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

[ubpskh.livejournal.com]

>> Потому что так - эФФЕКТИВНЕЕ.
Первые стендовые испытания у F-1 случились в 1959 году, за несколько лет до начала создания Сатурн-5.
Импульс у него был немногим лучше, чем у H1, который стоял на Сатурне-1 (263с против 255с) и у него было хуже соотношение тяги к весу. Так что нельзя сказать, что он был так уж эффективнее. Оптимальный размер ЖРД -- он все-таки поменьше, чем у F-1. Раза в три-четыре.


>> Что касается причин аварий то (если не говорить о системах управления) это:
>> Для ЖРД - разрушение ТНА или двигателя (высокая частота, как называли это наши или пульсации как >> >> называли в США) - и как следствие - пожар и взрыв (или подрыв)
>> Для РДТТ - различные прогорания.
>> Непонятно какое тут было преимущество у ОТРАГ.

ТНА нету, прогорать тоже особо нечему... чем не преимущество?

[cage-of-freedom.livejournal.com]

///ТНА нету, прогорать тоже особо нечему... чем не преимущество?

Это более интересный вопрос.

Почему схема с наддувом не пошла и все пользуются ТНА. Видимо ответ в том, что она все же эффективнее по весам.

Проблема с ТНА на первых порах была - в их ненадежности. (Мусор, недостатки конструкции).

Но отказ от технического решения лишь потому, что оно пока не отработано - это неверный подход.

Всегда было так, что если решение технически СЛОЖНЕЕ, но ЭФФЕКТИВНЕЕ - его отрабатывали и доводили до совершенства. А не отказывались от него в пользу более простого, но менее эффективного.

Разве что - в СССР и в войну. Но даже в Германии в войну препочитали преодолевать технические трудности, а не переходить к более простому решению.

И - вроде - проблемы с ТНА решены наконец. Хотя у Антареса с НК-Аэроджет - вроде опять приключилось.

[ubpskh.livejournal.com]

>> Почему схема с наддувом не пошла и все пользуются ТНА. Видимо ответ в том, что она все же эффективнее по весам.

Главное -- это эффективность по деньгам.
Да и по весам все не так однозначно. Для маленького двигателя схема без ТНА будет выгодна по всем показателям


>> Всегда было так, что если решение технически СЛОЖНЕЕ, но ЭФФЕКТИВНЕЕ - его отрабатывали и
>> доводили до совершенства. А не отказывались от него в пользу более простого, но менее эффективного.

Абсолютно не факт. Посмотрите на ракету "Союз".

Посмотрите на керосиновые и гептиловые двигатели, широко применяемые и заведомо неэффективные по сравнению с водородом.

Посмотрите не метан, который по всем параметрам вроде бы превосходит керосин, но так нигде и не применяется.

Посмотрите на ЖРД открытого цикла, которые вроде бы не слишком эффективны, но от того не менее массовы.

И, с другой стороны, на ЖРД с полной газификацией компонентов: вроде бы это самое эффективное, что можно придумать в этой области, но в лучшем случае что-то подобное полетит в космос лет через 5-7, несмотря на то, что первый образец испытывался в конце 60-х

>> Разве что - в СССР и в войну. Но даже в Германии в войну препочитали преодолевать технические трудности, а не переходить к более простому решению.

Для Германии во времена второй мировой было характерно две особенности:
1. страной управлял тяжелый наркоман
2. возможности промышленности по выпуску техники далеко превосходили возможности по заправке этой техники топливом

Отсюда и, казалось бы, бессмысленное усложнение техники. На самом деле, за исключением некоторых бредовых проектов, смысл в этом был. Конкретно для их ситуации.