Неудачная миссия STS-83: Прерванный научный полет Columbia

Введение

Неудачный американский пилотируемый космический полет 1997 года, миссия STS-83, была выполнена NASA на космическом челноке Columbia. Это была научно-исследовательская миссия, которая успешно вышла на орбиту, однако запланированная продолжительность оказалась сорвана из-за технической неисправности в топливном элементе, что привело к досрочному прекращению 15-дневного полета. Columbia вернулась на Землю менее чем через четыре дня. Позже в том же году миссия была повторена как STS-94 с тем же экипажем.

Основные моменты миссии

Эта миссия была первоначально запущена 4 апреля 1997 года и должна была находиться на орбите 15 дней и 16 часов. Миссия была сокращена из-за проблемы с топливной ячейкой №2 и приземлилась 8 апреля, после 3 дней 23 часов. NASA приняло решение повторить миссию как STS-94, запуск которой состоялся 1 июля 1997 года. Основной полезной нагрузкой на STS-83 была Научная лаборатория микрогравитации (MSL). MSL представляла собой набор экспериментов в условиях микрогравитации, размещенных внутри Европейского космического модуля Spacelab Long Module (LM). Она опиралась на совместную работу и научную базу миссий Международной микрогравитационной лаборатории (IML 1 на STS-42 и IML 2 на STS-65), миссий Микрогравитационной лаборатории США (USML 1 на STS-50 и USML 2 на STS-73), японской миссии Spacelab (Spacelab J на STS-47), миссии Spacelab Life and Microgravity Science (LMS на STS-78) и немецких миссий Spacelab (D 1 на STS-61A и D 2 на STS-55). MSL включала 19 исследований в области материаловедения, проводимых в четырех основных установках: Большая изотермическая печь, стойка для ускорения обработки экспериментов на космической станции (EXPRESS), электромагнитная установка для обработки контейнерных материалов (TEMPUS) и установка для грубого сжатия в твердо-жидких смесях (CSLM), Эксперимент по горению капель (Droplet Combustion Experiment - DCE) и модуль сгорания 1. Дополнительные технологические эксперименты должны были быть проведены в Middeck Glovebox (MGBX), разработанном Маршалловским космическим центром (MSFC), а система High Packed Digital Television (HI PAC DTV) использовалась для обеспечения многоканального аналогового научного видео в режиме реального времени. Большая изотермическая печь была разработана Японским космическим агентством (NASDA) для миссии STS-47 Spacelab J и также использовалась в миссии STS-65 IML 2. В ней проводились измерения коэффициента диффузии методом сдвиговой ячейки, эксперимент по диффузии жидких металлов и сплавов, эксперимент по диффузии в жидком сплаве олова и теллура, эксперимент по диффузии примесей в ионных расплавах, эксперимент по синтерированию в жидкой фазе II (LIF) и эксперимент по диффузионным процессам в расплавленных полупроводниках (DPIMS). Модуль сгорания 1 (CM 1) из Исследовательского центра NASA имени Льюиса использовался для экспериментов по исследованию ламинарных процессов образования сажи и структуры шаров пламени при низком числе Льюиса (SOFBALL). Эксперимент по горению капель (DCE) предназначен для изучения фундаментальных аспектов горения отдельных изолированных капель при различных давлениях и концентрациях кислорода в окружающей среде для диапазона размеров капель от 1 до 100 мкм. Аппарат DCE интегрирован в стойку MSL Spacelab шириной в один модуль в грузовом отсеке. Стойка EXPRESS заменяет двойную стойку Spacelab, а специальное оборудование обеспечивает те же структурные и ресурсные соединения, которые будут на космической станции. В ней размещены эксперименты "Физика твердых сфер" (PHaSE) и "Астро/PGBA". Электромагнитная установка для обработки контейнерных материалов (TEMPUS) используется для экспериментов по нуклеации в различных режимах течения, термофизическим свойствам передовых материалов в эксперименте с переохлажденной жидкостью, измерениям поверхностного натяжения жидких и переохлажденных металлических сплавов методом осциллирующей капли, экспериментам по переохлаждению сплавов, изучению морфологической стабильности растущих дендритов путем сравнительных измерений скорости дендритов на чистом никеле и разбавленных сплавах Ni-C в земной и космической лаборатории, эксперименту с переохлажденными расплавами сплавов с политетраэдрическим ближним порядком, эксперименту с термическим расширением стеклообразующих металлических сплавов в переохлажденном состоянии, эксперименту с АС-калориметрией и термофизическими свойствами объемных стеклообразующих металлических жидкостей и эксперименту по измерению поверхностного натяжения и вязкости переохлажденных жидких металлов. Также проводились эксперименты по измерению микрогравитации, включая систему измерения космического ускорения (SAMS), агрегат измерения микрогравитации (MMA), систему измерения квазистабильного ускорения и исследовательский эксперимент по орбитальному ускорению (OARE). Устройство среднего палубы (MGBX) поддерживало эксперимент по нелинейной динамике пузырей и капель (BDND), изучение фундаментальной работы капиллярно-приводного устройства теплопередачи (CHT) в условиях микрогравитации, эксперимент по внутренним потокам в свободной капле (IFFD) и эксперимент по горению капель, поддерживаемых волокнами (FSDC 2).

