Зачем до сих пор разрабатывают регенеративные двигатели?

Автор mistermuscle, 15.05.2008 19:21:59

« назад - далее »

0 Пользователи и 1 гость просматривают эту тему.

mistermuscle

Температура горения у твердых топлив в основном выше чем у жидких, плюс большая эрозивность выхлопа, отсутствие регенеративного охлаждения, короче говоря условия работы тяжелее. И тем не менее РДТТ движки работают устойчиво и надежно сотни секунд. Так зачем делать тогда на ЖРД регенеративные камеры, если и "неохлаждаемая'' (по типу РДТТ)
(в значительно более мягких условиях) будет надежно работать?
Минусы регенеративок очевидны: Потери давления в рубашке,
сложность изготовления и цена (и соответсвенно надежность ниже - прогары), сложность расчета, тяжелее по массе за счет рубашки, трубопроводов итп. Плюс еще ограничения по минимальной тяге изза охлаждения!
не все йогурты одинаково полезны

fagot

Вообщето в РДТТ неохлаждаемое только сопло, а камеру защищает от прогара само топливо. Регенеративно охлаждаемое сопло и КС плюс завеса как раз легче абляционного или многослойного неохлаждаемого сопла. А насадки сопел с большими степенями расширения имеют радиационное охлаждение. У двигателей малых тяг радиационно-завесное охлаждение.

RadioactiveRainbow

Неохлаждаемым придется делать не только сопло - всю камеру двигателя за исключением фррмуночной головки.
Такая камера будет, фактически, являться одноразовой. А ЖРД - это не РДТТ, который можно испытать один-два из партии. ЖРД подлежат огневым испытаниям поголовно (если ошибаюсь - поправьте). Таким образом, придется либо после экспериментального прожига менять камеру (а этого никому не хочется), либо отказаться от испытантельных прожигов (на это тоже вряд ли пойдут - слишком сложная система, чтобы отправлять работать без испытаний).

Я уж не говорю о том, что неохлаждаемая камера будет существенно тяжелее.
Но в принципе, такая схема возможна. Не исключена, по крайней мере.
Глупость наказуема

mistermuscle

Почему же она тяжелее будет?
За счет чего?
Графит же довольно легкий?

Отсутствуют же всякие трубопроводы, патрубки, рубашка итп! Не будем забывать про потери энергии (а значит и допмассы) на гидросопротивление рубашки, по крайней мере в открытой схеме!

Радуга, так ведь и ракета и двигатель это штука одноразовая! Билет в один конец - в космос! Или прямо в цель!
Нужно 500 сек максимум продержаться!
А прожиг камеры РДТТ можно делать на отдельном стенде, проблем не будет.

Ну так почему не делают такие двигатели?
Почему все таки проектируют регенеративки?

Имеется ввиду и камера и сопло из графита или похожего материала!
не все йогурты одинаково полезны

mistermuscle

Почему же она тяжелее будет?
За счет чего?
Графит же довольно легкий?

Отсутствуют же всякие трубопроводы, патрубки, рубашка итп! Не будем забывать про потери энергии (а значит и допмассы) на гидросопротивление рубашки, по крайней мере в открытой схеме!

Радуга, так ведь и ракета и двигатель это штука одноразовая! Билет в один конец - в космос! Или прямо в цель!
Нужно 500 сек максимум продержаться!
А прожиг камеры РДТТ можно делать на отдельном стенде, проблем не будет.

Ну так почему не делают такие двигатели?
Почему все таки проектируют регенеративки?

Имеется ввиду и камера и сопло из графита или похожего материала!
не все йогурты одинаково полезны

RadioactiveRainbow

ЦитатаРадуга, так ведь и ракета и двигатель это штука одноразовая! Билет в один конец - в космос! Или прямо в цель!
Нужно 500 сек максимум продержаться!
А прожиг камеры РДТТ можно делать на отдельном стенде, проблем не будет.
Двигатель должен испытываться в сборе. После испытания менять камеру крайне нежелательно, т.к. новая камера пойдет на рабочий двигатель де факто не испытанной. А старую оставить нельзя, т.к. она получит в процессе работы некоторые повреждения.

