Ракета-носитель на вытеснительной подаче, почему бы нет?

[Комодский Варан]

Посчитал я на досуге 3-х ступенчатую РН на вытеснительной подаче (ЖК + керосин). Вот что получилось:

Масса ПН: 10 тонн.

3 ступень:
Масса пустой: 2.6 тонны
Масса заправленной: 26 тонн
Итого: 36 тонн
УИ: 327 сек.
deltaV=3368 м/с

2 ступень:
Масса пустой: 9.4 тонн
Масса заправленной: 94 тонн
Итого: 130 тонн
УИ: 325 сек
deltaV=3347 м/с

1 ступень:
Масса пустой: 34 тонны
Масса заправленной: 340 тонн
Итого: 470 тонн
УИ (средний): 280 сек
deltaV=2892 м/с

Суммарное deltaV=9607 м/с.
Процент массы ПН от массы РН=2.13% (У РН Союз-ФГ 2.28%)
Массовое совершенство и УИ я брал, исходя из данных 2-й ступени РН Falcon-1 (она тоже на вытеснительной подаче и топливной паре RP-1/ЖК):
http://www.spacelaunchreport.com/falcon.html

Почему ещё не начали строить модульные РН на вытеснительной подаче? Избавляемся от сложных ЖРД с ТНА и регенеративным охлаждением.
Делаем ЖРД с абляционным охлаждением, давление в КС около 9 атмосфер.
Сколько там на двигателях сэкономим?

[Дмитрий В.]

Оптимистичные  у Вас циферки. На 1-й ступени УИ пониже будет

[Комодский Варан]

Дмитрий В. пишет:
Оптимистичные у Вас циферки. На 1-й ступени УИ пониже будет

Посчитал в программе:

Давление в КС: 9 атмосфер, на срезе сопла 1 атм.
Соотношение кислород/керосин: 2.3/1 (программа выдаёт наибольший УИ при этом значении).

Как видно из картинки ниже, реальный УИ на 15 сек. меньше теоритического: 




График изменения теоретического УИ в зависимости от высоты:




Если учесть, что большую часть своей deltaV 1-я ступень тратит на большой высоте, с "хорошим" УИ, то средний теоритический УИ будет равен где-то около 265 сек, реальный = 250 сек.

Соответственно deltaV 1-й ступени будет 2582 м/с, а всей РН=9297 м/с. 
При хорошей тяговооружённости, думаю этого хватит для выхода на НОО.

[Сергей Капустин]

Дмитрий В.,а если вытеснять гелием, то можно  попутно повысить У.И. за счет снижения средней молекулярной массы выхлопа. толку особо не будет, но если уж приспичило использовать вытесниловку, почему не помочь?

http://engjournal.ru/articles/697/html/files/assets/basic-html/page7.html

14% от секундного расхода топлива = + 14 у.и.  можно организовать, или совсем зря? допустим, подавать из навесного бака на старте, а дальше при подъеме сбрасывать.
можно сопло им охлаждать, перед подачей в бак для создания давления. глядишь меньше гелия понадобится.

[Сергей]

Комодский Варан пишет:
Посчитал я на досуге 3-х ступенчатую РН на вытеснительной подаче (ЖК + керосин). Вот что получилось:

Некоторые вопросы и замечания. Коэффициент массового совершенства Кс= сухая масса/заправленная масса ступени везде 0,1 , так не бывает - на первой меньше, на третьей больше. Чем наддуваются баки, учтена ли масса газов наддува в расчете?Не ясно какое давление наддува, учтено ли утяжеление баков с ростом давления наддува? Сопло из УУКМ - нет проблем, чем охлаждается КС? Не ясно , что будет с УИ и для высотных ступеней, скорость химических реакций зависит от давления, возможно будет неполное сгорание или придется удлинять КС. Ничего не имею против схемы с наддувом,тем более появились КМ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ, но хотелось бы иметь обоснованные цифры или реализованный, испытанный пример какой-нибудь первой ступени с конкретными цифрами .

[Комодский Варан]

Сергей Капустин пишет:
Дмитрий В. ,а если вытеснять гелием, то можно попутно повысить У.И. за счет снижения средней молекулярной массы выхлопа. толку особо не будет, но если уж приспичило использовать вытесниловку, почему не помочь?

 http://engjournal.ru/articles/697/html/files/assets/basic-html/page7.html

14% от секундного расхода топлива = + 14 у.и. можно организовать, или совсем зря? допустим, подавать из навесного бака на старте, а дальше при подъеме сбрасывать.
можно сопло им охлаждать, перед подачей в бак для создания давления. глядишь меньше гелия понадобится.

Да, это действительно работает!

УИ увеличивается на 14.79 сек при неизменном соотношении (2.3/1) кислород/смесь гелий + керосин;
Если изменить соотношение до оптимального для этой смеси (2.7/1), то УИ увеличится на 19.15 сек!

[Сергей Капустин]

Комодский Варан, конечно работает. помню видел где-то проекты двигателей, где водород нагревался химической реакцией, сам не сгорая. идеальный у.и. обещали под 450-480 вроде бы.. память подсказывает 500, но ОЧЕНЬ боюсь ошибиться.

