Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
32 березовые палки или системы зажигания ракетного двигателя
lozga
01.jpg
Сейчас, в двадцать первом веке, есть космические ракеты, для запуска которых используются детали из дерева. Тридцать две березовые палки являются важным элементом системы запуска двигателей. И если страну-производитель таких ракет вы, наверняка, угадали (да, это Россия, а ракеты - семейство "Союз"), то от презрительного отношения к такому инженерному решению я бы вас предостерег - это будет серьезной ошибкой. Почему?

О чем мы вообще говорим


Процесс запуска жидкостного ракетного двигателя гораздо сложнее запуска, например, автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Когда в камере сгорания меняются давление, соотношение компонентов и расход топлива, возникают переходные процессы, требующие к себе уважительного отношения. Неправильное зажигание может привести к "жесткому запуску" и даже взорвать двигатель.

Автор видео пишет, что так и не нашел потом оторвавшиеся камеру сгорания и сопло:


А здесь произошел срыв пламени зажигательного устройства, и двигатель получил серьезный удар, когда пламя "догнало" поток компонентов:


В поисках надежной, эффективной и дешевой системы зажигания было придумано довольно много инженерных решений. О них мы сегодня и поговорим.

Роща на ракете


02.jpg
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.

03.jpg
Сверху на двух камерах защитные крышки (ярко-красные), снизу уже установлены ПЗУ

Несмотря на очень устаревший вид, такая система зажигания имеет следующие достоинства:

  • Дешевизна. Любая другая система зажигания будет дороже, потому что потребует дополнительных трубопроводов, мембран, клапанов, и т.п. А деревянные палки и пороховые шашки стоят копейки. Не забывайте, что стоимость системы зажигания умножается на количество камер сгорания, если у вас их 32 штуки, как на "Союзе", вы сильнее захотите самый дешевый вариант.

  • Возможность проверки работы системы. Датчик зажигания просто и эффективно показывает, загорелись ли пирошашки. 12 марта этого года первая попытка запуска спутника "Ресурс-П №3" сорвалась именно по этой причине - в одной из камер сгорания не воспламенились пирошашки, и система контроля запретила дальнейший запуск двигателей

  • Быстрота замены. Меньше, чем сутки потребовалось стартовой команде, чтобы заменить ПЗУ и успешно запустить "Ресурс-П №3" 13 марта. Некоторые другие системы зажигания потребовали бы снятия ракеты со старта и перенос пуска на несколько суток.


В то же время, конечно же, у системы есть ограничения и недостатки:

  • Одноразовость. Очевидно, такой способ зажигания не годится, если нужно запускать двигатель несколько раз.

  • Требует ручной работы и зависит от ее качества. При подготовке к старту ПЗУ надо установить вручную и можно, например, случайно повредить провода системы зажигания.


Вообще, история с этими ПЗУ наглядно демонстрирует поговорку "лучшее враг хорошего". Для двигателей РД-107/108 неоднократно предлагались другие системы зажигания, но все предложения разбивались о простой расчет стоимости. Так что, несмотря на кажущийся архаичным вид, эта система исчезнет только вместе с окончанием эксплуатации ракет семейства "Союз", а это будет еще очень нескоро.

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:

04.jpg

А вот шашки в сборе в цехе производителя:
05.jpg

Схема установки шашки в двигателе:
06.jpg

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?

07.jpg
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.

08.jpg
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:

09.jpg

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.

10.jpg

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:

11.jpg

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:

12.jpg

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.

1459748108-f073654fae2cd0a54514539e29df0d42.gif


Еще об электричестве


Удобство электрического зажигания сделало его фактически единственным вариантом для запуска твердотопливных двигателей. Вот, например, шашки для зажигания твердотопливных ускорителей Спейс Шаттла:

13.jpg

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.