То есть вы на выбор можете использовать не испытанный целиком двигатель, либо расчитывать композитную камеру на многократное использование (а это приведет к увеличению массы).

Из графита камеру не сделать. Это будет сложная многослойная композитная конструкция из дофейхоа материалов. Скорее всего с металлической обечаайкой. Для такого времени работы потребуется существенная толщина уносимого ТЗП - геометрия камеры будет ощутимо меняться в процессе работы, а значит и характеристики двигателя будут плавать (в предсказуемом коридоре, правда).

Потери для такой камеры будут больше, за счет существенной шероховатости стенка.


Использовать-то можно, но раз так делают нечасто (но делают) - значит гемор превышает пользу.

Кстати, для крепления к головке придется делать осевой (!) вмотаный элемент... Это приведет к существенному (в разы) увеличению толщины оболочки в районе вмотаного элемента.
Кроме того, вмотаный элемент металлический - а значит прекрасно проводит тепло. А силовые композитные материалы температуру очень не любят, так что головку охлаждать придется ой как...
Глупость наказуема

Андрей Суворов

Регенеративные двигатели лучше, вот и всё!
Вон, Элон Маск тоже думал, что двигатель с абляционной теплозащитой можно разработать быстрее и дешевле, чем с регенеративкой.
Он даже отработал нормально в полёте один раз.
Но, в итоге, Мерлин-1е всё равно стал регенеративным.

mistermuscle

Андрей, это не ответ грамотного инженера - просто лучше и все типа!
Нужны аргументы! Или сравнительные характеристики!
Так чем они лучше?
Я свой ответ аргументировал!
Они тяжелее, дороже, дольше разрабатывать, меньше надежность, потери в рубашке итп!
не все йогурты одинаково полезны

Дмитрий В.

ЖРД с регенеративной системой охлаждения:
1)легче, поскольку толщина оболочек невелика
2)они имеют более стабильные и высокие характеристики (гидравлческие потери в рубашке охлаждения меньше, чем потери связанные с обтеканием абляционного покрытия и изменением геометрии сопла из-за его уноса)
3)их стендовая отработка проще и дешевле (см. пояснения Радуги)
Lingua latina non penis canina
StarShip - аналоговнет!

mihalchuk

ЦитатаПотери давления в рубашке,
сложность изготовления и цена (и соответсвенно надежность ниже - прогары), сложность расчета, тяжелее по массе за счет рубашки, трубопроводов итп. Плюс еще ограничения по минимальной тяге изза охлаждения!
Насчёт тяжелее - гляньте в справочник, как падает прочночть с ростом температуры.
Но свидетельства о таком двигателе, который вы предлагаете, были. Надо порыться в НК за несколько лет назад, статья: "Банкир Бил и его большая ракета". Там даже фотография испытаний такого двигателя есть, но на самом деле видно только сопло, а тягу я оцениваю максимум в 1,5 тонны, а возможно, всего 800 кг. Сопло и КС - углеродные, топливо - керосин + перекись водорода. Но, надо сказать, что у этого топлива и температура заметно пониже, чем у широко применяемых топлив. Возможно, такой двигатель можно сделать на кислороде и спирте. Но керосин - уже сомнительно, а водород обычно нужен на верхних ступенях, где изменения характеристик сопла из-за уноса его массы в критическом сечении дадут существенный отрицательный результат.

mistermuscle

Уточню, я имел ввиду двигатели БЕЗ абляционной защиты. То есть по сути это монолитное сопло из вольфрама или графита,
запрессованое во втулку из металла, по типу тех что применяют ракетомоделисты.

То есть из материала СТОЙКОГО к высокой температуре.

По этому как сказал Дмитрий В. потери связанные с обтеканием абляционного покрытия
(которого по сути нет) не учитываем.

Разгар критики (а он не велик) можно компенсировать пропорциональным ростом давления и расхода или соотношением компонентов.

А также закладывать в геометрию движка
испаряемые участки.

C испытаниями вообще проблем не вижу - пустили насосы, прожгли движок нужное время, осмотрели, если в порядке - идет в полет.

