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Internet Message Format  |  1993-07-13  |  43KB

  1. Date: Thu, 24 Dec 92 05:38:01    
  2. From: Space Digest maintainer <digests@isu.isunet.edu>
  3. Reply-To: Space-request@isu.isunet.edu
  4. Subject: Space Digest V15 #594
  5. To: Space Digest Readers
  6. Precedence: bulk
  7.  
  8.  
  9. Space Digest                Thu, 24 Dec 92       Volume 15 : Issue 594
  10.  
  11. Today's Topics:
  12.                  Aurora chase planes (was Re: Aurora)
  13.                        AUSROC II: A Post Mortem
  14.                           ground vs. flight
  15.         I thinI see our problem. (Was Re: Terminal Velocity of
  16.              The Real Justification for Space Exploration
  17.  
  18.     Welcome to the Space Digest!!  Please send your messages to
  19.     "space@isu.isunet.edu", and (un)subscription requests of the form
  20.     "Subscribe Space <your name>" to one of these addresses: listserv@uga
  21.     (BITNET), rice::boyle (SPAN/NSInet), utadnx::utspan::rice::boyle
  22.     (THENET), or space-REQUEST@isu.isunet.edu (Internet).
  23. ----------------------------------------------------------------------
  24.  
  25. Date: 24 Dec 92 06:13:15 GMT
  26. From: Mary Shafer <shafer@rigel.dfrf.nasa.gov>
  27. Subject: Aurora chase planes (was Re: Aurora)
  28. Newsgroups: sci.space
  29.  
  30. On Wed, 23 Dec 1992 19:42:05 GMT, pyron@skndiv.dseg.ti.com (Dillon Pyron) said:
  31.  
  32.  
  33. Dillon> In article <1h8beqINN9hv@news.cerf.net>, davsmith@nic.cerf.net (David Smith) writes:
  34. >
  35. >I think people are getting a little too hung up on the "chase" word.
  36. >If I recall right, what started this was that an observer said he
  37. >saw this unidentified plane being chased by an F-15 or F-16.  As
  38. >an observer, how can you tell if one plane is "chasing" another or
  39. >accompanying it?  (Mary's definition of "chase plane" is the standard
  40. >one for testing aircraft but we're really talking about an "accompanying
  41. >plane")  Unless there was some major manuevering going on you can't say
  42. >that the F-15 was "chasing" or attempting to intercept with the intent
  43. >of shooting it down or identifying an unknown plane rather than accompanying
  44. >it as a "chase plane".
  45.  
  46. Dillon> If I saw one aircraft, armed or not, I would feel safe to assume it to be a
  47. Dillon> "companion" plane.  If I saw two, armed to the teeth, one behind and slightly
  48. Dillon> below, the other off center, above and further behind ... The Air Force guys I
  49. Dillon> grew up with call that "snakes and pistols".  ie Sidewinders and guns.
  50.  
  51. Dillon> If you were to see only one "chase" aircraft, it is probably just that.  Most
  52. Dillon> air forces (includes USN) prefer to fly in wing pairs.
  53.  
  54. Dillon> Not that I speak with any real athority.  Mary, does this seem like a plausible
  55. Dillon> explanation (although not complete).
  56.  
  57. We do sometimes fly more than one chase.  This is usually during the
  58. handoff from one chase to another.  An example here is the AFTI/F-111
  59. which would go to the tanker a couple of times during a three-hour
  60. research flight, while we sortied three chases, each good for a little
  61. over an hour.  Why didn't we use just one chase and have it refuel,
  62. you ask?  Because T-38s don't have refueling capability and F-18s need
  63. a different tanker than the F-111.  (The only thing the Air Force and
  64. the Navy agree on is that the Army shouldn't have fast jets.)
  65.  
  66. Let me agree specifically with you about armed-up airplanes--one never
  67. chases with weapons.  It makes the research pilots nervous.  Actually,
  68. this is because weapons are draggy.  Except for the missiles on
  69. wingtips on the F-16 and F-18, and those will be dummies when flying
  70. safety chase.  Remember that flight test, including the chasing, is
  71. only done by test organizations; operational squadrons (the people who
  72. routinely fly with weapons) are only rarely involved.  Dryden, for
  73. example, has absolutely no weapons.  Rarely, we'll borrow some dummy
  74. missiles if their presence is germane to a phenomenon that we wish
  75. to observe (some sort of flow anomaly comes to mind) but we don't have
  76. cannon.
  77.  
  78. By the way, chase should fly off to the side, usually behind and below
  79. the research plane.  The chase has to be far enough away that it won't
  80. interfere with the flow over the research plane, so being behind it,
  81. in very loose formation (several spans away).  There's a classic story
  82. floating around about some plane that had fantastic performance with
  83. one chase pilot and average performance with all others; the one pilot
  84. was flying too close, "pushing" the other plane with his bow wave.
  85. (There are also stories about doing performance points in mountain
  86. waves, but this is the wrong newsgroup for them.)  Chase pilots are
  87. test pilots, trained in how to fly chase.  Dryden has six test pilots,
  88. all of whom fly both research and chase flights.
  89.  
  90. I might also add that the movie "Topgun", while excellent in its way,
  91. trades authenticity in formation flight for cinematic excitement.  The
  92. usual battle spread that one goes into aerial combat with is up to
  93. about a mile.  Obviously, two aircraft a mile apart are not going to
  94. be very interesting, even on a _wide_ screen.  For this reason, the
  95. choice was made to tighten the formation greatly, resulting in some
  96. _great_ photo footage.  But don't be fooled, fighters don't go into
  97. the furball in tight formation.
  98.  
  99. --
  100. Mary Shafer  DoD #0362 KotFR NASA Dryden Flight Research Facility, Edwards, CA
  101. shafer@rigel.dfrf.nasa.gov                    Of course I don't speak for NASA
  102.  "A MiG at your six is better than no MiG at all."  Unknown US fighter pilot
  103.  
