Приветствую вас мои космические друзья!
В 2016 году ракета Falcon 9, космической компании SpaceX, неожиданно взорвалась на стартовой площадке из-за отказа системы подачи гелия, используемая для наддува топливных баков.
Так почему же топливные баки ракеты должны находится под давлением?
Топливные баки ракет находятся под давлением, чтобы поддерживать структурную целостность самого бака, сохраняя его жесткость, а также для того чтобы заполнить вакуум, образующийся при перекачке компонентов топлива, которая происходит на высокой скорости, обеспечивая при этом бесперебойный и постоянный поток топлива.
Ракеты могут состоять из нескольких миллионов деталей. Например, у знаменитой лунной ракеты "Сатурн-5", было около трех миллионов деталей. Количество деталей и уровень сложности ограничиваются не только наличием ракетных двигателей, конструкцией их навигационной системы, но и наличием баков с горючим и окислителем (именуемые топливными баками).
Во многих случаях топливные баки должны иметь возможность хранить компоненты жидкого топлива при криогенных (отрицательных) температурах. Они также должны быть достаточно легкими, чтобы снизить массу, но при этом быть достаточно прочными, чтобы поддерживать структурную целостность всей ракеты и выдерживать динамические нагрузки, возникающие во время запуска.
Так Почему топливные баки ракет находятся под давлением?
Ракетное топливо составляет более 85% от общей массы ракеты-носителя. В результате чего баки с горючим и окислителем также занимают большую часть конструкции ракеты. Повышение давления в баках в первую очередь преследует две цели:
- Поддержание структурной целостности топливных баков
- Поддерживание правильного потока топлива
1) Поддержание структурной целостности топливных баков
Как упоминалось выше, топливные баки ракет должны быть достаточно легкими, чтобы снизить массу ракеты-носителя, но в то же время быть достаточно прочными, чтобы сохранять структурную целостность. Это достигается путем создания небольшого избыточного давления в топливных баках.
Чтобы снизить массу ракеты, стенки топливных баков сделаны тонкими, особенно если учитывать их толщину и количество топлива, которое они вмещают. Например, стенки внешнего бака "Спейс шаттла" длиной 46,9 метров имели толщину всего около 2,5 мм.
И хотя большинство топливных баков усилены, чтобы выдерживать собственную массу, силы, которым они подвергаются во время запуска, могут привести к их деформации. За счет небольшого избыточного давления топливные баки становится значительно прочнее и жестче, что позволяет им выдерживать различные силы действующие на ракету-носитель во время полета.
В некоторых ракетах стенки топливных баков настолько тонкие, что они могут прогнутся и рухнут внутрь себя, если их не поддерживать внешними конструкциями. Такие типы топливных баков известны как баллонные баки.
Они использовались в ранних версиях ракеты "Атлас", и до сих пор используются в ступени "Центавр", стоящей на ракете "Атлас-5", и ранней версии ракеты SLS. Стенки ее топливных баков имеют толщину всего 0,36–0,41 мм. Единственный способ сохранить структурную целостность и жесткость таких топливных баков, во время транспортировки на стартовой площадке и во время полета — это создать в них избыточное давление, которое должно поддерживаться во время всех фаз полета.
2) Поддержание правильного потока топлива
Для того чтобы жидкостный ракетный двигатель мог создать большую тягу, необходимую для ускорения ракеты-носителя и вывода полезной нагрузки на орбиту Земли, в его камере сгорания должно быть создано огромное давление.
Это достигается за счет использования турбонасосов для впрыска компонентов топлива, с высокой скоростью и под очень большим давлением, в камеру сгорания. Например, только первая ступень ракеты "Сатурн-5" расходовала топливо со скоростью приблизительно 12 700 кг в секунду. При такой скорости баки с горючим и окислителем очень быстро опорожняются, что создает вакуум, который не только приводит к потере структурной целостности баков и их деформации, но и затрудняет и серьезно нарушает поток топлива.
