Dzień trzeci dzień walk o test statyczny

Dziś rano okazuje się że Elsbeth III zignorowała Port Canaveral i płynie na południe. Gdzie??? Teorii jest bardzo wiele. Jedną z nich jest to że wymaga ona jakichś napraw które mogą być tylko przeprowadzone w Luizjanie. Trochę to nieprawdopodobne. Inną jest to że SpaceX nie będzie już jej potrzebował na Atlantyku, jako że wszystkie lądowania będą na lądzie. Jeszcze inną jest to że barka będzie potrzebna wyłącznie do lądowań po startach na orbitę GTO i lepszym miejscem do zacumowania jej są Bahamy lub Port St. Lucie. Jestem bardzo rozczarowany tym że barka nie przypłynęła do Port Canaveral – miałem w planach wycieczkę na Exploration Tower i dokładne jej sfotografowanie z góry. 

Co możemy podejrzewać w oparciu o wczorajsze tweety Elona Muska i innych? Prawie na pewno wczorajszy problem z testem statycznym silników wynika z kłopotów systemu schładzania ciekłego tlenu. Musk zatweetował wczoraj że ciekły tlen schłodzony jest do -207C a kerozyna do -7C. Na co George Sowers (kierownik naukowy ULA) odpisał że właśnie dlatego ULA nie bawi się w takie rzeczy – utrzymanie ciekłego tlenu w tej temperaturze jest bardzo trudne a największym problemem jest wiedza o tym co dokładnie dzieje się w zbiorniku przed startem. 

Czytelników, którzy drapią się w głowę myśląc „co za problem schłodzić ciekły tlen i go wlać do zbiornika” chcę pocieszyć że też miałem takie myśli. Aż nie poczytałem dokładnie o problemach. A jest ich tyle że głowa zaczyna boleć. Zacznijmy od najprostszego – utrzymania właściwego ciśnienia w zbiorniku. Normalnie jest to banalne – przymykamy zawór odpowietrzający a parujący tlen podnosi ciśnienie nad ciekłym tlenem. Otwierając i zamykając zawór możemy utrzymywać ciśnienie w zbiorniku w bezpiecznym zakresie. Proste i skuteczne. Stąd od czasu do czasu zatankowana rakieta puszcza „bąki” stojąc na platformie – to właśnie momenty kiedy zawór odpowietrzający się otwiera by wypuścić nadmiar gazowego tlenu ze zbiornika. Niestety nie działa to w przypadku ciekłego tlenu schłodzonego do -207C – ciśnienie jego par jest tak małe że zamykając zawór w zbiorniku doprowadzilibyśmy do powstania próżni i zapadnięcia się zbiornika. Wpuszczanie ciepłego powietrza z zewnątrz nie wchodzi w rachubę – CO2 i H2O zamienią się natychmiast w śnieg, zatoną w ciekłym tlenie i zatkają rury powodując katastrofę. Azot też odpada z tych samych powodów – będzie się skraplał. Więc trzeba utrzymywać ciśnienie w zbiorniku za pomocą helu. Który jest na tyle kosztowny że tradycyjny system kontroli ciśnienia korzystający z zaworu wentylującego nadmiar gazu na zewnątrz jest złym pomysłem. To szczególnie ważne w przypadku zbiornika drugiego stopnia – ten jest zbudowany jak balon i musi być stale utrzymywany we właściwym ciśnieniu bo albo pęknie (jak w czasie CRS-7), albo się złoży. 

No dobrze, rozwiązaliśmy problem utrzymywania ciśnienia w zbiorniku. To najprostszy z problemów. Następnym jest utrzymanie temperatury ciekłego tlenu w zbiornikach. Nie są one niczym izolowane = energia z zewnątrz podgrzewa ciekły tlen. Przy 29C upale i słoneczku jakie mieliśmy przez ostatnie dni, ilość energii która wchodzi do zbiornika jest spora. I zamiast tlenu w temperaturze -207C mamy tlen w najróżniejszych temperaturach w zależności od tego gdzie się znajduje. Tlen ma dość kiepską przenikalność cieplną = gradienty temperatur są duże i w środku zbiornika może mieć on -207C a na ściankach może się gotować. Jak z tym walczyć? Najprościej przez ciągłą cyrkulację – wlewamy dołem „zimny” tlen a wyciągamy górą „ciepły”. I tu leży pies pogrzebany – zakres temperatur w którym możemy pracować jest bardzo niewielki – za zimno i nam się tlen zestali, za ciepło i się zagotuje. Poza tym chcemy żeby jak najwięcej tlenu było we właściwej temperaturze żeby zmaksymalizować jego masę. Więc trzeba pompować go w dużych ilościach. W związku z czym pojawia nam się rozwiązanie wymagające grubych rur i wielkich pomp, które wymienia zawartość całego zbiornika w krótkim czasie (ktoś, gdzieś z grubsza oszacował że trzeba wymienić cały tlen w zbiorniku co kilka minut). To są olbrzymie przepływy. Zbudowanie instalacji będącej w stanie osiągnąć coś takiego nie jest proste. Do tego Niagara w zbiorniku tworzy pełno nowych problemów które pewnie możecie sobie wyobrazić.

