Граждане, призываю на помощь коллективный разум.
Поставлена задача спроектировать ЖРД.
Компоненты: жидкий кислород + керосин.
Тяга: 60000 Н (6 тонн)
УИ: не менее 2250 м/с
Массовый расход топлива, соответственно, порядка 27 кг/с.
Давление окружающей среды: не более 0,3 атм.
Основной приоритет: надежность и безопасность ДУ (!), при обеспечении требуемых характеристик.
Я разумею так:
1) по термодинамике 10 атм в камере и 0,3 на срезе сопла при замороженном потоке дают УИ 2498 м/с. То есть надо вложиться в полные потери 10%. На мой взгляд вполне реально. Плюс замороженый поток - наихудший случай, т.е. скорее всего есть еще запас.
2) систему подачи, соответственно, сделать вытеснительной.
3) камеру - одноразовую композитную с абляционным охлаждением (сама ДУ многоразовая).
При таких парамтерах получается диаметр критики 240 мм, диаметр на срезе сопла 540 мм, полная длина камеры двигателя - меньше метра.
Встает вопрос о том как организовывать форсуночную головку для обеспечения качественного распыливания компонентов и чтобы она не сгорела... может на неё тоже ТЗП налепить в пространство между форсунками? Опасно - сгореть может в окислительной среде.
Есть вариант форсунки окислителя выставить дальше от поверхности головки, чтобы окислитель распытялся в защищающую головку восстановительную среду.
В этом случае надо посмотреть чтобы обратных токов окислителя сильных не было.
Так же интересен вопрос плавного зажигания.
У кого какие идеи, окромя ступенчатой подачи топлива?
А какой степени детальности должен быть проект? Абляционное покрытие - легко на словах, и на бумаге, а на деле все что-то никак до эксплуатации не доведут.
Самой простой технологически является камера с редкими связями, когда огневая стенка выполняется ротационной вытяжкой, на нее одеваются проставки а сверху собирается силовая рубашка (например алюминиевая).
В какой камере, кстати, проще и коллекторы.
В такой камере при Пк 10 атм не будет проблем с охлаждением, и можно обойтись без завес, что дает больше шансов приблизится к целевому УИ (на мой взгляд, кстати, при Пк 10 атм никак не будет 230 с наземного УИ).
Как раз при низком давлении с регенеративным охлаждением проблем больше, т.к. с уменьшением давления в камере удельный (на единицу площади поверхности камеры) расход охладителя уменьшается быстрее чем теплопоток в стенку. По этой же причине большие двигатели охлаждать проще чем маленькие.
Насичет регенеративки - икс её зет. Никогда не считал. Еще буду копать в эту сторону. В крайнем случае эту проблему можно решить тупо обработкой и увеличением толщины в местах прогара или разрушения.
К тому же этот еще один способ упростить конструкцию двигателя и снизить давление наддува.
По уровню проработки внятно ответить не могу. Не полная вплоть до проектирования всех мелочей, но и не десяток ориентировочных значений на уголке салфетки.
Уровень проработки должен достаточно убедительно показывать работоспособность и основные особенности (хотя бы концептуальные) двигателя и позволять создать достаточно точную по размерам и пропорциям 3д модель ДУ.
Цитироватьна мой взгляд, кстати, при Пк 10 атм никак не будет 230 с наземного УИ
Программа термодинамического расчета с вами не согласна :)
Кстати, УИ не "наземный". Давление окр среды - менее 1/3 атмосферы, что соответствует высоте около 10 км.
То есть УИ этого двигателя должен быть эквивалентен УИ "наземного" двигателя с давлением в камере порядка 30-35 атм.
ЦитироватьВ крайнем случае эту проблему можно решить тупо обработкой и увеличением толщины в местах прогара или разрушения.
Увеличением толщины огневой стенки? А не получится обратного эффекта из-за роста теплового сопротивления?
ЦитироватьА какой степени детальности должен быть проект? Абляционное покрытие - легко на словах, и на бумаге, а на деле все что-то никак до эксплуатации не доведут.
А RS-68?
ЦитироватьУвеличением толщины огневой стенки? А не получится обратного эффекта из-за роста теплового сопротивления?
