Havárie a záchrana kosmické lodě Sojuz MS-10

Raketa Sojuz je nejdéle používanou nosnou raketou v kosmických programech. Její základní konstrukce sahá do počátku kosmického věku, kdy shodnou základní podobu měla raketa R-7, kterou byla vypuštěna první umělá družice Sputnik 1 v roce 1957. Pokročilejší modifikace rakety nazvaná Vostok vynesla na oběžnou dráhu Jurije Gagarina a jeho následovníky. Pod názvem Sojuz se raketa používá od roku 1966.

Pro raketu Sojuz jsou typické čtyři boční bloky prvního stupně navěšené kolem centrálního bloku druhého stupně. Pro svůj tvar dostaly dvacet metrů dlouhé boční bloky přezdívku „mrkve“. Na horní části rakety vysoké přes 50 metrů jsou čtyři mřížové obdélníky aerodynamických stabilizátorů a na vršku věžička záchranného systému. Na startovací rampě má raketa základnu širokou přes 10 metrů.

Při startu se zapálí motory ve všech blocích prvního i druhého stupně současně. V každém bloku jsou čtyři motory RD-107A, v centrálním bloku čtyři motory RD-108A. Zhruba po dvou minutách letu se boční bloky oddělí a motory středního (druhého) stupně pracují samostatně další dvě a tři čtvrtě minuty. Navedení družice nebo kosmické lodě na požadovanou dráhu pak dokončí třetí stupeň o čtyři minuty později. Za dobu existence těchto raket se uskutečnilo přes 1700 startů. V rodině raket Sojuz existuje několik variant. Ta, která se dnes používá pro dopravu posádek na stanici ISS, má označení Sojuz-FG, a to od roku 2001, a její říjnový start měl pořadové číslo 65. Všechny předcházející lety proběhly bez sebemenší závady.

Nezdařený start, jak ho zachytil astronaut Alexander Gerst z mezinárodní stanice ISS .Snímek Alexander Gerst, ESA, NASA

Let kosmické lodě Sojuz MS-10

Na palubě Sojuzu MS-10 byla netradičně jen dvoučlenná posádka tvořená ruským velitelem Alexejem Ovčininem a americkým astronautem Nickem Haguem. Ruská kosmonautika dočasně rezignovala na tři své zástupce na stanici ISS, a tak zůstalo jedno sedadlo volné. Bylo na něm ‒ vedle dalšího nákladu v obytné části lodě – několik krabic pro stanici ISS.

Když se raketa za jasného odpoledne 11. října 2018 odlepila z rampy číslo 1 bajkonurského kosmodromu, nic nenasvědčovalo tomu, že by měl být let něčím mimořádný. Nicméně skončil havárií, která posádce připravila nepříjemné překvapení, stresové okamžiky a zklamání ze zmařeného pokusu. Naštěstí se havárii podařilo zvládnout a oba kosmonauty dopravit živé a zdravé na pevnou zemi. U obou aspektů hrála klíčovou roli technika. V prvním případě její závada způsobila havárii, v druhém přesně fungující systém zachránil lidské životy.

Vzhledem k tomu, že k přerušení letu došlo v době vypnutí motorů prvního stupně, bylo zřejmé, že příčina bude spojená s procesem jejich oddělení. Naproti tomu havarijní záchranný systém, kterým je raketa Sojuz právě pro takové situace vybavena, svoji úlohu splnil bezchybně.

Sojuz MS-10 na bajkonurském kosmodromu 9. října 2018.Snímek Bill Ingalls, NASA

Propojení prvního a druhého stupně rakety Sojuz

Boční bloky jsou s druhým centrálním stupněm spojeny ve dvou místech. Ve spodní části jsou „mrkve“ připevněny k druhému stupni tyčemi uchycenými na protilehlých stranách bloku. Nahoře má blok kulové zakončení, které zapadne do lože na plášti centrálního stupně. Oba úchyty společně přenášejí tah bočních motorů na centrální stupeň, a tím celou raketu tlačí nahoru. Pitoreskní tvar bloků však není konstruktérským rozmarem, nýbrž má důležitý praktický význam. Protože rovina usazení raketových motorů je shodná s rovinou motorů centrálního stupně, je podélná osa odchýlená od směru vektoru tahu o úhel tři a půl stupně. Protože směr síly neprochází těžištěm bloku, vznikne kroutivý moment. Jeho účinek se projeví v okamžiku, kdy se rozpojí spodní spojení „mrkve“ s centrálním blokem. Boční blok se svou spodní částí začne vzdalovat od centrálního stupně, ale nahoře je stále zachycen.

Celá operace oddělení prvních stupňů začíná povelem na snížení tahu motorů na 75 %. Následuje rozpojení spodního úchytu pyrotechnikou (obr. 5), takže se stupně začnou otáčet kolem horního bodu uchycení. Vzápětí se motory vypnou úplně, tah rychle klesá a blok začne zaostávat za centrálním stupněm, jehož motor pracuje naplno.

Spodní upevnění bočních bloků k centrálnímu stupni.

Tady začíná rozdělení. Kulové zakončení bloku, které dosud tlačilo do kulového závěsu, z něj vyklouzne dolů a celý blok je volný. Z vnitřku kulového zakončení vysune pružina dřík (obr. 7), kterému v tom předtím bránilo kulové lože (obr. 6), o něž se zakončení opíralo. Na dříku je umístěno čidlo, jež na tento pohyb reaguje. Jakmile se posune o 5 milimetrů, vyšle signál, který je povelem k otevření speciálních ventilů v horní polovině bloků.

Kulové zakončení na špičce bočního bloku se středovým čidlem pohybu při vysunutí z kulového lože.

Uvnitř bloků jsou palivové nádrže na kapalný kyslík a kerosen. Ty jsou pod tlakem plynu, kterým jsou nádrže naplněné. Při rozdělení se na povel otevře ventil, jímž plyn začne unikat ven. Nejprve se otevře ventil kyslíkové nádrže ve špičce „mrkve“ a po něm druhý blíže k polovině bloku v nádrži s kerosenem. Vznikne reaktivní síla, která horní část bloku od centrálního stupně odstrčí a celý blok roztočí kolem příčné osy.

Co způsobilo havárii

Komise pro mimořádné události zjistila, že příčinou havárie bylo nestandardní oddělení jednoho ze čtyř bloků prvního stupně rakety. Při podrobném zkoumání kusů rakety po jejich dopadu na zem se přišlo na to, že se dřík s čidlem oddělení z kulového zakončení bloku D nevysunul, protože byl ohnutý. I když je dřík dlouhý jen 6 mm a jeho odchýlení od osy bylo 6 a tři čtvrtě úhlového stupně, pružina nestačila překonat tření a dřík zůstal zasunutý. Následkem toho čidlo nevydalo signál o vysunutí bloku ze závěsu a nebyl vydán povel k otevření ventilů z palivových nádrží centrálního stupně. Následkem toho blok neodlétl na stranu jako zbylé tři bloky. Posouval se horním koncem po povrchu centrálního stupně, který v určitém okamžiku prorazil (obr. 3). Raketa se vychýlila nad povolenou mez, což byl důvod ke spuštění programu havarijní záchrany kosmické lodě.

Dřík se ohnul patrně při kompletaci rakety v montážní hale na kosmodromu Bajkonur. Bloky prvního a druhého stupně se spojují do jednoho celku v horizontální poloze. Blok o hmotnosti 3,8 tuny je přitom zavěšen na jeřábu a musí se přisunout ve správné poloze přesně na místo. I když operace není sama o sobě složitá, její bezchybné provedení vyžaduje přesnost, opatrnost, zkušenost a sehranost celého týmu. Zjevně se při vkládání kulového zakončení s vysunutým dříkem do lože na centrálním stupni dřík neopatrnou manipulací ohnul a nadměrnou silou byl zatlačen dovnitř koule.

Kulové lože na plášti centrálního stupně.

Záběr kamery na centrální stupeň rakety Sojuz a nestandardně se oddělující boční blok.

Záchranný systém

Pro bezpečnost posádky je kosmická loď vybavena záchranným raketovým systémem. Jedním jeho prvkem je věžička umístěná na špičce rakety a vybavená motory na pevné palivo. V případě potřeby vzdálí celou kosmickou loď i s aerodynamickým krytem od havarované rakety.

Věžička je určena k zásahu během práce motorů prvního stupně a odděluje se tři sekundy před jejich vypnutím. Druhou část záchranného systému představují motorky umístěné pod aerodynamickým krytem kolem lodě s tryskami vyvedenými na vnější plášť (obr. 4). Tato část záchranného systému se v případě potřeby použije pro oddělení aerodynamického krytu.

Montáž aerodynamického krytu na loď Sojuz. Kroužkem jsou označeny výtokové otvory raket záchranného systému.

Kosmická loď Sojuz je sestavena ze tří modulů (přístrojové sekce, přistávací kabiny, v níž jsou křesla posádky, a orbitální sekce), které jsou spojeny v jeden celek s kabinou posádky uprostřed a přístrojovým modulem připojeným k nosné raketě.

V případě havárie proto nejdříve pyrotechnické nálože přeruší pevné spojení přistávacího modulu kosmické lodě s přístrojovou sekcí a vzápětí raketové motorky záchranného systému utrhnou obě zbývající části kosmické lodě i s aerodynamickým krytem od druhého stupně. Po dohoření motorků záchranného systému se přistávací modul s kosmonauty opět pyrotechnicky oddělí od orbitálního a „vypadne“ spodkem z aerodynamického krytu. Od této chvíle je kabina na balistické dráze. Nejprve ještě pokračuje v letu vzhůru po dobu, která závisí na rychlosti v okamžiku havárie. Po dosažení vrcholu dráhy začne kabina padat k zemi. Po tuto dobu je posádka ve stavu beztíže, který ukončí brzdění kabiny stoupajícím odporem atmosféry při sestupu. Přitom vzniká přetížení, jehož délka i velikost roste s výškou, z jaké kabina padá.

Kosmonauti v Sojuzu MS-10 byli vystaveni přetížení asi 7 g, jelikož oddělení bloků prvního stupně rakety Sojuz probíhá ve výšce kolem 40 km. Při normálním návratu z orbitálního letu, jehož dráha není balistická, ale pozvolnější, je posádka krátkodobě vystavena nejvýše čtyřnásobnému přetížení. Sestup je zakončen otevřením hlavního sestupového padáku 10 km nad zemí. Na něm se kabina snese na zem.

Jednotlivé akce záchranné operace probíhají automaticky bez zásahu člověka. Jsou řízeny palubním počítačem rakety i kosmické lodě. V případě letu Sojuzu MS-10 byl jejich průběh následující:

Za šest desetiletí používání technického řešení rakety Sojuz došlo k havárii a zničení rakety v desítkách případů. Příčiny byly různé, ale již před nasazením řady Sojuz vedly havárie k rozhodnutí vybavit raketu záchranným systémem. Koncept rakety i kosmické lodě Sojuz je starý několik desítek let, je však vyzrálý a ověřený praxí. Ve vztahu k bezpečnosti posádky nesází na „absolutní“ spolehlivost rakety, ale umožňuje záchranu posádky v každém okamžiku letu v podobě připravených bezpečnostních systémů a postupů.

Záchranný systém je vynikající. Zatím vždy, když to bylo zapotřebí, splnil svoji funkci. V roce 1975 zachránil dva ruské kosmonauty, když ve velké výšce došlo v raketě k havárii. Podruhé zasáhl v roce 1983 a zachránil další dvojčlennou posádku poté, co raketa začala hořet ještě před startem na odpalovací rampě. A nyní do třetice při letu Sojuzu MS-10.

Vliv na další používání raket Sojuz

Zjištěná chyba při montáži, která vedla k nehodě, je vadou provozní, nikoliv technologickou. Její odstranění nevyžaduje zásahy do konstrukce rakety nebo do postupů při výrobě jejích částí či materiálu. Vyžaduje ale opatření v přístupu pracovního personálu a v organizaci a kontrole práce. V tomto směru nejsou přijatá opatření příliš přesvědčivá. Je zarážející, že v nich není zmínka o kontrole kvality práce ani o tom, jak je možné, že si takové vady žádná kontrola nevšimla. Jediným oznámeným opatřením bylo namontování dalších videokamer, které monitorují montážní proces na kosmodromu Bajkonur.

Kvalita lidské práce je základním předpokladem pro úspěšné využívání techniky, a to nejen kosmické. Lidský faktor, organizace práce a výchova mladých profesionálů je v současné době pro ruskou kosmonautiku vážným problémem. Ruský kosmický program zažil od roku 2010 řadu havárií, jejichž příčinou byly mnohdy banální lidské chyby, které ukazují na vážné nedostatky kontroly kvality řemeslné práce vyžadující speciální profesní znalost, a další systémové problémy. Několikrát se stalo, že se stejná závada dokonce opakovala. I to ukazuje na slabiny v procesu důkladného vyšetření všech havárií a zapracování získaných zkušeností do předpisů pracovních a technologických postupů.

Za zmínku stojí, že stejná příčina, která předčasně ukončila let Sojuzu MS-10, zapříčinila ztrátu družice při nevydařeném startu rakety Sojuz-U z kosmodromu Bajkonur 26. března 1986. Pilotované ruské kosmonautice se však dosud podobné projevy ne zcela zodpovědného přístupu k náročné, i když osvědčené kosmické technice vyhýbaly. V dosavadní dvacetileté historii programu ISS se stalo poprvé, že raketa Sojuz selhala při letu posádky.

V průběhu následujícího měsíce po havárii se uskutečnily tři starty rakety Sojuz, při nichž byly na oběžnou dráhu úspěšně vyneseny družice i nákladní loď Progres. Po jejich bezchybném průběhu se agentury Roskosmos i NASA rozhodly obnovit starty s lidskou posádkou. Půjde-li vše podle plánu, dostanou Ovčinin s Haguem v březnu druhou příležitost k cestě na ISS. Protože však Sojuz MS-12 má odstartovat krátce po uzávěrce tohoto čísla, zda oba muži spolu s kosmonautkou Christinou Kochovou doplnili posádku ISS, se můžete dočíst ve webové verzi tohoto článku.

Sojuz je v současné době jedinou raketou umožňující dopravu posádek na stanici ISS. Nové americké dopravní lodě Starliner a Dragon, jež staví společnosti Boeing a SpaceX, nebudou připraveny k letu s posádkou dříve než koncem roku 2019. Rakety i kosmické lodě Sojuz však budou do kosmu létat ještě pěknou řádku let.