Ракетный двигатель.

[Гусев_А]

Если рассматривать сопло Лаваля для 1-х ступеней, а особенно для 2-х ступеней РН собранных в пакет, то его степень расширения не может быть оптимальна как для высот на уровне Земли, так и высот на выходе из атмосферы. Так для сопла с большой степенью расширения на высоте поверхности, давление атмосферы будет больше чем давление истекающих газов на срезе сопла, что может привести к обратным ударным волнам и возникновению автоколебаний. На высоте же у сопла с не большой степенью расширения, УИ меньше. Есть решения, где на сопло устанавливается надвигающийся сопловый насадок, это сразу решает оптимальность его работы, как на низких так и на больших высотах. Но это механизм с движущими частями и механическими приводами. У самолетов иногда сопло набрано из пластинок, которые так же с помощью приводов могут изменять его степень расширения.
Может конечно это давно известно. Но я подумал, почему бы не изменять степень расширения сопла, преднамеренной установкой заужения сопла на начальных этапах работы, пока полет идет в низких слоях атмосферы. И степень расширения нужна не большая. 
Так в первом варианте: можно в высотное сопло вставлять топливную шашку в виде конусообразной втулки. Только с гладкой внутренней поверхностью, а не со звездочкообразной, как у ТТРД. Она в течении нескольких десятков секунд выгорает, постепенно изменяя степень расширения. Кроме того его внутренняя поверхность сможет иметь более высокую температуру, чем просто стенки сопла. Продукты его сгорания, вдоль поверхности будут увеличивать давление. Конечно энергетический вклад от сгорания шашки будет не на столько эффективен как сгорание жидкого топлива, но учитывая вклад в изменение геометрии и возможность использования высотного сопла начиная с поверхности Земли, должны перекрыть затраты.
Во втором варианте: внутрь высотного сопла вставляется веретенообразная сердцевина вдоль оси сопла. Она так же снижает степень расширения, пока движение идет в нижних слоях атмосферы, а за тем просто отстреливается или отгорает.




Вы не можете просматривать это вложение.

[strat]

Одноступы тупик, а для многоступенчатых это не имеет смыла

[Гусев_А]

Похоже на эрозионные сопла РДТТ, один клик и выбирайте (я про то что это все уже проходили):
https://yandex.ru/search/?lr=101764&msid=1650093409608747-6845419693764779884-sas3-0789-748-sas-l7-balancer-8080-BAL-975&text=%D0%AD%D1%80%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5+%D1%81%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B0+%D0%A0%D0%94%D0%A2%D0%A2&suggest_reqid=113187176164914349434120709730231

Г. А. Назаров,
В. И. Прищепа
 КОСМИЧЕСКИЕ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1980
63 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 7). 11 к.
Брошюра посвящена созданию и использованию космических твердотопливных двигателей. Рассматриваются некоторые типы таких двигателей, а также возможные перспективы их использования в космонавтике.
Брошюра рассчитана на всех тех, кто интересуется современными проблемами космической техники.
903ББК39.62
6П2.24

Благодарю. 
В соплах ТТРД действительно происходит увеличение сечения концевой части сопла, а точнее уменьшение толщины стенок сопла под абразивным воздействием частиц оксида алюминия. Но это не соизмеримо с разницей между высотным соплом и наземным. И как я понял больше добиваются наоборот меньшего износа, чтоб делать стенки тоньше и легче.
Я именно имею в виду преднамеренное изменение степени расширения сопла. Если даже с некоторым утяжелением,  но этот слой так же должен внести энергетический вклад и еще обеспечить больший УИ на всем протяжении работы.

[Гусев_А]

Одноступы тупик, а для многоступенчатых это не имеет смыла

Про одноступы речи нет, а вот центральный блок (2-я ступень) пакета часто снабжается не очень высотным соплом. Ведь максимальная тяга необходима именно при отрыве от Земли. Кроме того за чем то ведутся работы над созданием сопловых насадков.