Я говорил про абляционное охлаждение, а не регенеративное :)
ЦитироватьЦитироватьУвеличением толщины огневой стенки? А не получится обратного эффекта из-за роста теплового сопротивления?
Я говорил про абляционное охлаждение, а не регенеративное :)
А, понял :oops:
Если всего 10атм то может быть вообще радиационного охлаждени хватит?
ЦитироватьКак раз при низком давлении с регенеративным охлаждением проблем больше, т.к. с уменьшением давления в камере удельный (на единицу площади поверхности камеры) расход охладителя уменьшается быстрее чем теплопоток в стенку. По этой же причине большие двигатели охлаждать проще чем маленькие.
Согласен. Хотя от размеров гораздо сильнее зависит, чем от давления.
ЦитироватьНасичет регенеративки - икс её зет. Никогда не считал. Еще буду копать в эту сторону. В крайнем случае эту проблему можно решить тупо обработкой и увеличением толщины в местах прогара или разрушения.
К тому же этот еще один способ упростить конструкцию двигателя и снизить давление наддува.
А абляцию считали? Насчет прогара - так речь идет о полном цикле, с ОСИ?
ЦитироватьПо уровню проработки внятно ответить не могу. Не полная вплоть до проектирования всех мелочей, но и не десяток ориентировочных значений на уголке салфетки.
Уровень проработки должен достаточно убедительно показывать работоспособность и основные особенности (хотя бы концептуальные) двигателя и позволять создать достаточно точную по размерам и пропорциям 3д модель ДУ.
Ну дык раз основные параметры геометрии известны, надо хотя бы нарисовать камеру в SolidWorks и помоделировать теплопотоки в Floworks. Там сразу можно с точностью до порядка прикинуть, а может и лучше.
ЦитироватьПрограмма термодинамического расчета с вами не согласна
Зато со мной согласна практика. Видимо именно не учитываемые в первом приближении потери на охлаждение КС и неполноты сгорания и приводят к таким параметрам в реальности.
ЦитироватьДавление окр среды - менее 1/3 атмосферы, что соответствует высоте около 10 км.
Это как это? Старт с баллона что ли?
ЦитироватьА RS-68?
Там же насадок с абляцией, уже за критикой. В конце концов есть РДТТ, где эта проблема решена, но вот регулярно появляющиеся проекты ЖРД с "дешевой" камерой на абляции что-то так и не доходят до своих носителей. Последний был Merlin-1A
ЦитироватьЕсли всего 10атм то может быть вообще радиационного охлаждени хватит?
Если делать камеру из ниобия или иридий-рениевого сплава - то хватит. Только это сложно и дорого.
То, делать ли вытеснительную подачу, зависит от времени работы - что не указано в задании. Если планируется эти 6 тонн тяги иметь в течение 5 минут - ох вытесниловка много весить будет.
Собственно размерность, 6 тонн, меня смущает. Что-то подсказывает, что в аналогичных задачах обходятся вдвое-втрое меньшими тягами.
Абляционка, на мой взгляд, хуже регенеративки отчасти уже тем, что её сложнее рассчитывать. Думать, что вот зато её просто сделать и испытать... это посылать нафиг всю школу разработки движков, когда сначала рекомендуется всё же посчитать. Поэтому любители абляционки должны озаботиться поиском адекватной модели - иначе делать будут долго и дорого. По крайней мере, история учит так.
Может не мучать голову попусту, а купить лицензию на Кестрел у SpaceX, и поставить их два, чтобы получить заданную тягу. Попросить КБХА проконсультировать как они объезжали ITAR при разработке РД-0146, ну и вперед.
ЦитироватьЦитироватьна мой взгляд, кстати, при Пк 10 атм никак не будет 230 с наземного УИ
Программа термодинамического расчета с вами не согласна :)
PROPEP или кто другой? :)
Извиняюсь, описался. Не считал я как раз абляционную тзп с ощутимой скоростью обдува. Расчер регенеративки как раз достаточно прозрачен, и делать его приходилось неоднократно. Правда, пока не имел чести сравнить с практикой, но результаты получались правдоподобные.
Время работы примерно 55-60 секунд.
Термодинамику считал в Астре.
Цитироватькамеру - одноразовую композитную с абляционным охлаждением (сама ДУ многоразовая).
