[AR] Re: S-IVB-503 explosion (was Re: SpaceX)

  • From: "Michael S. Kelly" <mskellyrlv@xxxxxxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Sun, 4 Sep 2016 17:34:53 -0400

What he said.

Sent from my iPhone

On Sep 3, 2016, at 6:51 PM, Henry Spencer <hspencer@xxxxxxxxxxxxx> wrote:

On Sat, 3 Sep 2016, Michael S. Kelly wrote:
The S-IVB explosion was due to a design flaw of major proportions.  The 
helium pressure tanks were mounted inside the LH2 tank, to allow more helium 
to be stored.  The helium tanks were made of titanium, and the explosion was 
due to failure of the girth welds from hydrogen embrittlement.

I regret that I have to contradict Mike on some of the details here. :-) The 
best account of the S-IVB-503 explosion is Alan Lawrie's article in the Dec. 
2007 issue of Spaceflight (p. 470); in particular, he talked extensively with 
Don Brincka, who was the Douglas test director in the blockhouse when the 
stage went up, and was heavily involved in the investigation.

The S-IVB had both "cold" helium tanks inside the LH2 tank, and "ambient" 
helium tanks around the engine on the base of the stage (easily visible in 
many photos).  It was in fact one of the ambient tanks that ruptured to cause 
the accident.  (This is confirmed by other shorter accounts, including p. 186 
of "Stages to Saturn" [Bilstein, NASA SP-4206].)

The examination of the debris found that three of the helium tanks (all 
ambient tanks) had split into their hemispheres -- in fact, only one 
hemisphere of each tank was found.  (The test area was an old gold-mining 
site which had been reworked extensively to recover gold residues from the 
tailings, so the ground was uneven, with ponds and lakes everywhere. Various 
bits of missing debris, including the missing hemispheres, almost certainly 
were underwater; Navy divers, hampered by bad weather and thick mud, 
unfortunately didn't find much.)  Two of the found hemispheres, from tanks 65 
and 66, were blackened on the exterior, but the hemisphere of tank 69 was 
bright and shiny.  69's rupture had come first, so its hemispheres had 
departed the vicinity *before* the fire and explosion, hence the clean 
surface.  Its lower hemisphere, the one found, had gone down into the flame 
trench; its upper hemisphere had gone clear through the stage and out the 
top.  65 and 66 had come apart during the blast.

The problem wasn't that the tanks were titanium; the problem was use of the 
wrong welding wire for the girth welds (combining two hemispheres into a 
single spherical tank), and general neglect of quality control.

The tanks were titanium 6Al 4V, a fairly standard alloy, and the weld wire 
should have been the same alloy.  In fact, the shipping container said that 
the shipment of three spools of weld wire was all 6Al 4V.  However, if you 
read the accompanying test certificates carefully, two of the three spools 
were Ti 55A -- straight titanium -- not 6Al 4V.  The result was welds that 
were 30-40% under strength to start with; all the tanks were successfully 
proof-tested at 1.6x operating pressure, but some of them were probably very 
close to failure then.  Later, as the tanks were pressure-cycled -- and those 
tanks were cycled many times -- needles of titanium hydride gradually formed 
at the interface between the two metals, making the interface layer brittle 
and further weakening the tanks.

Aggravating the problem, the tank subcontractor's QC paperwork wasn't being 
done properly.  Worst of all, Douglas wasn't paying attention. Each batch of 
new tank welds was accompanied by a weld test ring, which went out to an 
independent test lab.  Test ring #1 had been fine and had been used to 
qualify the subcontractor.  Test ring #2 (for tanks 04-60) had *failed* 
testing; Douglas claimed ignorance of this until the investigators pointed 
out that they had received and paid an invoice for the testing!  Test ring 
#3, for tanks 61-75, also failed testing, and again Douglas hadn't noticed.

There might have been more of a public fuss about this, had the explosion not 
been totally overshadowed by the Apollo fire a week later.

The fix was to move tank manufacture in-house at Douglas, tighten up quality 
control in general, and inspect existing tanks to weed out the ones with bad 
welds.  Plus repairing the test stand and replacing the S-IVB stage.  Plus 
repairing assorted damaged cars -- the explosion had happened in late 
afternoon, just as the day shift was leaving the test site, and there had 
been a number of minor car crashes due to distracted drivers!

Henry


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