Чтобы этого не произошло, бак должен оставаться под давлением, чтобы заполнить вакуум, образующийся вследствие откачки топлива, а также поддерживать положительное давление, чтобы турбонасосы могли подавать горючее и окислитель в камеру сгорания двигателя с требуемой скоростью.
Хотя большинство жидкостных ракетных двигателей используют турбонасосы, для достижения нужной скорости и давления, необходимые для создания тяги, существуют ракетные двигатели с вытеснительной подачей топлива, работа которых осуществляется исключительно за счет давления внутри топливных баков. Эти двигатели имеют гораздо более простую конструкцию, поскольку в них нет турбонасосов. Избыточное давление внутри баков имеет решающее значение, поскольку работа таких двигателей осуществляется исключительно за счет давление инертного газа, например гелия (находящегося в отдельном баке), который используется для подачи компонентов топлива в камеру сгорания.
Следует отметить, что двигатели с вытеснительной подачей компонентов топлива гораздо менее мощные, чем двигатели с насосной подачей, из-за отсутствия турбонасосов. В результате они в основном используются в системах управления ориентацией и системах орбитального маневрирования космических аппаратов.
Нагнетание давления в топливные баки ракет может осуществляться несколькими способами. Тип метода и вещества, используемые для нагнетания давления, также могут зависеть от типа используемого топлива. Однако существует два основных метода нагнетания давления в топливные баки:
- Экзогенное нагнетание давления
- Автогенное нагнетание давления
1) Экзогенное нагнетание давления
Экзогенное нагнетание давления в топливные баки осуществляется с помощью инертного газа, такого как гелий или азот (но чаще всего используется гелий), который хранится под давлением в отдельных меньших баках. Инертный газ подается в топливные баки для поддержания необходимого давления.
Инертные газы хранятся в меньших баках, которые могут выдерживать давление до 60 МПа. Резервуары с инертным газом обычно размещаются внутри бака с жидким кислородом.
Температура жидкого кислорода, который находится в баке ракеты-носителя, составляет -183° по Цельсию или ниже. Это позволяет уменьшить размеры резервуаров с жидким гелием. К другим преимуществам размещения баков с гелием в баках с жидким кислородом, относится возможность создания в них более высокого давления, а криогенные температуры также позволяют использовать более тонкие стенки баков, что снижает общую массу ракеты-носителя.
Размещение баков с холодным гелием, вблизи или внутри баков с жидким керосином, который обычно хранится при комнатной температуре, может представлять опасность, и привести к его замерзанию .
Такой метод размещения баков с жидким гелием, внутри баков с жидким кислородом использовался уже в 1960-х годах в конструкции ракеты "Сатурн-5", в которой баки с гелием, которые поддерживали давление в баках с керосином, находились в баках с кислородом. Современные ракеты-носители, такие как ракета Falcon 9 компании SpaceX, также используют такую технологию.
Крайне важно не допустить смешивания газа с топливом в баках. Для разделения гелия и топлива используются специальные механизмы, такие как диафрагма, и сильфон.
2) Автогенное нагнетание давления
Автогенное нагнетание давления подразумевает нагнетание давления в топливные баки с использованием небольшого количества компонентов криогенного топлива. Обычно небольшое количество криогенного топлива пропускается через двигатель или теплообменник для его нагрева до тех пор, пока оно не испарится и не образует газ, который подается обратно в бак для повышения давления.
В большом внешнем топливном баке, который использовался при запуске "Спейс шаттла", размещались баки с жидким кислородом, и с жидким водородом. При этом использовался автогенный наддув.
Во время запуска жидкий кислород из бака подавался через шлангокабель в главные двигатели космического челнока. Часть газообразного кислорода затем возвращалась обратно через внешний шлангокабель в бак с жидким кислородом для повышения его давления. Аналогичным образом жидкий водород подавался из бака через шлангокабель в главные двигатели космического челнока. Часть газообразного водорода затем возвращалась обратно в бак с водородом для повышения его давления.
И так - наддув топливных баков ракет является важнейшей частью их успешного полета. Он не только обеспечивает структурную целостность ракеты во время полета, но и помогает поддерживать поток топлива поступающий в ракетные двигатели.
Читайте также: