Предисловие
Данная статья продолжает публикацию “Состояние спутника “Маяк” в плане исследования причин отказа спутника.
Если коротко, то мы на основе:
- проведенной доработки конструктивного-подобного макета “Маяка” до летного состояния и успешного проведения его вибродинамических испытаний по программе, согласованной с Роскосмосом и использовавшейся для допуска “Маяка” на ракету-носитель,
- анализа известной информации о состоянии спутника “Маяк”, опубликованной информации о состоянии попутчиков “Маяка” и устройстве разгонного блока (РБ) “Фрегат”,
предполагаем, что “Маяк” и другие отказавшие спутники, выведенные на орбиту с примерным апогеем в 600 км, вышли из строя из-за попадания на них продуктов разложения гидразина из одного или нескольких жидкостных двигателей малой тяги (ЖРД МТ) С5.221.00-0, использующихся в реактивной системе управления разгонного блока (РБ) “Фрегат”.
Исследования, которые привели нас к такому выводу и анализ альтернативных механизмов отказа приведены в статье ниже.
Введение
“Маяк” стал первым российским спутником, созданным руками энтузиастов и запущенным на орбиту. Успех этого проекта или неудача определенно повлияют на отношение к подобного рода проектам как любителей космонавтики, так и большой государственной космической отрасли. Кроме того, проект осуществлялся за счет добровольных пожертвований, методом краудфандинга. Поэтому мы решили максимально открыто изложить свои исследования по поиску и анализу возможных причин отказа оборудования. Поводом разобраться с причинами отказа также является желание оградить других спутникостроителей, любителей и профессионалов, от повторения наших ошибок. Ну а чтобы оградить от ошибок, сначала нужно понять, в чем они заключаются.
Отдельно хочется отметить: данное исследование ни в коей мере не умаляет достоинства предприятий отечественной ракетно-космической отрасли. Более того, как руководитель проекта “Маяк” и автор данного материала, я испытываю глубочайшее уважение и благодарность ко всем работникам российской космонавтики, создавшим модернизированную ракету-носитель “Союз 2.1а” и замечательный разгонный блок “Фрегат”, которые обеспечили вывод на орбиту нашего «Маяка» и еще 72 малых и больших аппаратов, установив тем самым новый российский рекорд.
Хронология событий
30 мая 2016 года. В Московском Политехе началась сборка летного экземпляра спутника “Маяк” и его конструктивно-подобного габаритно-массового макета. Отличия макета от летного экземпляра:
- отсутствовал бортовой компьютер,
- отсутствовала бортовая кабельная сеть,
- отсутствовали концевые выключатели, контролирующие разматывание рулеток.
- аккумуляторная батарея была собрана из элементов, не прошедших предварительные отбраковочные испытания,
- солнечный отражатель был размещен внутри контейнера солнечного отражателя нештатным образом.
Остальные системы штатные.
15 июня 2016 года. Завершена сборка летного экземпляра “Маяка” и его габаритно-массового макета.
20 июня 2016 года. Успешно проведены тепловакуммные испытания летного экземпляра “Маяка” с раскрытием каркаса отражателя в вакууме.
25 июня 2016 года. Проведена примерка и летного экземпляра, и макета в макет транспортно-пускового контейнера компании ECM. Оба экземпляра вошли в контейнер, но силы пружины не хватало для выталкивания экземпляров из контейнера. Оба образца направлены на доработку.
29 июля 2016 года. Проведена успешная примерка и летного экземпляра, и макета в макет транспортно-пускового контейнера компании ECM.
13 сентября 2016 года. В НИИЭМе завершились зачетные вибродинамические испытания летного экземпляра “Маяка”. Протокол испытаний, свидетельствующий об отсутствии внешних дефектов и подписанный заместителем генерального директора НИИЭМ по качеству С.П. Скоробогатовым, позволил получить допуск на ракету-носитель “Союз-2.1а”.
14 сентября 2016 года. При функциональных испытаниях “Маяка” обнаружился его отказ. Бортовая электроника оказалась без питания, напряжение на клеммах батарей отсутствовало.
15 сентября 2016 года. Произведена разборка летного экземпляра, обнаружено разрушение более половины точек контактной сварки проводников между элементами аккумуляторной батареи. При анализе причин разрушения выявлено, что элементы имели слишком высокую подвижность внутри батарейного блока и при возбуждении на своей резонансной частоте проводники между элементами разрушились. Была собрана идентичная батарея и создан малый вибростенд, на котором были определены резонансные частоты и экспериментально, в лабораторных условиях, подтвержден механизм разрушения сварочных соединений. На том же вибростенде проверена методика предотвращения разрушения сварки (см. ниже), метод показал свою пригодность. Резонансную частоту, приводящую к разрушению точек сварки или отказу батареи, выявить не удалось. Элементы батареи проверены индивидуально на стенде батарейного анализатора (отклонений не выявлено), и при сборке соединены клеевым соединением друг с другом, с платами и корпусом батарейного блока при помощи вакуумпрочного эпоксидного клея ВК-9, проводники между элементами заменены на более гибкие и продублированы (таким образом, каждая ячейка батареи имела 4-кратное резервирование контакта) и также залиты слоем ВК-9. На малом вибростенде успешно проведены вибродинамические испытания собранной батареи.
