מודל כישלונות בלתי-סבירים של מגביר-חלל בחישובי סיכון
מודל כישלונות בלתי-סבירים של מגביר-חלל בחישובי סיכון
קובץ: dow-uap-d48-report-september-1996.pdf סוכנות מקור: חיל האוויר האמריקני (AFSPC) / מכון Research Triangle Institute (RTI) טווח תאריכים: 10 בספטמבר 1996 מספר עמודים: 181 (נקראו עמודים 1-60 בפירוט מלא, יתר העמודים הם נספחים סטטיסטיים) עמודים בעלי משמעות גבוהה: 1-10, 16-30, 96-172 (נספח D עם היסטוריית שיגורים)
הערת מחקר: מסמך זה אינו דוח UAP (תופעות אוויריות בלתי-מזוהות). זהו דוח הנדסי-סטטיסטי מסווג-הפצה מוגבלת העוסק בניתוח סיכוני שיגור טילים וכלי-שיט לחלל, שהוכן עבור חיל האוויר האמריקני. הכותרת "DOW-UAP-D48" משקפת מערכת מספור פנימית של אוסף מסמכים, ואינה מייצגת קשר לתחקור תופעות בלתי-מזוהות.
תקציר רשמי (מ-war.gov)
הדוח מתאר את "Modeling of Unlikely Space-Booster Failures in Risk Calculations", ומתעד מצבי כישלון היסטוריים בשיגורים וממליץ על פעולות מתקנות באמצעות שיטות מידול חדשניות.
תקציר
דוח זה, שנכתב על ידי ג'יימס א. וורד ג'וניור ורוברט מ. מונטגומרי של מכון Research Triangle Institute (RTI), מציג מתודולוגיה מתמטית לניתוח כישלונות בלתי-סבירים של כלי-שיט לחלל וטילים. המסמך פותח עבור משרד מכונה בטיחות של חיל האוויר (AFSPC), ומשרת שני בסיסי שיגור עיקריים: בסיס Patrick AFB בפלורידה (כנף 45) ובסיס Vandenberg AFB בקליפורניה (כנף 30). מטרתו המרכזית של הדוח היא לשפר את תוכנית ניתוח הסיכונים DAMP (Facility DAMage and Personnel injury) על ידי כימות מדויק יותר של הכישלונות מסוג Mode-5, כלומר כישלונות שעלולים לגרום לכלי-שיט לחרוג בצורה קיצונית ממסלול הטיסה המתוכנן ולפגוע באוכלוסיות הנמצאות הרחק מציר הטיסה הרגיל.
מאמר מחקר
פתיחה
בשנת 1996, שנת קציר בתחום ביטחון השיגורים לחלל, ביצע מכון Research Triangle Institute מחקר מעמיק ומקיף לטובת פיקוד החלל של חיל האוויר האמריקני. החוזה מספר FO4703-91-C-0112, תת-משימה 10/95-77, הוביל לפיתוח כלים מתמטיים חדשניים לחיזוי סיכוני פגיעה בשל כישלון כלי-שיט לחלל. המסמך שולח ידיים לעבר שאלה ביטחונית מהותית: כיצד ניתן למדל ולכמת את הסיכון שנוצר על ידי אותם כישלונות נדירים, שבהם כלי-שיט יוצא מכלל שליטה ומועף לכיוון בלתי-צפוי, הרחק מציר הטיסה המיועד?
מבנה תוכנית הניתוח DAMP
תוכנית DAMP, שפותחה על ידי RTI, משמשת ככלי מרכזי לחישוב הסתברויות פגיעה ואומדן נפגעים אפשריים בעת שיגורי טילים. התוכנית מגדירה שישה מצבי תגובה אפשריים לכישלון כלי-שיט:
מצב 1 (Mode 1): פגיעת שרידים בסמיכות לנקודת השיגור, בדרך כלל כתוצאה מהפסקת דחף מוקדמת. מצב 2 (Mode 2): פגיעות בסמיכות לציר הטיסה, הנובעות מכישלונות מסוגים שונים בשלב הדחף. מצב 3 (Mode 3): התפרקות מהירה (Tumble) הגורמת לפגיעות סמוך לנקודת השיגור. מצב 4 (Mode 4): פגיעות לאורך ציר הטיסה המתוכנן, כתוצאה מכישלונות מאוחרים יחסית. מצב 5 (Mode 5): הכישלון הנדיר והמורכב ביותר, שבו הכלי סוטה בצורה קיצונית ומועף לכל כיוון אפשרי, לעיתים הרחק מאוד מציר הטיסה. מצב נורמלי: טיסה תקינה ללא אנומליה משמעותית.
