Дефект, который ждал десятилетия

[lozga.livejournal.com]

16 мая 2015 года произошла авария ракеты-носителя "Протон-М" с мексиканским спутником связи "Mexsat-1". По опыту недавних аварий наиболее логичной причиной выглядел производственный дефект - некачественно сделанная или установленная с нарушением технологии деталь прошла недостаточно скрупулезный контроль и сломалась в полете. Однако, результат расследования вскрыл почти детективную историю дефекта, который прятался в ракете десятилетиями.

Хронология

Для тех, кто следил за пуском, авария выглядела примерно так:

После 490 секунды диктор сообщил, что на ракете возникла нештатная ситуация и завершил репортаж.
Четыреста девяностая секунда - это участок работы третьей ступени, поэтому она сразу стала главным подозреваемым. Но без доступа к телеметрии и другим данным сделать какие-либо серьезные выводы человеку со стороны было невозможно. Наконец, 29 мая состоялась пресс-конференция, на которой назвали причину аварии:

Выводы комиссии:

• Причиной аварии является конструктивный дефект рулевого двигателя третьей ступени. В жестких условиях работающего двигателя с высокой температурой и вибрацией ротор турбонасосного агрегата мог терять прочность. Ослабевший ротор еще сильнее вибрировал, перегревался и в итоге разрушался.


• Этот дефект, кроме аварии 2015 года, является причиной аварий 2014 и 1988 годов.


• Для устранения дефекта будет изменен материал ротора турбонасосного агрегата. Кроме этого, изменят крепления ТНА к раме маршевого двигателя и методику балансировки ротора ТНА.


• В рамках расследования также выявлены замечания к менеджменту качества на предприятиях, по этим замечаниям будут приняты меры.


• Расследованию помогли данные от дополнительных датчиков вибрации, которые были установлены после аварии 2014 года.

Матчасть

Фраза "ротор турбонасоса рулевого двигателя третьей ступени" выглядит страшновато, поэтому стоит сделать пояснения.
Ракета-носитель "Протон-М" состоит из трех ступеней и разгонного блока:



На участке работы третьей ступени это выглядит примерно так:



Двигательная установка третьей ступени, известная как РД-0212, состоит из маршевого двигателя РД-0213 (в центре) и рулевого двигателя РД-0214 с четырьмя камерами сгорания. Рулевой двигатель используется для управления полетом (камеры сгорания могут отклоняться до 45°), отделения от второй ступени и осаждения топлива перед запуском маршевого двигателя.



Турбонасосный агрегат РД-0214 интересен тем, что использует две турбины на одном валу, генераторный газ после которых идет на наддув баков третьей ступени.


1 - клапан газогенератора; 2 - газогенератор горючего; 3 - пусковой клапан горючего; 4 - наддув в бак горючего; 5 - стартер; 6 - регулятор; 7 - клапан; 8 - клапан КС; 9 - камера сгорания; 10 - сильфон; 11 - стабилизатор; 12 - наддув в бак окислителя; 13 - пусковой клапан окислителя; 14 - клапан газогенератора; 15 - газогенератор окислителя; 16 - клапан газогенератора; 17 - узел качания.

Небольшой FAQ

Почему причину аварии не обнаружили еще в 1988 году?
Потому что ракетная техника очень сложная. Обычно можно легко определить, "где" сломалось, но на вопрос "почему" ответить гораздо сложнее. Прежде всего, практически всегда не хватает данных. Сломавшийся блок летает в космосе, или, обгорев и, как минимум, частично разрушившись в атмосфере, падает в океан, тайгу или еще какое малодоступное место. Без доступа непосредственно к "железу" приходится делать вывод по телеметрии. А телеметрия не передает информацию о состоянии каждой детали из тысяч установленных. И в условиях нехватки информации легко ошибиться, выбрав более вероятную, но неверную версию. Причину аварии 1988 года определили как "обрыв трубки", и, возможно, посчитали ее единичным дефектом (если трубки той же партии двигателей были нормальными), либо укрепили конструкцию оборвавшейся трубки, если в ее прочности были сомнения. А то, что этот "обрыв трубки" был следствием повреждения ТНА установить не смогли. В 2014 году в качестве причины аварии определили разрушение подшипника вала турбонасоса. Опять же - правильно указано место, и подшипник вполне мог разрушиться от биений вала, но истинную причину найти не получилось. К счастью, на подозрительное место установили датчики вибрации, с помощью которых, наконец, получили нужную информацию, указывающую на истинную причину аварии.

Почему дефект так странно проявлялся и "ждал" больше двадцати лет?
Потому что в сложных технических системах какие-то слабые места могут быть неочевидны проектировщикам, нормально проходить испытания и прекрасно летать десятилетиями, ломаясь только при специфическом сочетании факторов. В реальной технике всегда есть допуски на точность изготовления деталей, температуру и давление рабочих жидкостей и т.п. Деталей много, условия меняются, количество возможных комбинаций, согласно комбинаторике, становится огромным. И получается, например, что чуть более теплый, но в пределах допустимого, окислитель закипает там, где нормально тек десятки полетов. Также, ракетная техника всегда работает на пределе прочности и других характеристик материалов - чтобы выводить больше груза конструкция должна быть предельно легкой, двигатель должен выдавать предельно возможную тягу. И небольшого перегрева вращающегося с огромной скоростью вала хватит для того, чтобы он стал чуть менее прочным, чем необходимо.

Наши ракеты часто падают. Мы разучились их делать?
Нет, не разучились. У нашей космонавтики (как и у космонавтики любой другой космической страны) хватает проблем, но хоронить ее можно только будучи глубоко ангажированным. Если посмотреть на произошедшие аварии, то видно, что они происходят по разным причинам в разных блоках разных аппаратов и не повторяются. Это хороший признак - после аварий проводятся расследования и устраняются их причины. Да, некоторые аварии происходят по очень обидным причинам, но это говорит о том, что космос беспощаден к качеству.
Говоря о положении дел в целом, нельзя забывать о том, что по количеству пусков мы ведем много лет подряд, по количеству аппаратов на орбите входим в тройку лидеров, и в последние годы успешно испытываем новые ракеты-носители и запускаем уникальные научные аппараты.
Ну и, наконец, нельзя забывать о том, что космонавтика относится к вопросам престижа государства, поэтому каждая авария максимально раздувается малограмотными ангажированными людьми с любовью к глобальным выводам.

К "Протону" потеряли доверие и не будет больше заказов на коммерческие пуски?
Безусловно, любая авария бьет по престижу ракеты-носителя, и "Протон" не может похвастаться многолетней безаварийностью. Но делать выводы о потере доверия нельзя. Вот, например, новость от января этого года. Пакет заказов коммерческих пусков "Протонов" сформирован до 2017 года. А конкретные заказы и их стоимость являются коммерческой тайной. Сделать выводы о потере доверия к "Протону" можно будет только после заметного падения количества запусков (без учета вынужденного простоя на расследование аварий и доработку конструкции после них).

По тегу "космические происшествия" - аварии и катастрофы, с людьми и без, случившиеся и почти случившиеся.

Интересно? Подписывайтесь на обновления.

Comments

[lozga.livejournal.com]

В том-то и дело, что просто гонять его на стенде не поможет. Если его просто перегрузить, он сломается, так тоже не пойдет. Получается, нужно получить информацию, как именно он перегружается на ракете, а потом уж разбираться, что ломается. А информацию без аварии и доп. датчиков не получишь.

[lev-evgenevi4.livejournal.com]

Странно, зачем тогда эти стенды и испытания вообще? Собирай наобум ракеты, пуляй в небо, а потом копайся в обломках -решение!

[lozga.livejournal.com]

Не доводите до абсурда. Стенд позволяет проверить расчетные (до пуска) или зафиксированные в полете (по датчикам) нагрузки. Но тут особенность именно в том, что расчетные нагрузки блок держит.

[lev-evgenevi4.livejournal.com]

А понятия "испытание на разрушение" и "запас прочности", видимо, ракетчикам не знакомы?

[fan-d-or.livejournal.com]

Вы представляете себе объём стендовых испытаний, сопровождающих процедуру конструирования ракеты-носителя?

[ubpskh.livejournal.com]

Советская ракетная программа 50-начала 70х годов примерно по такому принципу и работала. У того-же Протона не помню точно, но около 14 пусков из первых 20 были неудачными

Американцы этот период прошли к середине 60х

[fan-d-or.livejournal.com]

Это не правда.

[krajn.livejournal.com]

А у Вас в подполе не происходит неизвестный в природе стук?

[ahax.livejournal.com]

Сказали же - когда есть обломки, тогда в них копаются. Но чаще всего обломков для копания нет.

[akbulyakov.livejournal.com]

Наводящий вопрос - вы системщик? С понятием "системные испытания" знакомы?

[filos0v.livejournal.com]

Вообще при Королеве так и работали. Это одна из причин провала Н-1. Разработка Сатурна, была несколько иннавационна, как раз тем, что двигатели отработали по отдельности и в связке еще на земле, построив не маленький такой стенд.

[paskin.livejournal.com]

Такой подход уже угробил лунную программу. Американцы уделяли и уделяют огромное значение компьютерному моделированию всего и вся - поэтому их программы и обходились гораздо дешевле (в паритете зарплат и расходов). В Союзе - России старались "проверять пуском", тратя на это колоссальные деньги.

[georg-pik.livejournal.com]

В России тоже есть расчетные программы. Но разница в том, что зарубежные коммерческие - ими может пользоваться любой инженер, имеющий достаточную квалификацию. В России - программой может пользоваться небольшая группа людей совместно с разработчиками.

[paskin.livejournal.com]

Более того, один из моих преподавателей в начале 80х плотно занимался моделированием узлов подводных лодок и, по его словам, свалил оттуда из-за того что никому это не было нужно - КБ спускало теоретические рассчеты, завод делал, ставил на лодку и в море (а потом - все сначала).

[fan-d-or.livejournal.com]

Лунную программу угробил исключительно дефицит времени - отработка конструкции на летающем стенде есть вполне приемлемое решение при катастрофическом дефиците времени.
И по большому счёту - не дороже развёртывания инфраструктуры испытательных стендов, которые тоже очень не бесплатны.

Ну, и надо понимать - что с чисто политическими амбициями нефиг лезть в серьёзное дело...

[jr0.livejournal.com]

А профессионалы с вами не согласны. Но, разумеется, вы можете иметь скромное мнение.

Кстати, на стендах американцы тоже меньше испытывают и тратят.

[paskin.livejournal.com]

Одно дело - летающий стенд, другое - "падающий" одноразовый, стоимостью в миллионы и часто не дающий представления о том, что и где пошло не так.

[fan-d-or.livejournal.com]

Американская ракетная техника, как впрочем и авиация, обходились и обходятся в десятки раз дороже русских - при сопоставлении по конкретным техническим задачам и их решениям.

Единственно, Маск сделал рывок в отношении оптимизации конструкторской процедуры - но есть некоторая уверенность, что не все плюшки он ещё откушал.

Но Маск по большому счёту не есть "американская космическая отрасль" - он сам по себе...

[jr0.livejournal.com]

Не обходились и не обходятся хоть сколь-нибудь дороже. "Это неправда". Ровно наоборот, и положение на рынке авиации это убедительно показывает.

Естественно, из соображений демагогии легче всего не учесть стоимость разработки и постройки производств, бедственное положение отраслей.

Вот и цены Маска отличаются, да не на порядок, как всегда пишут демагоги без образования.

[doktoraikasap.livejournal.com]

Да что вы говорите! Американцы вышли вперед именно потому что успели построить стэнды для мощных ракетных двигателей и на этой выехали вперед. Единственная причина. А в СССР из-за распыления сил и средств на массу конкурирующих и даже не нужных программ не успели. Компьютерное моделирование же возможно только на основании сбора комплекса данных, то есть нужен стэндовый и натурный этап испытаний для наработки исходных данных и тогда о чудо можно использовать компьютерное моделирование для создание новых, но технологически и конструктивно подобных изделий. Маск пошел по пути как стэндовых, так и натурных испытаний, компьютерные как оказалось тупо не сработают, так как такого еще никто не делал. А Lockheed Martin своим F-35 штук 100 небоеспособных машин сделала чтобы на основании полученного опыта сделать боеготовые машины. Не надо абсолютизировать компьютерное моделирование. В неизведанных областях знаний они не помогут.

[jr0.livejournal.com]

Американцы в изучении космоса и были все время впереди, по самой сути. СССР в тайне обошли их, потому что СССР против США нужна МБР, а легкую боеголовку, как в США, сделать не сумели.

А вот стенды - да, были готовы до начала лунной программы. И разработка основных двигателей началась до. И это двигатели не для МБР, а для межпланетной ракеты.

Маск начал со стендов. Никогда не сосредотачивался на компьютерном моделировании. Он систему управления создал, которая приспособлена к многокрназемным испытаниям. Двигатели и ракету, которые можно испытывать на столе многократно. А не как у некоторых.

Об F-35 вам писать не надо. Невежа и распространитель сплетен.

[paskin.livejournal.com]

Когда в СССР кибернетика еще считалась "продажной девкой империализма" - в Штатах JPL ("Лаборатория реактивного движения") получала суперкомпьютеры одной из первых и все время их модернизировала. Как вы думаете, зачем они нужны были - в Тетрис играть?

[iv-an-ru.livejournal.com]

Советскую лунную программу угробил бюджет размером примиерно 1/300 от бюджета программы Штатов (если сравнивать этап к этапу). Ну и требования по надёжности в задания были вписаны, мягко говоря, различные. Про компьютерное моделирование примениетльно к лунной программе --- это особенно сильно.

[georg-pik.livejournal.com]

CAE системы в помощь

[prospace.livejournal.com]

"К "Протону" потеряли доверие и не будет больше заказов на коммерческие пуски?
Безусловно, любая авария бьет по престижу ракеты-носителя, и "Протон" не может похвастаться многолетней безаварийностью. Но делать выводы о потере доверия нельзя."
Если можно прокомментирую.
Здесь очень многое будет зависеть от следующих факторов.
1. Как Вы знаете, ILS хоть и принадлежит центру Хруничева, но маркетинговую работу с заказчиками осуществляет американская сторона. Я имею ввиду получение лицензий госдепа на запуски спутников, содержащие элементы, детали или другую фигню, произведенную в США. С ними работают, как раз специалисты из Америки. Они же пока отвечают и за работу с заказчиками. Насколько российской стороне и специалистам ILS удастся обосновать причины аварии и правильность принимаемых мер по устранению в дальнейшем подобных случаев - от этого зависит доверие к нашей ракете-носителю.
2. Страховщики. Ежегодные аварии приводят к увеличению страховой составляющей в стоимости контракта. Т.е. эта сумма будет расти. Она же влияет и на стоимость контракта. Сейчас понятно, что для того, чтобы получать новые контракты, необходимо (в силу последних событий) снижать стоимость запуска. Но, как бы не получилось, что цена контракта стала бы ниже себестоимости самого производства ракеты-носителя. Этого тоже нельзя допустить. Хотел бы заметить. После череды аварий Протона в 2010-2013 годы в 2014 году не было заключено ни одного нового контракта на запуски иностранных спутников с помощью нашей ракеты-носителя. Не слышно пока и в нынешнем году о них.
3. Многое будет зависеть от действий, как нового руководства предприятия, так и Роскосмоса. Если смогут найти аргументы в свою пользу и вернуть доверие заказчика - это одно. Нет, то можно после 2018 года забыть о коммерции Протона. Кстати, история интересная штука. Как известно, Хруничев с ПАротоном стал выходить на мировой рынок в 1993 году. Это были первые контакты. Даже в 1992 году. Это потом в 1993 был создан ЛХЭ, потом ILS. Киселев Анатолий Иванович (первый Генеральный директор Хруничева) смог выйти на рынок, и не в простых условиях 90-х сохранить предприятие. Теперь слово за новым поколением.