Что помешало экипажу Crew Dragon выйти из корабля?

Вчера, во время трансляции посадки американского космического корабля Crew Dragon, многие обратили внимание на заминку, которая возникла перед открытием бокового люка. Газоанализатор показал превышение концентрации тетраоксида азота — токсичного топливного компонента двигателей корабля. Астронавтам пришлось полчаса ждать чтобы химия выветрилась, а команда спасателей это время провела в противогазах.

Некоторые российские комментаторы поспешили сообщить, что корабль опасен для людей, а всему виной Илон Маск, одержимый идеей сажать корабли на ракетных двигателях вместо парашютов. Планы ракетодинамической посадки у SpaceX действительно были, но от них отказались несколько лет назад по настоянию заказчика — NASA. Корабль будут сажать «по старинке» — на воду, как возвращали Mercury, Gemini и Apollo полвека назад. Конкуренты же SpaceX из компании Boeing решили проблему иначе — сделали надувные подушки, как у десантной техники, и планируют сухопутные приземления.

Однако мощные двигатели Super Draco, которые SpaceX планировала использовать для посадки, в корабле всё же оставили и теперь они там «на всякий случай» — как двигатели системы аварийного спасения.

Предполагается их использовать только в случае аварии ракеты, в нормальном же полете они не участвуют. Штатная система ориентации и коррекции орбиты использует малые двигатели Draco, которые имеют независимую топливную систему. Так первый испытательный беспилотный полет Crew Dragon в 2019 году прошел успешно, но в послеполетных испытаниях включение Super Draco привело к уничтожению корабля на стенде.

Причина аварии оказалась в клапанах между гелиевыми баками наддува и топливными баками Super Draco. На следующем корабле опасные клапаны заменили на одноразовые разрушаемые мембраны, и отправили людей в космос. При возвращении снова возникли проблемы с топливом, но на этот раз снаружи корабля. На трансляции посадки можно увидеть этот момент на 7:03:56: специалист подносит газоанализатор к замку бокового люка корабля, и тут же дает команду отойти от корпуса:

Достаточно быстро выяснилось, что газоанализатор показал присутствие тетраоксида азота — окислителя, который используется в двигателях ориентации Draco и двигателях системы аварийного спасения Super Draco. После получасового ожидания люк всё же открыли и астронавтов успешно извлекли из корабля. Экспедиция завершилась, а ситуацию прокомментировали представители SpaceX: «Да, нашлись пары NTO, в следующий раз будем лучше проветривать двигательную систему, а вообще ветра нет, волнения на море нет, мы такое не ожидали».

Попробуем разобраться насколько серьезна эта проблема, почему она возникла и причем тут вода и ветер.

Идея использовать ядовитое топливо на пилотируемых космических кораблях кажется не самой удачной, но это не выдумка хипстера Маска. У конструкторов кораблей в принципе выбор не большой: топливо в полете должно храниться недели и месяцы, поэтому криогенные кислород или водород не годятся. Ионные или плазменные двигатели на пилотируемых кораблях использовать нельзя из-за слишком малой тяги. Есть еще перекись водорода, но и она в высоких концентрациях токсична, а эффективность как топлива хуже в два раза. Поэтому остается летать «на вонючке», она еще и самовоспламеняется, что упрощает конструкцию двигателя. На ней в космосе летают практически все пилотируемые космические корабли за последние полвека, включая Space Shuttle и Международную космическую станцию. Исключение только у «Бурана», но там применялась сложная система хранения кислорода.

Во время использования ракетных двигателей в вакууме далеко не всё топливо стремительно улетает от корабля. Часть разлетается с малой скоростью или оседает вокруг двигателя. Вот как выглядит процесс маневрирования российского корабля «Союз» при стыковке:

А служебный модуль МКС «Звезда» за двадцать лет покрылся заметными ядовитыми коричневыми пятнами вокруг двигателей коррекции. В следующий раз, когда увидите наших космонавтов карабкающихся по корпусу станции, вспоминайте эти пятна. Не удивительно, что перчатки там — расходный материал.

