System пожаро-взрывопредупреждения

Operating experience of rockets shows, that creation of the designs guaranteeing full tightness of demountable connections and welded seams, it is practically impossible. Even at normally functioning engine in pneumo-hydrosystems are possible{probable} натекания hydrogen, kerosene РГ-1 and oxygen in compartments of a rocket. At emergencies the probability натекания components sharply increases. Gaseous hydrogen with air or oxygen forms explosive mixes in a wide range: with concentration of 4-74 % (hydrogen - air), 4 4 % (hydrogen - oxygen). Pairs РГ-1 with air and oxygen form explosive mixes with the bottom limit on concentration of 2,15 % and 1,83 % of volume. Thus the Energia of initiation of explosion with air are equal only 0,019 млДж, and паров РГ-1-0,2 млДж.
Research works on creation of the ideology providing пожаро-explosion safety of a booster rocket have been lead. Alongside with passive security measures, such as high tightness баковых designs and the main pipelines, exception of stagnant zones, exception of heating of surfaces, localization of possible{probable} sources of initiation, introduction of a preventive purge and filling with nitrogen of tail compartments, is recognized necessary to enter into structure of a rocket system of explosion safety - the automated system пожаро-взрывопредупреждения, including датчиковую the equipment газоанализа environments{Wednesdays} in compartments of a rocket, firemen извещателей, reacting on a flame of hydrogen and РГ-1, and also the devices processing the indications датчиковой of the equipment and realizing algorithms of management of submission of nitrogen in compartments of a rocket at an emergency.
The automated system пожаро-взрывопредупреждения serves for maintenance of пожаро-explosion safety of a rocket in flight and at a stage of preparation for start-up. It{she} carries out the control of structure of the gas environment and detection ignition in compartments, processing of the information received from primary датчиковой of the equipment, delivery of commands{teams} on inclusion of submission in compartments of a rocket of onboard and ground means флегматизации (nitrogen) and пожаротушения (хладона) on the set algorithms of work. The structure of system пожаро-взрывопредупреждения includes gas analyzers of hydrogen, oxygen, РГ-1, fire извещатели ignitions of hydrogen (block), РГ-1 (block), onboard devices of automatics.
Датчиковая the equipment was created in our country for the first time and the organizations-developers had no technical reserve. At creation of gauges of concentration of hydrogen and oxygen developers have collided{faced} with a number{line} of challenges which earlier in a domestic practice газоаналитики have not been solved. We shall result{bring} the cores from them.
∙ Creation of gauges оксида and the vinyl, possessing high speed in 2 - 4 with and accuracy with a margin error no more than 5 %, having small dimensions and weight and working in conditions of the lowered pressure (up to 10 mm hg), a wide range of temperatures, shock loadings up to 100 units, vibrating loadings from 1 unit in a second, acoustic noise, electromagnetic fields.
∙ Creation of the highly stable secondary converters having system of correction of dynamic characteristics of gauges and system терморегулирования.
Essentially new scheme{plan} of the electrochemical gauge which has provided an opportunity of creation of high-sensitivity, quick-response and small-sized means of measurement with small энергопотреблением has been applied to the decision specified above problems{tasks} in a gas analyzer of oxygen.
Actions and means on maintenance of пожаро-explosion safety provided the certain volume of experimental works:
∙ complex working off of system пожаро-взрывопредупреждения on the regular full-size simulator of a tail compartment of block TS with use of natural working bodies on structure and a condition of the gas environment in the simulator;
∙ physical modelling of emissions of the hydrogen which has not reacted at start of the engine, and development{manufacture} of constructive and methodical actions on recycling these emissions;
∙ imitation of emergency passages on the ground and in полуограниченные spaces - simulators газоходов starting complexes and development{manufacture} of actions on struggle against such passages.
The purpose of tests was working off of system пожаро-взрывопредупреждения block TS in the conditions as much as possible approached to regular, with following problems{tasks}.
∙ Working off uniform (without stagnant zones) ventilation of a compartment of a contour of impellent installation and an impellent compartment at replacement in them of air on nitrogen in modes of preventive and intensive purges.
∙ Experimental definition of zones of a possible{probable} congestion (the raised{increased} concentration) паров components in volume of the compartment preliminary filled by nitrogen.
∙ Check of ventilation and hashing паров components with nitrogen and хладоном 13В1 for emergency cases.
∙ Specification of quantity{amount} and places of accommodation of gauges of concentration of system пожаро-взрывопредупреждения.
∙ Specification of places of accommodation of gauges of ignition (firemen извещателей) from a condition of maintenance of the maximal visibility of the most probable places of occurrence of a fire in a compartment.
∙ Experimental check of efficiency of windows of dump of gas from a compartment at various modes of submission of nitrogen and хладона (for emergency cases), including definition of the maximal throughput of windows of dump at pressure difference between compartments and an environment no more than 0,1 атм.
∙ Development{Manufacture} of recommendations on specification of the accepted algorithm of work of system пожаро-взрывопредупреждения block TS regarding the chosen threshold values of concentration of gas and time intervals of operation of onboard executive means.
∙ Check of hydraulic characteristics of sprays at submission хладона and onboard nitrogen.
∙ Working off of a mode of an emergency purge in compartments with charges of an emergency purge 3,0; 7,5; 15 kg/with and measurement of pressure in volume of a compartment and under covers.
∙ Experimental working off of regular emergency drainage devices with the purpose of check of their working capacity and definition of their influence on parameters of the gas environment in compartments of a cone of impellent installation and an impellent compartment and on a design of a rocket.
