Авария «Прогресса»: хроника, матчасть и версии

[lozga.livejournal.com]

28 апреля к МКС стартовал "Прогресс М-27М". Это был уже 150 пуск "Прогресса" и 59 миссия снабжения МКС. Старт и первые минуты полета прошли успешно, и корабль был выведен на орбиту, но сообщения об успешном выведении быстро сменились новостями о проблемах на борту. Количество и серьезность называемых проблем росли, и, спустя сутки, стало ясно, что корабль потерян окончательно. В настоящее время "Прогресс" с севшими батареями, неконтролируемо вращаясь, постепенно тормозится атмосферой Земли, и, по последним данным, сойдет с орбиты 7-11 мая. Пока не обнародованы официальные результаты расследования, самое время восстановить хронологию событий, разобраться в технике и попытаться проанализировать возможные версии аварии.

Хронология

Хронология событий рассказывается без послезнания, чтобы нагляднее показать, как менялись новости и восприятие событий.
"Прогресс М-27М" стартовал 28 апреля 2015 года в 10:09:50 (здесь и далее всё время московское):

Спустя девять минут в прямой трансляции ЦЭНКИ прошло сообщение об успешном выведении корабля и его отделении от третьей ступени ракеты-носителя. Новостные агентства опубликовали дежурные сообщения об успешном выведении и перешли к другим текущим новостям.
Те, кто смотрели трансляцию NASA-TV, могли видеть, что на экране ЦУПа на несколько минут показалось окно системы автоматической стыковки "Курс". Также, по сообщениям диктора, ЦУП ожидал подтверждения по телеметрии раскрытия антенн и солнечных батарей корабля. Спустя пять минут появилась информация, что солнечные батареи успешно раскрыты, но всё еще нет подтверждения раскрытия антенн. "Прогресс" ушел из зоны видимости наземных пунктов. Спустя примерно полчаса по НАСА-ТВ сообщили об отсутствии подтверждения раскрытия всех антенн "Курса", и, поэтому, вместо шестичасовой схемы стыковки с МКС корабль перешел на двухсуточную.
В 10:35 агентство "Интерфакс" сообщило об отсутствии телеметрии и, в 10:42 ТАСС опубликовало новость о переходе на двухсуточную схему стыковки. В 10:54 "Интерфакс" сообщил о "выведении на 30 км выше нужной орбиты". Вся эта информация базировалась на тех данных, которые ЦУП успел получить после разделения - "Прогресс" должен был появиться в зоне видимости в районе 11:30.
В 11:40 появились первые открытые данные об орбите "Прогресса" от NORAD:

40619 / 2015-024A: 127x251 км, 51.6°
40620 / 2015-024B: 123x306 км, 51.7°

Данные были, прямо говоря, пугающими. Параметры орбиты сильно отличались от штатных 193(± 2)х238(± 5) км. Также, с перицентром 127 км "Прогресс" мог "зарыться" в атмосферу уже через несколько витков.
В районе 11:47 появилась картинка системы "Курс", которую показывали в ЦУПе и ретранслировало NASA-TV:



Появление картинки воспринялось как успешный выход "Прогресса" на связь, и было ретранслировано новостными агентствами.
В 12:44 появилась дивная новость о "несинхронизированной работе двигателя третьей ступени". Что с чем должно было синхронизироваться, журналисты сообщить не пожелали, впрочем, спустя некоторое время, в новость было добавлено более-менее понятное объяснение, конечно же, не имеющее отношения к какой бы то ни было синхронизации.
В районе 13 часов включилась трансляция ЦУПа, в которой были показаны уже другие параметры орбиты:



Несовпадение данных еще сильнее запутало картину. Какая орбита верная? А другие неисправности? Есть ли телеметрия? Раскрылись ли антенны? Тем более, что ТАСС передало сообщение о том, что ЦУП не располагает информацией о нераскрытии антенн.
В 13:30, когда "Прогресс" был на третьем витке, появилась информация об отсутствии телеметрии с борта.
На четвертом витке в районе 14:50 на трансляции NASA-TV появилась картинка с камеры "Курса" (до этого она, скорее всего, была выключена, что объясняет черный фон на дневной стороне орбиты), на которой было ясно видно, что корабль вращается по рысканию и тангажу одновременно:

