Kosmonautika XI - Zkáza Columbie podruhé

Po více jak dvou měsících od ztráty amerického raketoplánu Columbia se pokusím shrnout důležité události od 16. ledna do 4. dubna 2003, které souvisejí s vyšetřováním příčin katastrofy. Ještě než začneme, tak bych rád poděkoval panu Mgr. Antonínu Vítkovi (autor rozsáhlé encyklopedie Space 40) a panu Milanu Halouskovi (autor bulletinu Kosmos News) za velké množství informací, které mi poskytli.

Obr. 1: Příprava Columbie k jejímu poslednímu startu [1].

Obr. 2: Posádka STS-107. Horní řada: D. M. Brown, L. B. Clark[ová], M. P. Anderson a I. Ramon. Dolní řada: R. D. Husband, K. Chawla[ová] a W. C. McCool [1].

Obr. 3: Dlaždice tepelné ochrany z oblasti lévé podvozkové šachty raketoplánu. Je na nich dobře patrná míra destrukce způsobená neřízeným letem atmosférou [2].

Obr. 4: Záznamové zařízení OEX (Orbiter Experiment Support System) bylo nalezeno 19. 3. 2003 u městečka Hemphill v Texasu. OEX zaznamenává data o teplotě, tlaku, vibracích, atd. nezávisle na síťi čidel telemetrie [2].

Mnohokrát odkládaná vědecká mise raketoplánu Columbia byla naplánována na období od 16. ledna do 1. února 2003. Start proběhl v 15:39:00.050 UT (všechny následující časy jsou v UT) z kosmodromu Cape Canaveral na Floridě a byl doprovázen mimořádným bezpečnostním zajištěním z důvodu přítomnosti prvního izraelského kosmonauta na palubě. Posádku celkem tvořilo sedm astronautů - velitel Rick D. Husband, pilot William C. McCool, letoví specialisté Michael P. Anderson, David M. Brown, Kalpana Chawla[ová], Laurel B. S. Clark[ová] a palubní specialista Ilan Ramon. V 16:23 byl raketoplán naveden na eliptickou oběžnou dráhu (273 x 290 km se sklonem 39°). O dvě hodiny později bylo zahájeno oživování přetlakového vědeckého modulu Spacehab, jenž byl uložen v nákladovém prostoru. Až do ukončení letu v něm astronauti prováděli ve dvou směnách velké množství nejrůznějších vědeckých úkolů z oblasti biologie, fyziky, geofyziky a pokročilé techniky.

