AMOS 6 - Falcon 9-029 - Канаверал SLC-40 - 3-4 сентября 2016

[Штуцер]

Kromberg пишет:
Может для амеров это и в диковинку ("awfully lot" нового), но мы же знаем, как может гудеть водопроводный стояк при не полностью закрытом кране...

Мы слышали, как гудит система наддува, но только на нерасчетных режимах.  
Обычно СН отрабатывается на всех реальных режимах на отсутствие автоколебаний.

[Pavel Illarionov]

ZOOR пишет:

Kromberg пишет:
Как справедливо заметил opinion, для того, чтобы бак окислителя не "схлопнулся", в газовой подушке переохлаждённого ЖК должен присутствовать газ, не конденсирующийся при данных температуре и давлении.
Следовательно, даже при выключенном двигателе, уже должен производиться наддув гелия с небольшим расходом, то есть в режиме дросселирования.

Может для амеров это и в диковинку ("awfully lot" нового), но мы же знаем, как может гудеть водопроводный стояк при не полностью закрытом кране...
А совпадение колебаний дросселирующего клапана (или гармоники) с резонансной частотой одного из баллонов ("резонатор Гельмгольца"    ) как раз и могло привести к его разрушению...

В баке должны стоять демпфирующие перегородки, гасящие все колебания. Резонанс там найти будет сложновато. Легче поверить в дефект шар-баллона

Должны стоять и стоят - это две большие разницы  .

[Штуцер]

Не нужны в баке перегородки, демпфирующие акустические колебания.

[SN]

Feol пишет:
В данной аварии прорвало или оторвало верхнее днище гелиевого баллона. Баллон под действием реактивной силы гелия рванулся вниз, прошил межбакове днище, как пуля лист металла, и врезался в керосин. Неся за собой струю кислорода и облако искр пробитого металла. Всё смешалось и взорвалось.

В качестве размышлений по поводу...
1. При отрыве энергетически "интереснее" нижнее днище баллона для разрушения межбака (см. пуля-приклад).
2. Не уверен, что будет "прошито" днище межбака (движение в вязкой среде), но нарушение сплошности вполне могли бы присутствовать. Плюс может "помочь" ударная волна.
3. При ударном столкновении произойдёт разогрев как части оболочки баллона, так и днища в области контакта. Если бы не начальная температура соударяющихся частей, равная температуре ЖК, то уже на скорости порядка М локальный разогрев мог бы достигнуть температуры воспламенения керосина.
4. За "облако искр пробитого металла" не скажу, но при достаточной энергии удара в бак "Г" через область разрушения попадёт не только некоторое (небольшое) количество горячего кислорода, но и разогретые частички углеродного волокна.

Т.о. - да, можем получить и пробой межбака и инициатор взрыва. В принципе, достаточно достичь температуры вспышки небольшого объёма смеси, поскольку её взрыв может расширить "брешь" в межбаке.

[Feol]

Сергей пишет:
Так как толщина оболочек мала по сравнению с радиусом баллона , то приближенно можно считать , что окружная относительная деформация Sok одинакова и у алюминия , и углепластика (при совместной работе), и ее можно посчитать приближенно по формуле : Sok=P*D/2*(Ea*Ta+Ek*Tk)
где Р - давление в баллоне, D - внутренний диаметр баллона; Ea,Ta - модуль упругости и толщина обечайки для алюминиевого лейнера, с индексом k - аналогично для композитной оболочки.
Окружное напряжение в композитной оболочке Gok = Ek*Sok;

Окружное напряжение в алюминиевой оболочке Goa = Ea*(Sok + alfa*delta С) ;

где alfa - коэффициент линейного расширения алюминия, delta С - разница температур между температурой ЖК и температурой лейнера при намотке углеродных лент.
В продольном направлении Sp обечайки вдвое меньше.Остальное аналогично. Если задаться характеристиками материалов можно посчитать и деформации, и напряжения, и толщины, приближенно разумеется.

Чтобы понять, что не так у них с баллонами, вот что интересно. На пальцах - для понимания в первом приближении. Сам с расчетами баллонов не сталкивался.

Допустим, что у нас есть баллон из однородного металла, состоящий из цилиндрической части и полусферических днищ. Допустим, что его полная габаритная длина (по верхушкам днищ) в 4 раза больше, чем диаметр.

Допустим далее, что мы охладили этот баллон до некоторой температуры Т без давления (внутренняя полость сообщается с атмосферой) и обнаружили, что из-за термического сжатия его диаметр уменьшился на 1 мм. Означает ли это, что габаритная длина при этом уменьшилась на 4 мм?

Теперь начинаем потихоньку наддувать баллон идеальным газом, стараясь удерживать температуру баллона и газа близкой к Т. Продолжаем наддув до тех пор, пока его диаметр из-за деформации от давления не вернётся к исходному (полагаем, что не лопнет). Означает ли это то, что его длина в этот момент так же вернётся к исходной? Или нет?

[us2-star]

Feol пишет:
Допустим, что у нас есть баллон из однородного металла, состоящий из цилиндрической части и полусферических днищ. Допустим, что его полная габаритная длина (по верхушкам днищ) в 4 раза больше, чем диаметр.

Допустим далее, что мы охладили этот баллон до некоторой температуры Т без давления (внутренняя полость сообщается с атмосферой) и обнаружили, что из-за термического сжатия его диаметр уменьшился на 1 мм. Означает ли это, что габаритная длина при этом уменьшилась на 4 мм?

Очень сильно сомневаюсь...  А какова толщина стенки?

[Штуцер]

Feol пишет:
Теперь начинаем потихоньку наддувать баллон идеальным газом, стараясь удерживать температуру баллона и газа близкой к Т. Продолжаем наддув до тех пор, пока его диаметр из-за деформации от давления не вернётся к исходному (полагаем, что не лопнет). Означает ли это то, что его длина в этот момент так же вернётся к исходной? Или нет?

Конечно нет. Теоретически такое возможно только на шаре.  Кроме того, о каком диаметре речь. Если форма идеальная, без сварных швов и усилений, то больше всего раздуется цилиндр в центральной части.
Это все отвлеченные рассуждения, мало имеющие отношения к практике.

[Apollo13]

http://spaceflight101.com/falcon-9-amos-6/spacex-resorts-to-creative-testing-in-falcon-9-explosion-investigation/

SpaceX resorts to 'Creative' Testing in Falcon 9 Explosion Investigation

 October 10, 2016 

Photo: SpaceX

SpaceX is continuing to narrow down the root cause of the Falcon 9 explosion on September 1st atop its Florida launch pad that had proven to be the most complex failure mechanism encountered in the company's 14-year history.

Tracing down the source of the destructive event which claimed the loss of the Falcon 9 and the Israeli AMOS-6 Satellite had proven difficult due to the rapid timeline of the initial blast that caused Falcon 9 to burst into a ball of fire eight minutes ahead of a scheduled test firing of its engines.

However, company officials said in the past week, tremendous progress is being made zeroing in on the root cause that, per current knowledge at SpaceX, is related to operational aspects as opposed to a fundamental flaw in the rocket's design – good news for a timely return to flight of the Falcon 9.

Camera view of the inside of the second stage's LOX Tank with Helium COPVs – Photo: SpaceX

SpaceX President Gwynne Shotwell spoke twice last week, at the APSSC Satellite Conference in Malaysia and the annual meeting of the National Academy of Engineering in Washington, reaffirming that the culprit lies within "business processes" and continuing to express hope that Falcon 9 can resume flying before the end of the year.

SpaceX confirmed on September 23 that the explosion was due to "a large breach in the cryogenic helium system of the second stage liquid oxygen tank." Being more specific, Shotwell said the prime candidate for the failure was a helium pressure 'letting go' – industry speak for rupturing.

The COPVs, Composite-Overwrapped Pressure Vessels, are responsible for storing high-pressure helium which is heated up in flight and supplied to the fuel and oxidizer tanks to keep them at the proper pressure levels to ensure the vehicle's stability and propulsion system operation. Falcon's COPVs measure around 60 centimeters in diameter, stand 1.5 meters tall and a pressurized to over 350 bar.

On Falcon 9, COPVs on the first and second stage are installed within the Liquid Oxygen tanks and immersed in the sub-cooled oxidizer.

COPV Schematic – Image: NASA

Submerging the helium bottles in the supercold oxidizer has the sole purpose of densifying the gas and thus filling a greater mass of pressurant into the bottles, reducing the number/size of COPVs needed to hold the necessary helium. However, this creates a challenging thermal environment for the COPV material.

Falcon 9 is not the only rocket featuring COPVs submerged in liquid oxygen – others include Orbital ATK's Antares and the Russian Soyuz 2-1B and 2-1v, though none use LOX chilled to the temperatures SpaceX requires to achieve the high performance of the Falcon 9 FT.

Per Shotwell's comments, SpaceX currently explores different operational deficiencies that could cause a COPV to fail in a dramatic way. This implies SpaceX is closely looking at the interaction between the helium COPV, its contents, the LOX in the surrounding tank and pressures within the vessel – creating a complex system with many variables (in addition to the fact that practical experience with densified LOX in rocketry is sparse).

Credit: U.S. Launch Report

The incident occurred at a time in the countdown when the second stage was being loaded with sub-cooled LOX and high-pressure helium. Interaction between the pressurized bottle filled with warm helium and the surrounding oxidizer is most critical when the COPVs are slowly submerged in the rising LOX level which is suspected to occur around this time in the count.

Potential causes of the COPV failure could include weakening of the structural integrity of the COPV due to the thermal difference between the metal liner on the inside subjected to the warm helium and the carbon fiber overwrap material on the outside in contact with the cold oxidizer. Acoustic phenomena resulting fr om the high-pressure helium being forced into the tank at a critical time during the LOX loading sequence are also on the table as possible scenarios that may have transpired.

COPV Failure Modes, Courtesy of NASA

The previous iteration of the Falcon 9 used Liquid Oxygen at boiling point temperature and began loading its tanks over three hours ahead of launch – permitting the COPVs to be fully chilled prior to applying high pressures. Falcon 9 FT enters LOX load on the second stage with just 19.5 minutes on the countdown clock followed by Helium load just over 13 minutes prior to launch – an aggressive tanking sequence unprecedented in the space launch business.

It is also understood that SpaceX was testing modifications to the countdown sequence on the Static Fire Test for the previous Falcon 9 mission with JCSat-16 to introduce window management capabilities for the FT version of Falcon 9 that initially had to launch very shortly after propellant loading finished in order to avoid the chilled propellants warming up inside the tanks. These modified countdown steps include adjustments to engine chilldown as well as the propellant and pressurant loading sequence.

It is possible that, with these seemingly minor adjustments to the sequencing of events, SpaceX has inadvertently designed a chain of events that overstressed the Helium bottles.

To gather data on the potential scenarios that can lead to a COPV failure, SpaceX has taken to its McGregor test site wh ere, according to Shotwell, a lot of tests were being run on the COPVs. These tests, in all likelihood, are running different propellant and helium loading modes on highly instrumented tanks to learn about the critical chain of events in both loading sequences that overstress the COPVs.

Observant SpaceX fans passing by McGregor noted experimentation involving LOX tankers and helium supplies was underway in an open area of the facility.

Credit: U.S. Launch Report

Matching data from an instrumented, destructive test to the telemetry from the rocket gathered in the 93 milliseconds from the onset of the anomaly to loss of data can tell SpaceX whether their modified tanking sequence is indeed to blame for the unfortunate accident.

Identifying an operational deficiency as the root cause beyond any reasonable doubt would be the best case scenario for SpaceX, allowing them to return to flight relatively quickly compared to a design flaw requiring re-work of all existing and future Falcon 9 stages.

On the flip side, a purely 'business-process' related flaw can tell a lot about the 'NewSpace' culture ongoing at SpaceX – raising questions about other shortcuts taken to save money, cut processing time or increase launch-on-time probability and, as a result, taking hardware to or beyond design limits.

Photo: SpaceX

Whether SpaceX can return Falcon 9 to flight before the end of the year depends on the speed of the investigation as well as the status of the company's launch facilities.

Space Launch Complex 40 was damaged in the September 1 explosion and requires a new Strongback to be built in addition to repairs on various ground systems – a multi-month process.

Launch Complex 39A at the Kennedy Space Center was being outfitted for Falcon 9 and Falcon Heavy missions beginning as soon as November, however, with Hurricane Matthew passing through the area last week, keeping that timeline may be a challenge. SpaceX confirmed no major damage occurred at LC-39A in the wake of Matthew, though further south, a payload processing building used by SpaceX suffered external damage.

SpaceX's third launch pad, SLC-4E at Vandenberg Air Force Base in California, was unharmed in a recent wildfire but the infrastructure at the base took significant damage and repair work is just starting out in earnest.

[Apollo13]

Пишут что во время миссии JCSat-16 тестировали новую последовательность заправки.

[Штуцер]

Определились размеры:

около 60 сантиметров в диаметре, стоят 1,5 метра в высоту и под избыточным давлением до более чем 350 бар.

[Штуцер]

А был ли лейнер?
Или только усиливающие вставки в области перегибов и штуцера?

[Feol]

Штуцер пишет:

Feol пишет:
Теперь начинаем потихоньку наддувать баллон идеальным газом, стараясь удерживать температуру баллона и газа близкой к Т. Продолжаем наддув до тех пор, пока его диаметр из-за деформации от давления не вернётся к исходному (полагаем, что не лопнет). Означает ли это то, что его длина в этот момент так же вернётся к исходной? Или нет?

Конечно нет. Теоретически такое возможно только на шаре. Кроме того, о каком диаметре речь. Если форма идеальная, без сварных швов и усилений, то больше всего раздуется цилиндр в центральной части.
Это все отвлеченные рассуждения, мало имеющие отношения к практике.

Таким образом, верно, что геометрия (форма) деформации баллона от изменения температуры отличается от геометрии деформации того же баллона от изменения давления.. ИМХО, тут они конструктивный дефект и заложили.

Мотали кокон вокруг металлического баллона при высокой (относительно кислорода в баке) температуре и при малом давлении. При этом металлический баллон имел определённую форму ненапряженного или равнонапряженного состояния. Затем при охлаждении до температуры кислорода в баке металлический бак сжимается, а за счёт давления гелия расширяется. Но форма кокона для него в этих условиях уже не равнонапряжённое состояние. Где-то "лишние" напряжения в сочетании с хрупкостью металла при низкой температуре привели к тому, что фактическое разрушающее давление опасно сблизилось с рабочим.

Такой абстрактный эксперимент:

Допустим, у нас есть однородный металлический баллон сферической формы.

Вариант 1:
В сферический баллон закачали газ при температуре T1 до давления P. При этом из-за деформации от давления его диаметр увеличился на величину dD. В этом состоянии вокруг баллона сформировали не приклеенную к нему абсолютно прочную, жёсткую внешнюю оболочку с нулевым коэффициентом теплового расширения. Например, баллон щедро осыпали толчёным мелом и залили идеальным полимером. Когда застыло, выпустили газ, удерживая температуру. Получили, что баллон болтается в сферической полости, диаметр которой на dD больше диаметра баллона. Теперь в баллон снова закачивают газ, удерживая T1. Когда давление достигнет P, то баллон полностью займет полость и при дальнейшем увеличении давления деформации баллона происходить не будет.

Вариант 2:
Тот же баллон при нулевом изб. давлении (с открытой горловиной) нагрели до температуры T2, такой, что из-за теплового расширения его диаметр увеличился на ту же величину dD. Снова так же залили тем же полимером и когда застыло, охладили конструкцию до T1. Итог не будет отличаться от варианта 1: такая же полость и такое же поведение при такой же закачке газа - после достижения P при T1 при дальнейшем повышении давления деформации баллона происходить не будет.

