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

[fan-d-or.livejournal.com]

>> В ПРИНЦИПЕ - одно большое эффективнее, чем несколько маленьких.

Совершенно неверное утверждение, основанное на недостаточно глубоком понимании законов развития технических систем.

>> На Сатурне-1В фон Браун использовал 9 менее мощных двигателей. Как временное решение. Что мешало ему насовать их же, но побольше, и в Сатурн-5?

Сам проект лунной миссии построен вокруг большого двигателя - F-1 создан раньше, чем была объявлена программа "Сатурн-Аполло" и послужил идеологическим фундаментом, на базе которого удалось пропихнуть идею лунной миссии через политическую верхушку. То есть, Кеннеди объясняли - движок есть, нужно только построить ракету.

А все "мелкие" Сатурны - это всего лишь ЛКИ отдельных ступеней, производимые поэтапно.
Эта схема вполне была уместна и для Н-1 - но из-за фатального отставания по времени Королёв решил проводить испытания комплексно сразу на уровне всей большой ракеты.
Варианты использования второй ступени в качестве самостоятельного носителя вполне конкретно существовали - и были, надо сказать, весьма интересными в плане перспектив отечественной космонавтики.

>> Вместо этого - с огромными трудностями - были созданы куда более мощные Ф-1, которых на первой ступени Сатурна-5 - было всего 5!
Потому что так - эФФЕКТИВНЕЕ.

Самое смешное - что вовсе нет!
Ф-1 - результат конструкторских амбиций, создаваемый "ни для чего" - всего лишь, как реализация некоей игры мысли.
Даже "сокровищница коллективных заблуждений" относительно адекватно излагает историю разработки: https://ru.wikipedia.org/wiki/F-1_%28%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%29

При этом, уже в 1959 году он вышел на огневые испытания в полной компоновке.

Потому у фон Брауна были весьма веские основания для преуспевания в лунной гонке, а Сатурн он строил вокруг готового движка, занимаясь строго самой ракетой.

Поставленная Королёву задача была фатально более сложной - строить ракету при отсутствии подходящих двигателей и в условиях жесточайшего цейтнота.

>> 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).

Скажу по секрету - в СССР пульсации называли "пульсациями". Это я вам, как причастный к теме специалист говорю.

"Высокая частота" - это даже не сленг от конструкторов, а чисто курилочная терминология, перекочевавшая в некомпетентную тусовку.

Относительно взрывов ТНА на НК-15 - как оказалось, ТНА не любит кусков металла в своём нежном нутре.
То есть, проблема - вопрос не столько надёжности ТНА, сколько соблюдения производственно-технологической дисциплины.
А, как известно, урод, забивающий на сборке ракеты деталь кувалдой может найтись всегда - это уж область действия законов Мэрфи...

>> Для РДТТ - различные прогорания.

Для РДТТ, как уже сказано в статье, фатальны не прогары, а растрескивание топливной шашки.
И тут вопрос надёжности однозначно решается на основе адекватного объёма стендовых испытаний - в результате чего вероятность взрыва может быть сведена к минимуму.

>> Непонятно какое тут было преимущество у ОТРАГ.

Ну, если непонятно - читайте статью ещё раз...

[cage-of-freedom.livejournal.com]

//\F-1 создан раньше, чем была объявлена программа "Сатурн-Аполло"

Нет. Читайте книгу "Ступени к Сатурну". Весь амерский космос вырос из потребностей военных. (Как и наш). Военным двигатель класса Ф-1 вообще не был нужен. Наоборот - происходила стремительная миниатюризация боеголовок. И даже Титан-2 оказался излишним.

///Скажу по секрету - в СССР пульсации называли "пульсациями".

Черток и Глушко другого мнения.

///а растрескивание топливной шашки

Они и ведут к прогарам. Которые и ведут к катастрофам.

----------

Проблемы с пульсациями на Ф-1 и как с ними боролись подробно описаны в "Ступенях" и в собственных отчетах Брауна. Это была тяжелейшая проблема. И в конце он пишет- "Мы нашли конкретное решение, но никак не приблизились к пониманию причин проблемы".
И если бы можно было обойтись без мощного двигателя типа Ф-1 - обошлись бы.

Но - ОДНО большое эффективнее ДВУХ малых. Так всегда технике. От танкеров до авиалайнеров. От карьерных самосвалов до ракет.

-----

Проблема Королева была не в отсутствии двигателей. Был Глушко. Хотя и он боялся делать однокамерный двигатель мощности Ф-1. И для Энергии предпочел двигатели с несколькими меньшими камерами.

Проблема Королева была в том, что он не имел возможности доставлять в Тюратам первую ступень в сборе по воде. Как было возможно на Канаверал.

Поэтому была выбрана заведомо провальная схема с несущим каркасом. Да еще и прочнисты ошиблись.
Королев не был талантливым конструктором. В отличие от Брауна и тех, кто работал в Конвер и Мартин.

Технические ошибки КБ Королева и общая слабость СССР - вот причины неудачи с Н-1. Ну и отказ от работы с Глушко - это известно. Хотя тот был прав. Амеры вполне себе летали на гидразине, и мы могли бы. Вот "Протон" - куда более удачен технически.

[frs-vetlana.livejournal.com]

"Но - ОДНО большое эффективнее ДВУХ малых. От карьерных самосвалов... "
Иногда проезжая мимо строек, задумываюсь, а не проще ли было вместо трейлеров, перевозящих, скажем, мостовые конструкции, набрать тучу народа, чтобы на руках перенесли? Машины надо конструировать, заводы для них строить, станки, и еще кучу всего делать.... А люди уже есть готовые. И практически в неограниченном количестве.

[roquefort-tln.livejournal.com]

кое-как работает только в странах с очень высокой урожайностью (жарких, влажных) и крайне неприхотливыми людьми. (Индия, ЮВА). В остальных - нет. Человек - крайне неоптимален как источник механической энергии. Его в любой культуре при первой же возможности стараются заменить хотя бы на ту же лошадь или быка, которые жрут траву а пашут как пять человек.

[frs-vetlana.livejournal.com]

Да понятно. Это я так, постебалась:)

[ubpskh.livejournal.com]

>> Вот "Протон" - куда более удачен технически.

Сколько аварий было у Протона в первых 20 запусках? Вроде 14? :)

>> И для Энергии предпочел двигатели с несколькими меньшими камерами

Двигатель с очень большой камерой сгорания неэффективен. Оптимальный размер -- это что-то близкое к тому, чтобы было на Энергии

>> Нет. Читайте книгу "Ступени к Сатурну". Весь амерский космос вырос из потребностей военных. (Как и наш). Военным двигатель класса Ф-1 вообще не был нужен. Наоборот - происходила стремительная миниатюризация боеголовок. И даже Титан-2 оказался излишним.

Что с того, если он был уже создан к тому времени? Да, его доводили до ума много лет, но первый образец на стенд поставили еще в конце 50-х