Misja STS-93 promu Columbia wystartowała 23 lipca 1999 roku. Chociaż całość zakończyła się sukcesem, to start ten przeszedł do historii z powodu swojego bardzo dramatycznego początku. Potencjalnie kilkukrotnie otarto się o utratę załogi!

Aby jednak zrozumieć co się wtedy na stało, musimy sobie na początek opowiedzieć o RS-25, czyli głównych silnikach wahadłowców. W tej konstrukcji, podobnie jak w innych silnikach na paliwo ciekłe, tlen miesza się z paliwem w czymś co zwie się komorą spalania. Jest to taki rakietowy odpowiednik cylindrów znanych z samochodów którymi jeździmy na co dzień. Te dwie substancje, czyli w tym przypadku tlen i wodór, ulegają spaleniu w takiej komorze i z ogromną prędkością wydostają się z silnika poprzez dyszę – pod postacią gazów pędnych, które nadają rakiecie odrzutu.

Próba samobójcza silnika

Wcześniej jednak, zanim tlen dostanie się do komory spalania, musi on przejść przez płytę wtryskującą (injector plate), która składa się z wielu małych rurek (LOX posts) ułożonych niczym otwory w słuchawce prysznicowej. Taka technika pozwala na bezpieczne mieszanie się tlenu z paliwem, bez ryzyka dotarcia ognia do zaworów silnika. Te rurki jednak, jak się można domyślić, pracują w bardzo ekstremalnych warunkach i dlatego inżynierowie muszą regularnie kontrolować ich stan. Jeśli w trakcie inspekcji wykryto, że któraś z nich uległa znacznemu zużyciu lub wręcz awarii, wtedy zatykano ją tzw. złotym kołkiem (gold pin) by wyłączyć ją całkowicie z użycia. Takie zamykanie rurek niczym korkowanie wina pozwalało inżynierom na zabezpieczenie pojedynczego wylotu tlenu bez potrzeby wymiany całej płyty wtryskiwacza.

Silnik RS-25 mógł bez problemu działać z kilkoma takimi kołkami w płycie wtryskującej. W trakcie startu misji STS-93 wahadłowiec Columbia też posiadał już jedną taką blokadę i znajdowała się ona w prawym silniku promu. Niestety, ów kołek musiał być albo źle zamontowany, albo obluzował się w trakcie wcześniejszego startu, gdyż wypadł on w trakcie odpalania RS-25. Gazy wylotowe wypchnęły go z komory spalania niczym pocisk, który z ogromną prędkością trafił w dyszę silnika.

I tu ważna rzecz. Dysze silników RS-25 to nie jest zwykły wygięty kawał blachy jakby się mogło wydawać. To 1080 pionowych, zespawanych, nierdzewnych przewodów, które transportują ciekły wodór. Celem tej konstrukcji jest chłodzenie dyszy za pomocą wodoru, który to przy okazji podgrzewa się przed dotarciem do komory spalania. Z analiz naukowców wynikało, że wystarczyłoby aby 5 sąsiednich przewodów w dyszy uległo uszkodzeniu, żeby dany jej fragment nie był chłodzony wystarczająco, co w rezultacie doprowadziłoby to krytycznej awarii silnika i w konsekwencji utraty wahadłowca oraz załogi.

Podczas startu STS-93 wylatujący złoty kołek uszkodził na szczęście tylko trzy przewody. Płyta wtryskująca też poradziła sobie bez kołka, mimo, że powinien być on w niej zamontowany. Było to ogromny łut szczęścia dla NASA. W najgorszym wypadku mogło bowiem dojść do stopienia się tego fragmentu silnika i kolejnego scenariusza, który kończyłby się utratą wahadłowca oraz załogi.

Wciąż jednak istniał problem z dyszą i wyciekającym paliwem. Z powodu uszkodzonych przewodów spadła ilość wodoru dostarczanego do komory spalania i efektem tego był spadek mocy silnika. Od razu wykrył to komputer sterujący tą jednostką i automatycznie odkręcił bardziej zawór z tlenem, by wyrównać jej moc. Zasada jest taka, że większa ilość utleniacza w komorze spalania powoduje efektywniejsze spalanie wodoru, podobnie jak powolne dmuchanie w ognisko bardziej je rozpala. Tak czy inaczej w ten sposób udało się przywrócić moc w prawym silniku wahadłowca, ale kosztem znacznie większego zużycia tlenu.

