«Мы были слишком тупыми»
«SN9 почти готов нести свой факел вперёд», — именно так Илон Маск анонсировал предстоящий полет следующего и, пожалуй, самого мистического претендента на успешный исход в череде терпящих фиаско звездных Прометеев — Starship SN9.
2 февраля 2021 года. Полигон Бока Чика. Штат Техас, США. Дублер прототипа SN8 — SN9 — стоит на площадке. Ожидается, что «факелоносец» повторит программу предшественника, осуществив тестовый полет на превосходящую высоту. Вопреки всему знакомый поворот сценария с пометой «что-то пошло не так» наметился уже с первого листа.
Для поддержания давления в посадочном метановом баке решено использовать в качестве газа наддува гелий, а не азот. Решение носило временный характер, поскольку перспективы использования гелия в будущем остаются под вопросом по банальной причине отсутствия данного газа на Марсе. За два месяца до старта аппарат смог пройти четыре прожига, замену двух двигателей Raptor (Илон Маск: «Два двигателя нуждаются в небольшом ремонте, поэтому они будут заменены» [1]) и два статических огневых испытания. Такое же количество прожигов было при испытаниях SN4 29 мая 2020 года, взорвавшегося на старте из-за проблем системы отсоединения.
До момента запуска не было известно точной высоты полета — 12,5 км, как у SN8, или же ниже – 10 км, как и случилось. Неприятностей добавило отсутствие лицензии Федерального управления гражданской авиации США (FAA) на полет, связанное с приостановкой выдачи разрешений компании SpaceX в связи с расследований причин взрыва прототипа SN8 на космодроме Бока Чика в декабре 2020 года. Но в целом испытания состоялись. Аппарат последовательно отключал двигатели, достиг апогея, перешел в горизонтальное положение и попытался выполнить посадку. Однако под финал, на этапе посадочного маневра, начались серьезные проблемы. По данным телеметрии Flight Club, скорость SN9 в момент включения двигателей была около 87 м/с, что на 10 м/с больше, чем у SN8. Еще при наборе высоты наблюдалось горение восстановительного газа в двигателях. Затем последовало отключение трансляции камеры двигательного отсека. При посадке один из двигателей Raptor сработал штатно, в другом произошло сильнейшее возгорание восстановительного газа, зафиксированное объективами камер на посадочной площадке полигона. После повторного зажигания горе-двигатель обратился в факел, вид которого за секунды исчез за границами сопла, произошла вспышка и его отключение. Через секунды, сделав пируэт в воздухе, прототип эпичным взрывом возвестил о фатальном приземлении. SpaceX объяснило ситуацию штатным отключением одного из двигателей для посадки. FAA начало расследование аварийного приземления SN9 и «небезопасных действий» SpaceX [2].
Интернет-аудитория высказывала предположения, что двигатель разорвало, ведь из двигательного отсека влетали неопознанные объекты. Однако видео-трансляция позволяет заметить, что «обломки» появляются не из сопел, а отлетают с юбки двигательного отсека. Ими могли быть фрагменты теплоизоляции, которые не имеют никакого отношения к отказу двигателя. Отметим, что при работе второго двигателя не наблюдалось никаких «лазерных мечей», что подтверждаем устранение проблем малого давления в посадочном топливном. В случае же штатного отключения одного из двигателей для посадки высокое ТВР заставило бы корабль снова начать набирать высоту. Если бы один двигатель не включился, приводы управления вектором тяги не смогли бы сориентировать второй так быстро, чтобы аппарат не занесло бы в крен. При перевороте на двух двигателях отключение одного из них во время посадочного маневра обратилось бы смертным приговором для корабля. И это, не учитывая необходимое обнуление скорости при падении, как горизонтальной, так и вертикальной! С такой задачей не смог бы справится один шатноработающий двигатель. Поэтому SN9 не смог затормозить, описал почти полное сальто в воздухе, и кроме сильного крена «заработал» себе рысканье. Причины крушения SN9 до сих пор недосказанными.
