Разбираемся в поломке российского корабля, пристыкованного к МКС

На прошлой неделе российский корабль «Союз МС-22» с собственным именем «Константин Циолковский», пристыкованный к МКС, распылил вокруг целое облако теплоносителя. Жидкость била из пробоины несколько часов и последствия этой аварии, похоже, поменяют программу полетов на станцию и планы партнеров по МКС как минимум на несколько месяцев — сильнее, чем таинственная дырка в 2018 году или недавняя утечка в модуле «Звезда». В результате трое из семи членов экипажа станции оказались без обязательной спасательной шлюпки, и как эта ситуация разрешится, пока не ясно.

Кто виноват?

Что именно пробило борт «Союза» — неясно. Астроном Виктор Воропаев из Института прикладной математики имени Келдыша говорит, что это мог быть метеор из потока Геминиды.

Но с таким же успехом это может быть и космический мусор: например, обломок спутника «Космос-1408», который разнесли в клочья российские военные, испытывая противоспутниковое оружие. МКС дважды подряд — в июне и в октябре этого года — уклонялась от фрагментов погибшего в 2021 году аппарата. Однако системы контроля космического пространства отслеживают только крупные осколки размером больше 10 сантиметров — сейчас в каталоге их 25,9 тысячи. Но даже фрагменты размером в несколько миллиметров могут нанести космическим кораблям серьезный урон (читайте об этом подробнее в нашем материале «Мусорный пояс»). Что именно это было, можно будет понять, возможно, только изучив под микроскопом получившееся отверстие.

Куда попало?

Удар пока неизвестного объекта пришелся в наружный радиатор системы терморегуляции «Союза».

Жидкость, которая полетела из «Союза», — это изооктан, который на Земле используют в качестве эталона для оценки качества автомобильного бензина, поскольку его октановое число — 100. На российском корабле около 45 литров изооктана играют роль теплоносителя в одном из двух контуров системы терморегулирования — контуре навесных радиаторов, который собирает избыточное тепло от бортовой ЭВМ и другого оборудования в приборно-агрегатном отсеке.

Схема контура навесных радиаторов корабля «Союз»

Список сокращений: ПО — приборный отсек (заполнен азотом), ЦВМ101 — бортовой компьютер «Союза», ГЖА - газожидкостный агрегат (поддерживает температуру в приборном отсеке), ВО - вентиляторы, НХР — навесной холодильный радиатор, РРЖ - регулятор расхода жидкости через радиатор (когда он открыт, теплоноситель идет через радиатор и остывает, когда закрыт - идет в обход), ЭНА - электронасосный агрегат (перекачивает теплоноситель), ЖЖТ - жидкостно-жидкостный теплообменник для передачи тепла в другие контуры, КЖО - контур жилых отсеков, Зм АО - змеевик с теплоносителем в агрегатном отсеке (используется для поддержания теплового режима), 2К - компенсатор колебаний давления, Д13... Д16 - двигатели причаливания и ориентации в агрегатном отсеке

А что там еще могло быть? ↓

Тепло этот контур сбрасывает через наружный радиатор. Это металлическая пластина с трубочками, по которым течет теплоноситель и отдает тепло в открытый космос — в форме излучения. Трубки радиатора хорошо видно в нижней части корабля, которая обычно выкрашена белой светоотражающей краской.

Чертеж внешней части приборно-агрегатного отсека «Союза»

В середине видны опоясывающие корпус трубки радиаторов системы терморегуляции
D.R. Woods

Как только в трубке радиатора появилось отверстие (директор Роскосмоса говорит, что его диаметр не превышает 0,8 миллиметра), давление в нем упало, теплоноситель вскипел и начал испаряться в открытый космос — что хорошо видно на снимках и видео со станции.

Лишившись теплоносителя, весь контур наружных радиаторов работать не может — так что избыточное тепло от аппаратуры остается в приборно-агрегатном отсеке. Еще хуже то, что это нарушило работу второго контура терморегуляции «Союза» — контур жилых отсеков.

Он, как и первый, заполнен теплоносителем — в нем циркулирует около 18 литров жидкости «триол» — это нетоксичный водный раствор глицерина с антикоррозийными присадками, который не замерзает до 18 градусов ниже нуля (но в системе на всякий случай все равно предусмотрена возможность электроподогрева жидкости).

