Katastrofa Challengera i inne największe wypadki kosmiczne - ebook

Spis treści

1: Challenger – siedemdziesiąt trzy sekundy

Droga do startu i presja harmonogramu

Problem z uszczelkami O-ring

Mroźny poranek 28 stycznia 1986

Eksplozja i śmierć siedmiorga astronautów

Komisja Rogersa i zeznania Feynmana

Wnioski i zmiany w programie wahadłowców

2: Apollo 1 – pożar na wyrzutni

Ambicje programu Apollo i wyścig na Księżyc

Konstrukcja kapsuły i atmosfera czystego tlenu

Test naziemny 27 stycznia 1967

Błyskawiczny pożar i śmierć trzech astronautów

Dochodzenie i przeprojektowanie kapsuły

Dziedzictwo załogi

3: Sojuz 1 – śmiertelny powrót

Radziecki program załogowy i rywalizacja z USA

Pośpiech i znane usterki statku

Lot Władimira Komarowa

Awaria spadochronu podczas powrotu

Śmierć pierwszego człowieka w locie kosmicznym

Skutki dla programu Sojuz

4: Sojuz 11 – cisza w kapsule

Misja na stację Salut 1

Sukces na orbicie

Rozhermetyzowanie podczas powrotu

Śmierć trzech kosmonautów

Ustalenia śledztwa i zawór wyrównawczy

Wprowadzenie skafandrów ratunkowych

5: Columbia – rozpad nad Teksasem

Misja STS-107 i jej cele badawcze

Uderzenie fragmentu pianki podczas startu

Uszkodzenie osłony termicznej skrzydła

Rozpad podczas wejścia w atmosferę

Śmierć siedmiorga astronautów

Raport CAIB i koniec ery wahadłowców

6: Nedelin – katastrofa na Bajkonurze

Wyścig zbrojeń i rakieta R-16

Presja polityczna i łamanie procedur

Eksplozja na stanowisku startowym

Dziesiątki ofiar i marszałek Nedelin

Tuszowanie tragedii przez ZSRR

Ujawnienie prawdy po latach

7: Plesieck – eksplozja rakiety

Tajny kosmodrom na północy ZSRR

Tankowanie rakiety Wostok

Eksplozja 18 marca 1980

Śmierć kilkudziesięciu osób

Błędne wnioski śledztwa

Późniejsze ustalenie przyczyny

8: Virgin Galactic – tragedia SpaceShipTwo

Era turystyki kosmicznej i wizja Bransona

Konstrukcja pojazdu i system piórkowy

Lot testowy 31 października 2014

Przedwczesne odblokowanie układu i rozpad

Śmierć pilota i ranny drugi pilot

Wnioski NTSB i przyszłość lotów suborbitalnychDroga do startu i presja harmonogramu

Program Space Shuttle został zainicjowany na początku lat siedemdziesiątych dwudziestego wieku z założeniem stworzenia systemu transportu kosmicznego wielokrotnego użytku. Amerykańska Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) przedstawiała wahadłowce jako alternatywę dla dotychczasowych, jednorazowych rakiet nośnych. Głównym celem było radykalne obniżenie kosztów wynoszenia ładunków na orbitę okołoziemską poprzez odzyskiwanie i ponowne wykorzystywanie orbiterów oraz bocznych rakiet na paliwo stałe. Według wczesnych deklaracji, flota czterech wahadłowców miała wykonywać do pięćdziesięciu lotów rocznie, co w praktyce oznaczało niemal cotygodniowe operacje startowe. System miał stać się rutynowym, bezpiecznym i przede wszystkim ekonomicznie opłacalnym środkiem transportu dla ładunków cywilnych, wojskowych oraz komercyjnych satelitów telekomunikacyjnych.

W pierwszej połowie lat osiemdziesiątych rzeczywistość operacyjna zweryfikowała te założenia. Koszty obsługi naziemnej, skomplikowane procedury przeglądów technicznych oraz czas potrzebny na przygotowanie orbitera do kolejnej misji okazały się znacznie większe, niż zakładano. NASA znalazła się pod silną presją polityczną i finansową ze strony Kongresu Stanów Zjednoczonych. Agencja musiała regularnie dowodzić, że wysokie nakłady budżetowe na program wahadłowców przynoszą oczekiwane rezultaty ekonomiczne. Administracja rządowa domagała się dowodów na to, że system osiąga status operacyjny, a nie tylko eksperymentalny. Każde opóźnienie kolejnej misji było wykorzystywane jako argument przez krytyków programu, co zmuszało kierownictwo agencji do intensyfikacji działań.

