Дефект, который ждал десятилетия

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 запускаемуникальные 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).