Чому вона вибухнула?
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<<1) це ніяк не впливає на аеродинаміку. Але коли швидкість ЛА починає наближатися до швидкості звуку (М~1), виникають цікаві моменти. Газ вже не встигає передати звукову хвилю, і вони ніби починають доганяти одна одну. При досягненні швидкості звуку повітря вже не встигає «розступатися», і при обтіканні літального апарату утворюються так звані стрибки ущільнення, які ще називають ударними хвилями. Цей процес показано на класичних ілюстраціях різних швидкостей польоту літака.
Ударні хвилі ― це області різкого збільшення тиску повітря (або іншого газу), і виникають вони неодноразово при перевищенні швидкості звуку. Надзвуковий літальний апарат генерує їх весь час польоту на надзвуковій швидкості. Саме ці ударні хвилі й утворюють грім, коли досягають наших вух. Вони є причиною обмежень надзвукових польотів через шум, дискомфорт ба навіть руйнування, які вони спричиняють при ударі об земну поверхню. Потужність і кількість ударних хвиль, створених надзвуковим ЛА залежить від числа Маха (відношення швидкості польоту ЛА до швидкості звуку), розмірів і аеродинаміки літального апарату.
Але ударна хвиля і грім, який ми чуємо завдяки їй, це не єдиний ефект надзвукового польоту. Газ, який рухається з надзвуковою швидкістю, поводиться зовсім інакше, ніж дозвуковий. Наприклад, закон Бернуллі для нього вже не працює, і при звуженні потоку надзвуковий газ не прискорюється, як це описав швейцарський вчений, а навпаки сповільнюється. Ну і навпаки ― при розширенні каналу надзвуковий потік прискорюється. Саме це, до речі, відбувається в соплі ракетного двигуна.
Така зміна властивостей обтікання при переході від дозвукового до надзвукового призводить до зміни балансування літального апарату. Для літаків дозвукової аеродинаміки це викликає ефект затягування в піке. (От, власне, саме проблеми з забезпеченням керованого польоту літака дозвукової аеродинаміки разом із недостатньою тягою двигунів журналісти назвали «звуковим бар’єром», маючи на увазі складнощі досягнення надзвуку. Для сучасних літаків, з потужними двигунами та надзвуковою аеродинамікою, звичайно, ніякого звукового бар’єра вже не існує, і ніхто його героїчно з громом, тріском і писком не долає.)
Для ракет перехід від дозвукового до надзвукового обтікання також не проходить безслідно. Річ у тім, що для забезпечення стійкого стабілізованого польоту центр мас ракети має бути попереду, з точки зору напрямку польоту, центру тиску. А внаслідок радикальної зміни законів аеродинаміки з дозвукових на надзвукові центр тиску, тобто точка, в якій перетинаються всі сили, що діють на ракету, зміщується вперед.
Ну тобто ― мало того що центр мас і так у міру спалювання пального зміщується назад, та ще й центр тиску в нас на надзвуці стрибає вперед, і ракета раптом стає ще менш стабілізованою. Що і сталося з РН Alpha, щойно вона перевищила швидкість звуку.
А це означає, що їй знадобилося ще більше зусилля для керування і утримання своєї просторової орієнтації.
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
В самурая немає мети, є лише шлях.
Ваш донат – наша катана. Кнопки нижче!