На днях, 7 декабря 2015 японский зонд «Акацуки» героически вышел на орбиту Венеры после аварии пять лет назад. Об этом уже написал заметку marks. Мне хотелось бы дополнить историю, рассказав об аварии на изначальной миссии.
При весьма скромной массе около 500 кг при запуске (к примеру, советсткие «Венеры» имели массу от одной до пяти тонн) зонд «Акацуки» несёт 6 научных приборов. Чтобы уместить всю научную нагрузку и оставить место для двигательных установок с топливом были применены хитрые технические решения. И конечно — это же японцы — вовсю применялись инновационные технологии.
Одно из конструктивных решений для экономии массы — частичное объединение маневровой и маршевой двигательных систем (сама идея не нова — объединенные топливные баки для систем ориентации и основных маневров используются в кораблях «Союз» ещё с 1986 года — но не на всех аппаратах это применяется). На большинстве космических аппаратов двигатели ориентации работают отдельно от маршевых двигателей. При этом двигатели ориентации обычно работают на однокомпонентном топливе — это либо сжатый газ (в космической программе СССР часто применялся сжатый азот), либо не слишком химически стабильное вещество, разлагающееся с выделением тепла на катализаторе (часто применяются пероксид водорода или производные гидразина). В маршевых двигателях обычно применяют смесь топливо-окислитель, поскольку эффективность (удельный импульс) такой смеси выше, чем у однокомпонентного топлива. В межпланетные аппараты обычно заправляют смеси производных гидразина с тетраоксидом азота N2O4. Оба этих вещества могут долго храниться в жидком состоянии при высоких температурах, а их смесь самовоспламеняется. Таким образом, снимается сразу две проблемы — компоненты горючего не выкипают при межпланетном путешествии даже без серьёзной термоизоляции, а также не нужно заботиться о сложной и потенциально ненадёжной системе поджига, работающей в вакууме. Конструкторы «Акацуки» решили использовать одно и то же топливо — гидразин — из одного и того же бака и в монотопливной системе ориентации, и в маршевом двигателе на двухкомпонентном горючем. Это решение и позволило в итоге спасти аппарат.
Инновационной технологией было изготовление сопла двигателя с применением жаропрочной керамики — нитрида кремния Si3N4 вместо дорогих сплавов редкоземельных металлов. Двигатель в ходе работы подвергается высоким тепловым нагрузкам, для охлаждения горючую смесь подают обогащенной по топливу, «лишнее» топливо впрыскивают вдоль стенок, оно несколько охлаждает стенки, испаряясь, а получившийся паровой слой препятствует их нагреву (см. рис.)
FC — это «Film Cooling», плёночное охлаждение.
Топливо и окислитель в двигатель подаются за счет наддува баков. Это значит, что к бакам через специальные клапаны подключена вспомогательная ёмкость со сжатым газом (в данном случае — гелием), давление которого создаёт поток жидкости в двигатель и препятствует обратному потоку (который возникает за счет большого давления при сгорании). Степень открытия клапанов контролируется бортовым компьютером так, чтобы потоки топлива и окислителя во время работы двигателя поддерживались постоянными.
Итак, 7 декабря 2010 года маршевый двигатель зонда с уникальным керамическим соплом должен был включиться и проработать 12 минут для выхода на орбиту Венеры. Итак, зонд потерял связь с Землёй (just as planned, манёвр был намечен на время, когда аппарат был закрыт Венерой) и включил двигатель. Когда на связь с Землёй он не вышел в назначенное время, в ЦУПе переполошились. Когда удалось восстановить связь и получить телеметрию, причины отказа быстро прояснились.
Вот график ускорения аппарата во время работы двигателя. Сразу видно что-то странное: при постоянной тяге ускорение должно расти, т.к. масса аппарата уменьшается при выгорании топлива. Довольно быстро поняли, что поток одного из компонентов горючего был нарушен, что и вызвало снижение тяги.
Именно, начал понижаться поток топлива. Это произошло из-за коррозии на клапане наддува от паров гидразина. Солевая пробка помешала клапану открыться полностью, в результате давление в топливном баке понижалось по мере того, как оттуда уходило топливо. А значит, топливо тоже натекало в камеру сгорания всё медленнее, отчего тяга и падала. Но падение тяги не страшно само по себе, автоматика в любом случае запрограммирована на отключение двигателя лишь после получения заданного приращения скорости. На малой тяге манёвр лишь занял бы больше времени. Проблема была в том, что горючая смесь перестала быть обогащённой по топливу, а значит, охлаждение стенок несгоревшим гидразином перестало работать. Через 152 секунды с двигателем произошло что-то, что снизило тягу вдвое.
