[Из песочницы] 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).

Пуск РКН Delta-IV Heavy NROL-37:

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:

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):

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