Skakig Ariane behövde ingen kjol

FFA testade europeisk raket efter haveri - Vindtunnelprov avslöjade orsaken till vibrationer i raketen,

Av Johan Agrell och Jörgen Olsson

Bilden till vänster är en s k Schlierfotografering. Den röda färgen visar expansioner i strömningsfältet dvs hastighetsökningar. Dessa avslutas med stötar dvs kompressioner, blå färg, och är en momentan anpassning till friströmshastigheten.

Den första uppskjutningen av den nya europeiska bärraketen, Ariane 5, slutade med haveri efter 30 sekunders flygning den 4 juni 1996. Analysen av telemetridata, radarföljningsdata, optiska data (IR, foto, film) samt återfunna vrakdelar uppvisade ett flertal avvikelser hos viktiga systemparametrar. Orsaken till haveriet kunde snabbt förklaras och haverikomissionens rapport publicerades den 19 juli 1996. Haveriet berodde på total förlust av styr- och positionsinformation 37 sekunder efter start av huvudmotorns tändningssekvens (30 sekunder efter liftoff). Förlusten av informationen berodde på specifikations- och designfel i mjukvaran till tröghetsnavigeringssystemet.

Orsaken till en av de avvikelser som inte var relaterat till haveriet undersöktes i två av FFAs vindtunnlar under våren och försommaren 1997. Proven utfördes i regi av europeiska rymdstyrelsen ESAs tekniska center, Estec, i Noordwijk, Holland.

Europeisk rymdskyttel testades
Det var inte första gången som FFA anlitades direkt eller indirekt av ESA. Under slutet av 80-talet och början av 90-talet, var vindtunnlarna S4 och T1500 huvudtunnlar för transsonisk provning vid framtagning av det aerodynamiska underlaget för den europeiska rymdskytteln Hermes. Detta skedde på uppdrag av den franska flygplantillverkaren Dassault, som ansvarade för aerodynamiken. Under mitten av 90-talet togs det aerodynamiska underlaget fram för inträdes- och landningsfaserna för Cassini-Huygenssonden, som är på väg till Saturnus för att landa på dess måne Titan den 27 november 2004. (Titan har en tjock atmosfär bestående av mestadels kväve vilket innebär att vindtunnelprov på Jorden är relevanta). Likaledes har den dynamiska stabiliteten i återinträdesfasen för den sk ARD-kapseln studerats (atmospheric reentry demonstrator). De två sistnämnda programmen genomfördes i samverkan med franska Aerospatiale. ARDkapseln utgör en del av lasten vid nästa uppskjutning av Ariane 5, som planeras till oktober 98.

Oönskade vibrationer i strukturen
Den avvikelse från Ariane 501 som undersöktes vid FFA återfinns i haverirapportens punkt 1.4 Unrelated anomalises observed:

One anomaly which was brought to the particular attention of the Board was the gradual development, starting at H0 + 22 seconds, of variations in the hydraulic pressure of the actuators of the main engine nozzle. These variations had a frequency of approximately 10 Hz. There are some preliminary explanations as to the cause of these variations, which are now under investigation. After consideration, the Board has formed the opinion that this anomaly, while significant, has no bearing on the failure of Ariane 501.

Dvs fluktuationer förekom i hydraultrycket till de manöverenheter som styr raketmunstycket (tillverkat av Volvo Aero Corporation) till huvudmotorn, benämnd Vulcain. Vibrationernas amplitud växte med ökad hastighet hos raketen fram till haveriet. Den preliminära förklaringen var att problemet orsakades av buffeting, dvs inducerade vibrationer i strukturen pga avlösning av den omgivande luftströmningen i raketens basområde.

Avlösning inträffar när luft som strömmar utmed en yta inte längre orkar följa konturen. Detta sker oftast pga en hastig tryckökning som uppstår när ytans form viker av från strömningsriktningen. Ett område med långsamt cirkulerande luft bildas vid ytan som den omgivande luften strömmar runt vilket ger ett ökat motstånd. Positionen på ytan där detta händer fluktuerar ofta snabbt vilket innebär att det avlösta området (med långsam luft) kan variera kraftig och ge upphov till strukturvibrationer.

För att studera detta fenomen tillverkades en vindtunnelmodell i Holland under hösten 1996. Efter inledande prov i NLRs (Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium, FFAs holländska motsvarighet) p-HST tunnel användes modellen för prov i FFAs vindtunnel T1500 vid transsoniska hastigheter under april-juni 97. Kompletterande transsoniska prov, samt prov vid machtal 1,83, där högsta statiska last uppnås på Ariane 5, genomfördes senare i vindtunnel S4.

