Апология OTRAG или как взрываются ракеты

[lozga.livejournal.com]

Продолжаем разговор о модульной "большой глупой" ракете-носителе OTRAG. Во второй части мы с цифрами в руках доказали, что надежность большой связки ракетных блоков может быть обеспечена добавлением избыточных блоков. Следующее возражение, которое неоднократно поднималось в комментариях, представляет собой сценарий лавинообразного разрушения пакета при отказе одного блока. Рисуется страшная картина, когда отказ одного блока приводит к взрыву, осколки пробивают соседние блоки, которые тоже взрываются, и вся ракета-носитель разлетается на куски. Поэтому сегодня мы поговорим о физике взрыва, о том, что может взорваться в ракете, и как оно будет это делать.

Введение

Для начала посмотрим известную компиляцию аварий ракет-носителей:

Обратите внимание, что взрывы не являются основным типом аварии, а самый впечатляющий "бабах" происходит уже при ударе ракеты о землю или после разрушения в полёте.

Физика взрыва

Что такое "взрыв" с точки зрения физики? Что любопытно, здесь нет простого ответа. Взрываться могут химическая взрывчатка, атомная бомба, паровой котёл, вулкан, звезда, и даже падение метеорита может сопровождаться взрывом. Несмотря на абсолютно разные принципы, все эти взрывы сопровождаются выделением большого количества энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени. Если взрыв связан с горением вещества, то в случае, когда фронт горения движется быстрее скорости звука, такой процесс называется детонацией. Для создания сверхзвукового фронта могут потребоваться специальные устройства - детонаторы. Например, тротил (тринитротолуол), если его поджечь, будет спокойно гореть. Но если в тротиловую шашку вставить детонатор, он уже может инициировать взрыв. Вещества типа пороха не могут детонировать, они "всего лишь" быстро горят. И если горение происходит в замкнутом объёме, то давление может повыситься настолько быстро, чтобы эффективно выбросить из ствола пулю или снаряд.

Что может взрываться в ракете?

Заряды аварийного подрыва. Собственно говоря, это единственный элемент, который может детонировать в ракете-носителе. Чтобы неуправляемая ракета не причинила вреда, её подрывают. Вот, например, расположение шнуровых зарядов, которые ставились на "Спейс Шаттлы":



Длинные заряды взрывчатки должны были быстро и эффективно разрушить внешний топливный бак и твердотопливные ускорители. Например, в катастрофе "Челленджера" ускорители пережили разрушение шаттла и топливного бака, и были подорваны этими зарядами несколько секунд спустя.
В советской/российской традиции, когда космодром находится вдалеке от густонаселенных мест, у аварийной ракеты просто выключают двигатели. В таком случае взрывчатки на ракете нет вообще.

Разрушение твердотопливного ускорителя. Твердотопливные ускорители, как известно, нельзя выключить после зажигания. А их тяга регулируется профилем отверстия в блоке твёрдого топлива:



Если в топливной шашке есть, например, трещина, то её поверхность тоже начнёт гореть, резко повысив давление. Если трещина большая, всплеск давления может разрушить ускоритель, устроив очень впечатляющий взрыв:

Разрушение двигателя. Камера сгорания с системой регенеративного охлаждения, форсуночные головки, трубопроводы и соединения - любой отказ здесь может привести к разрушению двигателя. Так, например, разрушилась форсуночная головка в полёте Dragon CRS-2 в 2012 году:

Взрыв был достаточно мощным - на видео видно сорванный обтекатель двигателя. Но SpaceX повезло - не образовалось осколков, которые бы повредили соседние двигатели, Dragon успешно долетел до МКС.

Разрушение турбонасосного агрегата. Турбонасосный агрегат - это высоконагруженная турбина, которая вращается с огромной скоростью и прокачивает десятки и сотни килограмм компонентов топлива в секунду:



Она может разрушиться из-за дефекта материала (в авиации известны случаи разрушения турбин, когда дефект закладывался ещё на этапе отливки титановой болванки). Если ротор "чиркнет" по стенке, то выделившееся от трения тепло резко поднимет давление и вызовет взрыв. В ТНА также может попасть посторонний предмет из топливного бака, что, опять же, приведёт к взрыву. Разрушение ТНА опасно тем, что очень быстро вращающаяся турбина может разлететься на тяжёлые и опасные осколки. Предположительно, разрушение турбонасоса привело к аварии Antares Orb-3 осенью 2014 года. Результаты расследования пока не объявлены, но изменение цвета пламени незадолго до взрыва и серьёзное разрушение хвостовой части ракеты делают эту версию весьма вероятной.

Разрушение баков и трубопроводов. Наименее вероятный и наименее взрывоопасный вариант. Небольшая утечка может остаться незамеченной, средняя - устроить пожар, и нужно специально придумывать сценарий, который бы привёл к взрыву. Что-то вроде разрушения трубопровода топлива, которое бы привело к образованию смеси топлива и атмосферного воздуха в двигательном отсеке и последующему взрыву этой смеси.

Что может взорваться в OTRAG?

Вспоминаем конструкцию ракетного блока OTRAG:



Баки топлива, окислителя и газа наддува взорваться не могут. Точнее, простейшая опрессовка немного повышенным давлением позволяет узнать - выдержит ли этот конкретный блок рабочее давление. Если маловероятное событие разгерметизации всё-таки произойдет, то начнётся утечка компонентов без условий для взрыва. Пространство между блоками в условиях атмосферного обдува в полёте не позволит сформироваться компонентам для объёмного взрыва. Даже катастрофическая потеря герметичности в случае, например, отказа креплений стыка, не может привести к образованию опасных для соседних блоков осколков.

Турбонасосный агрегат не может разрушиться в OTRAG просто потому, что его там нет. Подача компонентов топлива производится газом наддува и не использует дополнительных насосов.

Что же касается камеры сгорания и двигателя, они устроены максимально просто:


Блок управления тягой. Видны две трубы (окислитель и горючее), мотор привода клапанов и стержень, соединяющий клапаны для одновременного изменения подачи компонентов


Слева - блок форсунок. Шарик на переднем плане, очевидно, показывает, что клапан подачи компонентов представляет из себя обычный шаровой кран


Камера сгорания. Охлаждение стенок абляционное


Двигатель в сборе на стенде

Что любопытно, в середине нулевых годов Лутц Кайзер навестил компанию Armadillo Aerospace и подарил им экземпляр современной версии инжектора:


Блок управления тягой


Вид сверху, хорошо видны шаровые краны


Блок форсунок

Подобная конструкция, работающая в условиях 40 атм, взорваться не может. Здесь нет системы регенеративного охлаждения, которая могла бы прогореть, нет сложных трубопроводов, а форсуночные головки, высверленные в металле, обладают видимым запасом прочности. Вообще, двигатель своей простотой напоминает сантехнику - два шаровых крана и лейку душа.
Хорошо, дадим волю паранойе и попробуем представить, что всё-таки произойдёт в случае катастрофического отказа конструкции? Забавно, но на YouTube есть видео похожих отказов - какая-то японская компания испытывала ракетные двигатели. Это сложнее OTRAG, и, тем не менее, в худшем случае, двигатель просто улетает. Если бы это произошло в полёте, то улетевший двигатель никак не мог бы повредить соседние блоки.

Финальный аргумент. 40 атмосфер - это немного по современным меркам. В бытовом газовом баллоне 20 атмосфер, всего в два раза меньше OTRAG, и это не мешает их широко использовать, при том, что качество их обслуживания далеко не космическое. Баллоны для аквалангов работают с 200 и 300 атмосферами, и, не смотря на это, они широко распространены и с успехом применяются.

Заключение

Надеюсь, приведенных аргументов достаточно для того, чтобы признать сценарий лавинообразного разрушения блоков крайне маловероятным. Из OTRAG вполне могла получиться хорошая и надежная ракета.

Список использованных источников

1. Фотогалерея


2. Подборка материалов


3. Визит Кайзера в Armadillo Aerospace

Comments

[lozga.livejournal.com]

Ну, простите, 75 тонн - это далеко не "только саму себя". И несущий каркас у Чертока оправдывался. Я думаю, что здесь искусство возможного - да, некрасиво и неэффективно, но, если бы не двигатели, летало бы. Жаль, что её зарезали, очень много денег зря совсем пропало.

У OTRAG и массовое совершенство, и мю ПН низкие. Но это сделано специально, чтобы было просто и дёшево.

[cage-of-freedom.livejournal.com]

//\Чертока оправдывался

Черток - разумеется и оправдывал труд своего КБ, но и признавал, что проблема весов - неразрешима.

"Просто и дешево" - это интересно. Хотя в технике все же чаще выигрывает - "сложно и новаторски". Иначе до сих пор на телегах бы ездили :)

Напишите еще про ОТРАГ. Очень интересно.

Мне всегда казалась совершенно безумной идея насовать много мелких элементов вместо одного крупного. И с точки зрения надежности (если принять, что отказ даже одного элемента - неприемлем из соображений безопасности. Даже если тяги оставшихся хватает) И с точки зрения эффективности.

(Хотя мы тут видели, что Фалькон и с неисправным двигателем летит)

Цена - дело другое.

Я вполне могу понять даже такой подход - мы запускаем грузы на очень дешевой ракете. И даже если каждая вторая ракета будет падать - все равно общая стоимость (даже с учетом стоимости угробленного груза) - все равно будет ниже.

Но - технически - это все таки путь в тупик

[emuzychenko.livejournal.com]

А ничего, что любой живой организм состоит из множества мелких элементов (клеток), и вполне решает задачу как надежности, так и эффективности? :)

[irae-dei.livejournal.com]

Куча амёб это не живой организм.

Вы можете пойти в магазин, накупить более 9000 ракет для фейрверков, связать их в связку с тягой в килотонны, и попытаться улететь в космос.

[emuzychenko.livejournal.com]

То есть, Вы предпочли бы иметь печень из одного большого гепатоцита? :) И один большой лимфоцит на всю иммунную систему? :)

[irae-dei.livejournal.com]

Из большого хреноцита.

Поставьте себе в машину тридцать двигателей от мопеда. И подумайте, почему большие двигатели самые экономичные.

А так же подумайте, какое отношение объёма и площади поверхности у подобных геометрических тел разной величины.

[irae-dei.livejournal.com]

Много маленьких двигателей не дадут такую тягу, как один большой с такой же площадью сопла. Это фундаментально. Поэтому у Н-1 была такая широкая жопа.