Rakete in Flammen. Delta-IV Heavy - Feuerball

Die Inspiration, diesen Beitrag über Raketentechnologie zu schreiben, kam von interessanten Themen über die "unauffälligen Schwierigkeiten der Raketentechnologie". Und wenn ich mich nicht irre, wurde das Thema „Feuerzeuge“ in den Themen nicht berücksichtigt. Ich schreibe zum ersten Mal, vielleicht ist das Thema alltäglich, aber es schien mir interessant.

Am 11. Juni 2016 wurde die schwere Rakete Delta-IV Heavy mit dem Raumschiff Orion9 (als Teil der NROL-37-Mission) erfolgreich gestartet. Warum ist der Start dieser speziellen Rakete? Erstens, weil erneut die stärkste aktive Rakete gestartet wurde, zweitens war es erst der 9. Start der Delta Heavy, drittens sind die Delta Heavy-Starts sehr schön und spektakulär (geringes Schubverhältnis, langsamer Aufstieg durch brennende Keulen) Wasserstoff).

Launcher ILV Delta-IV Schweres NROL-37:



Obwohl der Start als normal oder sogar als gewöhnliche Routine angesehen werden kann, würde ich die Starts dieser Art von Raketen herausgreifen, die ihr eigenes Highlight haben - den sogenannten Feuerball - die Flamme aus brennbarem Wasserstoffdampf, durch die die Rakete startet. Obwohl dies ein Highlight für den Beobachter ist, ist es für Ingenieure ein Problem, das angegangen werden muss. Und wie dies geschieht, ist unten geschrieben.

Das „Problem“ (oder Merkmal) beim Starten von Raketen mit dem RS-68-Wasserstoffmotor (das Zyklogramm kann bei anderen Typen unterschiedlich sein und der Effekt ist am Ende auch hervorragend) ist wie folgt:

Vor dem Starten des RS-68-Motors (Sauerstoff-Wasserstoff-Paar), 5 Sekunden (T-5) bis die Trägerrakete vom Tisch gerissen wird, wird Kraftstoff (in diesem Fall Wasserstoff) der Motorleitung zugeführt. Dies ist erforderlich, um die Netz- und Motorelemente vor dem Start zu kühlen (mit kälterem Wasserstoff im Vergleich zu flüssigem Sauerstoff) (um plötzliche Temperaturänderungen in Rohrleitungen, Ventilen usw. auszuschließen). Infolge dieses Verfahrens bildet sich um die Rakete eine Wolke aus Wasserstoffdämpfen, die sich allmählich mit Luft vermischt und entweder verbrennen oder explodieren kann.

Nach 3 Sekunden öffnet sich das Flüssigkeits-Sauerstoff-Zufuhrventil und der Motor startet. In diesem Moment entzündet die Flamme des Motors das entstehende explosive Gemisch um die Rakete und alles beginnt zu lodern. So etwas wie das:



Oder so:



Infolgedessen hat die Rakete ein solches „Kohle“ -Erscheinungsbild:



Natürlich führten selbst die ersten Starts der Rakete nicht zu Ausfällen, und die Rakete verließ, obwohl sie verbrannt war, erfolgreich die Startlinie. Aber es sah spektakulär aus, aber ziemlich gefährlich und abnormal (maximal besteht die Gefahr einer Volumenexplosion).

Dieser Effekt war natürlich schon vor dem ersten Start deutlich. Darüber hinaus haben die Amerikaner genügend Erfahrung mit Wasserstoffmotoren (als Teil des Space Shuttles mit einem RS-25-Motor). Auf dieser Grundlage gab es mindestens zwei technische Lösungen, um die Auswirkung der Verbrennung von Wasserstoff auf die Hülle einer Rakete zu verringern.

Erstens eine starke Wärmeisolierung (orangefarbene Bereiche auf den Raketenmodulen). Es wirkt sowohl als Isoliermaterial für Oxidationsmittel und Kraftstofftanks gegen äußere Umgebungswärme als auch als Schutz vor brennenden Wasserstoffdämpfen. Bei einigen Starts brennt diese Isolierung teilweise, wenn die Rakete fliegt:



Die zweite notwendige Lösung ist die Installation von „Feuerzeugen“.

