![This image has an empty alt attribute; its file name is 09_01_21_slc2_w_firefly_9353_3000_wide.5.webp](https://fakaslrpehome.files.wordpress.com/2021/09/09_01_21_slc2_w_firefly_9353_3000_wide.5.webp?w=920)
Це був перший політ легкої РН, створеної зі значним залученням фахівців та експертизи з української столиці ракетобудування. Компанія назвала запуск таким що приніс важливі результати і з цим сперечатися не варто – Альфа не перша і думаю не остання РН яка зазнала фіаско в дебютному польоті. То може б не було чого багато писати про цей запуск, але мені захотілося на його прикладі розповісти вам про декілька цікавих речей і для цього я спробував провести
Root Cause Analisys аварії РН Apha
Root Cause Analisys (скорочено RCA) це методологія пошуку "root cause" або, як перекладають українською, «першопричини» події. Першопричина – це обставина яка призвела до аварії/катастрофи/відмови якогось процесу чи пристрою. Якщо усунути цю першопричину, то аварії не станеться, якщо ж ні – проблема буде повторюватися знову і знову. Також теорія RCA каже, що першопричина не може бути одна – їх має бути як мінімум дві, і вони мають бути з різних областей.
RCA широко використовується в найрізноманітніших галузях інженерії – від ракетно-космічної до ІТ, де власне ваш автор цьому і навчився. Це досить цікава штука і я подумав чому б не розповісти вам про неї. Звичайно, треба відразу відмітити, що це мінірозслідування я провів на основі публічно доступної інформації, такий собі OSINT. Так що дуже навіть може бути якийсь закритий шмат даних які мені не відомі і який міняє картину. Але сприймайте цей текст швидше як науково-популярний ніж як строге розслідування.
Давайте для початку встановимо послідовність подій під час довгоочікуваного дебютного польоту РН Alpha.
Ракета злетіла штатно, але на 15-й секунді польоту відключився один з маршових двигунів першого ступеню, що добре видно на цьому відео.
Позаяк РН зазвичай проєктують з деяким запасом тяги то вона змогла продовжити політ без одного двигуна, але почала летіти повільніше, що каже про те що тягу 3-х живих двигунів помітно не збільшували. Все було менш-більш добре до моменту виходу ракети на надзвукову швидкість, який стався на 1 хвилину і 13 секунд пізніше запланованого, тобто через 2 хвилини 20 секунд після старту.
Як ми бачимо на відео, в момент переходу від дозвукової швидкості до надзвукової почала втрачати стабілізацію. Система керування РН, через нестачу моменту кермування, яка виникла через відмову одного з двигунів, не змогла коригувати дестабілізаційний момент, РН починає відхилятися від траєкторії, перекидатися і розвалюється. Після цього ракету підривають командою з землі.
Давайте трохи глибше заглянемо в кожен ключовий момент описаних подій і присвятимо явищам, які відбуваються, невеликий ліричний відступ в якому спробуємо відповісти на декілька запитань які мені задавали на Фейсбуці.
Чому Firefly не припинили політ відразу після відмови двигуна?
А що ж таке сталося коли ракета досягла швидкості звуку?
Чому в цей момент вона почала втрачати стабілізацію і перевертатися? Вона що, вдарилася об звуковий бар'єр?
Ооооооо... Термін «звуковий бар'єр», придуманий журналістами 50-х настільки не правильний що в мене око починає сіпатися коли я його чую чи читаю. Тому давайте трошки ближче подивимося на те, що таке надзвуковий політ, чи точніше сказати — надзвукове обтікання і як він впливає на наші вуха та стабільність польоту ракети.