Лучше все же с проточным охлаждением... Особенно если надежность очень важна: разгар критики -> непредсказуемость тяги; готовую камеру нельзя прожечь перед установкой на аппарат -> брак только в полете проявится.
ЦитироватьВстает вопрос о том как организовывать форсуночную головку для обеспечения качественного распыливания компонентов и чтобы она не сгорела... может на неё тоже ТЗП налепить в пространство между форсунками?
Проточное охлаждение ;) потоком компонента между огневой и средней днищами. Использовать цетробежные форсунки.
ЦитироватьОпасно - сгореть может в окислительной среде.
Есть вариант форсунки окислителя выставить дальше от поверхности головки, чтобы окислитель распытялся в защищающую головку восстановительную среду.
В этом случае надо посмотреть чтобы обратных токов окислителя сильных не было.
Да уж... Рванет ведь, если все же будут...
ЦитироватьТак же интересен вопрос плавного зажигания. У кого какие идеи, окромя ступенчатой подачи топлива?
В смысле - плавного выходя на режим? Можно использовать капсулу с "пусковым" горючим (или просто трубопровод горючего им заполнить перед пуском). В качестве пускового горючего использовать, например, водный раствор спирта.
Цитироватьна мой взгляд, кстати, при Пк 10 атм никак не будет 230 с наземного УИ.
...
. Видимо именно не учитываемые в первом приближении потери на охлаждение КС и неполноты сгорания и приводят к таким параметрам в реальности.
Наземного не будет, а при давлении на срезе 0.3 атм и таком же снаружи даже при общих потерях до 15% вполне получится (на земле, кстати, с учетом отрыва потока будет около 180 с).
ЦитироватьЦитироватьА какой степени детальности должен быть проект? Абляционное покрытие - легко на словах, и на бумаге, а на деле все что-то никак до эксплуатации не доведут.
А RS-68?
Был еще MC-1 для X-34. До эксплуатации, конечно, не дошли, но на стенде успешно гоняли.
А подачу поршневым насосом рассматривали?
Для двигателей подобной тяги, это вроде модно :D
Серьёзные дяди из ULA интересуются:
http://www.xcor.com/press-releases/2010/10-06-08_ULA_and_XCOR_announce_successful_hydrogen_pumping_tests.html
Кстати, насколько жёстко фиксирован керосин как топливо?
А то есть идея долить какого-нибудь спирта. Охлаждающая способность улучшится, нет нагара, да и горит спирт вроде лучше.
УИ, конечно, пострадает. Но вроде были заявы на земной УИ 200 сек на изопропиловом. Это уже близко к вашим требованиям.
Похоже, полукустарные ЖРД лучше всего получаются на спирту. Это наводит на мысль, что и надёжность у спиртовых можно выжать хорошую.
Насчет разгара я особо не переживаю. Диаметр критики достаточно большой, разгар даже на 10мм/радиус будет слабо ощутим.
Регенеративка - это серьезное усложнение и снижение надежности конструкции. По поводу того что нельзя камеру прожечь перед пуском.. это так, ео ведь на РДТТ ставят? И, емнип, сопловые блоки редко становятся причиной аварии. Точнее - я такого вообще не помню.
Возможные дефекты, опять же, можно компенсировать повышеной толщиной стенки.
Керосин не критичен - можно мешать любые нетоксичные легкодоставабельные компоненты, но надо обеспечить указанный УИ и, хорошо бы, соотношение компонентов примерно как с керосином
ЦитироватьРегенеративка - это серьезное усложнение и снижение надежности конструкции.
Маск тоже в свое время так думал... ;) Но вовремя изменил свое мнение.
ЦитироватьПо поводу того что нельзя камеру прожечь перед пуском.. это так, ео ведь на РДТТ ставят? И, емнип, сопловые блоки редко становятся причиной аварии. Точнее - я такого вообще не помню.
Во-первых, у вас будет не только сопловой блок, а вся камера. Во-вторых, уточните, какие у вас ограничения по доступным технологиям/средствам контроля/испытательной базе. Такие же, как при изготовлении сопловых блоков МБР, или попроще - "гараж"?
ЦитироватьВозможные дефекты, опять же, можно компенсировать повышеной толщиной стенки.