  104. ------------------------------
  105.  
  106. Date: 17 Dec 92 05:02:50 GMT
  107. From: etssp@levels.unisa.edu.au
  108. Subject: AUSROC II: A Post Mortem
  109. Newsgroups: sci.space,rec.models.rockets
  110.  
  111. This paper was presented by Tzu-Pei Chen at the 1992 AUSROC conference,
  112. Adelaide, Australia, December 1992.
  113.  
  114.  
  115.                   AUSROC II : A Post Mortem
  116.                   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  117.                         Tzu-Pei Chen
  118.  
  119.                               
  120.                               
  121.                               
  122. Abstract  -  The  AUSROC II Amateur Rocket malfunctioned  at
  123. launch.  The LOX valve failed to open fully, preventing  the
  124. rocket from lifting off. Pneumatic and electrical umbilicals
  125. burnt through preventing an abort sequence. An internal fire
  126. started in the lower valve fairing and spread throughout the
  127. rocket, eventually destroyed the payload. A design fault  in
  128. the  pressurisation mechanism allowed oxygen  to  enter  the
  129. kerosene tank resulting in an explosion which destroyed  the
  130. vehicle.  No  definite reason for the LOX valve failure  has
  131. been  found,  but  a  seal failure in  the  LOX  valve  vane
  132. actuator seems the most likely cause. Simple changes to both
  133. the rocket and launcher systems could have prevented further
  134. damage  to the vehicle after the LOX valve failure. A second
  135. vehicle  designated AUSROC II-2 will be built  incorporating
  136. these changes.  This paper describes what is known about the
  137. launch  event. It proposes possible reasons for the failures
  138. which   were  encountered,  and  suggests  solutions   where
  139. possible.
  140.  
  141.  
  142.  
  143. I.  INTRODUCTION
  144. ~~~~~~~~~~~~~~~~
  145.      "If  one part fails the whole thing can fail. It's
  146.      not  like a car, if you get a flat tire, you  stop
  147.      and  put  another one on ... if you blow a  valve,
  148.      you'll  probably blow up your tanks and everything
  149.      along with it."
  150.                                   Mark Blair, March '92
  151.  
  152. On October 22nd 1992 at about 10:15am an attempt was made to
  153. launch   the  AUSROC  II  Amateur  Rocket  at  the   Woomera
  154. Instrumented Range. A series of malfunctions occurred  which
  155. resulted in a failure to launch, and subsequently led to  an
  156. explosion and total destruction of the vehicle.
  157.  
  158. At  7:00am the 3 hour Flight Firing Sequence commenced.  The
  159. helium  pressure  bottle was pressurised to  20MPa  and  the
  160. launcher elevated. The kerosene tank was then filled.  A dry
  161. nitrogen  supply was connected to the LOX tank and  the  LOX
  162. valve  opened. The LOX system was then purged for 5  minutes
  163. to  remove  any moisture from the LOX feed system especially
  164. the  LOX  ball valve. The lower valve fairing was  inspected
  165. visually for any signs of kerosene leakage, and then sealed.
  166. At  T-30'00",  LOX fuelling commenced, and was  completed  8
  167. minutes  later.  It  was observed that only  a  light  frost
  168. formed  on the tank walls when full. At this point  kerosene
  169. was  discovered to be dripping from the base of the  rocket.
  170. The  amount of leakage was assessed to be insignificant, and
  171. a decision to continue with the launch was made.
  172.  
  173. At  T-15'00"  the  Final Arm & Launch  Sequence  began.  The
  174. ignition  circuit  was  connected  and  all  personnel  were
  175. cleared  from the launcher. At T-2'00" the automatic  launch
  176. sequence  was initiated. Forty seconds later at  T-1'20"  an
  177. ABORT  was  called. The picture from the onboard camera  had
  178. suddenly  deteriorated. The countdown  was  held  while  the
  179. problem was discussed, 10 minutes later the automatic launch
  180. sequence was restarted at the T-2'00" mark.
  181.  
  182. At  T-5s,  the electric match fired, and the ignition  flare
  183. ignited  successfully.  At  T-3s  the  helium  valve  opened
  184. pressurising both propellant tanks. At T-0.25s the  kerosene
  185. valve  opened (as the kerosene takes about 250ms  to  travel
  186. through  the regenerative cooling passage of the motor).  At
  187. T=0s  the LOX valve was actuated, but failed to open  fully,
  188. resulting  in  insufficient thrust to lift the  vehicle.  An
  189. attempt  to  abort  the launch was made  at  T+2s,  but  the
  190. massive  kerosene  plume  had burnt  through  nearby  ground
  191. pneumatic lines preventing the abort system from closing the
  192. propellant  valves. At the same time a crackling or  popping
  193. sound could be heard. Eventually, at around T+10s, the  more
  194. characteristic  "thrusting" sound developed  and  the  plume
  195. became much brighter indicating that some oxygen was present
  196. in  the  chamber.  Kerosene continued to be  expelled  under
  197. pressure  until  T+15s.  At  around  T+20s  the  electronics
  198. umbilical  was also destroyed preventing switch off  of  the
  199. payload.  With the payload control lines cut, the  payload's
  200. timer, thinking the rocket had left the launcher, started  a
  201. 55s countdown to deploy the recovery mechanism.
  202.  
  203. A  small fire could be seen at the bottom of the motor,  the
  204. remaining   kerosene  dribbling  from  the  rocket   burning
  205. brightly  in oxygen. Kerosene on the ground and  around  the
  206. launcher  also  continued to burn with a much redder  flame.
  207. >From  the  onboard camera, smoke could now be seen streaming
  208. from  the upper valve fairing. At T+1'16" the payload  fired
  209. the  nose  separation pins, and then the nose  push  rod,  2
  210. seconds  later. The nose cone popped off to  one  side,  and
  211. fell  to the ground. At T+1'25" the payload failed, and  all
  212. telemetry  except  for the video was lost.  At  T+1'40"  the
  213. video transmitter stopped.
