Хьюстон, у вас проблемы…

http://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/609679/609679_300.jpgХьюстон, у вас проблемы…

“С точки зрения статистики у меня очень плохие перспективы… но вы же знаете, насколько обманчива может быть статистика. Я должен был после всего происшедшего сидеть в тюрьме, а Вы должны были погибнуть в космосе…”

Вернер фон Браун – Нейлу Армстронгу

Предлагаю вам посмотреть официальную версию схемы пилотируемого полёта на Луну от НАСА, вырезанную из фильма «Moonwalk one».

После просмотра этого видеоролика прошу вас ответить на простой вопрос: возможно ли успешное выполнение такой миссии, если хотя бы один из её этапов не состоится?

Возможен ли вывод космического корабля в космос при проблемах на старте или в процессе разделения ступеней? Можно ли начать полёт к Луне, не отработав должным образом разгонный импульс с помощью маршевого двигателя третьей ступени?

Можно ли выйти на орбиту вокруг Луны, не завершив вовремя перестыковку отсеков, не отработав тормозной импульс выхода на окололунную орбиту? Реально ли побывать на поверхности Луны, успешно не посадив на неё пилотируемый аппарат? Возможно ли взлететь с Луны, если при посадке или при старте произошла поломка?

Если не получилась стыковка на орбите Луны, можно ли начинать полёт к Земле? Если не включится маршевый двигатель командного модуля на орбите Луны, как астронавты улетят к Земле? Что случится, если командный модуль не сумеет отстыковаться от посадочной капсулы при подлёте к Земле? Выживут ли астронавты, если посадочная капсула промахнется с углом входа в атмосферу на второй космической скорости?

Вообще, существует ли хотя бы один такой этап, не пройдя который, можно было бы успешно выполнить всю программу миссии? Можно ли поменять какие-либо этапы такой миссии местами или же отложить процедуры выполнения некоторых этапов до выяснения обстоятельств возникших неполадок так, чтобы успешно выполнить всю миссию в целом? Наконец, существуют ли в данной схеме некие решения, позволяющие подстраховать или дублировать технику, в которой возникли неисправности на любом из представленных этапов?

Таких этапов нет.

Таким образом, для успешного завершения экспедиции необходимо своевременное последовательное успешное выполнение всех изображенных на видеоролике этапов. А мы уже знаем, что общую вероятность успеха такой миссии можно вычислить перемножением вероятностей успешного выполнения всех этапов, из которых она состоит.

Этим мы сейчас и займемся.

Но перед этим я хотел бы предупредить читателя, что точные значения вероятностей успешного выполнения (надёжности) каждого этапа миссии пилотируемого полёта на Луну в 1969-1972 годах вычислить невозможно из-за вполне очевидных объективных причин.

Дело в том, что большое количество задекларированных НАСА технических решений применялись только в процессе «полётов на Луну» и удивительным образом оказались ненужными не только в процессе развития других космических программ США, но и для других – вполне бытовых, технических или даже военных нужд. Другие технические решения из той же «оперы» до и после успешных полётов на Луну либо не существовали вовсе, либо не были в достаточной мере протестированы с помощью пробных пусков или экспериментов в космосе и на поверхности Луны.

Итак, перед нами стоит не очень простая задача, поскольку вероятности успешного завершения каждого из этапов экспедиции мы можем вычислить лишь приблизительно, с той или иной степенью достоверности для каждого конкретного этапа. К счастью, у математиков для таких случаев предусмотрен замечательный аппарат оценки «снизу» или «сверху».

Например, если нам нужно оценить значение какой-либо величины, имея значения всех её параметров в виде диапазонов, мы можем оперировать либо заведомо минимальными, либо заведомо максимальными значениями параметров, получив, соответственно, оценку искомого значения также в виде диапазона.

В данном случае нас интересует, какова максимально возможная вероятность успешного завершения рассматриваемой миссии в целом. Поэтому, несмотря на отсутствие некоторых данных и чтобы никого ненароком не обидеть, мы можем смело подставлять во всех случаях максимально возможные значения надёжности.

Если у НАСА вообще не было на тот момент соответствующей технологии, я возьму статистику надёжности соответствующей техники из СССР, даже если она появилась намного позже рассматриваемых примеров. Если же аналогов такой техники не найдётся вообще, мы позволим себе немного пофантазировать, «до упора» завышая надёжность такой виртуальной технической системы.

Давайте же наконец посмотрим, что из этого получится…

Если не очень придираться к частностям, у нас имеется как минимум 22 последовательных этапа рассматриваемой экспедиции. Перечислю их все, а потом будем кратко рассматривать каждый из этапов в отдельности и оценивать максимально возможную вероятность их успешного выполнения:

- старт «Сатурна-5»;

- выход на околоземную орбиту;

- полёт на опорной околоземной орбите;

- выполнение манёвра разгона к Луне;

- полёт к Луне;

- отстыковка командного модуля;

- пристыковка командного модуля другой стороной;

- отстыковка третьей ступени «Сатурна-5»;

- выполнение манёвра выхода на орбиту Луны;

- отстыковка командного модуля;

- выполнение манёвра торможения для схода с орбиты Луны;

- мягкое прилунение;

- выход и пребывание на поверхности Луны двух астронавтов;

- старт с поверхности Луны;

- выход на орбиту Луны;

- поиск, сближение и стыковка с командным модулем;

- переход экипажа в командный модуль и его отстыковка;

- выполнение манёвра разгона к Земле;

- полёт к Земле;

- отстыковка спускаемого аппарата;

- торможение в атмосфере Земли;

- мягкое приземление.

Итак, приступим…

                                    Старт «Сатурна-5»

Могла ли состояться экспедиция на Луну, если бы ракета «Сатурн-5» взорвалась прямо на стартовом столе? Или если бы старт не состоялся по техническим причинам и был отложен на неопределённое время?

Ракеты-носители для пилотируемых космических кораблей в 60-х годах очень часто взрывались на точке старта не только во время, но даже ещё до начала пусков.

Это было связано с необходимостью заправки ракет легковоспламеняющимися, взрывоопасными, криогенными или высокотоксичными компонентами в огромных количествах непосредственно перед стартом. Для заправки каждой новой модели ракеты на стартовом столе создавался сложнейший заправочный комплекс.

Особенно это касается многоступенчатых ракет, в которых, как в «Сатурне-5», разные ступени должны были работать на разных топливных компонентах! Кроме этого, сложной технической проблемой было обеспечение герметичности топливных баков и топливопроводов, микроскопические протекания или другие незаметные на глаз дефекты в которых могли приводить к образованию взрывоопасных испарений, немедленно воспламеняющихся в момент зажигания.

Второй важный фактор риска в моменты пусков состоял в том, что в те времена не существовало возможности испытать всю ракету в сборе, включая полную заправку топливом, иначе, чем посредством попытки выполнить программу вывода полезного груза «в натуре».

Да, конечно, существовали стенды для прогонки различных систем; в том числе двигателей, которые перед установкой на ракету нарабатывали на таких стендах тысячи часов в номинальных режимах.

Однако, после сборки ракеты в дело вступали тысячи ранее не учтённых факторов, самым «популярным» из которых были различного рода вибрации, возникающие в корпусе ракеты сразу после запуска двигателей. Некоторые детали за несколько секунд испытывали огромные перепады температур – от контакта с поверхностью баков с криогенными компонентами до контакта с внешними поверхностями сопел, нагреваемыми пламенем двигателей.

Любая деталь, для «прогонки» которой на стенде весь набор факторов невозможно было учесть, могла в результате перегрева разрушиться или снизить прочность, в результате вибраций попасть в резонанс и, разрушившись, повредить другие системы двигателя – насосы, топливопроводы, а также сами резервуары с компонентами горючего.

