Ракета в огне. Delta-IV Heavy — FireBall
Вдохновление написать данный пост про ракетную технику пришло от интереснейших тем про «незаметные сложности ракетной техники». И если не ошибаюсь, то вопрос про «зажигалки» в темах не рассматривался. Пишу первый раз, возможно тема банальная, но мне показалась интересной.
11 июня 2016 года был произведен успешный пуск ракеты тяжелого класса Delta-IV Heavy c КА Orion9 (в рамках миссии NROL-37). Почему старт именно этой ракеты? Во-первых, потому что была запущена в очередной раз самая мощная действующая ракета, во-вторых, это был всего 9-й пуск Дельты Хэви, в-третьих, старты Дельты Хэви очень красивые и эффектные (низкая тяговооруженность, медленный подъем сквозь горящие клубы водорода).
https://www.youtube.com/watch?v=wCy401hkXuk
Хоть пуск можно считать и рядовым, даже обычной рутиной, но я бы выделил старты данного типа ракет, у которых есть своя изюминка — так называемый Fireball — пламя разгорающихся паров водорода, сквозь которые стартует ракета. Хоть для наблюдателя это изюминка, для инженеров — это проблема, с которой необходимо бороться. А как это происходит написано ниже.
«Проблема» (или особенность) старта ракет с водородным двигателем RS-68 (на других типах циклограмма может быть иной, и эффект в итоге тоже отличный) заключается в следующем:
Перед запуском двигателя RS-68 (на паре кислород-водород), за 5 секунд(T-5) до отрыва РН от стола, горючее (в данном случае водород) подается в магистрали двигателя. Необходимо это для захолаживания (более холодным водородом в сравнении с жидким кислородом) магистралей и элементов двигателя перед запуском (для исключения резких перепадов температур на трубопроводах, клапанах и т.п.). В результате данной процедуры вокруг ракеты образуется облако из паров водорода, постепенно смешивающихся с воздухом, которые могут как гореть, так и взрываться.
Далее, через 3 секунды открывается клапан подачи жидкого кислорода и происходит запуск двигателя. В этот момент пламя двигателя поджигает образовавшуюся гремучую смесь вокруг ракеты и все это начинает полыхать. Примерно так:
Или так:
В итоге ракета имеет такой вот «угольный» вид:
Конечно, даже первые пуски ракеты не привели к сбоям и ракета, хоть и обгорелая, успешно уходила со старта. Но выглядело это хоть и эффектно, но довольно опасно и ненормально (как максимум, есть опасность объемного взрыва).
Естественно о данном эффекте было понятно и до первого пуска. Тем более, что опыта работы с водородными двигателями у американцев хватает (в рамках Space Shuttle с двигателем RS-25). Исходя из этого, было как минимум два инженерных решения для снижения воздействия горящего водорода на оболочку ракеты.
Во-первых — мощная теплоизоляция(оранжевые участки на модулях ракеты). Работает она как изолирующий материал баков окислителя и горючего от внешнего атмосферного тепла, так и защита от горящих паров водорода. В некоторых пусках эта изоляция частично горит при полете ракеты:
https://www.youtube.com/watch?v=zY8fxZN_P2U
Второе необходимое решение — установка «зажигалок».
На стартовом столе смонтированы так называемые зажигалки — Radial Outward Firing Igniters (ROFIs, or “sparklers”). Аналогичные присутствовали на стартовой платформе для Space Shuttle. Правда от зрелища вырывающейся из огня ракеты эти зажигалки не спасают: дело в том, что основное их предназначение исключение перемешивания паров водорода с воздухом (или минимизация концентрации этих паров), то есть исключение образования взрывной смеси. С этим они справляются — пока что все пуски происходили без взрывов.
Но все равно проблема сильного обгорания оставалась и несла потенциальную угрозу теплоизоляции и оболочке баков.
Снизить эффект от излишнего догорания смогли изящным и недорогим инженерным решением: разновременным запуском двигателей блоков РН.
Упрощенная циклограмма запуска выглядит следующим образом: первым запускается один из двигателей RS-68 на блоке "starboard"(одна из боковушек), через 2 секунды запускаются двигатели на остальных блоках: «port» (другая боковушка) и «core» (центральный). Смысл в этом следующий: ранний запуск одного из двигателей приводит к тому, что уменьшается выброс избытка водорода в атмосферу(к тому еще что успевают сжечь зажигалки), одновременно с этим газовая струя уходящая в газоход (газоотводный канал) создает эжекционный поток воздуха, который работает как пылесос, засасывая в газоход все, что находится вокруг стола и ракеты. Поэтому при дальнейшем запуске остальных 2- х двигателей снижается общий выброс паров водорода и большая его часть увлекается потоком воздуха, который обтекает ракету и элементы стола и уводит излишки пламени в газоход.
Данный подход, позволил уменьшить эффект fireball`a до аналогичного при запуске Delta-IV M с одним водородным двигателем. И действительно, последние запуски (Orion EFT-1 и вчерашний) прошли в «щадящем» режиме. Но тем не менее, старт ракеты получается эффектным и непривычным для глаз обывателя.
Пуск Delta-IV-H EFT-1 (первый с разновременным запуском двигателей):
https://www.youtube.com/watch?v=eO89KowRfiY
Для наглядности приведена фото-статистика пусков Дельты Хэви от автора Jason Davis. Стоит заметить, что с разных сторон ракета обгорает по-разному. Также, газоотводный канал на мысе Канаверал имеет двухканальную схему, на Ванденберге — 1 канал. Это различие может влиять и на характер обгорания (несимметрия при засасывании окружающего воздуха).
