Взрыв ракеты Falcon 9 первого сентября – предполагаемая причина.

smoliarm — 12.10.2016 Сразу подчеркну – никаких официальных заключений об этом нет. И когда они будут (и будут ли) – неизвестно. Так что вся информация, что у меня есть – это то, что называется по-английски private communication, а по-русски это можно в данном случае назвать слухами. Однако картинка из этих слухов складывается вполне правдоподобная, и проверку расчётами – там, где я мог посчитать – выдерживает.

ПЕРВОЕ: что произошло? (что и где рвануло?)
–  по-видимому, лопнул и взорвался один из гелиевых COPV второй ступени.
COPV – composite overwrapped pressure vessel.
Русского эквивалента этому термину я не знаю (возможно, его и нет). А простыми словами – это газовый баллон высокого давления, только сделан он не из металла, а из метало-композита. Такие баллоны гораздо легче металлических, хотя и дороже, и могут выдерживать очень высокое давление (я видел COPV bottles под давлением 500 bar, а в Фальконе рабочее давление в COPV порядка 300-350).
Зачем они в ракете? – Ракетные двигатели жгут компоненты топлива с колоссальной скоростью, и баки опорожняются со скоростью порядка кубометров в секунду. Эту пустоту надо заполнить газом, иначе бак просто раздавит внешним давлением. Причём, поскольку скорость расхода топлива велика, то эту компенсацию нужно делать быстро, и нужен газ высокого давления (на самом деле, в баках надо ещё поддерживать небольшое избыточное давление – для нормального режима работы питающих турбин). А именно гелий – он здесь используется потому, что это самый легкий из негорючих газов. Если сравнить, например, с азотом – тот же объём гелия весит в семь раз меньше.
Ну, и уж чтоб конкретно ответить на вопрос «где» – гелиевые COPV на второй ступени расположены вдоль стенок, внутри кислородного бака.
Почему COPV помещают внутрь кислородного бака? Потому что там самая низкая температура, а по уравнению Клапейрона, снизив температуру, вы можете поместить больше газа – в тот же объём, при том же давлении.

Если кому интересно, как выглядят эти самые COPV - под спойлером несколько фото.


Вот примерно так, хотя это может и не фальконовские, а чьи-то другие :)


А эти - точно фалконовские, вид внутри бака второй ступени. Тёмные штуки, дае справа и одна слева - это и есть COPV.


А вот так он выглядит, когда лопнет. Но это его нарочно рванули, на испытаниях.


ВТОРОЕ: как произошло? (почему рвануло?)
Вот тут понадобится несколько научных терминов страшных слов из газовой физики и гидродинамики. Вообще-то, и гидродинамика сама по себе – страшное слово.

Отступление от темы про гидродинамику (лирическое)
Много-много лет назад мы ходили в байдарочный поход на майские праздники. В первый день похода сильно устали – встали утром на электричку в пять часов, таскать мешки с байдарками до реки пришлось не километр (как по описанию), а пять – паводком затопило все удобные места, а потом весь день то веслами махали, то таскали байдарки на обносах. Встали на ночлег уже в полной темноте – девушки очень хотели «тот остров с соснами», что в описании. В результате получили ночёвку на крохотном сухом пятачке в чахлом осиннике посреди болота. Поставили палатки и завалились спать, даже гитары не доставали – так умаялись. А в середине ночи одна девушка, Машенька, всех разбудила, потому что стала метаться и стонать во сне. Ей дали глотнуть чаю, и она затихла. А утром её спросили – что случилось?
– Мне приснился страшный сон, – сказала Машенька, – просто кошмар.
– Да мы уж догадались. Давай рассказывай – тогда не сбудется!
– Сбудется, – сказала Машенька и горько вздохнула, – через три недели...
– Да что ж такое тебе приснилось??
– Гидродинамика...
– А что именно про неё тебе приснилось-то?
– Ничего. – совсем грустно сказала Машенька, – Только само слово...

Да, а в моей байдарке тогда матросом плыл Пашка Васильев, которого ещё звали Бульдозер – за большую грузоподъёмность и несгибаемый характер. Кроме того, его длинный нос к прозвищу тоже хорошо подходил. Так вот, потом, в лодке этот Паша Бульдозер полдня ворчал – что баб в майские походы не надо брать вообще: мало того, что ночью спать не дают, так ещё с утра пораньше настроение портят. На весь день...