Этот контур поддерживает в спускаемом аппарате и бытовом отсеке корабля температуру в интервале от 18 до 25 градусов, а также обеспечивает тепловой режим двигателей причаливания и ориентации в приборно-агрегатном отсеке. Для сбора тепла в каждом из них есть по холодильно-сушильному агрегату. По сути это обыкновенные кондиционеры: вентиляторы, радиатор, конденсатор. Воздух отдает тепло и избыточную влагу в систему терморегуляции и возвращается в отсек.

Общая схема системы обеспечения терморегуляции «Союза»

БО — бытовой отсек, СА — спускаемый аппарат, ПАО - приборно-агрегатный отсек, ПО - приборный отсек, красный цвет — контур жилых отсеков (КЖО), темно-синий — контур навесных радиаторов (КНР), голубой - контур откачки конденсата (КОК), пунктирный голубой - контур водяного охлаждения (КВО, используется при приводнении корабля), ХСА — холодильно-сушильный агрегат, ГЖА - газожидкостный агрегат, ЭНА - электронасосный агрегат (перекачивает теплоноситель), ЖЖТ - жидкостно-жидкостный теплообменник для передачи тепла в другие контуры, БАВЭН - блок автоматического включения электронагревателей, ДПО — двигатели причаливания и ориентации
ЦПК имени Гагарина

Все собранное тепло контур жилых отсеков отдает контуру наружных радиаторов через теплообменник. Жидкости в нем не смешиваются и никак не контактируют, тепло передается через стенки труб — от триола к изооктану.

Контур жилых отсеков, вероятно, не пострадал. Но он стал бесполезным, потому что отдать тепло он может только в контур наружных радиаторов, в котором теплоносителя больше нет, и принять это тепло некому.

Можно починить?

Все это означает, что корабль лишился системы терморегуляции и в момент закрытия люков он станет термосом — никакого другого способа сбросить тепло у него нет. Нет у «Союза» и дублирующей системы терморегуляции.

Найти и заделать пробоину в теории можно, хотя это непростая задача. Людям придется выходить в открытый космос и добираться до дальнего конца «Союза», который, в отличие от МКС, мало приспособлен для перемещения по его внешней поверхности. Например, для внешнего осмотра «Союза МС-09», в котором в 2018 году появилась дырка, космонавтам пришлось использовать грузовую «Стрелу» и специальные площадки для работы человека.

Пока что место утечки осмотрели при помощи камер на американских манипуляторах SSRMS и SPDM и увидели, что следы течи находятся рядом с креплением для солнечной батареи.

Но даже если удастся добраться до пробоины и заделать ее, это будет только полдела. Восстановление работы системы терморегуляции будет намного сложнее. На борту станции нет изооктана. А если бы и был, то просто залить ее в систему через горловину (представим, что она есть), как на Земле, не получится. Нужно создавать герметичное соединение и закачивать жидкость насосом, который тоже нужно где-то раздобыть.

Вентиляция бытового отсека и спускаемого аппарата «Союза», когда корабль пристыкован к МКС

ЦПК имени Гагарина

Пока корабль пристыкован к МКС, за него можно не переживать — в нем, конечно, потеплеет, но часть избыточного тепла из отсеков будет уходить по трубе вентиляции в систему терморегуляции станции.

На нем можно лететь?

Можно ли отправляться на таком «Союзе» в автономный полет — неясно. Выход из строя системы терморегуляции входит в список нештатных ситуаций в руководстве экипажа, и в учебных пособиях для экипажей «Союзов» прямо сказано, что в случае такой нештатной ситуации «программа полета прекращается и осуществляется досрочный спуск с периодическим изменением ориентации корабля».

Есть еще требования к безопасности на МКС — одним из главных является присутствие корабля-спасательной шлюпки. Сейчас на борту станции семь человек — четверо прилетели на корабле Dragon Crew, он в порядке, а вот трое с «Союза», возможно, остались без корабля.

Государственная комиссия еще не решила, можно ли использовать российский корабль для полета. Если нет, то возможно придется готовить к срочному пуску следующий «Союз», «Союз МС-23», который уже на Байконуре, и чей пуск планировался на март. По заявлению «Роскосмоса», его подготовку к пуску можно закончить за 45 дней, если начать с момента аварии.

Этот «Союз» придется отправить к МКС в беспилотном режиме, чтобы там хватило места всему экипажу. И после этого придется перекраивать всю программу полетов и решать судьбу корабля, превратившегося в термос.