Гений частного космоса Илон Маск нарисовал два твита (см. рисунок):
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Гений частного космоса Илон Маск нарисовал два твита (см. рисунок):
Внизу, жирным шрифтом, он сообщил, что компания столкнулась "с самой сложной и запутанной аварией за четырнадцать лет". Второй твит ещё удивительнее: "В частности, стараемся понять (причину) негромкого удара за несколько секунд до появления вспышки. Возможно он раздался на борту ракеты или где-то ещё".
Где-то ещё... Самая сложная и запутанная авария. В этом сообщении самая ценная информация "негромкий удар" (the quieter bang sound - можно ещё литературней перевести - приглушённый звук разрыва, приглушённый хлопок). Что ж... Если американские инженеры не знают, в чём причина "негромкого удара", придётся рассказать, что знают русские инженеры. Здесь и далее - то, чему меня учили.
Если специалисты SpaceX до сих пор не сказали, что случилось в районе стыковки магистралей заправки и дренажа со второй ступенью, то это большой ой, так как они наверняка знают причину. (Почему они молчат, скажу в конце записи). По моему опыту, который в меня вдолбили мои учителя, жидкий кислород, ввиду его высокой плотности (1140 кг/куб.м при нормальной температуре кипения кислорода 90К = -183С), является весьма "гидроударной" жидкостью. Поэтому, от греха подальше, все диаметры магистралей и скорости заправки подбираются таким образом, чтобы в самых узких сечениях скорость кислорода не превышала 2 м/с.
Так как Сокол-9 изначально конструктивно является переутяжелённой ракетой, для повышения энергетики пусков и возможности вывода на орбиту хоть какой-то приемлемой полезной нагрузки, компания SpaceX была вынуждена применить в качестве топлива переохлаждённый керосин и в качестве окислителя переохлаждённый кислород. За счёт переохлаждения, масковцы заправляют в ту же ракету приблизительно на 15% больше кислорода и на 2.5% больше керосина.
НО.
При этом плотность жидкого кислорода уже не 1140 кг/куб.м, а все 1300 кг/куб.м. Одновременно с повышением плотности, возрастает и вязкость жидкого кислорода. Более вязкий кислород при том же давлении течёт медленнее, значит, для сохранения циклограммы (времени) заправки, масковцы были вынуждены "поддавить" насосы и увеличить давление заправки. Соответственно, скорость потока переохлаждённого жидкого кислорода тоже увеличилась.
Назвать точные цифры не могу - я не знаю, как сильно они форсировали режимы заправки - но совершенно точно то, что скорости заправки жидкого кислорода повышенной плотности возросли - допускаю, что на 10-15%.
А это, ребята, прекрасные условия для возникновения гидроудара. Как возникает гидроудар по жидкому кислороду? Если в трубопроводе есть газовый пузырь (а он обязательно возникает при любой задержке - кислород интенсивно кипит в тёплых магистралях при начале заправки), то в силу ничтожной плотности газа по сравнению с жидкостью, при открытии клапана, газ просвистывает через клапан, жидкий кислород под давлением устремляется по трубе - и всей несжимаемой массой ударяется об "узость" - там, где тормозится, - или в изогнутом гибком рукаве заправочной магистрали, или в замке стыковки с бортом, или в бортовом клапане.
Энергия удара описывается знакомой всем школьникам формулой кинетической энергии - массу разогнавшейся жидкости надо умножить на квадрат скорости потока и поделить пополам. Какая же это может быть энергия? В магистрали длиной в сотню метров (а высота Сокола-9 составляет 70 м - со всеми загибами и наземными участками получается как раз минимум 100 м - ещё раз - это минимум, реально больше) при диаметре трубы заправки, скажем, в 100 мм (для небольшой второй ступени) каждый погонный метр трубы содержит 10 (десять) килограммов жидкого кислорода, соответственно, в трубе длиной 100 метров - разгоняется одна тонна окислителя (малолитражный автомобиль). Если скорость в трубе ничтожных 3 метра в секунду, то это в привычных нам размерностях составляет 11 км/ч (скорость бегуна в парке).
А теперь возьмите свою машину, разгонитесь до слабенькой скорости 11 км/ч и впилитесь в бетонный столб. Что произойдёт? Бампер, минимум, всмятку. Вот то же самое происходит и с узлами стыковки заправочных магистралей - если случается гидроудар по жидкому кислороду. Поэтому, я думаю, что приоритетной версией "негромкого звука" ("приглушённого хлопка") является гидроудар по переохлаждённому жидкому кислороду с последующим разрушением гибкого рукава узла стыковки магистрали заправки жидкого кислорода (возможно, замков стыковочного узла или участка бортовой магистрали) с течью сварных швов, с одновременным нарушением герметичности узла стыковки соседней магистрали заправки керосина (там всё очень рядом), смешением кислорода с керосином в районе подключения коммуникаций к борту (скорее всего, внутри борта) - и последующим воспламенением парожидкостного "коктейля".
Второй, не менее неприятной для SpaceX, версией является авария по дренажу бака с переохлаждённым кислородом и разрушение кислородного бака. В этой версии есть мутное место - если керосин был герметичен, то такого взрыва не могло быть. (Второй-с-половиной версией является разрушение чего-либо кислородного (по гидроудару в магистрали или превышению давления в баке) - и последующим попаданием жидкого кислорода в систему гарантированного пуска двигателя второй ступени. Но для этого нужно понимать компоновку второй ступени и где бортовики смонтировали ёмкости с триэтилборатом и триэтилалюминием).
А теперь - почему SpaceX вынуждена глухо молчать. Если это гидроудар на заправке, если это гидроудар на переохлаждённом кислороде, то это неустранимая конструктивная ошибка - надо или уменьшать расходы заправки, увеличивать время заправки и резко увеличивать потери кислорода за счёт испарения - заново проверять все дренажи, заново всё нудно и упорно отрабатывать - а это месяцы и месяцы тяжёлой работы, никаких пусков, сплошные расходы - но, самое неприятное, надо что-то так объяснить миллионам пытливых фанатов частного космоса, чтобы они ни о чём не догадались.
Это нетривиальная задача, но, я уверен, блестящая PR-служба SpaceX с этой задачей справится. С пламенным приветом Илону Маску, с пожеланиями получше понять причину "негромкого удара".
UPD. В ходе небольшой технарской головоломки выяснилось, что гении конструирования разместили шар-баллоны гелия высокого давления в выштамповках бака жидкого кислорода. Спасибо Антону Пальянову за фотографию. В этом случае, версия Дмитрия Игоревича Обернихина (см. комментарии) о беде с композитным-шар-баллоном тоже выкатывается на авансцену. Но это такой липкий ужас, что без мата комментировать невозможно.
Дополнительно про шар-баллоны гелия высокого давления, спасибо
В общем-то, всё уже понятно. За несколько секунд до взрыва произошел некий негромкий «хлопок», ну а потом уже садануло. Что садануло — тоже понятно, кислород с заправки второй ступени соединился либо с керосином, либо с триэтилборатом и триэтилалюминием (используются для запуска двигателя 2-й ступени). Но гораздо интереснее, отчего же потек кислород и что это был за хлопок.
Мне тут рассказали, что гении конструирования из команды Ололоши нашего Маска разместили шар-баллоны гелия высокого давления в выштамповках бака жидкого кислорода — ну чтобы место зря не терять, ракета и так получилась непропорционально длинной. Шар-баллоны эти, как модно у американцев, сделаны из углепластикового композита. Температура кипения жидкого кислорода равна -183 С, но Ололоша наш Маск использует переохлажденный кислород, чтобы его побольше напихать в баки, а поскольку температура плавления кислорода -219 С, температура баков получается в районе -200 градусов цельсия. До близкой температуры охлаждаются и шар-баллоны. При такой температуре композиты баллона с гелием высокого давления становятся хрупкими. Баллон разорвало, осколки разворотили бак с кислородом и повредили емкость с триэтилборатом — и как только потекший жидкий кислород соединился с вытекающим триэтилборатом (или даже керосином, плюс следы масла на каком-нибудь соединении дали в кислороде вспышку), произошел большой бумс.
И конечно это только версии. Что случилось на самом деле мы можем вообще не узнать.
Комментарий автора:
Интересная версия. Хотелось бы по подробнее "гении конструирования шар-баллоны гелия высокого давления разместили в выштамповках бака жидкого кислорода"(добавил) . И конечно это только версии. Что случилось на самом деле мы можем вообще не узнать.
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
