В ракетостроении безопасность дальности или безопасность полета обеспечивается путем наблюдения за траекториями полета ракет и ракет-носителей . Принимаются различные меры для защиты находящихся рядом людей, зданий и инфраструктуры от опасности запуска ракеты. Перед запуском полигоны выделяют тщательно охраняемые запретные зоны для воздушного и морского движения, а также закрывают определенные зоны для публики.
Действия на случай непредвиденных обстоятельств выполняются, если транспортное средство выходит из строя или отклоняется от курса во время полета. Обычно офицер по безопасности полигона (RSO) дает команду завершить полет или миссию, отправляя сигнал в систему прекращения полета (FTS) на борту ракеты. При этом принимаются меры по устранению любых средств, с помощью которых транспортное средство может поставить под угрозу кого-либо или что-либо на земле, чаще всего за счет использования взрывчатых веществ. Прекращение полета также может быть запущено автономно с помощью отдельного компьютерного блока на самой ракете.
Перед каждым запуском территория вокруг стартовой площадки эвакуируется, а авиаторам и лодочникам даются предупреждения избегать определенных мест в день запуска. Это облегчает создание специальной зоны для запуска ракет, называемой стартовым коридором. [2] [3] Границы стартового коридора называются линиями разрушения. Точные координаты стартового коридора зависят от погоды и направления ветра, а также свойств ракеты-носителя и ее полезной нагрузки. Запуски были отложены или отменены из-за входа лодки, корабля или самолета в стартовый коридор. [3]
Чтобы помочь офицеру по безопасности полигона (RSO) контролировать запуск и принимать возможные решения, существует множество индикаторов, показывающих состояние космического корабля в полете. Они включали давление в камере ускорителя, вертикальные плоские диаграммы (позже замененные компьютерными линиями разрушения), а также указатели высоты и скорости. Поддержку RSO в получении этой информации оказывала группа поддержки RSO, сообщавшая о профиле и горизонтальных параллельных проводах, используемых при взлете (до того, как была доступна радиолокационная технология), а также индикаторах телеметрии. [3] На протяжении всего полета РСО уделяют пристальное внимание мгновенной точке падения (МТП) ракеты-носителя, которая постоянно обновляется вместе с ее положением; Когда прогнозируется, что ракета по какой-либо причине пересечет одну из линий уничтожения в полете, выдается команда уничтожения, чтобы не допустить, чтобы транспортное средство подвергало опасности людей и имущество за пределами зоны безопасности. [3] Это предполагает отправку закодированных сообщений (обычно последовательностей звуковых тонов, хранящихся в секрете перед запуском) на специальные резервные приемники УВЧ на различных ступенях или компонентах ракеты-носителя. Ранее РСО передал команду «поставить на охрану» непосредственно перед завершением полета, что делало ФТС работоспособным и отключало двигатели жидкотопливных ракет. [4] Обычно FTS включается непосредственно перед запуском. [2] Отдельная команда «огонь» приводит в действие взрывчатку, обычно линейные кумулятивные заряды , чтобы вывести из строя ракету. [4]
Надежность является высоким приоритетом в системах безопасности дальнего действия, при этом большое внимание уделяется резервированию и предпусковым испытаниям. Передатчики безопасности диапазона работают непрерывно на очень высоких уровнях мощности, чтобы обеспечить значительный запас связи . Уровни сигнала, воспринимаемые приемниками безопасности дальности, проверяются перед запуском и контролируются на протяжении всего полета, чтобы обеспечить достаточный запас. Когда ракета-носитель больше не представляет угрозы, система безопасности дальности обычно переводится в режим безопасности (отключается), чтобы предотвратить непреднамеренную активацию. Ступень S-IVB ракет «Сатурн 1Б» и «Сатурн V» делала это по команде системы безопасности дальности на отключение собственного питания. [5]
В космической программе США за безопасность на полигоне обычно отвечает офицер по безопасности на полигоне (RSO), связанный либо с гражданской космической программой, возглавляемой НАСА , либо с военной космической программой, возглавляемой Министерством обороны , через свое подчиненное подразделение в Соединенных Штатах. Космические силы . В НАСА цель состоит в том, чтобы широкая общественность была в такой же безопасности во время работы на полигоне, как и в своей обычной повседневной деятельности. [6] Все американские ракеты-носители должны быть оборудованы системой прекращения полета. [7]
Безопасность на полигоне практиковалась с момента первых попыток запуска, предпринятых с мыса Канаверал в 1950 году. Космические аппараты для суборбитальных и орбитальных полетов с Восточного и Западного полигонов уничтожались, если они ставили под угрозу населенные пункты путем пересечения заранее определенных линий уничтожения, охватывающих безопасную зону. коридор запуска полета. [ нужна ссылка ] После первоначального старта информация о полете собирается радарами X- и C-диапазона , а также приемниками телеметрии S-диапазона с бортовых передатчиков. [ нужна цитата ] На Восточном испытательном полигоне антенны S и C-диапазона были расположены на Багамских островах и вплоть до острова Антигуа, после чего космический аппарат завершал этапы движения или находился на орбите. [ нужна цитация ] Были использованы два переключателя: активация и уничтожение . Переключатель рычага отключил двигательную установку транспортных средств с жидкостным двигателем, и в результате разрушения воспламенился примакорд, окружающий топливные баки. [ нужна цитата ]
