Зачем нужны космические гейзеры Флориды

Florida — значит «цветочный»

Флорида, цветущий тропический полуостров, протянулась в теплую Атлантику большим зеленым языком. Линия тропика проходит чуть южнее, но совсем рядом, и солнце в летний полдень жарит практически с зенита, не отбрасывая теней от столбов и мачт. Во время штилей влажная флоридская духовка без привычки труднопереносима, и становится понятно, почему все тротуары Флориды бетонные — асфальт просто размякнет в вязкую смоляную массу.

С точки зрения геоморфологии Флорида — плоская, как сковородка, равнина с обширными заболоченными впадинами. В них раскинулись необъятные и колоритные знаменитые болота Эверглейдс, кишащие рыбой, цаплями, черепахами и аллигаторами. Все, что не затоплено болотами, затянуто непроходимым колючим субтропическим адом, выжить в котором могли только семинолы. Высшей точкой Флориды поднимается в середине полуострова пологий конический холм «Сахарная голова», лишь на сотню метров выше океана, но зато со знаком рекордной высотки на макушке.

Здесь нет землетрясений и вулканизма, как на тихоокеанском побережье, воспаленном поддвиганием под него морских плит закрывающегося Тихого океана и потому покрытом сыпью вулканических нарывов. Флорида — это древние известняки, покоящиеся на незыблемом скальном основании. Их неподвижная тишина прерывается лишь частыми тропическими грозами, налетающими с Атлантики ураганами и океаническим прибоем в свежую погоду. И именно на этом берегу, сотрясая его и окрестности, звучал самый громкий постоянный звук, когда-либо создававшийся человеком.

С подобными звуками и связаны огромные гейзеры Флориды. Они рукотворные и возникают во время испытания системы подавления звука на стартовой площадке 39В в Космическом центре имени Кеннеди, северной из двух его действующих площадок. С нее в следующем году планируют начать запуски новой гигантской ракеты-носителя SLS (Space Launch System, «Система космического старта»). Но о каком звуке идет речь и для чего его подавлять?

Гром тяжеловесов

При старте космических ракет-носителей, например 300-тонного «Союза» или 700-тонного «Протона», далеко вокруг стартовой площадки разносится мощный грохот, похожий на затянувшийся гром. Поднимающийся в небо столб ревущего огня из сопел двигателей заставляет трястись мелкой дрожью стартовые конструкции и сооружения. Если бы вплотную к старту находился человек, он бы, вероятно, оглох от звукового давления. Ракета уходит в вышину, гром двигателей постепенно затихает в небе, и активность на стартовой площадке продолжается своим чередом.

Но бывают ситуации, когда в небо уходят в разы более тяжелые и мощные космические средства со стартовым весом в тысячи тонн. Объединенная мощность их двигателей настолько велика, что создаваемое звуковое воздействие на стартовое сооружение, на саму ракету и экипаж может достигать чрезмерных значений, наносящих вред ракете и экипажу.

При запуске космической транспортной системы Space Shuttle, весившей на старте около 2030 тонн, ее поднимали в небо пять мощных реактивных сопел. Три двигателя шаттла SSME (Space Shuttle Main Engine, главный двигатель Space Shuttle), или RS-25, создавали тягу на старте 180 тонн каждый, вместе — 540 тонн. То есть двигатели орбитального корабля на треть превосходили стартовую тягу ракеты-носителя «Союз».

Но два твердотопливных ускорителя Space Shuttle (Solid Rocket Booster, SRB) обладали совсем другим уровнем мощности. Каждый из них на старте создавал 1270 тонн тяги — словно три ракеты-носителя «Союз» одновременно. А стартовая тяга всего комплекса составляла 3080 тонн — больше семи «Союзов». Такая концентрация мощности переводила звуковые, акустические эффекты при старте на уровень поражающего воздействия.

Истекающая из сопла сверхзвуковая струя порождает два вида волн сжатия в окружающем пространстве — акустические и ударные.

Волны поражающего действия

Ударные волны возникают в местах падения сверхзвукового потока на какие-либо поверхности. Реактивная струя сталкивается с поверхностями газоотводного канала, выводящего струю вбок из-под стартового сооружения. При подъеме ракеты наружные части потока газов из сопел попадают также на элементы стартовой площадки, вокруг проема для истекающей струи. Так образуются ударные волны. Отражаясь от элементов стартового комплекса, они ложатся на днище и корпус ракеты, нижнюю часть корпусов ускорителей и другие нижние элементы взлетающей конструкции.

