Сверхмалая криогенная РН - технические вопросы.

[avmich]

РО-9 с его 30 тс, конечно, великоват. Для 12-тонной ракеты на второй ступени за глаза хватит движка тягой в 1,5-2 тс

Виноват, каюсь!
Имел в виду двигатель от блока Е 8А92М. РД-0109 который. Какое у него КБХА-шное обозначение?

В общем, примерно так. Двухступ с Мст=12 т. На первой ступени невысотный РД-0110 с тягой 24 тс у Земли, пустотный УИ=295 с. На 2-й ступени гипотетический 3-тонник с УИ=310 с. Конструктивное совершенство: отношени массы заправленного блока к конечной его массе 7 - для 1-й ступени, 6-для 2-й. Мпг примерно 41 кг. При уменьшении тяги 2-й ступени до 1,5 тс масса ПГ растет примерно до 70 кг.

А почему такая высокая тяговооружённость на первой ступени?

[dan14444]

Вроде бы температура сгорания должна вырасти из-за двойной связи?

А, это...  Неинтересно-разница по теплу мала, а выхлоп тяжелеет... Я б ещё понял суспензию бериллиевого коллоида в ЖВ...   :lol:

[avmich]

Вроде бы температура сгорания должна вырасти из-за двойной связи?

А, это...  Неинтересно-разница по теплу мала, а выхлоп тяжелеет... Я б ещё понял суспензию бериллиевого коллоида в ЖВ...   :lol:

Однако разница по теплу часто превосходит эффект от утяжеления выхлопа.

[Дмитрий В.]

А почему такая высокая тяговооружённость на первой ступени?

Потому что задан тип двигателя (РД-0124) и стартовая масса в пределах "Авангарда".

[Андрей Суворов]

Вообще-то, у меня изначально были совсем-совсем другие планы. Я хотел использовать на первой ступени двигатель от третьей ступени 8К72, с камерой, из которой он "вырос" - рулевой от РД-107. Тяга этой камеры у Земли "голышом" - 3,25 тонны. Тяга РО-5 заметно больше, и из-за того, что у него сопло высотное и УИ 320, и из-за того, что выхлоп ТНА добавляет.

У РО-5 был "наследник", который стоял на 8А892М ("Восток-2М"), который был на 15% легче и имел при этом на 15% бОльшую тягу. Но я запамятовал его индекс, из-за чего и произошла вся путаница!

"Авангард" приводился тут лишь в качестве ориентира - для того, чтобы поднять ракету такого класса, надо было ставить на 1-ю ступень 2хРО-5 или его наследника. Впрочем, если их поставить два, то можно обеспечить управляемость ракеты по всем трём осям, отклоняя каждую из камер всего по одной, как у рулевой камеры РД-107. Для этого достаочно установить рулевые приводы под 45 градусов к плоскости, проходящей через обе камеры, и под 90 друг к другу при этом. Синфазное отклонение будет давать момент по тангажу, дифференциальное - по рысканию. Для управления по крену камеры придётся двигать несинхронно. Это не очень удобно, но, при наличии БЦВМ, проблемы не представляет. Можно ещё добавить воздушные рули для управления по крену, когда скоростной напор достаточен для этого.

[O_P]

Еще вопрос, и сорри если не по теме...
А можно ли в двигателе добиться такого теплового баланса, чтобы криогенные компоненты топлива, путь те же ЖК и ЖМ в рубашке охлаждения КС и сопла газифицировались и подавались в смесительную головку уже газообразными? И как такой режим повлияет на УИ? Есть ли в этом смысл?

Заранее спасибо!

[Андрей Суворов]

Еще вопрос, и сорри если не по теме...
А можно ли в двигателе добиться такого теплового баланса, чтобы криогенные компоненты топлива, путь те же ЖК и ЖМ в рубашке охлаждения КС и сопла газифицировались и подавались в смесительную головку уже газообразными?

Можно.

И как такой режим повлияет на УИ? Есть ли в этом смысл?

Вообще говоря - никак. УИ зависит от начального состояния. Т.е. если ракету заправлять переохлаждённым ЖК, то теоретически УИ понижается, по сравнению с "обычным", кипящим, при условии, что двигатель рассчитан на изменение входной температуры и плотности.

Смысл же может быть в том, что размеры КС при этом уменьшатся, по сравнению с подачей жидких компонентов. Раза в полтора можно сэкономить объём при том же давлении в КС.

Но заморачиваться с этим вряд ли кто будет. Потому что охлаждать газообразными компонентами очень тяжело, только с водородом этот фокус проходит безболезненно. Т.е. на выходе из рубашки компоненты должны быть ещё жидкими, потом их нужно загонять в теплообменник (его можно сделать, например, "вторым слоем" на КС, и там уже газифицировать.

Заранее спасибо!

не за что.

[O_P]

Смысл же может быть в том, что размеры КС при этом уменьшатся, по сравнению с подачей жидких компонентов. Раза в полтора можно сэкономить объём при том же давлении в КС.

Но заморачиваться с этим вряд ли кто будет. Потому что охлаждать газообразными компонентами очень тяжело, только с водородом этот фокус проходит безболезненно. Т.е. на выходе из рубашки компоненты должны быть ещё жидкими, потом их нужно загонять в теплообменник (его можно сделать, например, "вторым слоем" на КС, и там уже газифицировать.

Если мне не изменяет память, то обычно испарительное охлаждение более эффективно. То есть если теплота от стенок КС отводиться не только теплоемкостью носителя (компоненотов в рубашке) но и тратиться на парообразование (газификацию) то вроде как нужно меньше теплоносителя. Может ли это быть выгодным при малых массовых расходах и высокой температуре в КС, скажем тогда когда просто теплоемкости топлива или окислителя не хватает для отвода тепла?
Да и уменьшение размеров камеры ведет в снижению массы двигателя...и вероятно к его массовому совершенству...

Плюс смешивание газообразный компонентов можно сделать эффективнее чем жидких. (если не ошибаюсь).
Да и еще такие вещи как распространение разных пульсаций в жидкости от систем питания двигателя будет снижено наличием так сказать "газового" буфера..

Или я туплю? Или над этим можно таки подумать?
Спасибо.

[Андрей Суворов]

Смысл же может быть в том, что размеры КС при этом уменьшатся, по сравнению с подачей жидких компонентов. Раза в полтора можно сэкономить объём при том же давлении в КС.

Но заморачиваться с этим вряд ли кто будет. Потому что охлаждать газообразными компонентами очень тяжело, только с водородом этот фокус проходит безболезненно. Т.е. на выходе из рубашки компоненты должны быть ещё жидкими, потом их нужно загонять в теплообменник (его можно сделать, например, "вторым слоем" на КС, и там уже газифицировать.

Если мне не изменяет память, то обычно испарительное охлаждение более эффективно.

Испарительное - эффективно. Там, где есть чему испаряться. А вот если случится такое, что компонент в каком-то месте испарится ВЕСЬ, тут же стенка и прогорит. За секунду или меньше. Тепловой поток в стенку таков, что перепад температур на одном миллиметре меди - сто градусов! На стальной стенке - семьсот!

И, потом, газовые пузыри (если компонент находится под давлением меньше критического и есть чёткая граница между жидкостью и газом) сильно увеличивают гидросопротивление тракта. Т.е. если где-то, в каком-то из каналов охлаждения возник газовый пузырь, целиком закрывший канал, то жидкость тут же встанет. Потому что пойдёт в обход, через другие каналы, где пузыри ещё не весь просвет закрыли.

То есть если теплота от стенок КС отводиться не только теплоемкостью носителя (компоненотов в рубашке) но и тратиться на парообразование (газификацию) то вроде как нужно меньше теплоносителя. Может ли это быть выгодным при малых массовых расходах и высокой температуре в КС, скажем тогда когда просто теплоемкости топлива или окислителя не хватает для отвода тепла?

Двухфазность очень сильно мешает конструкторам и съедает всю пользу от этого - небольшое пузыреобразование допустимо, но именно небольшое, а каналы и так тонкие (примерно 0,5-1 мм).

Да и уменьшение размеров камеры ведет в снижению массы двигателя...и вероятно к его массовому совершенству...

Ну, вторичный теплообменник или газогенератор съест опять же весь выигрыш.