∙ the Estimation of structure of the gas environment and it{her} газодинамического conditions.
∙ Updating of parameters of submission of working components of system of reburning.
∙ Working off циклограммы works of system of reburning in modelling conditions with the purpose of check and acknowledgement{confirmation} of accepted times of submission of the working components providing explosion safety of ignition.
∙ Research of conditions of combustion of водородо-air mixes in view of maintenance of пожаро-explosion safety.
The state-of-the-art review has shown, that for that time there were no reliable techniques of modelling of ventilating processes of objects of a complex{difficult} configuration and there were no scientifically-methodical bases of creation of active means of пожаро-explosion safety, therefore there was a unique method - a method of full reproduction of the natural conditions defining{determining} process газораспределения. Defining{determining} factors thus were: internal geometry of investigated{researched} objects of the rocket, full their constructive performance and endurance{quotation} completely modes of a purge of compartments. It was especially important to keep points of the control of concentration of oxygen, hydrogen, firemen извещателей, regular газоаналитическую the equipment with regular executive means of system пожаро-взрывопредупреждения, with regular onboard and ground devices of automatics.
The object of tests represented imitation of the closed volume of a tail compartment with one impellent compartment of block TS.
The most authentic data reflecting real processes, for an estimation of correctness of the accepted technical decisions on maintenance of neutralization of emissions of not reacted hydrogen are received on a full-scale rocket. Besides the technique of carrying out of experimental works in full on breadboard models with the subsequent check of the received results on check experiments in natural conditions has been accepted.
The analysis of conditions of modelling of processes of current of streams at emissions of not reacted hydrogen has defined{determined} necessity of performance of following requirements:
- The design of model should be vectorially similar natural;
- Physicotechnical parameters expiring from snuffled engines of jets of gases and environments should correspond{meet} natural;
- It should be carried out газодинамическое similarity in natural and modelling conditions.
As on a universal complex (stand-start) takes place jet current of water for cooling a tray and nitrogen for a purge of compartments at modelling these conditions it is necessary to carry out following requirements: similarity of a geometrical arrangement and a direction of axes of jets to natural characteristics; reduction, according to scale of a natural parity{ratio}, charges of emissions of not reacted hydrogen and the given component (water and nitrogen); preservation of initial speeds of the jets, corresponding{meeting} scale of modelling reduction дальнобойности jets in comparison with natural.
Modelling of processes of burning is interfaced{integrated} to the difficulty caused by discrepancy of requirements, shown to the scale factor. So, if at constant speed of gas simultaneously to maintain and geometrical similarity time of stay will decrease proportionally to scale. That is to achieve full similarity of model and the prototype usually at modelling it is impossible. This difficulty managed to be overcome due to application of so-called partial model - when models serve only for reproduction of any phenomenon observable in the prototype. The object of tests has been developed for research of efficiency of developed actions on safety of works at presence of emissions of not reacted hydrogen at start of engines on a starting complex.
The object of tests consisted from executed in scale 1:10 the simplified models of the starting starting device, the block I, a tail part and the simulator of the block of A.Obekt of tests was established{installed} on model газовода, executed also in scale 1:10, was replaceable as at the second stage of works the model газовода start was used. The model represented a welded design with flat walls and three through vertical apertures which was established{installed} on газоводе. The model of the block of Y.Model of a tail part From above fastened consisted of elements of blocks And, modelling snuffled engines, the simulator of the bottom and the drainage devices simulating purges by nitrogen of a tail compartment of a rocket. Modelling сопла are made{produced} with a structure vectorially similar natural (in scale 1:10), and are strengthened on a plate simulating the bottom of a cone of impellent installation which is established{installed} on two support on the block I. Simulators of drainage devices of purges of a tail compartment were placed on the bottoms of elements of blocks And and on a plate of fastening snuffled. Similarity on an arrangement and a direction of jets of nitric purges was observed. To drainage devices and a branch pipe of emergency submission of fuel nitrogen acted from uniform system of submission. Distribution of charges between them was made due to an establishment on an input{entrance} of throttle washers. The modelling system of reburning of emissions of not reacted hydrogen was mounted in a backlash between the starting device and the block I.
At operation of a rocket supernumerary situations as a result of which there is a passage of cryogenic components of fuel in a starting construction that can lead to failures{accidents} because of ignition of a formed mix from spilled products are possible{probable}. The exact quantitative estimation of the sizes of such passages is rather complicated, but the preliminary analysis resulted{brought} on the design documentation shows, that situations as a result of which for short time in a starting construction there can be a joint or separate passage up to 285 kg of liquid hydrogen and up to 1500 kg of liquid oxygen are possible{probable}. Such passage can lead to formation{education} of easily detonating heterogeneous explosive mix " отвержденный oxygen - liquid hydrogen " or to accumulation in volume of a construction of a cloud of greater{big} sizes of an explosive mix evaporated криокомпонентов. At a detonation of the condensed phase, and also combustion of the formed explosive mix паров components there can be the shock loadings considerably{much} exceeding admissible. Therefore at such passages there is a real danger of the further development of failure{accident} that can lead to destruction of a rocket with catastrophic consequences and to necessity of additional special actions on prevention of similar failures{accidents} or decrease{reduction} in destructive consequences if failure{accident} has occured{happened}.
It was practically the experience of works first in our country with such lots{plenties} of liquid hydrogen and there were no reliable domestic statistical data, prototypes, analogues, methodical receptions of maintenance of пожаро-explosion safety at operation of similar systems. Till now practically there are no enough the approved theoretical development, allowing to predict consequences of such emergencies, especially in conditions of passages of cryogenic components in partially limited space what bench and starting constructions are.
