Ричард Фейнман - Не все ли равно, что думают другие?

Во время полета 51-L все три главных двигателя шаттла работали прекрасно, даже на этапе останова в последние мгновения, уже после прекращения подачи топлива. Впрочем, встает вопрос: допустим, если бы отказали двигатели и мы провели бы столь же детальное расследование, как и для твердотопливного ускорителя, то было ли выявлено бы подобное отсутствие внимания к недостаткам и снижение критериев безопасности? Другими словами, ограничивались те самые организационные недостатки, которые внесли свой вклад в катастрофу, только сектором твердотопливного ускорителя или же эти недостатки вообще присущи НАСА как таковой? С этой целью были исследованы и главные двигатели космического шаттла, и бортовая электроника. Но не орбитальный модуль или внешний топливный резервуар.

Двигатель – это конструкция гораздо более сложная, чем твердотопливный ускоритель, и в нем используются более детализированные инженерные разработки. В общем, эти разработки, похоже, высокого качества, и недостаткам и дефектам, обнаруженным в работе двигателя, уделяется должное внимание.

Как правило, такие двигатели конструируются (для военного или гражданского летательного аппарата) по так называемой составной системе, то есть как составная конструкция, проектируемая «снизу вверх». Прежде всего необходимо полностью понять свойства и ограничения материалов, которые будут использоваться (для лопаток турбины, к примеру), что выявляется в ходе испытаний на экспериментальных установках. Уже имея эти знания, проектируют и тестируют – каждую в отдельности – те составные части конструкции, в которых большее число деталей (такие как подшипники). По мере обнаружения недостатков и ошибок проектирования их исправляют и проверяют последующим тестированием. Так как за раз тестируются только детали конструкции, проведение испытаний и требуемые модификации не обходятся чрезмерно дорого. Наконец, дело доходит до окончательной конструкции всего двигателя согласно заданным техническим условиям. К этому времени уже высока вероятность того, что двигатель, в общем, получился удачно или что любые неполадки можно легко устранить и проанализировать, потому что виды отказа, ограничения материалов и так далее были хорошо поняты. Таким образом, с большой долей вероятности можно утверждать, что модификации по устранению трудностей на окончательном этапе не очень сложно сделать, поскольку бо́льшая часть серьезных проблем уже была обнаружена и рассмотрена ранее, на менее затратных этапах процесса.

Основной же двигатель космического шаттла сконструирован иначе – «сверху вниз», так сказать. Все детали двигателя проектировались и составлялись в одно целое сразу, при относительно небольшом детальном предварительном изучении материалов и компонентов конструкции. И теперь, когда обнаруживаются неполадки в подшипниках, лопатках турбины, охлаждающих трубах и т. п., гораздо дороже и сложнее отыскать причины и внести изменения. Например, обнаружены трещины на лопатках турбины кислородного турбонасоса высокого давления. Вызваны ли они дефектами материала, влиянием кислородной атмосферы на свойства материала, температурными нагрузками при запуске или остановке, вибрациями и напряжением в стационарном рабочем режиме или же трещины образуются главным образом из-за резонанса на определенных скоростях или из-за чего-то еще? Сколько времени проработает насос от появления трещины до поломки из-за этой трещины и как это зависит от уровня мощности? Использовать укомплектованный двигатель как испытательный стенд для разрешения подобных вопросов чрезвычайно дорого. Никто не хочет терять целые двигатели, чтобы узнать, где и как может произойти поломка. Тем не менее точное знание этой информации является существенным для того, чтобы быть уверенным, что двигатель надежен в эксплуатации. А без детального понимания такая уверенность не может быть достигнута.

Следующий недостаток метода проектирования «сверху вниз» состоит в том, что если и достигнуто понимание, в чем именно неисправность, то может получиться так, что для ее устранения надо изменить форму корпуса турбины – а это может оказаться невозможно осуществить, если не переконструировать весь двигатель.

Основной двигатель шаттла – это поразительный механизм. У этого двигателя соотношение силы тяги к весу больше, чем у любого ранее созданного двигателя. Он построен на грани – а иногда и за гранью – всего имеющегося инженерного опыта. А потому, как и ожидалось, в нем оказалось множество различных изъянов и сложностей. К сожалению, из-за того, что двигатель спроектирован по методу «сверху вниз», трудно найти и устранить эти недостатки. Цель проекта – двигатель со сроком службы на 55 заданий, что эквивалентно 27 000 секундам работы (500 секунд на каждом задании, или то же время на испытательном стенде), – так и не была достигнута. Двигатель теперь требует очень частого ремонта и замены важных деталей, таких как турбонасосы, подшипники, корпуса из листового металла и так далее. Топливный турбонасос высокого давления требуется заменять через каждые три или четыре эквивалента задания (хотя и можно устранить неполадки), а кислородный турбонасос высокого давления – через каждые пять или шесть. Это самое большее 10 процентов изначальных проектных характеристик. Но здесь главная проблема – определение надежности.

В общей сложности за 250 000 секунд работы серьезные неисправности двигателей случались, наверное, 16 раз. Инженеры уделяют пристальное внимание этим неисправностям и стараются устранить их в кратчайшие сроки, изучая результаты испытаний на специальных установках, спроектированных опытным путем для недостатка, о котором идет речь; они проводят тщательную проверку двигателя в поисках того, что может дать подсказку (например, трещин), и дальнейшего значительного исследования и анализа. Таким образом, упорным трудом многие проблемы были, видимо, решены, несмотря на сложности конструкции «сверху вниз».

Вот перечень некоторых из этих проблем (и их статус):

• Трещины лопатки турбины в топливных турбонасосах высокого давления (ТТНВД). (Может быть решена.)

• Трещины лопаток турбины в кислородных турбонасосах высокого давления (КТНВД). (Не решена.)

• Пробой линии форсажного искрового воспламенителя (ФИВ). (Возможно, решена.)

• Поломка предохранительного клапана. (Вероятно, решена.)

• Эрозия камеры ФИВ. (Вероятно, решена.)

• Растрескивание листового металла корпуса турбины ТТНВД. (Вероятно, решена.)

• Повреждение футеровки труб для охлаждения ТТНВД. (Вероятно, решена.)