This mission was originally launched on April 4, 1997, and was intended to be on orbit for 15 days, 16 hours. The mission was cut short due to a problem with Fuel Cell #2 and it landed on April 8, after 3 days 23 hours. NASA decided to fly the mission again as STS 94, which launched July 1, 1997. The primary payload on STS 83 was the Microgravity Science Laboratory (MSL). MSL was a collection of microgravity experiments housed inside a European Spacelab Long Module (LM). It built on the cooperative and scientific foundation of the International Microgravity Laboratory missions (IML 1 on STS 42 and IML 2 on STS 65), the United States Microgravity Laboratory missions (USML 1 on STS 50 and USML 2 on STS 73), the Japanese Spacelab mission (Spacelab J on STS 47), the Spacelab Life and Microgravity Science Mission (LMS on STS 78) and the German Spacelab missions (D 1 on STS 61 A and D 2 on STS 55). MSL featured 19 materials science investigations in four major facilities. These facilities were the Large Isothermal Furnace, the EXpedite the Processing of Experiments to the Space Station (EXPRESS) Rack, the Electromagnetic Containerless Processing Facility (TEMPUS) and the Coarsening in Solid–Liquid Mixtures (CSLM) facility, the Droplet Combustion Experiment (DCE) and the Combustion Module 1 Facility. Additional technology experiments were to be performed in the Middeck Glovebox (MGBX) developed by the Marshall Space Flight Center (MSFC) and the High Packed Digital Television (HI PAC DTV) system was used to provide multi channel real time analog science video. The Large Isothermal Furnace was developed by the Japanese Space Agency (NASDA) for the STS 47 Spacelab J mission and was also flown on STS 65 IML 2 mission. It housed the measurement of diffusion coefficient by shear cell method experiment, the diffusion of liquid metals and alloys experiment, the diffusion in liquid led tin telluride experiment, the impurity diffusion in ionic melts experiment, the liquid phase sintering II experiment (LIF), and the diffusion processes in molten semiconductors experiment (DPIMS). The Combustion Module 1 (CM 1) facility from the NASA Lewis Research Center housed experiments on Laminar Soot Processes Experiment and the Structure of Flame Balls at Low Lewis number Experiment (SOFBALL). The Droplet Combustion Experiment (DCE) is designed to investigate the fundamental combustion aspects of single, isolated droplets under different pressures and ambient oxygen concentrations for a range of droplet sizes varying between and The DCE apparatus is integrated into a single width MSL Spacelab rack in the cargo bay. The EXPRESS rack replaces a Spacelab Double rack and special hardware will provide the same structural and resource connections the rack will have on the Space Station. It will house the Physics of Hard Spheres (PHaSE) experiment and the Astro/PGBA Experiment. The Electromagnetic Containerless Processing Facility (TEMPUS) is used for the experiments on nucleation in different flow regimes, thermophysical properties of advanced materials in the undercooled liquid state experiment, measurements of the surface tension of liquid and undercooled metallic alloys by oscillating drop technique experiment, alloy undercooling experiments, the study of the morphological stability of growing dendrites by comparative dendrite velocity measurements on pure ni and dilute Ni–C alloy in the Earth and space laboratory experiment, the undercooled melts of alloys with polytetrahedral short range order experiment, the thermal expansion of glass forming metallic alloys in the undercooled state experiment, the AC calorimetry and thermophysical properties of bulk glass forming metallic liquids experiment and the measurement of surface tension and viscosity of undercooled liquid metals experiment. There were also experiments on measuring microgravity. They included the space acceleration measurement system (SAMS), the microgravity measurement assembly (MMA), the quasi steady acceleration measurement system and the orbital acceleration research experiment (OARE). The middeck glovebox (MGBX) facility supported the bubble and drop nonlinear dynamics (BDND) experiment, the study of the fundamental operation of a capillary driven heat transfer (CHT) device in microgravity experiment, the internal flows in a free drop (IFFD) experiment and the fiber supported droplet combustion experiment (FSDC 2).