Например, как известно, официальной причиной гибели шаттла «Челенджер» в январе 1986 года стал разрыв/прогорание кольцевого уплотнителя, который наверняка не испытывался для условий, совпадение которых стало причиной катастрофы.

Третьим серьёзным фактором риска, который мог стать причиной повреждения и взрыва ракеты на стартовом столе, было повышенное давление в баках, где хранился сжиженный кислород или водород.

Если в случае с кислородом основной проблемой было выкипание и стравливание газообразного кислорода из своеобразных «паровых котлов» – ракетных баков с жидким кислородом – и, как следствие, необходимость непрерывной дозаправки баков практически до самого старта, то в случае с водородом проблема была гораздо серьёзнее.

Молекулы водорода относительно легко проникают сквозь любые стенки баков, особенно в случае повышенного давления, постоянно образовывая вокруг ракеты гремучую смесь с кислородом. С целью минимизации рисков от взаимодействия газообразных испарений криогенных компонентов конструкторы шли на невероятно сложные ухищрения, размещая на ракете вытеснительные системы, работающие на инертных газах.

Однако, эти меры могли привести лишь только к утяжелению и усложнению конструкции, что негативным образом сказывалось не только на грузоподъёмности первых ракет, но в первую очередь на их надёжности.

Вообще говоря, подготовка к пуску многоступенчатых ракет была и есть более сложным этапом, чем эксплуатация систем ракеты в полёте. Красивая картина стоящей на стартовом столе ракеты с испаряющимися фонтанами криогенных топливных компонентов на фоне обратного отсчёта лишь знаменует собой окончание сложнейшего этапа окончательной сборки ракеты, доставки её на стартовый стол, установки, заправки и одновременной проверки работоспособности тысяч различных систем и датчиков.

Если на этом этапе допускаются ошибки и недочёты, ракета может попросту не улететь со стартового стола. Поэтому при эксплуатации реально летающих на околоземную орбиту пилотируемых космических кораблей обычной практикой является откладывание старта по причине выявленных тех или иных поломок или дефектов, которые устраняются прямо на стартовом столе, а иногда – даже с возвращением почти готовой к старту ракеты обратно в сборочный комплекс…

Если в СССР об откладывании, отмене стартов и о грандиозных взрывах ракет в степях Казахстана просто не сообщалось, а лишь показывалось свершившееся чудо удачного старта очередной ракеты в записи, то в США во времена эксплуатации комплекса «шаттлов» об этом объявлялось с завидной постоянностью.

Дело в том, что у них телевизионщики как бы независимы от НАСА, поэтому их нужно загодя предупреждать о планируемом времени старта. Когда старт откладывается, необходимо всех об этом проинформировать, и так далее…

Тем более странными выглядят старты «Сатурнов-5», будто бы отправлявших астронавтов к Луне, ни один из которых не был отложен ни разу! Тысячи ротозеев, собиравшихся поглазеть на те старты, всегда видели вовремя улетающую ракету.

Но это и не удивительно, ведь мы уже знаем о том, что стартовала лишь одноступенчатая пустышка, щедро не дожигающая топливо для получения большей длины факела… Ближе к концу этих «полётов» НАСА видимо догадалось о чём-то подобном, так как в официальной истории старт «Сатурна-5» с «Аполлоном-17» оказался отложенным аж на 40 минут. Но, по моему мнению, это скорее похоже на извинение за пролитый кофе на следующий день…

Чтобы не утомлять читателя выкладками статистических данных о числе фактов откладывания стартов и взрывов ракет, находящихся на стартовом столе, скажу, что согласно официальным данным испытаний и запусков ракетоносителей в СССР и США, предварительно планировавшихся для обеспечения пилотируемых полётов, по состоянию на 1969 год имеется 7 взрывов с разрушением ракеты-носителя из 115 планировавшихся стартов.

Возможно, дотошные исследователи меня поправят, что таких взрывов было значительно больше, но я взял только те, которые произошли в процессе испытаний ракет, для которых планировался вывод на околоземную орбиту полезного груза, а не просто испытания неких отдельных ступеней или систем.

Кроме того, напомню, мы условились оценивать благоприятные для НАСА данные по максимуму. Поэтому, исходя из вышесказанного, по состоянию на 1969 год надёжность на старте ракетоносителей, используемых для вывода полезного груза на околоземную орбиту, можно оценить как 1-(7/115) = 0,9391… Округлим значение опять-таки в пользу НАСА до 0.94.

Итак, вероятность того, что «Сатурн-5» с экспедицией «Аполлона-11» не взорвётся прямо на стартовом столе или старт не будет отложен на неопределённое время из-за технических неисправностей, мы оценили в 94% или 0.94.

Вспоминая историю реальной эксплуатации комплекса «шаттлов», которые начали летать с 1981 года, думаю, вы согласитесь со мной, что это значение отражает значительно завышенное максимальное значение искомого диапазона вероятностей…

Выход на околоземную орбиту

Могла ли состояться экспедиция на Луну, если бы во время выхода на околоземную орбиту произошла авария, взрыв, разрушение ракеты или полезного груза; или любая из трёх ступеней не смогла бы отработать необходимое количество импульса для придания полезному грузу первой космической скорости?

Я прошу заметить, что вероятность успешного вывода полезного груза на околоземную орбиту с помощью трёхступенчатой ракеты «Сатурн-5» вычисляется следующим образом:

- вероятность успешной отработки первой ступени всеми пятью двигателями F-1

- И безаварийного её отделения

- И успешного включения всех пяти двигателей J-2 второй ступени

- И успешной отработки второй ступени всеми пятью двигателями J-2

- И безаварийного отделения второй ступени

- И успешного включения двигателя J-2 третьей ступени

- И успешной отработки необходимой части топлива третьей ступенью

- И безаварийного отключения двигателя третьей ступени.

Очевидно, что доводка нового ракетоносителя в 60-70-х годах являла собой довольно длинный, сложный, дорогой, а подчас и трагичный процесс; тем более, если речь идёт не только о принципиально новой технике, но скорее об уникальной ракете, технические характеристики которой невозможно повторить даже спустя 45 лет!

Для тех, кто интересуется техническими подробностями и историей ракеты-носителя «Сатурн-5», сама постановка вопроса о выводе с её помощью на околоземную орбиту полезного груза будет выглядеть абсурдом. Ранее в этой работе мы уже частично разбирали этот вопрос и упоминали соответствующие исследования авторитетных специалистов.

Как же оценить вероятность успешной работы системы, которой в принципе не существовало в заявленных НАСА параметрах?

Здесь, как сказал один очень известный товарищ, мы пойдём другим путём… А именно, давайте представим себе, что такой ракетоноситель существовал, и, более того, функционировал на стадии вывода полезного груза на околоземную орбиту именно с таким уровнем надёжности, как утверждает НАСА! В таком случае обвинить меня в предвзятости просто невозможно.

Итак, два тестовых испытания – первые два запуска этой ракеты в 1968 и 1969 году в беспилотных вариантах – завершились по версии НАСА «удачно» лишь в смысле отработки неких отдельных систем. Но в целом программа вывода полезного груза напланируемую орбиту ни в первом, ни во втором случае выполнена не была.

