Previous Entry Share Next Entry
Взрыв ракеты Falcon 9 первого сентября – предполагаемая причина.
smoliarm
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.
[Фото COPV]

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.

Tags:

Posts from This Journal by “spacex” Tag

  • Как поднять акции своей компании на 20% за три дня

    Пошаговая инструкция для чайников Шаг ПЕРВЫЙ Сначала – в конце марте – вам следует организовать понижение кредитного рейтинга…

  • Раз в две недели

    Фото: Pauline Acalin Последние четыре месяца компания SpaceX держит средний темп 1 запуск каждые две недели. Эрик Бергер посвятил этому целую…

  • Мартовский подсчёт цыплят

    или «Когда Россия будет запускать больше, чем Илон Маск – вот тогда поговорим» В прошлом ноябре я делал уже подобную диаграмму,…


Airbus и Safran не сливались. Вот формулировка с сайта Сафран:

Airbus Group и Safran завершили создание Airbus Safran Launchers, совместного предприятия с равными долями участия, открыв, таким образом, новую главу в истории производства ракет-носителей. С 1 июля 2016 года данное совместное предприятие стало полностью интегрированной компанией международного уровня, насчитывающей приблизительно 8 400 сотрудников. 20 июля 2016 года Европейская комиссия разрешила приобретение компанией Airbus Safran Launchers доли Французского космического агентства CNES в программе Arianespace.

Соответственно разрешение Еврокомиссии нужно было для покупки французской доли.

По бакам - если бы они взорвались то это бы зафиксировали видео камеры находящиеся в баке.

>>Airbus и Safran не сливались...
- совершенно верно, я неточно выразился. Принимаю поправку.

>>По бакам - если бы они взорвались то это бы зафиксировали видео камеры находящиеся в баке.
- да, ну и что?

Рассуждения насчет старой и новой школы - в пользу бедных. У Falcon 9 это 29-й запуск, из них 2 неудачных. У Ariane-5 к 29-му запуску было 4 неудачных. При том, что Европейское космическое агенство имело к тому времени 20-летний опыт по ракетам-носителям...

Четкий аргумент. Но в принципе не опровергает доводы автора- если мне надо отправить девайс ценой в полмиллиарда, от которого зависит бизнес на миллиарды, то мне пофиг что было у Арианы к 29му пуску- мне главное вероятность успешного пуска сегодня.

интересно, спасибо

Интересный анализ

"лопнул и взорвался один из гелиевых COPV второй ступени."
Хорошо бы знать, сколько был запущено ракет с такими COPV и по такой схеме заправки.
Почему возник резонанс, почему он не проявился раньше?

Re: Интересный анализ

Когда во всем разберутся, напишут официально.

Версию разрыва баллона высокого давления можно исключить, от слова совсем - из-за технологии изготовления подобных баллонов.
Вот, к примеру, баллон вышибного заряда Шмеля. Изготавливается из стали ВП-30, толщина стенки 2,5 мм, рабочее давление 400 атм. 100% контроль давлением 700 атм. с последующим 100% контролем на магнитном дефектоскопе и определённое количество от каждой плавки давлением до разрушения - не менее 980 атм. Если хоть один не выдержит испытания производство останавливается до выяснения причин. И не было ни одного случая взрыва баллона на плече солдата.
Сомнительно, если контроль там был иначе.

Резонанс может привести к огромным выбросам давления. Никаких запасов не хватит.

Что это сулит мировому сообществу? Поделятся усовершенствованными технологиями, или зажмут под себя - как думаете?

А где вы видели, чтобы кто-то делился?

В этом мире не делятся, но приветствуют ЧЕСТНУЮ торговлю :)

(Deleted comment)
А можно уточнить - много кого?