К тому же сверхзвуковая струя излучает акустические волны — попросту говоря, громкий звук, шум. Акустические, или звуковые волны слабее ударных: в них меньше сжатие воздуха и повышение давления во фронте волны. Но они крайне многочисленны и могут неограниченно сливаться вместе, увеличивая свою силу до мощности ударных волн. Многократные отражения и слияния ударных и акустических волн создают в пространстве между стартовым сооружением и ракетой стоячие волны, объединяющиеся в ударно-волновые конфигурации.

Стоячие волны достаточно опасны. Они почти или совсем неподвижны и могут иметь сложную и причудливую форму, непрерывно плавно изменяясь при медленном подъеме ракеты. В местах, где стоячие волны ложатся на поверхность, в том числе на элементы конструкций ракеты (или взлетного комплекса, как у Space Shuttle), возникают местные точки и линии высоких давлений и температуры.

Долгое действие стоячей волны усиливает наносимый вред в виде силового нажима и нагрева поверхности одновременно. К ним часто добавляется вибрация, которая еще хуже статического воздействия. Вибрация вызывает частые разнонаправленные движения материала, способствующие его расшатыванию, разрушению и отрыву.

С ростом мощности двигателей сила местных волновых давлений достигает больших значений и может наносить повреждения ракете. С этим столкнулись уже в первом пуске STS-1 по программе Space Shuttle. Избыточное давление, создаваемое в месте падения акустических волн на поверхность шаттла и недооцененное конструкторами, оторвало на орбитальном корабле 16 плиток теплозащиты и повредило еще 148. Это вызвало необходимость последующей модернизации системы подавления акустического воздействия, установленной на стартовой площадке.

Еще более мощный звук возникал при взлете самой большой ракеты, когда-либо сделанной человеком — Saturn-V, обеспечивавшей полеты человека на Луну. Она взлетала отсюда же, с этих самых стартовых площадок, которые и были построены для нее, как и весь Космический центр имени Кеннеди. Пять огромных двигателей F-1 первой ступени ракеты создавали взлетную тягу 3400 тонн и уровень шума до 220 децибел. Это был самый громкий непрерывный звук, когда-либо издававшийся устройствами человека. Исключив из чемпионов громкости ударные волны от термоядерных взрывов, не являющиеся постоянным звуком, а лишь импульсом давления.

Подавление грохота

Каким образом можно снизить ударно-волновое воздействие реактивных струй? Ослабить само звуковое излучение реактивной струи невозможно, как и снизить сверхзвуковую скорость ее падения. Но можно уменьшить отражение волн от твердых поверхностей стартового сооружения и его элементов. Для этого отражающую поверхность нужно сделать неровной и размытой, податливой, неоднородной и меняющейся. Такая поверхность будет частично поглощать ударную волну и частично рассеивать ее.

Для создания рассеивающей поверхности стартовое сооружение заливают большим количеством воды, потоки и струи которой должны принять на себя воздействие ударных волн. Падая на постоянно меняющийся, бурлящий слой воды, ударные волны размываются, их отражение значительно ослабевает. Вспененная масса воды с большим количеством быстроменяющихся неоднородностей, пузырей и пузырьков поглощает акустические колебания. Интенсивное испарение и упругие неоднородные потоки пара тоже размывают и искривляют ударные и акустические волны, ослабляя их. Вода подается сразу в несколько мест стартового сооружения. Ее потоки организуются и над сооружением, и в проточной части газоотводного тракта, куда уходят сверхзвуковые струи выхлопа двигателей.

Колоссальная мощность сверхзвуковых реактивных струй, интенсивно сдувающих потоки воды, требует подачи огромных объемов воды в секунду. На стартовых площадках для запуска шаттлов запас воды размещался в возвышавшейся рядом с площадкой большой башне с резервуаром наверху, в котором находилось 1100 тонн воды. Для обеспечения ее быстрого слива высота башни с резервуаром составляет около 80 метров. Оттуда вода по титаническим трубам двухметрового диаметра самотеком поступала в разбрызгивающие устройства на старте. Система называлась Sound Suppression System  — система звукового подавления, — она находилась на обеих стартовых площадках для Space Shuttle в Космическом центре имени Кеннеди и на стартовом комплексе на базе Ванденберг в Калифорнии, пуски с которого были отменены.

