شکست اجتناب ناپذیر: چالش های سطوح بالاتر

سه روز قبل از کریسمس، موشک آلفا ساخته شده توسط فایرفلای ایروسپیس از پایگاه نیروی فضایی وندنبرگ در کالیفرنیا بلند شد. به نظر می رسد مراحل اولیه پرواز همانطور که انتظار می رفت پیش رفته است، زیرا مرحله بالایی و محموله فضایی آن، یک ماهواره آزمایشی فناوری لاکهید مارتین به نام Tantrum، در مدار پارکینگ قرار گرفتند. فایرفلای در پایان پخش اینترنتی پرتاب خود گفت، تنها چیزی که باقی می‌ماند، سوزاندن دوم از مرحله فوقانی پس از حدود 40 دقیقه برای تکمیل مدار است.

با این حال، ساعت‌ها بدون به‌روزرسانی از Firefly در رابطه با رایت دوم و استقرار ماهواره گذشت. در همین حال، داده‌های ردیابی اولیه از نیروی فضایی ایالات متحده نشان داد که دو جسم از پرتاب – که فرض می‌شود مرحله بالایی و Tantrum هستند – در مدارهای بیضی شکل با حضیض فقط 215 کیلومتر، کمتر از نیمی از مدار دایره‌ای مورد نظر. در این ارتفاع، ماهواره و مرحله فوقانی احتمالاً برای چندین هفته در مدار باقی می‌مانند تا اینکه نیروی اتمسفر آنها را مجبور به بازگشت به مدار کند.

حدود 12 ساعت پس از پرتاب، Firefly سرانجام تایید کرد که مرحله دوم خراب شده است. این شرکت گفت: “راه اندازی مجدد موتور آلفا که برای مرحله دوم برنامه ریزی شده بود، محموله را به مدار هدف دقیق خود رساند.” این شرکت جزئیات این نقص را توضیح نداد، اما گفت که با لاکهید و دولت برای بررسی این مشکل همکاری خواهد کرد.

این شکست سال سختی را برای سالمندان به پایان رساند. تنها در میان پرتاب‌کننده‌های غربی، پنج شکست جزئی یا کامل در پرتاب مداری در سال 2023 رخ داده است (هنگامی که دومین پرواز آزمایشی زیر مداری فضاپیمای SpaceX در نوامبر محاسبه می‌شود). اگرچه هیچ دلیل فنی مشترکی برای خرابی وجود ندارد، اما اغلب این موارد را نشان می‌دهند: نادیده گرفتن پیچیدگی‌ها و چالش‌های پیش روی مراحل بالاتر که از برخی جهات می‌تواند بیشتر از مراحل پایین‌تر باشد.

از پیش پا افتاده تا پیچیده

گاهی اوقات، شکست های مرحله بالایی نسبتاً اساسی هستند. مرحله بالایی لانچر وان ویرجین اوربیت طبق طراحی در چهار پرتاب انجام شد، قبل از اینکه برای ششمین پرتاب موشک در ژانویه 2023 از فرودگاه فضایی کورنوال در انگلستان، پیش از موعد تعطیل شود. (در اولین پرتاب موشک از مرحله بالایی استفاده نشد زیرا موتور مرحله اول چند ثانیه پس از احتراق خاموش شد.) طراحی موشک تغییر نکرده بود، بنابراین به نظر می رسید که نوعی نقص در ساخت وجود داشته باشد.

او در پانل کنفرانس SmallSat Symposium توضیح داد که یک ماه پس از این نقص، دن هارت، مدیر عامل شرکت، فاش کرد که این نقص زمانی رخ داده است که یک فیلتر در خط سوخت از جای خود جدا شده و باعث آسیب به پایین دست شده است. این شرکت بعداً گفت که فیلتر بر عملکرد پمپ سوخت موتور مرحله بالایی تأثیر گذاشته و باعث گرم شدن بیش از حد و از کار افتادن آن می شود.

هارت در کنفرانس گفت: “این مانند قسمت 100 دلاری است که ما را از پروژه خارج کرد.” او گفت که رفع آن نسبتاً آسان بود و Virgin Orbit قبلاً تصمیم گرفته است از یک فیلتر متفاوت در ماموریت بعدی LauncherOne استفاده کند. با این حال، شرکت که قبلاً از نظر مالی در تنگنا قرار داشت، قبل از اینکه بتواند دوباره راه اندازی شود، اعلام ورشکستگی کرد و متعاقباً دارایی های آن منحل شد.

در مقابل، شکست Electron آزمایشگاه Rocket در ماه سپتامبر بسیار کمتر آشکار بود. موتور رادرفورد مرحله بالایی مشتعل شد، اما تقریباً بلافاصله مرد و در نتیجه ماهواره تصویربرداری راداری Capella Space از بین رفت.

پیتر بک، مدیرعامل Rocket Lab در کنفرانسی درآمد در 8 نوامبر، یک ماه و نیم پس از شکست، گفت: “این یک مشکل بسیار پیچیده بود که حل آن دشوار بود.” او گفت که این چالش با این واقعیت تشدید شده است که شرکت تنها 1.6 ثانیه داده از اولین نشانه مشکل با موشک تا از دست دادن کامل تله متری داشته است.

بک بخشی از این فراخوان درآمد را به یک سخنرانی مهندسی برق تبدیل کرد که در آن درباره چگونگی شکست مرحله بالا بحث کرد. او به جمعی از تحلیلگران مالی گفت: «همه ما درس کوچکی از قانون Paschen و منحنی‌های Paschen خواهیم آموخت.

این شکست حول پدیده ای به نام قانون پاسشن می چرخید که توضیح می دهد چگونه قوس های الکتریکی می توانند به عنوان تابعی از شرایط جوی تشکیل شوند. در برخی شرایط خلاء جزئی، مانند جو فوقانی، تشکیل قوس الکتریکی بسیار آسان تر از فشارهای بالاتر و پایین تر می شود. او گفت که این مصادف با منطقه ای از جو است که مرحله جدایی در آن اتفاق می افتد.

این مورد در پرتاب ناموفق در ماه سپتامبر بود: شرایطی که توسط قانون Paschen توضیح داده شده است، اجازه می دهد تا یک قوس الکتریکی در سیستم قدرت مرحله بالایی شکل بگیرد و آن را کوتاه کند. این قوس همچنین نیازمند چیزی بود که او آن را نقص «کوچک و غیرقابل تشخیص» در عایق سیم برای تشکیل قوس می‌نامید. با از کار افتادن سیستم قدرت، پمپ هایی که پیشرانه را به موتور رادرفورد تغذیه می کردند، از کار افتادند.

بک: «ببینید، من به‌عنوان یک مهندس معمولاً به شانس اعتقاد ندارم، اما در این مورد، می‌توانم بگویم چیزهای زیادی وجود دارد که در کنار هم قرار می‌گیرند که اکثر مردم می‌گویند احتمال فعلی این اتفاق بسیار بعید است.» تمام شده. “اگر هیچ یک از این موارد وجود نداشت، شکست رخ نمی داد.”

او گفت در حالی که این خرابی “بسیار بعید” بود، مشکل گسترده تر خرابی موتور بسیار رایج تر است. دو پرواز اول راکت‌های جدید به فاصله چند هفته در مارس 2023 شکست خوردند – موشک H3 ژاپن و موشک Terran 1 متعلق به فضای نسبیت – زمانی که موتورهای مرحله بالایی آنها مشتعل نشدند.

نسبیت در بیانیه‌ای که یک ماه پس از پرتاب منتشر شد، شکست را به عنوان یک رویداد متوالی توصیف کرد. دریچه‌های اصلی موتور Aeon Vac کندتر از حد انتظار باز می‌شوند که بر زمان رسیدن پیشرانه‌ها به موتور، از جمله ژنراتور گازی که توربوپمپ‌های موتور را به حرکت در می‌آورد، تأثیر می‌گذارد. توالی دقیق وقایع مورد نیاز برای احتراق موتور حذف شده است. .

با توجه به فشار پیشرانه و زمان بندی غیر اسمی، [gas generator] این شرکت به این نتیجه رسید که خودرو آتش نگرفت و موتور به قدرت کامل نرسید.

در راه اندازی افتتاحیه H3، موتور مرحله بالایی نیز مشتعل نشد. نه JAXA و نه صنایع سنگین میتسوبیشی (MHI)، پیمانکار اصلی این موشک، جزئیات زیادی را در مورد شکست منتشر نکرده اند.

یک ارائه به زبان ژاپنی توسط آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن در ماه ژوئیه به این نتیجه رسید که موشک سیگنالی برای احتراق موتور مرحله بالایی دریافت کرده است، اما نقص سیستم الکتریکی مانع از صدور فرمان باز کردن دریچه‌ها و شروع احتراق توسط کامپیوترهای روی برد موشک شده است. روند. این گزارش چندین سناریو را شناسایی کرد که می‌تواند باعث خرابی الکتریکی شود، اما مهندسان در آن زمان اطلاعات کافی برای محدود کردن آن به یک علت اصلی نداشتند.

از آنجایی که موتور مرحله فوقانی H3 شبیه موتور مورد استفاده در H-2A است، آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن در طی تحقیقات H-2A را زمینگیر کرد. H-2A پرتاب های خود را در سپتامبر از سر گرفت و با موفقیت یک ماهواره نجوم پرتو ایکس و یک فرودگر ماه را پرتاب کرد.

