smoliarm: (Default)
[personal profile] 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.


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.

From:
Anonymous( )Anonymous This account has disabled anonymous posting.
OpenID( )OpenID You can comment on this post while signed in with an account from many other sites, once you have confirmed your email address. Sign in using OpenID.
User
Account name:
Password:
If you don't have an account you can create one now.
Subject:
HTML doesn't work in the subject.

Message:

 
Notice: This account is set to log the IP addresses of everyone who comments.
Links will be displayed as unclickable URLs to help prevent spam.

Profile

smoliarm: (Default)
smoliarm

July 2017

S M T W T F S
      1
2 3 45678
9101112131415
1617181920 2122
23242526272829
3031     

Most Popular Tags

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags
Page generated Aug. 24th, 2017 01:08 am
Powered by Dreamwidth Studios