לב המחקר מתמקד במצב 5, שהוא נדיר אמנם, אך אחראי לכמעט 90% מהסיכון הכולל לאנשים המצויים מחוץ לציר הטיסה הרגיל. זהו פרדוקס בטיחותי חשוב: כישלון בעל הסתברות נמוכה יוצר את רוב הסיכון לאוכלוסיות רחוקות.
הגדרה מתמטית של פונקציית צפיפות הפגיעה במצב 5
פונקציית צפיפות הפגיעה הראשית עבור מצב 5 מוגדרת כ:
f(R, phi) = [e^(Aphi) + B/R] / {2(T_b - T_p) * [(1/A)(e^(Api) - 1) + B*pi/R] * R * dR}
כאשר:
- R הוא מרחק נקודת הפגיעה מנקודת השיגור (במיילים)
- phi הוא הזווית (ברדיאנים) בין כיוון הטיסה הרגיל לכיוון הפגיעה
- A ו-B הם קבועי עיצוב (Shaping Constants) הנקבעים בניסוי ובשיטות סימולציה
- T_b ו-T_p הם גבולות הזמן שבהם מצב 5 יכול להתרחש
קבוע A שולט על קצב ירידת הצפיפות ככל שהזווית מציר הטיסה עולה, ולו ההשפעה הגדולה ביותר על תוצאות חישוב הסיכון. קבוע B משפיע על הקשר בין מרחק הפגיעה לצפיפות. המחקר הוכיח כי ערך A הוא קריטי לתוצאות, ואילו ערך B הוא בעל השפעה שולית בהרבה.
ניתוח הסתברויות כישלון
האטלס, הדלתא, והטיטן
המחקר ניתח נתוני שיגור היסטוריים עבור שלושה טילים עיקריים: Atlas, Delta, ו-Titan, תוך שימוש בגישה אמפירית המבוססת על נתוני טיסה אמיתיים. ניתוח מדגם של 1,186 שיגורים (532 של Atlas, 232 של Delta, 337 של Titan, ו-85 של Thor) הניב את ההסתברויות הבאות לכישלון כולל (Flight Phases 0-2, פילטר אקספוננציאלי F=0.98):
- Atlas: 3.1% (כ-1 מתוך 32 שיגורים)
- Delta: 1.3% (כ-1 מתוך 77 שיגורים)
- Titan: 6.4% (כ-1 מתוך 16 שיגורים)
מצב 4 הוא הדומיננטי ביותר בין כישלונות, ומהווה כ-86% מהכישלונות במערכות בשלות. מצב 5 מהווה כ-8% מהכישלונות, אך אחראי לחלק ניכר מהסיכון לאוכלוסיות רחוקות.
מגמה חשובה שנחשפה: אמינות Atlas ו-Delta משתפרת לאורך השנים (כישלונות אחרונים נדירים יותר), בעוד שאמינות Titan לא הראתה שיפור עקבי ברור, מה שמצביע על בעיות מבניות בתכנון או בתהליך הייצור שאינן נפתרות לחלוטין.
שיטות סינון הנתונים
בבחירת ערכי ההסתברות, נבחנו שלוש שיטות שקלול שונות:
- שקלול שווה (Equal Weighting): כל שיגור מהעבר שווה לשיגור נוכחי. שיטה זו מנוגדת להיגיון ואינה מתחשבת בשיפורי טכנולוגיה.
- שקלול ספירה (Index-Count): משקל הניתן בהתאם לתוצאות עדכניות יותר.
- שקלול אקספוננציאלי (Exponential Filter, F=0.98): השיטה המועדפת על RTI, שבה שיגורים אחרונים מקבלים משקל גבוה בצורה אקספוננציאלית. שיטה זו מאפשרת "זיכרון דועך" (Fading Memory) המשקף את השיפורים הטכנולוגיים לאורך זמן.
