Crni dan astronautike: Zbog čega se raspao "Challenger"?

Jedna od najvećih tragedija u svojoj istoriji, američki svemirski program doživeo je 28. januara 1986. godine, kada je 76 sekundi od uzletanja spejs šatl "Challenger" eksplodirao i tom prilikom ubio svih svoje 7 članova posade.

Crni dan astronautike: Zbog čega se raspao "Challenger"? Foto: Profimedia

Mnogi ljudi i danas veruju da je tragediju izazvao neki kvar u konstrukciji bustera na čvrsto gorivo, koji je samo bio potenciran niskom temperaturom koja je vladala na kosmodromu u momentu lansiranja. Iako su ovi uzroci značajni, postojao je još veliki broj malo poznatih faktora koji su uticali na tragični gubitak Challenger-a na 25. letu šatl–programa. Da je tog tragičnog dana makar jedan od njih bio izbegnut, možda se nesreća nikada nebi ni dogodila.

Takođe je opšte mišljernje da je Challenger "eksplodirao". U stvarnosti, šatl se raspao usled kvara u njegovoj strukturi. Tom prilikom, oslobođena je ogromna količina goriva koje je isparilo u obliku džinovskog oblaka koji je okružio šatl. Širenje tog oblaka je stvorilo percepciju da je došlo do eksplozije.

Delovi šatla

Da bi smo razumeli kako je došlo do katastrofe, moram prvo da objasnim različite komponente spejs šatla i kako one funkcionišu. Šatl, zvanično poznat pod nazivom Kosmički transportni sistem (Space Transportation System, STS), čine tri osnovne velike celine – orbiter, spoljnji rezervoar (External Tank, ET), i dva buster–motora na čvrsto gorivo (Solid Rocket Booster, SRB) – kako se to lepo vidi na donjoj slici. 

Primarnu komponentu ansambla čini orbiter, višekratna letilica sa krilima, koja posadu i teret nosi u kosmos i vraća ih na zemlju sletanjem na pistu. Međutim, sâm orbiter nije u stanju da proizvede dovoljno potiska niti može da ponese dovoljno goriva da bi stigao u orbitu. Potrebni potisak se postiže upotrebom dva velika bustera na čvrsto gorivo (SRB) koja su pomoću snažnih nosača okačena sa strana spoljnjeg rezervoara (ET). Ovi moćni raketni motori sastoje se od nekoliko segmenata i u sebi nose čvrsto gorivo okruženo lakom metalnom oblogom.

Segmenti svakog bustera u se fabrici spajaju u tri velike celine, koje su posebno dopremaju na Floridu, u objekat za montažu u Kenedijevom svemirskom centru, Vehicle Assembly Building. Tu se tokom sastavljanja letilice spajaju i ti segmenti, a prostor između njih se popunjava sa dva velika okrugla gumena prstena ("dihtunga", ili zaptivke). Usled toplote koju razvija sagorevanje goriva u busterima, ti gumeni dihtunzi se šire i popunjavaju praznine u sastavima, sprečavaju time da vrele gasovi izlaze napolje.

Dva SRB stvaraju većinu potiska (preko 70 posto) koji je potreban da šatl stigne u orbitu. Mada su raketni motori na čvrsto gorivo manje komplikovane i jeftinije od onih na tečno gorivo, koje koristi i orbiter, njihova najgora osobina je to što ne mogu da se isključe. Kada jednom startuju, SRB nastavljaju da sagorevaju punom snagom sve dok imaju goriva. Nakon što obave svoj posao i podignu šatl na visinu od oko 45,5 kilometara, SRB se uz pomoć malih eksplozivnih punjenja otkačinju od ansambla, i uz pomoć padobrana spuštaju u okean. Tamo ih čekaju remorkeri, koji ih vuku na obalu gde će biti oprani i servisirani, i pripremljeni za sledeći let.

Funkcija spoljnjeg rezervoara, sledećeg dela STS po veličini, jeste da nosi tečno gorivo potrebno za tri glavna motora (SSME) koja se nalaze u repu svakog orbitera. Zajedno sa SRB, ta tri motora na tečno gorivo daju dovoljan potisak za ulaženje u orbitu oko Zemlje. Tokom devet minuta rada, glavni motori troše ogromnu količinu goriva, koje nosi spoljnji tank. Njegove dve trećine je ispunjeno tečnim vodonikom (LH2), dok gornja trećina sadrži tečni kiseonik (LOX).

To kriogeničko gorivo se uz pomoć cevi koje se kriju u komleksu lansirne rampe puni u ET nekoliko časova pre lansiranja. Tokom poletanja, tečno gorivo hrani tri glavna motora orbitera nekih 8 ½ minuta nakon startovanja. Nakon toga, kada šatl dosegne tačku koja se označava kao MECO (Main Engine Cutoff), svo gorivo u ET je potrošeno, i ogromni rezervoar se na visini od oko 111,5 km otkačinje. Budući da je to jedini deo STS koji se ne koristi višekratno, njegovih 26 tona će izgoreti u atmosferi negde iznad Indijskog okeana (ili Tihog, ako se koristi tzv. direct-insertion lansirna trajektorija, koja se u poslednje vreme jedino i koristi).

Niske temperature

Ovo upoznavanje sa glavnim delovima sistema šatla omogućiće nam da vidimo šta je to pošlo naopako u inkriminisanoj misiji Challenger-a. Preovladavajuća teorija, koju je plasirala istraga nakon tragedije, kaže da ni primarni ni sekundarni kružni dihtung ("O–ring") nisu propisno zaptivali prostor poznat pod nazivom "aft field joint" na desnom SRB. Spoj se nalazio u blizini donjeg spoja SRB sa spoljnjim rezervoarom. Loše obavljen posao dihtunga dozvolio je nekontrolisano oslobađanje vrelih ispusnih gasova (3.315° C) iz unutrašnjih komora raketnog motora, i otpočinjanje nezaustavljivog kataklizmičnog sleda događaja.

Većina izvora navodi da je noć pred lansiranje temperatura vazduha u Kejp Kenediju pala na –8° C, a da je ujutro pred odbrojavanje bila svega 2° C. Nijedan prethodni let šatlova nikada nije izveden pri temperaturi nižoj od 11° C, a proizvođač "Morton Thiokol" nije imao dovoljno podataka kako će se njihovi busteri ponašati na tako niskim temperaturama. Iako su inženjeri iz "Thiokola" bili skeptični u vezi lansiranja u tim uslovima i predlagali odlaganje, mnogi drugi su smatrali da busteri mogu sigurno da funkcionišu i pri tako niskoj temperaturi. Međutim, to pojednostavljeno objašnjenje krije brojne faktore čija kombinacija će dovesti do nefunkcionisanja zaptivki i tragičnog gubitka letilice i ljudi.

Prvi od tih faktora je jak vetar koji je šibao lansirnom rampom noć i jutro pred lansiranje Challenger-a. Vetar nije poštedeo ni ET, koji je već bio napunjen sa tonama tečnog vodonika (–253° C) i tečnog kiseonika (–184° C), uzrokujući da vazduh postane superohlađen i počne da pada ka zemlji iza ET. Taj fenomen je zabeležen na nekim fotografijama servisnog tornja u noći uoči lansiranja. Jedna mala česma za osvežavanje bila je ostavljena preko noći uključena, ali se usled ledenog vetra njen mlaz zaledio u pravcu toka spuštajućeg vazduha.

I pored toga, sve to nije toliko neuobičajeno. Vetar je znao da stvori ledenu koru na ET i lansirnoj rampi čak i pri višim temperaturama. Ono što je bilo neuobičajeno u ovom slučaju, međutim, bilo je to da je vetar duvao sa zapada–severozapada. Kao rezultat, superhladni vazduh se spuštao pravo unutar donjeg dela desnog SRB i udarao odozgo na donji spoj. Na slici je prikazan pravac vetra odozgo na dole u odnosu na ansambl šatla.

Među uobičajene procedure brojnog personala koji obavlja zemaljske poslove pre lansiranja spada i merenje infracrvenim kamerama debljine leda koji se stvorio na glavnom rezervoaru. Potpuno slučajno, Ice Team je upravio kamere i na donji spoj na desnom SRB i izmerio temperaturu od samo –13° C, čto je bilo mnogo manje od temperature okolnog vazduha, i mnogo niže od konstruktorske tolerancije za prstenaste gumene dihtunge. Da je vetar duvao u bilo kom drugom pravcu i da nije uticao na donji spoj, zaptivka bi bila znatno toplija i do nesreće verovatno nikada nebi ni došlo.

Sledeći faktor koji je uticao na tragediju bio je taj da informacije Ice Team-a nikada nisu stigle do onih koji donose odluke, prvenstveno zato što njihov posao podrazumeva da obaveštavaju samo i jedino o debljini leda na spoljnjem rezervoaru. Da je temperatura spoja bila prosleđena inženjerima Nase i "Morton Thiokola", lansiranje bi sigurno bilo otkazano a propast Challenger-a izbegnuta.

Foto: Profimedia

Problem sa kružnom zaptivkom

Svi faktori o kojima sam do sada govorio dejstvovali su satima pre lansiranja, ali šta je sa samim letom? Pre Challenger-a, vladalo je opšte mišljenje da bilo koji kvar na raketnim busterima SRB može da se pojavi jedino u momentu paljenja motora, i da bi tom prilikom mogao da se izazove katastrofalni gubitak čitavog broda i lansirne rampe. Suprotno tome, superhladni "O–ring" je pri lansiranju još uvek obavljao svoj posao, mada su kamere na lansirnoj rampi prikazale da se 0,678 sekundi nakon starta na donjem šavu desnog bustera pojavio sumnjivi oblačić crnog dima. Takvi oblačići, često nazivani "blow–by" ("produvavanje"), predstavljali su indikator da spojevi nisu savršeno dihtovali, i da su se ispusni gasovi iz busterskih komora oslobodili i načeli gumene prstenove. Dodatnih osam oblačića, koji su se pojavili od 0,836 do 2,500 sekundi trajanja misije, kako je dole prikazano, pokazuju da je oštećenje prstenova nastavljeno.

Međutim, nakon izvesnog vremena izgledalo je kao da se prsten sâm od sebe "popravio" – kao da je počeo da bolje zaptiva – i nisu uočeni dalji oblačići. Razlozi za to leže u dva faktora. Prvo, on je bio izložen zagrevanju zapaljenog goriva u busteru, što je svakako povećalo njegovu temperaturu i elastičnost. To je normalna pojava, i uočena je već ranije kod mnogih vojnih raketa. Zbog privremenog "produvavanja", one često pri paljenju stvaraju čitave oblake crnog dima, pre nego što se prstenovi zagreju i počnu bolje da prijanjaju. Drugo, čvrsto raketno gorivo sadrži čestice alumunujum–oksida koji se topi sa zagrevanjem, te su kapljice aluminijuma verovatno začepile nastale praznine. U brojnim laboratorijskim testovima, potvrđeno je da oštećenja na O–prstenovima mogu da se kompenzuju nastalim kapljicama metala.

Privremeno zaptivanje je funkcionisalo skoro čitav minut od početka leta a pritisak u komori desnog SRB je ostao u granicama normalnog. Vrlo je moguće da bi tako ostalo do kraja, da nije bilo četvrtog i poslednjeg faktora, koji je zapečatio sudbinu letilice. U 56. sekundi leta, baš u trenutku Max–Q, Čalendžer je pogodio najjači udar vetra u čitavoj istoriji Programa šatl. To je uzrokovalo takve vibracije bustera, da je čep aluminijum–oksida, koji je "zacementirao" oštećeni prsten, razdrman i pomeren. To je izazvalo smanjivanje pritiska u komorama i pojavu slabog jezička plamena koji je viđen na donjem spoju 58,788 sekundi nakon MET (Mission Elapsed Time).

Raspad letilice

Plamen nastavlja da raste i biva uhvaćen aerodinamičkim tokom sve bržeg šatla. Iako se širio u skoro svim pravcima, sâm šatl je verovatno mogao da nastavi siguran let sve do odvajanja bustera, jer su busteri nastavili da rade i nakon što se ostatak letilice raspao. Međutim, pošto je buster izgubio pritisak, čak ni tada nebi bio u stanju da proizvede dovoljno potiska da izgura šatl do orbite, pa bi u tom slučaju orbiter morao da pristupi proceduri sletanja u slučaju opasnosti i aterira na neku od pomoćnih lokacija.

Pošto je plamen bio usmeren direktno prema ET, njegov uticaj na držače bustera i površinu spoljnjeg rezervoara izazvao je slabljenje oba. U 66,764 sekundi MET dolazi do gubitka pritiska i curenja tečnog vodonika iz tanka, koji se momentalno pretvarao u paru, što se moglo videti kao oblak pare koji izlazi iz ET. U 64,660 sekundi, oslobođerni vodonik je takođe počeo da "hrani" plamen iz desnog SRB, izazivajući promenu boje i čineći ga još jasnijim. Ubrzo nakon toga, počeo je da se pojavljuje blještavi trag na crno popločanom trbuhu orbiteta. U 70. sekundi MET, negde oko trećine visine od vrha ET, čitavim obodom rezervoara opaženi su tragovi curenja vodonika, što je značilo da je unutrašnji rezervoar vodonika probijen, nakon čega se spoljnji rezervoar razleteo.

