что сыпется с ракеты при старте
32 березовые палки или системы зажигания ракетного двигателя
О чем мы вообще говорим
Автор видео пишет, что так и не нашел потом оторвавшиеся камеру сгорания и сопло:
В поисках надежной, эффективной и дешевой системы зажигания было придумано довольно много инженерных решений. О них мы сегодня и поговорим.
Роща на ракете
Это — пирозажигательное устройство (ПЗУ) двигателей РД-107/108, которые стоят на ракетах-носителях семейства «Союз». На деревянной Т-образной опоре установлены две пиротехнические шашки с датчиком (подпружиненный контакт) между ними. По команде «зажигание» шашки воспламеняются от электрозапалов, пламя пережигает провод датчика, и его пружина размыкает контакт. В электросистему ракеты приходит сообщение, что в этой камере сгорания шашки горят хорошо, можно открывать клапаны подачи топлива и окислителя и продолжать запуск двигателя.
Сверху на двух камерах защитные крышки (ярко-красные), снизу уже установлены ПЗУ
Похожая схема зажигания, разве что без дерева, используется сейчас на европейской тяжелой ракете Ariane 5. Вот фотография форсунок камеры сгорания двигателя Vulcain 2, который стоит на центральной ступени. По центру расположено отверстие для пирошашки:
А вот шашки в сборе в цехе производителя: 
Схема установки шашки в двигателе: 
Радость конспирологов
Адепты «лунного заговора» очень любят в красках рассказывать о пуске «Аполлона-6» 4 апреля 1968 года. Действительно, в процессе работы второй ступени в одном двигателе возникли проблемы, из-за которых выключились два двигателя из пяти, и вторая ступень с трудом вышла на низкую орбиту. Конспирологи из этого события делают вывод, что «Сатурн-5» оказался никуда не годной ракетой и не мог никого отправить к Луне. Но что же произошло там на самом деле?
Схема камеры сгорания и запальника двигателя J-2
В двигателе J-2, который стоял на второй и третьей ступенях ракеты-носителя «Сатурн-V», зажигание поддерживалось постоянно в процессе его работы. Так называемый запальник форкамерно-факельного типа представлял собой отдельную небольшую камеру сгорания, в которую подавались водород и кислород, непрерывно поджигаемые электрическим разрядом от запальной свечи (примерно так же, как и в автомобиле). Пламя из запальника выходило по центру камеры сгорания и обеспечивало непрерывность горения.
Камера сгорания двигателя шаттла SSME, использующая тот же принцип, отверстие запальника показано стрелкой
А в случае с «Аполлоном-6» проблемы возникли на подходе к запальнику. Тонкая металлическая трубка, по которой подавался жидкий водород, имела гибкие элементы с гофрированием:
Жидкий водород настолько холодный, что сжижает атмосферный воздух. В условиях наземных испытаний в углублениях гофра образовывался слой жидкого воздуха, который работал, как амортизатор. А на высоте запуска второй ступени воздуха уже было мало, амортизирующий слой не образовался, гофр стал вибрировать и лопнул.
Подача водорода прекратилась, запальник погас, и в двигателе началось нестабильное горение. Система управления ракеты заметила это и дала команду на выключение двигателя. Но тут проявилась вторая проблема — провода к двигателям были перепутаны, и система управления выключила другой, здоровый, двигатель. А первый двигатель погас сам.
Несмотря на серьезность возникших проблем, исправить их было просто. В трубках подачи водорода и кислорода убрали гофрированные участки:
А провода от системы управления укоротили, чтобы их физически было невозможно перепутать. Модифицированный двигатель был успешно испытан в полете «Аполлона-7». А уже потом состоялся полет «Аполлона-8» с разгоном к Луне. Конспирологи, которые пишут, что полет к Луне произошел сразу после аварии «Аполлона-6», ошибаются и тут. Увы, им часто не хватает даже базовых знаний.
