Столб выброса воды на площадке 39В, Космический центр имени Кеннеди, Флорида, США. Фото: NASA

Гигантский столб воды вырастает на высоту многоэтажного дома и опадает белыми бурунами. Откуда взялся он в тихой болотистой Флориде? Ведь нет здесь ни гор, ни вулканизма. Ещё удивительнее, что эти гейзеры связаны с космосом.

Florida — значит «цветочный»

Флорида, цветущий тропический полуостров в США, протянулась в теплую Атлантику большим зеленым языком. 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. 

Как пишет Николай Цыгикало для  издания Naked-science, здесь нет землетрясений и вулканизма – тектонически Флорида пребывает в глубоком сне и полном покое, информирует UAINFO.org.

Читайте также: Космический долгострой Ричарда Брэнсона: когда полетит Spaceship Two? ФОТО. ВИДЕО

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, раньше звучал самый громкий постоянный звук, когда-либо создававшийся человеком. Именно с этими звуками и связаны огромные гейзеры Флориды.

Они рукотворные и возникают во время работы 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.

Запуск шаттла Columbia 25 июня 1992 года, полет STS-50. Работают все пять реактивных сопел, обеспечивающих стартовую тягу. Фото: NASA, Marshall Space Flight Center

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.

Но два твердотопливных ускорителя Space Shuttle (Solid Rocket Booster, SRB) обладали совсем другим уровнем мощности. Каждый из них на старте создавал 1270 тонн тяги, а стартовая тяга всего комплекса составляла 3080 тонн. Такая концентрация мощности переводила звуковые, акустические эффекты при старте на уровень поражающего воздействия.

Волны поражающего действия

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

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.

Читайте также: Україна космічна: чи з’являться у нас конкуренти Ілону Маску?

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.

Ударная волна — это быстро движущаяся область сильного сжатия и нагрева. Принимая характер стоячей волны, она длительное время действует на материал в точке своего приложения.

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.

Читайте также: Очередной успех SpaceX повлек крупный сканадал в "Роскосмосе"

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 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.

Читайте также: "Роскосмос" создает копию ракеты SpaceX – однако, скорее всего, не доведет дело до конца

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 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.

Запуск шаттла Discovery 24 февраля 2011 года. Последний полет Discovery. Видны большие облака пара, возникшие вследствие испарения воды из системы подавления звука. Фото: Katie Darby, Flickr.com

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.

Стартовая площадка 39В в Космическом центре им. Кеннеди, Флорида. Справа, рядом с ферменной мачтой системы молниеотводов, видна светлая башня системы подавления звука с резервуаром для воды наверху. Фото автора

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. Тяга каждого ускорителя на старте превысит 1600 тонн. А стартовая тяга всей ракеты SLS превзойдет 4000 тонн.  

Читайте также: Китай строит ракету для полета на Луну​​​​​​​

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.

Башня с 15 тысячами тонн воды наверху. Начальные испытания системы подавления звука 15 октября 2018 года, стартовая площадка 39B в Космическом центре имени Кеннеди. Фото: NASA

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.

Последовательные стадии выброса воды из открытых вертикальных патрубков при испытаниях системы подавления звука 15 октября 2018 года на стартовой площадке 39B в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде. Высота растущего столба воды достигает 30 метров. Фото: NASA

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.

Помимо закачки водяных струй непосредственно под сопла ракеты, водой обильно заливается вся мобильная пусковая платформа. 2 июля 2019 года компания NASA Exploration Ground Systems проводит испытание разбрызгивания потоков воды на мобильной пусковой платформе, на стартовой площадке 39B Космического центра им. Кеннеди во Флориде. Фото: NASA

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.

Підписуйся на сторінки UAINFO у Facebook, Twitter і YouTube