Стоит однако напомнить, что такая проблема была не только у Дельты. Наверное впервые данная проблема появилась у отечественной МБР Р-7 (прародитель нынешнего Союза), которая также «страдала» от эффекта догорающих паров (теперь уже керосина и кислорода) из-за длительного процесса запуска двигателей первой и второй ступеней (более 10 секунд). И первые пуски ракет этого типа также проходили сквозь пламя и не добавляли инженерам нервов. Решение было найдено в системе газовой (хотя изначально она должна была быть водяной, но это отдельная история) эжекции, которая до запуска двигателей создавала в газоходе поток воздуха, увлекающий пары горящего топлива в сторону выхода газов.
Вот так это выглядело тогда: Р-7 сквозь пламя.
Вот такой краткий пост об еще одних сложностях ракетной техники. Если материал понравился, то у меня есть идея написать еще о некоторых интересных моментах, которые сопровождают старты космических ракет.
Спасибо за внимание.
Источники:
1. www.americaspace.com/?p=21832
2. www.planetary.org/blogs/jason-davis/2014/20141126-ula-burning-questions.html
3. kollektsiya.ru/raketi/335-r-7-8k71-dvukhstupenchataya-mezhkontinentalnaya-ballisticheskaya-raketa.html
15/06/16
Данный контент заимствован вот здесь:
Напомню, что:
В США запущена ракета с секретным разведывательным спутником
Американская ракета-носитель Delta IV Heavy с разведывательным спутником США стартовала в субботу, 11 июня, с космодрома на мысе Канаверал, штат Флорида. Трансляцию запуска в Twitter вела компания-оператор United Launch Alliance (ULA).
Старт состоялся в 13:51 по времени Восточного побережья США (20:51 мск). Изначально старт планировался на 9 июня, однако был отложен за 60 секунд до запуска из-за неудовлетворительных погодных условий.
Миссия, получившая название NROL-37, засекречена. Спутник Национального управления военно-космической разведки, как отмечает РИА Новости, может быть предназначен для прослушивания и сбора разведданных.
Нынешний запуск — девятый для ракеты Delta IV Heavy. Первый старт состоялся в 2002 году.
ULA (United Launch Alliance) — совместное предприятие, созданное Boeing и Lockheed Martin.
Немного о полезной нагрузке, запущенной на геостационарную орбиту во время успешно проведенного запуска из открытых источников (Wiki) :
Ментор (спутник)
Orion, также известный как Mentor или Advanced Orion, серия разведывательных спутников США, предназначенных для радиоэлектронной разведки из космоса. Эксплуатируемые национальным управлением военно-космической разведки США и разработанные при участии ЦРУ, пять штук были запущены с мыса Канаверал на ракетах-носителях Titan IV и Дельта-4 начиная с 1995. Эти спутники принимают электромагнитное излучение с геостационарной орбиты и выступают в качестве замены для старой группировки спутников Magnum. Наблюдатели оценивают вес спутников близко к 5,200 кг. Также есть основания полагать, что спутники имеют огромные (примерно 100 м в диаметре)[1] радиоотражающие антенны. NRO L-32, который является пятым спутником группировки, согласно данным директора национального управления военно-космической разведки США Брюса Карлсона, "(...) крупнейший спутник в мире".[2] Считается, что имеется в виду диаметр основной антенны, которая может быть значительно больше 100 м.[3] Миссия и возможности этих спутников строго засекречены. Ранние спутники похожего назначения, спутники серии Rhyolite/Aquacade, были построены TRW Inc.; неизвестно, кто сделал спутники Orion.[4]
С таблицей запуска спутников данного типа можно познакомится по ссылке:
Несколько доступных в открытых источниках проектных изображений внешнего вида КА NROL-37:
Внешний вид NROL-37 в сравнении с предыдущим КА серии NROL (изображен правее и ниже в одном масштабе) с развернутой основной антенной
http://www.globalsecurity.org/intell/systems/iosa.htm
NROL-37 (слева) в сравнении с NROL-32 (справа), выеденного на орбиту 21/11/10 и находящегося в настоящий момент в эксплуатации.
Подробнее с дополнительными данными о этих КА можно познакомится вот в этой таблице (строки L- 37 и L-32 соответственно):
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_NRO_launches
Дополнительно по теме текущих событий в реализации американской космической программы:
Ракета SpaceX разбилась при посадке
Запущенная сегодня ракета Falcon 9 разбилась о плавучую платформу, на которую её собирались посадить. Зрители, наблюдавшие за посадкой, отметили, что ракета зависла над платформой, окутанная клубами дыма, затем что-то пошло не так, и она рухнула. Элон Маск уже сделал официальное заявление, в котором сообщил, что причиной падения стал сбой одного из трёх двигателей, отвечающих за приземление.
На счету SpaceX несколько успешных посадок беспилотных ракет, каждый полёт которых, в том числе и последний, неудавшийся, был экспериментальным. После каждой миссии компания узнаёт что-то новое, поэтому даже такое досадное обстоятельство, как крушение ракеты, сложно назвать чем-то очень печальным. Сбои – это обычное дело, они тоже являются частью любого эксперимента и помогают лучше понять, как всё работает.
Теперь инженеры лучше изучат обстоятельства, которые привели к неудачной посадке и постараются избежать подобных инцидентов в будущем. Специалисты уже начали работать над решением проблемы, благодаря которому в случае неисправности одного двигателя можно будет переключить нагрузку на другие, избежав таким образом крушений при последующих запусках. Ожидается, что двигатели будут доработаны до конца этого года. Несмотря на печальную участь самой ракеты, задачу она выполнила, выведя на орбиту два новых коммуникационных спутника, которые уже включаются в работу.
15/06/16
Видео с неудачной посадкой ракеты Falcon-9 разработки и производства компании Space-X: