DOW-UAP-D48, דו"ח חיל האוויר, 1996

זהו דו"ח הנדסי סופי מ-10 בספטמבר 1996 בשם "Modeling Unlikely Space-Booster Failures in Risk Calculations" (מידול כשלים בלתי סבירים של מאיצי חלל בחישובי סיכון), שכתב מכון המחקר Research Triangle Institute (RTI) עבור משרדי הבטיחות של כנף החלל ה-45 בבסיס פטריק שבפלורידה ושל כנף החלל ה-30 בבסיס ונדנברג שבקליפורניה. הדו"ח עוסק בשאלה כיצד לחשב את הסיכון לאוכלוסייה ולמתקנים מטילים ומאיצים שסוטים רחוק מקו הטיסה המתוכנן בעת כשל. אין בו שום אזכור של עב"מים או של תופעות אוויריות לא מזוהות: זהו מחקר על בטיחות שיגורים בטווחי החלל, ולא ברור מהמסמך עצמו מדוע נכלל בארכיון.

רקע

המחברים הם ג'יימס א. וורד הבן (James A. Ward, Jr.) ורוברט מ. מונטגומרי (Robert M. Montgomery) ממרכז טכנולוגיית התעופה והחלל של RTI, מחלקת בטיחות מערכות שיגור. העבודה נעשתה במסגרת חוזה FO4703-91-C-0112, כש-RTI בקקאו ביץ' שבפלורידה הייתה קבלן משנה של חברת ACTA בטורנס שבקליפורניה. אנשי הקשר מטעם חיל האוויר היו מרטין קינה (Martin Kinna) מכנף החלל ה-30 ולואיס ג'. אוליאן הבן (Louis J. Ullian, Jr.) מכנף החלל ה-45, שתיהן תחת פיקוד החלל של חיל האוויר (AFSPC). הדו"ח אינו מסווג, אך הפצתו הוגבלה לגופי ממשל אמריקניים ולקבלניהם.

הדו"ח בנוי סביב DAMP, תוכנת אב-טיפוס של RTI להערכת הסתברות לפגיעה ותוחלת נפגעים באזור השיגור, מפסולת, מלחץ יתר ומפסולת משנית (אש, חומרים רעילים וקרינה אינם מטופלים בה). התוכנה אינה ממדלת את הכשלים עצמם אלא את "התגובה לכשל", בשישה אופנים: חמישה של כשל ואחד של טיסה תקינה. האופן החמישי (Mode 5) הוא נושא הדו"ח: כשל נדיר שבו הכלי ממשיך לטוס ופונה הרחק מקו הטיסה, למשל מנוע שננעל במצב קבוע או פלטפורמת הנחיה שמכוונת לא נכון. לפי הדו"ח, כשלים כאלה נדירים בהרבה מכשלים שנופלים סמוך לקו הטיסה, אבל עיקר הסיכון למרכזי אוכלוסייה רחוקים, ובעיקר לאלה שמאחורי כן השיגור, נובע מהם.

מה כתוב במסמך

אחרי עמודי השער, טופס תיעוד סטנדרטי (Standard Form 298), תקציר ותוכן עניינים עם 40 איורים ו-46 טבלאות, הדו"ח מחולק לשמונה פרקים ולארבעה נספחים. הגדרת המשימה, כפי שהיא מצוטטת: לקבוע את הערכים הטובים ביותר להסתברות של כשל מאופן 5 ואת "קבועי העיצוב" של פונקציית צפיפות הפגיעה שלו. כתוצר לוואי פיתחו המחברים גם הסתברויות כשל מוחלטות לאטלס, לדלתא ולטיטאן, ולכלים חדשים כמו LLV1.