[AlexNB]

Так в первом варианте: можно в высотное сопло вставлять топливную шашку в виде конусообразной втулки. Только с гладкой внутренней поверхностью, а не со звездочкообразной, как у ТТРД. Она в течении нескольких десятков секунд выгорает, постепенно изменяя степень расширения. Кроме того его внутренняя поверхность сможет иметь более высокую температуру, чем просто стенки сопла. Продукты его сгорания, вдоль поверхности будут увеличивать давление. Конечно энергетический вклад от сгорания шашки будет не на столько эффективен как сгорание жидкого топлива, но учитывая вклад в изменение геометрии и возможность использования высотного сопла начиная с поверхности Земли, должны перекрыть затраты.
Во втором варианте: внутрь высотного сопла вставляется веретенообразная сердцевина вдоль оси сопла. Она так же снижает степень расширения, пока движение идет в нижних слоях атмосферы, а за тем просто отстреливается или отгорает.

В соплах ТТРД действительно происходит увеличение сечения концевой части сопла, а точнее уменьшение толщины стенок сопла под абразивным воздействием частиц оксида алюминия. Но это не соизмеримо с разницей между высотным соплом и наземным. И как я понял больше добиваются наоборот меньшего износа, чтоб делать стенки тоньше и легче.
Я именно имею в виду преднамеренное изменение степени расширения сопла. Если даже с некоторым утяжелением,  но этот слой так же должен внести энергетический вклад и еще обеспечить больший УИ на всем протяжении работы.

К сожалению 1 вариант не пройдет. По уравнению обращения воздействия получается, что для ускорения сверхзвукового потока в геометрическом сопле (есть и другие) от него нужно отводить энергию. При горении твердого топлива в сопловом покрытии тепло будет подводиться и соответственно, поток тормозится. Конечно тормозится будет только часть потока, но по любому это приведет к уменьшению УИ. Второй вариант уже частично реализован, хотя только в опытных образцах.

[Гусев_А]

К сожалению 1 вариант не пройдет. По уравнению обращения воздействия получается, что для ускорения сверхзвукового потока в геометрическом сопле (есть и другие) от него нужно отводить энергию. При горении твердого топлива в сопловом покрытии тепло будет подводиться и соответственно, поток тормозится. Конечно тормозится будет только часть потока, но по любому это приведет к уменьшению УИ. Второй вариант уже частично реализован, хотя только в опытных образцах.

Из Википедии:
Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей всех других типов. Это объясняется тем, что рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины). В других тепловых двигателях на этой передаче имеют место значительные потери. Кроме того, газ, проходя через сопло на значительной скорости, не успевает передать его стенкам заметное количество своей тепловой энергии, что позволяет считать процесс адиабатическим.


Внутренняя энергия преобразуется в кинетическую его направленного движения. Если даже внутреннюю энергию (путем нагрева) подавать в расширяющемся участке сопла, она при возрастании сечения будет преобразовываться в кинетическую.
Дайте ссылку, если я что то не правильно понял.
Повышение давления (особенно в условиях нижних слоев атмосферы) так же способствует увеличению УИ.

[AlexNB]

К сожалению 1 вариант не пройдет. По уравнению обращения воздействия получается, что для ускорения сверхзвукового потока в геометрическом сопле (есть и другие) от него нужно отводить энергию. При горении твердого топлива в сопловом покрытии тепло будет подводиться и соответственно, поток тормозится. Конечно тормозится будет только часть потока, но по любому это приведет к уменьшению УИ. Второй вариант уже частично реализован, хотя только в опытных образцах.

Из Википедии:
Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей всех других типов. Это объясняется тем, что рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины). В других тепловых двигателях на этой передаче имеют место значительные потери. Кроме того, газ, проходя через сопло на значительной скорости, не успевает передать его стенкам заметное количество своей тепловой энергии, что позволяет считать процесс адиабатическим.


Внутренняя энергия преобразуется в кинетическую его направленного движения. Если даже внутреннюю энергию (путем нагрева) подавать в расширяющемся участке сопла, она при возрастании сечения будет преобразовываться в кинетическую.
Дайте ссылку, если я что то не правильно понял.
Повышение давления (особенно в условиях нижних слоев атмосферы) так же способствует увеличению УИ.

