Система дожигания выбросов непрореагировавшего водорода

Запуск и останов двигателей ракет-носителей, использующих в качестве одного из компонентов топлива жидкий водород, какими являются двигатели второй ступени ракеты-носителя "Энергия", маршевые двигатели "Спейс Шаттла", сопровождаются выбросами непрореагировавшего водорода из их сопел до начала и по окончании высокотемпературного процесса в камерах сгорания.
При смешивании этих выбросов с окружающим воздухом образуются взрывоопасные водородно-воздушные смеси. Их накопление в объеме пусковой установки и последующее инициирование от струй запускающихся двигателей или от случайного источника воспламенения может привести к их взрывному сгоранию с недопустимым ударно-волновым воздействием на конструкцию ракеты, что и было, в частности, зарегистрировано при запуске двигателей "Спейс Шаттла". Для исключения воздействий необходимо принятие специальных мер по нейтрализации выбросов, исключающих образование, недопустимое накопление и взрывное сгорание смесей водорода с окружающим воздухом. Нейтрализация выбросов водорода могла быть осуществлена путем смешивания их с инертными газами с целью флегматизации, ингибирования или балластировки выбросов или путем их своевременного поджигания на выходе из сопел двигателей, что исключает накопление смеси с последующим догоранием в окружающей среде.
Запуск и останов двигателей ракеты "Энергия" при пуске и огневых стендовых испытаниях может сопровождаться выбросами непрореагировавшего водорода в количествах до тысячи кубических метров с последующим образованием взрывоопасных смесей. Конструктивное загромождение пусковых устройств старта способствует переходу дефлаграционного сгорания смол (сгорание без взрыва) в детонационное, при котором ударно-волновые воздействия существенно усиливаются.
Анализ показал, что такие известные методы, как флегматизация, ингибирование и балластировка выбросов водорода инертными газами являются неприемлемыми вследствие больших потребных расходов инертных газов и необходимости надежного перемешивания их с выбросами водорода, обеспечить которые с учетом особенностей функционирования, характеристик и конструкции ракеты и старта не представляется возможным.
В этих условиях и с учетом имеющегося отечественного опыта признан целесообразным и принят метод принудительного воспламенения выбросов на выходе из сопел двигателей с последующим догоранием в объеме пускового устройства.
Организация надежного воспламенения и невзрывоопасного догорания больших количеств водорода является сложной научно-технической задачей. Решение ее в специфических условиях схемно-конструктивного исполнения ракеты и старта с учетом малой величины допустимого ударно-волнового воздействия на ракету осложняется рядом факторов:
- наличием в пусковом устройстве старта инертных газов от продувок отсеков и агрегатов;
- подачей в пусковое устройство воды с расходом до 35 т/с в истекающие из сопел двигателей продукты сгорания, осуществляемой в непосредственной близости от сопел и зажигательных устройств системы дожигания;
- сложной газодинамической установкой в пусковом устройстве;
- высокими скоростями и неустойчивым характером истечения водорода из сопел двигателей, происходящего на режиме глубокого перерасширения.
Кроме указанных факторов, осложняющих создание факелов, организацию воспламенения и догорания выбросов водорода и способствующих переходу дефлаграционного сгорания в турбулентное и детонационное с соответствующим повышением интенсивности ударно-волновых воздействий на ракету, при разработке и создании системы дожигания необходимо было учитывать конструктивно-технические особенности.
Оказались неприемлемыми ранее известные пиротехнические, жидкостные и другие зажигательные устройства, такие, как твердотопливное зажигательное устройство одноразового применения для "Спейс Шаттла" или применяемые на стендах маломощные однокомпонентные зажигательные устройства, образующие постоянные дежурные факелы.
Система дожигания для столь специфических условий функционирования разрабатывалась впервые. При этом данные по характеристикам потоков выброса водорода из сопел, по составу среды и газодинамической обстановке в пусковом устройстве отсутствовали. Отсутствовали также теоретические, экспериментальные методы определения характера и интенсивности процессов горения водородно-воздушных смесей, данные по режимам воспламенения потоков водорода в процессе истечения и перемешивания с окружающей средой, содержащей инертные газы, а также данные по потребной и фактической дальнобойности факелов в условиях, создающихся на старте.
В связи со сложностью и опасностью проведения исследований процессов истечения, воспламенения и горения непрореагировавшего водорода в условиях старта и их большим потребным количеством, основной объем этих исследований проводился на модельных установках масштаба 1/155, 1/72 и 1/10 с подтверждением результатов на ряде контрольных испытаний в натурных условиях. Отработка функционирования системы дожигания, проверка ее работоспособности и эффективности осуществлялась, в силу особенностей системы, непосредственно в составе ракетного комплекса.
В конечном счете было создано принципиально новое двухкомпонентное зажигательное устройство внешнего горения, способное обеспечивать устойчивый факел в условиях старта, в том числе в среде инертных газов. Его особенностью является то, что внутри зажигательного устройства происходит только образование высокотемпературной водородной плазмы - инициатора воспламенения, а образование смеси, ее поджиг и стабилизация пламени происходят вне устройства в спутном потоке, чем обеспечивается устойчивость факела и его большая дальнобойность и исключается влияние факела на сопло. В обеспечение эксплуатационной надежности зажигательного устройства проведено свыше 700 испытаний.
Правильность заложенных при проектировании системы теоретических положений и конструкторских решений, достаточность экспериментальной отработки, работоспособность и эффективность системы подтверждены успешным функционированием ее в составе натурных ракет.