Den D, na který bylo naplánováno přistání Columbie na Cape Canaveral, nastal 1. února 2003. Přípravy na přistání byly zahájeny v 8:49 a ve 13:15:30 byl proveden brzdící manévr pomocí motorů systému OMS (Orbiter Maneuvering System). O čtyři minuty později vstoupil raketoplán do zemské atmosféry ve výšce 120 km nad zemským povrchem rychlostí 24,56 M (Mach = rychlost zvuku v daném prostředí), což odpovídá asi 7,5 km/s. V čase 13:49:07 bylo zahájeno iterativní řízení ve výšce 79 km při rychlosti 24,58 M. Byly naplánovány dvě „brzdící“ zatáčky doprava a dvě doleva. Automatický pilot zahájil ve 13:49:32 první náklon doprava, raketoplán se nacházel v době největšího aerodynamického ohřevu. První náznaky problémů se objevily ve 13:52:05 a projevily se nerovnoměrným aerodynamickým odporem raketoplánu. Z této doby pochází také svědectví obyvatel Kalifornie o žhnoucích úlomcích v plazmové stopě za raketoplánem. S největší pravděpodobností šlo o první odloupnuté dlaždice tepelné ochrany. Ve 13:52:20 zaznamenalo teplotní čidlo v návratové větvi hydraulického brzdového okruhu levého podvozku nárůst teploty o 2°C za minutu. Ve 13:52:41 zaznamenaly další teplotní čidla nárůst teploty hydraulického okruhu levého podvozku o 6°C, resp. 5°C. O osmnáct sekund později přestalo pracovat teplotní čidlo na levém vnitřním elevonu. Okolo 13:54 bylo pozorováno pět menších úlomků za raketoplánem. V té době se pravděpodobně začaly odlupovat další dlaždice tepelné ochrany levého křídla. Ve 13:57:24 se začal měnit tlak ve vnější pneumatice levého podvozku. Do této doby zaznamenalo velké množství čidel nárůst teploty a několik jich vypovědělo službu. Okolo 13:58 začala silná kompenzace aerodynamické nestability. Další čidla hlásí nárůst teploty. V obou pneumatikách levého podvozku došlo k poklesu tlaku, což mělo za následek vyhlášení poplachu neboť bez funkčního podvozku nemá raketoplán možnost přistát. Ve 13:59:06 indikoval spínač V51X0125E vysunutí levého podvozku. K tomu však nedošlo, protože jiný spínač hlásil, že je podvozek zasunut a podvozková šachta zavřena. Ve 13:59:30.66 proběhl zážeh motorů systému RCS (Reaction Control Subsystem) ve snaze vyrovnat sílící nesymetrický aerodynamický odpor raketoplánu. Řídící systém FCS (Flight Control System) začal dostávat zmatená data a ve 13:59:32.130 oznámil chybový stav na všech ovladačích řídících ploch. O zlomek vteřiny později přijalo řídící středisko poslední kompletní blok dat a poté ztratilo hlasové spojení s posádkou raketoplánu. Ozvalo se poslední „Roger, …“ (rozumím). Vše ostatní již bylo dílem okamžiku. Ve 14:00:02 UT se oddělil od raketoplánu první velký kus, ve 14:00:02.660 – 14:00:04.826 byla zachycena poslední velmi rušená telemetrie raketoplánu. Poté již bylo možné z Texasu pozorovat ohnivou kouli, z níž odletují kusy rozžhaveného materiálu.

Pravděpodobný dopad těžkých částí Columbie byl stanoven na 14:03:34, lehké části jako kusy folií, izolací, atd. dopadaly na zem po dobu pěti hodin. Oblast dopadu má eliptický tvar o rozměrech 500 x 100 km. Koordinací sběru trosek byl pověřen astronaut Jim D. Wetherbee. Další astronaut Jerry L. Ross řídil shromažďování pozůstatků členů posádky. Hlavní koordinátorem sběru trosek byl Federální úřad pro mimořádné události FEMA, který zasahuje při záplavách, lesních požárech, hurikánech, zemětřeseních a jiných katastrofách. Do pátraní se ihned zapojily dvě stíhačky F-15 později posílené o další stroje. K 26. březnu 2003 bylo nalezeno 45 762 fragmentů Columbie o celkové hmotnosti 24,5 t. Toto množství představuje asi 23% přistávací hmotnosti raketoplánu, která činí 105 591 kg. Den po katastrofě, tj. 2. února 2003 jmenoval administrátor NASA Sean O’Keefe nezávislou vyšetřovací komisi CAIB (Columbia Accident Investigation Board), jejímž předsedou je admirál Harold W. Gehman.