Не читайте после обеда википедию, Вы выдернули ссылку описывающую общее течение и не связанную с особенностями газодинамических воздействий на поток при свехзвуковом течении, а нужных ссылок много, наберите: уравнение обращения воздействия
Почти оттуда же:
.......................................................
Из формулы (7.20) следует, что в дозвуковом потоке (М<1) подвод тепла (dQ_e>0) вызывает рост скорости (dw>0), а в сверхзвуковом (М>1) — ее падение (dw<0). Отвод тепла (dQ_e<0) в дозвуковом потоке (М<1) приводит к уменьшению скорости (dw<0), а в сверхзвуковом (М>1) — к ее увеличению (dw>0).
........................................................
Массоподвод в сопловой части (выделение газов при горении) будет действовать также, т.е. уменьшать скорость и УИ.

[Гусев_А]

Не читайте после обеда википедию, Вы выдернули ссылку описывающую общее течение и не связанную с особенностями газодинамических воздействий на поток при свехзвуковом течении, а нужных ссылок много, наберите: уравнение обращения воздействия
Почти оттуда же:
.......................................................
Из формулы (7.20) следует, что в дозвуковом потоке (М<1) подвод тепла (dQ_e>0) вызывает рост скорости (dw>0), а в сверхзвуковом (М>1) — ее падение (dw<0). Отвод тепла (dQ_e<0) в дозвуковом потоке (М<1) приводит к уменьшению скорости (dw<0), а в сверхзвуковом (М>1) — к ее увеличению (dw>0).
........................................................
Массоподвод в сопловой части (выделение газов при горении) будет действовать также, т.е. уменьшать скорость и УИ.

Спасибо, нашел, формулы вижу, но физически не очень пока себе представил всю динамику.
Если не сложно прокоментируйте еще такой вариант:
Эжектор за высотным соплом на уровне земли.

[Старый]

Если не сложно прокоментируйте еще такой вариант:
Эжектор за высотным соплом на уровне земли.

Навесные турбореактивные двигатели вместо твердотопливных ускорителей. Удельный импульс бешеный! ЖРД обзавидуется. 

 Но самый убойный вариант - механическое тыкало которым ракета отталкивается от земли. Удельный импульс равен бесконечности! 

[Бертикъ]

Если не сложно прокоментируйте еще такой вариант:
Эжектор за высотным соплом на уровне земли

За любым соплом Лаваля поток - сверхзвуковой.
И, попав в эжектор, он будет тормозиться. Оно Вам надо?

[Верный Союзник с Окинавы]

Так в первом варианте: можно в высотное сопло вставлять топливную шашку в виде конусообразной втулки. Только с гладкой внутренней поверхностью, а не со звездочкообразной, как у ТТРД. Она в течении нескольких десятков секунд выгорает, постепенно изменяя степень расширения. Кроме того его внутренняя поверхность сможет иметь более высокую температуру, чем просто стенки сопла. Продукты его сгорания, вдоль поверхности будут увеличивать давление. Конечно энергетический вклад от сгорания шашки будет не на столько эффективен как сгорание жидкого топлива, но учитывая вклад в изменение геометрии и возможность использования высотного сопла начиная с поверхности Земли, должны перекрыть затраты.
Во втором варианте: внутрь высотного сопла вставляется веретенообразная сердцевина вдоль оси сопла. Она так же снижает степень расширения, пока движение идет в нижних слоях атмосферы, а за тем просто отстреливается или отгорает.

Чтобы шашка оказывала сильное влияние она должна быть толстой. ОЧЕНЬ толстой. У SpaceX Merlin степени расширения 16 и 117 соответственно. 

Быть толстой - значит быть тяжёлой. Сложно обеспечить равномерное и быстрое выгорание такого вкладыша. Толщина вкладыша и банальное равномерное высушивание такого вкладыша - тоже проблема.