Отже, коли літальний апарат переміщається в повітрі навколо нього поширюються звукові хвилі. Доки його швидкість менша від швидкості звуку (число Маха М<<1) це ніяк не впливає на аеродинаміку. Але коли швидкість ЛА починає наближатися до швидкості звуку (М~1) виникають цікаві моменти. Газ вже не встигає передати звукову хвилю і вони ніби починають доганяти одна одну. При досягненні швидкості звуку повітря вже не встигає «розступатися» і при обтіканні літального апарату утворюються так звані стрибки ущільнення які ще називають ударними хвилями. Цей процес показано на класичних ілюстраціях різних швидкостей польоту літака.
![This image has an empty alt attribute; its file name is super-sonic.png](https://fakaslrpehome.files.wordpress.com/2021/09/super-sonic.png?w=650)
Ударні хвилі це області різкого збільшення тиску повітря (або іншого газу) і виникають вони не одноразово при перевищенні швидкості звуку. Надзвуковий літальний апарат генерує їх весь час польоті на надзвуковій швидкості. Саме ці ударні хвилі і утворюють грому коли досягають наших вух. Вони є причиною обмежень надзвукових польотів через шум, дискомфорт ба навіть руйнування які вони спричиняють при ударі об земну поверхню. Потужність і кількість ударних хвиль, створених надзвуковим ЛА залежить від числа Маха (відношення швидкості польоту ЛА до швидкості звуку), розмірів і аеродинаміка літального апарату.
![This image has an empty alt attribute; its file name is airbos_f7_p5.jpg](https://fakaslrpehome.files.wordpress.com/2021/09/airbos_f7_p5.jpg?w=1024)
Але ударна хвиля і грім який ми чуємо завдяки їй це не єдиний ефект надзвукового польоту. Газ який рухається з надзвуковою швидкістю поводить себе зовсім інакше як дозвуковий. Наприклад закон Бернуллі для нього вже не працює, і при звуженні потоку надзвуковий газ не прискорюється, як це описав швейцарський вчений, а навпаки сповільнюється. Ну і навпаки – при розширенні каналу надзвуковий потік прискорюється. Саме це до речі відбувається у соплі ракетного двигуна.
Така зміна властивостей обтікання при переході від дозвукового до надзвукового призводить до зміни балансування літального апарату. Для літаків дозвукової аеродинаміки це викликає ефект затягування в піке. (От власне саме проблеми з забезпеченням керованого польоту літака дозвукової аеродинаміки разом з недостатньою тягою двигунів журналісти назвали «звуковим бар'єром» маючи на увазі складнощі досягнення надзвуку. Для сучасних літаків, з потужними двигунами та надзвуковою аеродинамікою, звичайно ніякого звукового бар'єра вже не існує і ніхто його героїчно з громом, тріском і писком не долає.)
Для ракет перехід від дозвукового до надзвукового обтікання також не проходить безслідно. Річ у тім, що для забезпечення стійкого стабілізованого польоту центр мас ракети має бути попереду, з точки зору напрямку польоту, центру тиску. А в наслідок радикальної зміни законів аеродинаміки з дозвукових на надзвукові, центр тиску, тобто точка, в якій перетинаються всі сили які діють на ракету, зміщується вперед.
Ну тобто – мало того, що центр мас і так у міру спалювання пального зміщується назад, так і ще і центр тиску в нас на надзвуці стрибає вперед і ракета раптом стає ще менш стабілізованою. Що і сталося з РН Alpha як тільки вона перевищила швидкість звуку.
А це означає що їй знадобилося ще більше зусилля для керування і утриманні своєї просторової орієнтації.
А як же керують сучасними ракетами?
Те що для керування ракетою аеродинамічні поверхні, як у літака, не підходять зрозумів ще фон Браун. На початку польоту швидкість ракети занадто мала для їх ефективності, а коли вона вже розігналася – оппа, повітря вже практично скінчилося і аеродинамічні рулі вже знову немічні. Так що ще у 30-ті роки минулого сторіччя стало ясно що вибору у ракетників немає і треба керувати саме вектором тяги двигунів.
