Сверхмалая криогенная РН - технические вопросы.

[O_P]

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.

А если ввести промежуточное рабочее тело - например водород. То есть в рубашке охлаждения греем газообразный водород который там под давлением, потом он нагретый крутит турбину в ТНА и расширяется после турбины проходит сквозь ТНА (то есть ТНА является и теплообменником между водородом и компонентами) потом водород сжимается насосом и отправляется обратно в рубашку.

При подборе параметров мощности ТНА и теплового потока в стенки наверно можно сделать такую замкнутую систему. Только ИМХО так будет ограничения по давлению в КС. Но для камер невысокого давления может сработать....

[Татарин]

А если ввести промежуточное рабочее тело - например водород. То есть в рубашке охлаждения греем газообразный водород который там под давлением, потом он нагретый крутит турбину в ТНА и расширяется после турбины проходит сквозь ТНА (то есть ТНА является и теплообменником между водородом и компонентами) потом водород сжимается насосом и отправляется обратно в рубашку.

При подборе параметров мощности ТНА и теплового потока в стенки наверно можно сделать такую замкнутую систему. Только ИМХО так будет ограничения по давлению в КС. Но для камер невысокого давления может сработать....

Это требует введения как минимум насоса+теплообменника (для охлаждения после сжатия), плюс водородной системы под большим давлением (иначе не обеспечишь нужный теплоотвод). Вообще же, обращение с водородом при давлении несколько сот атмосфер и температуре порядка сотен Цельсия - технологически весьма интересная операция. И всё это для сверхмалой ракеты?

И вообще... нужно иметь водород под ОЧЕНЬ большим давлением, чтобы превзойти по эффективности теплообменник с отбором тепла со сменой фазы. За что боролись?

[hcube]

Ага, и еще ТНА. От которого как раз хочется уйти, бе несколько цилиндров насоса - совсем не то же, что ТНА.

Есть вопрос. В схеме с кипячением есть проблема - для устойчивой работы двигателя рабочее тело должно полностью газифицироваться (либо же двигатель должен работать при разном соотношении газовой и жидкой фаз топлива/окислителя - это лучше, потому что обеспечивает устойчивость работы охлаждающей системы, но сложнее по конструкции)

В каких пределах меняется при смене давления в КС тепловой поток в стенку? Т.е. как можно 'завязать' движок, чтобы он устойчиво 'кипел и булькал' от минимальной до номинальной тяги?

[O_P]

Это требует введения как минимум насоса+теплообменника (для охлаждения после сжатия), плюс водородной системы под большим давлением (иначе не обеспечишь нужный теплоотвод). Вообще же, обращение с водородом при давлении несколько сот атмосфер и температуре порядка сотен Цельсия - технологически весьма интересная операция. И всё это для сверхмалой ракеты?

Пока нет цифр, судить сложно. Я читал в одной из книжек про любительские ЖРД, что теплопоток в стенку КС порядка 500 джоулей в секунду на квадратный сантиметр(если я правильно перевел).  И сколько нужно водорода прогонять рядом с сантиметром стенки что бы водород оставался в температурных рамках между температурой на турбине и температурой крио-компонентов. Так ли нужны сотни атмосфер?
Собственно нам нужно снять ровно столько энергии сколько нужно для ТНА. Остальное можно отводить классически - компонентами...


А вообще для небольших ракет наверно все-же проще использовать вытеснительную подачу или пневмонасос совмесно с вытесниловкой..

[Татарин]

Пока нет цифр, судить сложно. Я читал в одной из книжек про любительские ЖРД, что теплопоток в стенку КС порядка 500 джоулей в секунду на квадратный сантиметр.

14Дж/моль*К. Закон Авогадро - помнишь? Один моль любого газа при н.у. - 22.4 литра (22400см3). Пусть мы нагреваем на 500К, 7кДж/моль, 0.1Дж/см3 при 600С (это именно ГРУБАЯ прикидка, интересен порядок).
Для отвода 500Вт тебе нужно прогонять "через" площадку виртуального теплообменника газ при 1атм со скоростью 50м/с, при условии, что он сумеет нагреться за время 200мкс на 500К. Тебе не кажется такое требование... немного нереальным?
Или тут нужны ещё цифры?

А вообще для небольших ракет наверно все-же проще использовать вытеснительную подачу или пневмонасос совмесно с вытесниловкой..

Конечно.

BTW, я в граде стольном. Пересечёмся?

[Fakir]

А если ввести промежуточное рабочее тело - например водород. То есть в рубашке охлаждения греем газообразный водород который там под давлением, потом он нагретый крутит турбину в ТНА и расширяется после турбины проходит сквозь ТНА (то есть ТНА является и теплообменником между водородом и компонентами) потом водород сжимается насосом и отправляется обратно в рубашку.

Есть такой (вернее, сходный) проект безгенераторного ЖРД от Центра Келдыша, лет пять уже.
В качестве промежуточного нерасходуемого теплоносителя - вода. Она охлаждает КС и сопло, и в теплообменнике передаёт тепло ЖК, к-й испаряется и крутит ТНА.


Хотя для малых любительских движков возможны и куда более извращённые схемы.

[Nikola]

14Дж/моль*К. Закон Авогадро - помнишь? Один моль любого газа при н.у. - 22.4 литра (22400см3). Пусть мы нагреваем на 500К, 7кДж/моль, 0.1Дж/см3 при 600С (это именно ГРУБАЯ прикидка, интересен порядок).
Для отвода 500Вт тебе нужно прогонять "через" площадку виртуального теплообменника газ при 1атм со скоростью 50м/с, при условии, что он сумеет нагреться за время 200мкс на 500К. Тебе не кажется такое требование... немного нереальным?  
Или тут нужны ещё цифры?

Ну и что эти цифры показывают?

В качестве промежуточного нерасходуемого теплоносителя - вода. Она охлаждает КС и сопло, и в теплообменнике передаёт тепло ЖК, к-й испаряется и крутит ТНА.

Ужас какой . А вода при контакте с ЖК не замерзнет случайно? И с чего бы пар под давлением наддува крутил ТНА? Насос однако нужен.

[Fakir]

Ужас какой . А вода при контакте с ЖК не замерзнет случайно?

Мужики из 1-го отделения Центра Келдыша (бывш. НИИ Тепловых Процессов, головной НИИ Роскосмоса по движкам), наверное, это просчитали, как вы думаете?

И с чего бы пар под давлением наддува крутил ТНА? Насос однако нужен.

А с чего бы в RL-10 водородный пар крутил ТНА "под давлением наддува"?  :lol:

И как вообще в газогенераторе еще Фау-2 перекись "под давлением наддува" ухитрялась крутить ТНА?  :lol:

[Nikola]

Мужики из 1-го отделения Центра Келдыша (бывш. НИИ Тепловых Процессов, головной НИИ Роскосмоса по движкам), наверное, это просчитали, как вы думаете?

Может и посчитали, но вода при контакте с ЖК замерзает, а значит при пуске будет упс. И теплообменник не будет стабильно работать а будет выдавать бешенные броски давления. Это тоже факт. Мож на суперкомпьютере считали?

А с чего бы в RL-10 водородный пар крутил ТНА "под давлением наддува"?  

И как вообще в газогенераторе еще Фау-2 перекись "под давлением наддува" ухитрялась крутить ТНА?

Ну наверно там стоял насос, поднимающий давление от давления наддува до рабочего давления ТНА. Так? Где же он в водяном двигателе?

[avmich]

Мужики из 1-го отделения Центра Келдыша (бывш. НИИ Тепловых Процессов, головной НИИ Роскосмоса по движкам), наверное, это просчитали, как вы думаете?

Может и посчитали, но вода при контакте с ЖК замерзает

А, скажем, медь при контакте с газами в камере сгорания при температуре, например, 3000 К - не плавится ли?

А с чего бы в RL-10 водородный пар крутил ТНА "под давлением наддува"?  

И как вообще в газогенераторе еще Фау-2 перекись "под давлением наддува" ухитрялась крутить ТНА?

Ну наверно там стоял насос, поднимающий давление от давления наддува до рабочего давления ТНА. Так? Где же он в водяном двигателе?

А там не было давления наддува, достаточного для кручения ТНА? Перекиси-то для ТНА надо немного, сделать небольшой бак на высокое давление вполне можно.

[O_P]

14Дж/моль*К. Закон Авогадро - помнишь? Один моль любого газа при н.у. - 22.4 литра (22400см3). Пусть мы нагреваем на 500К, 7кДж/моль, 0.1Дж/см3 при 600С (это именно ГРУБАЯ прикидка, интересен порядок).
Для отвода 500Вт тебе нужно прогонять "через" площадку виртуального теплообменника газ при 1атм со скоростью 50м/с, при условии, что он сумеет нагреться за время 200мкс на 500К. Тебе не кажется такое требование... немного нереальным?
Или тут нужны ещё цифры?

Я помню. И да еще нужны цифры и много.
1 см квадратный стенки камеры не означает что у теплообменника водорода со стенкой будет тоже площадь 1 см, ее легко сделать и 4 и 5 сантиметров. Во вторых я не писал что давление 1 атмосфера, давление видимо должно быть сравнимым с давлением в КС.
Как точно все будет работать надо считать, нужны точная конструкция стенки и теплообменниеа в ней (форма каналов), нужны данные по теплопроводности водорода при разных давлениях и температуре, нужны данные по теплопроводности материалов стенки и теплообменника (скорее всего медь).

Я грубо прикидывал и если не ошибся, то при 1 атмосфере надо за секунду прогнать через теплообменник 1 квадратного сантиметра камеры порядка 500 кубических сантиметров водорода. повторюсь был очень грубый прикид, точно надо много считать.(то есть при объеме теплообменника скажем 0.15 кубиков скорость прогона будет морядка 33 метров в секунду - вполне нормальная скорость). При теплопроводности водорода 0.18 ватт/м*К, И перепаде скажем не болше 100 градусов, нам нужно толщина слоя водорода 0.036 метра то есть 36 миллиметров, а толщина каналов в стенке порядка миллиметра (то есть растояние до центра потока водорода  порядка пол миллиметра), так что с вопросом успеет ли нагреться водород проблем видимо нет. Если я не ошибся конечно. И еще учтем что у нас давление по крайней мере 10 атмосфер...(наверно)

Но это так мысли в слух...

[O_P]

Мужики из 1-го отделения Центра Келдыша (бывш. НИИ Тепловых Процессов, головной НИИ Роскосмоса по движкам), наверное, это просчитали, как вы думаете?

Может и посчитали, но вода при контакте с ЖК замерзает, а значит при пуске будет упс. И теплообменник не будет стабильно работать а будет выдавать бешенные броски давления. Это тоже факт. Мож на суперкомпьютере считали?

Все зависит от того, сколько жидкого кислорода и сколько воды. Теплоемкость воды большая, и если она горячая, то надо будет много ЖК что бы ее заморозить. Мы бросали пластиковые бутылки с жидким азотом в воду. И знаете что? Вода не замерзала, а вот азот практически мгновенно испарялся с очень прикольным взрывом.  :wink:

[Nikola]

А, скажем, медь при контакте с газами в камере сгорания при температуре, например, 3000 К - не плавится ли?

Плавится.... Далее что?

А там не было давления наддува, достаточного для кручения ТНА? Перекиси-то для ТНА надо немного, сделать небольшой бак на высокое давление вполне можно.

Жидкость практически несжимаема, поэтому ее надо либо давить газом либо в случае перекиси разлагать. Дла перекиси "насосом", в некотором смысле, является генератор давления.

1 см квадратный стенки камеры не означает что у теплообменника водорода со стенкой будет тоже площадь 1 см

Собственно и я о том же. Кстати для кипения на фитиле и 10:5 Вт/м2 можно получить.

Все зависит от того, сколько жидкого кислорода и сколько воды. Теплоемкость воды большая, и если она горячая, то надо будет много ЖК что бы ее заморозить. Мы бросали пластиковые бутылки с жидким азотом в воду. И знаете что? Вода не замерзала, а вот азот практически мгновенно испарялся с очень прикольным взрывом.

Дело не в теплоемкостях. Слишком большая разница температур, тепловой поток будет всяко больше критического, это дает скачки давления в низкокипящей жидкости (десятки атмосфер в легкую ) и теплообменник лопается как гнилой помидор. Но это цветочки по сравнению с пусковым режимом. При пуске либо теплообменник лопнет, либо вода в нем замерзнет, и он опять же лопнет. Случай соответствует некоемому гипотетическому водно(жидкость)-чугунному(жидкость) теплообменнику.
ЗЫ: В баклажке азот мгновенно не испаряется,есть 1-5 мин, лопается она при ~20 атм (точность до Пи ). Злые работники автогенных подобные баклажки (с кислородом) забрасывали начальству в окна. Совсем злые лили азот в толстое стекло (знаю, знаю это нарушает конвенцию ). Добрые глушили рыбу системой огнетушитель+углекислота .

[O_P]

1 см квадратный стенки камеры не означает что у теплообменника водорода со стенкой будет тоже площадь 1 см

Собственно и я о том же. Кстати для кипения на фитиле и 10:5 Вт/м2 можно получить.

Про фитиль не совсем понял. А про площадь теплообменника то вот пример -

Продукция ULTRAMET... например....

Дело не в теплоемкостях. Слишком большая разница температур, тепловой поток будет всяко больше критического, это дает скачки давления в низкокипящей жидкости (десятки атмосфер в легкую ) и теплообменник лопается как гнилой помидор.

Будет или не будет зависит от конструкции. Вон у крупных движков в области критического сечение тепловой поток может быть и 7 киловатт в секунду на квадратный сантиметр, и ничего низкокипящие жидкости в рубашке вполне справляются.... Всегда можно выйти из положения - и снизить тепловой поток внутри низкокипящей жидкости до приемлемого уровня все дело в конструкции конкретного теплообменника...

ЗЫ: В баклажке азот мгновенно не испаряется,есть 1-5 мин, лопается она при ~20 атм (точность до Пи ).

Примерно так и делали, это очень наглядный для студентов пример разницы в теплопроводности воздуха и воды - бутылка с жидким азотом. На воздухе она взрывается примерно через минуту две, а при бросании в фонтан (или лужу) взрыв практически мгновенен.

[Nikola]

Таки нашелся волшебный  криогенный насос на ЖРД. Называется паро-жидкостный инжектор. Питается горячим газом и холодной жидкостью, на выходе теплая жидкость. Давление на выходе БОЛЬШЕ давления любого компонента на входе. Легкий и простой как валенок. Мне был продемонстрирован как главный насос на парогенератор (10 атм). В ЖРД инжектор можно запитать горячим сжатым паром криоагента, либо если совсем лениво проковырять дырку где нибуть в сопле? КС? и отбирать газ непосредственно оттуда.

[FRC]

Штуцер пишет:
 

Filas пишет:
 

12Х18Н10Т крутит при нагревании, не надо показывать полную безграмотность, вот уж нержавейка точно не пойдет. Кстати, насчет координатных станков, у меня на производстве их три, приезжайте, проведу экскурсию, что и как на них можно делать, а что нельзя



Добры день.
Можно будет в случае необходимости обратиться по координатникам?

[FRC]

В начале темы говорилось про простоту, а все закончилось турбиной и кислородом.

Я далеко не специалист в ракетостроении, но поскольку тема создания ракеты силами частной группы/организации для меня актуальна, есть мнение, что задачу можно решить исключительно использованием самонаддувнвных компонентов. В этом плане закись и этан вполне подходят. Ну или хотя бы один из компонентов (окислитель) должен быть самонаддувным.
Естественно, такой двигатель не будет иметь рекордных характеристик и в космос вряд ли что-то забросит, но как метеоракета вполне пойдет.
Кроме того, не понятно, зачем нужна охлаждаемая КС на таком аппарате? Есть свододно доступные УУКМ, из которых можно сделать КС. Стоит 600 баксов/кг. Разгар критики вполне допустим, если не гнаться за совершенством. Оно в частном исполнении труднодостижимо.
Или вообще применить абляционную защиту КС.

Мы опыты с ЖРД отодвинули на лето 2011 года. Надо сначала с первой ракетой разобраться (на гибриднике которая). Думаю до нового года запустим на не полной заправке.

Вообще, частники ограничены как финансами, так и размерами оборудования. Это основное.
Да и технический вопрос, как показала практика, не самый сложный.

[Monoceros]

В начале темы говорилось про простоту, а все закончилось турбиной и кислородом.

Тема называется "Сверхмалая криогенная РН - технические вопросы."

[SpaceR]

есть мнение, что задачу можно решить исключительно использованием самонаддувнвных компонентов. В этом плане закись и этан вполне подходят. Ну или хотя бы один из компонентов (окислитель) должен быть самонаддувным.
Естественно, такой двигатель не будет иметь рекордных характеристик и в космос вряд ли что-то забросит, но как метеоракета вполне пойдет.

Само собой. Но безудержный полёт форумных мыслей так просто не удержать...  

не понятно, зачем нужна охлаждаемая КС на таком аппарате? Есть свододно доступные УУКМ, из которых можно сделать КС. Стоит 600 баксов/кг. Разгар критики вполне допустим, если не гнаться за совершенством. Оно в частном исполнении труднодостижимо.
Или вообще применить абляционную защиту КС.

Эта идея, кстати, тоже к ним относится (имхо). Не так уж и просто сделать надёжно работающую КС из УУКМ или абляции... Пример Маска на мысль не наводит?
Основные проблемы, подозреваю, будут в устойчивости качества укладки/намотки слоев, и решение этой проблемы может вылиться в такую мороку, что "600 баксов/кг" окажутся детским лепетом.
(хотя хотелось бы, чтобы я ошибся. честно.)

Мы опыты с ЖРД отодвинули на лето 2011 года. Надо сначала с первой ракетой разобраться (на гибриднике которая). Думаю до нового года запустим на не полной заправке.

Вообще, частники ограничены как финансами, так и размерами оборудования. Это основное.
Да и технический вопрос, как показала практика, не самый сложный.

Ну это просто потому, что до настоящих технических вопросов просто еще не добрались...
Но дорогу осилит идущий. Так что искренне желаю удачи.

[Monoceros]

Не так уж и просто сделать надёжно работающую КС из УУКМ или абляции... Пример Маска на мысль не наводит?
Основные проблемы, подозреваю, будут в устойчивости качества укладки/намотки слоев, и решение этой проблемы может вылиться в такую мороку, что "600 баксов/кг" окажутся детским лепетом.

Считается, что при использовании материалов с температурой плавления (сублимации) выше температуры продуктов сгорания топлива основной причиной разгара критического сечения является химическая эрозия. Углерод реагирует с водой и CO2, которых в продуктах сгорания твердого топлива почти нет, поэтому там и применяют УУКМ и фенольные смолы. У перекиси-керосина наоборот, весь выхлоп = вода + CO2, кс имхо прогорит в момент.
У закиси-этан выхлоп инертнее, но там других проблем полно. Например, бешеная температура и дохлое число циолковского (при скромном уи).