Гадаем о причинах и последствиях аварии Falcon 9 первого сентября

Вечером первого сентября, примерно за восемь минут до начала тестового прожига двигателей первой ступени ракеты Falcon 9 Full Thrust, в районе верхней части второй ступени произошел взрыв. Вместе с ракетой была уничтожена полезная нагрузка — израильский телекоммуникационный спутник AMOS 6, также повреждения неизвестной степени тяжести получил стартовый комплекс. Попробуем угадать, что произошло, и определить, к каким последствиям приведет эта авария.

Хронология событий

1 сентября 2016 года. Ракета-носитель Falcon 9 Full Thrust готовится к тестовому прожигу (запуску двигателей на короткое время) первой ступени. В нескольких километрах от старта находятся представители организации ветеранов-инвалидов US Launch Report, которые ведут съемку в отличном качестве.



Примерно восемь минут до начала теста. Последний «нормальный» кадр видео.



На следующем кадре ракету озаряет большая вспышка.



Взрыв настолько ярок, что подсвечиваются окрестности стартового комплекса — башни громоотводов и бак справа внизу.



+0,15 секунд. Камера автоматически адаптируется ко вспышке, становится видно, как по сторонам взрыва выбрасываются потоки жидкого кислорода.



+0,8 секунд. Взрыв заметно распространяется в ширину больше, чем в высоту. Это логично, потому что сверху и снизу днища баков полусферические, они более прочные, а плоские боковые стенки разрушаются легче. Под облаком жидкого кислорода становится виден льющийся из разрушенных баков второй ступени керосин.



+3 секунды. Льющийся керосин накрывает первую ступень. Судя по белому пару внизу она уже потеряла прочность.



На четвертой секунде первая ступень окончательно разрушается, и пламя вспухает от воспламенения сотен тонн ее топлива.





+11,5 секунд. В пламя на стартовом комплексе падает головной обтекатель со спутником.





+14 секунд. От удара топливные баки спутника разрушаются, и самовоспламеняющиеся гептил и амил добавляют пламени. Коричневый дым в левой части кадра почти наверняка амил (тетраоксид азота)



Прошла минута. На стартовой площадке горит керосин.



Спустя некоторое время пожар гаснет.

Отбраковка

Безусловно, без данных телеметрии, видеофиксации и доступа к стартовой площадке, мы можем только гадать, что именно случилось. В то же время, по имеющимся данным можно отбросить некоторые версии, которые точно не могут быть причиной взрыва.

НЛО
Тот факт, что в кадре недалеко от ракеты двигалась черная точка, заставил некоторых особо некритичных пользователей заявить, что Falcon, не много, ни мало, сбили пришельцы.



Если вы прислушаетесь к оригинальному видео, то услышите звуки достаточно активно живущей фауны, а в кадре будут в разных направлениях двигаться черные точки. Эта черная точка, скорее всего, пролетевшее близко насекомое. С меньшей вероятностью — птица чуть подальше. Разнообразная фауна регулярно становится поводом для красивой фотографии, вроде этой сороки при старте «Экзомарса».



Разрушение шар-баллона с газом наддува
Немного похожая история произошла со второй ступенью Falcon 9 в прошлом году. Крепление баллона наддува было изготовлено с нарушениями технологии. Крепление сломалось, баллон стал смещаться и потерял герметичность. Вторая ступень, фактически, лопнула от избытка давления. Но в подобном случае мы бы увидели сначала картину разлетающихся осколков и потоков жидкого кислорода, а потом уже — пожар. Поскольку керосин и кислород не самовоспламеняются при контакте, потребовалась бы мощная искра, чтобы топливо воспламенилось.



Включение двигателя спутника
На самом спутнике тоже есть двигатель. Если бы люди или техника дали ошибочную команду на его запуск, то события бы развивались по другому — сначала бы сорвало головной обтекатель или переходник между второй ступенью и головным обтекателем, и был бы хорошо виден поток газов от работающего двигателя. Авария развивалась слишком быстро для такого сценария.