Насчет массы да более толстые материалы согласен, но графит легкий, и нужно учитывать отсутствие большого числа трубопроводов, оболочек итп!

И к тому же такой двигатель будет экономичней за счет роста давления в камере изза отсутствие потерь в рубашке!

На счет шероховатости - трение это лишь самая малая составляющая потерь импульса! Даже у идеально отплоированного сопла всегда есть погранслой и трение. Увеличение шероховатости мало влияет на погранслой и трение (можно не учитывать)!

Ну и конечно лучше применять топлива похолоднее типа перекись-керосин (или еще лучше спирт).
Кстати водородно-кислородное топливо обладает очень низкими температурами по сравнению с другими парами, так что оно подходит как никакое другое.

Ну и для ЖРД периодического действия (разгонщики, ЖРД управления) такая схема - самое то! Тепло успеет рассеяться в космос меду включениями, а при включеннии будет идти в теплоемкость!
не все йогурты одинаково полезны

mescalito

Объясняю по простому
Если сделать камеру из тугоплавкого металла и обойтись почти без завесы, то большая часть тепла (или энергии) которая могла бы пойти на ускорение рабочего тела будет потерена излучением. Так как стенка нагреется до температуры 3000 С. (вы же хотите из вольфрама или графита, т. е. углерод-углерода). Даже если покрыть камеру спец покрытиями из карбидов тантала или гафния чтобы небыло уноса массы, то все равно потери на излучение и вынужденную конвекцию будут большими. Можно конечно камеру укутать в теплоизоляцию, но тогда масса значительно увеличится. Да и без завесы обойтись не получится, понадобится около 5% расхода на завесу пустить. К тому же завеса должна быть восстановительная, иначе в окислительной среде при 3000 С прогорит даже карбид гафния.
 Регенеративная камера как раз позволяет это тепло сохранить и вернуть обратно в камеру. Кроме того она позволяет по всему сечению камеры поддерживать оптимальное соотношение компонентов. Что невозможно при наличии пристеночной завесы.
За подробностями рекомендую обращаться в учебник Основы теории ЖРД Под редакцией Кудрявцева. Его можно легко найти в сети.
Информация должна быть доступна!

mistermuscle

Да завесу надо делать восстановительную, это и так ясно. Отмечу что у большинства топливных пар оптимален избыток горючего и его около 5-10% лишнего, вот его и на завесу надо пускать.
Кстати у РДТТ никаких завес нет, и он сносно работает. А ЖРД дает еще один плюс по охлаждению!

Потери на излучение преувеличены, много тепла  через толстую стенку графит+сталь не уйдет.

Не забываем про то что камера будет экономичней в связи с ростом давления в камере.
Так что плюс на минус в итоге может она и не будет сильно хуже!
не все йогурты одинаково полезны

RadioactiveRainbow

А может и потому, что сопло без охлаждения просто напросто технологически сложнее и, соответственно, дороже.
Глупость наказуема

fagot

Ну собственно есть такие двигатели малых тяг (1-50 кг) в основном из платиново-родиевых и платиновых сплавов, использующиеся в системах ориентации, в качестве апогейников ГСОшных спутников и в АМС. Недавно европейцы сделали камеру из углерод-углеродного КМ с покрытием из карбида кремния. Имеют они радиационно-завесное охлаждение и работают на различных видах вонючки (ММГ-АТ, гидразин-АТ, НДМГ-АТ), благодаря большим степеням расширения имеют вполне приличный УИ. Однако все это двигатели с вытеснительной подачей и низким давлением в КС, причем массовое совершенство их весьма посредственно, что впрочем несущественно из-за малой доли их в массе КА. Однако для двигателей больших тяг такое массовое совершенство является неприемлемым. Хотя с увеличением тяги тепловые потоки в стенку уменьшаются, но с увеличением давления они возрастают, а увеличение соотношения компонентов до оптимального ведет к росту температуры, так же как и переход на компоненты типа керосин-кислород, все это затрудняет охлаждение. Потери УИ пусть и сравнительно невелики, но с увеличением ХС ступени становятся все более нежелательными.