Теперь страшные слова.
Строго говоря, их немного, всего два, хотя первое из них – двойное: термоакустический резонанс. В английской литературе термин несколько иной – Taconis oscillation (соответственно, Taconis resonance), но и thermoacoustic resonance тоже в ходу.
Я не буду в деталях объяснять, что это такое. Во-первых, потому что большинство моих читателей об этом знать ничего не знают и – имеют на это полное право. А во-вторых, пятёрку на том экзамене я получил не совсем сам, а списал половину у упомянутой Машеньки.
А так – достаточно отметить несколько моментов:
*         Если у вас на кухне или в ванной когда-нибудь гудели краны – бинго! Вы его слышали, этот резонанс. (Отдельная просьба к знатокам: не надо мне напоминать, что это – гидроакустический резонанс. Спасибо, я знаю. Я даже знаю, чем этот резонанс отличается от термоакустического. Однако, ещё раз – я объясняю упрощённо и для тех, кто имеет полное право в эти детали не вникать).
*         В быту – на той же кухне – этот резонанс серьёзной проблемы не представляет, хотя звук иногда – действительно мерзкий.
*         Однако, если речь идет о криогенных жидкостях под большим давлением и с большим перепадом температур вдоль трубы – там резонанс приобретает огромную силу. Причем, его разрушительный эффект – он тем больше, чем меньше молекулярный вес жидкости.
*         Поэтому для жидкого гелия термоакустический резонанс даже имеет специальное название – helium hammer. И он действительно молоток – рвёт стальные сильфоны как бумагу – если имеет место несчастливое совпадение условий.

Да, но в Фальконе-то – там не жидкий гелий, там газ, хоть и охлаждённый и сжатый. А в газах эффект термоакустического резонанса не встречается. Во всяком случае, так скажет студент третьего курса с пятёркой по гидродинамике.
Но это, увы, не совсем так.
И тут понадобится другое страшное слово – supercritical fluid (по-русски – тоже сверхкритический флюид). Флюид – это промежуточное состояние между жидкостью и газом. В жидкостях объём наплевательски относится к давлению, жидкость почти несжимаема. Во флюиде это не так. Но с другой стороны, во флюиде – и объём, и давление – совершенно наплевательски относятся к уравнению Клапейрона, и естественно, в сторону несжимаемости. Поэтому во флюиде тоже встречается явление термоакустического резонанса.

Итак, в чем конкретно заключается этот слух (точнее, гипотеза – поскольку исходит от людей вполне грамотных) о причине аварии.
В начале заправки баков второй ступени, когда часть кислородного танка была уже заполнена переохлаждённым жидким кислородом (LOX), началась закачка охлаждённого гелия (газ) в COPV. При этом часть трубопровода была ещё тёплая, а другая часть уже находилась при температуре LOX – что даёт необходимый для резонанса перепад температур. И если (если!) при этом давления подачи хватило для перевода гелия в состояние флюида, а длина, диаметр и скорость потока – несчастливо совпали с параметрами резонанса – то этот резонанс и случился. Что моментально разрушило фланец или трубопровод. Давление в три сотни атм попало в кислородный бак – с понятными (и тоже моментальными) последствиями. Дальше - ва все видели сами.

Как химик, могу сюда добавить свои 10 центов: если SpaceX используют промышленный гелий (а это весьма возможно, он  самый дешёвый), то он содержит примерно процент примесей, в основном – азот и неон. А эти примеси становятся настоящими жидкостями, при тех условиях, когда гелий ещё не становится флюидом. Причём, эти жидкости будут скапливаться в самом низу баллона, у заправочного фланца, то есть именно там, где, по-видимому, и произошло разрушение.

ТРЕТЬЕ: что делать? (corrective action)
Если изложенная гипотеза верна, то это, в общем-то, хорошо для SpaceX. Потому, что в этом случае первопричина аварии («root cause») – не в конструкции ракеты и не в наземном оборудовании, и в них не нужно вносить изменения. То есть – ничего нового конструировать не нужно. И соответственно, вернуться к пускам можно относительно быстро. В данном случае первопричина заключена в SOPs – standard operating procedures, то есть, в стандартных процедурах и рабочих протоколах. Это примерно соответствует русскому термину Инструкция по Эксплуатации (но лишь примерно – американские SOPs гораздо более детальны и юридически однозначны).