Дополнительная информация

На фото вспышки можно видеть четыре луча засветки. По ним можно попытаться построить точное место взрыва на ракете:



Есть фотографии этого места с других пусков в более высоком качестве.


Это же фото без кадрирования и высотой 3000 пикселей

С той же стороны, с которой стояла камера.



Также можно найти примерную циклограмму реального пуска. Поскольку прожиг первой ступени является максимально приближенным к полноценному пуску тестом, эта циклограмма должна быть близка к тому, что происходило на площадке. Показан участок с Т-10 минут до Т-7 минут.

T-0:10:00 Stage 2 Venting for LOX Fast Fill — начало дренажа второй ступени для быстрого заполнения жидким кислородом.
T-0:09:50 Flight Software Final Setups complete — закончены последние настройки полетного программного обеспечения.
T-0:09:45 TEA-TEB Ignition System Setup — настройка системы зажигания двигателей (самовоспламеняющаяся смесь триэтилалюминия-триэтилборана).
T-0:09:45 Stage 2 Transmitter Re-Activation — повторное включение передатчика второй ступени.
T-0:09:30 M1D Trim Valve Cycling — циклические переключения клапана M1D.
T-0:09:15 Stage 1 Helium Topping — заполнение баков наддува.
T-0:07:45 MVac Fuel Trim Valve Setup — настройка топливного клапана MVac
T-0:07:30 Engine Chill Readiness — готовность к захолаживанию двигателя (здесь может быть пауза в подготовке к пуску, если готовность не достигнута)
T-0:07:00 Engine Chilldown (Bleed Valves Open, both Stages — захолаживание двигателей первой и второй ступеней — открытие дренажных клапанов.

Из этого списка первая операция была однозначно выполнена — на видео хорошо заметен белый дымок испарившегося из баков кислорода. А последние две операции однозначно не были выполнены — не было паузы в дренаже испарившегося кислорода.

Дополнительно можно попробовать оценить происходящее по видео с синхронизированным звуком — камера стояла в нескольких километрах, и звук пришел сильно позже. А тут авария звучит как если бы камера стояла совсем рядом.



Ну и, наконец, весьма любопытно, что пользователь Reddit, утверждающий, что он работал в SpaceX, уверенно говорит, что проблема в наземном оборудовании, а не ракете.

Версии

Какие события могли вызвать такой мощный и быстрый взрыв? Версии расположены в произвольном порядке.

Утечка компонентов и короткое замыкание
В районе заправочных горловин могла начаться утечка компонентов топлива и окислителя. Затем короткое замыкание поджигает эту смесь, получается небольшая бомба объемного взрыва. В пользу этой версии говорит то, что авария произошла при заправке ракеты. С другой стороны, утечку не так сложно заметить, и требование второй аварии — короткого замыкания для воспламенения делает такую комбинацию менее вероятной.

Нарушение чистоты кислородных магистралей
Промасленная тряпка в трубопроводе кислорода может стать источником самовозгорания — масло может загореться в чистом кислороде. Либо большое масляное пятно забыли на стенке бака окислителя. В этом случае не нужна сложная цепь причин, но требуется серьезное нарушение (или ошибка в инструкциях) персонала. По похожим причинам в истории случались катастрофы с жертвами среди стартовой команды.

Утечка из системы зажигания
Судя по циклограмме, примерно в это время настраивается система запуска двигателей на самовоспламеняющихся компонентах триэтилалюминий-триэтилборан. Утечки этих компонентов достаточно для возгорания.

Ошибочное срабатывание системы подрыва
Ракеты, стартующие с мыса Канаверал, обязательно оснащаются системами подрыва при аварии. Неизвестно, где стоят такие заряды на Falcon 9, но ошибочная команда на подрыв вполне может обеспечить похожую картину происшествия.