Толщина может не спасти камеру от дефектов проклеивания секций/слоев или самого материала.
Справедливости ради надо отметить, что на крайне ответственном двигателе взлётной ступени лунного модуля американцы применили абляционное охлаждение. Почему - отдельный вопрос, но всё же.
Мне тоже регенеративка выглядит вполне надёжной - всё же в рубашке нет движущихся частей, параметры не меняются в процессе работы.
РДТТ в советской школе нетипичен для пилотируемых маршевиков. Что касается УИ, то любительский движок на керосине выдавал вроде бы 220 с - без перерасширения, правда, но всё же существенно не 180 с.
ЦитироватьЦитироватьРегенеративка - это серьезное усложнение и снижение надежности конструкции.
Маск тоже в свое время так думал... ;) Но вовремя изменил свое мнение.
Я тоже сразу об этом вспомнил. Элона как-то спросили, что он сделал бы иначе, если бы начинал сначала. Он сказал, что 1. сделал бы калиберный обтекатель, 2. сразу пошел на регенеративку (была еще какая-то 3-я ошибка, я уже забыл). Это все так, но к вопросу Радиоактивного все это не относится. Переход на регенеративное охлаждение был вызван желанием улучшить характеристики и обеспечить многоразовость. Но это у Мерлина, а ведь Кестрел-то летает до сих пор. Более того, он демонстрировал многократный запуск в полете, несмотря на абляцию.
ЦитироватьСправедливости ради надо отметить, что на крайне ответственном двигателе взлётной ступени лунного модуля американцы применили абляционное охлаждение. Почему - отдельный вопрос, но всё же.
Так я и не говорю, что абляционное охлаждение ненадежно. Наоборот, оно
очень надежно... будучи хорошо отработанным :) Потому я и спросил о технологических ограничениях...
ЦитироватьЧто касается УИ, то любительский движок на керосине выдавал вроде бы 220 с - без перерасширения, правда, но всё же существенно не 180 с.
180 с - это УИ для двигателя с общими потерями 15%, при которых еще достижим требуемый RadioactiveRainbow высотный УИ.
ЦитироватьЭто все так, но к вопросу Радиоактивного все это не относится. Переход на регенеративное охлаждение был вызван желанием улучшить характеристики и обеспечить многоразовость. Но это у Мерлина, а ведь Кестрел-то летает до сих пор. Более того, он демонстрировал многократный запуск в полете, несмотря на абляцию.
Изготовление надежной камеры с абляцией в гараже - это вопрос везения: если повезет - получится очень надежный экземпляр. Но может и не повезти...
Так что подождем, что ответит RadioactiveRainbow о доступных ему технологических возможностях.
ЦитироватьМаск тоже в свое время так думал... Но вовремя изменил свое мнение.
Кстати, интересно почему. Дело не может быть только в характеристиках - тогда "поплыл" бы еще и ТНА.
ЦитироватьВо-вторых, уточните, какие у вас ограничения по доступным технологиям/средствам контроля/испытательной базе. Такие же, как при изготовлении сопловых блоков МБР, или попроще - "гараж"?
Пусть будет "гараж" с грамотным и квалифицированным персоналом. За производство я особо не переживаю.
Со средствами контроля все гораздо печальнее. Не знаю, насколько дорог этот вопрос и можно ли его разрешить в правильном направлении.
Из комплексных - возможно, сленд для прожигов двигателя.
ЦитироватьТолщина может не спасти камеру от дефектов проклеивания секций/слоев или самого материала.
Почему?
ЦитироватьЦитироватьМаск тоже в свое время так думал... Но вовремя изменил свое мнение.
Кстати, интересно почему. Дело не может быть только в характеристиках - тогда "поплыл" бы еще и ТНА.
Потому что абляционного покрытия, которое было запроектировано поначалу, оказалось недостаточно для защиты камеры. Потребовалось еще и неслабое внутреннее завесное охлаждение + снижение давления в камере (что, собственно, в сумме и ухудшило характеристики).
А увеличение толщины покрытия (как вы предлагаете) привело бы к значительному увеличению массы двигателя.
ЦитироватьПусть будет "гараж" с грамотным и квалифицированным персоналом. За производство я особо не переживаю.
В таком случае камера с регенеративным охлаждением не должна быть проблемой.
ЦитироватьЗа производство я особо не переживаю.
Со средствами контроля все гораздо печальнее. Из комплексных - возможно, сленд для прожигов двигателя.
И это тоже говорит в пользу регенеративного охлаждения: у вас есть возможность изготовить камеру и провести КТИ.
Камеру с абляционным ТЗП проверить вы не сможете -> о браке изготовления узнаете только по результатам пуска в составе аппарата.
ЦитироватьЦитироватьТолщина может не спасти камеру от дефектов проклеивания секций/слоев или самого материала.
Почему?
Ну, если, скажем, из-за некачественного проклеивания или брака материала всю секцию (или часть) соплового блока оторвет от силовой стенки (или от других слоев) и выбросит, то какая разница, какой толщины было там ТЗП?
А бывают камеры смешанного типа? В узкой части, где давление выше - металл, теплосьём, а где шире, деревянная, абляционная.
ЦитироватьКстати, УИ не "наземный". Давление окр среды - менее 1/3 атмосферы, что соответствует высоте около 10 км.
Похоже на суборбитальник воздушного старта или на вторую ступень.
В обоих случаях разумнее делать давление на срезе ближе к моменту
окончания активного участка полета - выигрыш скорости больше будет. ;)
Срыв потока из-за перерасширения проблемой быть не должен - все наземные движки запускаются с перерасширением.
Касательно абляции - серьёзные сомнения. RaRw, Вы расчитываете достать существующие ноу-хау по составу и нанесению аблирующего материала? Либо расчитываете определить их самостоятельно?
ЦитироватьВ обоих случаях разумнее делать давление на срезе ближе к моменту окончания активного участка полета - выигрыш скорости больше будет.
Вы правы, уже думал об этом. Действительно, давление на срезе надо оптимизировать по среднеинтегральному УИ. Точнее - по Vmax.
ЦитироватьКасательно абляции - серьёзные сомнения. RaRw, Вы расчитываете достать существующие ноу-хау по составу и нанесению аблирующего материала? Либо расчитываете определить их самостоятельно?
Как получится.
Вообще, разве, скажем, углепластик не является сам себе теплозащитным покрытием? Мне казалось, что да и в РДТТшных соплах нет жесткого разграничения огневой и силовой стенки. По тем препарированным РДТТшным МБР что я видел вблизи сопло у них однослойное (имеется в виду сверхзвуковая часть).
Я расчитываю ориентировочно расчитать потребную толщину стенки чтобы достаточная для удержания давления часть толщины была защищена в течение времени работы, и скорректировать полученный результат опытным путем.
ЦитироватьЦитироватьКасательно абляции - серьёзные сомнения. RaRw, Вы расчитываете достать существующие ноу-хау по составу и нанесению аблирующего материала? Либо расчитываете определить их самостоятельно?
Как получится.
Вообще, разве, скажем, углепластик не является сам себе теплозащитным покрытием? Мне казалось, что да и в РДТТшных соплах нет жесткого разграничения огневой и силовой стенки. По тем препарированным РДТТшным МБР что я видел вблизи сопло у них однослойное (имеется в виду сверхзвуковая часть).
В закритике уже существенное падение температуры и давления. А касательно углепластика - это зависит от состава связующего. Одни из них дают более прочную композицию при н.у., но растрескиваются при прогреве, другие - наоборот.
ЦитироватьЯ расчитываю ориентировочно расчитать потребную толщину стенки чтобы достаточная для удержания давления часть толщины была защищена в течение времени работы, и скорректировать полученный результат опытным путем.
Ну, с линейным расчетом, уверен, проблем не будет (почти). ;)
Главное - учесть все существенные факторы отклонений. К примеру, если у Вас прогорит сопло/камера - ещё вопрос, расчётной толщины там не хватало, материал связующего подвёл, либо просто технология склейки/намотки местное ослабление допустила (неудачный угол нитей, недостаточная их плотность, либо банальный "пузырь").
Изучение законов Паркинсона, кстати, весьма неплохо помогает искать причины проблем ещё до их возникновения. :roll:
Так что, "раз отмерь - семь раз проверь". И - удачи. 8)
всё уже придумано F1 J2