Апология OTRAG или как взрываются ракеты

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

Источник: geektimes.ru/post/248032/