 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Приёмная
комиссия.
Вступительное задание. Открытые уроки. Учебники по физике. Задачи по физике. Справочник по физике. Единый государственный экзамен. Вопросы и консультации. Советы абитуриенту. Рефераты. Олимпиады и турниры. Современная физика. Весёлая наука. Уголок крохобора. Не только физика. Директория ссылок. Репетиторы. Малая академия наук. . |
Год назад, 1 февраля 2003 года, во время возвращения на Землю потерпел катастрофу американский космический корабль многоразового использования "Колумбия". Все семь членов экипажа погибли. Изучением обстоятельств этого печального события занималась специально созданная Коллегия по расследованию катастрофы "Колумбии" (CAIB) под руководством адмирала Хола Гемана, а также группа из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), были задействованы тысячи различного рода организаций и учреждений. Обломки "Колумбии" оказались разбросанными на площади в сотни квадратных километров в штатах Техас и Луизиана. В результате поисков в труднодоступной горно-лесистой местности было собрано большое количество фрагментов космического корабля; а самое главное - удалось найти "черный ящик" с записями показаний датчиков (этот контейнер упал в болото и поэтому почти не пострадал). Через семь месяцев на сайте NASA был размещён отчёт объёмом более пятисот страниц, с массой графиков и фотографий, в котором представлены основные результаты проведенных расследований. Установлено, что через несколько минут после начала торможения в атмосфере, при котором поверхность корабля сильно нагревается, в передней части левого крыла "Колумбии" образовалась дыра размером около 20 см (как раз в том месте, куда попал оторвавшийся во время старта кусок термоизоляционного покрытия топливного бака). Струя раскаленного примерно до 14000 С воздуха проникла через эту дыру в полость крыла, прожгла алюминиевую обшивку корпуса корабля и повредила его несущие конструкции, что привело к гибели корабля и его экипажа. Возникает вопрос: почему руководство полетом не приняло мер по спасению корабля, хотя во время старта возникла нештатная ситуация? Дело в том, что просмотр видео- и фотоснимков крыла, сделанных экипажем после этого события, не выявил видимых повреждений в месте удара. Математическое моделирование, проведенное специалистами NASA, не дало никаких оснований для тревоги. Полученное повреждение не проявилось и во время шестнадцатисуточного полета "Колумбии" вокруг Земли. Оно дало о себе знать только на самом опасном участке траектории спуска: во время аэродинамического торможения корабля в земной атмосфере, когда для его спасения уже ничего нельзя было сделать. Но если бы даже повреждение было замечено заранее, все равно экипаж не удалось бы спасти, так как корабль не был оборудован ни необходимой для этого системой, ни устройством для стыковки с Международной Космической Станцией (МКС). Так по какой же причине образовалась дыра в обшивке левого крыла "Колумбии", приведшая к катастрофе? Как уже отмечалось, при торможении в атмосфере Земли поверхность космического аппарата из-за трения о воздух сильно нагревается, местами до температур, при которых конструкционные материалы теряют прочность. Поэтому, чтобы защитить корабль от разрушения, его поверхность покрывают специальными плитками из термостойких материалов, которые приклеивают к металлической обшивке аппарата. Наиболее теплонагруженные участки корпуса корабля - его носовую часть, передние кромки хвостового оперения и крыльев - изготовляют из композиционного материала, сделанного из углеродных волокон, армированных углеродной матрицей (на фотографии "Колумбии" этот материал выглядит как полосы черного цвета). Во время возвращения корабля на Землю теряются десятки - а иногда и сотни - плиток теплозащиты из имеющихся тысяч. К чему это может привести, изображено на снимке участка крыла советского космического корабля "Бурана", полученном после его возвращения на Землю. Видно, что из-за потери трех плиток теплозащиты материал обшивки крыла из алюминия уже начал разрушаться. "Буран" чудом уцелел. Если бы этот корабль имел на своем борту груз или экипаж, что привело бы к увеличению его веса и, следовательно, времени пребывания в условиях аэродинамического торможения и нагрева, его, скорее всего, ждала бы участь "Колумбии". Итак, первая гипотеза. Причина образования дыры в обшивке крыла, приведшей к гибели "Колумбии", - это потеря плиток теплозащиты при входе корабля в атмосферу Земли, спровоцированная ударом по крылу куска термоизоляции топливного бака. Более определенно по этому поводу сказать нечего: на мой запрос из NASA сообщили, что процесс