Carried out researches of processes of formation{education} and combustion of explosive mixes at passages were based basically on experiments with small charges and small quantities{amounts} of liquid products. Thus authors warned of impossibility of extrapolation of results and considered{counted}, that carrying out of large-scale experiments is necessary. Recommendations similarly available in the literature on decrease{reduction} in explosion hazard were done{made} on the basis of the researches lead on малоразмерных clouds of a пожаро-explosive mix and provided, as a rule, its{her} full флегматизацию.
For research of conditions of emergency passages криокомпонентов and possible{probable} ways of decrease{reduction} in their consequences carrying out of the broad audience of works on a breadboard model газовода on research of formation{education} and dispersion of clouds explosive паров was required at passages of liquid hydrogen, conditions of prevention of formation{education} of an explosive mix of components, studying of influence of restriction of space by walls of a breadboard model of start on intensity of emergency explosions and conditions of decrease{reduction} in consequences of failure{accident} due to use флегматизаторов.
At creation of experimental installation the model of failure{accident} connected with passage of liquid hydrogen which contained following preconditions has been developed:
- As a result of destroying influence integrity of system of liquid hydrogen is broken;
- There is a passage of hydrogen, evaporation and its{his} mixture паров to air and formation{education} of a пожаро-explosive cloud;
- There is an ignition and explosive combustion of a non-uniform air-hydrogen mix, formation{education} of waves of compression;
- Blast waves affect a rocket and if their size is great enough, it can lead to the further destruction of systems.
It was necessary to consider, that process of combustion of an air-hydrogen mix in a construction and on increase in intensity of waves of compression will be influenced with presence of obstacles in a way of distribution of a flame, blocking up of volume, and also restriction of space of an air-hydrogen mix by walls газовода.
On the basis of the works lead on experimental base, following results are received. The collector of a preventive purge provides in a compartment of a cone of impellent installation full replacement of air with nitrogen for 11 minutes at the charge of nitrogen of 0,6 kg/with and for 7 minutes - at the charge of 1,2 kg/with. The collector of an emergency purge of a cone of impellent installation provides a purge of a compartment for 5 minutes at the charge of nitrogen of 15 kg/with and for 3 minutes - at the charge of 21 kg/with.
The first purges on ventilation of an impellent compartment have revealed the unsatisfactory organization of a nitric purge in a compartment on an arrangement and diameters of apertures in collectors of preventive and emergency purges. After completions of a collector of a preventive purge in an impellent compartment отдув a compartment occurs{happens} for 5 minutes at the charge of nitrogen of 0,6 kg/with and for 3 minutes - at the charge of 1,2 kg/with. Efficiency of various variants of completion of a collector of an emergency purge in an impellent compartment is estimated{appreciated}, the collector providing minimal time of a purge of a compartment for 45 with at the initial charge of nitrogen of 7,5 kg/with has been chosen.
Experimental data on maximal забросу pressure in compartments of a cone of impellent installation and an impellent compartment are specified at an emergency purge. By results of the lead gaugings it is established{installed}, that the size of superfluous pressure does not exceed size 0,25 атм.
At натекании in a compartment of hydrogen with the charge 3 ú/with the regular combination of gas analyzers provides detection not less than 6 gas analyzers from 8 in a cone of impellent installation and not less than 1 of 3 - in an impellent compartment. At натекании oxygen with the charge 80 about detection makes not less, than 2 gas analyzers from 8 in a cone of impellent installation and not less, than one - at натекании oxygen with the charge 60 ú/with in an impellent compartment. It is revealed, that for an impellent compartment and a cone of impellent installation emergency purges with the charge up to 15 kg/with do not create acoustic handicapes in work of the gas analyzers located on regular places.
It is shown, that at jet натекании in a compartment of oxygen and hydrogen significant non-uniformity of concentration fields which is defined{determined}, basically, is shown by geometry of a compartment and a parity{ratio} of charges of an accumulating component and gas of a purge. Presence of a stagnant zone in area of the third plane that has caused completion of a collector of a preventive purge is confirmed. The optimum combination of points of the control over a cone of impellent installation is revealed at натекании hydrogen up to 2,3 ú/with. The method of search натеканий according to the gas analysis is developed and tested.
It is experimentally established{installed}, that the regular equipment of the gas analysis provides detection of dangerous concentration of hydrogen and oxygen, i.e. the deviation{rejection} in parameters does not exceed the basic error.
The accepted algorithm of work provides management of purges at натекании hydrogen in a compartment of a cone of impellent installation up to 36 ú/with, excluding заброс concentration above maximum permissible at a delay of operation of executive means no more than 5 with, in an impellent compartment - no more than 1 with. At натекании oxygen with the charge up to 480 г it is not observed забросов concentration above an admissible level - 5 %, in an impellent compartment at a delay 5 with short-term заброс makes 7 %.
Any of regular points of the control over a compartment of a cone of impellent installation at installation in them the fireman извещателя provides 100 % detection of ignition of hydrogen at length of a torch of a flame more than 1 meter - shortening of a flame up to 0,5 meters reduces probability of detection. The flame in length less than 0,5 m (the top and bottom positions) in area of the third plane is not found out in one point of the control that has caused modernization of firemen извещателей.
Means of submission хладона provide full флегматизацию натеканий oxygen with the charge not less than 1 kg in a compartment of a cone of impellent installation at average concentration of hydrogen in compartments of 20 % in time no more than 2 seconds from the moment of submission хладона in a collector.
