אסון הקולומביה: לקחים, משמעויות וסימני שאלה על עתיד תוכנית החלל האמריקאית

מתוך חוברת כנס “חלל ומדע בישראל 2006” שהתקיים לרגל מלאת שלוש שנים לאסון הקולומביה

טל ענבר, חוקר בכיר, מכון פישר למחקר אסטרטגי אוויר וחלל

משימת מעבורת החלל דיסקברי, המכונה STS-114 , הייתה המשימה הראשונה של מעבורת חלל מאז אסון מעבורת הקולומביה (STS-107) בראשון לפברואר 2003. משימת הדיסקברי הוגדרה מראש כמשימת ניסוי. משימה שנועדה לספק מידע על בעיות שונות במערכת הבידוד הטרמי של החללית, לבחון את השיפורים במערך העקיבה הצילומי אחר מעבורת החלל (מהקרקע, מהאוויר ומהחלל), לבחון בתנאי חלל הליכי תיקון שונים של מעטה הבידוד ולהעביר ציוד ואספקה אל תחנת החלל הבינלאומית.

במאמר זה אסקור את הסיבות לתקלה במעבורת החלל קולומביה שהביאה להתרסקותה ולאובדן צוותה, את תהליך הבדיקה והחקירה שבוצע ואת הלקחים הראשונים ממשימת STS-114, תוך בחינת ההיבטים הטכניים/הנדסיים של המבצע, השלכות תוצאותיו על עתיד תוכנית מעבורת החלל ותחנת החלל הבינלאומית, ועל נאס”א כולה.

מהי מעבורת החלל

מעבורת החלל היא חללית רב-פעמית, שפותחה בארה”ב החל משנת 1972, וטסה לראשונה לחלל בשנת 1981. כל מעבורת תוכננה ל-100 טיסות. המעבורת מורכבת משלושה חלקים עיקריים :

• חללית בעלת כנפיים המאפשרות דאייה בתהליך החזרה לכדור הארץ (Orbiter)
• מיכל דלק ענק המכיל מימן וחמצן נוזליים (ET – External Tank)
• שני מאיצים הפועלים בדלק מוצק. (SRB – Solid Rocket Booster)

כל מרכיבי מעבורת החלל צריכים לעבוד בתיאום מושלם, על מנת להשיג הצלחה במשימה. מעבורת החלל יכולה להגיע אל מסלול נמוך מסביב לכדור הארץ, לשגר לוויינים, להחזיר לוויינים מהחלל אל כדור הארץ, לתקן בחלל לוויינים ומערכות שונות, ולעגון בתחנת החלל הבינלאומית, אשר תלויה במעבורת לצורך העלאת המכלולים השונים, העברת ציוד, אספקה וצוותים.

בעת השיגור, פועלים שלושה מנועים המונעים במימן ובחמצן נוזלי ובנוסף מוצתים שני מאיצי העזר המכילים דלק מוצק. כשתי דקות לאחר ההמראה מכלים המאיצים את הדלק והם צונחים אל האוקיינוס, נאספים ומוחזרים לשימוש לאחר שיפוץ מקיף. מעבורת החלל ממשיכה בכוח מנועיה לטפס אל החלל ולאחר כשש דקות נוספות של טיסה מושלך גם מיכל הדלק אשר נישרף באטמוספירה ושבריו נופלים לים. מיכל הדלק הינו החלק היחיד במעבורת שאינו ניתן לשימוש חוזר.

משימה ממוצעת של מעבורת החלל נמשכת כשבועיים, במהלכם היא מקיפה את כדור הארץ בגובה נמוך באופן עצמאי או עוגנת בתחנת החלל הבינלאומית. בסיום משימתה, מפעילה המעבורת מנועים קטנים המאטים את מהירותה וגורמים לה לאבד גובה. ככל שגובה טיסתה פוחת והיא נכנסת אל האטמוספירה, עולה טמפרטורת האוויר סביב המעבורת ומגיעה לשיא של כ-1,800 מעלות צלסיוס.