Rok 1986 miał być momentem przełomowym pod względem intensywności operacji. W harmonogramie NASA zaplanowano rekordową liczbę szesnastu misji wahadłowców. Taki plan wymagał pełnej synchronizacji pracy centrów kosmicznych, dostawców podzespołów oraz personelu technicznego. Skrócenie czasu między poszczególnymi startami do kilkunastu dni wywołało sytuację stałego pośpiechu w przygotowaniach. Pracownicy naziemni pracowali w nadgodzinach, a procedury testowe były realizowane pod presją restrykcyjnych terminów. Opóźnienie jednego lotu automatycznie destabilizowało cały roczny plan, wpływając na terminy kolejnych misji, w tym przedsięwzięć związanych z badaniem komety Halleya oraz misji o charakterze obronnym.

Misja STS-51-L, do której przypisano wahadłowiec Challenger, posiadała zróżnicowany zestaw celów i ładunków. Głównym zadaniem załogi było umieszczenie na orbicie satelity telekomunikacyjnego TDRS-B (Tracking and Data Relay Satellite-B). Urządzenie to miało stać się częścią sieci zapewniającej ciągłą łączność między orbitującymi pojazdami a stacjami naziemnymi. Drugim istotnym celem było wypuszczenie i późniejsze odzyskanie autonomicznej platformy Spartan-203, wyposażonej w instrumenty do astrofizycznych obserwacji komety Halleya. Realizacja tych zadań wymagała precyzyjnego pozycjonowania statku i sprawnego działania ramienia manipulatora.

Istotnym elementem misji o charakterze społecznym i wizerunkowym był program "Nauczyciel w Kosmosie" (Teacher in Space Project), ogłoszony przez prezydenta Ronalda Reagana w 1984 roku. Spośród tysięcy kandydatów wybrano Christę McAuliffe, nauczycielkę historii z Concord w stanie New Hampshire. Jej obecność na pokładzie miała zademonstrować dostępność podróży kosmicznych dla obywateli spoza korpusu zawodowego oraz posłużyć do przeprowadzenia lekcji transmitowanych na żywo do szkół w całych Stanach Zjednoczonych. Zaangażowanie osoby cywilnej wywołało duże zainteresowanie mediów masowych, które szczegółowo relacjonowały przygotowania do lotu.

Styczeń 1986 roku przyniósł serię problemów logistycznych i pogodowych, które zmusiły NASA do wielokrotnego przekładania terminu startu Challengera. Pierwotny plan zakładał wystrzelenie pojazdu 22 stycznia, jednak opóźnienia poprzedniej misji (STS-61-C) wymusiły przesunięcie daty na 25 stycznia. Kolejne dni przynosiły następne przeszkody: niesprzyjające prognozy pogody w miejscu startu oraz w awaryjnych miejscach lądowania w Afryce, a także usterki techniczne urządzeń obsługi naziemnej, w tym problem z klamrą włazu wejściowego. Każda kolejna zmiana terminu potęgowała trudności wewnątrz struktur NASA, generowała koszty i skupiała krytyczną uwagę opinii publicznej oraz dziennikarzy obecnych w Centrum Kosmicznym imienia Johna F. Kennedy’ego.

Problem z uszczelkami O-ring

Konstrukcja rakiet pomocniczych na paliwo stałe (Solid Rocket Booster – SRB) opierała się na segmentowej budowie, co wynikało z ograniczeń logistycznych oraz transportowych. Poszczególne części metalowej obudowy silnika były produkowane w zakładach przemysłowych, a następnie przewożone drogą kolejową do Centrum Kosmicznego imienia Johna F. Kennedy’ego na Florydzie. Na miejscu cztery główne segmenty walcowe były montowane pionowo jeden na drugim, tworząc kompletną rakietę o wysokości blisko czterdziestu pięciu metrów. Miejsca styku tych segmentów, nazywane złączami polowymi (field joints), wymagały szczególnego zabezpieczenia strukturalnego, ponieważ obudowa musiała wytrzymać ogromne ciśnienie wewnętrzne generowane podczas spalania stałego materiału pędnego.

Kluczowym elementem uszczelniającym złącza polowe były pierścienie o przekroju kołowym, znane jako uszczelki O-ring. W każdym złączu zastosowano podwójny system zabezpieczeń, składający się z uszczelki podstawowej oraz uszczelki wtórnej, wykonanych z syntetycznego kauczuku (fluoroflexu). Ich podstawowym zadaniem było całkowite zablokowanie przepływu gazów o temperaturze sięgającej blisko trzech tysięcy stopni Celsjusza, które powstawały wewnątrz komory spalania. W momencie zapłonu silnika, wysokie ciśnienie miało oddziaływać na uszczelki, wciskając je w szczeliny złącza i tworząc w ten sposób barierę nie do przebycia. Prawidłowe działanie tego mechanizmu było warunkiem koniecznym do zachowania integralności strukturalnej całej rakiety pomocniczej.