Кроме этого комментатор сообщил о многочисленных отказах датчиков угловых скоростей и том, что ЦУП передал на борт команду запрета на попытки поддержания ориентации в пространстве (очевидно, чтобы система управления не могла раскрутить корабль еще сильнее из-за неверной работы датчиков, системы управления или двигателей).
Позже NASA-TV сообщило, что в конце участка связи на четвертом витке ЦУП Москвы передал команды на борт для остановки вращения корабля. Также, из-за того, что маневр на сближение с МКС не мог быть выполнен вовремя, стыковка по двухдневной схеме была отменена.
На пятом витке ни передать команды, ни получить полноценную телеметрию не удалось. "Прогресс" ушел на "глухие витки", и связь с ним могла быть установлена только 29 апреля.
Вечером 28 апреля NORAD подтвердило свои первоначальные данные орбиты "Прогресса" с перигеем 120 км. Что уже не лезло ни в какие ворота, потому что с таким низким перигеем корабль не может существовать дольше нескольких витков. Впрочем, ночью 29 апреля пришло исправление данных с нормальным перигеем в 180 км. Одной загадкой стало меньше.
Первый сеанс связи 29 апреля должен был состояться в 03:50. В пять утра пришло сообщение ТАСС, что попытка прошла неудачно. Второй сеанс в пять утра также окончился неудачей. В прессе появилась информация о возможном сведении корабля с орбиты. Как это можно было бы сделать с очевидно неуправляемым кораблем, осталось загадкой. Отдельным небольшим скандалом стала история с копией Знамени Победы, которая, очевидно, не сможет попасть на МКС, однако, как выяснилось, она уже была доставлена на МКС в марте с "Союзом". Также, в течение 29 апреля шли новости о возможных попытках ручного управления "Прогрессом" с МКС по системе телеоператорного радиоуправления ТОРУ.
Днем 29 апреля прошла информация, что попыток связаться с кораблем больше не будет.
Также, 29 апреля появилась информация об обнаружении 44 обломков неизвестного происхождения недалеко от "Прогресса". А радиолюбитель R4UAB (Дмитрий Пашков) зафиксировал работу бортового радиокомплекса "Квант-В". Эта система служит для передачи команд на борт и получения землей телеметрической информации.
Ну и, наконец, вечером 29 апреля состоялась пресс-конференция Роскосмоса, на которой озвучили новые данные и признали потерю корабля.
1 мая космонавты на МКС сфотографировали пролетавший на две сотни километров ниже "Прогресс", чтобы попытаться визуально определить повреждения. К сожалению, несмотря на телеобъективы, картинка получилась недостаточно информативной:



По состоянию на вечер 4 мая корабль достаточно активно теряет высоту:



Похоже, что корабль сгорит в атмосфере раньше, чем ожидалось, в районе 8 мая.

Факты

На пресс-конференции Роскосмоса были озвучены следующие факты:

• Пуск и полет корабля до участка отделения от третьей ступени проходил штатно.


• За 1,5 секунды до расчетного времени разделения пропала телеметрическая информация.


• Впоследствии было установлено, что отделение "Прогресса" от третьей ступени прошло своевременно.


• Работоспособность телеметрии была частично восстановлена. В результате стало известно, что часть агрегатов функционирует в нештатном режиме.


• Корабль вращается со скоростью примерно 90° в секунду.


• Корабль имеет апоцентр примерно на 30 км выше расчетной орбиты, ступень - примерно на столько же ниже.


• Топливная система негерметична.


• Наблюдаются отказы отдельных узлов и агрегатов корабля.


• Безопасная стыковка корабля с МКС не представляется возможной.


• Угрозы для МКС нет.

Кроме этого, по открытым источникам и неофициальной информации от людей, работающих в отрасли, удалось установить:

Расшифровка данных "Курса":



Экран "Курса" появляется сразу после выведения, на первом витке (правый верхний экран ЦУПа). Почти наверняка внизу видна метка аварии, но экран показывается издалека и слишком короткое время, чтобы уверенно делать какие-то выводы. Зато на втором витке периодическая помеха на картинке говорит, что с вероятностью 95% корабль вращался с примерно такой же, как и на четвертом витке, угловой скоростью.

