Режимы аварийного прекращения полета Space Shuttle представляли собой процедуры, с помощью которых номинальный запуск NASA Space Shuttle мог быть прерван. Аварийное прекращение полета на стартовой площадке происходило после зажигания основных двигателей шаттла , но до старта. Аварийное прекращение полета во время подъема, которое приводило к возвращению орбитального аппарата на взлетно-посадочную полосу или на орбиту ниже запланированной, называлось «неповрежденным аварийным прекращением полета», в то время как аварийное прекращение полета, при котором орбитальный аппарат не мог достичь взлетно-посадочной полосы, или любое аварийное прекращение полета, связанное с отказом более чем одного основного двигателя, называлось «аварийным аварийным прекращением полета». Катапультирование экипажа все еще было возможно в некоторых ситуациях, когда орбитальный аппарат не мог приземлиться на взлетно-посадочную полосу.
Три главных двигателя Space Shuttle (SSME) были включены примерно за 6,6 секунд до старта, и компьютеры отслеживали их работу по мере увеличения тяги. Если обнаруживалась аномалия, двигатели автоматически выключались, а обратный отсчет прекращался до включения твердотопливных ракетных ускорителей (SRB) при T = 0 секунд. Это называлось «отменой избыточного набора секвенсора запуска (RSLS)» и происходило пять раз: STS-41-D , STS-51-F , STS-55 , STS-51 и STS-68 . [1]
После того, как SRB шаттла были включены, корабль был готов к взлету. Если событие, требующее прерывания, происходило после включения SRB, прерывание было невозможно начать до тех пор, пока SRB не выгорал и не отделялся, примерно через две минуты после запуска. Во время подъема было доступно пять режимов прерывания, разделенных на категории исправных прерываний и аварийных прерываний. [2] Выбор режима прерывания зависел от того, насколько срочной была ситуация и какое место аварийной посадки можно было достичь.
Режимы прерывания охватывали широкий спектр потенциальных проблем, но наиболее часто ожидаемой проблемой был отказ основного двигателя , из-за которого у корабля не хватало тяги для достижения запланированной орбиты. Другие возможные отказы, не связанные с двигателями, но требующие прерывания, включали отказ нескольких вспомогательных силовых установок (ВСУ), прогрессирующий отказ гидравлики, утечку в кабине и утечку из внешнего бака.
Для Space Shuttle существовало четыре режима аварийного прекращения полета. Режим аварийного прекращения полета был разработан для обеспечения безопасного возвращения орбитального аппарата на запланированное место посадки или на более низкую орбиту, чем та, которая была запланирована для миссии.
Возврат на стартовую площадку (RTLS) был первым доступным режимом отмены, который можно было выбрать сразу после сброса SRB. Шаттл продолжал бы снижаться, чтобы сжигать избыточное топливо, а также повышать тангаж для поддержания вертикальной скорости при отменах с отказом основного двигателя. После сжигания достаточного количества топлива транспортное средство полностью поворачивалось бы на тангаж и начинало бы толкать назад к стартовой площадке. Этот маневр назывался «powered pitcharound» (PPA) и был рассчитан так, чтобы гарантировать, что менее 2% топлива оставалось во внешнем баке к тому времени, когда траектория шаттла приведет его обратно в Космический центр Кеннеди . Кроме того, двигатели OMS и системы управления реакцией (RCS) шаттла будут непрерывно толкать, чтобы сжигать избыточное топливо OMS для уменьшения посадочного веса и корректировки центра тяжести орбитального аппарата.
Непосредственно перед выключением основного двигателя орбитальному аппарату будет дана команда опустить нос, чтобы обеспечить правильную ориентацию для сброса внешнего бака , поскольку в противном случае аэродинамические силы приведут к столкновению бака с орбитальным аппаратом. Основные двигатели будут выключены, и бак будет сброшен, поскольку орбитальный аппарат использует свою RCS для увеличения разделения.