סימולציית כישלונות: גישת מונטה-קרלו
מאחר שנתונים אמפיריים על כישלוני מצב 5 הם נדירים ביותר, הצוות פיתח תוכנת סימולציה בשם RAFIP (Random-Attitude Failure Impact Point), כתובה בפורטרן (3,900 שורות קוד), המשתמשת בגישת מונטה-קרלו. התוכנה מדמה שני סוגי כישלונות עיקריים:
כישלון גישה אקראית (Random-Attitude Failure): כישלון שגורם לכלי-השיט לפנות בכיוון דחף אקראי לחלוטין. עבור כל סימולציה, נבחר כיוון דחף אקראי על פני כדור יחידה (Attitude Sphere), ומחושב מסלול הכלי עד לנקודת פגיעה. כל סיבוב של הסימולציה עבור כלי אחד כלל 270,000 עד 1,080,000 מסלולים.
כישלון סיבוב איטי (Slow-Turn Failure): כישלון שגורם למנוע להינעל בזווית קטנה מאפס (Near-Null Position), מה שגורם לכלי לפנות לאט ובצורה קבועה לכיוון שאינו מתוכנן. עבור Atlas IIAS, חושבו 10,000 נקודות פגיעה בכל זמן כישלון.
ממצא מפתיע: התפלגות נקודות הפגיעה עבור שני סוגי הכישלונות דומה מאוד, מה שמצביע שהתוצאה מבחינת הסיכון אינה תלויה כל כך בסוג הכישלון הספציפי אלא בהתנהגות הכלי לאחריו.
ממצאים עבור כלי-שיט ספציפיים
Atlas IIAS
עבור Atlas IIAS, הסימולציה הראתה כי ערך A האופטימלי נע בין 2.75 ל-3.45 (עבור B=1,000), בהתאם לסף ה-qalpha (לחץ-זווית התקפה) שמגדיר מתי הכלי מתפרק אווירודינמית. ההסתברות האבסולוטית של תגובת מצב 5 הוערכה ב-0.0025 (0.25%) עבור שלבי טיסה 0-2.
Delta-GEM
ניתוח Delta-GEM הניב ערכי A הנמוכים מעט מאלה של Atlas. ה-qalpha הגבוה יחסית של Delta גורם לשיעורי פירוק גבוהים יותר בשלבים המוקדמים של הכישלון.
Titan IV
Titan IV הציג מאפיינים שונים בשל מסת המנוע הגדולה שלו. ה-qalpha המותר (Not Breakup) עבור Titan/Centaur הוא 6,819 deg-lb/ft², ועבור Titan/IUS 17,000 deg-lb/ft². ערכי A האופטימליים עבור Titan נמצאו כגבוהים מאלה של Atlas.
LLV1
LLV1 (Lockheed Launch Vehicle 1) היה כלי שיגור חדש יחסית בעת הכתיבה, ולכן נעשה שימוש בקבועי עיצוב שמרניים יותר לחישובי הסיכון שלו.
תקריות היסטוריות מהנספח
הנספח D של הדוח מכיל היסטוריית שיגורים מפורטת ונרטיבים של כישלונות לאורך עשרות שנים. בין הדוגמאות המובאות כראיה לצורך במצב 5:
Atlas 8E, 24 בינואר 1961: אבד יציבות בשנייה 161, כ-30 שניות לאחר כיבוי מנוע הדחף. מנוע הסוסטיינר כובה בשנייה 248. נקודת הפגיעה הייתה 1,316 מיילים מטה-המסלול ו-215 מיילים ממנו בצד.
Atlas 145D (Mariner R-1), 22 ביולי 1962: בעיה בבקר הנחייה גרמה לסטייה מקסימלית של 60 מעלות ב-Yaw ו-28 מעלות ב-Pitch. הכלי נהרס על ידי ה-RSO בשנייה 293.5.
Atlas SLV-3 (GTA-9), 17 במאי 1966: איבוד שליטת Pitch בשנייה 121. הכלי יצא למסלול חריג ולאחר מכן התייצב בגישה חריגה.