Прожигать или не прожигать

То, что авария произошла при подготовке к тестовому прожигу первой ступени, вызвало дополнительную критику прожига как метода испытания ракет-носителей. На мой взгляд, этот тип испытаний, как любое техническое решение, имеет свои плюсы и минусы. Такой тест максимально близок к реальному пуску, например, прожиг «Зенита» мог бы поймать проблему с бортовым источником мощности, из-за которой на первых секундах полета произошла авария на «Морском старте» в 2013 году. В то же время «почти настоящий пуск» при прожиге дополнительно расходует ресурс двигателей, клапанов и прочего, что повышает вероятность аварии в реальном полете. Да, сейчас каждый будет советовать Маску, чтобы он прожигал только первую ступень, чтобы не терять полезную нагрузку, но это означает интеграцию второй ступени и полезной нагрузки уже после прожига, то есть дополнительные операции, которые не проверяются на нем. Может быть, прожиг вообще не имеет отношения к данной аварии — взрыв произошел на второй ступени, кто знает, может быть она так же разрушилась бы 3 сентября при подготовке к реальному пуску?

Ну и, наконец, стоит отметить, что Маск не единственный, кто использует прожиг ракеты-носителя на стартовом сооружении. То же самое делает (временно, до строительства полноценного тестового стенда) Orbital с ракетой Antares. И, при всем имеющемся тестовом оборудовании, прожигали даже Спейс Шаттл. Подобный тест — операция не часто встречающаяся, но все-таки используемая в ракетной технике. Главное так построить процессы, чтобы плюсы прожигов перевешивали минусы.

Последствия

Без сомнения, эта авария очень серьезно ударила по SpaceX. Стартовый комплекс получил серьезные повреждения, как минимум, до конца года новых пусков на нем не будет. Шесть из восьми планируемых пусков SpaceX 2016 года должны были производиться с разрушенного стартового комплекса, и они однозначно будут серьезно задержаны — пуски на геостационарную орбиту нельзя перенести на другой стартовый комплекс на космодроме Ванденберг. Есть некоторые шансы, что строящаяся площадка LC39A для Falcon Heavy будет готова раньше, чем закончится ремонт поврежденной LC40, но это, в любом случае, серьезно собьет пусковой график. А если причина аварии обнаружится в ракете, потребуется ее доработка, и тогда пуски всех Falcon 9 с любых космодромов будут приостановлены до устранения проблемы, а в космонавтике такие сроки измеряются месяцами.

Также серьезный удар получила фирма Spacecom, спутниковый оператор. В конце 2015 года вышел из строя AMOS 5, проработав всего четыре года вместо расчетных пятнадцати. А погибший AMOS 6 должен был стать самым тяжелым и мощным спутником группировки. В СМИ появилась информация, что авария укладывается в страховку на транспортировку спутника, поэтому Spacecom все-таки получит страховые деньги, но время, увы, потеряно безвозвратно.

Самый Главный Вопрос

Кто-то может считать меня «маскофилом», кто-то — «маскофобом», на самом деле, я просто стараюсь предостеречь от излишнего фанатизма. Шок «как такое могло случиться у Гения Всех Времен И Народов» и злорадство «наконец-то этот жулик начал получать по заслугам» одинаково ошибочны. Ракеты падали, падают и будут падать у всех, кто их запускает. Вопрос в другом. Запуск AMOS 6 должен был стать 29 стартом ракеты-носителя Falcon 9 (модификаций 1.0, 1.1 и Full Thrust). Предыдущая авария с потерей спутника в 2015 году была на 19 по счету пуске. В 2013 году на четвертом пуске у первой ступени разрушился один из двигателей, и была потеряна попутная полезная нагрузка. Как ни считай, статистика аварийности пока выходит так себе. Авария AMOS 6 не убьет SpaceX, но если у Маска и дальше будет падать одна ракета в год (или на десять пусков), то ему будет очень сложно конкурировать на рынке пусковых услуг и за контракты NASA. А все красивые идеи с повторным использованием ступеней или колонизацией Марса, увы, не реализуемы без финансирования от NASA и дохода от коммерческих запусков.

UPD: Появилась информация, что Spacecom потребовала у SpaceX $50 млн или бесплатный пуск, также есть информация о возможном судебном иске к SpaceX. Если суд действительно будет, то репутационные потери могут еще возрасти.