Отсечка и разделение будут происходить эффективно в верхних слоях атмосферы на высоте около 230 000 футов (70 000 м), достаточно высоко, чтобы не подвергать внешний бак чрезмерному аэродинамическому напряжению и нагреву. Скорость отсечки будет зависеть от расстояния, которое еще предстоит преодолеть, чтобы достичь места посадки, и будет увеличиваться в зависимости от расстояния орбитального аппарата в момент отсечки. В любом случае орбитальный аппарат будет лететь слишком медленно, чтобы плавно скользить на такой большой высоте, и начнет быстро снижаться. Серия маневров в быстрой последовательности поднимет нос орбитального аппарата вверх, чтобы выровнять его, как только он достигнет более плотного воздуха, в то же время гарантируя, что структурные ограничения аппарата не будут превышены (предел эксплуатационной нагрузки был установлен на уровне 2,5 G, а при 4,4 G ожидалось, что модули OMS будут оторваны от орбитального аппарата).
После завершения этого этапа орбитальный аппарат будет находиться на расстоянии около 150 морских миль (278 км) от места посадки и будет находиться в устойчивом планировании, продолжая совершать обычную посадку примерно через 25 минут после старта. [3]
Если бы второй главный двигатель отказал в любой момент во время PPA, шаттл не смог бы достичь взлетно-посадочной полосы в KSC, и экипажу пришлось бы катапультироваться. Отказ третьего двигателя во время PPA привел бы к потере управления и последующей потере экипажа и транспортного средства (LOCV). Отказ всех трех двигателей, когда горизонтальная скорость приближалась бы к нулю или непосредственно перед сбросом внешнего бака, также привел бы к LOCV. [4]
Коммуникатор капсулы должен был обозначить точку подъема, в которой RTLS больше невозможен, как «отрицательный возврат», примерно через четыре минуты после старта, в этот момент аппарат не сможет безопасно сбросить скорость, которую он набрал за время полета между своим положением на траектории полета и местом запуска.
Режим прерывания RTLS никогда не был необходим в истории программы шаттлов. Он считался самым сложным и опасным прерыванием, но также одним из самых маловероятных, поскольку существовал лишь очень узкий диапазон вероятных отказов, которые были выживаемыми, но, тем не менее, настолько критичными по времени, что исключали более длительные по времени режимы прерывания. Астронавт Майк Маллейн назвал прерывание RTLS «неестественным актом физики», и многие пилоты-астронавты надеялись, что им не придется выполнять такое прерывание из-за его сложности. [5]
Трансокеанская аварийная посадка (TAL) подразумевала посадку в заранее определенном месте в Африке, Западной Европе или Атлантическом океане (на аэродроме Лажеш на Азорских островах ) примерно через 25–30 минут после старта. [6] Она должна была использоваться, когда скорость, высота и расстояние до точки старта не позволяли вернуться в точку старта с помощью Return To Launch Site (RTLS). Она также должна была использоваться, когда менее критическая по времени неисправность не требовала более быстрой, но более опасной отмены RTLS.