(Deleted comment)
утащу на форум

Ждем с нетерпением испытаний на свиньях астронавтах

2145133 89.22.165.97
2016-10-13 07:50 am (local)
Ждем с нетерпением испытаний на свиньях астронавтах
===================================
General IP Information

IP: 89.22.165.97
Decimal: 1494656353
Hostname: nat-z.g-service.ru
ASN: 33991
ISP: Igra-Service LLC
Organization: Igra-Service LLC
Services: None detected
Type: Broadband
Assignment: Static IP
Blacklist: Blacklist Check

Country: Russia
State/Region: Krasnoyarskiy Kray
City: Krasnoyarsk

Почему ракеты плохо летают?(с)

Почему пишут глупые комменты? ©

Версия в таком виде не объясняет, от чего же взорвалась ракета. Если "давление в 300 бар попало в бак LOX" (и сделало это так масштабно, что дренаж не имел шансов справиться), то бак должен просто лопнуть, оросив всё вокруг жидким кислородом. При этом бак горючего должен остаться целым, и никакого химического взрыва произойти не должно. Как мы и видели при прошлой аварии Фалькона.

баллон сорвался и пробил совмещенное днище видимо

Интересно и понятно)
Тем более на стеклопластике работал, подобные разрушения. Тут скорее всего углепластик (по цвету).
(интересно, какой у мну IP)), специфисски приходится с работы читать))
(но можно не публиковать, а то научатся клоуны)

Самое интересное начнется тогда, когда Маск обкатает эти дешевые технологии и добьется не только серии в 50 беспроблемных запусков, но и каждая первая ступень будет летать по нескольку десятков раз.

А все идет к тому, что получится. Потому что удешевление и упрощение технологий это стандартный этап везде. К примеру - в фотопленках, которые выпущены в 90-х годах на один-два порядка меньше серебра, чем в тех, что выпущены в начале века. Или как в радио в 30-40-х годах переход от катушек из серебрянного провода (не посеребренного) на супергетеродины.

Как радиоинженеру, мне очень интересно, какая связь между катушками из посеребренного (серебряный вроде никто не применял, это бессмысленно) провода и переходом на супергетеродины? Повышение избирательности от серебрения провода в разы меньше достигаемого в супергетеродинах. В супергетеродинах, кстати, такие катушки тоже вовсю использовали и используют. Правда, обычно не в бытовых.

Спасибо за хорошо написанный разбор.

и вам спасибо на добром слове :)

Ломающие новости.
Если кто еще не видел, то суть в том, что рабочая версия Спейсов такая:
при начале закачки гелия (расширения его в ненаддутом баллоне) понижение температуры баллона -> Появление ТВЕРДОГО кислорода на поверхности баллона под углепластиковой обмоткой -> Расширение баллона давлением -> Сдавливание твердого кислорода с углепластиком -> БЭНГ.

Имхо первая правдоподобная версия. Отвечает на вопрос "А взорвалось-то что?" и не требует сомнительных предположений о способе предварительного смешения компонентов и воспламенении.

>>то суть в том, что рабочая версия Спейсов такая
- да, я вчера тоже слышал про твёрдый кислород, однако НЕ в качестве "рабочей версии":

**It might have been formation of solid oxygen in the carbon over-wrap of one of the bottles in the upper stage tanks.**

- "might have been" - рабочуюю версию так не формулируют. Грамматика не та.
Это ещё один из вариантов, который они не исключают.
Не более того.

>>Появление ТВЕРДОГО кислорода на поверхности баллона
- температура кристаллизации ЖК −218.8 °C;
- нижний технологический предел установки, которую использует SpaceX = −208 °C (это агрегат, построенный НАСА давно, он подробно описан);
- Это температура на выходе "холодильника", а на входе в бак 2й ступени, после длинного трубопровада, температура ЖК безусловно выше;
- Этот предел (−208 °C) обусловлен, как я понимаю, образованием твёрдого кислорода в детендере самой установки. Значит, его нельзя пересечь, даже если очень хочется.

>>Отвечает на вопрос "А взорвалось-то что?"
- но при этом немножко нарушает Второй Закон Термодинамики. 11° - это многовато :)

>>...и не требует сомнительных предположений о способе предварительного смешения компонентов и воспламенении.
- поскольку я видел сам, что происходит с ваткой (смоченной в спирте), когда на неё капают жидким кислородом
- то эти предположения я не назову "сомнительными"
Если у вас в некоем месте пролились керосин и ЖК - взрыв/пожар весьма вероятны.

?

Log in

No account? Create an account