דוגמאות מההיסטוריה

הפרק השני מביא שמונה כשלים היסטוריים שאינם מתאימים לאף אחד מאופנים 1 עד 4. ביניהם אטלס 8E (24 בינואר 1961), שאיבד יציבות בכ-161 שניות ופגע 1,316 מייל במורד הטווח ו-215 מייל הצידה; טיטאן M-4 (6 באוקטובר 1961), שבו שגיאה של ביט אחד בצבירת המהירות הביאה לפגיעה 86 מייל לפני המטרה; אטלס 145D שנשא את מרינר R-1 (22 ביולי 1962), שבו משואת הנחיה פעלה לסירוגין ומשוואות ההנחיה היו שגויות, עד שקצין בטיחות הטווח (RSO) השמיד אותו ב-293.5 שניות; ודלתא שנשאה את אינטלסט III (18 בספטמבר 1968), שאיבדה ג'ירוסקופ קצב, ביצעה צלילה של כ-270 מעלות והתפרקה. נוספו שני מקרים מ-1991 בטווח המזרחי: Joust (פרוספקטור) ביוני 1991, שביצע "תמרון עלרוד קיצוני" בגלל כשל מבני בחצאית האחורית, ורקטת הגשש Red Tigress ב-20 באוגוסט 1991, שפנתה כמעט 90 מעלות ימינה מכן 20 בכף קנוורל והושמדה ב-23.3 שניות.

פונקציית הצפיפות והקבועים A ו-B

הפרק השלישי מסביר שפונקציית הצפיפות של אופן 5 מורכבת מחלק ראשי, התלוי בטווח ובכיוון מנקודת השיגור, ומחלק משני שמתאר את פיזור השברים בהתפרקות. לאחר צמצום נותרים שני קבועים, A ו-B. במשך שנים השתמשו בטווח המזרחי ב-A=2.5 וב-B=1000 בחישובי פגיעה בספינות, ולאחרונה A הועלה ל-3.0 כי כלים חדשים נוטים פחות לסטות. התוצאות רגישות הרבה יותר ל-A מאשר ל-B. בדוגמה של אטלס IIA, אופן 5 היה רק 12.5% מסך הסתברות הכשל בשתי הדקות הראשונות, אך אחראי לכ-90% מהסיכון לאנשים בתוך קווי גבול הפגיעה.

שיטה והסתברויות כשל

הפרק הרביעי משווה בין ניתוח רכיבים הנדסי לבין גישה אמפירית-סטטיסטית מתוצאות שיגור, ומצטט בהרחבה טיוטת דו"ח של Booz Allen & Hamilton מ-1992 ודו"ח של המשרד להערכת טכנולוגיה (Office of Technology Assessment) על חולשות הגישה ההנדסית: היא מתעלמת מטעויות ייצור, מתוכנה שגויה, מעייפות צוות, מברקים, מקורוזיה ומ"פגמי תכן שלא התגלו". RTI בחרה בגישה האמפירית בלבד, והודתה שגם היא אינה אובייקטיבית לגמרי.

בפרק החמישי נבחנו שיטות שקלול של רצף שיגורים, והועדף מסנן אקספוננציאלי, "מסנן בעל זיכרון דועך", עם קבוע F=0.98, אף שלפי הדו"ח "אין ערך 'נכון' ל-F" וכל ערך בין 0.97 ל-0.99 אפשרי. המדגם כלל 1,186 טיסות של אטלס, דלתא, טיטאן ות'ור (ת'ור מהטווח המזרחי בלבד). אצל אטלס ודלתא ההסתברות יורדת כשמדגישים נתונים חדשים, כלומר האמינות השתפרה; אצל טיטאן המגמה הפוכה. לחלוקה בין אופני התגובה נבחר F=0.993, ולפיו אופן 4 הוא כ-86% מהתגובות ואופן 5 כ-8%. עוד נמצא שכשליש מהתגובות מאופנים 3 ו-4 מסתיימות בסחרור תוך כדי דחף.

סימולציות לכל מאיץ

הפרק השישי, הארוך בדו"ח, קובע את A ו-B בסימולציה. תוכנת RAFIP של RTI, בפורטרן, בוחרת בשיטת מונטה קרלו כיוון דחף אקראי ומחשבת את המסלול עד כילוי דלק, פגיעה, הגעה למסלול או התפרקות אווירודינמית. התוצאות מחולקות לגזרות של 5 מעלות סביב קו הטיסה, ומותאמות לפונקציה התיאורטית. מאחר שעומס ההתפרקות של רוב הכלים לא היה ידוע, נבדקו שלושה ספים (5,000, 10,000 ו-20,000 מעלות-ליברה לרגל רבועה) ומקרה ללא התפרקות. לאטלס IIAS לבדו הורצו 1,080,000 מסלולים, ונמצא שסף ההתפרקות קובע במידה מכרעת את A. סעיפים נפרדים עוסקים בדלתא-GEM, בטיטאן IV וב-LLV1, ובסוף טבלה עם ערכים ממוצעים ל"כלים אחרים".