Елисей Маслов статье «Почему полёт Starship SN8 закончился взрывом при посадке?» [3] рассматривает возможные версии падения давления в посадочном топливном баке прототипа SN8, краткая суть которых сводятся к следующему (цитаты по источнику):
- Неправильный алгоритм системы управления: «Система управления могла просто «забыть» надуть топливный бак метана, но такая причина маловероятна»;
2. Неправильный расчёт системы наддува, из-за чего «расчётная и монтажная схемы трубопроводов отличались друг от друга»;
3. Отказ системы наддува. «Вероятная причина, вызванная отказом какого-нибудь клапана или регулятора давления при отсутствии его дублирования (второй такой же клапан, работающий при отказе первого)»;
4. Разгерметизация метановой топливной системы. «Разгерметизация стыка или трубопровода вполне могла привести к такому катастрофическому падению давления вплоть до атмосферного».
Убедительные доводы отказа работы двигателя SN9 озвучил Виктор Булыбенко – генеральный директор, программист, инженер-конструктор RST Space в своей статье «Авария двигателя Raptor на Starship SN9» [4]. Следуя им, горение восстановительного газа свидетельствует об утечке топлива в области восстановительного газогенератора. Поскольку на старте восстановительный газ горел в области насоса горючего, можно сказать, что не было взрыва восстановительного газогенератора. Вероятно, что при первой же попытке зажигания двигатель сделал бы RUD с яркой вспышкой.
Автор высказывает предположение и о причастности гироскопического эффекта к аварии топливного насоса. Поскольку внутри топливного находится ротор из жаропрочных материалов, вес которого определяется десятками килограммов, а вращение скоростями в десятки тысяч оборотов в минуту, то конструкция крепится на гидростатических подшипниках, омываемых жидким метаном. Соответственно, есть вероятность поступления меньшего количества метана в подшипники, что создало эффект «лишнего места» для ротора. В таком случае гидростатический эффект может дать прецессию оси вращения для него и, как следствие, при соприкосновении со стенкой уничтожится топливный насос. Учитывая УВТ двигателей, с помощью которого бортовой компьютер пытался погасить скорость вращения аппарата и остановить крен, ротор из-за прецессии вращения, возникшей по причине приложения силы, мог просто «коснуться» стенок. Это объясняет яркую вспышку у двигателя. Вместе с тем, падение потока метана могло быть спровоцировано и вспышками, разорившими патрубки топлива. Виктор Булыбенко признает факт отключения двигателя, аналогичный в ситуации испытаний SN8, и в том можно полностью согласиться.
Мы же акцентируем внимание читателя на том, что после финальной вспышки неисправного двигателя Raptor в гиперзвуковом факеле другого исчезли диски маха, и цвет пламени окрасился с голубого на желтый.
После отключения второго двигателя бортовой компьютер должен был сориентировать потоки топлива и окислителя в нужных пропорциях на другой двигатель, что должно было произойти в первую секунду после отключения второго. Изменение цвета пламени можно списать на крен и рысканье, но даже если гироскопическая сила от вращения корабля могла спровоцировать такой исход работы, что не объясняет следующего:
1. В полете SN8 было катастрофическое падение подачи топлива в двигатель, что снизило его мощность. Однако то, что факел второго двигателя SN9 даже с учетом рысканья и крена выглядел штатно, говорит об искоренении проблемы с наддувом посадочного бака метана гелием.
2. Авария была в самом двигателе, поскольку в случае с SN8 из-за уменьшения потока метана через подшипники должна была возникнуть та самая прецессия, за которой последовало бы разрушение двигателя вместо просто его отключения.
3. Можно возразить, что проблемы с системой наддува начались уже после переворота в вертикальное положение. Аргумент достаточно «хлипкий», но имеет право на жизнь: двигатель мог быть просто отключен автоматически или по программе полета, либо это было просто совпадение.