18 сентября 2016 года. Завершен ремонт батареи. Батарея заряжена. Летный экземпляр собран.
19 сентября 2016 года. Прошла успешная примерка и летного экземпляра, и макета в макет транспортно-пускового контейнера компании ECM.
22 сентября 2016 года. В Московском Политехе прошла презентация спутника “Маяк”.
23 марта 2017 года. Проведена проверка заряда батарей. Заряд составил более 95% номинальной емкости, разбалансировки элементов не обнаружено.
10 мая 2017 года. Прошла успешная примерка и летного экземпляра, и макета в летный транспортно-пусковой контейнер компании ECM. Транспортный контейнер с летным экземпляром и макетом опечатан и передан “Главкосмосу” для отправки на Байконур.
21 июня 2017 года. В МИК площадки 31 космодрома “Байконур” проведена успешная интеграция летного экземпляра “Маяка” в летный транспортно-пусковой контейнер компании ECM. Проведена проверка заряда батарей. Заряд составил более 95% номинальной емкости, разбалансировки элементов не обнаружено. На летном экземпляре “Маяка”, размещенном внутри транспортно-пускового контейнера компании ECM, успешно проведен контроль срабатывания концевиков и запуска циклограммы работы бортовой аппаратуры.
14 июля 2017 года. Маяк на орбите!
9 августа 2017 года. Маяк не раскрылся, ведется поиск причин.
29 августа 2017 года. Спутники «Даурии» отказали, один LEMUR 2 и один FLOCK 2K оказались на нерасчетных орбитах.
Фактически, один из восьми «Лемуров» LEMUR 2 ARTFISCHER оказался на орбите с апогеем 477 км, на которой находятся 47 «Флоков», хотя их должно было быть 48, а один из «Флоков», вероятно, не включился и оказался на орбите с апогеем порядка 605 км, где находится оставшиеся семь «Лемуров». В каталоге NORAD 47 спутников FLOCK 2K, при этом должно было быть 48. Все 47 на орбите с апогеем порядка 477 км. Там же в каталоге NORAD 8 спутников LEMUR 2, причем на орбите с апогеем порядка 605 км — 7 спутников, на орбите с апогеем порядка 477 км — 1 спутник. Выглядит так, как будто один «Лемур» и один «Флок» поменялись местами.
31 августа 2017 года. Цитата с Ленты.ру. Руководитель пусковых программ «Главкосмоса» Всеволод Крючковский рассказал, почему несколько спутников, запущенных 14 июля российской ракетой «Союз-2.1а», не вышли на связь или оказались на незапланированной орбите. Свою версию случившегося он сообщил изданию Space News. По словам Крючковского, от всех зарубежных заказчиков «Главкосмос» получил официальное подтверждение успешного отделения спутников от верхней ступени ракеты-носителя. Дочерняя компания «Роскосмоса» также заверила иностранных партнеров, что во время разделения ракета работала в штатном режиме.
Иначе руководитель пусковых программ «Главкосмоса» оценивает ситуацию со спутниками российских разработчиков. «Это их первый опыт в разработке кубсата, — сказал он. — Может, что-то случилось со стороны разработки, или с компонентами, или с наземными станциями».
1 сентября 2017 года. Оказывается, при запуске отказали еще три спутника Cicero американской компании GeoOptics и один российско-эквадорский UTE-UESOR.
8 сентября 2017 года. Отказали 2 аппарата американской компании Astro Digital.
5 октября 2017 года. “Главкосмос” возвратил габаритно-массовый макет “Маяка”. Принято решение доработать макет до летного (идентичного запущенному аппарату) состояния и провести проверку его прочности при действии нагрузок от транспортировки и выведения, при этом его аккумуляторную батарею доработать по технологии ремонта летной аккумуляторной батареи.
8 ноября 2017 года. Начата доработка габаритно-массового макета “Маяка” до летного состояния.
12 ноября 2017 года. Закончена доработка габаритно-массового макета “Маяка” до летного состояния. Батарея изготовлена по той же технологии, что и на летном экземпляре, теми же сотрудниками на том же оборудовании.
