Чекати біля моря погоди

Перенесення запуску космічного корабля Crew Dragon через погодні умови 27 травня полоскотало нерви стартової команди і глядачів. Ймовірність перенесення зберігалася і при другій спробі, але, на щастя, цього разу погода була значно кращою, і пуск ракети відбувся. Ми вирішили розібратися, яка погода - і як саме - може нашкодити ракеті.

Контролем і прогнозом погоди для запусків з Космічного центру ім. Кеннеді і для стартових майданчиків на мисі Канаверал займається підрозділ ВПС США, який має кілька назв: 45-та погодна ескадрилья, 45-те космічне крило або 45-та оперативна група. Вона розквартирована на авіабазі ВПС імені Патріка поруч з космодромом, в 40 кілометрах південніше стартового майданчика, з якого був запущений Crew Dragon.

Фахівці цього підрозділу надають метеорологічні дані для забезпечення запусків з Космічного центру ім. Кеннеді і мису Канаверал. На підставі своїх спостережень 45-та погодна ескадрилья дає прогнози погоди, рекомендації щодо дати запуску і оцінює можливу грозову активність. І видає попередження про межі прийнятних погодних умов для того чи іншого типу ракети, яка планується до запуску.

Ці обмеження спираються на погодні критерії запуску NASA і розраховуються для кожного типу ракети-носія. Вони досить докладні і охоплюють запуск докладним переліком. Щоб відчути глибину опрацювання такого переліку обмежень, поглянемо, як виглядають погодні критерії запуску для Falcon 9. Запуск забороняється, якщо:

• на висоті 49 метрів над злітним майданчиком стійкий вітер зі швидкістю понад 56 км/год;
• спостерігається зсув вітру у верхніх шарах тропосфери - він може викликати проблеми з керуванням ракетою-носієм;
• при польоті ракеті належить пройти хмарний шар товщиною понад 1400 метрів, який поширюється в зону негативних температур;
• менш ніж за 19 кілометрів від майданчика є кучеві хмари з вершинами, що простягаються до зони негативних температур;
• менш ніж за 19 кілометрів від майданчика знаходиться край грози, в якій спостерігалася блискавка протягом 30 хвилин після попередньої блискавки;
• менш ніж за 19 кілометрів від майданчика є грозова хмара-ковадло (потужна кучова хмара з вершиною, що розплелася об тропопаузу);
• менш ніж в 9,3 кілометрів від майданчика є хмари поганої погоди, що поширюються до зони негативних температур і містять помірну або більшу кількість опадів;
• менш ніж в 5,6 кілометрів від майданчика є залишки грозової хмари, що розпалася;
• ракеті належить проліт крізь кучеві хмари, що утворилися в результаті або безпосередньо пов'язані з димовим шлейфом.

А також запуск повинен бути затриманий:

• на 15 хвилин, якщо показання приладу вимірювання напруженості електричного поля в межах 9,3 км від стартового майданчика перевищують +/- 1500 вольт на метр,
• на 30 хвилин, якщо в межах 19 кілометрів від стартового майданчика або траєкторії польоту спостерігалася блискавка.

Обмеження за вітром у приземному шарі очевидні - горизонтальний вітер великої сили на стартовому майданчику може просто повалити ракету в момент її відриву від стартової споруди. Особливо небезпечні в цей момент шквалисті пориви вітру - раптове різке посилення його швидкості. При шквалистих посиленнях вітру в районі стартового майданчика пуск ракет сьогодні не проводять. Але так було не завжди.

Також низькі щільні хмари можуть бути грозовими, несучи небезпеку розряду блискавки. Для субтропічної Флориди абсолютно звичайні не тільки грозові фронти, але й окремі, локальні внутрішньомасові грози, які можуть статися і в відносно спокійній нижній повітряній масі. Щоб убезпечити ракету під час обслуговування і пуску, навколо майданчика встановлені щогли дуже великої висоти, близько 200 метрів, з білими 25-метровими колонами блискавковідводів на вершині. Між щоглами протягнуті в повітрі металеві дроти, що охоплюють простір навколо головної частини ракети провідним кільцем, що приймає на себе можливий удар блискавки між щоглами.

Після відриву від стартового столу ракета піднімається вище блискавок стартового майданчика, стаючи зручною метою для атмосферних розрядів. У разі грозової активності над майданчиком і поблизу нього попадання блискавки в ракету не виключено.

Подібне сталося півстоліття тому, 14 листопада 1969 року, при запуску «Аполлона-12» з того ж самого майданчика, з якого стартував минулої суботи Crew Dragon. Обстановка того дня була грозовою і вкрай несприятливою. Пориви вітру біля землі досягали 26 метрів в секунду, йшла сильна злива. Директор старту Уолт Капріян, який обіймав цю посаду вперше, дав дозвіл на старт за 13 хвилин до «часу нуль».

Ракета почала зліт у розрахунковий час. З її відривом від стартового столу дощ посилився (в тому числі за рахунок акустичного поля двигунів надважкого «Сатурна-5», що досягав 220 децибел), і через 15 секунд ракета пішла в хмари. На 37-й секунді польоту в неї вдарила блискавка, пройшовши через ракету, реактивний струмінь двигунів, вихлопний слід і стартову вежу обслуговування до землі.

Це призвело до аварії в електромережі та аварійного відключення трьох паливних елементів у службовому відсіку. У командному відсіку «Аполлона-12» згасло світло, відмовило більшість вимірювальних приладів, загорілося безліч аварійних сигналів. Командир екіпажу Чарльз Конрад переключив ракету на аварійну систему управління.

На 53-й секунді польоту в ракету вдарила друга блискавка. Відмовила гіростабілізована платформа «Аполлона-12», і слідом мало відбутися автоматичне скидання командного відсіку з екіпажем. Але пілот місячного модуля Алан Бін за командами із Землі зумів увімкнути паливні елементи на другій хвилині польоту. Після цих подій ракета пройшла грозову хмарність, третій ступінь з «Аполлоном-12» вийшла на опорну орбіту, гіроскопи корабля вдалося привести в робоче положення, і корабель перейшов на траєкторію до Місяця. Запуски в такі грози більше ніколи не проводилися, а обмеження за метеоумовами пуску і вимоги до безпеки польотів американці переглянули.

Але ось ракета піднялася вище грозової активності нижнього або середнього ярусу хмар. Попереду вже синє небо. Чи загрожує їй що-небудь ще?

На висоті близько 15 кілометрів над землею тропосфера в субтропіках закінчується тропопаузою - відносно нерухомим атмосферним шаром, що розмежовує тропосферу і стратосферу. Тут затихають всі вертикальні потоки вируючої тропосфери. Але зате виникають потоки горизонтальні, і часом дуже великої сили. Впритул до тропопаузи, примикаючи до неї знизу, формуються висотні струменеві течії, які в субтропічних широтах досягають швидкостей 100 метрів на секунду і більше. Найбільші швидкості струменевих течій були зафіксовані над Японією - 180-200 метрів на секунду. У небі над Флоридою таких швидких течій не буває, але десятків метрів за секунду вони цілком можуть досягати.

При цьому межа вітру по висоті може бути дуже різкою - нижче повітря тече спокійно і в одному напрямку, а кількома метрами вище воно значно сильніше і може мати інший напрямок. Це явище називається зрушенням вітру. Воно небезпечне для літаків, і не менш небезпечне для ракет-носіїв. Потрапивши головною частиною в різку зміну вітру, носій може нахилитися, змінивши кут тангажу, або здійснити рух по нишпоренню, змінивши курс: на практиці ці два рухи відбуваються одночасно. Система управління польотом повинна встигнути швидко компенсувати виниклі кутові відхилення ракети від програмних кутів для цього часу - при працюючих на повну потужність двигунах першого ступеня додані кути створять значне відхилення носія від розрахункової траєкторії.