Die sogenannten Feuerzeuge - Radial Outward Firing Igniters (ROFIs oder „Wunderkerzen“) sind auf der Startrampe montiert. Ähnliche waren auf der Startplattform für Space Shuttle vorhanden. Diese Feuerzeuge retten zwar nicht vor dem Anblick einer Rakete, die aus dem Feuer entweicht: Ihr Hauptzweck besteht darin, das Vermischen von Wasserstoffdämpfen mit Luft auszuschließen (oder die Konzentration dieser Dämpfe zu minimieren), dh die Bildung eines explosiven Gemisches zu verhindern. Sie kommen damit zurecht - bisher wurden alle Starts ohne Explosionen durchgeführt.
Das Problem der starken Verbrennung blieb jedoch bestehen und birgt die potenzielle Gefahr einer Wärmedämmung und des Panzergehäuses.

Sie könnten den Effekt eines übermäßigen Ausbrennens durch eine elegante und kostengünstige technische Lösung reduzieren: Starten von Motoren von Niederspannungsblöcken zu unterschiedlichen Zeiten.

Ein vereinfachtes Startsequenzdiagramm lautet wie folgt: Zuerst startet einer der RS-68-Motoren auf dem " Steuerbord " -Block (eine der Seiten), nach 2 Sekunden starten die Motoren auf den verbleibenden Blöcken: "Port" (eine andere Seite) und "Kern".(zentral). Der Punkt ist folgender: Der frühe Start eines der Motoren führt dazu, dass die Emission von überschüssigem Wasserstoff in die Atmosphäre verringert wird (zusätzlich zur Zeit zum Verbrennen der Feuerzeuge), während der Gasstrahl, der den Gaskanal verlässt (Gasauslasskanal), einen funktionierenden Ausstoßluftstrom erzeugt Wie ein Staubsauger saugt er alles, was sich um den Tisch und die Rakete befindet, in den Rauchabzug. Daher nimmt mit dem weiteren Starten der verbleibenden 2 Motoren die Gesamtemission von Wasserstoffdämpfen ab und der größte Teil davon wird vom Luftstrom weggetragen, der um die Rakete und die Elemente des Tisches fließt und überschüssige Flamme in den Rauchabzug entfernt.

Dieser Ansatz ermöglichte es, die Wirkung des Feuerballs auf einen ähnlichen Wert zu reduzieren, wenn der Delta-IV M mit einem Wasserstoffmotor gestartet wurde. In der Tat fanden die letzten Starts (Orion EFT-1 und gestern) in einem "sanften" Modus statt. Trotzdem erweist sich der Start der Rakete für die Augen des Laien als spektakulär und ungewöhnlich.

Starten Sie Delta-IV-H EFT-1 (das erste mit gleichzeitigem Starten der Motoren):



Zur Verdeutlichung wird die Fotostatistik der Delta Heavy-Starts von Jason Davis angezeigt. Es ist erwähnenswert, dass die Rakete von verschiedenen Seiten auf unterschiedliche Weise brennt. Auch der Gasauslasskanal in Cape Canaveral hat ein Zweikanalschema in Vandenberg - 1 Kanal. Dieser Unterschied kann auch die Art des Brennens beeinflussen (Asymmetrie beim Ansaugen der Umgebungsluft).



Es sei jedoch daran erinnert, dass nicht nur Delta ein solches Problem hatte. Dies war wahrscheinlich das erste Problem, das in der russischen R-7 ICBM (dem Vorfahren der gegenwärtigen Union) auftrat, die aufgrund des langen Prozesses des Startens der Motoren der ersten und zweiten Stufe (mehr als 10 Sekunden) ebenfalls unter dem Effekt des Ausbrennens von Dämpfen (jetzt Kerosin und Sauerstoff) „litt“. Und die ersten Raketenstarts dieses Typs gingen ebenfalls durch die Flamme und machten den Ingenieuren keine Nerven. Die Lösung wurde im Gassystem gefunden (obwohl es ursprünglich Wasser sein sollte, aber dies ist eine andere Geschichte). Der Ausstoß erzeugte vor dem Starten der Motoren einen Luftstrom im Gaskanal, der brennende Kraftstoffdämpfe in Richtung des Gasauslasses mitnahm.

So sah es damals aus: R-7 durch die Flamme.



Hier ist ein so kurzer Beitrag über einige weitere Schwierigkeiten der Raketentechnologie. Wenn mir das Material gefallen hat, dann habe ich die Idee, mehr über einige interessante Punkte zu schreiben, die mit dem Start von Weltraumraketen einhergehen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Quellen:

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

Source: https://habr.com/ru/post/de395305/