Способи керування тягою ракетних двигунів досить різноманітні і у кожного є свої переваги і недоліки. На А-4 прямо на соплі стояли газові рулі які відхиляли потік газу в потрібну сторону. Потім почали використовувати рульові сопла та камери. Але зараз практично золотим стандартом для рідинних ракетних двигунів стало встановлення самого двигуна чи камери, як у РД-171/РД-180 на карданному підвісі що дозволяє повертати весь двигун (чи камеру) у потрібному напрямку. Ось як це робив Space Shuttle.
РН Alpha не є винятком і її розробники також вирішили повертати двигуни для керування тягою. Я не знаю підробиць реалізації, але швидше за все приводи які повертають двигуни використовують гас в якості гідравлічної рідини і 4 двигуни попарно відповідають за 2 площини керування, а 2 чи всі 4 за керування по крену. Звичайно, що амплітуда відхилення двигунів залежить від компонування ракети та розмірів самих двигунів, а величина кермувального моменту – від тяги самого двигуна.
Таким чином, після відмови одного з 4-х двигунів, у ракети з'явився не тільки дефіцит тяги, але і кермувального моменту. Очевидно що на дозвуковій ділянці польоту РН ще могла стабілізуватися зусиллями 3-х двигунів. Але з переходом на надзвук балансування змінилося в гіршу сторону, ракета стала ще менш стійкою і 3 двигуни не змогли втримувати її просторову орієнтацію. Альфа почала перевертатися і її політ закінчився ефектним вибухом.
Отже, повернемося ж до головного питання, а саме:
Що ж могло стати root cause цієї аварії?
Судячи з описаної вище послідовності подій ми маємо 3-х кандидатів у першопричини:
- відмова маршового двигуна;
- перехід на надзвукову швидкість польоту;
- відсутність запасу кермувального моменту.
Чи сталася б аварія якби не відмовив двигун? Швидше за все що ні — все було б штатно. Отже, відмова двигуна є кандидатом в першопричини.
Чи сталася б аварія якби РН не вийшла на надзвук? Також ні, але тоді б ракета не виконала б свою задачу. Відмовитися від надзвукового режиму польоту неможливо, тому це не може бути першопричиною.
Чи сталася б аварія якби був запас кермувального моменту і 3 двигуни змогли б коригувати дестабілізаційний момент? Ні не сталася б. Тобто відсутність можливості керування ракетою на надзвуковому режиму польоту тільки трьома маршовими двигунами також є першопричиною.
Отже, маємо дві першопричини аварії:
- відмова маршового двигуна;
- замалий запас збільшення тяги і як наслідок відсутність запасу кермувального моменту від 3-х маршових двигунів.
Приберіть один з цих факторів і аварії не буде. Не врахуйте будь-який з них і проблема повториться.
А нащо так багато тексту скажете ви? Ясно ж що двигун не повинен відмовляти і крапка. І в Firefly вже написали, що двигун вимкнувся через закриття відсічних клапанів. Осьдечки, в цьому ж і причина скажете ви.
Ніт, двигун не має 100% надійності, а його відмова не повинна призводити до втрати керованості і стабілізації ракети. Якби Альфа не почала некеровано перевертатися, то як мінімум вдалося б виконати програму випробувань, а як максимум, можливо, і вивести на орбіту, хай і не розрахункову, корисне навантаження. Ну і до речі зовсім не факт, що і з усіма справними двигунами РН не втратила б стабілізацію при досягненні швидкості звуку.
На місці спеціалістів Firefly я б зосередився не тільки на вияснені причини відмови двигуна (яке саме по собі має бути зроблене за правилами RCA) але і на забезпеченні запасу тяги та керованості РН і трансзвуковій стійкості ракети. Але я думаю вони так само зараз проводять RCA і прийдуть до такого самого висновку ;).
Оригінал цього посту, а також інші мої лонгріди на аерокосмічну тему ви можете знайти в моєму особистому блозі.