[論文レビュー] Hazards Induced by Breach of Liquid Rocket Fuel Tanks: Conditions and Risks of Cryogenic Liquid Hydrogen-Oxygen Mixture Explosions

Viatcheslav V. Osipov, Cyrill B. Muratov+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Combustion and Detonation Processes参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、液体ロケット機器のタンク破損後に発生する液体水素酸素（LH2/LOx）混合ガスの爆発リスクを調査し、乱流混合中に発生するキャビテーション誘発自己 igni ーションメカニズムを提案する。簡略化されたサブクレージョンおよびデフラグレーションモデルを用いて、エアロゾルの形成が燃焼を強化し、サブクレージョンを引き起こす可能性があることを示し、チャレンジャー号事故におけるインタントンク部近辺での異常な炎発火を説明する。

ABSTRACT

We analyze the data of purposeful rupture experiments with LOx and LH2 tanks, the Hydrogen-Oxygen Vertical Impact (HOVI) tests that were performed to clarify the ignition mechanisms, the explosive power of cryogenic H2/Ox mixtures under different conditions, and to elucidate the puzzling source of the initial formation of flames near the intertank section during the Challenger disaster. We carry out a physics-based analysis of general explosions scenarios for cryogenic gaseous H2/Ox mixtures and determine their realizability conditions, using the well-established simplified models from the detonation and deflagration theory. We study the features of aerosol H2/Ox mixture combustion and show, in particular, that aerosols intensify the deflagration flames and can induce detonation for any ignition mechanism. We propose a cavitation-induced mechanism of self-ignition of cryogenic H2/Ox mixtures that may be realized when gaseous H2 and Ox flows are mixed with a liquid Ox turbulent stream, as occurred in all HOVI tests. We present an overview of the HOVI tests to make conclusion on the risk of strong explosions in possible liquid rocket incidents and provide a semi-quantitative interpretation of the HOVI data based on aerosol combustion. We uncover the most dangerous situations and discuss the foreseeable risks which can arise in space missions and lead to tragic outcomes. Our analysis relates to only unconfined mixtures that are likely to arise as a result of liquid propellant space vehicle incidents.

研究の動機と目的

• タンクが解放された後の低融点H2/Ox混合ガスの igni ーションメカニズムと爆発的潜在能力を理解すること。
• チャレンジャー号事故におけるインタントンク部近辺での炎発火の謎を解明すること。
• 今後の宇宙ミッションにおける低融点推進剤を用いた強力で深刻な爆発のリスクを評価すること。
• H2/Ox混合ガスにおけるエアロゾル形成がデフラグレーションを強化し、サブクレージョンを可能にする役割を評価すること。
• 現実の事故状況を想定した物理的モデルを構築すること。

提案手法

• サブクレージョンおよびデフラグレーション理論からの簡略化モデルを用いて、解放されたH2/Ox混合ガスの爆発を物理的分析する。
• HOVI（水素酸素垂直衝突）実験のデータを分析し、 igni ーションおよび燃焼ダイナミクスを同定する。
• 気体状H2とO2が液体酸素の流れと乱流混合する状況をモデル化し、キャビテーション誘発 igni ーションの可能性を評価する。
• エアロゾルH2/Ox混合ガスの燃焼を研究し、炎の加速およびサブクレージョン発生条件を特定する。
• HOVI実験データの半定量的解釈を用いて、提案された igni ーションメカニズムの妥当性を検証する。
• 現実のロケット機器事故で生じる可能性のある解放された混合ガスに限定して分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンク破損後に気体H2とO2が液体酸素と乱流混合する過程で、どのような物理的メカニズムが低融点H2/Ox混合ガスの自己 igni ーションを引き起こすか？
• RQ2 H2/Ox混合ガスにおけるエアロゾル形成が、初期 igni ーション源にかかわらず、サブクレージョンを引き起こす条件は何か？
• RQ3 HOVI実験の結果は、チャレンジャー号事故で観察された異常な炎発火をどのように説明できるか？
• RQ4 液体推進剤タンクの破損後に、強力で解放されたH2/Ox爆発が発生するための主要な実現条件は何か？
• RQ5 液体酸素の流れにおけるキャビテーションが、低融点H2/Ox混合ガスにおける燃焼の開始にどの程度寄与するか？

主な発見

• キャビテーション誘発 igni ーションメカニズムが、気体H2とO2が液体酸素と乱流混合する過程での自己 igni ーションを説明する可能性のある妥当なメカニズムであると提案され、HOVI実験条件と整合的である。
• H2/Ox混合ガスにおけるエアロゾル形成は、デフラグレーション炎を顕著に強化し、初期 igni ーション源にかかわらずサブクレージョンを誘発する可能性がある。
• 本分析により、チャレンジャー号事故におけるインタントンク部近辺の謎の炎発火は、液体酸素の流れにおける乱流混合とキャビテーションの結果であると説明できる。
• HOVI実験データは、エアロゾル燃焼の観点から半定量的に解釈され、モデルの予測妥当性を裏付ける。
• 本研究では、将来的な宇宙ミッションで深刻な爆発を引き起こす可能性のある、特定の高リスクシナリオ（解放された低融点H2/Ox混合ガス）を同定した。
• エアロゾルが存在する場合、低エネルギー igni ーション源であっても、サブクレージョンが現実の事故条件下で実現可能であることが示された。