По состоянию на 2023 год в общей сложности в США было прекращено 34 попытки запуска на орбиту, первая из которых — Vanguard TV -3BU в 1958 году, а самая последняя — комплексные летные испытания Starship 18 ноября 2023 года . [8]
При запусках с Восточного полигона , который включает Космический центр Кеннеди и Станцию космических сил на мысе Канаверал , офицер управления полетом (MFCO) несет ответственность за обеспечение общественной безопасности от корабля во время его полета до вывода на орбиту или, в случае, если Запуск будет баллистическим, пока все части не упадут благополучно на Землю. [ нужна цитата ] Несмотря на распространенное заблуждение, MFCO не является частью Управления безопасности, а вместо этого является частью оперативной группы полигонной эскадрильи космического запуска «Дельта 45 » Космических сил и считается прямым представителем Командир Дельты. [ нужна цитата ] MFCO руководствуется при принятии решений об уничтожении целых тремя различными типами компьютерной графики, генерируемой отделом анализа полета по безопасности дальности. [ нужна цитация ] Одним из основных дисплеев для большинства транспортных средств является отображение точки удара в вакууме, в котором параметры сопротивления, поворота транспортного средства, ветра и взрыва встроены в соответствующие графики. [ нужна цитация ] Другой включает в себя отображение вертикальной плоскости, на которой траектория транспортного средства проецируется на две плоскости. [ нужна цитата ] Для космического челнока основной дисплей, используемый MFCO, представляет собой непрерывный след в реальном времени, движущуюся замкнутую простую кривую, показывающую, куда упадет большая часть обломков, если MFCO уничтожит шаттл в этот момент. Этот след в реальном времени был создан в ответ на катастрофу космического корабля "Челленджер" в 1986 году, когда шальные твердотопливные ракетные ускорители неожиданно оторвались от разрушенного основного корабля и начали двигаться вверх по направлению к земле. [ нужна цитата ]
Безопасность стрельбища на Западном полигоне ( база космических сил Ванденберг в Калифорнии) контролируется с использованием схожего набора графиков и системы отображения. Однако MFCO Western Range подчиняются Группе безопасности во время запусков и являются координатором всей деятельности, связанной с безопасностью во время запуска. [ нужна цитата ]
Даже в случае пилотируемых космических миссий США RSO имеет право отдать приказ об удаленном уничтожении ракеты-носителя, если она обнаруживает признаки выхода из-под контроля во время запуска и если она пересекает заранее установленные пределы прерывания, предназначенные для защиты населенных пунктов от вреда. [ нужна цитата ] В случае полета с экипажем транспортному средству будет разрешено долететь до апогея до того, как будет передано сообщение о разрушении . [ нужна цитата ] Это дало бы астронавтам максимальное количество времени для самокатапультирования. Непосредственно перед активацией разрушающих зарядов двигатель(и) на разгонной ступени также отключаются. [ нужна цитата ] Например, при запусках Меркурия/Близнецов/Аполлона в 1960-х годах система RSO была спроектирована так, чтобы не активироваться в течение трех секунд после выключения двигателя, чтобы дать системе аварийного спасения время отодвинуть капсулу. [ нужна цитата ]
На орбитальном корабле космического корабля США не было устройств разрушения, но были твердотопливные ракетные ускорители (SRB) и внешний бак . [9] После того, как космический челнок «Челленджер» разбился в полете , RSO приказало уничтожить неконтролируемые, свободно летающие SRB до того, как они смогут представлять угрозу. [10]
Несмотря на то, что RSO продолжает работу после того, как Космический центр Кеннеди передал управление Центру управления полетами Космического центра Джонсона , они не считаются диспетчерами полета . [9] RSO работает в Центре управления операциями на полигоне на станции космических сил на мысе Канаверал, и работа RSO заканчивается, когда ракета или транспортное средство выходит за пределы досягаемости и больше не представляет угрозы для какой-либо морской или сухопутной территории (после завершения восхождение на первую ступень). [9]
В отличие от программы США, российская космическая программа не уничтожает ракеты в воздухе, когда они выходят из строя. Если ракета-носитель теряет управление, либо наземные диспетчеры могут подать команду на выключение вручную, либо бортовой компьютер может выполнить ее автоматически. В этом случае ракете просто позволяют удариться о землю в целости и сохранности. Поскольку российские стартовые площадки расположены в отдаленных районах, вдали от значительного населения, никогда не рассматривалось необходимость включения системы прекращения полета. В советское время отработавшие ступени ракет или обломки после неудачных запусков тщательно убирались, но после распада СССР эта практика утратила свою актуальность.