А электрическая система зажигания с форкамерой успешно используется на кислородно-водородных двигателях. При необходимости она может запускать двигатель несколько раз. Для шаттлов это не было нужно, но вот разгонным блокам иногда приходится производить несколько включений. Вот фотография с испытаний запальника для разрабатываемого европейского разгонного блока Vinci:
Что же касается знакомых многим искр при старте Спейс Шаттла, то это не система зажигания двигателя. На шаттлах стояли форкамерно-факельные запальники (фото камеры сгорания есть выше, если вы не заметили подпись). Собственно говоря, запускать двигатель от искр под соплом — это практически верный шанс вызвать жесткий запуск, когда пламя поднимется вверх до камеры сгорания. Красивые искры — это система гарантированного дожигания водорода из двигателей, чтобы он не скопился где-нибудь и не создал взрывоопасной концентрации.
Еще об электричестве
Удобство электрического зажигания сделало его фактически единственным вариантом для запуска твердотопливных двигателей. Вот, например, шашки для зажигания твердотопливных ускорителей Спейс Шаттла:
Что любопытно, они расположены не снизу ускорителя, как это могло бы показаться логичным, а сверху.
Парадоксальный вариант
Иногда отдельная система зажигания вообще не нужна. Несимметричный диметилгидразин и азотный тетраоксид воспламеняются просто при контакте друг с другом, избавляя инженеров от необходимости придумывать специальные системы. Кроме этого, НДМГ и АТ хранятся в жидком виде при комнатной температуре, что сделало их отличным выбором для пилотируемых кораблей, маневрирующих спутников и межпланетных станций. Особенно удобно отсутствие системы зажигания для маневровых двигателей, которые используются в больших количествах и отличаются небольшим размером.
Классика жанра — двигатели ориентации на «Союзе» и лунном модуле
Химия поможет
Удобство самовоспламеняющихся химических соединений привело к тому, что они используются как пусковое горючее для запуска несамовоспламеняющихся топливных пар. В простейшем случае в трубопроводы ставят «ампулы» (трубы с мембранами) с самовоспламеняющимися компонентами. При запуске двигателя они выбрасываются в камеру сгорания, смешиваются, воспламеняются и создают пламя, от которого загорается основное горючее:
При необходимости многократного запуска можно сделать отдельный бачок с пусковым горючим, запаса которого хватит на несколько пусков. Подобные системы используются достаточно часто на кислородно-керосиновых двигателях, они стояли на F-1 (первая ступень «Сатурна-V»), их используют в семействе РД-170/180/190 и «Мерлинах» Маска. Главным недостатком химического зажигания является то, что если используются одноразовые ампулы, мембраны при запуске разорвались, а ракета не улетела, ее приходится снимать со старта, везти в монтажно-испытательный комплекс и менять ампулы на новые. Например, в 2013 году повторный запуск Falcon 9 со спутником SES-8 состоялся только через шесть дней.
Пиу-пиу
В последние годы активно идет работа над лазерными системами зажигания. Вот, например, отечественные лазерные модули, которые успешно прошли испытания на РД-107/108:
В будущем такие системы могут вытеснить химическое и форкамерное электрическое зажигание, в том случае, когда нужен многократный запуск двигателя, а существующие системы недешевы и сравнимы по стоимости с лазерными модулями.
Простые рассказы о том, как летают ракеты и спутники — по тегу «Незаметные сложности космической техники»
eponim2008
eponim2008Жизнь замечательных имен
Короткие истории о вещах и о людях, давших им свое имя
Как взлетает ракета?
Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту – Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.
Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.
Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета – отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.
Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду.
Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.
Почему ракета белеет перед стартом
Спецкор “МК” проводил на орбиту корабль “Союз”
“Ой, мамочки! Я же такого никогда в жизни не видела!” — кричала стоявшая рядом со мной туристка из Санкт-Петербурга. Так, под многочисленные возгласы восхищения и бурные аплодисменты сотен зрителей, взмывал 8 июня в небо Байконура пилотируемый космический корабль “Союз ТМА-02М”. Как готовили к старту ракету и космонавтов — в репортаже корреспондента “МК”.
Корреспондент “МК” возле ракеты “Союз ТМА-02М”. Фото: Наталья Веденеева.
Зачем с космонавтов снимают слепки
К запуску пилотируемого космического корабля, словно к празднику, на Байконуре начинают готовиться чуть ли не за два месяца. Блоки ракеты-носителя (РН) прибывают в спецвагонах по железной дороге из Самары (там находится предприятие по производству РН — ЦСКБ “Прогресс”). Головная часть прилетает самолетом из Ракетно-космической корпорации “Энергия”, что в подмосковном Королёве.
