Po více než šesti měsících zevrubných testů a analýz obdržela firma Astra oficiální dopis od Federálního leteckého úřadu FAA o uzavření vyšetřování nehody. V tuto chvíli se firma rozhodla sdílet s veřejností výsledky vyšetřování, ale i lekci, kterou tímto získala a my Vám v tomto článku nabídneme přeložené znění jejich zprávy. Mise TROPICS-1 odstartovala 12. června 2022 na nosiči Rocket 3.3 s výrobním číslem LV0010. Raketa úspěšně dokončila nominální let prvního stupně, oddělení stupňů a zážeh druhého stupně. Krátce po jeho zážehu se však na druhém stupni zvýšila spotřeba paliva a po zbytek letu zůstávala na nadlimitních hodnotách. Po 250 sekundách od zážehu horního stupně byla nádrž s palivem prázdná, zatímco v nádrži okysličovadla zůstávalo ještě přibližně 20 % média. V důsledku toho byl stupeň schopen dosáhnout jen asi 80 % požadované rychlosti k usazení na oběžné dráze. Stupeň tedy nebyl schopen dopravit náklad na oběžnou dráhu a celá sestava se následně vrátila do atmosféry, kde shořela, čímž mise skončila.

Analýza firmy Astra ukázala, že nezvyklá spotřeba paliva během práce druhého stupně byla způsobena propálením stěny spalovací komory, ke kterému došlo 18 sekund po zážehu druhého stupně. Letová data říkají, že k tomuto propálení došlo vinou významného ucpání vstřikovače paliva. Mechanika spalování a regenerativního chlazení jsou komplexní a zjištěná závada neměla žádnou okamžitě zřejmou příčinu. Bylo tedy potřeba rozjet rozsáhlé testování a analýzy, aby se podařilo opětovně navodit stav závady a porozumět jednak tomu, jak vzniklo ucpání vstřikovače, ale i tomu, jak tato skutečnost vedla k propálení.

Průřez raketovým motorem s regenerativním chlazením.
Zdroj: https://astra.com/
Překlad: Dušan Majer

Začněme nejprve vysvětlením regenerativního chlazení. Většina raketových motorů na kapalné pohonné látky vyžaduje chlazení, aby velmi horké spaliny neroztavily stěny spalovací komory, což by vedlo k selhání motoru. Raketový motor na druhém stupni Rocket 3.3 k tomuto používal regenerativní chlazení. V regenerativně chlazeném raketovém motoru je chlazení dosaženo tím, že palivo prochází mnoha chladicími kanálky zabudovanými ve stěně spalovací komory. Přitom je teplo ze stěn pohlcováno proudícím palivem, takže teplota stěn zůstává na dost nízkých hodnotách, aby nedošlo k poškození. Při misi TROPICS-1 však právě regenerativní chlazení vedlo k prohoření komory.

Technici firmy Astra postupně zjistili, že primárním faktorem vedoucím k propálení spalovací komory byla částečná blokace vstřikovače paliva. Ve chvíli, kdy je vstřikovač částečně blokován, dojde ke snížení toku chladicími kanálky. Tím je samozřejmě sníženo množství tepla, které palivo může pohltit a stěny spalovací komory se začnou ohřívat. Ve chvíli, kdy jejich teplota přesáhne bod varu paliva, začne se palivo v kanálcích vypařovat. Za určitých stavů se tato situace může sama zachránit, protože slabá úroveň varu může zlepšit chladicí schopnost paliva, což sníží teplotu stěn. Ovšem pokud se paliva v kanálcích vyvaří hodně, je jeho schopnost chladit výrazně negativně ovlivněna. V tu chvíli začne teplota stěny růst a stoupá až do chvíle, kdy už to stěna nevydrží a dojde k jejímu propálení. Část paliva tak začne proudit přímo do spalovací komory, čímž dochází k jeho plýtvání. Experti firmy Astra dospěli k výsledku, že právě tohle nastalo při misi TROPICS-1.

Rocket 3 před neúspěšným startem se dvěma malými družicemi TROPICS.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

Kromě částečně blokovaného vstřikovače odhalili odborníci ještě sekundární faktor vedoucí k propálení stěny, kterým byla eroze povrchové vrstvy fungující jako teplená bariéra. Některé části spalovací komory raketového motoru horního stupně na Rocket 3.3 mají vnitřní povrchy pokryté vrstvičkou tepelné bariéry, které izolují stěny a snižují množství tepla, které palivo musí odvádět. Pokud nějaká vrstvička tepelné bariéry chybí, přičemž stačí i jen malý kousek, začne se daná část stěny mnohem více ohřívat, čímž vzrůstá pravděpodobnost lokálního prohoření. Během vyšetřování tým zjistil, že v motoru horního stupně pro let s výrobním označením LV0010 chyběl malý kousek tepelné ochranné vrstvy. Konkrétně se jednalo o místo, na kterém před startem inženýři vyhodnotili absenci tepelné bariéry jako tolerovatelnou. Následná analýza však ukázala, že odborníci podcenili potřebu chladit toto místo za letových podmínek (podrobněji se k tomu dostaneme v průběhu článku)