Плюс смешивание газообразный компонентов можно сделать эффективнее чем жидких. (если не ошибаюсь).
Да и еще такие вещи как распространение разных пульсаций в жидкости от систем питания двигателя будет снижено наличием так сказать "газового" буфера..

Или я туплю? Или над этим можно таки подумать?
Спасибо.

Наоборот, установка нескольких "дальнобойных" форсунок, которые обладают намеренно худшим распылом, по сравнению с остальными форсунками в ФГ, повышает устойчивость к ВЧ колебаниям. Струи жидкости служат "завесами", мещающими распространению акустической волны в КС. В пределе вперёд выдвигается часть форсунок.

Конструкторы ЖРД пытаются избежать двухфазности везде, где можно.

[O_P]

В порядке полета фантазии нарисовал такую ракету -



Ракета для вывода на орбиту Cubic Sat ов.  
Стартовая масса порядка 300 кг. Ракета крылатая, стартует под углом к горизонту. Двигатель первой ступени смесь ЖРД(с кольцевым соплом и центральным телом и с ТНА) и Воздушного прямоточника.
В головном обтекателе - бак для топлива - которое через форсунки начинает выпрыскиваться при достижении скорость больше скорости звука. (задумывалось как для снижения лобового сопротивления так и для питания прямоточника.

Первая ступень работает до высот порядка 70 км (но это так с потолка). Потом отделение первой ступени и сброс бака-обтекателя. Вероятно балистическая пауза и включение второй ступени на обычном ЖРД.

Управление первой ступени аэродинамическое.

Задумывалась как средство выведения кубик сатов. (масса ПН - 1-3 кг.)

Не полный бред? Как вы считаете?

[hcube]

Я бы не усложнял :-) Сделал один метан-кислородный движок тонны на три тяги. На первой ступени - три таких, с качанием в одной плоскости каждого, на второй - один, качание в 2 плоскостях, плюс управление по крену отводом газа, плюс сопловой насадок.

Возражение относительно испарительной системы принимается. Однако... нельзя подобрать такой профиль канала, чтобы топливо равномерно кипело по всей поверхности? Т.е. вместо трубчатой рубашки охлаждения сделать кипятильник? Например, сделать 'параллельную' рубашку с отводом именно газа? Т.е. много мелких камер, подпитываемых жидкими компонентами, и от них - отвод газовых каналов. Примерно, газ имеет объем в 5-10 раз больше, чем жидкий компонент. Вопрос в том, как обеспечить равномерную запитку жидким компонентом - но это можно сделать, установив 'ловушки' для пузырей, которые будут направлять газовую фазу по другому пути, нежели подача жидкой. Т.е. по внутренней рубашке сопло заливается жидкой фазой, та кипит, и по внешней рубашке (точнее, системе газоотводных каналов) газ отводится.

[Nikola]

зражение относительно испарительной системы принимается. Однако... нельзя подобрать такой профиль канала, чтобы топливо равномерно кипело по всей поверхности?

Легче загнать компонент в сверхкритическое состояние и не морочить себе одно место...

[hcube]

Ага, то есть до 500 атмосфер поднять состояние? Не уверен, что это хорошая идея. Кроме того, пропадает простота работы именно парового механизма - который отводит при испарении тепло. Если состояние закритическое - то и при испарении отвода тепла никакого не будет.

Ну, и 500 атмосфер - это как-то немножко высокое давление для любительской ракеты. 50 - туда-сюда, 200 - уже перебор.

[Nikola]

Ага, то есть до 500 атмосфер поднять состояние? Не уверен, что это хорошая идея.

У Вас ракета на воде летает? . Достаточно ~50 атм (кислород-метан-пропан) что вполне приемлимо.  

роме того, пропадает простота работы именно парового механизма - который отводит при испарении тепло. Если состояние закритическое - то и при испарении отвода тепла никакого не будет.

Никакого "парового" механизма нет. Есть разница энтальпий для рабочего тела и она не зависит от пути как греть рабочее тело (с кипячением или нет).
ЗЫ: Можно конечно и испарительную систему сделать, благо прототипы имеются, но прийдется помучатся...

[hcube]

Угу. Только надо сильно перегреть - нам, условно говоря, надо получить 50 атмосфер И газовую фазу. Для этого надо обеспечить 300К и СТО атмосфер. Это - масса сопла, масса насосов... в общем, IMHO - проще сделать адекватный кипятильник. Паровые котлы наземные почему-то делают в расчете на обычный пар, а не на сверхкритический :-).

[O_P]

Я бы не усложнял :-) Сделал один метан-кислородный движок тонны на три тяги. На первой ступени - три таких, с качанием в одной плоскости каждого, на второй - один, качание в 2 плоскостях, плюс управление по крену отводом газа, плюс сопловой насадок.

То есть движок на 3 тонны. Ладно, а на какое давление? с ТНА? Какая схема движка? Какое сопло?

[Nikola]

Угу. Только надо сильно перегреть - нам, условно говоря, надо получить 50 атмосфер И газовую фазу. Для этого надо обеспечить 300К и СТО атмосфер. Это - масса сопла, масса насосов... в общем, IMHO - проще сделать адекватный кипятильник. Паровые котлы наземные почему-то делают в расчете на обычный пар, а не на сверхкритический .

Что-то я совсем потерялся. Что вы греть собираетесь? и до каких параметров? А когда определитесь возьмите схему обычного котла на сверхкритический пар и сделайте также (ну или почти также ).

[hcube]

Обычный водотрубный котел не пойдет. Потому как тепло у нас - побочное, от охлаждения стенки сопла. Это должен скорее быть некий специфический огнетрубный котел.

Схема работы движка следующая - используется насосная подача замкнутой паровой схемы. Т.е. компонент при низком давлении попадает в насос, сжимается, идет в рубашку КС. Там испаряется при постоянном давлении, проходит через дроссель и идет в приводной цилиндр насоса. Теряет на нем порядка 20% давления и идет далее в КС в газовой фазе. Контуров нагрева-накачки - два, для горючего и окислителя отдельно, смешиваются они только в КС.

[Nikola]

компонент при низком давлении попадает в насос, сжимается, идет в рубашку КС. Там испаряется при постоянном давлении, проходит через дроссель и идет в приводной цилиндр насоса. Теряет на нем порядка 20% давления и идет далее в КС в газовой фазе. Контуров нагрева-накачки - два, для горючего и окислителя отдельно, смешиваются они только в КС.

А если греть только один компонент?
Можно сделать так: насосом с бака поднимаем давление до сверхкритического, нагреваем газ в теплообменнике, пускаем газ на привод насоса и потом в КС. Зачем дроссель?
Тоже самое можно организовать и без сверхкритического режима, надо только почитать как это сделано в большой энергетике и творчески применить к теплообменнику. А насос поршневой что ли?

[hcube]

Можно, но нафига? Так компоненты нигде не пересекаются, можно сделать насос со смазкой стенки/уплотнением жидкой фазой компонента - он будет вечным. А так придется делать уплотнение, чтобы не бабахнуло (с):-) Я лично вижу ту основную проблему, что надо в этой схеме ВЕСЬ компонент газифицировать. Надо посчитать, достаточен ли для этого тепловой поток через стенку КС. Если нет - придется делать комбинированную КС, с форсунками на жидкую И газообразную фазу - вероятно по центру газ, по периферии жидкость, для звесного охлаждения КС.

Дроссель нужен для регулировки коэфициента усиления цепи насос - кипятильник - насос. Т.е. стартовать этот паровой двигатель может на любом давлении, даже на давлении наддува бака, а по мере роста давления в кипятильнике может расти давление подачи В кипятильник. Т.е. не нужна схема запуска двигателя сразу на высоком давлении - достаточно 2-3 атмосферы и электроподжиг в КС, а дальше оно само 'разгонится' от стартового прогревочного режима.

Насос да, поршневой, с разным диаметром поршней - подающий раза в 3 меньше рабочего, и фаза разная - в подающем жидкость, в рабочем - газ.

Кстати говоря, можно попробовать изобразить в качестве прототипа паровую машину на этом принципе :-) Т.е. тепло внешнее, закачивается вода, сбрасывается пар высокого давления. Ну, или вода высокого давления ДО кипятильника.