  214.  
  215. The  flame  at  the  bottom of the motor continued  to  burn
  216. brightly. The fire around the launcher eventually  went  out
  217. about  1 minute later. At T+3'45" a mixture of kerosene  and
  218. oxygen  exploded in the kerosene tank, rupturing  the  tanks
  219. cable  duct.  The expanding gases tore out  both  the  lower
  220. valve,  and intertank fairing hatches, and then sheared  the
  221. bolts fixing the intertank fairing to the LOX tank. The  LOX
  222. feed  line was severed at the LOX tank boss, and the  rocket
  223. was blown in half. The remaining LOX pressure was sufficient
  224. to  lift  the top half of the rocket off the launcher  rail,
  225. and  propel it through the air and then along the ground for
  226. some tens of metres.
  227.  
  228. After  a 30 minute cool-off time and careful examination  of
  229. the  wreckage  from  the periscope in  EC2,  the  operations
  230. manager  and range safety officer proceeded to the  launcher
  231. area to make the area safe. Mains power was removed from the
  232. area,  and the pyrotechnic cutters associated with the  main
  233. parachute were disarmed. The various pieces of wreckage were
  234. gathered  together  and brought back  to  Test  Shop  1  for
  235. examination.
  236.  
  237. The  upper  portion of the rocket was severely  dented,  and
  238. disassembly  was  not  possible on  the  day.  Most  of  the
  239. fittings  in  the  lower valve and intertank  fairings  were
  240. either  missing or very badly burnt. The engine however  was
  241. removable  and  it  was discovered that the  LOX  valve  had
  242. indeed opened by about 10 degrees.
  243.  
  244. The  immediate conclusion, reported by most of the media  on
  245. the  day,  was that the LOX valve had frozen shut,  possibly
  246. due  to  the  extended countdown. Eventually it was  decided
  247. that  this was unlikely considering the low humidity on  the
  248. day  and  the  fact that the dry nitrogen purge should  have
  249. left  nothing to freeze within the LOX valve. The  preferred
  250. explanation  was  that one of the pneumatic lines,  probably
  251. already burning due to the kerosene leak, had burnt through,
  252. just as the LOX valve was opening [1].
  253.  
  254. The remains of the rocket were shipped back to Salisbury  to
  255. be  fully dismantled. The motor, and the remains of plumbing
  256. from  the lower valve fairing were brought back to Melbourne
  257. for inspection.
  258.  
  259.  
  260. II.  FAILURE ANALYSIS
  261. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  262.      "The  price  one pays for pursuing any profession,
  263.      or  calling, is an intimate knowledge of its  ugly
  264.      side."
  265.                                           James Baldwin
  266.  
  267. As described above, there were in fact several malfunctions,
  268. some  of  these  prevented the launch of  the  rocket,  some
  269. contributed to the subsequent destruction of the rocket, and
  270. some were simply embarrassing. The major failures which will
  271. be discussed are;
  272.  
  273.  - sudden deterioration of the onboard camera picture,
  274.  - the LOX valve failing to open,
  275.  - kerosene seen dripping from the base of the rocket,
  276.  - the internal fire
  277.  - the explosion in the kerosene tank,
  278.  - failure  of  the abort sequence to close the  propellant
  279.    valves, or disable the payload,
  280.  - lack  of  concrete  data  with  which  to  analysis  the
  281.    failure.
  282.  
  283.  
  284. A.  Onboard Camera Picture Failure
  285.  
  286. The  sudden deterioration of the video picture took the form
  287. of   saturated  white horizontal bars forming  about  bright
  288. portions of the picture. During the launch, these bars  were
  289. present to an extent, but not enough to really detract  from
  290. the  overall picture. However at the exact time the  payload
  291. was  switched to internal power, these bars suddenly swamped
  292. around  30% of the picture. Causing the telemetry  personnel
  293. to call a hold.
  294.  
  295. The horizontal bars were caused by solid state regulators in
  296. the  actual  camera shutting down (thermal  limiting)  after
  297. overheating. The camera had been connected directly  to  the
  298. rocket's unregulated power supply which is nominally 14V,  a
  299. little higher than the camera's nominal operating voltage of
  300. 12V.   The  condition  became  drastically  worse  when  the
  301. payload  was switched to internal power because the  lithium
  302. battery  pack  used  to power the payload,  was  capable  of
  303. supplying,  initially,  around 17V.   The  same  effect  was
  304. repeated in Melbourne, after fire damage to camera had  been
  305. repaired.  The camera was connect to a 14V power supply  and
  306. allowed  to operate for some time (around 20 minutes)  until
  307. the  horizontal white bars developed, then the power  supply
  308. was raised to 16V, and a very similar effect was observed.
  309.  
  310. The  fault  could  have been avoided  had  the  camera  been
  311. connected  to  a  regulated power  source.  In  fact  a  12V
  312. regulator was provided for the camera on the rocket's  power
  313. supply, but this output had simply not been used.
  314.  
  315.  
  316. B.  LOX Valve Failure
  317.  
  318. The  most  obvious  and vexing question of  course,  is  the
  319. reason  for the LOX valve failure. The original explanation,
  320. that a pneumatic line had burnt through at exactly the right
  321. moment  seemed a little unlikely. At the last static firing,
  322. valve  position sensors showed that the time taken  for  the
  323. LOX  valve to opens is in the order of around 60ms  [2],  so
  324. for  the  LOX  valve  actuator to have  moved  11%  requires
  325. failure within a window milliseconds wide, an unlikely event
  326. indeed.  Thus a reason which inherently moves  the  valve  a
  327. small  amount  would be infinitely preferable to  one  which
  328. relies   on   split-second   bad  luck.   Possible   reasons
  329. investigated included;
  330.  