4. Странным выглядит и предположение о самой установке двигателя, создающей момент импульса при «подталкивании» ротора переворотом, поскольку аналогичные процессы должно происходить с другим двигателем: них одинаковые плечи сил, и установлены они относительно одной оси симметрии.
Официальное заявление SpaceX не раскрыло детальных подробностей происшествия:
«Во вторник, 2 февраля, Starship SN9 завершил второе высотное испытание на нашей испытательной площадке в Бока-Чика, округ Кэмерон, штат Техас. Подобно лётным испытаниям Starship SN8, SN9 во время подъёма использовал три двигателя Raptor, каждый из которых последовательно отключался на определённой высоте, а после достижения прототипом апогея (примерно 10 километров), SN9 успешно выполнил переключение на посадочные баки и переориентировался на управляемый аэродинамический спуск. Прототип снижался используя активный аэродинамический контроль, который осуществлялся за счёт независимого движения двух передних и двух кормовых «крыльев». Все четыре «крыла» приводятся в действие бортовым компьютером, чтобы контролировать положение Starship во время полёта и обеспечить точную посадку в заданном месте. Во время посадочного манёвра один из двигателей Raptor не включился повторно, SN9 приземлился на высокой скорости, и произошёл RUD. Эти испытательные полёты направлены на разработку полностью многоразовой космической транспортной системы, предназначенной для перевозки экипажа и грузов в длительных межпланетных полётах и помощи человечеству в возвращении на Луну, полётах на Марс и далее…» [5]
Почему двигатель не вышел на рабочий режим? — осталось загадкой, ответ на которую мог бы быть следующим: каждый полусекундный огневой тест прототипа есть не что иное, как сильнейшие скачки нагрузок (динамических, акустических, вибрационных и т.д.); подобные действия могут привести в движение метановый топливопровод и другие системы. Как аргумент, та самая ложка дегтя в «бочке» SN8 — четыре коротких огневых теста «расшатали» топливопровод, либо разводку в двигательном отсеке, спровоцировав падение потока метана в двигатели и, как следствие, появление зеленого пламени. Проблема с потоком метана была решена новым вытеснительным газом. SN9 отличился шестью огневыми тестами (некоторые, возможно, были прерванными), что перевело двигатель в ранг слабого звена. Ну, а далее по Булыбенко: гироскопический эффект уничтожил топливный насос и, возможно, стал причиной отказа двигателя.
Вывод: чем больше огневых тестов, тем хуже работают двигатели, и тем больше причин для последующих аварий. При любом повторном сверх-тесте SN9 разрушился бы прямо в воздухе, подарив киношникам апокалиптические кадры в эфире. Илон Маск оказался провидцем, хотя бы в том, что предрек девятому прототипу судьбу огненного факела.
Окончание следует...
© Давид ГУБАНОВ
Права защищены. При использовании материалов и цитировании текста ссылка на публикацию обязательна.
________________
ИСТОЧНИКИ:
[1] Elon Muck : @elonmusk : Technoking of Tesla : Official Twitter Page. – 2021. – 15 Jan.
[2] Sheetz , Michael. SpaceX’s Starship prototype again explodes on landing attempt after successful launch // CNBC : International is the world leader for news on business, technology, China, trade, oil prices, the Middle East and markets. - 2021. - 2 Feb.
[3] Маслов, Е. Почему полёт Starship SN8 закончился взрывом при посадке? // Все о космосе : журнал // SpaceX : официальное фон-сообщество компании SpaceX ВКонтакте. – 2020. – 13 декабря.
[4] Булыбенко, В. Авария двигателя Raptor на Starship SN9 // Alpha Centauri : Новости астрономии и космонавтики : [Некоммерческий образовательный российский проект о космосе, объединяющий в себе сайт и YouTube-канал]. – 2021. – 3 февраля.
[5] Starship SN9 high-altitude flight test // SpaceX : Official Web-site.