Запуск

Перед запуском и в течение начального этапа миссии, специалисты центра управления полетами на Земле наблюдали аномалию в топливном элементе №2 (из трех), генерирующем электроэнергию, которая указывала на возможное неконтролируемое смешивание кислорода и водорода, что могло привести к детонации (подобный сценарий стал причиной взрыва на «Аполлоне-13»). Несмотря на предпринятые меры по устранению неполадок, аномалия сохранялась и, по-видимому, усугублялась. Правила полётов требовали отключения топливного элемента при достижении определенного порогового значения напряжения, и поскольку работали только два из трех топливных элементов, это активировало другое правило полётов, предписывающее досрочное прекращение миссии (потеря второго топливного элемента потребовала бы серьезных и опасных отключений систем, хотя шаттл может нормально функционировать на двух). Специалист по полезной нагрузке доктор Линтерис описал миссию как «упражнение в кризисном управлении. Сигнал главной шины срабатывал непрерывно». Астронавт Крис Хэдфилд был оператором связи (CAPCOM) во время STS-83. Он назвал решение NASA о прекращении миссии положительным примером применения свода правил полётов для обеспечения безопасности астронавтов: «Преимущество правил полётов заключается в том, что они обеспечивают определенность, когда необходимо принимать трудные решения. В реальном времени соблазн рискнуть всегда выше. Однако правила полётов были однозначны: шаттл должен был вернуться на Землю». После посадки руководители миссии решили, что «Колумбия» не требует стандартной процедуры послеполётного обслуживания. Вместо этого они приняли решение о беспрецедентном повторном выполнении той же миссии после завершения стандартных процедур (заправки топливных баков и других расходных материалов, таких как кислород, водород, азот и вода, замены основных двигателей и т.д.). Тот же экипаж выполнил повторный полёт, получивший обозначение STS-94 (следующий доступный неиспользованный номер миссии шаттла на тот момент), через три месяца, в июле 1997 года. На нашивке экипажа был сделан редизайн, изменивший внешнюю границу с красной на синюю и номер полёта с 83 на 94.

Prior to launch, and continuing through the early part of the mission, flight controllers on the ground were monitoring an anomaly within the electrical power generating Fuel Cell #2 (of three), making it appear that oxygen and hydrogen might be starting to uncontrollably mix, which could lead to detonation (a similar scenario that caused the explosion on Apollo 13). Despite troubleshooting, the anomaly persisted and appeared to worsen. Mission Flight Rules required that the fuel cell be shut down once a certain voltage threshold had been crossed, and with only two of three fuel cells working, that invoked another Flight Rule which required the mission be terminated early (loss of a second fuel cell would require severe and dangerous powerdowns, though the shuttle operates normally on two). Payload Specialist Dr. Linteris described the mission as "an exercise in crisis management. The main bus alarm was going off continually." Astronaut Chris Hadfield served as CAPCOM for STS 83. He cited NASA's decision to terminate the mission as a positive example of applying the Flight Rules body of knowledge to ensure astronaut safety: "The beauty of Flight Rules is that they create certainty when we have to make tough calls In real time, the temptation to take a chance is always higher. However, the flight rules were unequivocal: the Shuttle had to return to Earth." Upon landing, mission managers decided that Columbia did not need to be processed per a typical end of mission maintenance flow. Instead, they called for an unprecedented reflight of the same mission, once the normal processing could be completed (refill the propellant tanks and other consumables like oxygen, hydrogen, nitrogen, and water, change out the main engines, etc.). The same crew flew the reflight, which was designated STS 94 (the next available unused shuttle mission number at the time), three months later, in July 1997. The crew patch was updated with the reflight, changing the outer border from red to blue and changing the flight number from 83 to 94.