[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了在液体火箭飞行器储罐破裂后，低温氢氧（LH2/LOx）混合物爆炸的风险，提出了一种在湍流混合过程中由空化引发的自燃机制。通过简化爆轰与缓燃模型，表明气溶胶的形成会加剧燃烧并可能引发爆轰，从而解释了挑战者号事故中船体间段附近异常火焰点火的现象。

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.

研究动机与目标

• 理解低温H2/Ox混合物在无约束储罐破裂后点火机制与爆炸潜能。
• 解释挑战者号事故中船体间段附近火焰异常点火之谜。
• 评估未来涉及低温推进剂的航天任务中强而灾难性爆炸的风险。
• 评估气溶胶形成在增强H2/Ox混合物缓燃及促成爆轰中的作用。
• 为真实事故条件下爆炸场景开发基于物理的模型。

提出的方法

• 采用爆轰与缓燃理论的简化模型，对无约束H2/Ox混合物爆炸进行基于物理的分析。
• 分析氢氧垂直撞击（HOVI）实验数据，以识别点火与燃烧动力学特征。
• 模拟气态H2与O2与液氧射流的湍流混合，以评估空化引发点火的潜力。
• 研究气溶胶H2/Ox混合物的燃烧，以确定火焰加速与爆轰起始条件。
• 通过半定量方式解读HOVI实验数据，以验证所提出的点火机制。
• 仅聚焦于真实火箭飞行器事故中可能形成的无约束混合物。

实验结果

研究问题

• RQ1 在储罐破裂后，气态H2与O2与液氧湍流混合过程中，哪些物理机制可能导致低温H2/Ox混合物自燃？
• RQ2 在何种条件下，H2/Ox混合物中气溶胶的形成会导致爆轰而非缓燃？
• RQ3 HOVI实验结果如何解释挑战者号事故中观察到的异常火焰点火现象？
• RQ4 在低温推进剂储罐破裂后，强而无约束的H2/Ox爆炸的关键实现条件是什么？
• RQ5 液氧射流中的空化在多大程度上促进了低温H2/Ox混合物的燃烧点火？

主要发现

• 提出了一种由空化引发的点火机制，作为气态H2与O2在与液氧湍流混合过程中自燃的合理解释，与HOVI实验条件一致。
• H2/Ox混合物中气溶胶的形成显著加剧了缓燃火焰，并可在无初始点火源的情况下诱发爆轰。
• 该分析解释了挑战者号事故中船体间段附近异常火焰点火现象，归因于液氧射流中的湍流混合与空化。
• 通过气溶胶燃烧的视角，对HOVI实验数据进行了半定量解读，支持了该模型的预测有效性。
• 该研究识别出特定高风险场景，即无约束的低温H2/Ox混合物可能在未来的航天任务中导致灾难性爆炸。
• 研究表明，当存在气溶胶时，即使点火源能量较低，爆轰在真实事故条件下仍可实现。