Первые три орбиты корабля. Желтым выделены зоны видимости наземных пунктов управления:

Матчасть

Корабль "Прогресс". Учитывая все модификации, это был уже сто пятидесятый запуск. А авария с потерей корабля всего лишь вторая. Первый случай произошел в 2011 году, когда "Прогресс М-12М" не был выведен на орбиту из-за отказа третьей ступени ракеты-носителя "Союз-У".
На корабле расположены пять антенн системы "Курс":



Камера, "глазом" которой мы видели вращение, расположена внизу корабля аналогично перископу "Союза". На фото отмечена стрелкой:



Т.е. с точки зрения корабля, он вращался по часовой стрелке.
Видео подготовки к пуску потерпевшего аварию корабля:

Ракета "Союз-2.1а". В отличие от "Прогресса", ракета сравнительно новая. Является развитием РН "Союз-У". Первый полет совершила в 2004 году. Модификации 2.1а и СТ-А (версия для космодрома Куру) совершили 22 полета, все модификации - 46 полетов. За время эксплуатации было две аварии по вине разгонного блока и одна авария модификации 2.1б из-за нештатной работы двигателя третьей ступени. Аварий по причине отказа третьей ступени модификации 2.1а не было.
Третьи ступени различных модификаций "Союза":


Третья ступень, еще одна схема:


Модификации третьей ступени отличаются, главным образом, двигателем. На 2.1а стоит давно использующийся, надежный и освоенный РД-0110, а на 2.1б - более новый, с улучшенными характеристиками, РД-0124.

Циклограмма:


Разделение. Незадолго до того, как корабль выходит на заданную орбиту, двигатель третьей ступени начинает процесс выключения. Ракетный двигатель нельзя выключить мгновенно, у него есть т.н. "импульс последействия", который добавляет немного скорости и учитывается системой управления. После того, как двигатель выключен, срабатывают пирозамки, которые отделяют корабль от третьей ступени. Пирозамок - это замок, который открывается при срабатывании пиропатрона. В таком случае, в отличие от разрывных болтов, меньше встряска корабля. После отделения корабля, третья ступень открывает дренажный клапан бака окислителя и уходит в сторону на его оставшемся давлении. Процесс отделения хорошо виден на видео пуска спутника "Sentinel-1A" в Куру. Ракета-носитель - "Союз СТ-А", фактически, 2.1а с модификациями для Куру.

Версии аварии

Версия 1. Разрушение бака горючего третьей ступени. Самый вероятный вариант. Верхняя часть ступени разрушается, осколки секут агрегатный отсек "Прогресса", выводя из строя топливопроводы, антенны и прочие блоки. Избыточное давление отбрасывает ступень назад, а, корабль, соответственно, вперед, в результате чего корабль оказывается выше своей орбиты, а ступень ниже. Разрушение ступени выводит из строя ее блок телеметрии или антенны (они расположены в верхней части ступени), что объясняет пропадание телеметрии. Вращение корабля можно объяснить неравномерным истечением топлива из пробитых топливопроводов.
Проблема: Нужно найти причину разрушения бака. В конце работы ступени там практически нет топлива, это снижает нагрузку на нижнюю стенку бака, но может вырасти вибрация. Почему бак не разрушился в первые секунды полета? Также, запаса и давления газа в баке может физически не хватить для того, чтобы изменить орбиты ступени и корабля на 30 км каждую.

Подверсия. Диверсия. Бомба, подложенная диверсантом, прекрасно объясняет, "почему" взорвалась ступень, но создает гораздо более сложный вопрос - "зачем"? Идти на очень большой риск (бомбу надо подложить незаметно, ее потом могут обнаружить при проверках) ради того, чтобы взорвать консервы, баки с водой, влажные салфетки и пижамы для гражданских космонавтов? На мой взгляд это полный абсурд.



Версия 2. Разрушение двигателя. Наличие турбонасосного агрегата, который работает под нагрузкой, может логично объяснить взрыв с образованием опасных осколков. Также возможен вариант неверного закрытия клапанов, в результате чего может произойти прогар или взрыв не только в турбонасосном агрегате, но и в камере сгорания.
Проблема: Почему корабль и ступень разлетелись в разные стороны? Если бы осколки разлетались с нижней части ступени, логично было бы предположить равномерное или направленное большей частью вниз истечение газов из баков, что не согласуется с наблюдаемой картиной. Также, процесс неверного выключения двигателя должен был попасть на телеметрию до ее исчезновения.



Версия 3. Раннее отделение. Допустим, процесс разделения почему-то начался при еще работающем двигателе. В этом случае корабль получил импульс, "подпрыгнул" над ступенью, а затем ступень догнала корабль и врезалась в него, помяв агрегатный отсек.
Проблема: Это должно было быть заметно по телеметрии. Процесс сравнительно медленный, может занять до нескольких секунд и просто обязан попасть на телеметрию.



Версия 4. Разрушение агрегатного отсека "Прогресса". Объясняет проблемы корабля, но имеет фундаментальные недостатки:

• До отделения "Прогресс" условно "спит", у него не наддуты топливные баки, чему взрываться?


• Почему взрыв на "Прогрессе" выключил телеметрию на ступени? Получить тяжелые и опасные осколки от корабля гораздо сложнее.

Версия 5. Нарушение процедуры отделения. Представим, что "Прогресс" отделился лишь частично, повиснув на одном или нескольких замках. Начавшийся дренаж ступени стал раскручивать связку. Центробежная сила поломала замки, корабль и ступень разлетелись в стороны, силовое разделение повредило агрегатный отсек "Прогресса".
Проблемы:

• Процесс очень медленный, должен попасть на телеметрию.


• Не факт, что давления в баке окислителя хватит на раскрутку тяжелой связки.


• Разница орбит требует, чтобы разрыв произошел, когда корабль будет строго спереди, а ступень - сзади, что при вращении не очень вероятно.


• Сломавшийся замок не означает обязательного повреждения агрегатного отсека.

Заключение

Комиссия по расследованию аварии должна представить результаты до 13 мая. Надеюсь, причина аварии будет обнаружена, и в дальнейшем такого типа аварий больше не будет.
Не сочтите за цинизм или сарказм, но в том, что эта авария случилась, есть хорошая сторона. Ракета "Союз-2.1а" сравнительно новая, и на нее когда-нибудь пересядут пилотируемые "Союзы". Представьте, что такая авария случится с живыми людьми. Космонавтам придется срочно разбираться, что происходит, устранять начинающееся вращение, определять потерянные и оставшиеся ресурсы. Срочно садиться? Но посадка будет в южной части Тихого океана, это значит аварийное приводнение и ожидание спасения часами и сутками. Ждать хотя бы один виток? Но топливо утекает, что если оно совсем кончится? А если неисправны двигатели? Как тормозить и садиться? А на многодневное ожидание естественного торможения может не хватить электричества или кислорода. В любом варианте получается страшная картина. И не факт, что из такой переделки вообще возможно выбраться живыми. А сейчас, и разработчики, и производственники проведут расследование, и есть надежда, что такая страшная опасность не будет больше никому угрожать.

Список использованных источников

Кроме указанных в тексте в качестве ссылок использовались:

• Тема на форуме журнала "Новости Космонавтики". Журнал сейчас находится в крайне тяжелом положении, вы можете его поддержать, купив прошлые номера в электронном виде. Старые номера не становятся менее интересными от времени.


• Страница "Прогресса М-27М" на сайте Анатолия Зака.


• Прогноз по падению корабля на сайте Spaceflight 101.


• Сухая информация о "Прогрессе" от Александра Москаленко.


• Страница корабля на сайте ЦУПа.

По тегу "космические происшествия" - другие аварии и катастрофы, случившиеся и нет.

Comments

[ardelfi.livejournal.com]

1. Если грамотно делать, то не пропал бы даже при взрыве рядом с камерой. Кроме того, камера могла бы перестать работать, но сигнал был бы принят и записан вплоть до момента взрыва с уничтожением всех камер -- факт взрыва был бы известен сразу.
2. Не успели со времён "Фобос-в-Грунт" -- это хуже, чем просто жаль. Проблема решается относительно легко, причин тянуть с решением годами нет никаких, система связи на траектории запуска объективно нужна. У Маска на ракете камера выполнила именно такую функцию при неудачной посадке на платформу -- и ему не нужно было гадать что там куда упало и как разбилось. Поскольку это не сам корабль, а вспомогательная система наблюдения за кораблём, можно было заказать её создание более расторопным людям.

[lozga.livejournal.com]

1. Увы, абсолютно надежных систем нет. Камеры тоже могут повредиться. И, кстати, телеметрия информативнее видео.
2. Такие системы делают несколько лет. Тот же Маск пользуется TDRS, которую NASA давно сделало и поддерживает.

[ardelfi.livejournal.com]

1. Вопрос не в абсолютной надёжности -- она не нужна. Грамотная конструкция позволит получить нужную информацию прежде разрушения системы. Кроме того, это не вместо телеметрии (системы корабля изменять не нужно), а в дополнение к ней и независимо от систем корабля. Всё хозяйтво камер требует лишь механического закрепления на корпусе ракеты или корабля.
2. Тем более.

[tuppka.livejournal.com]

1. А как технически вы предлагаете это сделать ?
Нужно питание, передатчики, антенны, система управления.

[ardelfi.livejournal.com]

Думаю я бы начал предлагать с распределённой системы из многих независимых модулей, каждый со своей батарейкой (на время работы ракеты + резерв), секторной антенной, передатчиком и рекордером телеметрии, группой сенсоров (в том числе камер) и связью между собой по отдельному радиоканалу. Один такой модуль может быть размером с ладонь, массой порядка 100г -- в нужных местах на ракете их закрепить, а под траекторией полёта расставить портативные приёмные станции с подключением к инету через Inmarsat BGAN (или аналогично). В результате во время полёта ракеты данные всех сенсоры будут приниматься станциями, и доставляться в ЦУП в реальном времени или с минимальной задержкой. Даже если почти все модули будут повреждены или потеряны при аварии, данные до её момента будут получены, и с большой вероятностью останется некоторое количество активных модулей на аварийной ракете -- этого достаточно для первичных выводов, например был ли взрыв или как движется ракета. Это лишь набросок.

[tuppka.livejournal.com]

Набросок надо сказать очень предварительный...
Я правильно понимаю, что вы в 100 грамм хотите запихать активную антенну с передатчиком, источник питания, схему управления ....
повода до сенсоров отдельно ?

[ardelfi.livejournal.com]

Это всё что я считаю нужным написать в рамках ответа на комментарий в ЖЖ. Каждый модуль содержит всё своё (камеры, сенсоры, батарейку, радио, антенну, логику), и никаких проводов из него никуда не уходит.

[tuppka.livejournal.com]

а что ? каждый такой блок умеет общаться с "землей" ?

[Артем Камбуров (from livejournal.com)]

По сути это хозяйство требует автономного питания, автономной системы связи, по большому счету своей системы ориентации и своих двигателей ориентации.

[ardelfi.livejournal.com]

Это система сбора информации и передачи её на Землю. Никакой ориентации или двигателей для сбора информации не нужно.

[Артем Камбуров (from livejournal.com)]

Система сбора информации и передачи на Землю это система телеметрии. Ориентация и двигатели нужны для того, что-бы получить полную информацию о том, что происходит со стороны, а не как сейчас получили с камеры Курса. Камера-то есть, вот только информации с неё только о том, что корабль вращается.

[ardelfi.livejournal.com]

Возможно в вашем понимании для такой системы неизбежны моторы и прочее. Я изложил своё понимание, и в нём нет никаких моторов.

[lozga.livejournal.com]

У любой технической системы есть границы целесообразности. Да, можно сделать несколько камер, которые смогут выдержать взрыв вплоть до атомного, но это будет тяжелым и дорогим. Зачем?
Текущие решения телеметрии имеют резервирование, например, антенны там две. Но вот почему-то не хватило.
И, повторюсь, телеметрия информативнее. Важнее знать цифры давлений, температур, скоростей, ускорений, чем иметь красивую картинку.

[ardelfi.livejournal.com]

Текущие решения телеметрии не выполнили свою функцию, в результате пытаются фотографировать аварийный корабль с МКС в пролёте. "Почему-то не хватило" -- это непростительное для инженера выражение. И ещё раз повторю: предложенная система никак не заменяет никакие существующие, не требует никаких изменений в конструкции корабля и ракеты, и не связана никакими зависимостями с ними, кроме клея -- она лишь гарантирует что "всегда хватит" базовой информации для выводов о произошедшем, даже если наблюдаемый объект исчезнет бесследно.