  331. a) an electrical failure due to ;
  332.     - an umbilical being disconnected,
  333.     - an   electronic   failure  in  the  Launch   Sequence
  334.       Controller (LSC) or it's power supply.
  335. b) a pneumatic failure due to;
  336.     - a  loss  of pressure to the actuators due to a breach
  337.       in  the ON side pneumatics, a 1MPa regulator failure,
  338.       or   a   pneumatic  (Legris  push  fitting)   fitting
  339.       failure,
  340.     - an  electrical  or  physical  failure  in  the  pilot
  341.       solenoid,
  342.     - a failure in the vane actuator.
  343. c) mechanical failure due to;
  344.     - the  valve seizing due to mechanical distortion  from
  345.       cryogenic temperatures,
  346.     - the  ball  freezing to the valve seat due to moisture
  347.       being present,
  348.     - the  valve  stem or perhaps valve sensors jammed  due
  349.       to ice build up,
  350.  
  351. The  majority  of  these possibilities were rejected  simply
  352. because  they  did  not  satisfy  the  split-second   timing
  353. problem.
  354.  
  355. An  electrical failure was discounted as the LSC's indicator
  356. lights  showed that appropriate signals were being  sent  to
  357. the  pilot  solenoid valves. The LSC was  tested  later  and
  358. proved to be fully functional.
  359.  
  360. An  ON  side pneumatic line failure was seriously considered
  361. as  a  possibility.  The kerosene leak in  the  lower  valve
  362. fairing  would  have  dribbled kerosene onto  the  pneumatic
  363. lines  leading to the rocket. These lines would have ignited
  364. with  the  flare, severely weakening them. Conceivably  then
  365. the  kerosene plume exiting from the motor could have  burnt
  366. through  the lines then, as the timing was chosen such  that
  367. the  kerosene  and LOX exit almost simultaneously.   However
  368. high   speed  film  shows  no  sign  of  the  lines  burning
  369. beforehand, and the kerosene plume does not exit the  rocket
  370. motor  for  about  0.5s.  It was  also  suggested  that  the
  371. kerosene  leak may have lubricated one of numerous pneumatic
  372. couplings  allowing a line to blow off. This was  discounted
  373. by  collecting  all the push-fittings and  checking  that  a
  374. piece of tubing was still firmly inside the fitting.
  375.  
  376. A failure with the pilot solenoid was rejected mainly due to
  377. the  timing  reasons mentioned. Unfortunately, the  solenoid
  378. was  very badly damaged making it difficult to prove  beyond
  379. doubt that it was operational.
  380.  
  381. Originally  the vane actuator was not even considered  as  a
  382. possible  point of failure. However it was mounted  directly
  383. onto  the  LOX  ball valve, and its mechanism  contains  two
  384. seals which may not operate properly beyond around -20C. Had
  385. these  seals failed, the expected response would match those
  386. observed very well. Thus a seal failure in the vane actuator
  387. is  a  preferable  explanation, and is discussed  in  detail
  388. below.
  389.  
  390. The actual LOX ball valve seizing from mechanical distortion
  391. was rejected out of hand as the valve is explicitly designed
  392. to  handle cryogenic fluids. Freezing of the valve stem,  or
  393. the position sensor was rejected due to the lack of humidity
  394. on  the day. Even had a layer of ice formed, it is unlikely,
  395. given the small surface area, that it would have jammed  the
  396. vane  actuator.  In  light  of the  kerosene  leak,  it  was
  397. suggested that the whole mechanism may have been frozen in a
  398. lump of kerosene ice. However if this was the case, than the
  399. valve would not have opened at all.
  400.  
  401. At an earlier static firing (14/3/92) the LOX valve had also
  402. failed  to  open  fully. Inspection of the valve  afterwards
  403. showed  that there was trichloroethane present  in  the  LOX
  404. valve itself, a remanent from an earlier procedure to remove
  405. grease  from  the  LOX feed system. This  event  caused  the
  406. addition  of  a  dry nitrogen purge to the launch  sequence.
  407. Nitrogen  is flushed through the LOX feed system,  hopefully
  408. removing  any residual solvents as well as any water  vapour
  409. present  in  the  tank. This procedure would  appear  to  be
  410. successful as the following 3 static firings progressed with
  411. out  a  hitch. For this reason, as a dry nitrogen purge  was
  412. performed, this theory was discarded.
  413.  
  414. The  vane  actuator was used to actually turn the  LOX  ball
  415. valve.  It  was mounted directly to the body by an aluminium
  416. mount, and coupled to the valve stem via a slip on coupling.
  417. The  aluminium block was machined to contact well with  both
  418. the  valve  body, and the bottom of the vane actuator.  This
  419. mount  would have formed a reasonable thermal path from  the
  420. body  of  the  valve to the body of the vane  actuator.  The
  421. seals  within  the vane actuator are made from  polyurethane
  422. and  have a nominal working temperature range which  extends
  423. as  low as -20C. Beyond this temperature, the seals begin to
  424. lose their elasticity. LOX was present at the LOX ball valve
  425. for  40 minutes (30 minutes from the start of fuelling, plus
  426. another  10  minutes  for  the  hold).  With  LOX  having  a
  427. temperature  of  around 90K, in the enclosed environment  of
  428. the  lower valve fairing, it is entirely possible  that  the
  429. vane  actuators  body  temperature  could  have  fallen   to
  430. unacceptably low temperatures.
  431.  
  432. If  this was the case, then the vane would have "frozen"  in
  433. the   closed  position.  When  the  pneumatic  pressure  was
  434. applied,  the  vane  would  have hesitated  and  then  moved
  435. possibly in "stutters". With the seal no longer plastic, the
  436. gas  may  also  have  burst under  the  seals  delaying  the
  437. movement  even  further. With the LOX valve partially  open,
  438. the  plume cuts through the pneumatic lines, while the  vane
  439. actuator is still stuttering open, some seconds later.  This
  440. would seem to be the most plausible reason for the LOX valve
  441. failure.  Hopefully  a test can be conducted  utilising  the
  442. Helium  valve vane actuator (if it has survived) to  confirm
  443. this. If this is the case, the abort may have contributed to
  444. the  failure,  as  it  added 10 minutes  to  the  countdown,
  445. extending the time LOX was present at the valve by 33%.