Телеметрия с датчиков угловой скорости показала, что ровно в этот момент аппарат начало закручивать, что свидетельствует об асимметрии тяги. Итак, тяга падает и в ней появляется компонента «вбок». Что могло произойти? Очевидно, часть реактивной струи бьёт в сторону. Если бы сопло было металлическим, то, скорее всего, имел бы место прогар — через небольшое прогоревшее отверстие выбивалась бы в сторону часть реактивной струи. Но это была высокотехнологичная керамика, которая сразу откололась большим куском.
Слева — сопло здоровогочеловека аппарата, справа — отколотое сопло.
Когда скорость вращения достигла критического значения 12 градусов в секунду, бортовая автоматика, наконец, поняла, что «что-то пошло не так», и двигатель отключила, в результате зонд прошёл по траектории облёта Венеры вместо выхода на орбиту.
В наземных тестах удалось воспроизвести как снижение тяги при прекращении подачи газа наддува, так и разогрев и откол сопла при работе с обеднением по топливу. Оставалось неясным лишь, какова величина повреждения. Если откололся небольшой кусок, то при следующем сближении можно было выйти на орбиту за несколько коротких включений двигателя, после каждого парируя вращение двигателями ориентации (вспоминается «Путь на Амальтею» Стругацких). К сожалению, пробный повтор запуска двигателя показал тягу лишь 10% от номинальной, что означало лишь одно — сопло отвалилось полностью. Тем не менее, баллистикам удалось найти выход — ориентировав аппарат в правильном направлении и слив окислитель, ставший балластом, было получено приращение скорости, затем манёвр был доведён до конца двигателями ориентации. Это позволило через пять лет снова пройти вблизи цели. Затем оставшийся гидразин был использован как однокомпонентное топливо для двигателей ориентации, и «Акацуки» успешно вышел на орбиту, хоть и не совсем ту, что изначально планировалась.
В итоге, несказанно радует, что одним чудесным спасением космического аппарата стало больше, и мы узнаем чуть больше нового о вселенной. В этот раз, к счастью, зонд сможет практически полностью выполнить изначально задуманную программу, а также появился шанс исследовать новыми ИК и УФ камерами Венеру не только с ближнего, но и с дальнего расстояния — это может дать самые неожиданные результаты. Будем надеяться, что научная техника не подведёт, и команду «Акацуки» ждёт множество новых открытий.
Материал и картинки взяты из статьи http://www.thespacereview.com/article/2822/1.
От всей души благодарю Shubinpavel за замечательную книгу, из которой я и узнал про план «второй попытки» за два дня до неё.
При весьма скромной массе около 500 кг при запуске (к примеру, советсткие «Венеры» имели массу от одной до пяти тонн) зонд «Акацуки» несёт 6 научных приборов. Чтобы уместить всю научную нагрузку и оставить место для двигательных установок с топливом были применены хитрые технические решения. И конечно — это же японцы — вовсю применялись инновационные технологии.
Одно из конструктивных решений для экономии массы — частичное объединение маневровой и маршевой двигательных систем (сама идея не нова — объединенные топливные баки для систем ориентации и основных маневров используются в кораблях «Союз» ещё с 1986 года — но не на всех аппаратах это применяется). На большинстве космических аппаратов двигатели ориентации работают отдельно от маршевых двигателей. При этом двигатели ориентации обычно работают на однокомпонентном топливе — это либо сжатый газ (в космической программе СССР часто применялся сжатый азот), либо не слишком химически стабильное вещество, разлагающееся с выделением тепла на катализаторе (часто применяются пероксид водорода или производные гидразина). В маршевых двигателях обычно применяют смесь топливо-окислитель, поскольку эффективность (удельный импульс) такой смеси выше, чем у однокомпонентного топлива. В межпланетные аппараты обычно заправляют смеси производных гидразина с тетраоксидом азота N2O4. Оба этих вещества могут долго храниться в жидком состоянии при высоких температурах, а их смесь самовоспламеняется. Таким образом, снимается сразу две проблемы — компоненты горючего не выкипают при межпланетном путешествии даже без серьёзной термоизоляции, а также не нужно заботиться о сложной и потенциально ненадёжной системе поджига, работающей в вакууме. Конструкторы «Акацуки» решили использовать одно и то же топливо — гидразин — из одного и того же бака и в монотопливной системе ориентации, и в маршевом двигателе на двухкомпонентном горючем. Это решение и позволило в итоге спасти аппарат.
Инновационной технологией было изготовление сопла двигателя с применением жаропрочной керамики — нитрида кремния Si3N4 вместо дорогих сплавов редкоземельных металлов. Двигатель в ходе работы подвергается высоким тепловым нагрузкам, для охлаждения горючую смесь подают обогащенной по топливу, «лишнее» топливо впрыскивают вдоль стенок, оно несколько охлаждает стенки, испаряясь, а получившийся паровой слой препятствует их нагреву (см. рис.)