Skuteczność uszczelek O-ring zależała w sposób bezpośredni od właściwości fizycznych materiału, z którego zostały wykonane, a w szczególności od jego elastyczności. Aby system spełnił swoje zadanie, gumowe pierścienie musiały błyskawicznie reagować na mikroskopijne przesunięcia metalowych ścianek obudowy, do których dochodziło pod wpływem gwałtownego wzrostu ciśnienia po zapłonie. Spadek temperatury otoczenia powodował twardnienie syntetycznego kauczuku i drastycznie wydłużał czas jego powrotu do pierwotnego kształtu. W warunkach niskich temperatur uszczelka traciła zdolność do natychmiastowego wypełnienia szczeliny złącza, co stwarzało ryzyko powstania szczelin, przez które mogły przedostać się gorące gazy spalinowe zanim materiał zdołał się rozprężyć.

Sygnały wskazujące na nieprawidłowe funkcjonowanie tego rozwiązania pojawiały się na długo przed styczniem 1986 roku. Podczas inspekcji posegmentowych, przeprowadzanych po odzyskaniu rakiet SRB z oceanu, inżynierowie wielokrotnie odnotowywali ślady erozji termicznej oraz nadpalenia uszczelek pierwotnych. W niektórych przypadkach strumień gazów spalinowych zdołał przedrzeć się przez pierwszą barierę i doprowadził do uszkodzenia uszczelki wtórnej. Przypadki te występowały zwłaszcza w misjach realizowanych w chłodniejszych miesiącach roku. Incydenty te były szczegółowo dokumentowane w raportach technicznych, co oznacza, że kierownictwo NASA oraz zespoły inżynieryjne posiadały pełną wiedzę o fakcie, że system uszczelnień nie działa w sposób całkowicie przewidywalny i bezpieczny.

Podmiotem odpowiedzialnym za projekt i produkcję rakietowych silników pomocniczych była firma Morton Thiokol, mająca swoją siedzibę w stanie Utah. Wewnątrz struktur tego przedsiębiorstwa grupa inżynierów, na czele z Rogerem Boisjoly, prowadziła szczegółowe analizy zachowania materiałów uszczelniających. Boisjoly oraz jego współpracownicy wielokrotnie składali oficjalne memoranda i ostrzeżenia skierowane do zarządu firmy oraz do przedstawicieli NASA. Wskazywali w nich jednoznacznie, że korelacja między niskimi temperaturami a utratą elastyczności przez uszczelki O-ring stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa załóg i może doprowadzić do awarii o charakterze katastrofalnym, jeśli pojazd zostanie wystrzelony w niesprzyjających warunkach termicznych.

Mroźny poranek 28 stycznia 1986

Prognozy pogody dla Florydy na koniec stycznia 1986 roku zapowiadały nadejście fali arktycznego powietrza, co stanowiło rzadkość w tym regionie Stanów Zjednoczonych. W noc poprzedzającą start oraz rankiem 28 stycznia temperatura na Przylądku Canaveral spadła poniżej zera, osiągając w najzimniejszym momencie wartość minus kilku stopni Celsjusza. Były to warunki bezprecedensowe w dotychczasowej historii lotów programu Space Shuttle, gdyż żadna wcześniejsza misja nie była realizowana w tak niskiej temperaturze otoczenia. Urządzenia pomiarowe na platformie startowej rejestrowały lokalne podmuchy wiatru, które dodatkowo potęgowały efekt wychłodzenia konstrukcji stalowych oraz elementów rakietowych silników pomocniczych.

W obliczu niepokojących prognoz meteorologicznych, wieczorem 27 stycznia zorganizowano nadzwyczajną telekonferencję, w której uczestniczyli przedstawiciele NASA z Centrum Lotów Kosmicznych imienia George'a C. Marshalla oraz kierownictwo i inżynierowie firmy Morton Thiokol w Utah. Podczas tego spotkania zespół inżynieryjny producenta silników przedstawił oficjalne stanowisko, w którym odradzał przeprowadzanie startu w temperaturze poniżej jedenastu stopni Celsjusza. Argumentowano, że brak danych testowych dla tak niskich zakresów temperatur uniemożliwia zagwarantowanie poprawnego działania gumowych uszczelek O-ring, a stopień utraty ich elastyczności stanowi bezpośrednie zagrożenie dla bezpieczeństwa misji.

