Wayne Hale zamieścił na swoim blogu całą serię ciekawych opowieści o locie STS-93. Aby dokładnie opisać problem z jakim spotkał się STS-93 , i ryzyko jakie groziło astronautom, Wayne podaje bardzo wiele mniej znanych szczegółów dotyczących budowy silników RS-25. I te mnie najbardziej zainteresowały, do tego stopnia że zdecydowałem się przetłumaczyć trochę z informacji jakie podaje. Wiedza jak działa RS-25 przyda nam się w przyszłości na wypadek (odpukać) jakichś problemów z rakietą SLS.
Zacznijmy od początku, czyli od tego co się stało z STS-93. Widać to na zdjęciu powyżej – jak się przypatrzycie dyszy prawego silnika to zauważycie na niej ślad. Ten ślad to dziura. Dziura która zrobiła zatyczka jednego z wtryskiwaczów ciekłego tlenu. Stąd historia wiedzie w dwóch kierunkach – po pierwsze skąd się wzięła zatyczka a następnie dlaczego ta dziura mogła się bardzo źle skończyć dla promu i załogi (poza oczywistym – rozerwaniem dyszy).
Zacznijmy od zatyczki i tego skąd ona się tam wzięła. Więc silnik RS-25 ma bardzo skomplikowany system mieszania paliwa i utleniacza – gorący, już gazowy wodór wpada do komory spalania środkową dyszą rozmiarów talerza z naddźwiękową prędkością i ciśnieniem 45 MPa. Silnik spala pół tony wodoru i tlenu na sekundę! Natomiast ciekły tlen wstrzykiwany jest przez małe dysze – jest ich 600. Dokładny kształt i rozkład tych dysz jest chroniony przepisami ITAR i nie jest jawny. Ale to dzięki nim spalanie w silniku jest równomierne, nie następują oscylacje (tak jak to było w przypadku silnika F-1) a najcieplejsze miejsca w komorze spalania (w których temperatura wynosi 3315°C – więcej niż temperatura wrzenia żelaza!) są daleko od jej ścianek (które pomimo bycia chłodzonym wodorem nie wytrzymały by czegoś takiego i by się przepaliły). Więc te dysze są bardzo ważne. Jednakże dla utrzymania niskiej masy silnika są one bardzo delikatne. Urwanie takiej dyszy w czasie startu jest katastrofalnym wydarzeniem (wg. nomenklatury NASA CIL Crit 1 – utrata pojazdu i załogi). W związku z czym każda taka dysza jest badana ultrasonografem przed każdym lotem. I do czasu lotu STS-93 dysze które nie wyglądały zbyt pewnie zatykano złotymi zatyczkami o kształcie pocisków. Działało to bardzo dobrze, zatkano w ten sposób 200 dysz w historii startów promów, żadna z dysz nie urwała się a zatyczki generalnie się trzymały na miejscu poza dwoma wypadkami. Jednym z nich był właśnie STS-93.
Drugi, ciekawy aspekt działania silnika RS-25 to stosunek ilości wodoru do tlenu. Jak pewnie czytelnicy pamiętają z zajęć z chemii w liceum, wagowo trzeba 8 razy tyle tlenu niż wodoru żeby spalanie było idealne. Jednak takie spalanie by produkowało zbyt wysoką temperaturę, a co więcej w wyniku eksperymentów okazało się że dodanie więcej wodoru poprawia ciąg rakiety. I po wielu eksperymentach zdecydowano że optymalnym jest stosunek 6.03:1 Te trzy setne są bardzo ważne. Prom jest zawsze tak zatankowany by z jednej strony odrzucić prawie pusty pomarańczowy zbiornik po wyłączeniu silników a z drugiej strony tak by zawsze zostało co najmniej pół tony niepotrzebnego wodoru. Dlaczego wodoru? Jeżeli by miało czegoś zabraknąć, to lepiej niech zabraknie tlenu – wtedy silniki grzecznie się wyłączą i nic złego się nie stanie. Jakby zaczęło brakować wodoru, to stosunek tlenu do wodoru skoczy do tych niebezpiecznych 8:1, co spowoduje natychmiastowe stopienie się łopatek turbosprężarki, jej eksplozję i następny CIL Crit 1. Ten problem był dość dobrze przetestowany – w czasie jednego z testów na stanowisku do testów statycznych w Stennis przypadkowo zabrakło wodoru i silnik błyskawicznie się rozmontował na elementy pierwsze. Więc prom zawsze leciał z nadmiarem wodoru tak, by przypadkiem to nie nastąpiło. Wyjątkiem były dwa loty – STS-78 i STS-93. W tym pierwszym problemem było zatkanie dużej ilości dyszek wstrzykujących tlen – podczas inspekcji silników wiele z dysz wyglądało niepewnie i trzeba było je przytkać tymi złotymi zatyczkami. Jednak było ich na tyle mniej, że stosunek tlenu do wodoru w komorze spalania wynosił 6.002 zamiast 6.03. I o mało nie doprowadziło to do katastrofy, na szczęście MECO (wyłączenie silników głównych) nastąpiło w tym samym momencie co informacja o skończeniu się wodoru w zbiorniku. NASA jak zwykle miała szczęście.
