Wszystkiemu winne silniki

Nadchodzące wieści z okolic zarówno Antaresa jak i SpaceShipTwo wskazują że w obu katastrofach przyczyną były silniki.

Zacznijmy od Antaresa – niepotwierdzone plotki wskazują na to że awaria mogła być bardzo podobna do awarii jaka nastąpiła w czerwcu 2011 roku podczas testu silnika AJ-26/NK-33 w Stennis. Wtedy to w wyniku mikropęknięć spowodowanych korozją pękła rura którą płynie kerozyna pod wysokim ciśnieniem. Niepotwierdzone plotki wskazują na to że podobny problem (choć z innym komponentem, jednak także spowodowany rozerwaniem jednej z rur w wyniku mikropęknięć spowodowanych korozją) spowodował zniszczenie silnika AJ-26/NK-33 na stanowisku testowym w Stennis w maju tego roku. Oczywiście Aerojet zarówno po awarii z 2011 jak i tegorocznej wprowadził dodatkowe testy części które zawiodły sprawdzające czy w pozostałych silnikach nie mają one także mikropęknięć spowodowanych korozją. Niestety wygląda na to że te mikropęknięcia mogą się zdarzyć w rożnych innych komponentach lub techniki stosowane przez Aerojet są niewystarczające do ich wykrycia. Warto zauważyć że silniki które leciały w nieudanym locie Antaresa przetrwały wcześniej uruchomienie na stanowisku testowym + bardzo dokładną inspekcję po takim teście. Można się spodziewać że po obecnej awarii Aerojet jeszcze bardziej zwiększy ilość testów/inspekcji jakim poddawane są silnik żeby wykluczyć możliwość powtórki. Ale pomimo ciągłego zwiększania ilości różnych testów/inspekcji silniki AJ-26/NK-33 mają nadal tendencję do rozpadania się w czasie działania i nie wiadomo czy Orbital będzie nadal chętny na ich używanie. Jak pisałem wcześniej Rosja także używa silników NK-33 do rakiety Soyuz 2.1v, ale jako że ich ilość jest ograniczona, to zaawansowane są prace nad silnikiem mającym je zastąpić – RD-193. Pojawiły się plotki że Orbital także chce ich użyć w Antaresie. Taka zmiana nie jest banalna i wymaga dość poważnego przeprojektowania rakiety. Do tego dostępność RD-193 jest ograniczona – nawet jeżeli orbital podpisał już kontrakt, to ich wyprodukowanie zajmie kilka miesięcy, przetestowanie i certyfikacja do amerykańskiej kerozyny następne kilka miesięcy. Optymistycznie nie należy się spodziewać lotu Antaresa z nowymi silnikami w 2016 a i 2016 jest niepewny. Więc raczej zostaje nadzieja że Aerojet znajdzie przyczynę zeszłotygodniowej awarii i sprawdzi że pozostałe silniki są wolne od tej wady. Ale co jeżeli problem z silnikami AJ-26/NK-33 wynika z wielu lat przechowywania w nieprawidłowych warunkach (silniki stały nieopakowane na drewnianych bloczkach w hangarze bez klimatyzacji przez kilkadziesiąt lat) i te silniki są po prostu niezdatne do użycia?

Drugą ofiarą silnika wydaje się być SpaceShipTwo. Po piątkowej katastrofie pojawiło się bardzo wiele artykułów na temat silników hybrydowych korzystających z N20, wyjaśniających zasadę ich działania i pokazujących jak niebezpieczne są te silniki, szczególnie jeżeli są duże/o dużym ciągu.

Zacznijmy od zasady działania, która jest banalna – silnik składa się ze zbiornika z N2O oraz z samego silnika w którym paliwem jest najczęściej HTPB (Hydroxyl-terminated polybutadiene) nazywany potocznie „gumą”. Podczas pracy silnika ciśnienie w zbiorniku N2O musi być większe niż ciśnienie w komorze spalania tak by N2O mógł do niej się swobodnie dostać – nie stosuje się żadnych pomp itp. I tu leży pies pogrzebany. Wraz z wzrostem ciągu potrzebne są coraz większe ciśnienia w komorze spalania. I coraz większe ciśnienia w zbiorniku N2O. A N2O jest bardzo niemiłą substancją chemiczną – przy odpowiedniej kombinacji ciśnienia i temperatury następuje spontaniczna, eksplozywna reakcja dekompozycji do azotu i tlenu. Jest ona egzotermiczna = jak się zacznie to następuje wielkie bum. Właśnie takie wielkie bum zdarzyło się Virgin Galactic w 2007 roku, kiedy to zginęło trzech pracowników Scaled Composites. W czasie piątkowego testu piloci poprosili o przesunięcie startu o dwie godziny dlatego że właśnie byli zaniepokojeni temperaturą N2O w zbiorniku pojazdu. N2O ma wiele innych, bardzo niemiłych właściwości – np. jest świetnym izolatorem ciepła co powoduje że w zbiorniku pełnym tej substancji mogą być obszary o diametralnie różnych temperaturach. Dlatego większe zbiorniki N2O muszą mieć zamontowany mieszacz.

