[논문 리뷰] Hazards Induced by Breach of Liquid Rocket Fuel Tanks: Conditions and Risks of Cryogenic Liquid Hydrogen-Oxygen Mixture Explosions

Viatcheslav V. Osipov, Cyrill B. Muratov외 6명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 23.

Combustion and Detonation Processes참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 액체 로켓 차량의 탱크 파손 이후 초저온 수소-산소(LH2/LOx) 혼합가스 폭발의 위험성을 조사하며, 난류 혼합 중 캐비테이션 유도 자가 ignitions 메커니즘을 제안한다. 단순화된 폭발 및 연소 모델을 사용하여 에어로졸 형성이 연소를 강화하고 폭발을 유도할 수 있음을 보여주며, 챌린저 번개 사고 동안 인터탱크 부근에서 관측된 이례적인flame 초기화 현상을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비압축 상태의 탱크 파손 이후 초저온 H2/Ox 혼합가스의 ignitions 메커니즘과 폭발 잠재력 이해.
• 챌린저 사고 동안 인터탱크 부근에서 관측된 불꽃 초기화의 수수께끼를 해결.
• 미래의 우주 임무에서 초저온 추진제를 사용할 경우 강력하고 치명적인 폭발의 위험 평가.
• H2/Ox 혼합가스에서 에어로졸 형성이 연소 강도를 높이고 폭발을 가능하게 하는 역할 평가.
• 실제 사고 조건을 반영한 물리 기반 폭발 시나리오 모델 개발.

제안 방법

• 폭발 및 연소 이론의 단순화된 모델을 사용하여 비압축 상태의 H2/Ox 혼합가스 폭발에 대한 물리 기반 분석 수행.
• 수소-산소 수직 충격(HOVI) 실험 데이터 분석을 통해 ignitions 및 연소 역학 규명.
• 기체 상태 H2 및 O2가 액체 산소 유속과 난류 혼합되는 과정 모델링하여 캐비테이션 유도 ignitions 가능성 평가.
• 에어로졸 H2/Ox 혼합가스 연소 연구를 통해flame 가속도 및 폭발 발생 조건 규명.
• HOVI 실험 데이터의 半정량적 해석을 통해 제안된 ignitions 메커니즘 검증.
• 실제 로켓 차량 사고에서 발생할 가능성이 높은 비압축 혼합가스에만 집중.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탱크 파손 이후 기체 H2 및 O2가 액체 산소와 난류 혼합되는 과정에서 초저온 H2/Ox 혼합가스가 자가 ignitions에 이를 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 H2/Ox 혼합가스에서 에어로졸 형성이 발생할 경우, 어떤 조건에서 폭발이 연소가 아닌 폭발로 전환되는가?
• RQ3 HOVI 실험 결과는 챌린저 사고 동안 관측된 이례적인 불꽃 초기화 현상을 어떻게 설명하는가?
• RQ4 액체 추진제 탱크 파손 이후 강력하고 비압축 상태의 H2/Ox 폭발이 발생하기 위한 핵심 실현 조건은 무엇인가?
• RQ5 액체 산소 유속에서의 캐비테이션은 초저온 H2/Ox 혼합가스에서 연소 초기화에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 캐비테이션 유도 ignitions 메커니즘이 기체 H2 및 O2가 액체 산소와 난류 혼합되는 과정에서 자가 ignitions를 설명할 수 있는 타당한 메커니즘으로 제안되며, HOVI 실험 조건과 일치한다.
• H2/Ox 혼합가스에서 에어로졸 형성은 연소flame의 강도를 크게 증가시키며, 초기 ignitions 원인이 무엇이든 상관없이 폭발을 유도할 수 있다.
• 분석 결과는 챌린저 사고 동안 인터탱크 부근에서 관측된 이상한 불꽃 초기화 현상이 액체 산소 유속에서의 난류 혼합과 캐비테이션의 결과로 발생한 것으로 설명된다.
• HOVI 실험 데이터는 에어로졸 연소의 관점에서 半정량적으로 해석되어 모델의 예측 타당성을 뒷받침한다.
• 이 연구는 향후 우주 임무에서 치명적인 폭발로 이어질 수 있는 특정 고위험 시나리오를 규명하였다.
• 에어로졸이 존재할 경우 낮은 에너지의 ignitions 원천이 있더라도 폭발이 실제 사고 조건에서 실현 가능하다는 것이 입증되었다.