חישובי סיכון לשיגור יום של אטלס IIAS עם הלוויין Telstar-4 מכן 36A, ושל דלתא-GEM עם GPS-10 מכן 17A, הראו שהסיכון רגיש מאוד ל-A ולא רגיש ל-B. בדלתא הסיכון גדל פי יותר מ-20 אם הכלי עמיד עד סף של 20,000 במקום 5,000. בחישובי פגיעה בספינות, כשכל האופנים נכללו, ההבדלים בין זוגות קבועים שונים מאוד היו "כמעט בלתי מורגשים", כי אופן 4 שולט בסיכון ליד קו הטיסה.

המלצות וסיכום

הפרק השביעי מונה, "בסדר חשיבות", נושאים שלא נחקרו בגלל מגבלות מימון וזמן: תנאי התפרקות מדויקים יותר, התחשבות בגרר בנפילה החופשית, גזרות צרות יותר, ושימוש בנתוני טילים בדלק מוצק כמו Pershing, Polaris, Poseidon ו-Trident. הפרק השמיני מסכם את הדו"ח כולו. המסקנה המרכזית: עם הערכים החדשים, סיכוני אופן 5 באזור השיגור ירדו באטלס פי 3 עד 11 ובדלתא פי 4 עד 75, לפי תנאי ההתפרקות שמניחים.

נספחים A עד C

נספח A מתאר בלשון פשוטה את ששת אופני התגובה: החל בכלי שמתהפך או נופל על כן השיגור (1), דרך אובדן שליטה בהמראה (2) וכלי שלא מבצע את תוכנית ההטיה וממשיך אנכית (3), ועד טיסה תקינה שנקטעת ליד קו הטיסה (4), סטייה לכל כיוון בתוך יכולת הטווח (5) ונפילות רגילות של שלבים שנפרדו (6). אופן 5 הוא היחיד שמביא בחשבון גם כשל של מערכת השמדת הטיסה. נספח B ממחיש בטבלאות את השפעת הקבועים: למשל, עם A=3.0 כ-46% מהפגיעות נופלות בתוך 20 מעלות מקו הטיסה, ועם A=4.0 כ-64%. עם A=1 הפונקציה כמעט אחידה בכיוון, בדומה למודל GFDF של תוכנת LARA בטווח המערבי. נספח C מסביר את המסננים הסטטיסטיים בדוגמה של עשרה שיגורים שבהם נכשלו השני והרביעי.

נספח D - תולדות השיגורים והכשלים

כמחצית מהדו"ח היא נספח D: היסטוריית שיגורי אטלס, דלתא וטיטאן מהטווח המזרחי ומהטווח המערבי, ושל ת'ור מהטווח המזרחי בלבד. לכל משפחה יש רקע קצר, טבלת תצורות, גרף שיגורים לפי שנה, טבלת שיגורים ארוכה (שיגור אחר שיגור, עם תצורה, תאריך, מטען ותוצאה) ורשימת "תיאורי כשל". כל תיאור כשל בנוי באותה צורה: מזהה הטיל או המשימה, לעתים עם שם קוד, תאריך, אופן התגובה (1 עד 5 או NA, ולעתים סיומת T לסחרור), שלב הטיסה, ותיאור קצר של מה השתבש. המחברים מציינים "אי-התאמות רבות" בין המקורות: זמן מקומי מול זמן גריניץ', זיהוי התצורה, ולעתים שיגור שנחשב הצלחה במקור אחד וכשל באחר.