Не факт, что от вкладыша вообще польза будет, а не вред. Вы хоть видели, какие они вакуумные сопла?

[Верный Союзник с Окинавы]

Резерфорд для уровня моря и вакуума. Если в чёрную часть сопла вставить вкладыш, то это будет тупо огромная труба, создающая излишнее сопротивление.

[Верный Союзник с Окинавы]

Также вакуумные движки обладают тупо огромным габаритом, и не поместятся на первую ступень РН в достаточных габаритах.

Falcon 9, первая ступень, вид сзади:



И вид спереди, вид на операцию стыковки ступеней:



А теперь представьте, КАКОЙ должен быть диаметр у Falcon 9, чтобы на её первой ступени вмещалось несколько вакуумных ЖРД?

[Верный Союзник с Окинавы]

Но самый главный момент - это то, что такая проблема существенна только для ЖРД с малым давлением в КС. При большом давлении можно иметь высокий УИ и высокую же тягу в одном флаконе, и тот же РД-170 в вакууме очень близок по УИ к вакуумному же Раптору.

Но самый крутой пример, ИМХО, RS-25, который в вакууме по УИ не уступал RL10, имеющим степень расширения в 250 (!) единиц! 

Надо ли говорить, что и тяга одного РД-170 выше одного вакуумного Merlin при тех же габаритах, как тяга одного RS-25 гораздо выше тяги одного RL10.

[Верный Союзник с Окинавы]

Одноступы тупик, а для многоступенчатых это не имеет смыла

Про одноступы речи нет, а вот центральный блок (2-я ступень) пакета часто снабжается не очень высотным соплом. Ведь максимальная тяга необходима именно при отрыве от Земли. Кроме того за чем то ведутся работы над созданием сопловых насадков.

Так центральному блоку высокая тяга обеспечивается за счёт навесных ускорителей. 

А работы ведутся ради уменьшения цены и массы.

[Верный Союзник с Окинавы]

За любым соплом Лаваля поток - сверхзвуковой.
И, попав в эжектор, он будет тормозиться. Оно Вам надо?

Так за счёт массы забортного воздуха тяга будет падать непропорционально падению УИ. 

Но в любом случае, овца выделки не стоит.

[Гусев_А]

Благодарю. Пусть не на самых удачных примерах, но кое в чем вроде немного разобрался. (не во всем)
При следующем посещении  Японии, постараюсь доехать до Окинавы.  Прошлый раз самой южной точкой был действующий вулкан Асо Сан.

[AlexNB]

Спасибо, нашел, формулы вижу, но физически не очень пока себе представил всю динамику.
Если не сложно прокоментируйте еще такой вариант:
Эжектор за высотным соплом на уровне земли.

Такой вариант давно рассматривался многими исследователями, но проблема в том, что для этого случая скорость истечения из ЖРД слишком большая, по сравнению с возможной скоростью воздуха при смешении струй, поэтому кпд смешения получается маленький, а длина большая - что приводит к большой длине и массе насадка на сопло и съедает весь выигрыш в УИ. В 80-х годах наиболее перспективным считался МГД насадок, по нему подошли даже к экспериментальным работам, но случились 90-е... Сейчас из-за развития техники и технологии это не имеет смысла - Старый прав - оптимальной схемой является возвращаемый бустер на ТПВРД и водородная ступень на ЖРД, возможно метановая, но этот вариант сильно не прорабатывался. Теоретический мюпг такой схемы может достигать 12-15%.

[SONY]

По уравнению обращения воздействия получается, что для ускорения сверхзвукового потока в геометрическом сопле (есть и другие) от него нужно отводить энергию.

Это в тепловом сопле нужно отводить тепло. А в геометрическом с теплом ничего делать не надо, на то оно и геометрическое.
Другое дело, что если в геометрическом сопле всё-таки начать подводить тепло (да ещё и массу), то оно перестанет нормально работать.

[Старый]

Старый прав - оптимальной схемой является возвращаемый бустер на ТПВРД

Чево???