Еще 15 лет назад в Ростове была разработана уникальная методика оценки прочности теплозащитных плиток космических кораблей.

В субботу, 1 февраля, весь мир потрясла страшная весть - при входе в плотные слои атмосферы взорвался и сгорел вместе со всем экипажем первый американский многоразовый транспортный космический корабль "Колумбия". Погибли все семь членов его экипажа.

Анализ особенностей падения фрагментов, а также некоторая другая имеющаяся информация позволяют предположить, что катастрофа "Колумбии" произошла вследствие повреждения теплозащиты нижней части левого крыла. Это привело к прогоранию крыла, нарушению ориентации корабля и последующему разрушению всей его конструкции на отдельные фрагменты.

Теплозащиту повредит даже камень из рогатки!

Можно ли было в этой ситуации спасти экипаж корабля? Скорее всего, нет. Следует развеять два мифа, прозвучавших в средствах массовой информации.

Миф первый. На борту "Колумбии" была специальная спасательная капсула. Хорошо, если бы это на самом деле было так!

Традиционные для одноразовых кораблей способы спасения экипажа (спасательная капсула и др.) принципиально непригодны для многоразовых кораблей. Отличительной особенностью всех многоразовых кораблей является возможность спасения и возврата на Землю только всего корабля вместе с экипажем, для чего используется многократное резервирование всех основных систем.

Катапультируемые кресла в качестве дополнительных средств спасения применялись американцами только на одном многоразовом корабле (именно на "Колумбии"), но только во время первых нескольких полетов. Сейчас в качестве индивидуальных средств спасения ими используются обычные парашюты, позволяющие астронавтам покинуть терпящий бедствие корабль на высотах не выше 10 км.

Миф второй. Якобы теплозащита корабля состоит из прочных керамических плиток. На самом деле это далеко не так!

Если бы вся теплозащита челнока действительно была из прочной керамики, то корабль, скорее всего, просто бы не смог взлететь вследствие большого веса. На самом деле теплоизоляционные плитки американских многоразовых кораблей по весовым характеристикам и прочности близки к обычному пенопласту! Они сделаны из специального сверхлегкого материала на основе кварцевого волокна, и без больших усилий могут быть проткнуты любой отверткой либо даже шариковой ручкой.

Таким образом, теплоизоляционное покрытие еще при старте "Колумбии" легко могло быть повреждено соприкосновением с ним любой детали конструкции, попаданием любого предмета (даже камня из рогатки!).

Для лучшего понимания читателями возможной причины гибели "Колумбии", позволю себе более подробно остановиться на некоторых важных особенностях теплозащиты американских челноков.

Космический корабль входит в плотные слои атмосферы со скоростью, почти в 20 раз превышающей скорость звука, что вызывает не только тепловые, но и очень сильные динамические нагрузки. Вследствие этого, наиболее нагруженные элементы - нос фюзеляжа и передние кромки крыльев американских "Спейс Шаттлов" - защищены действительно прочной (похожей на керамику) теплозащитой RCC, представляющей многослойную конструкцию из углеродного композиционного материала. Однако такой защиты немного, и вся остальная поверхность корабля покрывается очень легкой по весу, но намного менее прочной теплозащитой в виде плиток белого и черного цветов.

Так, наиболее нагревающаяся в полете нижняя часть "Колумбии" (как и всех других американских многоразовых кораблей) была покрыта теплозащитой HRSJ на основе кварцевых волокон в виде черных квадратных плиток размером порядка пятнадцати и толщиной до шести сантиметров. Аналогичной теплозащитой из белых плиток LRSJ толщиной до трех сантиметров покрывается и вся верхняя часть этих кораблей. Плитки теплозащиты через слой материала "monex" (по свойствам близок к обычному войлоку) приклеиваются к обшивке космического корабля.

Таким образом, получается достаточно капризный, очень неудобный для контроля "слоеный пирог", к качеству и надежности склейки которого предъявляются чрезвычайно жесткие требования, а общее количество приклеиваемых плиток достигает почти двадцати тысяч штук!

Экипаж был загублен "эффектом домино"

Как ни стараются американцы, но, несмотря на применение ими самых современных методов контроля и диагностики, челноки в каждом полете все же теряют от нескольких единиц до нескольких десятков одиночных плиток.

Естественно, в случае разрушения либо отклеивания даже единичной плитки происходит локальное повреждение дюралевой обшивки космического самолета. Однако челнок так спроектирован, что до сих пор это еще никогда не приводило к его катастрофическому разрушению. Вместе с тем при разрушении в полете нескольких близкорасположенных плиток катастрофа неминуема!