Неизвестно, проводит ли Китай оценку безопасности и непредвиденных обстоятельств при запусках ракет и установлена ли система прекращения полета на каждой из ракет-носителей страны. [11] [12] Страна известна тем, что оставляет части ракет падать обратно на Землю по неконтролируемой траектории. [13] [14] В одном случае ракета-носитель врезалась в деревню возле центра запуска спутников Сичан после отклонения от курса, в результате чего погибли по меньшей мере шесть человек. [11] С начала 2020-х годов Китайская корпорация аэрокосмической науки и технологий (CASC) начала разрабатывать и внедрять методы предотвращения неконтролируемого входа в атмосферу своих ракетных ускорителей «Великий поход» , в первую очередь за счет использования парашютов . [15]
Основная стартовая площадка ЕКА находится в Куру , Французская Гвиана. В ракетах ЕКА используются системы безопасности полета, аналогичные американским, несмотря на относительную удаленность стартового центра. За безопасность полигона в европейском космодроме отвечает Группа безопасности полетов, [16] а стартовую площадку и прилегающие территории охраняет Французский Иностранный легион . [17] Самые ранние ракеты Ariane 5 были построены с возможностью автономного завершения полета , включая печально известную Ariane 501 . [18]
В 2018 году ракета-носитель Ariane 5 с двумя коммерческими спутниками отклонилась от курса вскоре после старта . Наземному управлению показывался номинальный курс ракеты до 9 минут полета, когда загорелась вторая ступень и контакт был потерян. [19] Ракета чуть не пролетела над Куру , и когда в RSO поняли, что она пролетела ближе к земле, чем предполагалось, было решено не прекращать полет из-за опасений, что образовавшиеся обломки ударят по городу, прилегающему к стартовой площадке. . [20] Оба спутника были выведены на внецелевую орбиту и смогли скорректировать свои орбиты со значительными потерями топлива. [19]
Ракеты-носители Индийской организации космических исследований (ISRO) отслеживаются радарами C-диапазона и S-диапазона. По состоянию на февраль 2019 года ISRO не использует GPS и NavIC для прямой передачи местоположения ракеты-носителя на полигон. [21]
Меры безопасности на полигоне выполняются при запусках орбитальной ракеты -носителя «Чоллима-1» . Сообщалось, что во время успешной третьей попытки запуска ракеты официальные лица активировали систему прекращения полета на первой ступени после отделения, предположительно, чтобы уничтожить улики и предотвратить обратное проектирование , если ракета-носитель будет возвращена Южной Кореей или союзниками. . [22]
Система прекращения полета (FTS) представляет собой набор взаимосвязанных активаторов и исполнительных механизмов, установленных на ракете-носителе, которые могут отключать или разрушать компоненты ракеты, делая ее неспособной к полету. Поскольку это единственное, что способно обеспечить безопасность наземных объектов, персонала и зрителей во время запуска ракеты, оно должно быть фактически на 100 процентов надежным. [7] [23] Системы прекращения полета также часто устанавливаются на беспилотных летательных аппаратах . [24] [25]
Чтобы другие компоненты не мешали ее решениям, FTS должна работать полностью независимо от ракеты; поэтому он требует отдельного обслуживания и оснащен собственным источником питания. [7] [26] В случае многоступенчатых ракет и ракет, использующих боковые ускорители, каждая ступень и каждый ускоритель ракеты-носителя оборудованы собственной FTS. [7]
Прекращение полета обычно приводит к уничтожению полезной нагрузки ракеты; [27] пилотируемые ракеты-носители, за исключением космического корабля «Шаттл» , [28] используют систему аварийного спасения для спасения жизни экипажа в случае неисправности ракеты. [29]
Система прекращения полета обычно состоит из двух наборов следующих компонентов: [23]
Прервать полет можно двумя способами, которые описаны ниже.
В большинстве случаев предпочтительно, чтобы неисправная ракета-носитель была полностью нейтрализована на высоте. [23] Ракета уничтожается во время полета, чтобы не дать ей покинуть стартовый коридор или продолжить ошибочный полет. В результате разрушения необходимо разбросать части ракеты по небольшой площади, гарантируя, что большая часть частей останется в пределах стартового коридора и сможет нанести как можно меньше повреждений или травм. Кроме того, он должен сжечь и распылить топливо высоко над землей таким образом, чтобы это было максимально контролируемо. [23] Это делается путем детонации взрывчатых веществ , обычно линейных кумулятивных зарядов , [30] в определенных областях ракеты, что приводит к разрушению конструкции и делает транспортное средство аэродинамически нестабильным. [27]
В ракетах на жидком топливе [32] [33] топливные баки разрезаются, чтобы выплеснуть их содержимое. [12] [27] Двигатели ракеты обычно также разрушаются или выводятся из строя. [31] На ракетах, содержащих гиперголическое топливо , межбаковая секция или общая переборка баков ракеты разрывается, чтобы обеспечить максимальное смешивание и сгорание токсичного топлива после прекращения полета. На ракетах, работающих на криогенном топливе , баки перфорированы сбоку, чтобы предотвратить чрезмерное смешивание и сгорание топлива, [27] поскольку FTS не может детонировать топливо и вызывать сильный взрыв. [7]
Твердотопливные ракеты [34] [10] не могут выключить двигатели, но их раскрытие прекращает тягу, хотя топливо продолжает гореть, поскольку заряды взрывчатого вещества разбивают ракету и ее топливо на мелкие кусочки. В некоторых случаях с твердотопливной ракеты можно снять только носовую часть, при этом существует риск того, что остальная часть ракеты сильно взорвется и приведет к травмам или повреждению при ударе о землю или воду. [23]
В некоторых случаях с жидкостными ракетами остановки двигателей [35] достаточно для обеспечения безопасности полета. [23] Прекращение тяги предпочтительно в случаях, когда ракета запускается из малонаселенной местности, вдали от стартовой площадки, над водой и на большой высоте. В этих случаях полное уничтожение аппарата считается излишней мерой, поскольку он будет уничтожен при входе в атмосферу или при ударе в пустое место в океане. Вместо этого FTS приказывает либо закрыть клапаны линий топлива и окислителя, либо взрывчатку (например, пироклапаны ) перерезать топливопроводы, лишая транспортное средство возможности использовать свои двигатели и гарантируя, что оно останется на безопасной траектории. В этом случае машина может быть уничтожена [36] столкновением и растрескиванием танков. [23] Этот метод был впервые предложен для ракеты-носителя Титан III-М , которая должна была использоваться в программе пилотируемой орбитальной лаборатории . [9]
Автономная система прекращения полета (AFTS) или автономная система безопасности полета (AFSS) - это система, в которой бортовой компьютер ракеты может командовать завершением полета, не зависящий от наземного персонала. С 1998 года [37] эти системы разрабатывались для снижения затрат на запуск и обеспечения более быстрого и оперативного запуска операций. [38] [39] [40] Кроме того, были задействованы системы непреднамеренного отделения и разрушения для автономного уничтожения частей ракет, когда они непреднамеренно удаляются или отсоединяются от остальной части машины. [41]
НАСА начало разработку AFSS в 2000 году в партнерстве с Министерством обороны США, при этом ее разработка была включена в программу коммерческой орбитальной транспортной системы . [38]
И ATK , и SpaceX разработали AFSS. Обе системы используют управляемую компьютером систему с поддержкой GPS для прекращения нештатного полета, дополняя или заменяя более традиционную систему мониторинга с участием человека .
Автономная система безопасности полетов ATK дебютировала [ нужны разъяснения ] 19 ноября 2013 года на летной базе НАСА в Уоллопсе . Система была совместно разработана предприятиями ATK в Ронконкоме, штат Нью-Йорк ; Плимут, Миннесота ; и Промонтори-Пойнт, штат Юта . [42]
Система, разработанная SpaceX, была продемонстрирована на F9R Dev1 , ускорителе Falcon 9, который использовался в 2013/14 году для тестирования программы разработки многоразовых ракетных технологий . В августе 2014 года, после того как ошибочные показания датчика привели к тому, что ускоритель отклонился от курса, сработала система AFTS, и автомобиль развалился. [43] [32]
Автономная система прекращения полета SpaceX с тех пор использовалась при многих запусках SpaceX и была хорошо проверена к 2017 году. В настоящее время как Восточный полигон, так и Западный полигон США используют эту систему, которая заменила старую «наземную миссию полета». управлять персоналом и оборудованием с бортовыми источниками позиционирования, навигации и синхронизации, а также логикой принятия решений». [44] Более того, системы позволили ВВС США радикально сократить штатное расписание и увеличить количество запусков, которые они могут обеспечить в течение года. Теперь можно поддерживать 48 запусков в год, а стоимость услуг по дальности для одного запуска снижена на 50 процентов. [44]
Добавление AFTS также ослабило ограничения по наклонению при запусках с восточного полигона США. К началу 2018 года ВВС США утвердили траекторию, которая могла бы позволить осуществлять полярные запуски с мыса Канаверал . «Полярный коридор» предполагает поворот на юг вскоре после старта, прохождение к востоку от Майами и приводнение первой ступени к северу от Кубы. [45] Такой коридор запуска невозможен при использовании системы наземного управления из-за радиопомех от собственного выхлопного шлейфа ракеты, обращенного к наземной станции. [46] В августе 2020 года SpaceX продемонстрировала эту возможность, запустив SAOCOM 1B . [47]
Система AFTS на корабле SpaceX Starship выявила серьезные проблемы во время первого полета . SpaceX ожидала, что корабль получит команду на уничтожение в тот момент, когда корабль потеряет управление вектором тяги в Т+1:30, но AFTS активировался только примерно через 40 секунд после этого. [48] Все взрывоопасные боеприпасы взорвались, как и ожидалось, но уничтожение было отложено; [49] машина была уничтожена только в Т+3:59, [30] через 40 секунд после предполагаемого срабатывания AFTS. [12]
В декабре 2019 года Rocket Lab объявила, что добавила AFTS в свою ракету Electron . Rocket Lab сообщила, что четыре предыдущих полета имели как наземные, так и AFT-системы. Запуск в декабре 2019 года стал первым запуском Electron с полностью автономной системой завершения полета. Все последующие рейсы имеют на борту AFTS. В случае отклонения ракеты от курса АФТС выдаст команду на остановку двигателей. [50]
В августе 2020 года Европейское космическое агентство объявило, что на Ariane 5 в отсеке авионики установлена AFSS. AFSS на борту Ariane 5 называется KASSAV (Kit Autonome de Sécurité pour la Sauvergarde en Vol). [51] Более поздняя версия системы, KASSAV 2, будет иметь право автоматически прекращать полет в случае отклонения ракеты от курса. [52]
Ожидается , что будущие ракеты-носители, такие как Blue Origin New Glenn , United Launch Alliance Vulcan Centaur и ArianeGroup Ariane 6, также будут иметь их. [53] Система космического запуска НАСА планирует внедрить систему AFT во время полета « Артемиды-3» . [54]
В 2020 году НАСА приступило к разработке автономного блока завершения полета НАСА (NAFTU) для использования на коммерческих и государственных ракетах-носителях. Предварительная сертификация устройства была предоставлена в 2022 году для первой миссии Rocket Lab Electron в США (с летного комплекса Уоллопс) в январе 2023 года. [55]
{{cite web}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )Монтейт не уточнил точную траекторию, но сказал, что это включало «небольшую пробежку недалеко от площадки», чтобы повернуть на юг вдали от берега, «а затем мы обогнем Майами». По его словам, первая ступень ракеты благополучно упадет, не долетев до Кубы. К моменту пролета над островом вторая ступень окажется настолько высоко, что никаких специальных разрешений не потребуется.
НАСА, с другой стороны, придется добавить эту возможность в свою ракету SLS, и г-н Розати сказал, что НАСА отслеживает этот дебют для миссии Artemis 3 в 2023 году.