Значит топливо и на «Союзах» и на Crew Dragon одинаково токсичное, однако газоанализаторы на посадке наших кораблей не требуются, и тому есть причины. Во-первых, российские корабли в космосе снаружи покрыты экранно-вакуумной теплоизоляций, которая защищает корабль от перегрева на солнечном свету или от переохлаждения в тени. Компоненты топлива оседают на этой оболочке, которую срывает воздушным потоком во время посадки.

Во-вторых, в «Союзах» обитаемое пространство (бытовой отсек и спускаемый аппарат) физически отделено от служебного (приборно-агрегатного) отсека, на котором размещаются двигатели и баки с токсичным топливом.

Подобная конструкция также идет с первых кораблей, и сохраняется на большинстве современных и будущих: «Союз», китайский ПТК НП, Starliner, Orion, «Федерация/Орел»...

Все новые корабли предполагают многоразовое использование спускаемого аппарата, но служебные отсеки у них одноразовые и сбрасываются перед входом в атмосферу. Crew Dragon также состоит из двух частей, но в его случае вторую часть, с модными крылышками, целесообразнее называть грузовым отсеком или вспомогательным, а не служебным.

Большая часть служебных систем Crew Dragon, включая двигатели ориентации и баки с топливом, включены в возвращаемый корпус, хотя и никак не сообщаются с обитаемым пространством.

На спускаемых аппаратах «Союзов» тоже есть небольшие двигатели, для управляемого спуска в атмосфере, но там уже перекись водорода, которая не представляет опасности в малых концентрациях. Перед приземлением у наших кораблей срабатывают твердотопливные двигатели мягкой посадки, которые также не дают токсичных осадков.

Crew Dragon использует токсичное топливо не только на орбите, но и во время управляемого снижения в атмосфере. Внешней экранно-вакуумной теплоизоляции у него нет, а для отражения солнечного света достаточно белой краски. Всё это способствует тому, что остатки топлива могут оказаться на корпусе и после посадки. Зато садится он на воду, и в сочетании с атмосферой это должно помогать в очищении корабля до безопасного уровня. В NASA не возражали против такого технического решения, видимо, потому что подобная практика была и раньше, например, во время программы Apollo. Командные модули Apollo также оборудовались двигателями ориентации на токсичном топливе, экранно-вакуумная теплоизоляция наклеивалась на корпус и частично оставалась после посадки на воду.

Но между посадкой Apollo и Crew Dragon можно заметить разницу. Двигатели ориентации Apollo располагались в нижней части модуля, которая заливалась водой в ходе приводнения. Crew Dragon же имеет «ватер-линию» ниже блока двигателей ориентации. Кроме морских волн, в очистке корпуса остается полагаться только на атмосферное воздействие, и, судя по всему, оно неплохо справляется с внешней поверхностью. Но вот с механизмом замка уже не вышло.

Посмотрим на то место, где располагается замок бокового люка Crew Dragon, где обнаружилось загрязнение тетраоксидом азота.

Видим, что один из двигателей Draco смотрит почти прямо на замок, под заметным углом к поверхности. Включения этого двигателя могли доставить топливные компоненты в механизм замка, где они и остались в следовых количествах. Вероятно, в будущем конструкцию заглушки замка изменят или в регламент обслуживания добавят дополнительную продувку этого элемента сжатым воздухом.

Осталось разобраться почему такая проблема могла возникнуть.

Все вышеперечисленные технические решения Crew Dragon:
- Система аварийного спасения внутри спускаемого аппарата;
- Отсутствие внешней экранно-вакуумной теплоизоляции;
- Служебные системы внутри спускаемого аппарата;
- Двигатели ориентации выше «ватер-линии»...
Преследуют одну цель: максимально возможное снижение стоимости многократного использования космического корабля. Стремление Илона Маска снизить стоимость доступа в космос, как для спутников, так и для людей, намного важнее красивой ракетной посадки. Эта цель неоднократно декларировалась основателем SpaceX, и практически каждое его решение связано с этим.

Не всегда получается задуманное, например пока ракеты с ножками смогли снизить стоимость запуска спутников в космос только в два раза, хотя Маск надеялся в десять. Crew Dragon пока дороже «Союзов», но при достижении определенной частоты полетов, все заложенные конструктивные решения позволят реализовать свой экономический потенциал.

Как часто бывает в инженерном деле, чтобы выиграть в одном приходится чем-то пожертвовать в другом. В данном случае десятью минутами на продувку замка двери в космос.