И лишь за две недели до старта в пышущие жаром казахские степи подтягиваются космонавты. В этот раз честь отправиться к Международной космической станции выпала Сергею Волкову (сыну летчика-космонавта Александра Волкова), японцу Сатоси Фурукаве и американцу Майклу Фоссуму. Одно из первых запланированных мероприятий для них — знакомство с космическим кораблем в монтажно-испытательном комплексе (МИК) РКК “Энергия”. Здесь члены экипажа обязательно примеряют скафандры, проверяют их на герметичность. Своеобразной дополнительной примерки требуют и специальные кресла-ложементы, представляющие точные, индивидуальные слепки тел космонавтов. Они нужны для того, чтобы скелет не раздавило во время стремительного взлета со скоростью 7 км в секунду, ведь на организм в эти минуты действует сила, от полутора до трех раз превышающая силу земного притяжения.
Спаниель для ракеты — лучший защитник
За три дня до старта в 7.00 по местному времени (в 5.00 по московскому) ракета-носитель “Союз-ФГ”, состыкованная с головной частью “Союза ТМА-02 М”, выплыла лежа из МИКа ЦСКБ “Прогресс”… Еще со времен Королёва головная часть может устанавливаться на РН и следовать к месту старта в более удобном — горизонтальном положении. В отличие от многих европейских космических аппаратов она превосходно выдерживает любые боковые нагрузки.
Под запретом металл и зажигалки
И вот ракета прибыла на ту самую площадку, с которой 50 лет назад взмыл в небо первый космонавт Земли. Только от осознания этого мурашки по коже бегут, несмотря на 35-градусную жару. Специальные подъемные механизмы устанавливают “Союз” в вертикальное положение, и тут сотрудники стартовых расчетов приступают к обслуживанию всех систем ракеты на новом месте — в ней постоянно должен поддерживаться особый температурно-влажностный режим. Специалисты поднимаются на лифтах до самого верха. И при этом не дай бог им иметь при себе хоть один металлический предмет, даже ключи от дома они вынуждены оставлять за пределами гагаринского старта. Такое правило установлено неспроста — случайно оброненный металлический предмет, ударившись о детали фермы, может высечь искру и вызвать возгорание. Поэтому все инструменты, даже молотки и гаечные ключи, у специалистов стартового расчета медные (этот металл не высекает искр) и вдобавок ко всему привязаны к рукавам рабочих комбинезонов. Естественно, под запретом на старте и сигареты с зажигалками.
Почему ракета меняет окраску
— Как выдумаете, почему головная часть ракеты всегда белая, а носитель белеет только перед стартом? — задал мне каверзный вопрос один из старожилов Байконура. Оказывается, это происходит за 2,5 часа до старта, когда в баки заливают топливо — керосин и жидкий кислород. Именно из-за низкой температуры последнего (-255°С) на стенках ракеты образуется 3-сантиметровый слой инея, придавая ступеням белый цвет. Лишь после заправки топливом в ракету заходят космонавты, и начинается предстартовый отсчет времени. За полчаса с площадки № 1 эвакуируют в специальные подземные бункеры всех сотрудников. Ближе всех к ракете располагается главный бункер управления, в котором в момент старта находится около 20 сотрудников. Из средств спасения у них только 3-метровое углубление, противогазы да белые бетонные столбики на поверхности, словно зубья расчески, воткнутые в землю. Оказывается, они очень эффективно рассеивают ударную волну во время старта. Можно себе представить, что творилось в бункере от этой волны, если на наблюдательной площадке в 1,5 км от взлетающей ракеты земля вибрировала под зрителями, словно при землетрясении.
Стартовавший экипаж должен отработать на МКС 161 день — до 16 ноября. За это время им надо принять последний американский шаттл, три российских грузовых корабля “Прогресс” и совершить два выхода в открытый космос.
Эффектный старт — почему взлет ракет сопровождается клубами дыма и пара
Помимо густого зарева алого пламени внизу платформы, ракеты перед стартом окутаны облаками белого пара или чего-то подобного конденсату. Специалисты внимательно отслеживают процесс запуска, наблюдая за состоянием всех узлов агрегата каждую секунду обратного отсчета. Но почему помимо дыма, образуется еще и пар?
Пары топлива
Пар во время запуска ракеты
Большая часть пара возникает уже снаружи. Их причиной является конденсация капель воздуха возле кипящего кислорода и водорода, которые, хоть и находятся в кипящем газообразном состоянии, все еще слишком холодны. Так появляются густые и более разряженные клубы вещества вокруг ракеты, показывающие безопасный старт.
Фил Перри утверждает, что последние космические челноки снабжаются подобными бустерами с выпускной возможностью или вентиляцией. Когда-то в качестве топлива использовался ракетный керосин. Его не нужно было выпускать при нагревании. Ракеты, использующие гиперголическое топливо, также «не выпускали пар».
Разница температур
Но в современных ракетах топливо сначала переохлаждается, потом при запуске сильно и резко нагревается. Видимый пар с точки зрения физики образуется из-за большой разницы температур.
Выбор пал на водород и кислород, потому что при умелом заполнении бустеров его требуется меньше при пересчете на иное топливо. Но и заполнение этими сверххолодными веществами требует умения. Сначала топливо LOX поступает в резервуар очень медленно, кипит, испаряется из-за «высокой» температуры стенок. Постепенно снижается температура в центре бустера, начинает образовываться лужица жидкости. С этого момента скорость наполнения возрастает до максимально возможной, а в конце снова снижается, донаполняя баки.
Клубы пара и конденсата сопровождают ракеты на старте
После включения двигателей, LOX подается в бустер еще 3 минуты, так как он не прекращает испаряться из-за подачи тепла. Хотя сегодня резервуары с холодным LOX изолированы, поэтому в меньшей степени подвержены нагреву. Когда-то на Saturn V изоляция первой ступени не была предусмотрена, и до старта здесь накапливался лед, который начинал таять, ухудшая заправку, увеличивая длительность сопряжения.
Сегодня технологии доработаны, резервуары для топлива более герметичны и изолированы, но пары конденсата и клубы дыма все равно окутывают агрегаты, так как жидкий водород и кислород с необходимостью выхода газов применятся до сих пор.
Что происходит в дальнейшем с отсоединёнными ступенями ракет после того, как они упадут на землю?
Вначале следует разделить ступени на две группы: первые ступени (самые большие, основная часть топлива в которых уходит на преодоление земной гравитации и сопротивления атмосферы) обычно частично сгорают, летя обратно к Земле; вторые и последующие ступени ракет обычно уже работают на создание нужной обриты, то есть при отделении они остаются на промежуточных орбитах.
Ракета-носитель от старта и до отделения спутника, пилотируемого корабля или другой полезной нагрузки, подвергаются воздействию множества факторов, соответственно и отделившиеся ступени подвергаются этим факторам. Если рассмотреть первую ступень ракеты, которая состоит из баков с окислителем и горючим (не будем рассматривать твердотопливные), жидкостными ракетными двигателями, малыми двигателями системы управления и/или аэродинамическими органами управлениями, системой поддержания нужного давления в баках и прочими системами, то при отделении от носителя она ещё продолжает своё движение по баллистической траектории (это даёт возможность, имея ввиду аэродинамические эволюции, просчитать место падения). Когда ступень начала падать, она начинает ускоряться и при достижении достаточно плотных слоёв атмосферы, начинает нагреваться и разрушаться. До какого-то момента она под действием гравитации планеты ещё продолжает набирать скорость, но, войдя в тропосферу и даже раньше, тормозиться (то, что от неё осталось) до дозвуковой скорости. И падает. Эти остатки находят и утилизируют. Даже, если в качестве топлива и окислителя использовались несимметричный диметилгидразин и тетраоксид диазота (очень токсичные вещества), то при сгорании они друг друга дезактивируют, а всё что остаётся в баках догорает в атмосфере.
Вторые и последующие ступени остаются на своих орбитах. Если орбита достаточно низкая (меньше 300 километров), то они постепенно тормозятся и практически полностью сгорают в атмосфере Земли.