle rakieta gwałtownie zmieniła kierunek, a gdy zaczęła zbaczać z trajektorii, działające na nią siły aerodynamiczne doprowadziły do rozpadu konstrukcji. Ostatecznego zniszczenia dokonał system Flight Termination System, którego zadaniem jest zniszczenie rakiety w przypadku utraty kontroli nad lotem. Okazało się, że przyczyna była zaskakująco prosta i mogła zostać łatwo wykryta – wystarczyłoby przeprowadzić prosty test oprogramowania symulujący profil lotu Ariane 5.

Źródło: ESA (

)
Jak wspomniano wcześniej, wiele systemów w Ariane 5 zostało przejętych z poprzedniej, mniej wydajnej rakiety. Jednym z nich było oprogramowanie sterowania lotem. W obawie przed usunięciem ważnych fragmentów kodu pozostawiono w nim część funkcji, które w praktyce nie były już używane. Jedna z takich funkcji była wykorzystywana w Ariane 4, ale nie była potrzebna w Ariane 5. Kod działał poprawnie w poprzedniej rakiecie, jednak inna trajektoria lotu nowego pojazdu spowodowała błąd konwersji danych, który przeciążył komputer pokładowy. W rezultacie system uznał, że rakieta zboczyła z kursu o 90 stopni. Gwałtowna korekta toru lotu doprowadziła do zniszczenia rakiety, utraty ładunku oraz spektakularnej porażki podczas pierwszego lotu nowej konstrukcji. Mimo tego nieudanego debiutu Ariane 5 stała się później jedną z najbardziej niezawodnych rakiet w historii lotów kosmicznych.

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.