  446.  
  447.  
  448. C.  Kerosene Leak
  449.  
  450. A  leak in one of the kerosene valve's body connector  seals
  451. was  detected  during final pressure tests  the  day  before
  452. launch. As it was a gas leakage at a negligible rate, it was
  453. decided  to  ignore  it. On the launch day,  after  kerosene
  454. fuelling, it was observed that no kerosene was leaking  from
  455. the body connector seal. However after the LOX fuelling, and
  456. the  sealing  of the LOX bleed plug, it was discovered  that
  457. kerosene was leaking from the bottom of the rocket [1].
  458.  
  459. The  leak  in the seal itself was caused simply because  the
  460. type of body connector seals used in the kerosene valve were
  461. in fact once-only seals, that is they deform to form a seal,
  462. but  once the valve is disassembled they stay deformed,  and
  463. should  be  discarded. This was not the case, the seals  had
  464. been  used  four or five times already. The leak  manifested
  465. itself only after the LOX tank had been sealed because of  a
  466. design fault in the tank pressurising system.
  467.  
  468. The  LOX tank is self pressurising in the sense that the LOX
  469. is constantly boiling off, so that the pressure rises in the
  470. tank  once  it is sealed. The tank pressurising  system  was
  471. designed  assuming that the tank regulators acted  as  check
  472. valves and thus would prevent backflow from a pressurised to
  473. tank  back  into the system [3]. This proved not to  be  the
  474. case. Once the LOX tank was filled, a small amount of oxygen
  475. under  its own pressure flowed back through the pressurising
  476. system  and  into  the kerosene tank. The amount  of  oxygen
  477. would  have been very small, however this pressurisation  of
  478. the kerosene tank was enough to cause the kerosene to leak.
  479.  
  480. The  kerosene  leak in itself was probably not  as  major  a
  481. problem  as  it  sounds.  However  by  dribbling  down   the
  482. umbilical,  it  supplied a path by which the  exhaust  plume
  483. could ignite the wiring loom inside the lower valve fairing.
  484.  
  485.  
  486. D. Fire Inside the Rocket
  487.  
  488. A  fire inside the lower valve fairing should not have  been
  489. as  major a problem as it was. A tiny volume, mostly  sealed
  490. at the top, a fire should have quickly suffocated itself. In
  491. addition  the  insulation  on  the  wiring  loom  was  self-
  492. extinguishing,  that  is  if  lit  by  a  open  flame,   the
  493. insulation does not continue to burn in air once  the  flame
  494. is removed.
  495.  
  496. As was mentioned earlier, the LOX tank self pressurises. For
  497. this  reason a relief valve is placed at the top of the  LOX
  498. tank,  and set to crack at 4.5MPa. The vent from this relief
  499. valve  was not piped to the atmosphere, but left within  the
  500. rocket.  During the countdown, the LOX tank would have  been
  501. slowly  venting into the rocket body, and venting  furiously
  502. during  the 15 seconds after T=0s (as can be seen  from  the
  503. onboard camera). This would have provided a very oxygen rich
  504. atmosphere within the rocket, allowing the looms to burn  up
  505. the  rocket as far as the payload, eventually destroying it.
  506. The  amounts of oxygen present can be seen from  the  severe
  507. "weathering" of all the aluminium parts after the fire.
  508.  
  509.  
  510. E.  Kerosene Tank Explosion
  511.  
  512. As mentioned earlier, oxygen was able to bleed back, through
  513. the  LOX regulator, from the LOX tank to the kerosene  tank.
  514. After  all  the kerosene had been expelled, and  the  helium
  515. pressurising  gas  vented,  oxygen  bled  back  through  the
  516. pressurising  system to forming  a fuel air  mixture  within
  517. the  kerosene  tank. When the mixture ratio  was  right,  it
  518. ignited from the small kerosene fire seen at the at the base
  519. of  the  motor. The flame travelled back through the motor's
  520. cooling passages, and through the injector into the kerosene
  521. tank.  The  residual  kerosene may even  have  been  burning
  522. inside the kerosene tank for a while before exploding.
  523.  
  524. The explosion ruptured the LOX pipe conduit, at its weld  to
  525. the  top  of  the  kerosene tank boss. The hot  gasses  then
  526. expanding  down through the LOX pipe conduit into the  lower
  527. valve fairing. The lower valve fairing hatch's backing plate
  528. was  buckled and then blown from the rocket, coming to  rest
  529. on the launch apron ring road. The upper valve fairing hatch
  530. was  likewise torn out. Some gas rushed upwards through  the
  531. pressure line & wiring conduit into the electronics fairing,
  532. breaching  the camera's case and pushing the main  parachute
  533. out  of  it's tube. The bolts holding the intertank  to  the
  534. bottom  of  the  LOX  tank boss then sheared,  breaking  the
  535. rocket  it  two. The upper launch lug broke, and the  rocket
  536. was  thrown to one side. The LOX feed line ripped from  it's
  537. fitting at the base of the LOX tank, and the thrust produced
  538. by  the  LOX being expelled was sufficient to lift  the  top
  539. half  of  the  rocket, through the air and  then  along  the
  540. ground for some distance. The bottom half of the rocket  was
  541. also  torn from the launcher, and fell to the ground nearby,
  542. the   remaining  kerosene  visibly  burning  for  a  several
  543. seconds.
  544.  
  545. The  bleed  back through the regulator was more  complicated
  546. than just simple two-way flow through the regulator. It  can
  547. be  shown that had the LOX valve completely failed to  open,
  548. then  the  events leading to the explosion could  have  been
  549. avoided (see Appendix A).
  550.  
  551.  
  552. F.  Abort Sequence
  553.  