Ačkoliv bylo relativně snadné určit, že blokace vstřikovače nastala během práce druhého stupně, tak mnohem více času zabralo zjišťování, co vlastně způsobilo ono ucpání. Experti proto použili kombinaci analýz a testů k systematickému prověření všech potenciálních zdrojů této ucpávky. Vyšetřování se zaměřilo na tři „hlavní podezřelé“.

• Cizí objekt (FOD – Foreign object debris) jako třeba kousek kovu
• Plynné helium
• Plynné palivo

Rocket 3 před neúspěšným startem se dvěma malými družicemi TROPICS.
Zdroj: https://astra.com/

Po zhodnocení letových výsledků a testech, které měly znovu napodobit selhání, byli pracovníci firmy úspěšní, když zúžili okruh podezřelých – podle jejich analýz byla blokace způsobena plynem. Tím pádem z podezření vypadly cizí objekty. Poté experti zaměřili svou pozornost na helium, které se používá v pneumatických a tlakovacích systémech horního stupně a které mohlo teoreticky proniknout do palivového potrubí. Odborníci provedli celou řadu testů pneumatických systémů horního stupně a snažili se navodit únik helia za letových podmínek vakua, vibrací a nízkých teplot. Nepodařilo se jim však prokázat žádné významné úniky a dokonce ani údaje z horního stupně výrobního označení LV0010 nenaznačovaly žádné úniky před letem nebo během něj. Jediným zbývajícím zdrojem helia na druhém stupni je tlakovací systém, který při startu horního stupně tvoří malá bublina na vrcholu palivové nádrže, která zajišťuje optimální vedení paliva k motoru. Analýza ukázala, že je vysoce nepravděpodobné, že by toto helium dokázalo proniknout na dno palivové nádrže, kde by bylo na začátku nasáto k motoru. A i kdyby takto přecestovalo, tak je ještě nepravděpodobnější, že by toto hélium zůstalo ve spodní části nádrže a udrželo tak vstřikovač blokovaný po dobu pozorovatelnou během letu. Helium je totiž mnohem lehčí (řidší) než palivo a má tedy tendenci cestovat k vrcholu nádrže, jakmile se motor zažehne a stupeň začne zrychlovat.

Zatímco při pozemních zkouškách je proud spalin oddělený od stěn trysky (spaliny se nemohou rozpínat vlivem tlaku okolní atmosféry), tak při skutečném letu ve vakuu se proud spalin z horního stupně rozpíná a plně přilne ke stěnám trysky, což ji mnohem více ohřívá.
Zdroj: https://astra.com/

Z podezřelých tak zůstal pouze jediný – plynné palivo. Během ověřovacích testů se palivo v motoru horního stupně ohřeje, ale experti nikdy nepozorovali jeho var, ani přiblížení se k varu v chladicích kanálcích. Ovšem proud spalin z motoru druhého stupně je při pozemních zkouškách oddělen od vnitřní stěny trysky motoru, za což může tlak okolní atmosféry. Tím pádem se na palivo přenáší méně tepla. Za letu je však motor horního stupně obklopen vakuem a proud spalin se rozšiřuje a plně přilne k vnitřní stěně trysky. Z tohoto důvodu je palivo procházející motorem za letu ohříváno na vyšší teplotu než při pozemních zkouškách.

Odborníci z firmy Astra provedli mnoho experimentů s raketovými motory, při kterých používali zahřáté palivo simulující efekt přilnutého proudu spalin. To umožnilo vytvořit sofistikovanější termální model k předvídání teploty paliva v motoru s vyšší přesností než dříve. Tato analýza ukázala, že za letu má palivo u vstřikovače jen malou rezervu ve vztahu ke svému bodu varu. Největší podíl na tomto malém rozpětí měla unikátní architektura Rocket 3. Motor horního stupně využíval přetlakový cyklus, přičemž jeho konstrukce pracovala s relativně nízkými tlaky. Svou roli sehrál také výběr paliva podobného kerosinu s vyšším tlakem par než tradiční kerosin používaný v raketách pro zjednodušení testování a provozu.