Dump of nitrogen from a tail compartment, blocks And and drainages of a highway of the unit of a hydrofeed{hydromeal} and турбогенераторной systems, emissions of helium from snuffled the engines, taking place prior to the beginning of emissions of not reacted hydrogen, did not lead essential баллистировке the air environment in volume of the bench starting device and газовода to model of start. Concentration of oxygen did not fall below 15 % that provided normal burning the incendiary device.
At regular inclusion of system of reburning of emissions of not reacted hydrogen ignition and burning of emissions of hydrogen is provided reliable, without occurrence of with great dispatch-wave influence. On a mode останова engines scope by a flame of a rocket up to the top part of a cone of impellent installation owing to absence эжекции on the given mode took place. The specified effect decreased at increase in the charge of a purge of the engine nitrogen and completely disappeared at the charge of nitrogen corresponding{meeting} of 4 kg/with on the engine, absence of scope was not observed and at inclusion of the water simulating cooling of a tray of start. Decrease{reduction} in the maintenance{contents} of oxygen in volume of the bench starting device up to 3-5 % preliminary заазочиванием is shown, that, reduction of quantity{amount} of incendiary devices up to one and reduction of length of a torch has not resulted{brought} for model 1:10 in deterioration of characteristics of ignition and догорания emissions of not reacted hydrogen at regular a cyclogram of work of system of refuelling.
Inclusion of system of reburning of emissions of not reacted hydrogen through 2 with after the beginning of emission of hydrogen with the modelling charge corresponding{meeting} of 7 kg/with of the natural charge on one engine, has led to explosive ignition of a водородно-air mix in the bench starting device with formation{education} (even for large-scale model) superfluous pressure upon the bottom of a cone of impellent installation 0,021 атм., and on walls of the bench starting device - up to 0,031 атм. At water delivery pressure went down up to 0,01 МПа.
The temperature of torches of system of reburning of emissions of not reacted hydrogen decreased at water delivery in the bench starting device. Thus on all modes of emissions of not reacted hydrogen preliminary inclusion of system of reburning or regular inclusion of system provided unaccented ignition of emissions. Character of ignition has not changed even at reduction of quantity{amount} of the incendiary device up to four and one.
Tests have confirmed reliability and efficiency of the chosen method of neutralization of the emissions of hydrogen set on a cyclogram and validity of the developed structure and the scheme{plan} of system of reburning of emissions of not reacted hydrogen. It is shown, that restriction of space by walls puts appreciable influence on superfluous pressure in formed at burning водородно-air mixes to a wave of the compression influencing a rocket. It is shown, that in case of ignition with some delay after the beginning of passage of liquid hydrogen when hydrogen has time to mix well enough with air, and the cloud of a водородно-air mix - to reach{achieve} the significant sizes, combustion of a mix occurs{happens} extremely vigorously and getting superfluous pressure can essentially exceed admissible value. It is shown, that in case of initiation till the moment of the beginning of passage combustion of a mix occurs{happens} in a quiet mode without formation{education} of waves of compression to appreciable amplitude. It is proved, that for maintenance of reliable ignition formed at passage non-uniform низкотемпературной use of a source of initiation of sufficient intensity (a torch of водородно-air torches), in particular systems of reburning of emissions of not reacted hydrogen is necessary for an air-hydrogen mix.
The created onboard system пожаро-взрывопредупреждения with its{her} network of gas analyzers, fire оповещателей, hardware structure of onboard automatics and means of preventive maintenance with stocks of freon has enough greater{big} weight. At a derivative on weight of the order 0.95, it is practically direct loss of weight of a payload.
The further perfection of system demands wider and in-depth study. There is a number{line} of directions. All of them are subordinated to desire to reach{achieve} small constructive weight of system. For example, to remove{take off} this system from a board and to place it{her} on a starting construction, thus selection of the gas environment from controllable cavities to make through a network of capillary easy{light} pipelines дистанционно. Similarly to have and means of suppression of an emergency. During the prestarting moment to fill dangerous cavities флегматизирующим with structure or neutral gas from the ground.
There is a direction which is connected simply with the organization of aeration of controllable compartments, ton natural ventilation of all stagnant zones and compartments completely, however there is an estimation, that in this case process of the control over the real environment in a compartment will be rather complicated. The situation, difficultly giving in to calculation will be created, as a matter of fact. But it is necessary to investigate{research}. This system can be made more simple and reliable.
In rocket technics{technical equipment} there were many cases when components of fuel stole up onboard both toxic, and explosive, and easily inflammable, but always during development and operation measures and systems which resulted{brought} these components in the category business were developed{produced}. So will be with hydrogen. Hydrogen cannot be in technics{technical equipment} a dragon is very perspective fuel for all types of transport.

Original version of the text

Система пожаро-взрывопредупреждения

Опыт эксплуатации ракет показывает, что создание конструкций, гарантирующих полную герметичность разъемных соединений и сварных швов, практически невозможно. Даже при нормально функционирующем двигателе в пневмо-гидросистемах возможны натекания водорода, керосина РГ-1 и кислорода в отсеках ракеты. При аварийных ситуациях вероятность натекания компонентов резко увеличивается. Газообразный водород с воздухом или кислородом образует в широком диапазоне взрывоопасные смеси: с концентрацией 4-74 % (водород - воздух), 4 4 % (водород - кислород). Пары РГ-1 с воздухом и кислородом образуют взрывоопасные смеси с нижним пределом по концентрации 2,15 % и 1,83 % объема. При этом энергия инициирования взрыва с воздухом равна всего 0,019 млДж, а паров РГ-1-0,2 млДж.