[djkmomega.livejournal.com]

Зря вы оправдываете очевидную лень и/или жлобство. Насчет информативности есть поговорка - раз увидеть лучше, чем сто раз услышать.

[tuppka.livejournal.com]

Это поговорка дилетантов (если говорить про сложные системы).
Пока вы не начали серьезно заниматься вопросом - да, лучше 1 раз увидеть, а потом картинка не очень интересна - циферки телеметрии нужны.

[djkmomega.livejournal.com]

Циферки в свое время передавали потому, что не было возможно передавать видео информацию. Телеметрия нужна, конечно, постольку поскольку в некоторые места глазом заглянуть нельзя. Вот, к примеру, в научных статьях полно графиков, в том числе и в 3Д. Зачем это? Можно ж просто таблицу с числами напечатать. Ведь так и дешевле гораздо.

[tuppka.livejournal.com]

теплое с мягким путать не надо.
Графики (которые строятся по массивам чисел) нужны для лучшего понимания человеком этих самых чисел. И эти числа даст телеметрия, а видео дает только одно - оно позволяет быстрее оценивать общую ситуацию (и то не во всех случаях). Ключевое слово - быстрее.
По видео нельзя измерять с достаточной точностью скорости, углы, ускорения и т.д.
Ручное причаливание только по видео, без телеметрии сделать нельзя даже.

[djkmomega.livejournal.com]

ОК. Запишем - видео не нужно.

[mike-rocketproj.livejournal.com]

во "все места" камер не поставишь. просто не напасешься. И энергетики не хватит гнать поток со всех камер...
Ну и если произойдет ППЦ, то камеры (с большой вероятностью) просто не покажут развития событий - потому, что либо не будет энергии, либо не будет антенны, либо антенна не будет сориентирована (а использование антенн с широкой диаграммой будет требовать много энергии. либо ухудшит качество картинки. либо уменьшит количество камер).
Хот иметь одну "пиарно-рекламную" камеру - имхо, вполне оправдано, и с некоторой веоятностью могло бы помчь.

[djkmomega.livejournal.com]

Вы что хотите сказать, что все зашибись в роскосмосе? Американцы почему-то ставят камеры, а мы из принципа - нет. Мы верим циферкам телеметрии, а потом вещаем, что посторонние частицы куда-то попали в тракт двигателя и тп. Это как медики в РФ, когда не могут диагноз поставить, пишут - вегето-сосудистая дистония.
Знакомый поработал инженером в РКК Энергии - манагеры (все сплошь блатные) гребут деньги лопатой, а инженеры сидят на грошах.

[mike-rocketproj.livejournal.com]

В данном конкретном случае телевизионная картинка сняла бы (скорее всего, сняла бы - если бы не пропала совместно с разделением, что породило бы новые вопросы) часть вопросов "что именно случилось".
причем качество этой картинки нужно минимальное - то, которое снято при пуске с Куру, например, или то, что снимает Маск со своих аппаратов на своих пусках при выводе....
ну и кроме всего прочего - это пиар. нормальный пиар, без уклона в "агитацию и пропаганду". Может быть, кто-то из школьников посмотрит, и "проникнется" тем, что "у нас тоже есть"....

[tuppka.livejournal.com]

Видео как дополнение к телеметрии - ок.
Никаких возражений. Отдельно интересно сколько это стоит и насколько оправданно.

[mike-rocketproj.livejournal.com]

Честно говоря, не знаю. Не думаю, что это слишком дорого... а по сравнению с остальными расходами (в т.ч. на пиар - с помощью небезызвестной анны чапман, например) - сущие копейки...
ну и первичная функция таких камер - не "дополнение к телеметрии", а "реклама". ну а возможная съемка возможных неприятностей - всего лишь дополнение.
зы. интересно, а на Антаресе прошлогоднем камера была? наса вроде ставит на все пуски камеры, и обычно транслирует в прямом эфире...

[jr0.livejournal.com]

Есть же картинка от ESA в статье. Ничего придумывать не надо.