Na zmíněnou malou rezervu pak měly vliv i drobné vnější vlivy – třeba teplé slunečné počasí na Mysu Canaveral v den startu, které způsobilo, že palivo bylo o malinko teplejší, než při předešlých startech. I tento drobný faktor mohl být pověstnou poslední kapkou, která při misi TROPICS-1 přivedla palivo k varu. Analýza odborníků firmy Astra odhalila, že odpařené palivo způsobilo částečné blokování vstřikovače, což společně s erodovanou vrstvičkou tepelné bariéry zmíněnou výše, vedlo k překonání tepelných limitů, čímž se blokace vstřikovače ještě zhoršila a ve výsledku došlo k prohoření.

Motor horního stupně během testů vyvrhuje proud roztaveného kovu, což je důsledkem propálené stěny spalovací komory.
Zdroj: https://astra.com/

Téměř okamžitě po selhání mise TROPICS-1 učinila firma Astra strategické rozhodnutí zaměřit většinu svých zdrojů na vývoj nového nosiče, který dostal jméno Rocket 4. Vyšetřování nehody mise TROPICS-1 tak mělo inženýry naučit co možná nejvíce o designu a provozu nové, větší a spolehlivější rakety. Firma přiznává, že se poučila z chyb, které na nové raketě díky kompletní eliminaci zjištěných příčin opakovat nebude – konkrétně jde o odlišný design raketového motoru horního stupně a odlišné palivo. Firma také zavedla kontroly, které mají eliminovat řadu dalších potenciálních závad (jako je cizí objekt či nasátí helia), u kterých vyšetřování prokázalo, že k nim na misi TROPICS-1 nedošlo, ale Rocket 3.3 k nim byla náchylná. Kupříkladu nyní firma vylepšuje návrh rozptylovače helia, aby se zabránilo pěnění v nádržích s palivem a pronikání helia do motoru.

Horní stupeň a aerodynamický kryt Rocket 3 před neúspěšným startem se dvěma malými družicemi TROPICS.
Zdroj: https://astra.com/

Souběžně s vyšetřováním technických příčin provedla firma Astra také interní vyšetřování spojené s vylepšením procesů a pracovní kultury s cílem zvýšit spolehlivost čtvrté generace svých raket. Astra ušla od pozice, kdy v letech 2018 a 2019 navrhla Rocket 3, dlouhou cestu. Tým expertů je nyní větší a zkušenější, firma výrazně investovala do kontrol kvality a chybové analýzy. Stejně tak se společnost poučila z lekcí, které dostala při dosavadních úspěšných i neúspěšných startech. Důležité je, že firma sama ví, že má prostor k dalšímu zlepšování a proto implementuje desítky celofiremních iniciativ, které mají zajistit spolehlivost Rocket 4. Tato zlepšení zahrnují přepracovaný proces zhodnocení designu, robustnější kvalifikační proces založený na letových datech a upravený soubor klíčových hodnot firmy. Její zástupci si jsou jistí, že mají správný tým a systémy k tomu, aby byla Rocket 4 úspěšná.

Vyšetřování selhání mise TROPICS-1 bylo v celé historii firmy Astra nejkomplexnější. Odhodlaní vyšetřovatelé pečlivě a zevrubně hledali příčinu selhání a vytvořili úctyhodné množství analýz a výsledků testů, které pomohly porozumět selhání a podpořily tak vytvoření závěrů. Ačkoliv se podařilo relativně rychle dosáhnout předběžného závěru, že na vině byl blokovaný vstřikovač a prohoření komory, trvalo několik dalších měsíců, než bylo možné zajistit, že se všichni z této nehody naučili maximum a že žádný skrytý kout nezůstal neprozkoumaný. Firma oceňuje jednak tvrdou práci vyšetřovacího týmu, ale také podporu a partnerství ze strany NASA a FAA v průběhu celého procesu. Astra nyní nasbírané poznatky uvede do akce, aby byly platné už pro první start Rocket 4.

Přeloženo z:
https://astra.com/

Zdroje obrázků:
https://astra.com/wp-content/uploads/2022/06/22.05.26-LV0010-CAPE-Deuel_7-2500px.jpg
https://astra.com/wp-content/uploads/2024/02/LV10-blog-illos-rev02-08.png
https://blogs.nasa.gov/…/sites/246/2022/06/TROPICS1-Credit-Astra-scaled.jpg
https://astra.com/wp-content/uploads/2022/06/22.05.26-lv0010-cape-deuel_5-2000px.jpg
https://astra.com/wp-content/uploads/2024/02/LV10-eng-flow-final-07.png
https://astra.com/wp-content/uploads/2024/02/upper-stage-burnthrough-1.jpg
https://astra.com/wp-content/uploads/2022/06/22.05.26-LV0010-CAPE-Deuel_4-2500px.jpg