  554. Originally the rocket was designed with no abort  system  at
  555. all,  however  at the static firings it was discovered  that
  556. the  existing pneumatics could, with the addition of  a  few
  557. lines,  allow the propellant valves to be closed as well  as
  558. opened. This system used at each of the static firings,  and
  559. then  incorporated  into the rocket itself,  if  only  as  a
  560. convenient method of shutting the valves during tests.
  561.  
  562. The  abort system was actuated at about T+2s, but was unable
  563. to  close  the propellant valves because the pneumatic  line
  564. used  to close the valves had already burnt through  in  the
  565. exhaust plume of the rocket. Likewise the payload could  not
  566. be  disabled  because the electrical umbilicals  also  burnt
  567. through.  The  failure  of  the abort  system  is  the  most
  568. unacceptable  of  all  the failures  as  it  was  thoroughly
  569. predictable, and easily avoidable.
  570.  
  571.  
  572. G. Lack of Data
  573.  
  574. Most  of the analysis involved a large degree of speculation
  575. because little data of the failure was available. All of the
  576. cameras were placed to take rather optimistic "long"  shots.
  577. So  no clear picture of the base of the rocket is available.
  578. This  was  compounded with problems with the  payload  which
  579. resulted  in  critical data such as the tank pressures,  and
  580. the valve position sensors being lost.
  581.  
  582.  
  583.  
  584. III.  SOLUTIONS
  585. ~~~~~~~~~~~~~~~
  586.      "For every problem there is one solution which  is
  587.      simple, neat, and wrong."
  588.                                           H. L. Mencken
  589.  
  590. With  "20/20:  hindsight,  it  is  easy  to  propose  simple
  591. solutions  to  many  of  the  problems  which  have  already
  592. occurred. The real solution is to actively try and find  all
  593. the  possible  failures  have not  occurred  and  to  either
  594. prevent  them or at least have procedures as to what  action
  595. to take, when they occurred. As a case in point, the payload
  596. could  have been disabled in the first 20 seconds after  the
  597. failure,  as  the  electrical  lines  where  still   intact.
  598. Although  this would not have saved the rocket, at least  it
  599. would have prevented some media embarrassment.
  600.  
  601. The  abort  system and payload umbilicals should  have  been
  602. heavily   protected  from  the  exhaust  plume.  An   E-flux
  603. deflector  could be welded to the base of the launcher.  The
  604. pneumatic  lines  running to the rocket, as  well  as  those
  605. inside  should be replaced by stainless or aluminium tubing.
  606. The  1MPa pneumatic supply should be moved much further away
  607. from  launcher, and protected. The electric umbilicals could
  608. be  connected high up on the rocket so as to be out of harms
  609. way.  The  close valve could be placed inside the rocket  so
  610. that there is only one pneumatic line leading to the ground.
  611.  
  612. Check  valves should be installed after the each  propellant
  613. tank  regulator in order to prevent the bleed back of gases.
  614. Both   the   LOX  and  kerosene  relief  valves  should   be
  615. repositioned  so that they vent to the atmosphere,  not  the
  616. inside of the rocket.
  617.  
  618. All  components  used should be carefully  studied  so  that
  619. items  such  as non-reusable seals are replaced, and  normal
  620. operating conditions are not exceeded. The current LOX valve
  621. arrangement  could be used with the addition  of  a  thermal
  622. insulator  such  as a plastic or ceramic plate  between  the
  623. body  of  the  vane  actuator, and  the  valve  body  mount.
  624. Extensive  testing  of each of the possible  valve  failures
  625. should  be  investigated under realistic  conditions  (using
  626. liquid nitrogen) and worst case data should be obtained.
  627.  
  628. An  automatic abort sequence could be added to  the  LSC  in
  629. order   to  cut  down  response  time  assuming  appropriate
  630. telemetry  data  is available. Better displays  of  realtime
  631. engineering  data  would also allow better decision  making.
  632. Finally,  more  formal  procedures, especially  launch/abort
  633. criterion  need to be established beforehand so  that  these
  634. decisions are not made "in the heat of the moment".
  635.  
  636.  
  637.  
  638. IV.  CONCLUSION
  639. ~~~~~~~~~~~~~~~
  640.      "You may be disappointed if you fail, but you  are
  641.      doomed if you don't try."
  642.                                          Beverley Sills
  643.  
  644. AUSROC II failed to lift off because the LOX valve failed to
  645. open  fully. The most likely explanation is that  the  valve
  646. only  partially  opened  because the  seal  inside  the  LOX
  647. valve's  vane actuator failed due to prolonged  exposure  to
  648. low temperatures. The sudden deterioration in the live video
  649. signal  was  due  to incorrect wiring of the video  camera's
  650. power  supply.  The  10  minute hold caused  be  the  camera
  651. problem may have contributed to the LOX valve failure. After
  652. the  LOX  valve  had  failed to open, it  should  have  been
  653. possible to save AUSROC II by closing the propellant valves,
  654.  
  655. and  disabling the payload. This was not done, as the  wires
  656. and  pneumatic lines associated with the abort system,  were
  657. not  protected in any way, and therefore burnt through in  a
  658. matter  of  seconds. Simply shielding the  wires  and  using
  659. stainless  steel  pneumatic lines would  have  avoided  this
  660. problem. An automatic abort sequence based on telemetry data
  661. would  allow  the launch to be aborted the instant  a  valve
  662. failure is detected.
  663.  
  664. The  explosion  which destroyed the vehicle  was  caused  by
  665. oxygen flowing backwards under its own pressure, through the
  666. LOX  regulator  into  the kerosene tank.  Residual  kerosene
  667. vapour in the kerosene tank mixed with the oxygen to form an
  668. explosive  mixture. The backflow occurred due  to  a  design
  669. fault  in  the  pressurising system, a  check  valve  placed
  670. before or after the LOX regulator would prevent the problem.
  671.  