Modellen konstruerades i skala 1:76,5 och tillverkades med yppersta detaljnoggrannhet främst i basområdet runt huvudmotorn för att inte utelämna någon möjlig källa till buffetingproblemet. Med högtrycksluft som leddes genom modellen simulerades raketstrålarna. Den storhet som främst skulle mätas var den dynamiska lasten på raketdysan. För detta syfte instrumenterades hela modellen med 44 dynamiska tryckgivare varav 18 placerades i ytterväggen till dysan (i modellskala 26 mm hög och med en utloppsdiameter på 27 mm). Hela lasten beräknades genom att integrera trycket från de 18 tryckgivarna över dysans yta. Förutom de dynamiska tryckgivarna mättes statiska tryck i 13 positioner på modellen samt tryck och temperatur i de simulerade raketstrålarna.

För FFA var provet en utmaning. Från förfrågan till första mätningen gick det mindre än en månad. Detta är normal en kort förberedelsetid tom för mer standardbetonade vindtunnelprov. För det första var inte de fasta datainsamlings- och utvärderingssystemen i vindtunnlarna anpassade för att mäta så många dynamiska signaler och för att utföra den komplicerade spektral- och korrelationsanalys som krävdes. Detta löstes genom att i stället för det tunnelfasta datorsystemet använda en försöksversion av ett nytt vindtunneldatorsystem, som var under utveckling, för datainsamling. Med det nya systemet kunde den mängd data som krävdes samlas in. Storleken på datamängden för varje testfall var strax över 6 MByte. Analys av insamlade data gjordes med ett nyutvecklat utvärderingsprogram. En lycklig omständighet under förberedelserna inför provet var att nya versioner av operativsystem och programmeringsmiljö levererades vilket möjliggjorde kortare utvärderingstid och därmed högre produktionstakt.

Även för mätning av de statiska trycken krävdes speciella åtgärder eftersom den i modellen inbyggda hårdvaran var av en äldre typ som inte har använts i FFAs höghastighetstunnlar på drygt tio år. Lösningen blev en kombination av hårdvarumodifieringar och programmeringsinsatser.

Övriga förberedelser som krävdes var anpassningar och inkopplingar till vindtunnelns modellupphängningssystem, signalledningssystem och strålsimuleringssystem.

De inledande mätningarna gjordes med en grundkonfiguration av modellen där den dynamiska lasten på raketdysan studerades för machtalen 0,6-1,2. Från flygningen med Ariane 501 hade man endast mätningar upp till 3 700 meters höjd där machtalet var 0,7. Det var därför viktig att fastställa hur lasten varierade vid högre machtal. Det kunde konstateras att den dynamiska lasten var störst mellan machtalen 0,7 och 0,95. För högre machtal minskade lasten.

Kjol på raketen
I nästa fas studerades olika geometriska ändringar runt basytan på modellen. Fyra olika modifieringar undersöktes och ett av alternativen, en sk kjol som monterades på bakdelen av raketen, ledde till signifikant minskning av den dynamiska lasten. Att applicera modifieringen i fullskala skulle dock medföra en kraftig viktökning och därmed minskad nyttolast.

För att få en mer heltäckande förståelse för strömningen kring modellen gjordes även visualiseringsundersökningar. Två olika metoder användes. Den första var sk ytströmningsvisualisering, bilden t h. Den andra metoden var optisk, Schlierfotografering, se bilden.

Med det underlag som tagits fram vid vindtunnelproven på FFA tillsammans med data från vindtunnelprov i Frankrike ansågs avvikelsen vara utredd. I stället för att förbättra aerodynamiken med en kraftig minskning av nyttolasten som följd gjordes enbart några mindre ändringar:

• En överlastventil till de hydraliuska styrenheterna utmattningstestades och befanns vara godkänd.
• Temperatursköldselementen på raketens bakdel och Vulcainmotorn förstärktes för att klara de laster som beräknades uppstå.

Ariane 502 sköts upp 30 oktober 1997. Felet som orsakade det tidigare haveriet var åtgärdat. Den dynamiska lasten pga buffeting befanns vara högre än förväntat från vindtunnelproven men inte stor nog för att kräva några nya modifieringar av raketen.

Från FOA-tidningen nr 4-1998 - www.foi.se/framsyn