15 ноября 2017 года. Начаты испытания макета “Маяка” по программе-методике вибродинамических испытаний, использовавшейся для допуска на ракету-носитель “Союз-2.1а”.
22 ноября 2017 года. Успешно завершены испытания макета “Маяка”. Отклонений в работе не выявлено, все системы после испытаний работают штатно.
Итого в сухом остатке:
- К 25 ноября 2017 года было известно об отказах 10 кубсатов из 19, запущенных на орбиту с условной высотой апогея в 600 км;
- Доработанный по летной технологии макет “Маяка” успешно прошел вибродинамические испытания по программе, согласованной с Роскосмосом и использовавшейся для допуска “Маяка” на ракету-носитель.
Анализ вероятных причин отказа “Маяка”
Концептуально мы можем разделить вероятные причины отказа на внутренние и внешние. Внутренние зависят от состояния самого изделия, внешние — от воздействия на изделия внешних факторов.
Подробно разберем сначала гипотезы об отказе “Маяка” по внутренним причинам, рассмотрим возможные меры по их проверке, затем проделаем это же для внешних причин.
Анализ вероятных внутренних причин отказа “Маяка”
Так как команда проекта “Маяк” создавала космический аппарат впервые, то вполне вероятно, что она могла совершить ошибки при его разработке, проектировании и производстве, которые вызвали отказ на орбите.
Известные факты для анализа:
- В ходе вибродинамических испытаний летного экземпляра КА “Маяк” был зарегистрирован отказ системы электропитания, не повлиявший на целостность конструкции аппарата, но приведший к отказу всей бортовой аппаратуры.
- Выявленный отказ системы электропитания был устранен, были проведены технологические вибродинамические испытания, продемонстрировавшие прочность конструкции отремонтированной аккумуляторной батареи.
- В ходе тепловакуумных (ТВИ) и вибродинамических (ВДИ) испытаний летного экземпляра КА “Маяк” иных отказов обнаружено не было.
- Габаритно-массовый макет “Маяка” был доработан до летного состояния. Батарея выполнена по той же технологии, что и на летном экземпляре, теми же сотрудниками на том же оборудовании.
- Проведены успешные вибродинамические испытания по программе-методике, использовавшейся для допуска на ракету-носитель “Союз-2.1а”.
Принятые гипотезы
Гипотеза №1. В реальном полете отказывает та же система, что и на испытаниях.
На космическом аппарате, даже на таком простом как “Маяк”, множество различных бортовых систем.
В нашем случае это:
- несущая конструкция,
- бортовая электроника,
- система электропитания,
- бортовая кабельная сеть,
- реактор-двигатель,
- солнечный отражатель,
- система раскрытия солнечного отражателя.
В ходе наземной экспериментальной отработки при приложении нагрузок, действующих на космический аппарат при транспортировке на Байконур, по Байконуру, при полете на ракете-носителе, отделении от разгонного блока и орбитальном полете, отказала только одна система, все другие отработали штатно. Это позволяет сделать вывод, что в реальном полете, при действии тех же нагрузок вероятнее всего отказ той же системы.
Гипотеза №2. В реальном полете 14 июля 2017 года действовали нагрузки не больше тех, на которые проводились вибродинамические испытания.
Это утверждение можно подтвердить тем, что большинство космических аппаратов не показывали признаков разрушения в орбитальном полете.
Исследование прочности
Для проверки выдвинутых гипотез необходимо было провести повторные испытания.
Поскольку тепловакуумные испытания (ТВИ) проводились на летном экземпляре и никаких проблем обнаружено не было, повторные ТВИ было решено не проводить.
Цель исследований — экспериментально проверить прочность отремонтированной аккумуляторной батареи “Маяка”, аналогичной установленной на летном экземпляре, при воздействии вибраций, ударов и перегрузок, аналогичных действовавшим на космический аппарат при транспортировке на Байконур, по Байконуру, при полете на ракете-носителе и отделении от разгонного блока, при этом дополнительно убедиться в работоспособности остальных систем аппарата.
Подготовка объекта испытаний
Габаритно-массовый макет “Маяка”, как было сказано выше, отличался от летного экземпляра в следующем:
- отсутствовал бортовой компьютер,
- отсутствовала бортовая кабельная сеть,
- отсутствовали концевые выключатели, контролирующие разматывание рулеток.
- аккумуляторная батарея была собрана из элементов, не прошедших предварительные отбраковочные испытания,
- солнечный отражатель был размещен внутри контейнера солнечного отражателя нештатным образом.
В остальном, включая работоспособность системы раскрытия солнечного отражателя, макет соответствовал летному экземпляру.