A wracając do lotu STS-93 – w tym locie zaraz po starcie zatyczka jednego z wtryskiwaczy puściła i wystrzeliła z siłą pocisku. Trafiając w dyszę i robiąc w dziurę w trzech rurkach przez które płynął wodór. Na szczęście sama dysza przetrwała, więc nie nastąpił samoczynny demontaż silnika. Jednakże kontroler silnika zauważył mniejszy ciąg (część wodoru zamiast spalać się w komorze spalania uciekała z tych dziur) i żeby to skorygować zwiększył dopływ ciekłego tlenu (jako że nie wiedział co się dzieje dokładnie to założył że brakuje tlenu). Spowodowało to że stosunek ilości tlenu do wodoru w komorze spalania zmienił się z 6.02:1 na coś bliżej 8:1. Na szczęście tylko w komorze spalania a nie na turbosprężarce. Żeby było śmieszniej (albo straszniej) to w czasie tego samego lotu wysiadły jednocześnie dwa komputery sterujące silnikami, po jednym w dwóch silnikach. Było to także niezwykłe zdarzenie – nie wystąpiło to nigdy wcześniej ani nigdy później. Ale miało to wpływ na resztę lotu. Silnik RS-25 ma dwa niezależne komputery. Oba dzielą ze sobą dane i porównują swoje wyniki, oba mają własny zestaw osobnych czujników, ale tylko jeden z nich jest w stanie raportować dokładne dane na ziemię. Drugi, awaryjny wysyła tylko podstawowe dane. Awaria dwóch z tych komputerów w locie STS-73 spowodowana była złym przeprowadzeniem kabelka z zasilaniem, który obcierał o pewną śrubkę. No i się kabelki przetarły, zrobiło zwarcie i dwa silniki po kolei przeszły w tryb awaryjny.
Jak mówi stare przysłowie – nieszczęścia chodzą cyklonicznie. STS-93 był tego świetnym przykładem – jeden z dwóch lotów w którym puściła zatyczka wtryskiwacza i jedyny w ktorym ta zatyczka zrobiła dziurę w dyszy. A także jedyny lot w którym wysiadł komputer sterujący silnikiem RS-25. I żeby było ciekawiej to nie jeden, ale dwa kontrolery. Oczywiście jak jest cyklon to idzie na całego – zanim prom dotarł na właściwą orbitę to skończył się ciekły tlen w zbiorniku (dzięki temu że jeden silnik zużywał go trochę więcej niż powinien). Na szczęście skończył się tlen a nie wodór.
Po locie STS-93 zmieniono sposób prowadzenia wiązki przewodów w RS-25 tak by nie było możliwe ich przetarcie oraz zmieniono procedurę – wtryskiwacze tlenu które nie przeszły inspekcji były wymieniane zamiast zatykane. A managerowie NASA utwierdzili się w przekonaniu że mają szczęście i że nawet kilka jednoczesnych, nietypowych i potencjalnie katastrofalnych awarii nie spowoduje utraty promu i załogi. Niestety prom kosmiczny Columbia (ten sam) pokazał że jest to błędne myślenie dwa loty później.
Dla czytających oryginalne artykuły Wayne’a – zajrzyjcie do komentarzy! Można się dowiedzieć bardzo wiele o procedurach awaryjnych na wypadek awarii silników w czasie startu – jak to Wayne określa – były one tak zaprojektowany by trzymać załogę zajętą aż do śmierci. Warto poczytać, polecam!