Швидкий поворот ракети-носія не такий простий. 4,5 тонни дев'яти двигунів «Мерлін» на нижньому краї першого ступеня, масивне корисне навантаження на верху ракети. Швидко повернути таку конструкцію з розподіленими на кінцях корпусу масами, що збільшують інерцію ракети, означає створити великі керуючі зусилля, зазвичай завжди пов'язані з втратою частини поздовжньої тяги. Тому для ракети визначають обмеження щодо зсуву вітру, який може виникати на її шляху.

Швидко входячи у висотну струменеву течію, ракета відчуває раптовий боковий обдув. Через те, що у Falcon 9 відносно тонкий і довгий корпус, сильне і швидке навантаження боковим вітром може викликати вигин, з інерційними коливаннями через швидкість навантаження ракети вітром. Однак міцність корпусу на вигин розраховується з урахуванням таких вітрових навантажень. Тому, хоча згинаючий вітровий вплив може виникнути, він не створить ракеті великих проблем.

До висоти 15 км ракета підходить вже надзвуковою, зі швидкістю приблизно М = 1,5. При цьому вже істотно нахилилася до горизонту. При польоті на надзвуковій швидкості сильна горизонтальна течія повітря створює косий обдув ракети. В результаті складання векторів швидкостей ракети і повітря виникає значний доданий кут атаки, під яким на ракету набігає надзвуковий зустрічний потік. Цей кут атаки створює надзвукове стиснення на корпусі ракети з боку вітру, а стиснення породжує бічну підйомну силу фюзеляжу. Ця підйомна сила тягне ракету вбік від розрахункової траєкторії.

Компенсація виниклого бічного руху ракети приносить невеликі додані втрати швидкості. Ракету доводиться нахиляти до вітру для компенсації знесення, і це відхиляє тягу головних двигунів, знижуючи тягу вздовж траєкторії - просто кажучи, зменшуючи розгін ракети при тій же роботі двигунів. З точки зору розгону ракети, це вітрові втрати при виведенні.

Струменеві течії можуть виникати також і в нижній і середній стратосфері. Тільки пройшовши стратосферу і досягнувши висоти близько 50 кілометрів, носій остаточно залишає позаду всі можливі обурення, якими може вплинути на його політ атмосфера.

Однак одним впливом на підйом Falcon 9 погода не обмежується. Погодні умови повинні бути прийнятними і для приземлення першого ступеня. Адже вона теж перетинає атмосферу з надзвуковою швидкістю, тільки вже в зворотному напрямку. І може відчувати при цьому додаткові кути атаки при надзвуковому обтіканні повітрям свого довгого корпусу. Крім того, на фінальній стадії приземлення її не повинно ні знести вітром з посадкового кола, ні перекинути після вставання на свої посадкові опори. Тому обмеження щодо прийнятної погоди повинні виконуватися в районі приземлення першого ступеня.

Екіпаж на борту корабля теж створює підвищені вимоги до погоди. У разі аварійного відділення корабля від ракети йому належить приводнення в Атлантичному океані. При цьому відділення від ракети можливе в будь-якій точці траєкторії виведення, а приводнення відбудеться в одному з районів, куди корабель буде направлений роботою двигунів системи аварійного порятунку. І там теж має бути прийнятна погода. Тому вимоги щодо погоди пред'являються не тільки до району старту, а й кільком іншим локаціям, віддаленим від старту на сотні кілометрів.

Відразу після старту з берега Атлантичного океану, ракета летить у шостому океані - повітряному. Його особливості доводиться враховувати, а примхи і сюрпризи відстежувати і прогнозувати. І, як завжди для погоди, що йдуть в океан, чекати біля моря. З надією, що погода не підведе, і подорож крізь цей океан буде благополучною.