ایوائو ایگاراشی، معاون رئیس جمهور و مدیر کل MHI، درست پس از بازگشت H-2A به پرواز، در طی یک بحث میزگردی در هفته تجارت جهانی ماهواره گفت: «ما اقدامات اصلاحی را شناسایی کرده‌ایم و برخی از آنها برای پرتابگر H-2A اعمال شده است. . . او به جزئیات این اقدامات اصلاحی اشاره نکرد، اما گفت که MHI توجه خود را به بازگشت H3 به پلتفرم معطوف کرده است. پرواز بعدی آن برای اواسط فوریه برنامه ریزی شده است.

پیچیده و نابخشودنی

خرابی‌های مرتبط با عدم احتراق موتورهای مرحله بالایی یکی از دلایلی را نشان می‌دهد که چرا به نظر می‌رسد مراحل بالایی مستعد خرابی هستند. آنها در محیط های غیرقابل بخشش با حاشیه خطای بسیار کمتری نسبت به مراحل اولیه کار می کنند. .

یکی از منابع صنعتی که مستقیماً با شرکت هایی که در سال گذشته دچار شکست شده اند، در ارتباط نیست، گفت: «اگر موتور تقویت کننده شما مشتعل نشد، باید آن را تمیز کنید و یک روز دیگر دوباره امتحان کنید. “اگر موتور مرحله بالایی شما روشن نشود، بازی تمام شده است.”

مراحل بالاتر نیز می توانند پیچیده تر از تقویت کننده ها باشند. ماموریت مرحله اول معمولاً فقط چند دقیقه طول می کشد، از احتراق روی سکوی پرتاب تا احتراق موتور و جداسازی مرحله. با این حال، ممکن است گاهی اوقات مرحله بالایی نیاز داشته باشد که ساعت ها کار کند و چندین بار سوزانده شود تا محموله در مدار صحیح قرار گیرد. هر یک از این مانورها باید به طور دقیق انجام شود، در غیر این صورت محموله ها ممکن است به مدار اشتباه وارد شوند – همانطور که در Firefly Alpha اتفاق افتاد – یا گم شوند.

همانطور که Rocket Lab با قوس الکتریکی مرتبط با قانون Paschen کشف کرد، محیط های منحصر به فردی که در آن مراحل بالایی کار می کنند می تواند روی زمین دشوار باشد. هر سه شکست الکترون به دلیل مشکلات خود موشک (اولین پرتاب الکترون به دلیل مشکل ایمنی برد شکست خورد) در مرحله بالا ایجاد شد. پرتاب 2020 به دلیل آنچه پیتر بک آن را «مشکل حرارتی واقعاً غیرمعمول» نامید که بر اتصال الکتریکی تأثیر می‌گذارد با شکست مواجه شد، در حالی که پرتاب 2021 به دلیل «حالت خرابی غیرقابل تشخیص قبلی» در سیستم احتراق موتور شکست خورد.

این شرکت قبلا متعهد شده بود که تمرکز بیشتری بر بازرسی، آزمایش و کنترل کیفیت خودرو داشته باشد. بک پس از شکست در سال 2020 گفت: “ما یک گام بزرگ به عقب برداشتیم و به کل خودرو نگاهی انداختیم و در نتیجه تغییرات زیادی در دستورالعمل های کاری و امضاهای کیفیت ایجاد کردیم.” . تا به حال.

آزمایش‌های بیشتر می‌تواند به یافتن این مشکلات کمک کند، اما آزمایش‌ها می‌توانند زمان‌بر و پرهزینه باشند. ArianeGroup، پیمانکار اصلی Ariane 6 در اروپا، از یک ایستگاه آزمایشی ویژه که توسط آژانس فضایی آلمان DLR اداره می‌شود، برای انجام آزمایش‌های مرحله بالایی موشک استفاده کرد. این شامل یک تست کامل موفقیت آمیز استیج در ماه سپتامبر بود.

با این حال، آزمایش مرحله بالایی در 7 دسامبر در همان مرکز، برای مشاهده عملکرد آن در شرایط “تخریب”، پس از دو دقیقه به دلایلی که هنوز یک ماه بعد توسط ArianeGroup و European Space در دست بررسی بود، لغو شد. یک آژانس

ESA در بیانیه ای گفت: «ما مطمئن هستیم که این بررسی ها بر برنامه پرواز افتتاحیه آریان 6 تأثیر نمی گذارد،» که برای اواسط سال 2024 برنامه ریزی شده است، اما با توجه به شهرت مراحل بالاتر، آزمایش مجدد ضرری ندارد. فقط تا مطمئن شوید.

این مقاله برای اولین بار در شماره ژانویه 2024 مجله SpaceNews منتشر شد.

مربوط