К сожалению, это и произошло в трагическом рейсе "Колумбии" вследствие наложения нескольких неблагоприятных факторов. Скорее всего, часть плиток была механически повреждена еще при старте. Полагаю так же, что в катастрофическое развитие ситуации свой печальный вклад внесло и наличие (особенно вблизи зоны первоначального повреждения) некоторого количества плиток с дефектами приклейки и скрытыми внутренними дефектами.

Дело в том, что материал теплоизоляционных плиток имеет специфические особенности, сильно затрудняющие (особенно в случае толстых плиток) достоверное выявление имеющихся в них дефектов существующими методами неразрушающего контроля и диагностики.

Вместе с тем испытываемые плитками нагрузки при входе космического корабля в плотные слои атмосферы таковы, что даже наличие весьма малого внутреннего дефекта почти неминуемо приводит к разрушению данной плитки. И, что еще более опасно, к оголению мест приклейки четырех окружающих плиток к войлочной подложке. Эта подложка используется для компенсации неравномерной деформации плиток теплозащиты и обшивки корабля, и без такой компенсирующей прокладки нагретые плитки могут просто полопаться.

После разрушения нескольких близко расположенных плиток, развитие ситуации приобретает уже катастрофический характер (так называемый "эффект домино").

Войлочная подложка не в состоянии долго противостоять силовому напору разогретого почти до двух тысяч градусов плазменного потока. Вследствие этого начинается лавинообразный процесс отрыва по войлоку (с катастрофически нарастающей скоростью) сотен плиток, практически мгновенно приводящий к полному разрушению теплозащиты и гибели всего корабля.

Полагаю, процесс разрушения "Колумбии" и гибели его экипажа занял не более нескольких десятков секунд.

Метод диагностики разработан в Ростове

Как известно, в нашей стране в 80-х годах тоже был создан и совершил успешный полет в космос аналогичный отечественный многоразовый транспортный космический корабль "Буран". При его разработке чрезвычайное внимание было уделено и вопросам создания новых физических методов контроля и диагностики прочности теплозащиты.

Оказалось, что очень ценную информацию о прочности теплозащитных плиток можно получить с помощью активно развиваемого в нашем НИИ механики и прикладной математики РГУ метода акустико-эмиссионной диагностики. В те годы я как раз работал заведующим лабораторией акустической эмиссии, разрабатывающей этот метод.

Кратко сущность метода состоит в анализе особого, чрезвычайно слабого ультразвукового излучения, генерируемого самими микродефектами (микротрещинами) в ходе их подрастания. (Более подробная информация по этому методу была приведена ранее в публикации "Как ростовчане царь-колокол лечили", "Вечерний Ростов" за 26 ноября 2001 года).

За несколько лет работы нам удалось усовершенствовать метод и создать аппаратуру для акустико-эмиссионной диагностики предразрушающего состояния и оценки прочности теплозащитных плиток. Это существенно (по некоторым данным до нескольких раз) повысило достоверность результатов диагностики прочности элементов теплозащиты "Бурана".

На основе полученных результатов планировалось использование нашей методики и аппаратуры в ходе проведения штатных предполетных и послеполетных испытаний при эксплуатации "Бурана".

К сожалению, первый полет "Бурана" оказался и последним. В 90-х годах уже не было денег на ввод в постоянную эксплуатацию отечественного многоразового орбитального корабля. Уникальные объекты, изделия и достижения программы "Энергия-Буран" были растащены по частям, либо распроданы. (Более подробная информация изложена мною в публикации "Почему "Буран" не дождался космонавтов", "Вечерний Ростов" за 28 декабря 2001 года).

Последняя точка в трагической судьбе "Бурана" была поставлена 12 мая 2002 года, когда он вместе со всеми оставшимися ракетами-носителями "Энергия" был погребен под руинами рухнувшего в этот день на Байконуре гигантского монтажно-испытательного корпуса...

У американцев осталось еще пять многоразовых космических челноков. Однако после гибели экипажа "Колумбии" их эксплуатация будет возможна только тогда, когда будут действительно установлены истинные причины повреждения теплозащиты и усовершенствованы методы диагностики ее прочности. Учитывая печальный опыт "Челленджера", на это может потребоваться порядка двух лет.

С. Буйло, зав. отделом НИИ механики и прикладной математики РГУ.
"Вечерний Ростов", 20.02.2003, Ростов-на-Дону, n36, стр.2