Salo

ЦитатаА может и потому, что сопло без охлаждения просто напросто технологически сложнее и, соответственно, дороже.
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=8215&start=75
Цитата
Цитата
Цитата
ЦитатаСкажем так - сжимается но слабо!
На RS68:
 Там не абляционное сопло, а за счет жаропрочных материалов
!
Упс! :shock:

Не упс, а никелевый сплав в нижней "холодной" части сопла!
Читаем книжки. Итак, А.А. Шумилин. "Авиационно-космические системы США", М."Вече", 2005 г., стр 18: "При этом следует заметить, что по сравнению с последним изделием [SSME] число сборочных узлов в двигателе RS-68 сокращено на 90%. Так, например, сопло этого ЖРД с АБЛЯЦИОННЫМ ТЕПЛОЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ собирается из четырех элементов...".
"Были когда-то и мы рысаками!!!"

RadioactiveRainbow

А за сопловые насадки я ничего не говорю :)
И делали, и делают и, надеюсь, будут делать.

Только вот тепловые потоки за половиной длины сопла (особенно при больших степенях расширения) - на порядок меньше чем в камере.
Глупость наказуема

fagot

Массовое совершенство RS-68 впечатляет не меньше, чем простота сопла. :)  Не зря они хотят его на регенеративное поменять, а КС такую им и голову не пришло сделать.

Salo

"Были когда-то и мы рысаками!!!"

mescalito

ЦитатаДа завесу надо делать восстановительную, это и так ясно. Отмечу что у большинства топливных пар оптимален избыток горючего и его около 5-10% лишнего, вот его и на завесу надо пускать.
Кстати у РДТТ никаких завес нет, и он сносно работает. А ЖРД дает еще один плюс по охлаждению!

Потери на излучение преувеличены, много тепла  через толстую стенку графит+сталь не уйдет.

Не забываем про то что камера будет экономичней в связи с ростом давления в камере.
Так что плюс на минус в итоге может она и не будет сильно хуже!

Вообще то обычно у ЖРД избыток окислителя и не хватает как раз горючего. Поэтому чтобы делать востановительную завесу надо в центральные форсунки пускать топливо с Км выше чем оптимум чтоб перемешавшись с восстановительным пристеночным слоем (где Км ниже чем оптимум) средне камерное Км стало почти оптимальным. А это значительно усложняет конструкцию смесительной головки поэтому в ЖРДМТ обычно делают окислительную завесу и расход на завесу дают такой чтобы в пристеночном слое горение происходило при более низкой температуре (соответствующей Км раза в два больше стехиометрического). Температура эта максимум 1200С-1500С потому что среда там окислительная. Самая высокая температура стенки камеры (по моим сведениям) у ЖРД R-4D-15 разработки Aerojet составляет 1427C судя по рисунку, но в тексте статьи откуда рисунок они пишут о достижении 2000С там камера из рения и иридия. У европейцев на их ЕАМе тоже около 1500С на стенке, но там уже композит. И завеса везде окислительная. Но это особенности только ЖРД МТ.

У ЖРД больших тяг можно использовать и восстановительную завесу. Но толстый слой графита и сталь не дадут выиграша. Тем более что сталь использовать не получится из-за высоко температуры и того что она нагреваться будет на воздухе. Поэтому придется использовать либо ниобиевые сплавы с покрытием либо платину с родием либо рений с иридием.  Все эти металлы стоят очень дорого (а особенно их сплавы) да и плотность у них больше чем у стали. Можно конечно обойтись и сталью если температура будет до 1000С, но и то только если покрыть ее антиокислительным покрытием на основе окислов циркония или кобальта.
Конечно с развитием материаловедения ЖРД в конце концов перейдут на клмпозиты, но не завтра. Пока технологии только отрабатываются.


Вот эта компания создала материал для R-4D-15 http://ultramet.com/

У наших тоже есть подобные технологии, но они пока используются только в  военных ракетах.
Российская космонавтика пока живет по принципу лучшее враг хорошего поэтому наши ЖРДМТ на меняются уже лет 25.
Информация должна быть доступна!