Po katastrofě se ihned začalo spekulovat o příčinách havárie jako např. selhání hlavních motorů, chybné navedení raketoplánu do atmosféry, selhání počítačové sítě, teroristický útok, biologické zamoření raketoplánu apod. Pravděpodobnou příčinou havárie letu STS – 107 ale bylo selhání tepelné ochrany raketoplánu, a to na levém křídle. Jedním z důvodů by mohl být náraz kusu tepelné izolace z vnější nádrže ET (External Tank), ve které jsou uskladněny kryogenní pohonné látky pro tři motory SSME (Space Shuttle Main Engines). Utržení a následný náraz se stal 81 sekund po startu 16. ledna a byl zjištěn o den později při podrobném zkoumání záběrů z kamer sledujících start. Rozměry utrženého kusu byly vypočítány na 50 x 40 x 15 cm a jeho hmotnost na 1 200 g. Rychlost dopadu na náběžnou hranu levého křídla v oblasti dlaždic RCC 5, 6 a 7 byla ze záběrů určena na 750 km/h. Tepelná izolace nádrže ET je tvořena polyuretanovou pěnou, která se svou hustotou a strukturou blíží balzovému dřevu. NASA po zjištění nárazu vydala zprávu, v níž konstatuje, že nemohlo dojít k poškození tepelné izolace. Z tohoto důvodu také nepořídila snímky spodní strany raketoplánu pomocí pozemních stanic nebo špionážních družic. I kdyby bylo potvrzeno porušení tepelné ochrany, nebyla žádná možnost sedm astronautů zachránit. Jistě mnoho z vás napadne otázka, proč astronauti nezkontrolovali spodní část raketoplánu na oběžné dráze. Z čelních ani horních oken kabiny nelze vidět na křídla raketoplánu, jedinou možností je pohled ze zadních oken. Z těch je však vidět jen při otevřeném nákladovém prostoru, a to pouze špičky obou křídel. Proto se logicky nabízí otázka druhá, proč astronauti nevystoupili do volného prostoru a místo nezkontrolovali. Na raketoplánu nebyl palubní manipulátor, tzv. kanadská ruka, na kterou by se mohla přimontovat televizní kamera. Na povrchu nejsou také žádné úchyty, což by případný výstup činilo velmi nebezpečným až nemožným.

Dalším z důvodů selhání tepelné ochrany mohl být pravděpodobný náraz neznámého tělesa (malý meteorit nebo kosmické smetí) do raketoplánu na oběžné dráze. Den po startu totiž zaznamenaly radary amerického vojenského letectva USAF objekt, který se vzdaloval od raketoplánu rychlostí okolo 5 m/s. Pravděpodobné rozměry objektu byly 30 x 30 cm. Objekt zanikl 20. ledna 2003, ale jeho existence byla zjištěna až 6. února. Srážka i drobounkého tělesa na některém z citlivých míst raketoplánu nebo na místě poškozeném již dříve (náraz tepelné izolace z ET, konstrukční vada) mohl způsobit poškození nebo odtržení dlaždic tepelné ochrany. 1. dubna byly oznámeny výsledky charakteristiky radiolokačního odrazu od objektu, který se oddělil 17. ledna od raketoplánu. Ty nasvědčují tomu, že by mohlo jít o přechodovou dlaždici mezi RCC a HRSI. Není ale vyloučeno, že se mohlo jednat o jiný objekt, proto komise dosud nedospěla k jednoznačnému závěru, ve kterých místech došlo k prvotní destrukci tepelné ochrany.

Ať byl primární příčinou selhání tepelné ochrany raketoplánu náraz kusu tepelné izolace z ET, neznámý objekt na oběžné dráze nebo něco úplně jiného, jisté je to, že důvodem zničení Columbie byl totální kolaps dlaždic tepelné ochrany. Tepelná ochrana raketoplánu je tvořena několika druhy dlaždiček. Nejvíce exponovaná místa (náběžné hrany křídel a příď), kde teplota dosahuje až 1 450 °C, jsou pokryta dlaždicemi z kompozitního materiálu uhlík – uhlík RCC (Reinforced Carbon – Carbon). Proti oxidaci je chrání tenká vrstva taveného křemene. Tyto dlaždice jsou schopny odolat teplotám až 1 650 °C. Teplotně méně namáhána místa jsou pokryta dlaždicemi ze slinutých křemenných vláken. Od 650 – 1 260 °C se používají dlaždice HRSI (High-temperature Reusable Surface Insulation), pro teploty od 370 – 650 °C pak LRSI (Low–temperature RSI). Ostatní místa jsou kryta polyamidovou nomexovou plstí FRSI (Flexible RSI), která je schopna odolat teplotám do 370 °C.

Flotila amerických raketoplánů se tak zúžila na tři stroje – Atlantis, Endeavour a Discovery. K obnovení letů raketoplánů by mělo dojít nejdříve v červnu nebo srpnu 2003. Pravděpodobnější je však start v polovině příštího roku. Zpočátku budou všechny starty soustředěny na obsluhu a výstavbu Mezinárodní kosmické stanice ISS a jeden start na případnou opravu nebo revizi HST.