NASA ғарыш кеңістігі қозғалысы қауіпсіздік шаралары

Кіріспе

NASA ғарыш айлағының қауіпсіздік процедуралары

Ғарыш айлағының тоқтату режимдері – NASA ғарыш айлағының қалыпты ұшырылуын тоқтатуға арналған процедуралар еді. Ұшақтың негізгі қозғалтқыштары іске қосылғаннан кейін, бірақ ұшып көтерілуге дейін модульді тоқтату мүмкін болды. Орбиталық аппараттың ұшу-қону жолағына немесе жоспарланғаннан төмен орбитаға оралуына әкелетін көтерілу кезіндегі тоқтату "толыққанды тоқтату" деп аталды, ал орбиталық аппарат ұшу-қону жолағына жете алмайтын, немесе бірнеше негізгі қозғалтқыштың істен шығуына байланысты болатын кез келген тоқтату "төтенше тоқтату" деп аталды. Кейбір жағдайларда, орбиталық аппарат ұшу-қону жолағына қона алмаған жағдайда экипажты құтқару мүмкін болды.

Қатардағы реттілік реттілігін іске қосуды тоқтату

Үш ғарыш айлағының негізгі қозғалтқыштары (SSME) ұшып көтерілуге шамамен 6,6 секунд қалғанда іске қосылды, ал компьютерлер олардың қуатын арттыру барысында қадағалады. Егер қандай да бір ақаулық анықталса, қозғалтқыштар автоматты түрде тоқтатылып, қатты ракеталық күштеуіштердің (SRB) T = 0 секундта тұтануына дейін кері санау тоқтатылар еді. Бұл "артық көшірмелі бастау тізбегінің (RSLS) тоқтатылуы" деп аталатын, және бес рет орын алды: STS 41 D, STS 51 F, STS 55, STS 51 және STS 68.

Көтерілуді тоқтату режімдері

Шатлдың қатты майықтырғыш бустерлері (SRB) тұтанғаннан кейін, аппарат ұшыруға толықтай дайындалды. Егер SRB тұтанғаннан кейін тоқтату қажет болатын жағдай туындаса, SRB жанар алдынан және бөлінгенге дейін, яғни ұшырылғаннан кейін шамамен екі минут өткен соң ғана тоқтату процедурасын бастау мүмкін болды. Көтерілу кезінде бес тоқтату режимі қолжетімді болды, олар қалыпты тоқтату және төтенше тоқтату санаттарына бөлінді. Тоқтату режимін таңдау жағдайдың қаншалықты жедел екендігіне және қандай авариялық қону алаңына жетуге болатынына байланысты болды. Тоқтату режимдері әртүрлі мәселелерді қамтыды, бірақ ең көп күтілетін мәселе – негізгі қозғалтқыштың істен шығуы, аппараттың жоспарланған орбитаға жеткілікті итермелеусіз жетуіне себеп болар еді. Қозғалтқыштарға қатысы жоқ, бірақ тоқтатуды талап ететін басқа да мүмкін ақауларға бірнеше қосалқы қуат агрегатының (APU) істен шығуы, гидравликалық жүйенің прогрессивті бұзылуы, кабинадағы герметик бұзу және сыртқы бактың ақаулығы кіретін еді.

Ауыстыру режимдері

Ғарыш шаттлының төрт толық сақталынған авариялық тоқтату режимі болды. Толық сақталынған авариялық тоқтатулар орбиталық аппаратты жоспарланған қону алаңына немесе миссия үшін жоспарланғаннан төмен орбитаға қауіпсіз қайтару үшін жасалған.

Ұшыру орнына қайта оралу

Ұшыру орнына қайта оралу (RTLS) – SRB-ні бөліп тастағаннан кейін таңдалатын алғашқы авариялық режим болды. Шаттл артық отынды жағу үшін жол бойымен ұшуын жалғастырады, сондай-ақ негізгі қозғалтқыштың істен шығуы кезінде тік жылдамдықты сақтау үшін жоғары көтеріледі. Жеткілікті отынды жаққаннан кейін, аппарат толығымен кері бұрылып, ұшыру орнына қарай итеріле бастайды. Бұл маневр «қозғалтқышпен айналу» (PPA) деп аталды және шатлдың траекториясы Кеннеди ғарыш орталығына қайтып келген кезде сыртқы бакта 2%-дан кем отын қалдыруын қамтамасыз ету үшін дұрыс уақытта орындалатын болды. Сонымен қатар, шатлдың ОМС және реакциялық басқару жүйесінің (RCS) қозғалтқыштары қону салмағын азайту және орбиталық аппараттың ауырлық орталығын реттеу үшін артық ОМС отынын жағу үшін үздіксіз жұмыс істейтін. Негізгі қозғалтқыштарды тоқтату алдында орбиталық аппаратқа сыртқы бакты бөліп алу үшін дұрыс бағдар беруді қамтамасыз ету үшін мұрынды төменге қарай бұру бұйырылатын, өйткені аэродинамикалық күштер баска жағдайда бакты орбиталық аппаратпен соқтығыстыруы мүмкін. Негізгі қозғалтқыштар тоқтатылады, ал бак бөлінеді, орбиталық аппарат RCS-ті аралықты арттыру үшін пайдаланады. Тоқтату және бөліну атмосфераның жоғарғы қабатында, шамамен 230 000 фут (70 000 м) биіктікте жүзеге асырылады, бұл сыртқы бакты артық аэродинамикалық стреске және қыздыруға ұшыратпау үшін жеткілікті биіктік. Кез келген жағдайда, орбиталық аппарат мұндай биіктікте тым баяу ұшады, сондықтан мұқият сырғанап түсе алмайды және жылдам төмендей бастайды. Бірінен соң бірі орындалатын маневрлер сериясы орбиталық аппараттың мұрнын көтеріп, қалың ауаға жеткенде аппаратты теңестіреді, сонымен қатар аппараттың құрылымдық шектері бұзылмауын қамтамасыз етеді (жұмыс жүктемесінің шегі 2,5 G-ға орнатылған, ал 4,4 G-та ОМС бөлімдерінің орбиталық аппараттан жұлынып түсуі күтілді). Бұл кезең аяқталғаннан кейін орбиталық аппарат қону алаңынан шамамен 150 теңіздік миль (278 км) қашықтықта болады және тұрақты сырғанаумен, ұшырылғаннан кейін шамамен 25 минуттан кейін қалыпты қонуға дайындалады. Егер PPA кезінде екінші негізгі қозғалтқыш істен шықса, шатл KSC-дегі ұшу-қону жолағына жете алмайды және экипаж құтқару шараларын қолдануға мәжбүр болады. PPA кезінде үшінші қозғалтқыштың істен шығуы басқаруды жоғалтуға және одан кейін экипаж мен аппараттың жоғалуына (LOCV) әкеледі. Үш қозғалтқыштың да істен шығуы, көлденең жылдамдық нөлге жақындағанда немесе сыртқы бакты бөліп алу алдында LOCV-қа әкеледі.

Return to launch site (RTLS) was the first abort mode available and could be selected just after SRB jettison. The shuttle would continue downrange to burn excess propellant, as well as pitch up to maintain vertical speed in aborts with a main engine failure. After burning sufficient propellant, the vehicle would be pitched all the way around and begin thrusting back towards the launch site. This maneuver was called the "powered pitcharound" (PPA) and was timed to ensure that less than 2% propellant remained in the external tank by the time the shuttle's trajectory brought it back to the Kennedy Space Center. Additionally, the shuttle's OMS and reaction control system (RCS) motors would continuously thrust to burn off excess OMS propellant to reduce landing weight and adjust the orbiter's center of gravity. Just before main engine cutoff, the orbiter would be commanded to pitch nose down to ensure proper orientation for external tank jettison, since aerodynamic forces would otherwise cause the tank to collide with the orbiter. The main engines would cut off, and the tank would be jettisoned, as the orbiter used its RCS to increase separation. Cutoff and separation would occur effectively inside the upper atmosphere at an altitude of about 230,000 ft (70,000 m), high enough to avoid subjecting the external tank to excessive aerodynamic stress and heating. The cutoff velocity would depend on the distance still to be traveled to reach the landing site and would increase based on the distance of the orbiter at cutoff. In any case, the orbiter would be flying too slowly to glide gently at such high altitude, and would start descending rapidly. A series of maneuvers in quick succession would pitch the orbiter's nose up to level off the orbiter once it reached thicker air, while at the same time ensuring that the structural limits of the vehicle were not exceeded (the operational load limit was set to 2.5 Gs, and at 4.4 Gs the OMS pods were expected to be torn off the orbiter). Once this phase was complete, the orbiter would be about 150 nmi (278 km) from the landing site and in a stable glide, proceeding to make a normal landing about 25 minutes after liftoff. If a second main engine failed at any point during PPA, the shuttle would not be able to reach the runway at KSC, and the crew would have to bail out. A failure of a third engine during PPA would lead to loss of control and subsequent loss of crew and vehicle (LOCV). Failure of all three engines as horizontal velocity approached zero or just before external tank jettison would also result in LOCV.

Трансокеандық жерге қонуды тоқтату

Трансокеандық тоқтату қонуы (TAL) – ұшуға шыққаннан кейін шамамен 25-30 минут өткен соң Африка, Батыс Еуропа немесе Атлант мұхитындағы (Азор аралдарындағы Лейес әуежайында) алдын ала белгіленген жерге қонуды білдірді. Бұл жылдамдық, биіктік және ұшу бағыты бойынша арақашықтық іске қосу алаңына қайта оралуға мүмкіндік бермейтін жағдайларда қолданылатын. Сонымен қатар, уақытқа аса тәуелді емес ақаулар, жылдамрақ бірақ қауіпті RTLS тоқтатуын қажет етпегенде де пайдаланылатын. Қозғалтқыштың істен шығуы сияқты техникалық мәселелер туғанда TAL тоқтатуы ұшуға шыққаннан кейін шамамен T+2:30 (екі минут 30 секунд) және T+5:00 (бес минут) аралығында жарияланатын, содан кейін тоқтату режимі Abort Once Around (AOA) және одан кейін Abort To Orbit (ATO) болып өзгеретін. Дегенмен, уақыт өте маңызды ақаулар немесе экипаждың қауіпсіздігіне қауіп төндіретін жағдайларда (мысалы, кабинадағы ауаның шығуы немесе салқындату жүйесінің бұзылуы) TAL негізгі қозғалтқыш тоқтағанға дейін немесе тіпті MECO-дан кейін, қатты жылдамдық жетіспеушілігі болғанда да қолданылуы мүмкін. Сонда ғарыш кемесі Атлант мұхитының ар жағындағы алдын ала белгіленген әуежайға қонатын. Соңғы төрт TAL орны – Франциядағы Истрес әуе базасы, Испаниядағы Сарагоса және Морон әуе базалары, сондай-ақ Англиядағы RAF Fairford. Ғарыш кемесін ұшыру алдында, ұшу жоспарына сәйкес екі орын іріктеліп, қажет болған жағдайда дайын күйде персоналмен жабдықталар еді. Геосаяси факторларға байланысты TAL орындарының тізімі уақыт өте келе өзгеріп отырды. Нақты орындар орбиталық еңістікке байланысты әр ұшырылымда анықталатын. Ғарыш кемесі қайтадан атмосфераға кіретін болса, NASA Эдвардс әуе базасына, Уайт-Сэндс ғарыш портына немесе Кеннеди ғарыш орталығына қонуды таңдай алатын. Джонсон ғарыш орталығының Бақылау орталығы SSME ақауын байқап, "Challenger Houston, ATO тоқтатыңыз" деп бұйрық берді. Кейіннен қозғалтқыштың істен шығуының себебі, температура сенсорларының дұрыс жұмыс ілемеуінен туындаған қасақана тоқтату екені анықталды. Ал "RTLS-тің сәтті болуы үшін, Құдайдың көмегімен кереметтердің тізбегі қажет".

Қажеттіліксіз түсік жасату

Төтенше жағдайлардағы тоқтатулар бірнеше SSME-нің істен шығуына алып келді және көбінесе орбиталық аппаратты ұшу-қону жолағына жеткізе алмады. Осы тоқтатулар экипаждың құтқарылуы үшін орбиталық аппараттың жеткілікті уақытқа сақталуын қамтамасыз ету мақсатында жасалды. Екі қозғалтқыштың жоғалтылуы, әдетте, қалған қозғалтқышты пайдаланып орбиталық траекторияны оңтайландыру арқылы аман қалуға мүмкіндік берді, соның салдарынан қайта кіру кезінде конструкциялық шектеулерден асып кетпеуге болады. Үш қозғалтқыштың жоғалтылуы белгілі бір "қара аймақтардан" тыс жерлерде аман қалуға мүмкіндік беретін еді, онда орбиталық аппарат құтқарылуға уақыт жетпей сәтсіздікке ұшырар еді. Ең маңызды жаңару – құтқарылу мүмкіндігі болды. Әдеттегі истребительдегі катапульді орындықтан айырмашылығы, шаттлда ұшу кезінде экипажты құтқару жүйесі (ICES) болды. Көлік автопилотпен тұрақты сырғанауға түсірілді, шлюз ашылды, ал экипаж орбиталық аппараттың сол қанатын асып өту үшін тіреуге ілініп шықты. Содан кейін олар парашютпен жерге немесе теңізге түсті. Бастапқыда бұл тек сирек жағдайларда қолданыла алатын сияқты көрінсе де, авариялық қону алаңына жету мүмкін болмаған, бірақ көлік әлі де толық және бақылауда болған көптеген жағдайлар болды. "Челленджер" апатынан бұрын, мұндай жағдай STS-51F миссиясында, SSME T+345 секундта істен шыққанда туған болатын. Сол кездегі орбиталық аппарат та "Челленджер" болды. Екінші SSME температураның қате оқылуынан істен шығуға жақын болды, бірақ ұшуды басқарушысы жылдам ойланып, қозғалтқышты тоқтатуды тоқтатты. Егер екінші SSME біріншісінен 69 секунд ішінде істен шыққан болса, Атлант мұхитын кесіп өтуге жеткілікті энергия болмас еді. Құтқарылу мүмкіндігі болмағанда, барлық экипаж қаза болар еді. "Челленджер" апатынан кейін мұндай жағдайларда аман қалу мүмкіндігі жасалды. Биіктікте құтқаруды жеңілдету үшін экипаж ұшыру кезінде және қону кезінде Ұшыру-қону костюмін, кейіннен Жақсартылған экипаж құтқару костюмін кие бастады. "Челленджер" апатынан бұрын, операциялық миссияларға қатысқан экипаждар тек матадан жасалған ұшу костюмдерін киетін. "Челленджер" апатынан кейін жасалған тағы бір жаңару – Шығыс жағалауы/Бермудадағы тоқтату қондыруларының (ECAL/BDA) енгізілуі болды. Жоғары бұрыштағы ұшырулар (барлық ХҒС миссияларын қоса алғанда) белгілі бір жағдайларда Солтүстік Американың шығыс жағалауындағы авариялық қону жолағына жете алатын еді. Төмен бұрыштағы ұшырулардың көпшілігі Бермудаға қонатын еді (бірақ ең төменгі бұрыштағы ұшырулар үшін бұл опция қолжетімді болмады – 28,5° орбиталық бұрышқа дейін, ол KSC-ден тікелей шығысқа қарай ұшырылып, Бермудадан оңтүстікке қарай өтті). ECAL/BDA тоқтатуы RTLS-ке ұқсас болды, бірақ Кеннеди ғарыш орталығына қонудың орнына, орбиталық аппарат Солтүстік Американың шығыс жағалауындағы (ECAL жағдайында) немесе Бермудадағы (BDA жағдайында) басқа жерге қонуға тырысатын еді. ECAL үшін әртүрлі ықтимал қону орындары Оңтүстік Каролинадан Канаданың Ньюфаундлендке дейін созылды. Бермудадағы белгіленген қону орны – Бермуда әскери-әуе базасы (АҚШ Әскери-теңіз күштерінің нысаны) болды. ECAL/BDA тоқтатуы толық сақталып қалған тоқтатудан гөрі нашаррақ болатын төтенше жағдайлардың тоқтатуы еді, себебі қону орнын таңдауға және орбиталық аппараттың келуіне дайындалуға уақыт өте аз болды. Барлық алдын ала белгіленген орындар әскери әуежайлар немесе азаматтық/әскери бірлестіктер болды. ECAL апаттық орындары RTLS және TAL тоқтатуларына дайындалғандай орбиталық аппараттың қонуын қабылдауға жақсы жабдықталмаған. Бұл орындарда NASA қызметкерлері немесе мердігерлері жұмыс істемеді және онда жұмыс істейтін қызметкерлерге шаттлдың қонуын басқаруға арнайы оқыту берілмеді. Егер олар қажет болса, шаттл ұшқыштары толығымен қозғалтқыштары істен шыққан сырғанау ұшағын қону процедураларына ұқсас процедураларды қолданатын әуе қозғалысын бақылаудың штаттық қызметкерлеріне сенеуге тиіс еді. Сонымен қатар, әртүрлі авариялық сценарийлердегі көлік энергиясын басқаруға арналған жақсартылған бағдарламалық жасақтаманы қамтитын көптеген басқа авариялық түзетулер енгізілді. Бұл әртүрлі SSME істен шығу сценарийлері үшін авариялық қону жолағына жету мүмкіндігін арттырды.

