Сергій Факас
09/09/2021 — 20:00
Чому вона вибухнула?
Не чекали текст про Firefly Aerospace?
#
космос
наука
технологии
https://s3.eu-central-1.amazonaws.com/media.my.ua/feed/226/c2abfcf677143e1f67379bc19c05f4b2.jpg
2 вересня 2021 року через дві з половиною хвилини після відриву від стартового столу на Vanderberg Space Force Base вибухнула РН Alpha компанії Firefly Aerospace.
Це був перший політ легкої РН, створеної зі значним залученням фахівців та експертизи з української столиці ракетобудування. Компанія назвала запуск таким, що приніс важливі результати, і з цим сперечатися не варто ― Альфа не перша і, думаю, не остання РН, яка зазнала фіаско в дебютному польоті. То може не було б чого багато писати про цей запуск, але мені захотілося на його прикладі розповісти вам про кілька цікавих речей, і для цього я спробував провести
Root Cause Analisys аварії РН Apha
Root Cause Analisys (скорочено RCA) ― це методологія пошуку «root cause» або, як перекладають українською, «першопричини» події. Першопричина ― це обставина, яка призвела до аварії/катастрофи/відмови якогось процесу чи пристрою. Якщо усунути цю першопричину, то аварії не станеться, якщо ж ні ― проблема буде повторюватися знову і знову. Також теорія RCA каже, що першопричина не може бути одна ― їх має бути як мінімум дві, і вони мають бути з різних галузей.
RCA широко використовують у найрізноманітніших галузях інженерії ― від ракетно-космічної до ІТ, де, власне, ваш автор цьому і навчився. Це досить цікава штука, і я подумав, чому б не розповісти вам про неї. Звісно, треба одразу зазначити, що це мінірозслідування я провів на основі публічно доступної інформації, такий собі OSINT. Тож дуже навіть може бути якийсь закритий шмат даних, які мені невідомі і який міняє картину. Але сприймайте цей текст швидше як науково-популярний, ніж як строге розслідування.
Давайте для початку встановимо послідовність подій під час довгоочікуваного дебютного польоту РН Alpha.
Ракета злетіла штатно, але на 15-й секунді польоту відключився один із маршових двигунів першого ступеню, що добре видно на цьому відео.
Позаяк РН зазвичай проєктують з деяким запасом тяги, то вона змогла продовжити політ без одного двигуна, але почала летіти повільніше, що каже про те, що тягу трьох живих двигунів помітно не збільшували. Все було менш-більш добре до моменту виходу ракети на надзвукову швидкість, який стався на 1 хвилину і 13 секунд пізніше запланованого, тобто через 2 хвилини 20 секунд після старту.
Як ми бачимо на відео, в момент переходу від дозвукової швидкості до надзвукової почала втрачати стабілізацію. Система керування РН, через нестачу моменту кермування, яка виникла через відмову одного з двигунів, не змогла коригувати дестабілізаційний момент, РН починає відхилятися від траєкторії, перекидатися і розвалюється. Після цього ракету підривають командою із землі.
Давайте трохи глибше заглянемо в кожен ключовий момент описаних подій і присвятимо явищам, які відбуваються, невеликий ліричний відступ, в якому спробуємо відповісти на кілька запитань, які мені задавали на Фейсбуці.
Чому Firefly не припинили політ одразу після відмови двигуна?
Ну, по-перше, це би знищило стартову позицію.
По-друге, це перший випробувальний політ ракети і навіть з пониженою тягою можна провести випробування всіх ключових етапів, як то: надзвуковий політ, розділення ступенів, скидання головного обтічника та відокремлення корисного навантаження.
Ну і по-третє, насправді відмова одного двигуна може бути не фатальною. Історія знає випадки, коли двигун РН відключався на активній ділянці виведення, але ракета продовжувала політ і досягала розрахункової орбіти. Це сталося, наприклад, з Saturn V під час запусків Apollo 6 і Apollo 13. У 1985 році відключився центральний двигун у «Челленджера», і він вийшов на орбіту дещо нижчу від запланованої. Але виконав місію. Слід зазначити, що ці випадки ставалися з двигунами другого ступеня, але загальна ідея зрозуміла ― коштом підвищення тяги справних двигунів і продовження часу їх роботи можна максимально компенсувати втрату сумарного імпульсу тяги.
А що ж таке сталося, коли ракета досягла швидкості звуку?
Чому в цей момент вона почала втрачати стабілізацію і перевертатися? Вона що, вдарилася о звуковий бар’єр?
Ооооооо… Термін «звуковий бар’єр», придуманий журналістами 50-х настільки неправильний, що в мене око починає сіпатися, коли я його чую чи читаю. Тому давайте трошки ближче подивимося на те, що таке надзвуковий політ, чи точніше сказати ― надзвукове обтікання, і як він впливає на наші вуха та стабільність польоту ракети.