הרקע ההיסטורי כולל את מקור אטלס בטיל הבין-יבשתי של שנות ה-50 ושימושו בתוכניות Ranger, Surveyor, Mariner ו-Pioneer; את לידת דלתא ב-1959 בחוזה של NASA עם Douglas Aircraft, על בסיס ת'ור ו-Vanguard, ושיגורה הראשון עם Echo-I ב-13 במאי 1960; ואת טיטאן, שהחל ב-1955 בחוזה של חיל האוויר עם Martin, ותוכנית Titan IV שגדלה אחרי אסון צ'לנג'ר מעשרה ל-41 כלים. בין תיאורי הכשל: Mercury 3 (25 באפריל 1961), שהושמד אחרי 40 שניות בגלל ציפוי פלסטי על פיני מחבר; Ranger 3 (26 בינואר 1962), שחלף 22,000 מייל לפני הירח; FLTSATCOM F-6 (26 במרץ 1987), שנפגע מברק ב-48.4 שניות; שני כשלי Centaur ב-1991 וב-1992 מאותה סיבה, אוויר שקפא במשאבת המימן; וטיטאן מסחרי (14 במרץ 1990) שבו רתמת הפרדת המטען חווטה בטעות. רשימת ת'ור נפתחת בשיגור הראשון, 25 בינואר 1957, שבו הטיל התרומם 9 אינץ' ונפל חזרה, וכוללת את Transit 3A (30 בנובמבר 1960), שחלקים ממנו נפלו בקובה. הדו"ח מסתיים ברשימת מקורות.

פרטים בולטים

• לפי הדו"ח, אופן 5 היה 12.5% מהסתברות הכשל של אטלס IIA בשתי הדקות הראשונות, אבל אחראי לכ-90% מהסיכון לאנשים בתוך קווי גבול הפגיעה.
• כל 13 כשלי אופן 1 (נפילה על כן השיגור) במדגם המשולב היו בכלים בדלק נוזלי.
• בדלתא לא היה אף כשל של השלב השני ב-125 טיסות בתצורות המייצגות.
• לאטלס IIAS לבדו הורצו בסימולציה 1,080,000 מסלולי כשל.
• אטלס 106D (First Motion) ב-9 בספטמבר 1961: איבד חשמל 0.265 שניות אחרי ההמראה ונפל חזרה על הכן אחרי עלייה של כ-18 אינץ'.
• בשיגור Transit 3A ב-1960 הופסק השלב השני בידי קצין הבטיחות כדי למנוע מעבר מעל דרום אמריקה.
• המסקנה המרכזית: הערכים החדשים מורידים את סיכוני אופן 5 באזור השיגור של דלתא פי 4 עד 75.

מה לא נמצא במסמך

• אין במסמך שום אזכור של עב"מים או UAP, ואין בו השחרות.
• המשוואות, רוב הטבלאות והאיורים משובשים בסריקה, ולכן רק ערכים שמופיעים גם בטקסט הרץ נמסרים כאן. ערכי אטלס בטבלת הסיכום הם קריאה לא ודאית.
• יש פערים במספור העמודים בנספח D, ככל הנראה עמודי טבלה ארוכים שלא נסרקו או לא נקראו. הטופס מונה 180 עמודים, ונתוני האתר 181.
• כמה שמות קוד שבורים בסריקה, למשל "Jawhawk Jamboree" (כנראה Jayhawk, קריאה לא ודאית). ברשומת Transit 3B הפריגיאה גבוהה מהאפוגיאה, כנראה הפוכות במקור.
• סתירות פנימיות שהדו"ח אינו מיישב: ההפרש בסיכון בין שני זוגות קבועים מוצג פעם כ-12% ופעם ככ-10%; והתקציר אומר שהנספח מגיע עד אוגוסט 1996, ובנספח עצמו כתוב עד 1 בספטמבר 1996.

מונחים

• DAMP - "facility DAMage and Personnel injury", תוכנת RTI להערכת סיכוני שיגור באזור השיגור.
• RAFIP - "Random-Attitude Failure Impact Point", תוכנת הסימולציה של RTI לכשלים בכיוון אקראי.
• RSO - קצין בטיחות הטווח, המוסמך להשמיד כלי שסוטה.
• Mode 5 - אופן תגובה לכשל שבו הכלי עלול לפגוע בכל כיוון בתוך יכולת הטווח שלו.
• A ו-B - "קבועי העיצוב" של פונקציית צפיפות הפגיעה של אופן 5.
• LLV1 - כלי שיגור חדש באותה עת, שהדו"ח מחשב לו קבועים לצד אטלס, דלתא וטיטאן.
• AFSPC - פיקוד החלל של חיל האוויר.