Konačno raspadanje letilice otpočelo je nekih 72 sekunde nakon lansiranja, kada je otpočela serija munjevitih događaja. U 72,204 sekundi leta, donja konstruktivna spojka desnog bustera sa glavnim rezervoarom je popustila, što je omogućilo busteru da slobodno rotira oko gornje spojke. To je izazvalo iznenadnu promenu u kretanjima po osama levog i desnog bustera.

U 73,124 sekundi, kamere su zabeležile venac belog dima na donjoj strani ET, pokazujući da su se problemi u strukturi nastavili. Vrhunac je nastao kada se čitavo dno ET odvalilo od ostatka tanka , oslobodivći ogromnu količinu tečnog vodonika [7]. To iznenadno gubljenje mase izazvalo je nagli trzaj letilice, što je dovelo do odvajanja vodoničnog tanka od kiseoničkog, koji se nalazio na vrhu. U istom trenutku, rotirajući SRB udara u donji deo kiseoničkog tanka usled čega ovaj otpada. Taj sudar je kasnije i potvrđen, kada su ispitani tragovi na konusnom nosu SRB koji je pronađen nakon nesreće. Na osnovu tragova bele pare u tom rezionu, ruptura tanka za kiseonik se desila 73,137 MET.

Skoro trenutno, ta mešavina tečnog kiseonika i vodonika iz probušenih rezervoara je počela besno da gori, obavivši čitavu letilicu oblakom eksplozivnih zapaljivih para. U tom trenutku, u 76. sekundi leta, šatl je leteo brzinom od 1,92 Maha na visini od 14 km, brzinom od preko 2.000 km/h. Rotiranje desnog bustera izguralo je šatl sa planiranog kursa, tako da mu nos više nije bio u pravcu u kome je do tada leteo.

Takvo kretanje pri tolikoj brzini predstavljalo je veliko opterećenje na kostur orbitera. Ubrzo je naraslo toliko da šatl jednostavno više nije moga to da podnese i raspao se u nekoliko većih komada. Prvo se odvalio prednji deo trupa orbitera, koji je sa sobom povukao i veliki deo instalacija iz tovarnog prostora iza njega. Nos orbitera se takođe odvojio od pilotske kabine, prosuvši za sobom hipergolično azot–tetroksidno gorivo koje se koristi u reakcionom kontrolnom sistemu (RCS). Ta tečnost je gorela crveno–braon plamenom, koji se mogao da vidi kako probija iz oblaka koje je okružavalo raščerečeni šatl.

Ostatak orbitera, njegov prednji deo, iznenada se otvorio u jednoj supersoničnoj eksploziji, i praćen ogromnim oblakom pare izbacio užarene komade na sve strane. U toj kiši ostataka koji su polako padali dole jasno su se izdvajali kabina sa posadom, levo krilo, i zadnji deo trupa koji je nosio tri glavna motora koja su još radila trošeći preostalo gorivo. Putanje dva SRB bustera su se ukrstile a oni su nastavili da rade 110 sekundi nakon lansiranja, kada su regularno uništeni eksplozivnim punjenjem koje se nalazilo u njima.

Sudbina posade

Inercija je iznela kabinu sa astronautima na visinu od oko 19,5 km, pre nego što je počela svoj slobodan balistički pad u okean. Mada ni danas nije potpuno jasno šta se sa posadom dešavalo tokom tog perioda, vrlo je verovatno da su preživeli inicijalni raspad Challenger-a, jer su samo na kratko bili izloženi silama većim od 4 g. Međutim, odvojivši se od ostatka letilice, kabina je izgubila elektriku i kiseonik. Ako je tom prilikom došlo do dekompresije, posada je verovatno bila onesvešćena zbog gubitka kiseonika. Ali, svaki astronaut je bio opremljen sa ličnom rezervom kiseonika (Personal Egress Air Packs, PEAPs), koji je služio za slučaj izuzetnih potreba. Od četiri PEAP koja su pronađena u okeanu, tri su bila aktivirana i delimično ispražnjena, što govori da je makar neko od posade preživeo dovoljno dugo da ih uključi. Nažalost, ti uređaji nisu projektovani za velike visine i nisu mogli da spreče smrt astronauta u dekompresovanoj kabini. Bez obzira da li su bili pri svesti ili ne, kabina je udarila o površinu okeana brzinom od preko 320 km/h, čime je stvorila silu od najmanje 200 g, i time definitivno dotukla svakog ko je eventualno poživeo do tada.

Tekst: Dipl. ing. Drago I. Dragović

Izvor: static.astronomija.org.rs



bonus video
ostavite komentar
Inicijalizacija u toku...