В итоге еще на ранних этапах ракетостроения по заветам Циолковского Советский Союз не возлагал больших надежд на твердое топливо. Хотя в стране и велись разработки, в том числе твердотопливных боевых ракетных комплексов, они всегда сопровождались проблемами и кучей ошибок. Так, например, у ракеты РТ-1 был только один успешный пуск. Твердотопливные элементы (их называют шашками) сильно подвержены любому внешнему воздействию. Любое растрескивание, попадание пыли или влаги, нерасчетное давление может вызвать аварию. Кроме того, в ракете использовалось несколько плотно уложенных небольших шашек. Если бы между ними появился зазор, то и это привело бы к нестабильному горению и взрыву. Ракета РТ-2 оказалась более надежной, ее даже поставили на боевое дежурство. Правда, даже когда в сети электропитания были незначительные скачки напряжения, с дежурства РТ-2 на всякий случай снимали.
В США к твердому топливу относились куда более благосклонно. Самая массовая ракета заокеанских военных «Минитмен» использует в качестве горючего алюминий, а в качестве окислителя – перхлорат аммония. В камере сгорания вместо нескольких шашек размещается одна большая, а в ней – одно просверленное в виде звезды отверстие. Таким образом решалось сразу несколько проблем: во-первых, со стабильностью горения, а во-вторых – с контролем работы. Это было достижением британских химиков, которые смогли разработать материал, позволивший связывать взрывоопасные вещества и лепить из них большие шашки.
Хотя новая технология была на две головы выше предыдущих, все равно при использовании твердого топлива требовался особый контроль. Несоблюдение определенных мер при работе с твердым топливом послужило причиной катастрофы шаттла «Челленджер» в 1986 году. В назначенный день старта специалисты, отвечающие за боковые ускорители, отказались подписать допуск изделия на старт. Дело в том, что температура на улице была неестественно низкой для южного штата Флорида, а именно –6 °C. Химики не могли дать гарантий, что твердое топливо и системы ускорителя будут безопасны. Минимальная допустимая температура должна быть не ниже +11 °C. Перед этим событием запуск «Челленджера» несколько раз откладывался. Дальше переносить было уже очень дорого, да и сроки поджимали. Под нажимом специалисты по ускорителю сдались и дали добро на старт при температуре выше 0 °C, чтобы хотя бы лед и иней растаяли. Ближе к середине дня воздух прогрелся до +2 °C и была дана команда к старту.
Почти сразу что-то пошло не так. Из стыка между блоками правого ускорителя пошли клубы дыма неестественного серого цвета – видимо, горело то, что гореть не должно. Тем не менее достаточно быстро ситуация нормализовалась. Но когда шаттл пролетал самый сложный участок атмосферы, где на конструкцию оказывается самое сильное влияние воздуха, из ускорителя в области стыка пошло пламя. Оно прожгло корпус ускорителя и корпус соседнего бака с жидким водородом. Тот в свою очередь тоже стал гореть. Вся конструкция шаттла из-за появления боковой силы стала терять равновесие и крениться. В конце концов ускоритель отвалился от остальной части «Челленджера» и пробил бак с водородом. Произошел взрыв.
Лед и боковой ускоритель перед стартом. NASA
Причиной трагедии стало маленькое уплотнительное кольцо между блоками ускорителя. От холода оно сжалось, и появился зазор, который в свою очередь привел к прогоранию и последующим печальным событиям. Стоит отдельно упомянуть еще одну серьезную проблему. Дело в том, что от взрыва экипаж не погиб. Однако никакой аварийной системы спасения у астронавтов не было. Двигатели, которые еще работали, отбросили кувыркающуюся кабину с астронавтами. Шаттл продолжал падать, разрушаясь от потоков воздуха. Обломки и кабина с людьми рухнули в воду с высоты 20 км. Если бы у экипажа была возможность выбраться или у кабины был бы парашют, жертв можно было бы избежать.