Świetnie, mamy rozwiązane dwa problemy, więc następny – jak schłodzić ten olbrzymi strumień ciekłego tlenu o kilka stopni? Rozwiązaniem jest wymiennik ciepła – tlen jest schładzany w rurkach przechodzących przez zbiornik ciekłego azotu wrzącego pod bardzo niskim ciśnieniem – tak niskim żeby temperatura wrzenia była właśnie -207C (a raczej trochę niżej, bo tlen się podgrzeje w rurach zanim dotrze do rakiety). To wymaga sporych ilości ciekłego azotu oraz olbrzymich pomp próżniowych. 

Największym problemem jest jednak końcowe odliczanie – na kilka minut przed startem trzeba to wszystko powyłączać, zamknąć zawory i uszczelnić zbiornik. I mieć nadzieję że w ciągu tych kilku minut ilość ciepła wpadająca z zewnątrz nie zmieni za bardzo temperatury ciekłego tlenu w zbiorniku. A w przypadku odwołanego startu należy szybko wszystko włączyć od nowa i pracowicie schłodzić tlen w zbiorniku do właściwego gradientu temperatur.

Podejrzewam że SpaceX przez dwa ostatnie dni ćwiczył właśnie te dwa scenariusze – pierwszym było odpowiednie dostrojenie pomp, wymienników ciepła itp. tak by uzyskać właściwy gradient temperatur przed odliczaniem, a drugim było właśnie próbne odliczanie ze sprawdzaniem gradientu temperatur w zbiorniku. I pewnie wyniki nie były takie, jakie założyli konstruktorzy co wymagało regulacji pomp i wymienników ciepła. 

Zauważcie że rakieta z silnie schłodzonym tlenem nie powinna puszczać „bąków” przez większość odliczania. „Bąki” powinny się pojawiać tylko w dwóch momentach – przy początkowym napełnianiu zbiornika (kiedy to tlen trafia na gorące jego ścianki i wrze) oraz w czasie końcowego odliczania (kiedy to temperatura tlenu przy ściankach gwałtownie rośnie powodując gwałtowny wzrost ciśnienia w zbiorniku). Nie wiadomo czy wczorajsze „bąki” były wynikiem tylko pierwszego scenariusza czy obu.

Czytelnikom zastanawiającym się dlaczego w Texasie działało a na Florydzie nie działa wyjaśniam że po pierwsze w Texasie też długo czekaliśmy na pierwszy test statyczny a po drugie na Florydzie jest znacznie cieplej + jest znacznie większa wilgotność powietrza. Do tego instalacje na platformie startowej są dalej niż na stanowisku testowym, rury są dłuższe i mają inną izolację cieplną. To wszystko wprowadza pełno nowych zmiennych, które trzeba dostroić zanim się uruchomi silniki. 

Uff, wyszedł mi strasznie długi wykład, mam nadzieję że nie zanudziłem czytelników. Tak jak wczoraj i przedwczoraj ten post będzie aktualizowany w miarę pojawiania się nowych wiadomości…

Aha – jeszcze jedno. Co będzie jak SpaceX pracowicie dostroi systemy do działania przy 30C a przed startem temperatura spadnie do 20C + będzie noc = zero nagrzewania słoneczkiem?

Aha, aha – i jeszcze jedno – jak już rozwiążemy problemy z ciekłym tlenem, to trzeba rozwiązać podobne z kerozyną. Które są znacznie łatwiejsze, ale także istnieją a dodatkowo kerozyna stwarza nowe problemy.

Edycja 1 – już na pewno nie będzie startu 19’stego (to oczywiste). Start 20’stego jest nadal możliwy jeżeli SpaceX uda się zrobić test statyczny dziś rano.

Edycja 2 – wykres pokazujący wzrost lepkości kerozyny wraz ze spadającą temperaturą:

Jak widać trzeba bardzo uważać żeby za bardzo nie schłodzić kerozyny bo robi się z niej masło.

Edycja 3 –  co ta barka robi???!?

Edycja 4 – pogoda dziś beznadziejna. Leje, pełne zachmurzenie. Beznadziejne warunki do robienia testów statycznych ;).

P.S. Epopeja SpaceX przyciąga tylu zaglądaczy na blog, że Google nie wyrabia i blog działa wolno.

Edycja 5 – barka wyraźnie czeka przy brzegu. Ciekawe czy będzie tak krążyć aż do startu, czy jednak kiedyś wejdzie do portu?

Nadal żadnych informacji o teście statycznym. Pogoda też bez zmian – leje.

Edycja 6 – uwaga, uwaga, uwaga!!!

Edycja 7 – nadal czekamy na potwierdzenie udanego testu statycznego, a w międzyczasie pojawiła się nowa prognoza pogody. I dzięki niej wiemy kiedy Falcon 9 może polecieć – jeżeli nie poleci w niedzielę, to następne wolne okienko jest we wtorek. Niestety pogoda będzie znacznie gorsza niż w niedzielę – mają być gęste chmury co powoduje że będzie 40% szans na start.

Edycja 8 – barka wyraźnie kieruje się do portu!!!

Dziś w porcie o 19:00 jest wielka parada świątecznie przybranych łodzi na którą się wybieram. Ciekawe czy SpaceX udekorował barkę???

Edycja 9 – ten facet nas wykończy!