Foguete em chamas. Delta-IV Heavy - Bola de Fogo

A inspiração para escrever este post sobre tecnologia de foguetes veio de tópicos interessantes sobre as "dificuldades imperceptíveis da tecnologia de foguetes". E se não me engano, a questão dos “isqueiros” não foi considerada nos tópicos. Estou escrevendo pela primeira vez, talvez o tópico seja comum, mas me pareceu interessante.

Em 11 de junho de 2016, o foguete pesado Delta-IV Heavy foi lançado com sucesso com a espaçonave Orion9 (como parte da missão NROL-37). Por que o lançamento deste foguete em particular? Primeiro, porque mais uma vez o foguete ativo mais poderoso foi lançado, em segundo lugar, foi apenas o 9º lançamento do Delta Heavy; em terceiro lugar, os lançamentos do Delta Heavy são muito bonitos e espetaculares (baixa taxa de empuxo, subida lenta através de clubes em chamas) hidrogênio).

Lançador ILV Delta-IV Heavy NROL-37:



Embora o lançamento possa ser considerado comum, mesmo uma rotina comum, eu destacaria os lançamentos desse tipo de míssil, que têm seu próprio destaque - a chamada Bola de Fogo - a chama do vapor de hidrogênio inflamável através do qual o foguete começa. Embora este seja um destaque para o observador, para os engenheiros é um problema que precisa ser resolvido. E como isso acontece está escrito abaixo.

O "problema" (ou recurso) de lançar foguetes com o motor a hidrogênio RS-68 (o ciclograma pode ser diferente em outros tipos, e o efeito também é excelente no final) é o seguinte:

Antes de iniciar o motor RS-68 (par oxigênio-hidrogênio), 5 segundos (T-5) até que o LV seja separado da mesa, é fornecido combustível (neste caso, hidrogênio) à linha do motor. Isso é necessário para o resfriamento (com hidrogênio mais frio em comparação com o oxigênio líquido) antes da partida (para excluir mudanças repentinas de temperatura em tubulações, válvulas, etc.). Como resultado desse procedimento, uma nuvem de vapores de hidrogênio é formada ao redor do foguete, misturando gradualmente com o ar, que pode queimar ou explodir.

Depois de 3 segundos, a válvula de suprimento de oxigênio líquido se abre e o motor liga. Nesse momento, a chama do motor acende a mistura explosiva resultante ao redor do foguete e tudo começa a arder. Algo assim:



Ou assim:



Como resultado, o foguete tem uma aparência de "carvão":



é claro, mesmo os primeiros lançamentos do foguete não levaram a falhas e o foguete, embora queimado, saiu com sucesso da linha de lançamento. Mas parecia espetacular, mas bastante perigoso e anormal (no máximo, existe o perigo de uma explosão de volume).

Naturalmente, esse efeito ficou claro mesmo antes do primeiro lançamento. Além disso, os americanos têm experiência suficiente com motores a hidrogênio (como parte do ônibus espacial com um motor RS-25). Com base nisso, havia pelo menos duas soluções de engenharia para reduzir o efeito da queima de hidrogênio na concha de um foguete.

Em primeiro lugar , um poderoso isolamento térmico (áreas laranja nos módulos de foguetes). Funciona como material isolante dos tanques de combustível e oxidante do calor atmosférico externo, bem como proteção contra a queima de vapores de hidrogênio. Em alguns lançamentos, esse isolamento queima parcialmente quando o foguete está voando:



A segunda solução necessária é a instalação de “isqueiros”.

Os chamados isqueiros - radiadores externos radiais (ROFIs, ou "sparklers") estão montados na plataforma de lançamento. Outros similares estavam presentes na plataforma de lançamento do Space Shuttle. É verdade que esses isqueiros não salvam a visão de um foguete escapando do fogo: o fato é que seu principal objetivo é excluir a mistura de vapores de hidrogênio com o ar (ou minimizar a concentração desses vapores), ou seja, impedir a formação de uma mistura explosiva. Eles lidam com isso - até agora todos os lançamentos ocorreram sem explosões.
Mas, ainda assim, o problema da queima severa permaneceu e carregava uma ameaça potencial de isolamento térmico e a concha dos tanques.

Eles poderiam reduzir o efeito do desgaste excessivo por uma solução de engenharia elegante e barata: dar partida nos motores dos blocos de baixa tensão em diferentes momentos.

Um diagrama de seqüência de lançamento simplificado é o seguinte: primeiro um dos motores RS-68 inicia no bloco " estibordo " (um dos lados); após 2 segundos, os motores nos blocos restantes iniciam: "porta" (outro lado) e "núcleo"(central). O ponto é o seguinte: o início precoce de um dos motores leva ao fato de que a emissão de excesso de hidrogênio na atmosfera é reduzida (além de ter tempo para queimar os isqueiros), enquanto o jato de gás que sai do duto (canal de saída de gás) cria um fluxo de ar de ejeção que funciona como um aspirador de pó, sugando tudo o que está ao redor da mesa e do foguete. Portanto, com o arranque adicional dos 2 motores restantes, a emissão total de vapores de hidrogênio diminui e a maior parte é levada pela corrente de ar que flui ao redor do foguete e pelos elementos da mesa e remove o excesso de chamas na combustão.

Essa abordagem permitiu reduzir o efeito da bola de fogo a um similar ao lançar o Delta-IV M com um motor a hidrogênio. De fato, os últimos lançamentos (Orion EFT-1 e ontem) ocorreram de forma "suave". No entanto, o lançamento do foguete é espetacular e incomum para os olhos do leigo.

Inicie o Delta-IV-H EFT-1 (o primeiro com partida simultânea de motores):



Para maior clareza, são mostradas as estatísticas de fotos dos lançamentos da Delta Heavy por Jason Davis. Vale a pena notar que, de lados diferentes, o foguete queima de maneiras diferentes. Além disso, o canal de saída de gás em Cape Canaveral possui um esquema de dois canais, no canal Vandenberg - 1. Essa diferença também pode afetar a natureza da queima (assimetria ao aspirar o ar ambiente).



Vale lembrar, no entanto, que não apenas a Delta teve esse problema. Este foi provavelmente o primeiro problema que apareceu no ICBM russo R-7 (o progenitor da atual União), que também "sofreu" com o efeito de queimar vapores (agora querosene e oxigênio) devido ao longo processo de partida dos motores do primeiro e do segundo estágio (mais de 10 segundos). E os primeiros lançamentos de mísseis desse tipo também passaram pela chama e não deram nervos aos engenheiros. A solução foi encontrada no sistema de gás (embora originalmente deveria ser água, mas essa é uma história diferente) ejeção, que antes de dar partida nos motores criava um fluxo de ar no duto, arrastando a fumaça de combustível na direção da saída de gás.

Era assim que parecia: R-7 através da chama.



Aqui está um post tão curto sobre mais algumas dificuldades da tecnologia de foguetes. Se eu gostei do material, tenho uma ideia para escrever mais sobre alguns pontos interessantes que acompanham os lançamentos de foguetes espaciais.

Obrigado pela atenção.

Fontes:

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/pt395305/