То есть, для того, чтобы гарантировать НЕповторение подобных аварий в будущем – необходимо изменить рабочие режимы заправки ракеты. Естественно, после того, как эффект термоакустического резонанса будет промоделирован на конкретных баках на испытательных стендах (похоже, что именно такой set-up сейчас и собран в МакГрегоре).

Фактически, после того, как установлены *безопасные границы* по перепадам температур и давлений – конкретно для этой модели Фалькона – вполне достаточно двух мер:
*         Увеличить время отведённое  на заправку второй ступени;
*         Снизить давление подаваемого гелия в начальный период заправки.
Ну, и если подтвердится догадка о влиянии примесей в гелии на вероятность возникновения резонанса, можно добавить третий пункт – не надо жмотиться, а надо  покупать гелий подороже – он чище.

Но есть в этом сценарии и неприятный для SpaceX момент (как и у всякой монетки есть оборотная сторона). Если гипотеза с резонансом верна – то эта авария наглядно демонстрирует различие конструкторских подходов (можно сказать – концепции) SpaceX и *старой школы*. SpaceX  очень смело шагает по «нехоженым тропинкам» и легко и без оглядки использует новые (непроверенные) решения, и сплошь и рядом выбирает дешёвые варианты, просто потому, что они дешёвые. «Старички» – Ариан, Боинг, Локхид – действуют совсем по-другому: гораздо осторожнее, и они со спокойной душой выбирают дорогие варианты (иногда – просто потому, что они дорогие).

Я не хочу разбираться – что тут «хорошо», а что «плохо», или кто из них прав (это вопрос философский, в смысле – строго по Куприну :)

Но я хочу подчеркнуть, что две группы людей полагают подход SpaceX – недостатком:
*       Страховщики – они с полным на то основанием считают и будут считать, что подход SpaceX чреват подобными авариями и в будущем. Поэтому они будут держать страховые ставки на Фальконы выше, чем на Арианы или Атласы.
*       Некоторые заказчики, а конкретно те, что запускают самые дорогие или уникальные спутники (кстати, это и самые богатые заказчики) – они предпочитали и будут предпочитать ракеты «старой школы», поскольку гарантия успешного запуска для них важнее. Ну, или – они считают оправданными те лишние десятки миллионов, что они платят Ариану или ULA.
Поэтому – я говорил раньше – и повторяю снова: никакой серьёзной опасности для фирм Arianespace или ULA – ракеты Falcon пока не представляют. Во-первых, потому, что основными клиентами этих фирм являются те заказчики, для которых самое главное – это гарантия успеха. И они НЕ против заплатить за таковую гарантию лишние 40 миллионов. Если вы заплатили за спутник полмиллиарда – эти 40 млн НЕ лишние. А во-вторых, более высокие страховые ставки на пуски Фальконами – они существенно снижают разницу в конечной цене.
На данный момент у Ariane-5 – 74 запуска подряд без единой аварии, у ULA цепочка даже длиннее – более 90 пусков. И пока у SpaceX не будет сопоставимой цепочки безаварийных пусков (хотя бы полсотни) – никаких существенных изменений в обоих аспектах НЕ будет.

Поэтому я и относился с самого начала крайне скептически к конспирологическим гипотезам этой аварии – для диверсии просто нет мотива. Ну по крайней мере у ULA – никакого вреда от Фальконов им пока нет, а то, что у них уплыл один запуск GPS-III, и это в будущем – так им за это разрешили уже сейчас несколько дополнительных коммерческих пусков.  А что касается Ариана – так он просто большое спасибо должен сказать SpaceX: Еврокомиссия – наконец – разрешила слияние Airbus и Safran (Airbus Safran Launchers)
http://www.airbusafran-launchers.com/
Ещё два года назад они о таком и мечтать не могли. Более того, ESA выделила Ариану уж-не-помню-сколько миллионов – на расширение производства. И теперь они собираются выйти на уровень 10 запусков Ариана-5 в год. И всё – из-за SpaceX. Скажите мне, это плохо? По-моему, нет. Таким конкурентам надо не диверсии устраивать, а тортик купить. А для Гвин Шотвел – большой букет роз.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив