CAPECANAVERAL, Florida – Inaugurační raketa Boeing Delta 4-Heavy utrpěla během prosincového zkušebního startu předčasné odstavení motoru kvůli bublinám v potrubí s kapalným kyslíkem, dospěli vyšetřovatelé k závěru, a nyní se navrhují nápravná opatření, aby se předešlo opakování problému při příštím startu v říjnu.
Tři motory byly zhasnuty několik sekund dříve poté, co byly vnitřní senzory oklamány tím, že uvěřily, že zásoba kapalného kyslíku byla vyčerpána. To způsobilo, že raketa měla obrovskou nedostatečnou rychlost, při níž nemohl horní stupeň vozidla překonat, což vedlo ke konečné oběžné dráze nižší, než bylo plánováno.
"Základní příčina anomálie byla identifikována jako kavitace tekutiny v systému přívodu kapalného kyslíku," uvedlo ve středu letectvo při oznamování zjištění vyšetřování.
Kavitace, probublávání, je lokalizovaný stav, kdy se superchladné okysličovadlo změnilo z kapalného na páru v přívodním potrubí vedoucím od nádrží rakety k motorům.
Delta 4-Heavy je největším členem rodiny raket nové generace Boeingu. Vyžaduje tři jádra CommonBooster, z nichž každé obsahuje kryogenní hlavní motor, a spojí je dohromady, aby vytvořilo vozidlo schopné vynést do vesmíru mohutné náklady.
Potíže na cestě do vesmíru
Tři Common BoosterCores byly zažehnuty během posledních sekund odpočítávání 21. prosince a vygenerovaly tah 1,9 milionu liber, aby poháněly 23patrovou raketu pryč od podložky 37B na Cape Canaveral Air Force Station na Floridě. Měl to být let na zkoušku v plném dresu – pouze s falešným nákladem na palubě – k otestování rakety, než později v tomto roce začnou vozidlo používat kritické satelity národní bezpečnosti.
Asi po 50 sekundách letu se hlavní motor středového posilovače přiškrtil zpět na 58 procent tahu v rámci úsilí o úsporu paliva. Posilovače na pravoboku a na levoboku pokračovaly v provozu při nastavení maximálního výkonu 102 procent tahu, přičemž každý hltal jednu tunu pohonné hmoty za sekundu.
Upevňovací posilovače byly naplánovány k vystřelení do T+plus 4 minuty, 5 sekund, kdy se motor RS-68 vyrobený v Rocketdyne na každém stupni vypnul. Asi o tři sekundy později se 15patrové posilovače na pravoboku a na levoboku, které poskytovaly drtivou většinu tahu během prvních čtyř minut letu, odlepily od středu a spadly do Atlantského oceánu pod sebou.
Ale motory se vypnuly o 8 sekund dříve poté, co senzory dočasně signalizovaly „suché“podmínky paliva, přestože ve stupních zbývalo dostatek pohonné hmoty, aby se dosáhlo plánovaného času střelby. Senzory se vrátily k „mokrým“hodnotám poté, co byla již aktivována vypínací sekvence.
Jakmile byly odpojeny vnější posilovače, motor RS-68 na středním stupni se rozběhl zpět na plný plyn. Přestože byl posilovač identický s vnějšími napínacími stupni, nesl stejnou zásobu pohonné hmoty a motor, využíval konzervativnější strategii spotřeby paliva. -nastavení škrticí klapky na poslední tři minuty a ušetřilo dostatek pohonné hmoty na provoz o téměř 90 sekund déle.
Ale stejný „fenomén“senzoru se opakoval na středovém posilovači, což podle vyšetřovatelů způsobilo, že se jeho motor o 9 sekund předčasně vypnul.
Poté, co byl odhozen středový posilovač, horní stupeň rakety Delta 4-Heavy se ocitl s deficitem rychlosti 1 500 stop/s kvůli brzkému odstavení hlavních motorů. Horní stupeň se zapálil pro první ze tří výstřelů plánovaných během 6hodinové mise na geosynchronní oběžnou dráhu.
První zapálení motoru horního stupně Pratt & Whitney RL10 mělo trvat sedm minut, než dosáhlo počáteční parkovací oběžné dráhy kolem Země, kde by byla do vesmíru vypuštěna dvojice univerzitních nanosatelitů. Raketový motor byl navržen tak, aby prodloužil dobu odpalu, aby kompenzoval jakékoli výkonnostní nedostatky, se kterými se setkala Common Booster Cores, a to se podařilo. Ale i přes jeviště vystřelilo mnohem déle, než bylo plánováno, stále se mu nepodařilo dosáhnout stabilní oběžné dráhy a rozmístit thenanosaty na suborbitální trajektorii, která je vynesla do atmosféry před dokončením kola kolem planety.
Horní stupeň pak znovu vzplanul ke svému druhému plánovanému spálení, čímž se dráha rakety zformovala do vysoce eliptické geosynchronní přenosové dráhy ve tvaru vejce. Bylo to na této oběžné dráze, kdy vozidlo setrvalo pět hodin, aby dosáhlo nejvyššího bodu asi 19 600 námořních mil nad planetou, kde by došlo k poslednímu výbuchu motoru.
