32 березовые палки или системы зажигания ракетного двигателя

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.

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

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:

А вот шашки в сборе в цехе производителя:

Схема установки шашки в двигателе:

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.

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.

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.

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.

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.