Для проблем с производительностью, таких как отказ(и) двигателя(ей), прерывание TAL было бы объявлено между примерно T+2:30 (две минуты 30 секунд после старта) и около T+5:00 (пять минут после старта), после чего режим прерывания изменился бы на Abort Once Around (AOA), а затем на Abort To Orbit (ATO). Однако в случае критического по времени отказа или отказа, который мог бы поставить под угрозу безопасность экипажа, такого как утечка в кабине или отказ охлаждения, TAL мог быть вызван незадолго до отключения основного двигателя (MECO) или даже после MECO в условиях серьезного снижения скорости. Затем шаттл приземлился бы на заранее обозначенной взлетно-посадочной полосе через Атлантику. Последними четырьмя местами TAL были авиабаза Истр во Франции, авиабазы Сарагоса и Морон в Испании и RAF Fairford в Англии. Перед запуском шаттла на основе плана полета выбирались бы два места, которые были бы укомплектованы резервным персоналом на случай их использования. Список мест TAL менялся со временем из-за геополитических факторов. Точные места определялись от запуска к запуску в зависимости от наклонения орбиты. [6]
Подготовка площадок TAL заняла четыре-пять дней и началась за неделю до запуска, при этом большая часть персонала из НАСА, Министерства обороны и подрядчиков прибыла за 48 часов до запуска. Кроме того, два самолета C-130 из офиса поддержки космических полетов с соседней базы космических сил Патрик (тогда известной как база ВВС Патрик) доставят восемь членов экипажа, девять парашютистов-спасателей , двух летных врачей , медсестру и медицинского техника, а также 2500 фунтов (1100 кг) медицинского оборудования в Сарагосу, Истр или в оба места. Один или несколько самолетов C-21S или C-12S также будут развернуты для обеспечения метеорологической разведки в случае прерывания полета с TALCOM или диспетчером полета астронавтов на борту для связи с пилотом и командиром шаттла. [6]
За всю историю программы «Спейс шаттл» этот режим отмены не понадобился ни разу.
Прерывание после одного оборота (AOA) было доступно, если шаттл не мог достичь стабильной орбиты, но имел достаточную скорость, чтобы облететь Землю один раз и приземлиться примерно через 90 минут после старта. Примерно через пять минут после старта шаттл достигает скорости и высоты, достаточных для одного оборота вокруг Земли. [7] Затем орбитальный аппарат должен был приступить к повторному входу в атмосферу; НАСА могло выбрать, где посадить орбитальный аппарат: на базе ВВС Эдвардс , в гавани Уайт-Сэндс-Спейс или в Космическом центре Кеннеди . [7] Временное окно для использования прерывания AOA было очень коротким, всего несколько секунд между возможностями прерывания TAL и ATO. Поэтому использование этого варианта из-за технической неисправности (например, отказа двигателя) было очень маловероятным, хотя чрезвычайная медицинская ситуация на борту могла потребовать прерывания AOA.
За всю историю программы «Спейс шаттл» этот режим отмены не понадобился ни разу.
Прерывание на орбите (ATO) было доступно, когда предполагаемая орбита не могла быть достигнута, но была возможна более низкая стабильная орбита выше 120 миль (190 км) над поверхностью Земли. [7] Это произошло во время миссии STS-51-F , когда центральный двигатель Challenger отказал через пять минут и 46 секунд после старта. [ 7] Была установлена орбита, близкая к запланированной орбите корабля, и миссия продолжилась, несмотря на прерывание на более низкую орбиту. [7] [8] Центр управления полетами в Космическом центре имени Джонсона заметил отказ SSME и передал команду « Challenger -Houston, прервать ATO». Позднее было установлено, что отказ двигателя был вызван непреднамеренным отключением двигателя, вызванным неисправными датчиками температуры. [7]
Момент, когда ATO становился возможным, назывался моментом «нажать на ATO». В ситуации ATO командир космического корабля поворачивал переключатель режима прерывания в кабине в положение ATO и нажимал кнопку прерывания. Это запускало процедуры программного обеспечения управления полетом, которые обрабатывали прерывание. В случае потери связи командир космического корабля мог принять решение о прерывании и предпринять действия самостоятельно.
Утечка водородного топлива в одном из двигателей SSME во время миссии STS-93 привела к небольшому снижению скорости при отключении основного двигателя (MECO), но не потребовала ATO, и Columbia достигла запланированной орбиты; если бы утечка была более серьезной, это могло бы потребовать одного из более ранних вариантов отмены.
Существовал следующий порядок предпочтения режимов прерывания:
В отличие от всех других пилотируемых космических аппаратов США, способных выходить на орбиту (как предыдущих, так и последующих, по состоянию на 2024 год), шаттл никогда не летал без астронавтов на борту. Чтобы обеспечить постепенный неорбитальный тест, НАСА рассматривало возможность сделать первую миссию отменой RTLS. Однако командир STS-1 Джон Янг отказался, заявив: «давайте не будем практиковать русскую рулетку » [9] и «RTLS требует постоянных чудес, перемежающихся стихийными бедствиями, чтобы быть успешным». [10]
Аварийные прекращения полета включали отказ более чем одного SSME и, как правило, не позволяли орбитальному аппарату достичь взлетно-посадочной полосы. [11] Эти аварийные прекращения полета были предназначены для обеспечения выживания орбитального аппарата достаточно долго, чтобы экипаж мог выпрыгнуть с парашютом. Потеря двух двигателей, как правило, была бы выживаемой, если бы оставшийся двигатель использовался для оптимизации траектории орбитального аппарата, чтобы не превышать структурные ограничения во время входа в атмосферу. Потеря трех двигателей могла бы быть выживаемой за пределами определенных «черных зон», где орбитальный аппарат вышел бы из строя до того, как стало бы возможным катапультирование. [4] Эти аварийные прекращения полета были добавлены после уничтожения Challenger .
До катастрофы Challenger во время STS-51-L варианты прерывания подъема, включающие отказ более одного SSME, были весьма ограничены. В то время как отказ одного SSME был выживаемым на протяжении всего подъема, отказ второго SSME до примерно 350 секунд (точка, в которой орбитальный аппарат будет иметь достаточную скорость снижения, чтобы достичь места TAL только на одном двигателе) означал бы LOCV, поскольку не существовало варианта катапультирования. Исследования показали, что приводнение в океане не было выживаемым. Более того, потеря второго SSME во время прерывания RTLS вызвала бы LOCV, за исключением периода времени непосредственно перед MECO (в течение которого орбитальный аппарат мог бы достичь KSC, продлив время горения оставшегося двигателя), как и отказ трех SSME в любой момент во время прерывания RTLS.
После потери Challenger в STS-51-L были добавлены многочисленные улучшения аварийного прекращения полета. С этими улучшениями потеря двух SSME теперь была выживаемой для экипажа на протяжении всего подъема, и аппарат мог выживать и приземляться на больших участках подъема. Стойки, крепящие орбитальный аппарат к внешнему баку, были усилены, чтобы лучше выдерживать множественный отказ SSME во время полета SRB. Потеря трех SSME была выживаемой для экипажа на протяжении большей части подъема, хотя выживание в случае трех отказов SSME до T+90 секунд было маловероятным из-за проектных нагрузок, которые были бы превышены на переднем орбитальном аппарате/ET и точках крепления SRB/ET, и все еще проблематично в любое время во время полета SRB из-за управляемости во время разделения на ступени. [4]
Особенно значительным усовершенствованием была возможность катапультирования. В отличие от катапультного кресла в истребителе, шаттл имел систему спасения экипажа в полете [12] (ICES). Аппарат переводился в устойчивое планирование на автопилоте, люк взрывался, и экипаж выскальзывал на шесте, чтобы освободить левое крыло орбитального аппарата. Затем они спускались на парашютах на землю или в море. Хотя поначалу это казалось пригодным только в редких случаях, было много режимов отказа, когда достичь места аварийной посадки было невозможно, но аппарат все еще был цел и находился под контролем. До катастрофы Challenger это почти произошло на STS-51-F , когда один SSME отказал примерно через 345 секунд. Орбитальным аппаратом в этом случае также был Challenger . Второй SSME едва не отказал из-за ложного показания температуры; однако отключение двигателя было заблокировано быстро соображающим диспетчером полета. Если бы второй SSME отказал в течение примерно 69 секунд после первого, энергии было бы недостаточно, чтобы пересечь Атлантику. Без возможности катапультирования весь экипаж погиб бы. После потери Challenger такие типы отказов стали выживаемыми. Чтобы облегчить катапультирование на большой высоте, экипаж начал носить Launch Entry Suit , а позже Advanced Crew Escape Suit во время подъема и спуска. До катастрофы Challenger экипажи для оперативных миссий носили только тканевые летные костюмы.
Другим усовершенствованием после Challenger стало добавление аварийных посадок на Восточном побережье/Бермудских островах (ECAL/BDA). Запуски с высоким наклоном (включая все миссии МКС ) могли бы достичь аварийной взлетно-посадочной полосы на Восточном побережье Северной Америки при определенных условиях. Большинство запусков с меньшим наклоном приземлялись бы на Бермудских островах (хотя эта опция была недоступна для запусков с самым низким наклоном — тех, которые запускались на орбите с наклоном 28,5° — которые запускались строго на восток от KSC и проходили далеко к югу от Бермудских островов).
Прерывание полета ECAL/BDA было похоже на RTLS, но вместо посадки в Космическом центре Кеннеди , орбитальный аппарат пытался приземлиться в другом месте вдоль восточного побережья Северной Америки (в случае ECAL) или на Бермудских островах (в случае BDA). Различные потенциальные места посадки ECAL простирались от Южной Каролины до Ньюфаундленда, Канада. Назначенным местом посадки на Бермудских островах была военно-морская авиабаза Бермуды ( объект ВМС США ). ECAL/BDA было аварийным прекращением полета, которое было менее желательным, чем полноценное прекращение полета, в первую очередь потому, что было слишком мало времени, чтобы выбрать место посадки и подготовиться к прибытию орбитального аппарата. Все заранее назначенные места были либо военными аэродромами, либо совместными гражданскими/военными объектами. Аварийные площадки ECAL не были так хорошо оборудованы для посадки орбитального аппарата, как подготовленные для прерываний полета RTLS и TAL. [13] На площадках не было сотрудников или подрядчиков NASA, а работающий там персонал не проходил специальной подготовки для управления посадкой шаттла. Если бы они когда-либо понадобились, пилотам шаттлов пришлось бы полагаться на штатный персонал службы управления воздушным движением , использующий процедуры, аналогичные тем, которые применяются при посадке планирующего самолета с полностью отказавшим двигателем.
Были добавлены многочисленные другие усовершенствования прерывания, в основном касающиеся улучшенного программного обеспечения для управления энергией транспортного средства в различных сценариях прерывания. Они увеличили шансы достижения аварийной взлетно-посадочной полосы для различных сценариев отказа SSME.
Система аварийного спасения при катапультировании, иногда называемая « системой аварийного спасения при запуске », много раз обсуждалась для шаттла. После потерь Challenger и Columbia к этому проявился большой интерес. Все предыдущие и последующие американские пилотируемые космические аппараты имели системы аварийного спасения при запуске, хотя по состоянию на 2024 год [обновлять]ни одна из них не использовалась для американского пилотируемого полета.