Сроки, что стояли в графике полета шаттлов, которые руководители программы так боялись сбить, были сдвинуты почти на два года. За это время инженерами была разработана система спасения, но, как позже оказалась, спасти она могла далеко не всегда.
Вернемся к кислороду. Для любой химической реакции требуется два вещества. В качестве окислителя для костров, печей, газовых плит, оружия, двигателей внутреннего сгорания и т. д. издавна используется кислород, пусть и неосознанно. Правда, в воздухе это газ, а в ракете он должен быть жидким. Первая проблема – а как его добыть? В атмосфере его полно – 21 %. Берем воздух и охлаждаем его до –183 °C. Все остальное, что успело стать жидким при более высокой температуре, убираем, и у нас остается жидкий кислород.
В 1933 году пуск ракеты с индексом 26 оказался неудачным. При получении кислорода инженеры допустили охлаждение до более низкой температуры (–195 °C), из-за чего стал жидким не только кислород, но и остальные газы, в первую очередь молекулярный азот, который является достаточно инертным веществом и очень плохо вступает в химические реакции. Причем азота в атмосфере гораздо больше, чем кислорода. На жидком воздухе ракета полететь, разумеется, не захотела. Похожая история происходила и в более поздние времена. Так, во время третьей попытки выполнить испытательный пуск знаменитой ракеты-носителя Р-7 («Семёрки»), которая позже запустит первый в мире спутник, кислород тоже не был чистым, однако на этот раз по другой причине. Перед стартом осуществляется продувка двигателя азотом. Это позволяет инженерам быть уверенными, что в трубопроводах нет препятствий для движения топлива. Это было важно, так как в предыдущей попытке один из клапанов банально замерз. В нем образовалась ледяная пробка. Поток азота, если такие заторы образовались в двигателе, пробил бы их или дал информацию о наличии проблемы. Плохая продувка также не раз становилась причиной аварий ракет-носителей, но в предыдущем испытании такая проверка смогла обнаружить ошибку еще до печальных последствий.
После продувки инертный газ должен был полностью выйти и больше не поступать, но из-за неверно установленного клапана азот шел в двигатель, когда его запустили. Горючее вступать в химическую реакцию с кислородом при наличии азота не стало. Ракета-носитель осталась без движения на стартовом столе.
Если же кислород стал газом и на его пути появляется любое вещество, способное гореть, то последствия могут оказаться очень серьезными. Так, самая большая трагедия космодрома Плесецк произошла в 1980 году. Тогда ракета-носитель «Восток-2М» загорелась в процессе подготовки к старту. На самом деле при расследовании причин аварии было выдвинуто две версии. В одной из них, ставшей официальной, утверждается, что боевой расчет, который готовил ракету-носитель, обнаружил течь в трубопроводе с жидким кислородом. Чтобы устранить неисправность, один из солдат выбрал дедовский способ – обмотать место течи мокрой тканью. Холодный кислород быстро превращает воду в лед, который и не дает выходить кислороду дальше. С учетом того, что ледяные пробки ранее доставляли огромные проблемы в тех местах, где окислитель должен был проходить, это решение вполне разумное. Известны даже случаи, когда инженеры поступали так же. Вот только если кислород найдет лазейку и сможет в виде газа проходить сквозь заплатку, быть беде. В таком случае ткань станет фитилем для пламени.
Другая версия тоже связана с химической реакцией. В качестве топлива для турбины двигателя используется пероксид водорода. Он разлагается за счет каталитической реакции на кислород и воду, а кислород в свою очередь используется как окислитель для запуска ракетного двигателя. Для запуска такой реакции разложения перекиси водорода используется катализатор, в качестве которого можно использовать, например, свинец. Этот же материал часто используют в качестве припоя, но не в ракетной технике. Вторая версия аварии предполагает, что в одном из фильтров, которые используются для очищения топлива при заправке, чтобы в двигатель не попало ничего горючего, как раз был припой не из чистого олова, а более дешевый, со свинцом. В итоге началась химическая реакция с пероксидом водорода, а грязь на фильтре спровоцировала взрыв.