בשלב זה פועלת המעבורת כדאון ענק, נטול מנגנון נעה עצמי, אשר טייסיה מכוונים אותה אל מסלול הנחיתה הנמצא בבסיס החלל קנדי או בבסיס חיל האוויר אדוארדס. לאחר נחיתת המעבורת, מתחיל שלב ארוך ומורכב של החזרתה לכשירות, הנמשך בין חצי שנה לשנה ואף יותר.

משימת STS-107

מעבורת החלל קולומביה היתה המעבורת הראשונה ששוגרה לחלל (אפריל 1981). מאחר ומעבורת זו היתה מוגבלת לנשיאת מטענים קלים יחסית, ולא השתתפה במשימת ההרכבה של תחנת החלל הבינלאומית, היא נבחרה לביצוע משימה מדעית, שכללה ביצוע ניסויים במגוון תחומים מדעיים שונים. בהם שני ניסויים שנעשו ביוזמה ישראלית: ניסוי MEIDEX (Mediterranean Israeli Dust Experiment) במסגרתו בוצעו תצפיות על האבק באטמוספירת המזרח-התיכון וניסוי “הגן הכימי” שבהכנתו השתתפו תלמידי חטיבת-ביניים מבית-הספר אורט קריית-מוצקין, אשר נועד לבחון התפתחות גבישים בתנאי חוסר-משקל.

ב-16 לינואר 2003 היא שוגרה קולומביה למשימת STS-107 המדעית, אשר נמשכה 16 יום. צוות המעבורת בן שבעת האסטרונאוטים כלל גם את אל”מ אילן רמון, טייס קרב בחיל האוויר והאסטרונאוט הראשון של מדינת ישראל.

משהושלמו הניסויים המדעיים החלה המעבורת בתהליך הכניסה לאטמוספרה על מנת לנחות במרכז החלל קנדי שבפלורידה. אלא שבשלב זה משהו השתבש: במהלך הכניסה לאטמוספירה מופעלים על המעבורות כוחות עצומים והיא חשופה לטמפרטורות גבוהות מאד כתוצאה מהכניסה לשכבות אויר דחוסות יותר ויותר במהירות גבוהה. מערכת הגנת החום של המעבורת מיועדת להגן על המעבורת מפני החום העצום הנוצר בשלב זה. אולם כאשר נכנסה הקולומביה לאטמוספירה משהו השתבש: בתחילה התקבלו חיוויים לא רגילים מחיישנים המצויים בכנף השמאלית של המעבורת, בתוך זמן קצר נותק הקשר עם המעבורת ואז החלו להתקבל דיווחים של עדי ראייה הטוענים שצפו במה שנראה כרסיסים המתפרקים ומתרחקים מהמעבורת בשלב כניסתה לאטמוספירה. במהרה התבררה האמת הנוראה: בעת שחלפה מעל טקסס בגובה של כ-70 ק”מ ובמהירות של כ-20 אלף קמ”ש, התפרקה הקולומביה ושרידיה התפזרו על שטח נרחב של מספר מדינות בארה”ב. שבעת אנשי צוות STS-107 נספו באסון.

ועדת החקירה לאסון קולומביה ( CAIB – Columbia Accident Investigation Board)

בעקבות האסון הוקמה בנאס”א ועדת חקירה שתפקידה היה לגלות את הסיבה לאובדן המעבורת. הוועדה הנפיקה דו”ח מסכם עב כרס, ומצאה את הסיבה הטכנית שהובלה לאסון קולומביה: פיסת קצף בידוד שנשרה ממיכל הדלק החיצוני 81 שניות לאחר השיגור, פגעה בחלק הקדמי של הכנף השמאלית ויצרה נקב או סדקים, שאיפשרו לאוויר הלוהט לחדור אל תוך המעבורת ולגרום לאובדנה.
לצד הגורם הטכני הישיר לתאונה, מצאה ועדת החקירה שורה של כשלים בסוכנות החלל האמריקנית, בהם: תרבות ארגונית לקויה, כשלים בדיווח בין הדרגים השונים ועוד. הוועדה העניקה לתרבות הארגונית של נאס”א משקל שווה לזה של התקלה הטכנית בניתוח הסיבות לאסון המעבורת.

ההמלצות העיקריות של הוועדה

המלצות הוועדה חולקו לשלוש קטגוריות מרכזיות. חזרה לטיסה: המלצות שאם לא ימולאו לא ניתן יהיה לחדש את טיסות צי מעבורות החלל. לא חזרה לטיסה: המלצות שיש למלאן, אולם ניתן לחדש את הטיסות גם בטרם ייושמו. עתיד המעבורת: המלצות ארוכות טווח, שיש למלאן על מנת להמשיך להשתמש במעבורות עד 2010.

בין ההמלצות ההכרחיות לחידוש הטיסות:

• מניעת נשירה קצף בידוד ממיכל הדלק.
• מדידה וקביעת החוזק המבני של רכיבי פחמן-פחמן במעבורת.
• שיפור עמידות המעבורת לפגיעות חיצוניות.
• הגדלת יכולת המעבורת לחזור בשלום לכדור הארץ גם במקרה שניזוקה קלות.
• שיפור תחזוקת כן השיגור והמערכות הקשורות בו.
• שיפור ניכר במערכת הצילום על מנת לספק לפחות שלוש זוויות צילום להערכת מצב המעבורת מרגע השיגור ועד הפרדת המאיצים המוצקים.
• התקנת מערכת שידור תמונות ברזולוציה גבוהה בזמן אמת מן החלל אל הקרקע.
• פיתוח ושימור יכולות הערכה המבוססות על בדיקות ומודלים מדעיים לשם בחינת נזקים אפשריים למעבורת החלל.
• שיפור נקודות העיגון של מעבורת החלל אל מיכל הדלק.
• פיתוח מערכת מתקדמת ביותר להערכת נזקים בחלל והתקנתה על הזרוע המכנית של מעבורת החלל.
• קביעת לוח זמנים ריאלי לטיסות מעבורת החלל.
• הטמעת תוכנית אימונים חדשה לצוות האסטרונאוטים, מרכז הבקרה ואנשי כן השיגור – לטיפול במקרי חירום.
• קביעת נהלי עבודה בין נאס”א לגופי המודיעין האמריקאיים לשם השגת תצלומי לוויין של מעבורת החלל בעת משימותיה.
• רה-ארגון במשרד האינטגרציה של מעבורת החלל.
• הקמת צוות בטיחות עצמאי ברמת תת-המערכות והמערכות של מעבורת החלל.
• בניית מאגר מידע שיאפשר שיפור ושידרוג עתידי של מעבורת החלל.

היערכות נאס”א למימוש ההמלצות

סוכנות החלל האמריקאית נערכה במהירות ליישום ההמלצות והעריכה כי בתוך שנה וחצי מאז אסון קולומביה, ניתן יהיה לחדש את שיגורי מעבורת לחלל. בפועל, מעקב הדוק של ועדת החקירה אחר יישום ההמלצות ועיכובים טכניים אחרים, האריכו את זמן ההתארגנות לשנתיים וחצי. בעיה הראויה לציון היתה קריאה לא נכונה של חיישן הדלק במיכל הדלק הראשי, שהביאה לביטול שיגור הדיסקברי פחות משעה לפני מועד ההמראה המתוכנן. בעיית החיישן לא נפתרה והנחיות הבטיחות הוגמשו על מנת לאפשר את שיגור המעבורת, אולם בעת הספירה לאחור, בטרם השיגור, התברר כי החיישנים תיפקדו כשורה ולכן לא היה צורך להתפשר על הוראות הבטיחות של נאס”א עצמה.

בסך הכל, הושקעו מעל 1.7 מיליארד דולר ביישום המלצות דו”ח החקירה לאסון קולומביה. נאס”א הגדירה שתי טיסות כטיסות ניסוי לבחינת המערכות החדשות שהותקנו במעבורת ומסביב לה, שלאחר השלמתן תימשך בניית תחנת החלל הבינלאומית. ראוי לציין כי ועדת החקירה מתחה ביקורת קשה על נאס”א שהגדירה את מעבורות החלל כמבצעיות במקום ככלים בשלב ניסוי. ועדת החקירה עמדה על כך שמעבורת החלל איננה ראויה לתואר “חללית מבצעית” אלא חללית ניסיונית בלבד.

יעדי משימת דיסקברי

משימת החלל STS-114 הוגדרה כמשימת ניסוי, לבחינת יכולות תיקון שונות בחלל. עיקרי המשימה:
• בחינת מערך העקיבה הקרקעית והאווירית אחר מעבורת החלל.
• בחינת מערכת מצלמות שהותקנו במקומות שונים על גבי מעבורת חלל.
• ביצוע ניסויים בהליכי תיקון שונים בתנאי חלל – ובהם תיקון אריחי בידוד פגומים.
• העברת אספקה חיונית אל תחנת החלל הבינלאומית וסילוק אשפה ממנה.

בעיות שהתגלו במהלך המשימה

במהלך משימתה של הדיסקברי התגלו מספר אירועים הקשורים במערכת ההגנה הטרמית של החללית:
• פיסות קטנות של אריחי בידוד קרמיים נשרו מאזורים שונים בגחון המעבורת.
• פיסה גדולה של קצף בידוד נשרה ממיכל הדלק החיצוני.
• שמיכות בידוד נתלשו מאזור החלונות של תא הצוות.
• משטחי בידוד המצויים בין אריחי בידוד בגחון המעבורת יצאו ממקומם ובלטו החוצה.

חלק ניכר מבעיות אלו זוהה בעזרת מערך המצלמות שהותקן במעבורת החלל ובעזרת צילום המעבורת מתוך תחנת החלל הבינלאומית. נשירת קצף הבידוד גרמה אכזבה מרה למהנדסי נאס”א ולוקהיד מארטין, הקבלן המייצר את מיכל הדלק. מאות מיליוני דולרים הושקעו על מנת להבין את הגורמים לנשירת הקצף שגרם לאסון קולומביה. נשירת פיסה גדולה של קצף בידוד מנקודה קרובה לנקודה ממנה נשרה הפיסה שפגעה בקולומביה, הייתה כישלון צורב במיוחד. למרבה המזל, גוש הקצף זה ניתק בחלל, ולא פגע במעבורת עצמה.

תיקון ראשון בחלל

לאחר בחינת המידע הצילומי של האזורים הפגועים במעטה הבידוד של מעבורת החלל, נקבע כי הקרעים בשמיכות הבידוד אינם מסכנים את חזרת המעבורת, אולם נקבע כי יש להוציא ממקומם את החלקים הבולטים מגחון המעבורת. תוכננה פרוצדורה חדשה לגמרי לתיקון הבעיה, כולל אלתור של מסור להסרת החלקים. אסטרונאוט חובר אל הזרוע המתמרנת של מעבורת החלל, והגיע אל החלק התחתון של גחון המעבורת – לראשונה אי פעם. התברר כי לא היה צורך בניסור לבציוע התיקון: האסטרונאוט שלף את שתי פיסות חומר הבידוד שבלטו החוצה, והחזירן למעבורת לבחינת הסיבות להשתחררותן.

נשירת קצף הבידוד מיכל הדלק הראשי גרמה לסערה על פני הקרקע, עוד לפני שובה של הדיסקברי. נאס”א הכריזה על קרקוע שתי המעבורות הנוספות שברשותה, אטלנטיס ואנדבור, עד לבירור הסיבה לנשירת הקצף ותיקון הליקויים. יש לציין כי מעבורת החלל אטלנטיס הייתה צפויה להמריא לחלל בספטמבר 2005, כחודש לאחר שובה של ה דיסקברי. בתולדות מעבורות החלל היו שלושה קרקועים בלבד: לאחר אסון צ'לנג'ר ב- 1986, לאחר אסון קולומביה ב-2003, ובעת משימת הדיסקברי ביולי/אוגוסט 2005.