Prezentacja stanowiska inżynierów spotkała się z silnym oporem i sceptycyzmem ze strony urzędników NASA odpowiedzialnych za zarządzanie programem silników pomocniczych. Przedstawiciele agencji kwestionowali argumentację techniczną zarzucając wykonawcy, że opiera się na danych jakościowych, a nie na jednoznacznych dowodach liczbowych. Pod wpływem tej presji, kierownictwo Morton Thiokol poprosiło o przerwę w konferencji na wewnętrzne konsultacje. Podczas zamkniętej narady menedżerowie firmy podjęli decyzję o zmianie rekomendacji, ignorując ponowne sprzeciwy własnych inżynierów. Po wznowieniu połączenia kierownictwo Thiokol oficjalnie wycofało swój wcześniejszy sprzeciw i podpisało dokument zatwierdzający start w przewidywanych warunkach termicznych.

Rankiem 28 stycznia na platformie startowej 39B stwierdzono obecność znacznych ilości lodu. Woda z systemu antypożarowego, która celowo kapała, aby zapobiec zamarzaniu rur, utworzyła na metalowych strukturach wieży obsługowej liczne sople i warstwy lodowe. Specjalny zespół powołany do oceny zagrożenia lodowego (Ice Team) przeprowadził kilkukrotne inspekcje bezpośrednio na wyrzutni. Choć głównym powodem obaw zespołu była możliwość odpadnięcia kawałków lodu podczas startu i uszkodzenia delikatnych płytek osłony termicznej orbitera, to podczas pomiarów odnotowano również, że temperatura poszycia dolnego segmentu prawej rakiety pomocniczej była znacznie niższa niż ogólna temperatura powietrza.

Ostateczna zgoda na start została wydana w oparciu o formalny system hierarchii i procedur NASA, w którym kluczowe informacje o ryzyku uległy rozproszeniu. Dyrektorzy wyższego szczebla podejmujący finalną decyzję w Centrum Kosmicznym imienia Johna F. Kennedy’ego nie zostali poinformowani o skali sprzeciwu inżynierów firmy Morton Thiokol ani o szczegółach nocnej debaty dotyczącej uszczelek O-ring. Przekazano im jedynie końcowy dokument z podpisem kierownictwa wykonawcy, co formalnie zamykało procedurę weryfikacji gotowości. W rezultacie osoby odpowiedzialne za uruchomienie procedury startowej działały w przekonaniu, że systemy nośne funkcjonują w granicach pełnego bezpieczeństwa operacyjnego.

Eksplozja i śmierć siedmiorga astronautów

Załogę misji STS-51-L stanowiło siedem osób o zróżnicowanych specjalizacjach i zadaniach. Dowódcą wyprawy był Francis Scobee, doświadczony pilot wojskowy, dla którego był to drugi lot orbitalny. Funkcję pilota pełnił Michael Smith, kapitan marynarki wojennej odbywający swój pierwszy lot w kosmos. W skład zespołu specjalistów misji wchodzili: Judith Resnik, inżynier elektryk odpowiedzialna za operowanie ramieniem robotycznym, Ellison Onizuka, inżynier lotnictwa wojskowego, oraz Ronald McNair, fizyk zajmujący się eksperymentami naukowymi. Skład uzupełniali specjaliści ładunku: Gregory Jarvis, inżynier firmy Hughes Aircraft oddelegowany do testów satelitarnych, oraz Christa McAuliffe, nauczycielka historii wybrana w ramach programu społecznego, mająca prowadzić lekcje telewizyjne z orbity.

Uruchomienie głównych silników i zapłon rakiet pomocniczych nastąpiły o godzinie 11:38 czasu lokalnego. Już w pierwszych ułamkach sekund lotu, automatyczne kamery rejestrujące start z poziomu platformy 39B utrwaliły czarny dym wydobywający się ze złącza polowego dolnego segmentu prawej rakiety na paliwo stałe. Zjawisko to świadczyło o natychmiastowym przedmuchu gazów spalinowych przez niespełniające swojej funkcji uszczelki O-ring. Po upływie niespełna trzech sekund emisja dymu ustała, co było wynikiem chwilowego uszczelnienia szczeliny przez tlenki glinu powstałe w procesie spalania stałego paliwa, co pozwoliło pojazdowi na kontynuowanie wznoszenia i wejście w fazę maksymalnego ciśnienia dynamicznego.

