"Негромкий инсульт" частной космонавтики

"Негромкий инсульт" частной космонавтики9 сентября 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".

UPDВ 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.

Дмитрий Конаныхин