Надежный кислород-керосиновый двигатель.

[RadioactiveRainbow]

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?

[hecata]

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).

[RadioactiveRainbow]

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.

[RadioactiveRainbow]

на 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.

[Дмитрий В.]

В 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?

[Дмитрий В.]

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.

А RS-68?

[RadioactiveRainbow]

Увеличением толщины огневой стенки? А не получится обратного эффекта из-за роста теплового сопротивления?

Я говорил про абляционное охлаждение, а не регенеративное

[Дмитрий В.]

Увеличением толщины огневой стенки? А не получится обратного эффекта из-за роста теплового сопротивления?

Я говорил про абляционное охлаждение, а не регенеративное

А, понял :oops:

[Monoceros]

Если всего 10атм то может быть вообще радиационного охлаждени хватит?

[hecata]

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.

Согласен. Хотя от размеров гораздо сильнее зависит, чем от давления.

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.

А абляцию считали? Насчет прогара - так речь идет о полном цикле, с ОСИ?

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.

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.

Программа 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.

Давление окр среды - менее 1/3 атмосферы, что соответствует высоте около 10 км.

Это как это? Старт с баллона что ли?

А 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

Если 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.

[avmich]

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.

[Петр Зайцев]

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.

[Fakir]

на 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?

[RadioactiveRainbow]

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.

[Гость 22]

камеру - 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.

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?

Проточное охлаждение потоком компонента между огневой и средней днищами. Использовать цетробежные форсунки.

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.

Да уж... Рванет ведь, если все же будут...

Так 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.

[Гость 22]

на 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).

[Гость 22]

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.

А RS-68?

Был еще MC-1 для X-34. До эксплуатации, конечно, не дошли, но на стенде успешно гоняли.

[чайник17]

А подачу поршневым насосом рассматривали?
Для двигателей подобной тяги, это вроде модно  

Серьёзные дяди из ULA интересуются:

http://www.xcor.com/press-releases/2010/10-06-08_ULA_and_XCOR_announce_successful_hydrogen_pumping_tests.html

[чайник17]

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.

[RadioactiveRainbow]

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