14.jpg
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:

15.jpg

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:

16.jpg

Фото с испытаний:

17.jpg

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"

attentioneer.jpg

Записи из этого журнала по тегу «незаметные сложности»


промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

про плазму почему то не написали. а дерево это вообще жесть. хорошо что хватило ума на соломе не сделать

В который раз - спасибо за материал. Познавательно, интересно и отличный стиль подачи. Вот уж действительно парадоксально. Ракетный двигатель всегда казался вершиной инженерной мысли и всегда казалось, что там используются материалы с трудновыговариваемыми названиями, которые в обычной жизни даже не потрогать нигде. А тут, оказывается, даже обычному дереву место нашлось. Шикарно.

В двигателе бронза, кстати. Тоже вроде бы устаревший материал. Необязательно только сложные материалы пригождаются.

У меня знакомый с РККЭ уточнил, что 32 швабры и, соответственно 64 палки.

Уф. Я битый час искал простое подходящее название. "Брусок", "доска", "штанга", "крестовина". Все не то.
"32 швабры" это уже треш. Пусть так остается.

Требует ручной работы и зависит от ее качества.

Проблема советской техники - зависимость от ручной сборки.

"Зенит" автоматизировали. Но его убила политика.

спасибо, интересно
видимо, не всё решает дешевизна, да?
а то телега-то всяко дешевле машины

Если одинаковая скорость и сравнимые затраты на обслуживание то лучше :)

на многих кадрах запусков NASA видны девайсы генерящие снопы искр расставленные по периметру стартового стола прямо под соплами, выглядят как большие точильные круги. я думал ими и поджигают. читая вашу статью надеялся что они будут упомянуты, не проясните что это за девайсы?

На шаттлах это для дожигания водорода. Судя по тому что я уже в третий раз отвечаю на этот вопрос, надо будет добавить в пост это.

О селективности ума

Вот вроде бы всё вменяемо изложено. А момент с запуском Сатурна страдает какой-то выбивающейся из ряда доверчивостью.

Re: О селективности ума

Будьте уже последовательны - весь космос подделали :)

зашел с хабра, и пишу здесь, штоп не там.
интересно и увлекательно.

А вообще, использование дерева - высокий инженерный и технологический класс, на самом деле. Например, деревянные силовые конструкции использовались англичанами до 60-х на боевых самолетах. До конца 50-х на истребителях.

Сейчас не нашел, но читал, вроде, что швейцарцы хотели делать головной обтекатель из шпона. А они лучшие в этом. (Хотя мог забыть, напутать.)

Хорошие инженеры выбирают подходящие материалы и не переживают, железо это, дерево, пластик или прессованный мусор.

Очень познавательно и неожиданно. Высокие технологии, запредельные режимы, океан энергии и палки. :)

Ага. Я знал, что там пиротехническое зажигание, но с деталями интересней :)

Швабра очень надежная штука)


Ага. Статистика на ее стороне :)

Эххх... Вот так вот разрушили легенду о факелоносцах :).
У РД-107/108 есть еще одно древнее решение -- еще с самой А-4 пришедшее ;). И тоже -- работает - не трогай.

Ага, и, подозреваю, что я его упоминал тут.

Я сначала подумала, что это пост за 1 апреля :-)

А если бы был первого апреля, поверили бы? :)

Немного про самовоспламеняющиеся пары. НДМГ и АТ не единственная используемая самовоспламеняющаяся пара. Практически все пары в кот-е входит азотная кислота или АТ являются самовоспламеняющимися. Всем они удобны, но есть одно большое "но" -- двигателисты называют эти топлива "вонючими" -- оба компонента ядовиты. Например НДМГ вызывает отек легких.
А вот начет воспламенения в двигателях ориентации Вы немножко промахнулись :). Кроме всего прочего гидразиновые горючие (гидразин, аэрозин-50, НДМГ) склонны к саморазложению в присутствии катализатора. Что позволяет делать однокомпонентные ЖРДМТ (малой тяги) популярные в системах ориентации просто за счет разложения гидразина на катализаторе. И никаких воспламенителей.

Edited at 2016-04-04 19:51 (UTC)

А я и не писал, что они единственные. Самый распространенный сейчас пример. А пугать читателя страшными химическими названиями ядовитой гадости не стоит :)

?

Log in

No account? Create an account