Уровень шума при взлете системы Space Shuttle без применения системы подавления звука составлял 200 децибел. Человек, находящийся рядом, в таком шуме погибнет за несколько секунд. Уровень шума в кабине орбитального корабля был меньше, но все равно достигал слишком высоких значений, недопустимых с точки зрения самочувствия экипажа. При работе системы подавления звука уровень взлетного шума падал до 143 децибел — при допустимом для техники уровне 145 децибел. Огромные плотные белые облака, окружающие стартовую площадку при запусках шаттлов, не являются выхлопом его сопел. Это в основном испаренная реактивными струями и конденсирующаяся потом вода из системы подавления звука.

Аналогичная система подавления акустических полей при старте использовалась для советской космической системы «Энергия». При ее создании учитывали имевшийся опыт эксплуатации Space Shuttle и не скупились в числах и параметрах. Три наземных резервуара с водой содержали вместе 18 тысяч тонн воды, подаваемой на стартовое сооружение при запуске. В моменты максимального расхода на старт поступало 18 кубометров воды в секунду. С прекращением запусков «Энергии» систему вывели из эксплуатации.

Системы подавления звука используют сегодня все чаще, ими оборудуют большинство новых стартовых комплексов. Причем стартовое шумоподавления применяется для ракет все меньшей мощности, при этом акцент иногда больше смещается с шумоподавления на охлаждение стартового сооружения. Такой системой оборудован стартовый комплекс ракеты-носителя Antares на космодроме Уоллопс в штате Вирджиния. Аналогичная система построена на японском космодроме Танэгасима для стартового комплекса ракеты-носителя Н3.

Испытания для «Артемиды»

Система подавления звука на стартовой площадке 39В Космического центра имени Кеннеди снова стала актуальной в связи с американской лунной программой «Артемида». Она предусматривает отправку астронавтов на Луну с помощью запусков создаваемой сейчас сверхтяжелой ракеты-носителя SLS. С точки зрения системы двигателей ракета будет тем же самым комплексом Space Shuttle, только принявшим ракетный облик. Но при этом SLS будет серьезно превосходить Space Shuttle по мощности. Главные двигатели шаттла RS-25 будут главными двигателями новой ракеты, их число увеличится с трех до четырех. Два твердотопливных ускорителя Space Shuttle станут ускорителями новой ракеты. При этом каждый ускоритель вырастет на четверть по массе и тяге за счет добавления пятой секции с топливом к стандартным четырем.

Такая мощность требует значительного усиления системы подавления звука, которая была модернизирована, в ходе чего емкость водяного бака наверху башни увеличена до 15 тысяч тонн воды. Были усилены главные трубопроводы и построена новая система распределения воды на разбрызгиватели. Новую систему подавления звука подвергли достаточно обширной программе из испытаний из девяти тестов в разной конфигурации системы.

Во время испытаний этой системы вода выбрасывалась сначала свободными вертикальными столбами вне распылителей, с максимальным расходом. Это и были гейзеры Флориды. Первый этап тестов показал, что при максимальном расходе воды в питающих водопроводах не возникает кавитационных эффектов, нарушающих и замедляющих ток воды и способных повредить элементы конструкции системы.

На втором этапе испытаний вода подавалась в разбрызгивающие устройства, романтично называемые «водными птицами» и размещенные на мобильной пусковой платформе. Они создавали огромный душ на платформе и в канале отведения газовой струи, заливая пусковую платформу сплошными потоками воды. Это не только снижает отражение акустических волн от платформы, но и предохраняет ее поверхность и конструкции от чрезмерного нагрева струями двигателей ракеты. При этом проверялась система регулирования расхода воды, равномерность подачи к разбрызгивающим устройствам, соответствие длительности режима подавления звука расчетному времени ухода ракеты со стартовой площадки и запасам воды в резервуаре башни.

Проведенные натурные поэтапные испытания системы подавления звука показали ее готовность к началу запусков ракеты. Теперь дело за самой ракетой, ступени и сегменты ускорителей которой давно прибыли к зданию вертикальной сборки для дальнейших работ по проверке, сборке и подготовке к первому полету, запланированному на середину следующего года. И когда вокруг пускового комплекса поднимутся в стартовом грохоте большие белые облака, можно вспомнить маленький экскурс к системе звукового подавления. А выполнившие свою задачу фонтаны будут готовиться к следующей бурной работе на берегу цветущей Флориды.

Дополнения

Стартовая тяга двигателя. Почему именно стартовая? Дело в том, что сила тяги двигателя в момент старта отличается от более поздней тяги — по разным причинам. Изменение тяги происходит с набором высоты, из-за падения атмосферного давления. Атмосфера давит внутрь сопла, навстречу реактивной струе, препятствуя ей и ослабляя истечение. Поэтому по мере постепенного снижения атмосферного давления с высотой тяга двигателя плавно увеличивается, достигая максимума в пустоте. Поведение изменения тяги из-за роста высоты называется высотной характеристикой двигателя. Причем пустотная тяга существенно выше стартовой почти на четверть. Поэтому тяга и тяговые параметры двигателя — вроде удельного импульса — всегда приводятся бинарно, парой: стартовая и пустотная.

Кроме того, изменение тяги после старта может происходить изменением горения, изменением режима двигателя. Например, у ракеты «Союз» двигатели первой ступени РД-107 переводятся на полную тягу только на шестой секунде подъема. Но за первые пять секунд эта ракета далеко не улетает, поэтому стартовой считают именно эту полную тягу после шестой секунды подъема. Хотя отрывается ракета от стартового стола и улетает от него в режиме второй предварительной ступени тяги, а не на главной.

А, например, твердотопливные ускорители Space Shuttle, Space Shuttle SRB, вели себя наоборот. На старте они сразу выдавали максимальную тягу, чтобы быстрее разогнать взлетный комплекс. Для этого верхний топливный сегмент каждого ускорителя имел звездообразный канал горения с одиннадцатью пустыми «лопастями», дававшими большую площадь горения. Это позволяло сделать старт достаточно быстрым и динамичным. Но топливо с таким звездообразным каналом быстро выгорало, поверхность горения уменьшалась, и к пятидесятой секунде полета тяга ускорителей снижалась больше чем на четверть. Это делалось для снижения аэродинамических нагрузок на конструкцию шаттла, потому что в это время аэродинамические силы достигали своего максимума. Дальше тяга снова вырастала, но не до уровня стартовой, и затем снижалась постепенным падением — до быстрого обнуления в конце работы.

В Космическом центре имени Кеннеди полностью сохранили центр управления запусками ракеты Saturn-V, отправлявшей людей на Луну. Сохранены все рабочие места, оборудование, лампочки-огоньки, микрофоны-динамики и, кроме того, все записи сообщений и докладов, весь речевой обмен, который звучал во время старта в центре управления запуском. Магнитофоны и телекамеры писали все. И сейчас можно прокрутить все эти записи, подав питание на рабочие места, и восстановить обстановку в центре управления во время старта. Причем тогдашняя документальная съемка общей обстановки в зале фиксировала даже вибрацию фрамуг окон, их вид и звук.

И по этим записям восстановили с помощью специальных механизмов вибрацию фрамуг на окнах центра в момент старта ракеты. Автору больше всего запомнились не доклады с рабочих мест (которые в этот момент отдельно выделяются подсветкой), а то, как тряслись фрамуги в окнах. Они не дрожали, не звенели и не похлопывали. Они бились, открываясь и закрываясь, громко хлопая и лязгая с неожиданной силой несколько раз в секунду. Казалось, они сейчас разобьются на куски. Таково было звуковое воздействие взлетающего Saturn-V на здание центра, находящееся в нескольких километрах от места старта.

Громкие естественные звуки могут быть разной природы и достигать высоких уровней мощности. Оставив подводные звуки типа известного «bloop» и ему подобных, отбросим и звуки грома молний, взрывов вулканов, падения астероидов — как одиночные волновые явления. Из протяженных природных звуков, передаваемых в воздушной среде, останутся шумы крупнейших водопадов, звуки внутри мощных ураганов и, наверное, вулканических извержений с большими выбросами газов. Среди последних могли возникать совершено особенные, выдающиеся по мощности звуки, превосходящие все остальные природные постоянные звуки Земли. Эти рекордные громкости связаны со специфическим механизмом истечения вулканических газов. Но о них поговорим в другом материале.