Jazda bez trzymanki

Co ciekawe, z początku nikt z kontroli lotów nie przywiązał większej uwagi do tego problemu z głównym silnikiem wahadłowca. Mimo wszystko pracował dalej on w marginesach bezpieczeństwa. Istniał za to inny, dużo bardziej palący problem. Kontrolerzy lotu z przerażeniem obserwowali bowiem, jak wskaźniki ciśnienia hydraulicznego prawego boostera na paliwo stałe wskazują okrągłe zero paskali. Dlaczego to było niebezpieczne? Dlatego, że taka sytuacja oznaczałaby całkowity brak możliwości sterowania dyszą boostera przez komputer pokładowy wahadłowca.

To tak jakbyście jechali autostradą, ale tuż przed zakrętem okazało się, że jedno z waszych skrętnych kół nie reaguje w ogóle na manewry kierownicą. W przypadku wahadłowców tak uszkodzony booster stanowiłby zagrożenie dla całej misji i w najgorszym wypadku mógłby nawet ściągnąć pojazd nad tereny zamieszkane. Ponownie istniało ryzyko utraty wahadłowca, załogi, a może nawet i jakiejś części mieszkańców Florydy.

Na szczęście okazało się, że wskazania z prawego boostera były jedynie efektem chwilowego zwarcia. Po chwili wyniki czujnika wróciły do normy. Kontrolerzy lotu mogli się teraz skupić na głównych silnikach promu i zastanowić, co jest przyczyną tamtejszego problemu.

Dalsza seria niefortunnych awarii

Wiedziano, że proporcje mieszanki w komorze paliwa są nietypowe, ale telemetria nie pozwalała od razu wywnioskować czy winne jest uszkodzenie dyszy, awaria zaworów czy problem z turbopompami. Faktem jednak było, że gdyby lot w takim stanie trwał dalej i zużycie utleniacza by nie zmalało, to wahadłowiec nie dotarłby na właściwą orbitę. Z powodu wyczerpania zapasów tlenu zabrakłoby mu około 61 m/s do docelowej prędkości. Wtedy, podczas misji STS-93, w ładowni promu Columbia znajdował się kosmiczny teleskop Chandra. Nie mógłby on pracować poprawnie będąc na złej orbicie, a jego czas działania mocno by skrócił. Dlatego właśnie tak istotne było, by Columbia dotarła z swoim ładunkiem na zaplanowaną orbitę.

Jakkolwiek to brzmi, to na całe szczęście nie był to koniec serii awarii. Ogniwo paliwowe, które wytwarza prąd z kontrolowanej reakcji tlenu i wodoru, przestało nagle działać. Alarm włączył jeden z czujników badający stężenie wodorotlenku potasu w ogniwie. Inżynierowie mieli wtedy poważne powody, by myśleć, że reakcja tlenu i wodoru wymyka się spod kontroli i za chwilę nastąpi wybuch. A wiadomo co by to oznaczało. Utratę wahadłowca i załogi.

Dopiero po zakończeniu misji odkryto, że to wcale nie był problem z ogniwem. Alarm został włączony, bo czujnik, który go aktywował był podpięty do magistrali na której nastąpiło zwarcie. Źródłem zwarcia był z kolei konwerter prądu stałego na zmienny. Idąc w nitce do kłębka można by zapytać co wywołało to zwarcie? Jak późniejsze śledztwo wykazało, wszystkiemu winna była jedna śrubka.

W trakcie misji STS-93 wahadłowiec Columbia miał już z 20 lat. Odbył wiele misji i wiele części zdążyło zaprawić się w boju. To było jednak za dużo dla jednego z kabli, który w trakcie dwóch dekad lotów zdążył się zwyczajnie przetrzeć. Dokładniej mówiąc przetarł się on o śrubkę z wyszczerbioną główką. Bo niestety, albo jak się później okaże stety, ktoś kto montował prom Columbia użył zbyt dużej siły przy jej przykręcaniu i wyszczerbił górną cześć tego wkręta. Później śrubka przetarła zadziorem kabelek, a ten w trakcie startu wahadłowca doprowadził do zwarcia w konwerterze prądu. Samo zwarcie było jednak tylko chwilowym zjawiskiem. I chociaż ogniwo prądowe wróciło od razu do normalnej pracy to zanik zasilania na magistrali miał też jeszcze inny skutek uboczny.

Komputery tracą głowę

Krótko mówiąc, przerwa w zasilaniu źle wpłynęła na komputery sterujące głównymi silnikami wahadłowca. Wahadłowiec ma trzy takie silniki, a każdy z nich dwa komputery sterujące: główny i zapasowy. Łącznie jest więc sześć komputerów, które są odpowiedzialne za działanie wszystkich RS-25 w wahadłowcach. Po awarii zasilania przestały jednak działać dwa z nich. Padł zapasowy komputer prawego silnika oraz główny komputer silnika środkowego. Dla prawego silnika to zdarzenie nie miało aktualnie większego znaczenia, poza utratą redundancji, bo jego główny komputer dalej działał. Gorzej było z centralnym silnikiem, który po awarii głównego komputera musiał przejść na egzemplarz zapasowy.

Teoretycznie takie przepięcie jednostek nie powinno być problemem, ale praktyka okazała się inna. Każdy komputer sterujący silnikami był podłączony do swojego czujnika ciśnienia wewnątrz komory spalania. Dzięki temu taki komputer wiedział, jak silnik pracuje oraz czy i o ile należy zmienić jego ciąg. I dopóki oba komputery działały poprawnie, dopóty ten główny mógł brać pomiary z obu czujników i wyliczać z nich średnią w celu rekompensaty ewentualnych błędów pomiaru. Gdy jednak komputer główny został utracony, to zapasowy komputer tracił też dostęp do jednego z czujników i informacje o ciśnieniu w komorze spalania brał tylko z własnych pomiarów. Ktoś kto projektował te rozwiązanie raczej nie popisał się zbytnio wyobraźnią, bo nie przewidział, że w razie problemów z drugim czujnikiem ciśnienia komputer zapasowy będzie posługiwał się złymi danymi. Albo przewidział i zlekceważył.

Nagły zwrot akcji

Taka czy owak dokładnie taki czarny scenariusz rozegrał się podczas startu misji STS-93, tzn. czujnik zapasowego komputera centralnego silnika nie dział prawidłowo. O dziwo jednak finalnie ten problem wyszedł całej misji na dobre. Jak to możliwe? Okazuje się, że ten źle działający czujnik pozwolił wahadłowcowi oszczędzić tlen i dolecieć na właściwą orbitę!

Błąd pomiaru był bardzo mały, zaledwie 0.8 bara powyżej rzeczywistego, ale sugerował zbyt dużą moc centralnego silnika. Ta mała różnica wystarczyła jednak, by komputer sterujący RS-25 zdecydował o zmniejszenie ciągu poprzez ograniczenie ilości tlenu dostarczanego do komory spalania. I ci, co uważnie czytali poprzednie akapity, mogą już dojrzeć dokąd to zmierza. Redukcja tlenu była bowiem na tyle wielka, że pozwoliła na skompensowanie nadmiernego zużycia tego składnika w prawym silniku. Nastąpiła dzięki temu niesamowita, przypadkowa równowaga, która ocaliła teleskop Chandra.

Dzięki niezwykłemu przypadkowi, jednoczesnej awarii dwóch silników, gdzie jedno uszkodzenie niwelowało skutki drugiego, Columbii prawie starczyło tlenu i wodoru na dotarcie do właściwej orbity. Silniki wyłączyły się zaledwie 0.15s przed planowanym odcięciem, a do docelowej prędkości zabrakło jedynie 4.27m/s. Na szczęście tę różnice teleskop Chandra mógł zniwelować sam za pomocą własnych silników.

I ktoś mógłby teraz zapytać czy gdyby wahadłowiec trafił na złą orbitę, to czy lot nie mógłby być zostać przerwany, a Chandra wysłana ponownie? Niestety ten teleskop był bardzo delikatnym urządzeniem, a jego konstrukcja nie przewidywała procesu lądowania. Przed ponownym wysłaniem go w kosmos potrzebne by było całkowite rozkręcenie urządzenia i ponowne przetestowanie całości.

Na szczęście, w zupełnie nieoczekiwany sposób, zbyt mocno dokręcona śrubka uratowała kosmiczne obserwatorium. A załoga – trzeba przyznać – miała ogromnego farta, że ostatecznie nic nie wybuchło.