  672. The  kerosene leak was caused by a non-reusable  seal  being
  673. reused  in  the kerosene ball valve. This leak  provided  an
  674. ignition source for the fire inside the rocket, and while it
  675. contributed  to the destruction of the payload, it  probably
  676. did not contribute otherwise to the launch failure. Although
  677. the  wiring looms were self-extinguishing, the placement  of
  678. the  LOX  relief valve vent inside the upper  valve  fairing
  679. provided  an oxygen rich atmosphere within which they  could
  680. burn.  The  relief valve should be placed so that  it  vents
  681. directly to the atmosphere.
  682.  
  683. If   AUSROC  Projects  is  to  continue  another  AUSROC  II
  684. (designated  AUSROC  II-2) vehicle needs  to  be  built.  An
  685. opportunity  now exists to incorporate all  of  the  changes
  686. which  had been suggested during the construction of  AUSROC
  687. II-1, as well as the changes suggested here.
  688.  
  689. The  design  of  AUSROC II was in many ways too  "positive".
  690. Much  thought  had  been put into each of the  systems,  but
  691. little  thought had been allocated to possible failures  and
  692. their  consequences.  Obviously,  greater  testing  of  each
  693. component may have shown up some of these problems  earlier.
  694. This simply highlights the very limited resources with which
  695. the  group currently works. The six static firings  were  in
  696. themselves,  major  system tests, but they  were  already  a
  697. major strain on our resources. Hopefully AUSROC II-2 will be
  698. able  to proceed in an environment where financial and  man-
  699. hour   constraints  become  secondary  to  the  process   of
  700. engineering.
  701.  
  702.  
  703. References
  704.  
  705. [1]AUSROC  Projects,  AUSROC II Launch Campaign  Review,  26
  706.    October 1992
  707. [2]A. Cheers, Static Firing Data - 25/4/92 1st Firing, April
  708.    1992
  709. [3]M. Blair and P. Kantzos, Design of a Bi-Propellant Liquid
  710.    Fuelled   Rocket,  Final  Year  Project   Thesis,   Dept.
  711.    Mechanical Engineering, Monash University, 1989
  712.  
  713.  
  714. Author
  715.  
  716. Tzu-Pei Chen             Phone:    (03) 561 8654, 560 8629ah
  717. Ardebil Pty Ltd          FAX:      (03) 560 5562
  718. 6 Kooringa Crescent      Pager:    (03) 483 4206
  719. Mulgrave  VIC  3170      Email:    chen@decus.com.au
  720.  
  721.  
  722. Previous AUSROC updates can be obtained by anonymous ftp to
  723. audrey.levels.unisa.edu.au in directory space/AUSROC
  724.  
  725. -- 
  726. Steven S. Pietrobon,  Australian Space Centre for Signal Processing
  727. Signal Processing Research Institute, University of South Australia
  728. The Levels, SA 5095, Australia.      steven@sal.levels.unisa.edu.au
  729.  
  730. ------------------------------
  731.  
  732. Date: Thu, 24 Dec 1992 06:05:43 GMT
  733. From: Henry Spencer <henry@zoo.toronto.edu>
  734. Subject: ground vs. flight
  735. Newsgroups: sci.space
  736.  
  737. In article <=hv29vp@rpi.edu> strider@clotho.acm.rpi.edu (Greg Moore) writes:
  738. >>>    ... What did Michael Collins do while on the Agena?
  739. >>Apart from just generally evaluating how easy it was to do -- not very --
  740. >>he retrieved a micrometeorite experiment package...
  741. >>
  742. >    Actually Henry, that supports my original point, that EVA to and
  743. >on and unstabilized platform isn't easy.
  744.  
  745. The platform being unstabilized actually had little to do with it, aside
  746. from dictating a relatively early end to the exercise when Collins's
  747. various forces exerted on it started complicating its motion to the
  748. point of unpredictability.  The problems were general issues of EVA,
  749. not particular to the nature of the Agena.  NASA hadn't fully realized
  750. the difficulties of free-fall maneuvering in spacesuits at the time.
  751.  
  752. >    However, I do find that this was sone very interesting.  Any
  753. >idea how much if any tumbling the Agena was doing?
  754.  
  755. It was pretty steady when the exercise started, but the situation did
  756. deteriorate.
  757.  
  758. >>[shuttle arm]
  759. >>It's not rated for the full mass of an orbiter, which is why the station
  760. >>arm will eventually take over the capture-for-docking job.
  761. >>
  762. >    I meant to ask about this earlier.  I thought at one point I
  763. >saw a diagram for a special "arm" to do this...
  764.  
  765. I don't recall seeing anything like that, and I'm fairly sure it's not
  766. planned now.  It may well have been proposed.
  767.  
  768. >    Also, given that the bottom of the shuttle is covered with
  769. >tile, can the orbiter exert a Y+ (i.e. vertically up) translation?
  770.  
  771. There aren't any RCS nozzles on the orbiter's belly, but both the forward
  772. and aft RCS systems have nozzles angled down so that they can (somewhat
  773. inefficiently) thrust upward.
  774.  
  775. >>As far as I know, the success rate for grapple fixtures is 100%.  They've
  776. >>sometimes had to proceed slowly and carefully, but I don't think they've
  777. >>ever had to abandon a grabbing attempt.
  778. >
  779. >    Didn't they ahve to manually slow down a rotating satellite
  780. >since the arm couldn't grapple the fixture fast enough? (Solar Max?)
  781.  
  782. On Solar Max, originally Pinky Nelson's backpack was to take the spin
  783. off the satellite so it could be grabbed by the arm.  Didn't work because
  784. the fancy grappling gadget he was equipped with -- unrelated to the one
  785. on the arm -- didn't work.  He did try to do it manually, but that wasn't
  786. properly planned and it didn't work either.  Nobody really expected a
  787. direct grapple attempt with the arm to work, although they did try it.
  788. Eventually they decided to gamble, slowed the spin down a lot with the
  789. satellite's on-board systems, and *then* the arm got it.
  790.  