Поэтому для проведения полноценного эксперимента, подтверждающего или опровергающего работоспособность “Маяка” после выведения на орбиту потребовалось установить бортовой компьютер, проложить бортовую кабельную сеть, собрать по летной технологии аккумуляторную батарею. Солнечный отражатель внутри своего контейнера был размещен нештатно, так как на проверку процесса раскрытия это не влияло.
Перед испытаниями макет работал следующим образом.
Проведение испытаний
Испытания проводились в АО «НПО ИТ» по адресу 141074, Российская Федерация, Московская область, г. Королёв, ул. Пионерская, дом 2.
Это предприятие, кстати, входит в состав Роскосмоса.
Испытания проводились по нашей уже опубликованной программе “Космический аппарат «Маяк». Программа и методика испытаний на статическую и вибродинамическую прочность МАЯК-ВДИ-ПМ-1”, по которой мы испытывали летный экземпляр “Маяка” и получили допуск на ракету-носитель. Из программы видно, что разные ее разделы имитируют нагрузки, действующие на аппарат, на различных этапах его жизненного цикла.
Транспортировка аппарата на Байконур и по Байконуру, удары до 5 g.
Статические перегрузки, достигающие 10 g.
Случайные вибрации со среднеквадратичным значением до 10 g.
Удары при отделении блоков ракеты-носителя с амплитудой до 40 g
Тут удары так долго готовились и так быстро прошли, что снять их я не успел. Но измерение уровня напряжения на батарее сделал. Такие измерения проводились после каждого вида испытаний и не выявили отклонений в уровне напряжения на батарее.
И, наконец, отделение “Маяка” от разгонного блока, удар до 150 g!
Надо сказать, что это уже явная перестраховка, так как “Маяк” выталкивался из контейнера мягкой пружиной со скоростью около 1 м/с.
Стоит добавить, что до и после приложения нагрузок проводились измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) макета с оснасткой. В этих измерениях логика такая — если что-то внутри конструкции отвалилось или сломалось, то реагировать на вибрации она будет по другому, изменятся старые резонансы или возникнут новые.
В нашем случае ничего такого не случилось.
И, наконец, видео раскрытия макета после проведения всех испытаний.
Результаты испытаний
Измерение уровня напряжения на батарее, измерение АЧХ до и после испытаний, и, самое главное, проверка раскрытия макета до и после испытаний позволяют заявить следующее:
- Напряжение на батарее в ходе испытаний составляло 27.9-28.0 В.
- Вибродинамические испытания не сказались на работоспособности бортовой электроники.
- АЧХ в ходе испытаний существенных изменений не претерпела.
- Механические системы изменений не претерпели — макет раскрывается как до испытаний, так и после.
Выводы из анализа внутренних причин отказа
Таким образом, можно утверждать, что макет “Маяка”, доработанный до летного состояния по технологии, использовавшейся при ремонте летного экземпляра, успешно прошел вибродинамические испытания.
Нам не удалось найти внутренних причин отказа “Маяка”. Далее рассмотрим внешние воздействия, которые могли стать причиной отказа.
Анализ вероятных внешних причин отказа “Маяка”
Известные факты для анализа
Все космические аппараты, запланированные к выводу на орбиты, отделены от разгонного блока “Фрегат” [1]. В их составе кубсаты:
- 1U «Эквадор UTE-ЮЗГУ» — 1 шт,
- 3U — NanoACE — 1 шт., “Маяк”- 1 шт., “Искра-МАИ-85” — 1 шт., LEMUR 2 — 8 шт.,
- 6U — CICERO — 3 шт., Corvus-ВС — 2 шт., МКА-Н — 2 шт.
Отказали 10 кубсатов из 19, выведенных на орбиту с примерным апогеем 600 км. Кроме того, кубсаты LEMUR 2 ARTFISCHER и один из FLOCK 2K оказались на нерасчетных орбитах [2].
Курский аппарат «Эквадор UTE-ЮЗГУ», названный в статье [2] UTE-UESOR, с 15 по 30 июля передавал данные телеметрии, свидетельствующие о низком заряде батарей. После 30 июля были приняты спорадические сигналы, не поддающиеся расшифровке [2].
Нештатная ситуация имела место только на этапе отделения кубсатов на орбите с примерным апогеем 600 км, так как известно о нормальной работе космических аппаратов “Канопус-В-ИК” [3], отделенного на орбите с условным апогеем 517 км, микроспутников Flying Laptop [4], TechnoSat [5], WNISAT-1R [6], NORSAT-1, NORSAT-2 [7] отделенных на орбите с примерным апогеем 600 км, и 47 кубсатов типа Flock-2k [8], отделенных на орбите с примерным апогеем 475 км. “Канопус-В-ИК” и пять микроспутников успешно отделились до отделения разнородных кубсатов, 47 Flock-2k отделились после разнородных кубсатов. Аппараты отделенные до и после разнородных кубсатов функционируют нормально.