После этого, как я уже отмечал, у ракеты «Сатурн-5» пошёл «счастливый период», когда все пуски (согласно официальным данным) с выводом на околоземную орбиту полезной нагрузки (в виде космических кораблей «Аполлон» с живыми астронавтами) общей массой порядка 140 тонн происходили исключительно успешно. Это были запуски следующих «Аполлонов»: 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17. Давайте ещё присовокупим сюда запуск «Скайлэба», хотя даже по данным НАСА его масса якобы составляла 70, а не 140 тонн. Но мы не будем мелочиться…

Итак, всего за официальную историю эксплуатации «Сатурнов-5» имеем 12 запусков, из которых 2 – неудачные. Это означает, что часть неудач составляет 2/12, а успехов – соответственно  10/12 или 0,8(3). Таким образом, официальное (от НАСА) значение надёжности эксплуатации «Сатурна-5» как ракетоносителя для вывода полезного груза на околоземную орбиту составляет немногим более 83%.http://otstoja.net/wp-includes/js/tinymce/plugins/wordpress/img/trans.gif

Выход на околоземную орбиту

Могла ли состояться экспедиция на Луну, если бы во время выхода на околоземную орбиту произошла авария, взрыв, разрушение ракеты или полезного груза; или любая из трёх ступеней не смогла бы отработать необходимое количество импульса для придания полезному грузу первой космической скорости?

Я прошу заметить, что вероятность успешного вывода полезного груза на околоземную орбиту с помощью трёхступенчатой ракеты «Сатурн-5» вычисляется следующим образом:

- вероятность успешной отработки первой ступени всеми пятью двигателями F-1

- И безаварийного её отделения

- И успешного включения всех пяти двигателей J-2 второй ступени

- И успешной отработки второй ступени всеми пятью двигателями J-2

- И безаварийного отделения второй ступени

- И успешного включения двигателя J-2 третьей ступени

- И успешной отработки необходимой части топлива третьей ступенью

- И безаварийного отключения двигателя третьей ступени.

Очевидно, что доводка нового ракетоносителя в 60-70-х годах являла собой довольно длинный, сложный, дорогой, а подчас и трагичный процесс; тем более, если речь идёт не только о принципиально новой технике, но скорее об уникальной ракете, технические характеристики которой невозможно повторить даже спустя 45 лет!

Для тех, кто интересуется техническими подробностями и историей ракеты-носителя «Сатурн-5», сама постановка вопроса о выводе с её помощью на околоземную орбиту полезного груза будет выглядеть абсурдом. Ранее в этой работе мы уже частично разбирали этот вопрос и упоминали соответствующие исследования авторитетных специалистов.

Как же оценить вероятность успешной работы системы, которой в принципе не существовало в заявленных НАСА параметрах?

Здесь, как сказал один очень известный товарищ, мы пойдём другим путём… А именно, давайте представим себе, что такой ракетоноситель существовал, и, более того, функционировал на стадии вывода полезного груза на околоземную орбиту именно с таким уровнем надёжности, как утверждает НАСА! В таком случае обвинить меня в предвзятости просто невозможно.

Итак, два тестовых испытания – первые два запуска этой ракеты в 1968 и 1969 году в беспилотных вариантах – завершились по версии НАСА «удачно» лишь в смысле отработки неких отдельных систем. Но в целом программа вывода полезного груза напланируемую орбиту ни в первом, ни во втором случае выполнена не была.

После этого, как я уже отмечал, у ракеты «Сатурн-5» пошёл «счастливый период», когда все пуски (согласно официальным данным) с выводом на околоземную орбиту полезной нагрузки (в виде космических кораблей «Аполлон» с живыми астронавтами) общей массой порядка 140 тонн происходили исключительно успешно. Это были запуски следующих «Аполлонов»: 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17. Давайте ещё присовокупим сюда запуск «Скайлэба», хотя даже по данным НАСА его масса якобы составляла 70, а не 140 тонн. Но мы не будем мелочиться…

Итак, всего за официальную историю эксплуатации «Сатурнов-5» имеем 12 запусков, из которых 2 – неудачные. Это означает, что часть неудач составляет 2/12, а успехов – соответственно  10/12 или 0,8(3). Таким образом, официальное (от НАСА) значение надёжности эксплуатации «Сатурна-5» как ракетоносителя для вывода полезного груза на околоземную орбиту составляет немногим более 83%.http://otstoja.net/wp-includes/js/tinymce/plugins/wordpress/img/trans.gif


Источник.