  791. On the Palapa/Westar retrieval, the next generation of fancy gadgets didn't
  792. work either, but that time they had a manual backup plan, which was used.
  793. (Like Intelsat, these birds had no grapple fixtures, so the arm couldn't
  794. be used until *something* was grappled to them by other means.)  On the
  795. Leasat repair, the hardware was kept very simple and the astronauts'
  796. arms did almost all the work.  (How quickly they forgot these lessons...)
  797. -- 
  798. "God willing... we shall return."       | Henry Spencer @ U of Toronto Zoology
  799.        -Gene Cernan, the Moon, Dec 1972 |  henry@zoo.toronto.edu  utzoo!henry
  800.  
  801. ------------------------------
  802.  
  803. Date: 24 Dec 92 06:08:02 GMT
  804. From: Henry Spencer <henry@zoo.toronto.edu>
  805. Subject: I thinI see our problem. (Was Re: Terminal Velocity of
  806. Newsgroups: sci.space
  807.  
  808. In article <72335@cup.portal.com> BrianT@cup.portal.com (Brian Stuart Thorn) writes:
  809. >>Do you have any idea how many DC-3s are still flying?  After 50
  810. >>years?
  811. >
  812. >        How many Mercury or Vostok are still flying?
  813.  
  814. Vostok-derived unmanned return capsules *are* still flying.  (And apart
  815. from modest changes in upper stages, the boosters that launch them --
  816. also Soyuz, Progress, etc etc etc -- are the same type that launched
  817. Sputnik.)
  818. -- 
  819. "God willing... we shall return."       | Henry Spencer @ U of Toronto Zoology
  820.        -Gene Cernan, the Moon, Dec 1972 |  henry@zoo.toronto.edu  utzoo!henry
  821.  
  822. ------------------------------
  823.  
  824. Date: 24 Dec 92 09:26:02 GMT
  825. From: Brian Yamauchi <yamauchi@ces.cwru.edu>
  826. Subject: The Real Justification for Space Exploration
  827. Newsgroups: sci.space,talk.politics.space
  828.  
  829. In article <1992Dec23.200240.29715@blaze.cs.jhu.edu> arromdee@jyusenkyou.cs.jhu.edu (Ken Arromdee) writes:
  830. >In article <1h9p9fINN6l3@transfer.stratus.com> det@phlan.sw.stratus.com (David Toland) writes:
  831.  
  832. No, he didn't.  I did.
  833.  
  834. >>It seems to me that all of these spinoff arguments, Malthusian
  835. >>arguments, and "dinosaur killer" arguments miss the point.
  836. >>Asking "why explore space?" is like asking "why feed the starving?",
  837. >>"why create art?", or "why do basic science?"  It all comes down to
  838. >>basic human drives, and I would argue that the drive to explore is
  839. >>just as basic as the drive to help, to create, or to learn.
  840.  
  841. >I would argue that there are a lot of other things that are basic human drives,
  842. >some a lot less benign.  (You can name your own examples.)
  843.  
  844. >We humans have the capability to decide to override our instincts when we can
  845. >figure out that following them is not good for us.  To claim that exploration
  846. >is a basic drive is not a justification--if anything, it reduces space
  847. >exploration to the human equivalent of lemmings running over a cliff.
  848.  
  849. Are you arguing that all non-survival related drives should be
  850. suppressed?  Or only the ones which are actively harmful?
  851.  
  852. If you're arguing the latter, then I fail to see how space exploration
  853. falls into the same category as jumping off a cliff.  Just because a
  854. drive isn't necessary for survival doesn't mean that it's suicidal.
  855.  
  856. Is the drive to care for one's offspring (even at great personal cost)
  857. also equivalent to being a lemming?
  858.  
  859. >>When Sir Edmund Hillary was asked why he climbed Everest, he answered,
  860. >>"Because it's there."  The same answer is just as appropriate for why
  861. >>we explore space -- because the entire universe is out there...
  862.  
  863. >If you must succumb to your animal instincts, go ahead.  I suggest not using
  864. >public money, taxed from me whether I want to support your instincts or not.
  865.  
  866. Fair enough -- the same, of course, should apply to those who don't
  867. want their money going to the poor, or to defense, or foreign aid, or
  868. farm subsidies, or any of the other myriad of government programs...
  869.  
  870. Are you an anarchocapitalist?  If so, then fine -- you have a
  871. consistent position against coercive funding of anything.  Otherwise,
  872. how is space exploration different from any of the other government
  873. programs which have less than universal popular support?
  874.  
  875. If we eliminated taxation altogether, then those of us who support
  876. space exploration would have a lot more of our own money to
  877. voluntarily spend on such projects.  For better or worse, that's not
  878. likely to happen in the near future.
  879.  
  880. That having been said, I would like to point out that I said nothing
  881. about government funding of space exploration in my previous post.
  882. The more I see about how government works, the more convinced I become
  883. that space exploration and development needs to be done by the private
  884. sector if it is going to be done at all.
  885.  
  886. At best, government can fund some of the basic research in space
  887. science and technology and some of the high-risk exploratory
  888. development in advanced technologies.  At worst, we get huge
  889. bureaucracies which are primarily motivated by a desire for larger
  890. budgets rather than any real commitment to exploration.
  891.  
  892. Ideally, I would like to see all exploration funded either through
  893. private corporations or non-profit organizations.  To get from here to
  894. there, we first need to get the cost of spacecraft down to the point
  895. where these organizations can afford such ventures.  I think SSTO is a
  896. major step in the right direction -- so is Pegasus, so would be some
  897. of Truax's designs if he ever gets them built...
  898. --
  899. _______________________________________________________________________________
  900.  
  901. Brian Yamauchi            Case Western Reserve University
  902. yamauchi@alpha.ces.cwru.edu    Department of Computer Engineering and Science
  903. _______________________________________________________________________________
  904.  
  905. ------------------------------
  906.  
  907. End of Space Digest Volume 15 : Issue 594
  908. ------------------------------
  909.