FC — это «Film Cooling», плёночное охлаждение.
Топливо и окислитель в двигатель подаются за счет наддува баков. Это значит, что к бакам через специальные клапаны подключена вспомогательная ёмкость со сжатым газом (в данном случае — гелием), давление которого создаёт поток жидкости в двигатель и препятствует обратному потоку (который возникает за счет большого давления при сгорании). Степень открытия клапанов контролируется бортовым компьютером так, чтобы потоки топлива и окислителя во время работы двигателя поддерживались постоянными.
Итак, 7 декабря 2010 года маршевый двигатель зонда с уникальным керамическим соплом должен был включиться и проработать 12 минут для выхода на орбиту Венеры. Итак, зонд потерял связь с Землёй (just as planned, манёвр был намечен на время, когда аппарат был закрыт Венерой) и включил двигатель. Когда на связь с Землёй он не вышел в назначенное время, в ЦУПе переполошились. Когда удалось восстановить связь и получить телеметрию, причины отказа быстро прояснились.
Вот график ускорения аппарата во время работы двигателя. Сразу видно что-то странное: при постоянной тяге ускорение должно расти, т.к. масса аппарата уменьшается при выгорании топлива. Довольно быстро поняли, что поток одного из компонентов горючего был нарушен, что и вызвало снижение тяги.
Именно, начал понижаться поток топлива. Это произошло из-за коррозии на клапане наддува от паров гидразина. Солевая пробка помешала клапану открыться полностью, в результате давление в топливном баке понижалось по мере того, как оттуда уходило топливо. А значит, топливо тоже натекало в камеру сгорания всё медленнее, отчего тяга и падала. Но падение тяги не страшно само по себе, автоматика в любом случае запрограммирована на отключение двигателя лишь после получения заданного приращения скорости. На малой тяге манёвр лишь занял бы больше времени. Проблема была в том, что горючая смесь перестала быть обогащённой по топливу, а значит, охлаждение стенок несгоревшим гидразином перестало работать. Через 152 секунды с двигателем произошло что-то, что снизило тягу вдвое.
Телеметрия с датчиков угловой скорости показала, что ровно в этот момент аппарат начало закручивать, что свидетельствует об асимметрии тяги. Итак, тяга падает и в ней появляется компонента «вбок». Что могло произойти? Очевидно, часть реактивной струи бьёт в сторону. Если бы сопло было металлическим, то, скорее всего, имел бы место прогар — через небольшое прогоревшее отверстие выбивалась бы в сторону часть реактивной струи. Но это была высокотехнологичная керамика, которая сразу откололась большим куском.
Слева — сопло здорового
Когда скорость вращения достигла критического значения 12 градусов в секунду, бортовая автоматика, наконец, поняла, что «что-то пошло не так», и двигатель отключила, в результате зонд прошёл по траектории облёта Венеры вместо выхода на орбиту.
В наземных тестах удалось воспроизвести как снижение тяги при прекращении подачи газа наддува, так и разогрев и откол сопла при работе с обеднением по топливу. Оставалось неясным лишь, какова величина повреждения. Если откололся небольшой кусок, то при следующем сближении можно было выйти на орбиту за несколько коротких включений двигателя, после каждого парируя вращение двигателями ориентации (вспоминается «Путь на Амальтею» Стругацких). К сожалению, пробный повтор запуска двигателя показал тягу лишь 10% от номинальной, что означало лишь одно — сопло отвалилось полностью. Тем не менее, баллистикам удалось найти выход — ориентировав аппарат в правильном направлении и слив окислитель, ставший балластом, было получено приращение скорости, затем манёвр был доведён до конца двигателями ориентации. Это позволило через пять лет снова пройти вблизи цели. Затем оставшийся гидразин был использован как однокомпонентное топливо для двигателей ориентации, и «Акацуки» успешно вышел на орбиту, хоть и не совсем ту, что изначально планировалась.
В итоге, несказанно радует, что одним чудесным спасением космического аппарата стало больше, и мы узнаем чуть больше нового о вселенной. В этот раз, к счастью, зонд сможет практически полностью выполнить изначально задуманную программу, а также появился шанс исследовать новыми ИК и УФ камерами Венеру не только с ближнего, но и с дальнего расстояния — это может дать самые неожиданные результаты. Будем надеяться, что научная техника не подведёт, и команду «Акацуки» ждёт множество новых открытий.
Материал и картинки взяты из статьи http://www.thespacereview.com/article/2822/1.
От всей души благодарю Shubinpavel за замечательную книгу, из которой я и узнал про план «второй попытки» за два дня до неё.