דחיית השיגור הבא

לאחר נחיתת הדיסקברי נודע על דחיית שיגור אטלנטיס למרץ 2006. הדחייה נועדה לאפשר החזרת מיכל הדלק ליצרן (לוקהיד מארטין) על מנת שיפתור את בעיית נשירת קצף הבידוד. אלא שמתקן הייצור הנמצא בלואיזיאנה, נפגע על ידי סופת ההוריקאן “קתרינה” והשיגור יידחה קרוב לוודאי לסוף שנת 2006. בעיות חמורות בלוח הזמנים של שיגורי המעבורות שנותרו מטילות צל כבד על הסיכוי להשלים את בניית תחנת החלל הבינלאומית עד שנת 2010 – שנת הוצאת המעבורות משירות. קיימת אפשרות שלקראת 2010, יגבר הלחץ לאפשר חריגה של מספר שנים מעבר לתאריך זה, על מנת להשלים את בניית תחנת החלל הבינלאומית ולעמוד בהתחייבויות נאס”א כלפי המדינות השותפות לבניין התחנה. מובן שלהחלטה כזו יהיו השלכות בטיחות חמורות.

עתיד מעבורת החלל

בינואר 2005 הודיעה נאס”א כי החליטה לפתח דור חדש של משגרים וחלליות, המבוססים על טכנולוגיית מעבורת החלל , שיביאו לבסוף אסטרונאוטים אמריקניים לירח וישמשו אבן דרך למשימות מאוישות למאדים, על פי חזון בוש לחקר החלל . כרגע ניתן לשמוע קולות סותרים בארה”ב – יש הקוראים להארכת השימוש במעבורות החלל מעבר ל – 2010, ויש הקוראים לנצל את ההזדמנות בדחיית שיגור המעבורת הבאה לסוף 2006 ולהכריז על הפסקת השימוש במעבורות החלל כבר כעת.

אירופה, שהיא שותפה בכירה בתוכנית תחנת החלל הבינלאומית, מגלה מורת רוח רבה מהעיכובים בנאס”א, המעכבים את חיבור המכלול האירופי לתחנת החלל הבינלאומית. גם יפן אינה מרוצה מהמצב הנוכחי, אשר גורם לדחיית מועד השיגור של המכלול היפני לתחנת החלל, והיא החלה לבחון אפשרויות לשגרו באמצעות משגרים מתכלים מתוצרת רוסית.

להחלטה סופית על סיום תפקידן ההיסטורי של המעבורות בחקר החלל ממתינים גורמים רבים בעולם, שכן, דומה כי מדינות רבות ותוכניות חלל מגוונות נפגעות באופן ישיר מהעיכוב בלוח הטיסות של מעבורות החלל. יש לקוות, כי החלטה – לכל כיוון – תתבסס על נתונים טכניים והערכות בטיחות בלתי תלויות, ולא על רצון להמשיך ולהחזיק בסמל יוקרה יקר. יש להבין כי מעבורות החלל האמריקניות היו פורצות דרך בתחומים רבים, ושירתו את תוכנית החלל האמריקנית במשך יותר משני עשורים, אולם הגיע הזמן להתבונן ביושר בצי המעבורות שנבנו בטכנולוגיות של שנות השבעים – לומר להן “תודה” ולהעבירן למוזיאון – ולהמשיך הלאה עם כלים חדשים בני המאה העשרים ואחת.

קישורים מומלצים:
ועדת החקירה לאסון קולומביה
תוכנית מעבורת החלל, נאס”א
בחזרה לטיסה – באתר נאס”א