Фалькон 9 могло погубить незнание законов физики

astronaut.com

Американская компания SpaceX назвала причину взрыва ракеты Falcon 9 на стартовой площадке LC-40, произошедшего 1 сентября. Об этом сообщается на сайте SpaceX.

Предварительный анализ обломков и полученных данных показал, что причиной аварии стала трещина в системе подачи гелия в резервуар с жидким кислородом на второй ступени ракеты («… a large breach in the cryogenic helium system of the second stage liquid oxygen tank took place»).

Эксперты проанализировали данные более трех тысяч датчиков, а также многочисленные видео, аудио и фотоматериалы и считают эту версию основной.

Взрыв на космодроме на мысе Канаверал произошел в ходе предстартовых испытаний прожига двигателей Falcon 9 с установленным на нем израильским спутником Amos 6. Ракета и спутник были уничтожены.

Замечу, что мне много раз приходилось участвовать в прожиге двигателей ракет в качестве военпреда, и никогда и никому не приходило в голову установить на ракету на этапе этих испытаний полезную нагрузку, какой бы она ни была.

Группа экспертов, в которую вошли представители SpaceX, ВВС США, Федерального авиационного управления (ФАУ) США и НАСА, изучали обломки ракеты в течение трех недель. Илон Маск публично обратился ко всем, кто снимал испытания ракеты, прислать свои фото- и видеоматериалы.

Вся нештатная ситуация (воспламенение и взрыв) длилась 93 миллисекунды. Стартовая площадка была сильно повреждена пожаром, оплавившийся песок превратился в стекло.

Комиссия также заявила, что данная катастрофа никак не связана с предыдущей, когда ракета-носитель Falcon 9 компании SpaceX, запущенная 28 июня 2015 года в 10:21 по североамериканскому восточному времени (17:21 московского времени) с космодрома на мысе Канаверал, взорвалась на третьей минуте после старта.

Но это утверждение американских экспертов вызывает сомнение. Ведь причиной той катастрофы, как утверждают эксперты, был «неисправный кронштейн, который поддерживал бак с гелием в кислородном баллоне второй ступени ракеты» (a faulty bracket that was holding a bottle of helium in the oxygen tank of the rocket’s upper stage). Компания SpaceX заменила несколько тысяч таких кронштейнов на всех своих ракетах и спустя шесть месяцев возобновила полеты.

Жидкий гелий применяется в двигателях «Фалькона-9» для поддержания давления в условиях нулевой гравитации во время полета.

Справка:

Falcon 9 — семейство одноразовых и частично многоразовых ракет-носителей среднего класса серии Falcon американской компании SpaceX. Falcon 9 состоит из двух ступеней и использует в качестве компонентов топлива керосин марки RP-1 (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Цифра «9» в названии обозначает количество жидкостных ракетных двигателей Merlin, установленных на первой ступени ракеты-носителя.

Первая ступень построена по стандартной схеме, когда бак для окислителя располагается над баком для топлива. Перегородка между баками общая. Оба бака выполнены из алюминий-литиевого сплава. Окислитель попадает к двигателям через трубопровод, проходящий через центр бака для топлива, по всей его длине. Для создания повышенного давления в баках используется сжатый гелий.

Вторая ступень является, по сути, уменьшенной копией первой ступени, с использованием тех же материалов, производственных инструментов и технологических процессов. Стенки баков для топлива и окислителя из сверхпрочного алюминий-литиевого сплава являются несущей конструкцией ступени. Также использует в качестве компонентов топлива керосин и жидкий кислород. На второй ступени используется один жидкостный ракетный двигатель Merlin Vacuum.

Охлажденный жидкий кислород и керосин хранятся не в отдельных цистернах внутри ракеты, а в одном большом резервуаре с переборкой (вверху жидкий кислород, а внизу - топливо) для экономии места и веса.

При запуске второй ступени, насосы тянут жидкий кислород и керосин в камеру сгорания, но самостоятельно делать это не могут, потому что вторая ступень запускается в условиях нулевой гравитации, в которой ракетное топливо не будет накачиваться с необходимой скоростью и давлением. Тут помогают баки с жидким гелием. Они находятся внутри бака с жидким кислородом, что делает ненужной систему отдельного охлаждения. При запуске второй ступени жидкий гелий проходит через теплообменник, где тепло двигателя нагревает гелий и тот переходит в газовую фазу. Затем уже газообразный гелий подается в бак с жидким кислородом и керосином, повышая в нем давление. Давление гелия поддерживает постоянный поток топлива, и двигатели работают в штатном режиме даже при нулевой гравитации.

Таким образом, недавняя катастрофа вновь связана с баком жидкого гелия, что вызывает резонное сомнение в категоричном выводе американских экспертов об отсутствии связи между двумя этими ЧП.

Возможно, системный порок заключается в самой идее экономии места и веса баллонов жидкого гелия, расположенных внутри кислородного бака. Для владельца SpaceX Илона Маска снижение себестоимости запусков его ракет является своего рода идеей фикс, но отсутствие инженерного образования может доводить такие навязчивые сверхзадачи до конструктивного абсурда. Не исключено, что две подряд катастрофы из-за неполадок в баках с жидким гелием и являются проявлением этого абсурда на практике. То, что у Маска снижено чувство опасности, это очевидно. Иначе он не игнорировал бы уже второй раз общепринятую практику, когда на предварительных испытаниях ракет на них не устанавливают дорогостоящую полезную нагрузку. Скорее всего израильский спутник установили уже на этапе прожига двигателей, чтобы сэкономить на циклограмме всех предстартовых операций.

Видимо, подсознательно чувствуя свою вину, Маск обрушился с обвинениями в адрес своих конкурентов, которые якобы причастны к этому взрыву. Но что могло произойти на самом деле?

Взрыв мог вызвать известный любому инженеру эффект Джоуля - Томсона, вернее тот факт, что для гелия этот эффект отрицателен.

Справка:

Эффектом Джоуля — Томсона называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку) или через узкую трубу, как на Фальконе 9. Эффект Джоуля-Томсона называется положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается и отрицательным, если газ нагревается. Для большинства газов эффект Д-Т положителен и они охлаждаются. Для водорода и гелия эффект Д-Т отрицателен, и они нагреваются.

Нагрев гелия из-за эффекта Джоуля - Томсона мог привести к нештатному увеличению давления. Из-за роста давления в кислородном баке могла проломиться слабая перегородка (опять экономия!) между баками кислорода и керосина, обломки рвут и коротят телеметрическй кабель, проскакивает искра и происходит взрыв кислородно-керосиновой смеси.

Все проекты Илона Маска «заточены» на экономию финансовых средств. Соображения безопасности и надежности - на втором плане. А это никогда не доводит до добра. Тем более, когда речь идет о космических полетах.

Автор: Владимир Прохватилов, президент Фонда реальной политики (Realpolitik), эксперт Академии военных наук

Добавляйте CСб в свои источники дзен