В тот день, выехав на рулежную дорожку, Гагарин и Серегин уже рисковали — тренировочный полет организован с нарушением жестких летных инструкций. Наземный радиовысотомер оказался неисправен, контроль за высотой полетов осуществлялся по докладам экипажей. В группе руководства не работали и фотоприставки для съемки экранов индикаторов РЛС. Схемы радиолокационных проводок наносились на кальки по данным операторов, передаваемым планшетисту по средствам связи, что сильно снижало их точность и достоверность.
Учебный МиГ-15, построенный двенадцать лет назад, в 1956 году, прошел два капремонта, двигатель чинили четыре раза. На спарке установлены два подвесных топливных бака, ухудшавших аэродинамику машины.
Вылет разведчика погоды задержался и состоялся вместо 9.00 по плану в 9.50. Приземлился он в 10.18, то есть перед самым стартом Гагарина и Серегина. Летчикам сообщили, что нижний край облаков на высоте 900 м, тогда как на самом деле он оказался гораздо ниже — в пределах 400—500 м.
В тот день почти одновременно с гагаринской спаркой (ее позывной «625») в небо поднялась другая («614»), которая делала облет после ремонта. Но проходила ли она на пути в свою зону через зону Гагарина, осталось невыясненным, — по крайней мере могла пройти.
И это не все. Через минуту после взлета Гагарина и Серегина (в 10.20) поднялись в воздух два более скоростных самолета МиГ-21. Пробивая облачность (при наборе высоты), они обогнали спарку Гагарина и Серегина. Это является нарушением, поскольку возможно столкновение самолетов. Руководитель полета, разрешая паре самолетов МиГ-21 набор высоты до 5000 м, предостерег ведущего пары: «…справа по курсу от вас 625-й в наборе». В ответ услышал: «Вас понял. Я не вижу, здесь облачность…» В такой ситуации руководитель обязан прекратить полеты, однако этого не сделал.
В своей зоне Гагарин начал выполнять запланированные упражнения. Но инструктор, полковник Серегин, видимо оценив опасную обстановку (низкая облачность, присутствие в соседней зоне другого тренировочного самолета), сократил задание. Радиообменом зафиксирован интервал времени между докладами о начале и окончании выполнения задания 4 мин. 20 сек. В 10.25 экипаж 625-й сообщил, что занял в зоне высоту 4200 м. Следуя курсом 70, Гагарин выполнил подряд левый и правый виражи. В 10.30 доложил о завершении задания и запросил курс 320. Получив разрешение, на снижение, экипаж приступил к выполнению. Таким образом, вместо двадцати минут Гагарин работал только четыре.
В нарушение всех правил в воздушное пространство зоны, где находилась спарка, без предупреждения вторгся скоростной реактивный истребитель Су-11. Руководитель полетов об этом не предупрежден. Су-11 пронизал всю толщу воздуха снизу вверх — почти вертикально, причем промчался так близко от гагаринской спарки, что на экране локатора отметки от обоих самолетов в какой-то момент слились.
В условиях сильной облачности спарка Гагарина и Серегина, задев несколько верхушек деревьев, врезалась в землю в трех километрах от деревни Новоселово. УТИ МиГ-15 очень надежен в управлении, а сваливание его в штопор всегда сопровождается предупредительной тряской; поэтому только какое-то неожиданное обстоятельство могло привести к неблагоприятному развитию событий.
Руководитель полетов, судя по кальке радиолокационной проводки, повел Су-11, принимая его за самолет Гагарина. Об этом свидетельствуют два факта. Во-первых, Гагарин запрашивал курс 320 градусов, а тот, кого в это время вела земля, шел по курсу 220 градусов. Во-вторых, руководитель полетов следил за мнимым самолетом Гагарина до 10.43. Комиссия установила, что катастрофа произошла в 10.31 — на 12 минут раньше. Неудивительно, что помощник руководителя в своем отчете писал: «На мои вызовы… полковник Гагарин не отвечал…» Ни Гагарин, ни Серегин уже не могли ответить — они погибли.
В расследовании катастрофы участвовали лучшие научные силы страны, институты, лаборатории, а также отдельные ученые, инженеры, летчики, космонавты.
К сожалению, на УТИ МиГ-15 еще не было «черного ящика» (система автоматической регистрации параметров полета — САРПП), что значительно осложнило работу государственной комиссии.
«Тщательно собрали все, что осталось от экипажа и самолета, — вспоминает доктор технических наук профессор Сергей Михайлович Белоцерковский. — Факт редчайший в мировой практике: когда были собраны элементы конструкции планера, силовой установки, агрегатов, систем управления и приборов, оказалось, что мы располагаем 95 процентами веса пустого самолета. Средний показатель для происходящих в мире катастроф — около 70 процентов. Было собрано и выложено по соответствующим местам на стенде-макете все остекление фонарей кабин — более тысячи осколков. Практически полностью удалось воспроизвести поверхность фонарей, что позволяло решить, было или не было столкновения с птицами, шарами и зондами, с другими самолетами».