Następnym wątkiem są informacje o silniku SS2 – tym nowym, w którym użyto nylonu zamiast HTPB. Przede wszystkim nylon jest podobno bardzo kruchy jak jest odwodniony. Po drugie wszelkie testy silnika dotychczas były dokonywane z dyszą ustawioną pionowo do góry, co mogło ukryć problemy z płynięciem nylonu. W czasie lotu nie tylko że silnik był ułożony w poziomie, ale także ciąg jaki produkował powodował że siły działające na nylon w środku były zupełnie w innym kierunku niż w czasie testów. Oderwanie się kawałka nylonu i zatkanie dyszy mogło mieć katastrofalne skutki – reakcja spalania nylonu w N2O zwiększa swoją intensywność wraz z rosnącym ciśnieniem!

NTSB wypuściło wczoraj film z oglądania wraku na którym można zauważyć wiele ciekawych rzeczy:

Przede wszystkim widać że zbiornik N2O nie jest rozerwany. Widać także że silnik nie jest do niego przymocowany. Na filmie wydaje się widać że silnik jest rozerwany na dwa kawałki – jego część leży zaryta w ziemię, z urwaną dyszą a drugi kawałek leży przykryty resztkami wraku.

Silnik z zarytą w ziemię częścią gdzie potencjalnie nastąpiło rozerwanie

Wrak i prawdopodobnie leżący w nim kawałek silnika z widocznym nylonem

Silnik leży daleko od reszty wraku co wskazywało by na jego oderwanie się w powietrzu.

Poniżej lepszy przekrój SS2 dla ciekawskich:

AviationWeek poinformował że NTSB ma olbrzymią ilość danych które pozwolą jej ustalić przyczynę katastrofy. Są filmy z kamer WhiteKingTwo (3 kamery), przetrwało nagranie z sześciu różnych kamer z SpaceShipTwo, jest też nagranie z samolotu który obserwował lot oraz nagranie z kamery w Edwards AFB (z której widzieliśmy zdjęcia). Jest też żywy pilot, który podobno jest w nie najgorszym stanie.  Więc przyczyny awarii zostaną szybko zidentyfikowane.

Ale co jeżeli okaże się że hybrydowy silnik jest po prostu niebezpieczny i dalsze używanie go przez SpaceShipTwo jest niemożliwe ze względu na bezpieczeństwo? Istnieje poważna szansa że taka konkluzja będzie zawarta w raporcie? Co wtedy? Pojazdu nie da się w prosty sposób przeprojektować na inny sposób zasilania – cała konstrukcja SS2 jest wokół tego silnika.

The Telegraph zamieścił wczoraj bardzo niepochlebny artykuł o Virgin Galactic. O tym jak firma od początku wiedziała że ten silnik jest niebezpieczny i nadal planowała go użyć. O tym że Scaled Composites nie ma żadnego doświadczenia w projektowaniu silników. O tym że w ciągu ostatnich kilku miesięcy z Virgin Galactic uciekli wice-prezydent od spraw bezpieczeństwa, wice-prezydent od spraw silników oraz główny inżynier od spraw aerodynamiki.

Pojawiły się także ciekawy raport o eksplozji z 2007 roku pokazujący jak bardzo amatorskie i nierozważne zachowania były obecne wśród inżynierów Scaled Composites. Eksplozja spowodowana była właśnie tym niemiłym zachowaniem N2O – pod dużym ciśnieniem i przy odpowiedniej temperaturze nastąpiła spontaniczna reakcja dekompozycji która błyskawicznie spowodowała eksplozję. Zginęły wtedy trzy osoby, które stały blisko silnika, choć nie powinno ich tam być.

Edycja – pojawiło się bardzo ciekawe nagranie:

Pokazuje ono „ducha” na obiektywie aparatu którym filmowano start. Zaletą tego „ducha” jest to że jest on znacznie mniej rozmyty – można dokładnie zauważyć co się stało. I wydaje się widać że awaria silnika była bardzo podobna do awarii z 2011 roku – spora ilość paliwa cieknąca bokiem i spalająca się w płomieniu. Co wskazywało by na rozszczelnienie się rury doprowadzającej kerozynę pod wysokim ciśnieniem. To nagranie potwierdza plotki o przyczynach awarii.