Delta Intelsat III, 18 בספטמבר 1968: בשל כשל גירוסקופ, חלו תנודות Pitch לא-מרוסנות מהשנייה ה-20. הכלי פנה 270 מעלות למטה ואז 210 מעלות למעלה. השלב הראשון התפרק בשנייה 103.
Joust (Prospector), יוני 1991: כלי שיגור Castor IV-A עם מטען Prospector ביצע תמרון Pitch-Up קיצוני בגלל כישלון מבני בחצאית האחורית בשנייה T+14. הכלי עלול היה לפגוע הרחק מציר הטיסה אלמלא פעולת הרסה של קצין הבטיחות.
Red Tigress, 20 באוגוסט 1991: טיל סאונדינג שוגר מכרית 20 ב-Cape Canaveral, ובתוך שנייה-שתיים לאחר פינוי הכרית פנה 90 מעלות ימינה. הוא טס בכיוון זה עד להרסה בשנייה 23.3. שרידים נפלו כמייל-שניים מנקודת השיגור.
המלצות ומסקנות מרכזיות
על בסיס הניתוח הכמותי המקיף, הדוח הגיע למסקנות מרכזיות:
-
בחירת קבוע A: זהו הפרמטר הקריטי ביותר. עבור מערכות בשלות, ערך A=3.0 עם B=1,000 מהווה בסיס סביר. ערך A גבוה יותר מצמצם את הסיכון לאוכלוסיות רחוקות מציר הטיסה.
-
הסתברות מצב 5: עבור מערכות בשלות (F=0.993), שיעור מצב 5 הוא כ-7.9% מכלל הכישלונות. עבור מערכות נוזליות חדשות, השיעור עולה ל-15.3%.
-
כשליש מכישלוני Mode-3 ו-Mode-4 מסתיימים ב"גלגול תוך-כדי-דחף" (Thrusting Tumble), מגמה שעלתה בצורה הדרגתית בנתונים העדכניים יותר.
-
מסגרת לשיגורים עתידיים: RTI המליץ להשתמש בקבועים המחושבים בדוח זה לכל ניתוחי הסיכון עתידיים עבור כנף 45 (45 SW/SE), אלא אם יצביעו נתונים חדשים על שינוי מוצדק.
-
מגבלות מהותיות: הדוח מדגיש בכנות שהגישה הכמותית מלאת אי-ודאות. לא ניתן לקבוע "ערך נכון" בוודאות, וכל ניתוח תלוי בהנחות שנויות במחלוקת לגבי סף ה-qalpha, ה-Breakup, ודפוסי כישלון ספציפיים שלא ניתן לדמות.
משמעות ההיסטורית
הדוח נכתב בנקודת זמן מהותית בתולדות ביטחון השיגורים האמריקניים. ב-1996, תוכנית החלל האמריקנית עמדה בפני מעבר מטילים צבאיים מיושנים למשפחת כלי-שיט מודרניים. AFSPC ביקש להעמיק את יכולות ניתוח הסיכון לקראת שיגורים מסחריים ומדעיים נוספים. מתודולוגיית DAMP שפותחה על בסיס מחקר זה הפכה לכלי מרכזי בקביעת אזורי הגנה סביב אתרי שיגור ובתכנון שבילי טיסה בטוחים מעל שטחים מאוכלסים.
מבחינת ביטחון ציבורי, הדוח מוכיח שאפילו אם כישלון מסוג Mode-5 הוא נדיר (פחות מ-1% מסך הכישלונות), ניתוח הסיכון חייב להתחשב בו בשל ההשפעה הפוטנציאלית שלו. הסיכון ל"אזורי אזהרה" ול"אזורי סכנה" שנקבעים מסביב לאתרי שיגור תלוי ישירות בפרמטרים של מצב 5, ולפיכך בחירת ערכי A ו-B משפיעה ישירות על עוצמת ההגנה שמקבלים אזרחים מהכישלון הנדיר ביותר.
אנשים מרכזיים
| שם | תפקיד | ארגון |
|---|---|---|
| James A. Ward, Jr. | מחבר ראשי | Research Triangle Institute |
| Robert M. Montgomery | מחבר שותף | Research Triangle Institute |
| Martin Kinna | נציג מפקח | 30 SW/SEY, Vandenberg AFB |
| Louis J. Ullian, Jr. | נציג מפקח | 45 SW/SED, Patrick AFB |
מקומות
| מקום | תפקיד במסמך |
|---|---|
| Patrick AFB, פלורידה (FL 32925) | בסיס שיגור מזרחי, כנף 45 |
| Vandenberg AFB, קליפורניה (CA 93437) | בסיס שיגור מערבי, כנף 30 |
| Cape Canaveral, פלורידה | אתר שיגור ציבורי ראשי |
| Cocoa Beach, פלורידה | מיקום RTI (3000 N. Atlantic Ave) |
| Torrance, קליפורניה | מיקום ACTA Inc. (קבלן ראשי) |
תקריות כישלון מרכזיות
| תקרית | תאריך | כלי | תיאור קצר | עמודים |
|---|---|---|---|---|
| Atlas 8E | 24 בינואר 1961 | Atlas 8E | אובדן יציבות בשנייה 161, פגיעה 1,316 מיילים מחוץ למסלול | 3 |
| Titan M-4 | 6 באוקטובר 1961 | Titan | שגיאת bit בצבירת מהירות, פגיעה 86 מיילים קצרה מהמטרה | 3 |
| Atlas 145D (Mariner) | 22 ביולי 1962 | Atlas | בקר נחייה פגום, סטייה 60 מעלות Yaw, הרסה בשנייה 293 | 3 |
| Atlas SLV-3 (GTA-9) | 17 במאי 1966 | Atlas | כשל שליטת Pitch בשנייה 121, אובדן שליטה | 3 |
| Atlas 95F | 3 במאי 1968 | Atlas | תנועות Yaw ו-Pitch חריגות מהרגע הראשון, הרסה בגובה 14,000 רגל | 3-4 |
| Delta Intelsat III | 18 בספטמבר 1968 | Delta | כישלון גירוסקופ, תנודות Pitch קשות, פגיעה 12 מיילים מהמסלול | 4 |
| Delta Pioneer E | 27 באוגוסט 1969 | Delta | כישלון הידראוליקה לפני MECO, Yaw ו-Roll חמורים, הרסה בשנייה T+484 | 4 |
| Atlas 68E | 8 בדצמבר 1980 | Atlas | ירידת לחץ שמן, כיבוי מנוע, Yaw ו-Roll בלתי-נשלטים, Retrofire | 4 |
| Joust (Prospector) | יוני 1991 | Castor IV-A | Pitch-Up קיצוני בגלל כישלון מבני, תגובת Mode-5 מובהקת | 6 |
| Red Tigress | 20 באוגוסט 1991 | Sounding Rocket | סיבוב 90 מעלות ימינה מיד לאחר שיגור, הרסה בשנייה 23.3 | 6 |
ציטוטים בולטים
מהתקציר הרשמי: "Missile and space-vehicle performance histories contain many examples of failures that cause, or have the potential to cause, significant vehicle deviations from the intended flight line."
לגבי חשיבות מצב 5: "Hit probabilities computed by program DAMP for targets located more than two miles or so uprange from the pad or more than a few miles from the flight line, are due almost entirely to the Mode-5 impact-density function."
לגבי מגבלות ניתוח: "No matter what technique is employed, filtering is at best a compromise. The perfect filter would somehow down-weight to some extent or entirely those failures that have been 'fixed' or made less likely, without down-weighting those random failures with unknown causes."
מ-Booz Allen and Hamilton (מצוטט בדוח) לגבי כשלי עיצוב: "Finally, due to its nature, the engineering approach cannot account for undetected design flaws. (If these flaws were detected, and could be modeled, they would be corrected.) However, experience has shown that design flaws do cause failures in operational launch systems, and will likely do so in the future."
לגבי חד-שלישית מהכישלונות: "In recognition of this gradual increase, in future studies RTI will assume that approximately one-third of Mode-3 and Mode-4 failure responses end with a thrusting tumble."
מאמר זה נכתב בהתבסס על קריאה מלאה של עמודי הדוח הנגישים. המסמך הינו טכני-הנדסי בלבד ואינו קשור לתופעות בלתי-מזוהות (UAP). הכינוי "DOW-UAP-D48" הוא מספר סידורי פנימי של אוסף המסמכים ואינו מייצג תוכן של UAP.