горения и разрушения материала обшивки в результате потери теплозащитных плиток в должной мере не изучался. Конечно, без внимания эта проблема не оставалась. В моем распоряжении имеются результаты работы сотрудников университетов Стэнфорда и Карнеги, проделанной еще в 1994 году и посвященной анализу риска полетов космических кораблей типа "Шаттл" (к которому принадлежала и "Колумбия"), связанного потерей теплозащитных плиток. Среди рекомендаций, выданных этими учеными, есть и такие: для повышения качества работы усилить координацию между предприятиями-смежниками, принимающими участие в изготовлении оборудования для "Шаттлов", и поднять зарплату наклейщикам упомянутых плиток до уровня высокооплачиваемых электронщиков. Да, с этими предложениями нельзя не согласиться. Вторая и наиболее вероятная причина образования дыры в обшивке крыла "Колумбии", если судить по месту её расположения и размеру, - это воспламенение и горение углеродных панелей, из которых сделана кромка крыла "Колумбии". Известно, что многие конструкционные материалы, работающие в окислительной атмосфере, могут воспламеняться в результате удара об их поверхность различного рода частиц и, тем более, крупных предметов. Во всяком случае, конструкторам советского орбитального корабля "Бурана" это явление сильно досаждало на стадии доработки аппарата. Тогда, в начале восьмидесятых годов, за решение проблемы воспламенения и горения конструкционных материалов энергично взялся Ф.И. Дубовицкий, в то время директор Отделения института химической физики в Черноголовке. Я был привлечен Ф.И. Дубовицким к работе над этой проблемой как теоретик в области горения. В помощь мне был назначен Н.И. Перегудов, один из самых квалифицированных математиков-программистов. Группа химиков Н.Н. Алейникова, усиленная специалистом по горению Б.М. Зуевым, должна была изучать кинетику окисления конструкционных материалов. Лаборатория В.Е. Фортова была привлечена для изучения процесса удара и его последствий. Конструирование и изготовление необходимого оборудования Ф.И. Дубовицкий возложил на производственно-технический отдел, возглавляемый В.К. Энманом. Для объяснения наблюдаемых на практике эффектов мы построили математическую модель процесса зажигания материала, согласно которой удар какого-либо предмета о его поверхность приводит к образованию совокупности трещин, т.е. размельчению материала, что существенно ускоряет процесс воспламенения. Этот эффект хорошо известен из практики. Некоторые измельченные в порошок материалы, например, металлы, иногда воспламеняются на воздухе даже при комнатной температуре, в то время как монолитный кусок того же материала может храниться без всяких проблем очень долго. Важная особенность процесса воспламенения размельченного материала - наличие резко выраженных критических условий. Например, стоит числу трещин в материале превысить критическое значение, - и процесс воспламенения, как говорится, "пошел". Вначале наши выводы были встречены Главным конструктором "Бурана" В.П. Глушко с откровенным негодованием: он считал, что имеющиеся неполадки с "Бураном" будут устранены в процессе доводки аппарата на основе богатого опыта его специалистов. Мы же ставили рамки дееспособности самого аппарата. Читатель без труда представит себе, какие слова произносились в наш адрес, когда В.П. Глушко в гневе стучал кулаком по нашему отчету, лежавшему перед ним на столе. Однако, к чести конструкторов "Бурана", соответствующие выводы они сделали, и корабль был запущен пустым, чтобы до минимума снизить тепловые нагрузки на его элементы во время полета. Это спасло корабль. Итак, наиболее вероятная причина катастрофы "Колумбии" состоит в следующем. В результате удара куска термоизоляции топливного бака о крыло корабля число малозаметных микроскопических трещин в панели передней кромки крыла превысило критическое значение. Поэтому во время торможения корабля произошло возгорание и образовалась та самая злополучная дыра, в которую и проникла струя горячего воздуха, разрушившая корабль. Ну, а как же быть с американскими кораблями многоразового использования семейства "Шаттл"? В докладе Коллегии по расследованию катастрофы "Колумбии" специалистам Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства настоятельно рекомендуется детально изучить процесс окисления и воспламенения конструкционных материалов (особенно изготовленных на основе углерода), чтобы дать реальную оценку степени их пригодности для применения в конструкциях космических кораблей многоразового использования. Думаю, что фундаментальные исследования ученых Черноголовки помогут нашим коллегам справиться с этой важной проблемой. д.ф.-м.н. С.С. Рыбанин
|