Tato střelba by měla trvat tři minuty, aby se oběžná dráha cirkulovala. Zásoba vzácného paliva na jevišti však byla značně ovlivněna prodlouženými manévry, které se snažily překonat problém Common Booster Core. Na stupni došlo palivo asi ve dvou třetinách spáleniny, takže náklad přístrojového satelitního simulátoru – hlavní náklad rakety pro tento testovací let – zůstal na oběžné dráze s nejvyšším bodem 19 600 námořních mil (36 400 km), nejnižší bod 9 600 námořních mil (19 000 km) a sklon 13,5 stupně. Nejnižší bod oběžné dráhy byl 10 000 mil od cíle a sklon byl o 3,5 stupně vyšší, než bylo plánováno.
Sledování závady
Každé jádro Common Booster Core má velkou nádrž na kapalný vodík a mnohem menší nádrž na kapalný kyslík pro svůj motor RS-68. Nádrž na kapalný kyslík je umístěna v horní části každého raketového stupně s dlouhým přívodním potrubím, které vede po straně posilovače, aby dosáhlo k motoru.
"Analýzy ukazují, že kavitace vznikla na vstupu do přívodního potrubí pohonné látky, kde afiltrační síto a otočné koleno omezují tok pohonné látky při jejím zrychlování opouštějící nádrž. Toto omezení přívodního potrubí bylo přítomno u všech předchozích letů Delta 4, ale jedinečná kombinace zrychlení vozidla, hladina kapaliny v nádrži a průtok paliva pro tuto misi snížily tlak kapaliny dostatečně na to, aby umožnily tvorbu plynného kyslíku v tomto místě, když se nádrže vyprazdňovaly, “uvedlo středeční prohlášení letectva.
"Další vypouštění nádrže s kapalným kyslíkem zhoršilo podmínky na vstupu přívodního potrubí, což způsobilo, že se kavitační efekt rozšířil po přívodním potrubí, dokud nedosáhl senzorů vyčerpání tekutiny a způsobil, že se na okamžik přepnuly na ‚sucho‘." Tuto akci zachytil letový počítač, který zahájil sekvenci snižování plynu a vypnutí hlavních motorů, jak je to naprogramováno. Letové údaje ukazují, že v nádrži zůstalo dostatečné množství pohonné hmoty k dokončení plánovaného času spalování prvního stupně."
K prozkoumání potenciálních příčin problému, včetně pohonu, avioniky, konstrukcí a letového prostředí byla použita analýza Fault Tree. Čtyřicet devět z 50 větví Fault Treebranches bylo „zavřeno“poté, co bylo považováno za nedůvěryhodné.
"Všechny uzávěry byly důkladně zdokumentovány s odkazem na různé zdroje podpůrných důkazů získaných z letových dat, řadu cílených technických analýz a výsledků počítačových simulací," uvedlo letectvo.
Byly analyzovány další jevy pohonné hmoty, jako je slashování a „protahování páry“, a bylo rozhodnuto, že jsou vysoce nepravděpodobné.
"Toto vyšetřování probíhalo podle záměrného procesu, aby se zajistilo, že nebyly přehlédnuty žádné potenciální příčiny," řekl major Rod Houser, vedoucí vyšetřování pro letectvo. Systém."
Inženýři strávili poslední dva měsíce zkoumáním různých scénářů, aby vysvětlili kavitaci vyskytující se v oblasti poblíž senzorů vypnutí motoru.
"Náš tým použil počítačové modely k simulaci proudění v přívodním potrubí kapalného kyslíku mezi dnem palivové nádrže a snímači vypnutí motoru, přibližně pět stop po proudu," řekl Mark Baldwin, manažer pro analýzu pohonu Delta společnosti Boeing.
"Tým postupně vylepšoval své simulační modely tak, aby zahrnovaly složitější vnitřní prvky nádrže na kapalný kyslík a napájecího potrubí. Simulační běhy byly dokončeny s modely s vyšší věrností, což vedlo ke stále přesnější simulaci podmínek proudění během předváděcího letu těžkého stroje. Tyto podmínky dobře korelovaly." s měřeními provedenými senzorem na palubě vozidla."
Boeing zkoumá možnosti, jak problém s bublinkami vyřešit. V průběhu tohoto měsíce se provádějí další počítačové simulace, aby se plně analyzoval tok kapalného kyslíku mezi dnem nádrží a senzory vypnutí motoru, aby pomohly vybrat a ověřit nápravná opatření, uvedlo letectvo.
"Boeing vyhodnocuje budoucí mise napříč svou rodinou nosných raket Delta 4, aby existovala adekvátní rezerva pro kavitaci za nejhorších podmínek," řekl mluvčí společnosti. "Úpravy kavitační rezervy, pokud je to nutné, lze provést změnou letového profilu, aby se RS-68 uškrtil dříve, a lze je také provést natlakováním kyslíkové nádrže na vyšší volný tlak později během letu."
Boeing je naplánován na vypuštění civilního meteorologického satelitu GOES N z Cape Canaveral na vrchol rakety Delta4-Medium na 4. května. Vozidlo Medium používá pouze jedno Common Booster Core – konfiguraci, která letěla třikrát bez chyby.
Poté bude následovat první start Delty 4 z letecké základny Vandenberg v Kalifornii, létající rovněž ve verzi Medium. Je zaměřeno na konec srpna, aby zvýšilo užitečné zatížení úřadu národního průzkumu.
První operační Delta4-Heavy se skutečným užitečným zatížením satelitu je plánována na konec října, kdy bude 23. a závěrečný program obranného podpůrného programu vypuštěna přímo na geostacionární oběžnou dráhu.