Отже, коли літальний апарат переміщається в повітрі, навколо нього поширюються звукові хвилі. Доки його швидкість менша від швидкості звуку (число Маха М
А як же керують сучасними ракетами?
Те, що для керування ракетою аеродинамічні поверхні, як у літака, не підходять, зрозумів ще фон Браун. На початку польоту швидкість ракети занадто мала для їх ефективності, а коли вона вже розігналася – оп-па, повітря вже практично скінчилося, й аеродинамічні рулі вже знову немічні. Тож ще у 30-ті роки минулого сторіччя стало ясно, що вибору в ракетників немає, і треба керувати саме вектором тяги двигунів.
Способи керування тягою ракетних двигунів досить різноманітні, і в кожного є свої переваги і недоліки. На А-4 прямо на соплі стояли газові рулі, які відхиляли потік газу в потрібний бік. Потім почали використовувати рульові сопла та камери. Але зараз практично золотим стандартом для рідинних ракетних двигунів стало встановлення самого двигуна чи камери, як у РД-171/РД-180, на карданному підвісі, що дозволяє повертати весь двигун (чи камеру) у потрібному напрямку. Ось як це робив Space Shuttle.
РН Alpha не є винятком, і її розробники також вирішили повертати двигуни для керування тягою. Я не знаю подробиць реалізації, але, швидше за все, приводи, які повертають двигуни, використовують гас як гідравлічну рідину, і 4 двигуни попарно відповідають за 2 площини керування, а 2 чи всі 4 за керування по крену. Звичайно, що амплітуда відхилення двигунів залежить від компонування ракети та розмірів самих двигунів, а величина кермувального моменту ― від тяги самого двигуна.
Таким чином, після відмови одного з чотирьох двигунів у ракети з’явився не лише дефіцит тяги, а й кермувального моменту. Очевидно, що на дозвуковій ділянці польоту РН ще могла стабілізуватися зусиллями трьох двигунів. Але з переходом на надзвук балансування змінилося на гірше, ракета стала ще менш стійкою, і три двигуни не змогли утримувати її просторову орієнтацію. Альфа почала перевертатися, і її політ закінчився ефектним вибухом.
Отже, повернімося ж до головного питання, а саме:
Що ж могло стати root cause цієї аварії?
Судячи з описаної вище послідовності подій ми маємо трьох кандидатів у першопричини:
відмова маршового двигуна;
перехід на надзвукову швидкість польоту;
відсутність запасу кермувального моменту.
Чи сталася б аварія, якби не відмовив двигун? Швидше за все, ні ― все було б штатно. Отже, відмова двигуна є кандидатом у першопричини.
Чи сталася б аварія, якби РН не вийшла на надзвук? Також ні, але тоді б ракета не виконала б свою задачу. Відмовитися від надзвукового режиму польоту неможливо, тому це не може бути першопричиною.
Чи сталася б аварія, якби був запас кермувального моменту, і три двигуни змогли б коригувати дестабілізаційний момент? Ні, не сталася б. Тобто відсутність можливості керування ракетою на надзвуковому режиму польоту тільки трьома маршовими двигунами також є першопричиною.
Отже, маємо дві першопричини аварії:
відмова маршового двигуна;
замалий запас збільшення тяги і, як наслідок, відсутність запасу кермувального моменту від трьох маршових двигунів.
Приберіть один із цих факторів ― і аварії не буде. Не врахуйте будь-який із них ― і проблема повториться.
А нащо так багато тексту, скажете ви? Ясно ж, що двигун не повинен відмовляти, і крапка. І в Firefly вже написали, що двигун вимкнувся через закриття відсічних клапанів. Осьдечки, в цьому ж і причина, скажете ви.
Ніт, двигун не має 100% надійності, а його відмова не повинна призводити до втрати керованості і стабілізації ракети. Якби Альфа не почала некеровано перевертатися, то як мінімум вдалося б виконати програму випробувань, а як максимум, можливо, і вивести на орбіту, хай і не розрахункову, корисне навантаження. Ну і до речі, зовсім не факт, що і з усіма справними двигунами РН не втратила б стабілізацію при досягненні швидкості звуку.
На місці спеціалістів Firefly я б зосередився не тільки на з’ясуванні причини відмови двигуна (яке саме по собі має бути зроблене за правилами RCA), а й на забезпеченні запасу тяги та керованості РН і трансзвуковій стійкості ракети. Але я думаю, вони так само зараз проводять RCA і дійдуть такого самого висновку;).
Блог автора: сайт
Рубрика «Гринлайт» наполняется материалами внештатных авторов. Редакция может не разделять мнение автора.
У самурая нет цели, есть только путь. Мы боремся за объективную информацию.
Поддержите? Кнопки под статьей.
поддержать проект
поддержать на Patreon