Contingency aborts involved failure of more than one SSME and would generally have left the orbiter unable to reach a runway. These aborts were intended to ensure the survival of the orbiter long enough for the crew to bail out. Loss of two engines would have generally been survivable by using the remaining engine to optimize the orbiter's trajectory so as to not exceed structural limits during reentry. Loss of three engines could have been survivable outside of certain "black zones" where the orbiter would have failed before bailout was possible. A particularly significant enhancement was bailout capability. Unlike the ejection seat in a fighter plane, the shuttle had an inflight crew escape system (ICES). The vehicle was put in a stable glide on autopilot, the hatch was blown, and the crew slid out a pole to clear the orbiter's left wing. They would then parachute to earth or the sea. While this at first appeared only usable under rare conditions, there were many failure modes where reaching an emergency landing site was not possible yet the vehicle was still intact and under control. Before the Challenger disaster, this almost happened on STS 51 F, when a single SSME failed at about T+345 seconds. The orbiter in that case was also Challenger. A second SSME almost failed because of a spurious temperature reading; however, the engine shutdown was inhibited by a quick thinking flight controller. If the second SSME had failed within about 69 seconds of the first, there would have been insufficient energy to cross the Atlantic. Without bailout capability, the entire crew would have been killed. After the loss of Challenger, those types of failures were made survivable. To facilitate high altitude bailouts, the crew began wearing the Launch Entry Suit and later the Advanced Crew Escape Suit during ascent and descent. Before the Challenger disaster, crews for operational missions wore only fabric flight suits. Another post Challenger enhancement was the addition of East Coast/Bermuda abort landings (ECAL/BDA). High inclination launches (including all ISS missions) would have been able to reach an emergency runway on the East Coast of North America under certain conditions. Most lower inclination launches would have landed in Bermuda (although this option was not available for the very lowest inclination launches—those to an orbital inclination of 28.5°—which launched due east from KSC and passed far to the south of Bermuda). An ECAL/BDA abort was similar to RTLS, but instead of landing at the Kennedy Space Center, the orbiter would attempt to land at another site along the east coast of North America (in the case of ECAL) or Bermuda (in the case of BDA). Various potential ECAL landing sites extended from South Carolina into Newfoundland, Canada. The designated landing site in Bermuda was Naval Air Station Bermuda (a United States Navy facility). ECAL/BDA was a contingency abort that was less desirable than an intact abort, primarily because there was so little time to choose the landing site and prepare for the orbiter's arrival. All of the pre designated sites were either military airfields or joint civil/military facilities. ECAL emergency sites were not as well equipped to accommodate an orbiter landing as those prepared for RTLS and TAL aborts. The sites were not staffed with NASA employees or contractors and the staff working there were given no special training to handle a shuttle landing. If they were ever needed, the shuttle pilots would have had to rely on regular air traffic control personnel using procedures similar to those used to land a gliding aircraft that has suffered complete engine failure. Numerous other abort refinements were added, mainly involving improved software for managing vehicle energy in various abort scenarios. These enabled a greater chance of reaching an emergency runway for various SSME failure scenarios.

Шығарудан құтылу жүйелері

Шаттл үшін "ұшырудан құтылу жүйесі" немесе "эвакуациялық құтылу жүйесі" деп аталатын құтылу жүйесі көп рет талқыланды. "Челленджер" және "Колумбия" трагедияларынан кейін оған зор қызығушылық білдірілді. Барлық бұрынғы және кейінгі АҚШ экипаждары бар ғарыш кемелерінде ұшырудан құтылу жүйелері болған, бірақ 2024 жылға дейін олардың ешқайсысы американдық экипажпен ұшу кезінде қолданылмаған.