Были проведены научно-исследовательские работы по созданию идеологии, обеспечивающей пожаро-взрывобезопасность ракеты-носителя. Наряду с пассивными мерами безопасности, такими, как высокая герметичность баковых конструкций и магистральных трубопроводов, исключение застойных зон, исключение нагрева поверхностей, локализация возможных источников инициирования, введение профилактической продувки и заполнение азотом хвостовых отсеков, признано необходимым ввести в состав ракеты систему взрывобезопасности - автоматизированную систему пожаро-взрывопредупреждения, включающую в себя датчиковую аппаратуру газоанализа среды в отсеках ракеты, пожарных извещателей, реагирующих на пламя водорода и РГ-1, а также приборов, обрабатывающих показания датчиковой аппаратуры и реализующих алгоритмы управления подачи азота в отсеки ракеты при аварийной ситуации.
Автоматизированная система пожаро-взрывопредупреждения служит для обеспечения пожаро-взрывобезопасности ракеты в полете и на этапе подготовки к пуску. Она осуществляет контроль состава газовой среды и обнаружение возгорании в отсеках, обработку информации, полученной от первичной датчиковой аппаратуры, выдачу команд на включение подачи в отсеки ракеты бортовых и наземных средств флегматизации (азота) и пожаротушения (хладона) по заданным алгоритмам работы. В состав системы пожаро-взрывопредупреждения входят газоанализаторы водорода, кислорода, РГ-1, пожарные извещатели возгорания водорода (блок Ц), РГ-1 (блок А), бортовые приборы автоматики.
Датчиковая аппаратура создавалась в нашей стране впервые и организации-разработчики не имели технического задела. При создании датчиков концентрации водорода и кислорода разработчики столкнулись с рядом сложных проблем, которые ранее в отечественной практике газоаналитики решены не были. Приведем основные из них.
∙ Создание датчиков оксида и винила, обладающих высоким быстродействием в 2 - 4 с и точностью с погрешностью не более 5 %, имеющих малые габариты и вес и работающих в условиях пониженного давления (до 10 мм рт.ст.), широкого диапазона температур, ударных нагрузок до 100 единиц, вибрационных нагрузок от 1 единицы в секунду, акустического шума, электромагнитных полей.
∙ Создание высокостабильных вторичных преобразователей, имеющих систему коррекции динамических характеристик датчиков и систему терморегулирования.
Для решения указанных выше задач в газоанализаторе кислорода была применена принципиально новая схема электрохимического датчика, которая обеспечила возможность создания высокочувствительного, малоинерционного и малогабаритного средства измерения с малым энергопотреблением.
Мероприятия и средства по обеспечению пожаро-взрывобезопасности предусматривали определенный объем экспериментальных работ:
∙ комплексную отработку системы пожаро-взрывопредупреждения на штатном полноразмерном имитаторе хвостового отсека блока Ц с использованием натурных рабочих тел по составу и состоянию газовой среды в имитаторе;
∙ физическое моделирование выбросов водорода, непрореагировавшего при запуске двигателя, и выработка конструктивных и методических мероприятий по утилизации этих выбросов;
∙ имитацию аварийных проливов на землю и в полуограниченные пространства - имитаторы газоходов стартовых комплексов и выработка мероприятий по борьбе с такими проливами.
Целью испытаний являлась отработка системы пожаро-взрывопредупреждения блока Ц в условиях, максимально приближенных к штатным, со следующими задачами.
∙ Отработка равномерной (без застойных зон) вентиляции отсека контура двигательной установки и двигательного отсека при замене в них воздуха на азот в режимах профилактической и интенсивной продувок.
∙ Экспериментальное определение зон возможного скопления (повышенной концентрации) паров компонентов в объеме отсека, предварительно заполненного азотом.
∙ Проверка вентиляции и перемешивания паров компонентов с азотом и хладоном 13В1 для аварийных случаев.
∙ Уточнение количества и мест размещения датчиков концентрации системы пожаро-взрывопредупреждения.
∙ Уточнение мест размещения датчиков возгорания (пожарных извещателей) из условия обеспечения максимальной обзорности наиболее вероятных мест возникновения пожара в отсеке.
∙ Экспериментальная проверка эффективности окон сброса газа из отсека при различных режимах подачи азота и хладона (для аварийных случаев), в том числе определение максимальной пропускной способности окон сброса при перепаде давления между отсеками и окружающей средой не более 0,1 атм.
∙ Выработка рекомендаций по уточнению принятого алгоритма работы системы пожаро-взрывопредупреждения блока Ц в части выбранных пороговых значений концентрации газа и временных интервалов срабатывания бортовых исполнительных средств.
∙ Проверка гидравлических характеристик распылителей при подаче хладона и бортового азота.
∙ Отработка режима аварийной продувки в отсеках с расходами аварийной продувки 3,0; 7,5; 15 кг/с и измерением давления в объеме отсека и под чехлами.
∙ Экспериментальная отработка штатных аварийных дренажных устройств с целью проверки их работоспособности и определения их влияния на параметры газовой среды в отсеках конуса двигательной установки и двигательного отсека и на конструкцию ракеты.
∙ Оценка состава газовой среды и ее газодинамического состояния.
∙ Корректировка параметров подачи рабочих компонентов системы дожигания.
∙ Отработка циклограммы работы системы дожигания в модельных условиях с целью проверки и подтверждения принятых времен подачи рабочих компонентов, обеспечивающих взрывобезопасность воспламенения.
∙ Исследование условий сгорания водородо-воздушных смесей с учетом обеспечения пожаро-взрывобезопасности.
Аналитический обзор показал, что на то время не существовало надежных методик моделирования вентиляционных процессов объектов сложной конфигурации и не было научно-методических основ создания активных средств пожаро-взрывобезопасности, поэтому оставался единственный метод - метод полного воспроизведения натурных условий, определяющих процесс газораспределения. Определяющими факторами при этом являлись: внутренняя геометрия исследуемых объектов ракеты, полное конструктивное их выполнение и выдержка полностью режимов продувки отсеков. Особо важно было сохранить точки контроля концентрации кислорода, водорода, пожарных извещателей, штатную газоаналитическую аппаратуру со штатными исполнительными средствами системы пожаро-взрывопредупреждения, со штатными бортовыми и наземными приборами автоматики.
Объект испытаний представлял собой имитацию замкнутого объема хвостового отсека с одним двигательным отсеком блока Ц.
Наиболее достоверные данные, отражающие реальные процессы, для оценки правильности принятых технических решений по обеспечению нейтрализации выбросов непрореагировавшего водорода получены на полномасштабной ракете. Кроме того, была принята методика проведения экспериментальных работ в полном объеме на макетах с последующей проверкой полученных результатов на контрольных экспериментах в натурных условиях.
Анализ условий моделирования процессов течения потоков при выбросах непрореагировавшего водорода определил необходимость выполнения следующих требований:
- конструкция модели должна быть геометрически подобна натурной;
- физико-технические параметры истекающих из сопел двигателей струй газов и окружающей среды должны соответствовать натурным;
- должно выполняться газодинамическое подобие в натурных и модельных условиях.
Так как на универсальном комплексе (стенд-старте) имеет место струйное течение воды для охлаждения лотка и азота для продувки отсеков, то при моделировании этих условий необходимо выполнять следующие требования: подобие геометрического расположения и направления осей струй натурным характеристикам; уменьшение, в соответствии с масштабом натурного соотношения, расходов выбросов непрореагировавшего водорода и данного компонента (воды и азота); сохранение начальных скоростей струй, соответствующее масштабу моделирования уменьшение дальнобойности струй по сравнению с натурным.
Моделирование процессов горения сопряжено с трудностью, вызываемой противоречивостью требований, предъявляемых к масштабному фактору. Так, если при постоянной скорости газа одновременно выдерживать и геометрическое подобие, то время пребывания уменьшится пропорционально масштабу. То есть добиться полного подобия модели и прототипа обычно при моделировании невозможно. Эту трудность удалось преодолеть за счет применения так называемой частичной модели - когда модели служат только для воспроизведения какого-либо явления, наблюдаемого в прототипе. Был разработан объект испытаний для исследования эффективности разрабатываемых мероприятий по безопасности работ при наличии выбросов непрореагировавшего водорода при запуске двигателей на стартовом комплексе.
Объект испытаний состоял из выполненных в масштабе 1:10 упрощенных моделей стартового пускового устройства, блока Я, хвостовой части и имитатора блока А. Объект испытаний устанавливался на модели газовода, выполненной также в масштабе 1:10, был сменным, так как на втором этапе работ использовалась модель газовода старта. Модель представляла собой сварную конструкцию с плоскими стенками и тремя сквозными вертикальными проемами, которая устанавливалась на газоводе. Сверху крепилась модель блока Я. Модель хвостовой части состояла из элементов блоков А, модельных сопел двигателей, имитатора днища и дренажных устройств, имитирующих продувки азотом хвостового отсека ракеты. Модельные сопла изготовлены с профилем, геометрически подобным натурному (в масштабе 1:10), и укреплены на плите, имитирующей днище конуса двигательной установки, которая установлена на двух опорах на блоке Я. Имитаторы дренажных устройств продувок хвостового отсека размещались на днищах элементов блоков А и на плите крепления сопел. Соблюдалось подобие по расположению и направлению струй азотных продувок. К дренажным устройствам и патрубку аварийной подачи топлива азот поступал от единой системы подачи. Распределение расходов между ними производилось за счет установления на входе дроссельных шайб. Модельная система дожигания выбросов непрореагировавшего водорода монтировалась в зазоре между пусковым устройством и блоком Я.
При эксплуатации ракеты возможны нештатные ситуации, в результате которых происходит пролив криогенных компонентов топлива в стартовое сооружение, что может привести к авариям из-за воспламенения образующейся смеси из проливаемых продуктов. Точная количественная оценка размеров таких проливов весьма затруднена, но приведенный по проектной документации предварительный анализ показывает, что возможны ситуации, в результате которых за короткое время в стартовое сооружение может произойти совместный или раздельный пролив до 285 кг жидкого водорода и до 1500 кг жидкого кислорода. Такой пролив может привести к образованию легко детонирующей гетерогенной взрывчатой смеси "отвержденный кислород - жидкий водород" или накоплению в объеме сооружения облака больших размеров взрывоопасной смеси испарившихся криокомпонентов. При детонации конденсированной фазы, а также сгорания образовавшейся взрывоопасной смеси паров компонентов могут возникать ударные нагрузки, значительно превышающие допустимые. Поэтому при таких проливах существует реальная опасность дальнейшего развития аварии, что может привести к разрушению ракеты с катастрофическими последствиями и к необходимости дополнительных специальных мероприятий по предотвращению подобных аварий или снижению разрушительных последствий, если авария произошла.
Это было практически первый в нашей стране опыт работ с такими большими количествами жидкого водорода и отсутствовали надежные отечественные статистические данные, прототипы, аналоги, методические приемы обеспечения пожаро-взрывобезопасности при эксплуатации подобных систем. До сих пор практически не имеется достаточно апробированных теоретических разработок, позволяющих прогнозировать последствия таких аварийных ситуаций, особенно в условиях проливов криогенных компонентов в частично ограниченное пространство, каковым и являются стендовые и стартовые сооружения.
Проведенные исследования процессов образования и сгорания взрывоопасных смесей при проливах базировались в основном на экспериментах с малыми расходами и малыми количествами жидких продуктов. При этом авторы предупреждали о невозможности экстраполяции результатов и считали, что необходимо проведение крупномасштабных экспериментов. Аналогичным образом имеющиеся в литературе рекомендации по снижению взрывоопасности делались на основании исследований, проведенных на малоразмерных облаках пожаро-взрывоопасной смеси и предусматривали, как правило, ее полную флегматизацию.
Для исследования условий аварийных проливов криокомпонентов и возможных путей снижения их последствий требовалось проведение широкого круга работ на макете газовода по исследованию образования и рассеивания облаков взрывоопасных паров при проливах жидкого водорода, условий предотвращения образования взрывчатой смеси компонентов, изучения влияния ограничения пространства стенками макета старта на интенсивность аварийных взрывов и условий снижения последствий аварии за счет использования флегматизаторов.
При создании экспериментальной установки была разработана модель аварии, связанная с проливом жидкого водорода, которая содержала следующие предпосылки:
- в результате разрушающего воздействия нарушается целостность системы жидкого водорода;
- происходит пролив водорода, испарение и смешение его паров с воздухом и образование пожаро-взрывоопасного облака;
- происходит воспламенение и взрывное сгорание неоднородной воздушно-водородной смеси, образование волн сжатия;
- взрывные волны оказывают воздействие на ракету и, если их величина достаточно велика, это может привести к дальнейшему разрушению систем.
Необходимо было учитывать, что на процесс сгорания воздушно-водородной смеси в сооружении и на увеличение интенсивности волн сжатия будет оказывать влияние наличие препятствий на пути распространения пламени, загромождения объема, а также ограничение пространства воздушно-водородной смеси стенками газовода.
На основании работ, проведенных на экспериментальной базе, получены следующие результаты. Коллектор профилактической продувки обеспечивает в отсеке конуса двигательной установки полное замещение воздуха на азот за 11 мин. при расходе азота 0,6 кг/с и за 7 мин. - при расходе 1,2 кг/с. Коллектор аварийной продувки конуса двигательной установки обеспечивает продувку отсека за 5 мин. при расходе азота 15 кг/с и за 3 мин. - при расходе 21 кг/с.
Первые продувки по вентиляции двигательного отсека выявили неудовлетворительную организацию азотной продувки в отсеке по расположению и диаметрам отверстий в коллекторах профилактической и аварийной продувок. После доработок коллектора профилактической продувки в двигательный отсек отдув отсека происходит за 5 мин. при расходе азота 0,6 кг/с и за 3 мин. - при расходе 1,2 кг/с. Оценена эффективность различных вариантов доработки коллектора аварийной продувки в двигательном отсеке, был выбран коллектор, обеспечивающий минимальное время продувки отсека за 45 с при начальном расходе азота 7,5 кг/с.
Уточнены экспериментальные данные по максимальному забросу давления в отсеках конуса двигательной установки и двигательном отсеке при аварийной продувке. По результатам проведенных замеров установлено, что величина избыточного давления не превышает величины 0,25 атм.
При натекании в отсек водорода с расходом 3 г/с штатная комбинация газоанализаторов обеспечивает обнаружение не менее 6 газоанализаторов из 8 в конусе двигательной установки и не менее 1 из 3 - в двигательном отсеке. При натекании кислорода с расходом 80 г/с обнаружение составляет не менее, чем 2 газоанализатора из 8 в конусе двигательной установки и не менее, чем одного - при натекании кислорода с расходом 60 г/с в двигательном отсеке. Выявлено, что для двигательного отсека и конуса двигательной установки аварийные продувки с расходом до 15 кг/с не создают акустических помех в работе газоанализаторов, расположенных на штатных местах.
Показано, что при струйном натекании в отсек кислорода и водорода проявляется значительная неравномерность концентрационных полей, которая определяется, в основном, геометрией отсека и соотношением расходов натекающего компонента и газа продувки. Подтверждено наличие застойной зоны в районе третьей плоскости, что вызвало доработку коллектора профилактической продувки. Выявлена оптимальная комбинация точек контроля в конусе двигательной установки при натекании водорода до 2,3 г/с. Разработан и опробован метод поиска натеканий по данным газового анализа.
Экспериментально установлено, что штатная аппаратура газового анализа обеспечивает обнаружение опасных концентраций водорода и кислорода, т.е. отклонение в показателях не превышает основной погрешности.
Принятый алгоритм работы обеспечивает управление продувками при натекании водорода в отсек конуса двигательной установки до 36 г/с, исключающее заброс концентрации выше предельно допустимой при задержке срабатывания исполнительных средств не более 5 с, в двигательном отсеке - не более 1 с. При натекании кислорода с расходом до 480 г не наблюдается забросов концентрации выше допустимого уровня - 5 %, в двигательном отсеке при задержке 5 с кратковременный заброс составляет 7 %.
Любая из штатных точек контроля в отсеке конуса двигательной установки при установке в них пожарного извещателя обеспечивает 100 %-е обнаружение возгорания водорода при длине факела пламени более 1 метра - укорочение пламени до 0,5 метра снижает вероятность обнаружения. Пламя длиной менее 0,5 м (верхнее и нижнее положения) в районе третьей плоскости не обнаруживается ни в одной точке контроля, что повлекло за собой модернизацию пожарных извещателей.
Средства подачи хладона обеспечивают полную флегматизацию натеканий кислорода с расходом не менее 1 килограмм в отсек конуса двигательной установки при средней концентрации водорода в отсеках 20 % за время не более 2 секунды с момента подачи хладона в коллектор.
Сброс азота из хвостового отсека, блоков А и дренажей магистрали агрегата гидропитания и турбогенераторной системы, выбросы гелия из сопел двигателей, имеющие место до начала выбросов непрореагировавшего водорода, не приводили к существенной баллистировке воздушной среды в объеме стендового пускового устройства и газовода модели старта. Концентрация кислорода не опускалась ниже 15 %, что обеспечивало нормальное горение зажигательного устройства.
При штатном включении системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода обеспечивается надежное, без возникновения ударно-волнового воздействия, воспламенение и горение выбросов водорода. На режиме останова двигателей имел место охват пламенем ракеты до верхней части конуса двигательной установки вследствие отсутствия эжекции на данном режиме. Указанный эффект уменьшался при увеличении расхода продувки двигателя азотом и полностью исчезал при расходе азота, соответствующем 4 кг/с на двигатель, отсутствие охвата не наблюдалось и при включении воды, имитирующей охлаждение лотка старта. Показано, что снижение содержания кислорода в объеме стендового пускового устройства до 3-5 % предварительным заазочиванием, уменьшение количества зажигательных устройств до одного и уменьшение длины факела не привело для модели 1:10 к ухудшению характеристик воспламенения и догорания выбросов непрореагировавшего водорода при штатной циклограмме работы системы дозаправки.
Включение системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода через 2 с после начала выброса водорода с модельным расходом, соответствующим 7 кг/с натурного расхода на один двигатель, привело к взрывному возгоранию водородно-воздушной смеси в стендовом пусковом устройстве с образованием (даже для крупномасштабной модели) избыточного давления на днище конуса двигательной установки 0,021 атм., и на стенках стендового пускового устройства - до 0,031 атм. При подаче воды давление понижалось до 0,01 МПа.
Температура факелов системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода снижалась при подаче воды в стендовое пусковое устройство. При этом на всех режимах выбросов непрореагировавшего водорода предварительное включение системы дожигания или штатное включение системы обеспечивало безударное воспламенение выбросов. Характер воспламенения не изменился даже при уменьшении количества зажигательного устройства до четырех и одного.
Испытания подтвердили надежность и эффективность выбранного метода нейтрализации заданных по циклограмме выбросов водорода и обоснованность разработанной структуры и схемы системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода. Показано, что ограничение пространства стенками оказывает заметное влияние на избыточное давление в образующейся при горении водородно-воздушных смесей волне сжатия, воздействующей на ракету. Показано, что в случае воспламенения с некоторой задержкой после начала пролива жидкого водорода, когда водород успевает достаточно хорошо перемешаться с воздухом, а облако водородно-воздушной смеси - достичь значительных размеров, сгорание смеси происходит чрезвычайно энергично и проникающее избыточное давление может существенно превышать допустимое значение. Показано, что в случае инициирования до момента начала пролива сгорание смеси происходит в спокойном режиме без образования волн сжатия с заметной амплитудой. Доказано, что для обеспечения надежного воспламенения образующейся при проливе неоднородной низкотемпературной воздушно-водородной смеси необходимо использование источника инициирования достаточной интенсивности (факела водородно-воздушных горелок), в частности системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода.
Созданная бортовая система пожаро-взрывопредупреждения с ее сетью газоанализаторов, пожарных оповещателей, аппаратурным составом бортовой автоматики и средствами профилактики с запасами фреона имеет достаточно большую массу. При производной по массе порядка 0.95, это - практически прямая потеря массы полезного груза.
Дальнейшее совершенствование системы требует более широкого и глубокого исследования. Существует ряд направлений. Все они подчинены желанию достичь малой конструктивной массы системы. Например, снять эту систему с борта и разместить ее на стартовом сооружении, при этом отбор газовой среды из контролируемых полостей производить через сеть капиллярных легких трубопроводов дистанционно. Аналогично располагать и средства подавления аварийной ситуации. В предстартовый момент заполнять опасные полости флегматизирующим составом или нейтральным газом с земли.
Существует направление, которое связано просто с организацией аэрации контролируемых отсеков, тонные естественной вентиляцией всех застойных зон и отсеков полностью, однако существует оценка, что в этом случае процесс контроля за реальной средой в отсеке будет весьма затруднен. Будет создана, по сути, ситуация, трудно поддающаяся расчету. Но надо исследовать. Эту систему можно сделать более простой и надежной.
В ракетной технике было достаточно много случаев, когда компоненты топлива подбирались на борту и токсичные, и взрывоопасные, и легко воспламеняющиеся, но всегда в процессе разработки и эксплуатации вырабатывались меры и системы, которые приводили эти компоненты в разряд деловых. Так будет с водородом. Водород не может быть в технике драконом - это очень перспективное горючее для всех видов транспорта.