Предварительный анализ внешних причин отказа
Цель исследования внешних причин отказа — выдвинуть версии аварии, наиболее полно объясняющие известные факты и способные дать предсказания о судьбе других космических аппаратов, выведенных на орбиту в запуске 14 июля 2017 года.
В связи с этим версии, что спутники сознательно были испорчены вредителями, прокляты, заменены на кирпичи и прочие ненаучные гипотезы, не поддающиеся проверке, не рассматривались.
Фальсифицируемость выдвинутых версий аварии основывается на последующей проверке их предсказаний.
Принятые гипотезы
Гипотеза №1. Выведение всех космических аппаратов на заданные орбиты протекало штатно, нештатная ситуация произошла только после выхода кубсатов из контейнера.
Другими словами, нагрузки, действовавшие на космические аппараты при их совместном полете на ракете-носителе и на разгонном блоке, не привели к отказу спутников и к моменту разделения спутники были работоспособны. Нормальная работа космических аппаратов, отделенных до и после разнородных кубсатов говорит в пользу этой гипотезы.
Гипотеза №2. Отказ кубсатов, выведенных на орбиту с примерным апогеем 600 км, вызван одной и той же причиной.
Данную гипотезу затруднительно проверить численными расчетами, так как неизвестны оценки вероятностей безотказной работы отказавших аппаратов, но можно принять, что спутники, созданные разными коллективами в разных странах из разных компонентов с малой вероятностью одновременно отказали из-за своих внутренних причин.
Гипотеза №3. Отказ кубсатов вызван внешним воздействием.
Если причина выхода из строя кубсатов одна, то логично предположить, что эта причина внешняя по отношению к самим аппаратам. Из строя вышли аппараты разных производителей, имеющие различную конструкцию и бортовые системы, общего у них было только то, что они были выполнены в одном формате Cubesat и летели на одной ракете. Нет причин считать, что формат спутников, их геометрические размеры и ограничения на их конструкцию, послужили причиной их отказа, поэтому можно предположить, что причина отказа кроется в их совместном полете сначала на ракете-носителе, а затем и на разгонном блоке.
Принимая во внимание гипотезу №1 считаем, что причиной отказа послужил именно процесс их отделения от разгонного блока и последующий свободный полет.
Возможные типы внешних воздействий
Рассмотрим возможные типы внешнего воздействия на кубсаты при разделении:
- Механическое воздействие. Вибрации, удары, перегрузки, ограничение перемещений.
- Газогидродинамическое воздействие. Струи газа и жидкостей.
- Тепловое воздействие. Интенсивное инфракрасное излучение, вызывающее нагрев облучаемой поверхности.
- Электромагнитное воздействие.Излучение радиоволн.
Перечень воздействий сформулирован на основе изучения главы 3. ENVIRONMENTAL CONDITIONS документа Soyuz User’s manual [9], описывающего, среди прочего, воздействия на космический аппарат, выводимый на ракете-носителе “Союз-2” с разгонным блоком “Фрегат”. Перечень уточнен с использованием выдвинутых гипотез.
Возможные виды внешних воздействий и их последствия для кубсатов
Подробнее опишем возможные виды воздействий на кубсаты, опираясь на их возможные типы.
1. Повреждение в результате столкновений аппаратов между собой при выходе из контейнеров
Реализованная циклограмма отделения космических аппаратов от разгонного блока не опубликована, но на других пусках, в том числе, и с одновременным выведением большего количества кубсатов, столкновений спутников при запуске отмечено не было.
Для примера можно изучить видео массового сброса кубсатов с индийской РН PSLV-C37, которая 15 февраля 2017 года успешно вывела на орбиту 104 космических аппарата.
Вероятность взаимных столкновений сразу десяти кубсатов между собой чрезвычайно мала. К тому же скорость выхода кубсата из контейнера составляет порядка 1 м/с [10]. Удары на таких скоростях не приводят к полному выходу из строя аппаратов. Кроме того, количество объектов на орбите соответствует расчетному, то есть, обломков спутников не наблюдается. Данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
2. Повреждение ударами отделившихся деталей разгонного блока
Как было сказано ранее, количество объектов на орбите соответствует расчетному, обломков не наблюдается. К тому же представляется маловероятным, что разгонный блок смог бы совершить маневры по изменению орбиты с отделившимися от него массивными деталями, способными повредить кубсаты. Данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
3. Повреждение ударами отделившихся деталей пусковых контейнеров
Аналогично предыдущей версии, данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
4. Повреждение струей сжатого гелия из шар-баллонов наддува баков
Согласно схеме двигательной установки реактивной системы управления (ДУ РСУ), приведенной в Вестнике НПО им. Лавочкина, №1 от 2014 года [11], шар-баллон наддува в данной системе один.
В случае его повреждения РБ “Фрегат” не смог бы продолжать управляемый полет, соответственно, не смог бы вывести аппараты Flock 2K и совершить маневр затопления. Проводя аналогичные рассуждения для баков маршевой двигательной установки, можно исключить отказ и шар-баллонов, предназначенных для наддува баков горючего и окислителя. Таким образом, данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
5. Повреждение реактивной струей при штатной работе двигательной установки реактивной системы управления
Согласно Вестнику НПО им. Лавочкина, №1 от 2014 года [11], в состав двигательной установки реактивной системы управления (ДУ РСУ) входит 12 однотипных жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРД МТ) типа С5.221.00-0, скомпонованных в четыре блока, см. рисунок.
Схема РБ “Фрегат” без установленных матов ЭВТИ и полезной нагрузки
В запуске 14 июля 2017 года разгонный блок с установленной ЭВТИ и контейнерами кубсатов выглядел следующим образом.
Рисунок со страницы www.roscosmos.ru/23733
Пояснения к фотографии со страницы www.roscosmos.ru/23733
Видно, что оси сопел ЖРД МТ, использующихся для управления по каналу вращения, проходят близко от контейнеров с кубсатами. При этом КА “Канопус-В-ИК” и микроспутники Flying Laptop, TechnoSat, WNISAT-1R, NORSAT-1, NORSAT-2 находятся существенно дальше от ЖРД МТ, чем контейнеры с кубсатами. Это позволяет предположить, что часть продуктов разложения гидразина могла попасть на контейнеры кубсатов, не повредив при этом “Канопус-В-ИК” и микроспутники, расположенные дальше от сопел ЖРД МТ.
Степень вероятности этого вида аварии так же следует признать низкой, так как даже при попадании на внешние части контейнеров продукты разложения гидразина с небольшой долей вероятности могли повредить кубсаты, находящиеся внутри контейнеров. Тем не менее, в дальнейшем рассмотрим эту версию подробнее.
6. Повреждение реактивной струей при штатной работе маршевого жидкостного ракетного двигателя
Маршевый жидкостный ракетный двигатель С5.92 с турбонасосной подачей компонентов АТ и НДМГ располагается с обратной по отношению к полезной нагрузке стороне разгонного блока и испускает продукты сгорания в противоположную от полезной нагрузки сторону. Это практически исключает попадание продуктов сгорания на полезную нагрузку. Кроме того, данный двигатель не дублирован и, следовательно, при его отказе разгонный блок потеряет возможность совершать маневры по изменению параметров орбиты.
Таким образом, данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
7. Повреждение гидразином и продуктами его разложения при нештатной работе двигательной установки реактивной системы управления
Рассмотрим в принципе возможность полного или частичного отказа двигательной установки реактивной системы управления и ее согласование с известными фактами.
Полный отказ всех ЖРД МТ не согласуется с известными фактами в том смысле, что после отделения 19 кубсатов “Фрегат” построил ориентацию для включения маршевого двигателя и поддерживал ее в процессе маневра. То есть, если отказ и имел место, то только отказ частичный.
Какой отказ мог потенциально повредить кубсаты, но при этом не лишил бы “Фрегат” возможности строить и поддерживать требуемую ориентацию?
Рассмотрим схему двигательной установки реактивной системы управления, приведенную в Вестнике НПО им. Лавочкина, №1 от 2014 года [11].
ЖРД МТ на данной схеме обозначены как ДВ1-ДВ4, ДР9-ДР12 и ДТ5-ДТ8, всего 12 штук.
Физическое расположение ЖРД МТ на “Фрегате” показано на рисунках выше. Анализируя расположение сопел и их ориентацию, можно заключить, что выход из строя любых двух ЖРД из групп, одного из ДВ1-ДВ4 и одного из ДР9-ДР12, ДТ5-ДТ8, не привет к потери разгонным блоком возможности строить и поддерживать ориентацию.
Рассмотрим возможные виды отказов ЖРД МТ. Для этого используем его схему из источника [11].
Возможные виды отказов одного ЖРД МТ:
- клапан двигателя не открывается полностью по команде системы управления,
- клапан двигателя не закрывается полностью по команде системы управления,
- электронагреватель не включается на полную мощность по команде системы управления,
- электронагреватель не выключается полностью по команде системы управления,
- утечка гидразина из топливных магистралей между баком и двигателем,
- засорение магистрали или двигателя посторонними частицами.
Анализ приведенных видов отказов приводит к выводу о том, что они распадаются на две группы:
- гидразин и/или продукты его разложения не поступают в окружающую среду,
- гидразин и/или продукты его разложения поступают в окружающую среду,
В первом случае загрязнения и повреждения кубсатов не происходит, во втором — происходит.
В случае такого вида отказа, при котором происходит попадание гидразина во внешнюю среду во время отделения кубсатов, возможно загрязнение их внешних поверхностей, в том числе, фотоэлектрических преобразователей, а также попадание гидразина и продуктов его разложения внутрь аппаратов.
Следовательно, данный вид аварии необходимо рассмотреть подробнее. Тем более, попадание продуктов разложения гидразина на кубсаты не исключается и при штатной работе ЖРД МТ.
8. Повреждение несимметричным диметилгидразином и продуктами его разложения при нештатной работе маршевой двигательной установки
Данный вид аварии можно признать маловероятным на том основании, что после отделения кубсатов на орбите с условным апогеем в 600 км разгонный блок совершил еще как минимум два успешных включения маршевой двигательной установки — для спуска на орбиту с условным апогеем в 475 км и для схода с орбиты. Это позволяет утверждать, что работа маршевой двигательной установки протекала штатно и данный отказ в ее работе отсутствовал.
9. Повреждение азотным тетраоксидом и продуктами его разложения при нештатной работе маршевой двигательной установки
На тех же основаниях, что и предыдущий, данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
10. Повреждение лучистым тепловым потоком от работающего жидкостного ракетного двигателя малой тяги
Согласно документу Soyuz User’s manual [9], при штатной работе тепловое влияние любых ЖРД на космический аппарат исключено. Следовательно, данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
11. Повреждение лучистым тепловым потоком от работающего маршевого жидкостного ракетного двигателя
В силу того, что маршевый жидкостный ракетный двигатель располагается на противоположной от полезной нагрузки стороне разгонного блока, а также с учетом того, что в штатном полете во время отделения космических аппаратов от разгонного блока маршевый жидкостный ракетный двигатель выключен, данный вид аварии можно признать маловероятным. В тоже время, признаков нештатной работы маршевого двигателя обнаружено не было, что позволяет еще больше снизить вероятность данного вида аварии и исключить его из дальнейшего рассмотрения.
12. Повреждение повышенным уровнем электромагнитного излучения, испускаемого антеннами разгонного блока
Согласно Вестнику НПО им. Лавочкина, №1 от 2014 года [11] на борту “Фрегата” установлены радиопередатчики с частотами 625-639 МГц и 2200-2290 МГц. По данным Брайана Клофаса, приведенным в таблице CubeSat Communication Systems: 2003–2017 [13] среди отказавших кубсатов не было аппаратов, работающих на этих частотах. Следовательно, даже при повышенном относительно нормального уровня электромагнитного излучения от антенн “Фрегата” повреждение приемников кубсатов можно считать маловероятным событием. Кроме того, данный вид аварии не объясняет “отложенный” отказ части спутников и сигналы с них о низком заряде батарей. Следовательно, данный вид аварии можно признать маловероятным и исключить из дальнейшего рассмотрения.
Подробный анализ вероятных вариантов отказа
Попадание гидразина и продуктов его разложения на кубсаты
В двух рассмотренных видах отказа, в случае штатной и нештатной работы двигательной установки реактивной системы управления не исключается попадание гидразина и продуктов его разложения на кубсаты. Рассмотрим этот процесс подробнее, а также опишем возможный механизм повреждения бортовой аппаратуры спутников продуктами разложения гидразина.
В случае штатной работы ЖРД МТ продукты разложения гидразина расширяющейся струей с большой скоростью удаляются от “Фрегата” и спутников, при этом только небольшая часть выхлопа имеет шанс осесть на внешних элементах конструкции разгонного блока и его полезной нагрузки.
В случае нештатной работы ЖРД МТ возможны следующие варианты развития ситуации:
Согласно справочнику Большакова “Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива” [14], гидразин разлагается ультрафиолетом с длиной волны 253,7 нм и менее на аммиак, азот и водород, образуя на промежуточных стадиях химически активные свободные радикалы вида NH, NH2, H. Данные химические соединения способны вступать в реакции с материалами бортовой аппаратуры спутника. Кроме того, по справочнику [12] и сам образующийся аммиак вызывает коррозию меди и ее сплавов.
Выводы из анализа внешних причин отказа
Рассмотренные события с могли привести к следующим последствиям:
- загрязнение внешних поверхностей солнечных батарей продуктами реакции свободных радикалов, образовавшихся при фотохимическом разложении гидразина, и материалов солнечных батарей;
- множественный разрыв электрических связей в негерметичных электрических соединителях, входящих в состав бортовой кабельной сети кубсатов, за счет образования малопроводящих химических соединений в зоне электрических контактов;
- множественный разрыв электрических связей в негерметичной бортовой аппаратуре кубсатов, вызванный причиной, описанной выше.
Данные последствия хорошо совпадают с известными фактами о состоянии космических аппаратов, выведенных на орбиту с примерным апогеем 600 км, продемонстрировавших либо полный отказ без выхода на сеанс связи, либо передавших перед полным отказом телеметрию о низком уровне заряда бортовых аккумуляторов.
По видимому, полный отказ без выхода на сеанс связи объясняется большим количеством разрывов электрических цепей в электрических соединителей и/или бортовой аппаратуре. Низкий уровень заряда бортовых аккумуляторов можно объяснить уменьшением эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию за счет загрязнения внешней, освещаемой поверхности фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, и уменьшения тем самым выработки ими электрической энергии.
Прогнозы на основе выдвинутых гипотез отказа
Описанный механизм повреждения позволяет дать прогноз дальнейшего развития ситуации с космическими аппаратами, запущенными на орбиту с примерным апогеем 600 км.
- Возможны новые объявления о невключившихся или об отказавших сразу после запуска кубсатах, причем заявленный отказ должен иметь те же признаки, что и у уже объявленных — либо полный с самого начала, либо частичный с передачей перед полным выходом из строя телеметрической информации о низком уровне заряда батарей.
- Возможны объявления о изменении конструкции РБ “Фрегат” или ЖРД МТ, использовавшиеся на нем.
Следующие варианты развития ситуации менее вероятны, но возможны.
- Публикация данных телеметрии с “Фрегата”, свидетельствующая об отказе одного или двух ЖРД МТ.
- Публикация отчета аварийной комиссии об анализе причин аварии кубсатов в пуске 14 июля 2017 года, в котором содержится описанная в данном документе причина отказа.
Заключение
Таким образом, по нашим предположениям, приведенным в настоящем исследовании, возможной причиной отказа “Маяка” и девяти его попутчиков может является попадание на них продуктов разложения гидразина из ЖРД МТ разгонного блока “Фрегат”. Продукты разложения вступили в химическую реакцию с конструкционными материалами фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, вызвав их загрязнение, и с конструкционными материалами бортовой аппаратуры, вызвав их коррозию.
Особое мнение. Разработчик системы электропитания Антон Александров заявил: «Несмотря на то, что нам не удалось установить внутреннюю причину отказа Маяка, я бы рассматривал возможность воздействия внешних факторов в самую последнюю очередь. Все же мы — молодая и неопытная команда спутникостроителей, а в самом аппарате использованы „гражданские“ компоненты, хоть и самые лучшие и проверенные. И, хотя у некоторых из нас есть опыт проектирования космической техники, и нам помогали мастодонты отрасли, я считаю, что наибольшая вероятность причины отказа — внутренняя. Дефекты пайки или проводки, взрыв или брак всего двух соседних ячеек батареи, прикипание створок контейнера, отказ моторов рулеток, залипание концевиков — любой из этих
проблем было бы достаточно, чтобы наш спутник не сработал. Да, мы по-максимуму проведели испытания и до запуска, и уже после неудачи — но то, что мы не нашли внутреннюю причину, в первую очередь, повод искать ее дальше.»
Список источников
- www.space-track.org/#/catalog Необходима бесплатная регистрация.
- spacenews.com/additional-cubesats-on-july-14-soyuz-flight-are-unresponsive
- www.vniiem.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=814:-l-r&catid=36:2008-03-09-13-50-48&Itemid=50
- www.kleinsatelliten.de/news/Launch_and_Early_Operations_Phase_of_the_Flying_Laptop_is_Complete/?__locale=en
- www.raumfahrttechnik.tu-berlin.de/zielgruppen/events_announcements/news/parameter/en
- translate.google.com/translate?sl=ja&tl=ru&js=y&prev=_t&hl=ru&ie=UTF-8&u=https%3A%2F%2Fwww.axelspace.com%2Finfo%2Fnews%2F20170718%2F20170718_release%2F&edit-text=&act=url
- www.utias-sfl.net/?p=2663
- spacenews.com/glavkosmos-denies-launch-vehicle-caused-cubesat-failures
- www.arianespace.com/wp-content/uploads/2015/09/Soyuz-Users-Manual-March-2012.pdf
- directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/cubesat-concept
- vestnik.laspace.ru/archives/01-2014
- Зрелов В. Н. Жидкие ракетные топлива / В. Н. Зрелов, Е. П. Серегин. — Москва: Химия, 1975.
- www.klofas.com/comm-table/table.pdf
- Большаков Г. Ф. Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива. Л., 1983.
Автор: Александр Шаенко