W pięćdziesiątej szóstej sekundzie lotu, gdy wahadłowiec znajdował się na wysokości blisko dwunastu kilometrów, zwiększone obciążenia aerodynamiczne oraz silne prądy strumieniowe doprowadziły do ponownego otwarcia nieszczelności. W rejonie dolnego złącza prawej rakiety pojawił się ciągły płomień, który działał jak palnik skierowany bezpośrednio na ścianę zewnętrznego zbiornika z ciekłym wodorem i tlenem. W siedemdziesiątej trzeciej sekundzie lotu wypływający ogień przepalił dolne mocowanie rakiety pomocniczej, która obróciła się wokół górnego zaczepu i uderzyła w poszycie zbiornika zewnętrznego. Doprowadziło to do gwałtownego rozszczelnienia konstrukcji i uwolnienia setek ton kriogenicznych komponentów paliwowych.

Zjawisko widoczne na niebie, potocznie określane jako eksplozja, w rzeczywistości nie miało charakteru klasycznego wybuchu chemicznego o niszczycielskiej fali uderzeniowej. Nastąpił nagły rozpad aerodynamiczny struktury całego zespołu pojazdów na skutek uwolnienia paliwa i kontaktu z tlenem atmosferycznym w warunkach lotu z prędkością naddźwiękową. Orbiter Challenger, poddany działaniu sił aerodynamicznych wielokrotnie przekraczających dopuszczalne normy konstrukcyjne, rozpadł się na mniejsze sekcje. Główny zbiornik uległ całkowitej destrukcji w ułamku sekundy, natomiast obie rakiety pomocnicze na paliwo stałe przetrwały rozpad zespołu i kontynuowały niekontrolowany lot do momentu ich zdalnego zniszczenia przez oficera bezpieczeństwa poligonu.

Kabina załogowa, wykonana ze wzmocnionego aluminium, oddzieliła się od niszczonego orbitera w jednym kawałku. Analizy techniczne wykazały, że przeciążenia działające na kabinę w momencie separacji nie były wystarczające do spowodowania natychmiastowej śmierci lub utraty przytomności przez załogę. Odnalezione po katastrofie osobiste zasobniki powietrza (PEAP) kilku astronautów były uruchomione, co potwierdziło, że przynajmniej część załogi przeżyła sam moment rozpadu statku i zachowała świadomość. Prawdopodobnym powodem utraty przytomności była postępująca dekompresja wnętrza kabiny podczas jej lotu balistycznego na wysokość ponad dwudziestu kilometrów. Śmierć siedmiorga astronautów nastąpiła w wyniku uderzenia kabiny o powierzchnię Oceanu Atlantyckiego z prędkością około trzystu trzydziestu kilometrów na godzinę, po dwóch minutach i czterdziestu pięciu sekundach od momentu awarii.

Zdarzenie rozegrało się na oczach tysięcy osób zgromadzonych w strefach obserwacyjnych wokół Centrum Kosmicznego imienia Johna F. Kennedy’ego, w tym rodzin członków załogi oraz uczniów szkoły z Concord, którzy przybyli, aby wspierać Christę McAuliffe. Ze względu na unikalny charakter misji i obecność nauczycielki na pokładzie, start był transmitowany na żywo przez stację CNN do milionów amerykańskich szkół i domów. Początkowe niezrozumienie sytuacji, wynikające z obecności gęstych pióropuszy dymu z rakiet pomocniczych, szybko ustąpiło miejsca konsternacji, gdy oficjalny komentator NASA wygłosił komunikat o krytycznej awarii systemu nośnego, a na ekranach pojawiły się spadające w stronę oceanu szczątki.

Komisja Rogersa i zeznania Feynmana

Bezpośrednio po katastrofie, 3 lutego 1986 roku, prezydent Ronald Reagan powołał specjalną, niezależną Prezydencką Komisję ds. Wypadku Wahadłowca Space Shuttle Challenger, znaną powszechnie jako Komisja Rogersa. Przewodnictwo objął William Rogers, były sekretarz stanu oraz prokurator generalny. Mandat organu obejmował przeprowadzenie pełnego, bezstronnego dochodzenia w celu ustalenia przyczyn technicznych oraz organizacyjnych, które doprowadziły do zniszczenia pojazdu. W skład komisji weszli uznani eksperci z zakresu lotnictwa, astronautyki oraz wojskowości, w tym Neil Armstrong, pierwszy człowiek na Księżycu, Sally Ride, pierwsza amerykańska astronautka, generał Donald Kutyna oraz wybitny fizyk teoretyczny Richard Feynman.