Первые два шаттла, Enterprise и Columbia , были построены с катапультируемыми креслами . Эти два аппарата предназначались для программы испытаний шаттлов и должны были летать с экипажем из двух летчиков-испытателей или астронавтов. Последующие шаттлы Challenger , Discovery , Atlantis и Endeavour были построены для оперативных миссий с экипажем более двух человек, включая сиденья на нижней палубе, и варианты катапультируемых кресел считались невозможными. Тип, используемый на первых двух шаттлах, был модифицированной версией кресла Lockheed SR-71 . Испытания захода на посадку и посадки, проведенные Enterprise, имели их в качестве опции эвакуации, а первые четыре полета Columbia также имели это в качестве опции отмены экипажа. [14] Поскольку STS-5 ознаменовал конец программы испытательных полетов Columbia, и как оперативная миссия с четырьмя членами экипажа, два катапультируемых кресла кабины были сняты с ракетными двигателями для полета. Следующий полет Columbia ( STS-9 ) также был выполнен с отключенными сиденьями таким образом. К тому времени, когда Columbia снова полетел ( STS-61-C , запущен 12 января 1986 года), он прошел полный капитальный ремонт в Палмдейле , и катапультные кресла (вместе с люками взрывобезопасности) были полностью сняты. Катапультные кресла не были далее разработаны для шаттла по нескольким причинам:
...по правде говоря, если бы вам пришлось использовать их, пока там были твердые частицы, я не верю, что вы бы [выжили] — если бы вы выскочили и затем упали через огненный след, который находится за твердыми частицами, вы бы когда-либо выжили, или если бы вы это сделали, у вас не было бы парашюта, потому что он бы сгорел в процессе. Но к тому времени, как твердые частицы сгорели, вы были бы на слишком большой высоте, чтобы использовать его. ... Поэтому я лично не чувствовал, что катапультные кресла действительно помогут нам, если бы мы действительно столкнулись с непредвиденной ситуацией. [15]
Планировалось, что советский шаттл «Буран» будет оснащён системой аварийного покидания корабля, которая включала бы кресла К-36РБ (К-36М-11Ф35) и скафандр « Стриж» , рассчитанный на высоту до 30 000 метров (98 000 футов) и скорость до трёх Маха. [16] «Буран» совершил только один полёт в полностью автоматическом режиме без экипажа, поэтому кресла никогда не устанавливались и не испытывались в реальном космическом полёте человека.
Альтернативой катапультируемым креслам была система аварийного покидания капсулы экипажа или кабины, где экипаж катапультировался в защитных капсулах, или вся кабина катапультировалась. Такие системы использовались на нескольких военных самолетах. B-58 Hustler и XB-70 Valkyrie использовали катапультирование капсулы, в то время как General Dynamics F-111 и ранние прототипы Rockwell B-1 Lancer использовали катапультирование кабины.
Как и катапультные кресла, катапультирование капсулы для шаттла было бы сложным, поскольку не существовало простого способа покинуть транспортное средство. Несколько членов экипажа сидели на средней палубе, окруженные прочной конструкцией транспортного средства.
Катапультирование кабины будет работать в гораздо большей части диапазона полета, чем катапультные кресла, поскольку экипаж будет защищен от температуры, порыва ветра и недостатка кислорода или вакуума. Теоретически катапультируемая кабина могла бы быть спроектирована так, чтобы выдерживать вход в атмосферу, хотя это повлекло бы за собой дополнительные расходы, вес и сложность. Катапультирование кабины не рассматривалось по нескольким причинам:
Источник: [18]
Заранее определенные места аварийной посадки для орбитального аппарата выбирались для каждой миссии в зависимости от профиля миссии, погодных условий и региональной политической ситуации. Места аварийной посадки во время программы шаттла включали: [19] [20]
Орбитальный аппарат приземлился в трех местах, которые также обозначены как места аварийной посадки: база ВВС Эдвардс , космический центр Кеннеди и космическая гавань Уайт-Сэндс . Однако ни одна из посадок в этих трех местах не была аварийной. Эти места выделены жирным шрифтом ниже.
Алжир
Австралия
Багамы
Барбадос
Канада [25]
Кабо-Верде
Чили
Франция
Гамбия
Германия
Греция
Исландия
Ирландия
Ямайка
Либерия
Марокко
Португалия
Саудовская Аравия
Испания
Сомали
ЮАР
Швеция
Турция
Великобритания
Британские заморские территории
Соединенные Штаты
Демократическая Республика Конго
Другие локации
В случае аварийного схода с орбиты, который привел бы к падению орбитального аппарата в районе, не входящем в зону действия назначенного места аварийной посадки, орбитальный аппарат теоретически мог приземлиться на любой асфальтированной взлетно-посадочной полосе длиной не менее 3 км (9800 футов), что включало большинство крупных коммерческих аэропортов. На практике предпочтительным был бы военный аэродром США или союзников по соображениям безопасности и минимизации нарушения коммерческого воздушного движения.