Вариант 3:
Взяли аналогичный, но цилиндрически вытянутый баллон. И повторили эксперимент по варианту 1. В итоге во внешней оболочке получили полость другой, вытянутой формы. Но при повторном закачивании газа будет тоже самое, что и в варианте 1, 2 - после достижения P при T1 баллон идеально заполнит полость и при дальнейшем повышении давления деформации баллона происходить больше не будет.

Вариант 4:
Аналогично "тепловому" варианту 2, но с цилиндрически вытянутым баллоном. Нагрели баллон без изб. давления до температуры, при котором тепловое увеличение диаметра цилиндрической части совпадёт с тем, которое было от давления в варианте 3. И сформировали внешнюю оболочку. Но в этом случае удлинение и форма полученной полости будет отличаться от той, которая получилась в варианте 3. Мне кажется, что эта, "тепловая" полость будет длиннее, чем в варианте 3... Нет? В результате после закачке газа до P при T1 ситуация будет отличаться от той, что в предыдущих вариантах - в полости останутся свободные места. И при дальнейшем увеличении давления некоторое время будет продолжаться деформация баллона. Если я прав, что "тепловая" полость длиннее, чем полость "от давления" в вар. 3, то деформация будет продолжаться в районе торцов и, если в это время что-то разрушится, то именно в районе торцов (днищ), а не где либо. Если T1 мала, то повышение хрупкости металла повышает вероятность разрушения.

Однородный металлический баллон тут - центральная часть композитного баллона, идеальная внешняя оболочка - намоточный кокон, T1 - рабочая температура (кислорода в баке), T2 - температура, при которой наматывали кокон.

Это как пример.

[Штуцер]

Я так понял, что в циклограмме заправки сократили время на зарядку гелием, тем самым увеличили темп зарялдки. Далее, ИМХО, в результате возникли большие перепады температур между внутренней и наружной стенкой баллона и он лопнул.

[Feol]

Интересно, они проводили замеры фактического разрушающего баллоны давления гелия при температуре, равной температуре кислорода в баке?

[Штуцер]

Feol пишет:
Интересно, они проводили замеры фактического разрушающего баллоны давления гелия при температуре, равной температуре кислорода в баке?

Ну наверняка. Всеж не лохи.    Вот какая при этом была температура внутри баллонов - вопрос.

[Feol]

Штуцер пишет:

А был ли лейнер?
Или только усиливающие вставки в области перегибов и штуцера?    

По этой цитате похоже, что металлический лейнер есть:

Potential causes of the COPV failure could include weakening of the structural integrity of the COPV due to the thermal difference between the metal liner on the inside subjected to the warm helium and the carbon fiber overwrap material on the outside in contact with the cold oxidizer.

[Штуцер]

Feol пишет:
По этой цитате похоже, что металлический лейнер есть:

Да, похоже в сечении он закрашен черным.

[Дмитрий В.]

Интересно, какая температура у гелия при заправке баллонов?
Если температура близкая к температуре ЖК, то банально механический лейнер (алюминиевый) с бОльшим коэф-том температурного расширения чем у углепластикового кокона мог банально отслоиться от последнего. И не менее банально лопнул. ЕМНИП, такая версия где-то в начале обсуждения уже была.

[Lesobaza]

Чижело пробиваться через 170 страниц обсуждения..

Рассматривали нагрев баллона при набивке 350 атм (с увеличенным темпом зарядки)? Да еще в баке переохлажденного кислорода?

[Сергей]

Надеюсь один, по крайней мере, эксперимент проведут до разрушения с преднамеренным дефектом по адгезии композитной оболочки к лейнеру по циклограмме - предварительный наддув гелиевого баллона - заполнение стендовой емкости ЖК до полного погружения баллона - дозаправка гелием и т.д. по штатной циклограмме, что бы убедиться, что предварительный наддув решает проблему.