вопрос в том, стоит ли овчинка выделки в вашем случае. тем более, гелий дорог.

[Комодский Варан]

Сергей пишет:

Комодский Варан пишет:
Посчитал я на досуге 3-х ступенчатую РН на вытеснительной подаче (ЖК + керосин). Вот что получилось:

Некоторые вопросы и замечания. Коэффициент массового совершенства Кс= сухая масса/заправленная масса ступени везде 0,1 , так не бывает - на первой меньше, на третьей больше. Чем наддуваются баки, учтена ли масса газов наддува в расчете?Не ясно какое давление наддува, учтено ли утяжеление баков с ростом давления наддува? Сопло из УУКМ - нет проблем, чем охлаждается КС? Не ясно , что будет с УИ и для высотных ступеней, скорость химических реакций зависит от давления, возможно будет неполное сгорание или придется удлинять КС. Ничего не имею против схемы с наддувом,тем более появились КМ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ, но хотелось бы иметь обоснованные цифры или реализованный, испытанный пример какой-нибудь первой ступени с конкретными цифрами .

Говорю же, примерные данные брал отсюда: http://www.spacelaunchreport.com/falcon.html

Если есть какие-то вопросы - это к мистеру Маску

[Комодский Варан]

Сергей Капустин пишет:
Комодский Варан , конечно работает. помню видел где-то проекты двигателей, где водород нагревался химической реакцией, сам не сгорая. идеальный у.и. обещали под 450-480 вроде бы.. память подсказывает 500, но ОЧЕНЬ боюсь ошибиться.

вопрос в том, стоит ли овчинка выделки в вашем случае. тем более, гелий дорог.

Боюсь, не стоит... У жидкого гелия плотность слишком низкая (130 кг/м3), примерно в 8 раз ниже, чем у пары керосин/кислород. Огромный объём баков с гелием (и, как следствие-низкое массовое совершенство) сведут на нет все плюсы увеличенного УИ. Да и инфраструктуру строить для жидкого гелия накладно будет...
Температура кипения - 4.2*K. Сложно его хранить будет...

[Сергей Капустин]

Комодский Варан, ну как-то его хранят в вытеснительных схемах. хотя конечно, слишком много его тут надо...


а чем вы вытеснять собрались?

[Комодский Варан]

Сергей Капустин пишет:
Комодский Варан , ну как-то его хранят в вытеснительных схемах. хотя конечно, слишком много его тут надо...


а чем вы вытеснять собрались?

Как раз гелием     

При вытеснительной подаче на 1 кубометр топлива (примерно тонна по массе) требуется 1.6 кг гелия (для давления 9 атм.). Если бы гелий кроме наддува использовался бы ещё и как примесь к топливу (14% по массе), то его требовалось бы 140 кг! Даже в сложноподдерживаемом жидком агрегатном состоянии он бы занимал 1 кубометр места. Кроме того, у него большая теплопроводность, и маленькая теплоёмкость. Поэтому баки должны быть сосудами дьюара, что ухудшит массовое совершенство ступени в разы. Поэтому хранят его как газ, хоть и с меньшей плотностью, чем у жидкости.

Хранят его в вытесняловке в шар баллонах в газообразном виде и с давлением 100-150 атмосфер. Соответственно гелий, необходимый для вытеснения 1 кубометра топлива занимает 60-90 литров.

[Сергей Капустин]

нет в жизни счастья!

[Kap]

Хотите вытесниловку - смотрите на метан, водород и автонаддув парами компонентов.

[Дмитрий В.]

Комодский Варан пишет:

Дмитрий В. пишет:
Оптимистичные у Вас циферки. На 1-й ступени УИ пониже будет

Посчитал в программе:

Давление в КС: 9 атмосфер, на срезе сопла 1 атм.
Соотношение кислород/керосин: 2.3/1 (программа выдаёт наибольший УИ при этом значении).

Как видно из картинки ниже, реальный УИ на 15 сек. меньше теоритического:

 


График изменения теоретического УИ в зависимости от высоты:

 


Если учесть, что большую часть своей deltaV 1-я ступень тратит на большой высоте, с "хорошим" УИ, то средний теоритический УИ будет равен где-то около 265 сек, реальный = 250 сек.

Соответственно deltaV 1-й ступени будет 2582 м/с, а всей РН=9297 м/с.
При хорошей тяговооружённости, думаю этого хватит для выхода на НОО.

Небольшое замечание: понятия "средний теоретический И", "среднетраекторный УИ" и т.п. в баллистике отсутствуют. Если Вы для оценок используете формулу Циолковского, то в неё надо подставлять исключительно пустотный УИ. Надеюсь, пояснять, почему, не требуется?

[Дмитрий В.]

Сергей Капустин пишет:
Дмитрий В. ,а если вытеснять гелием, то можно попутно повысить У.И. за счет снижения средней молекулярной массы выхлопа. толку особо не будет, но если уж приспичило использовать вытесниловку, почему не помочь?

 http://engjournal.ru/articles/697/html/files/assets/basic-html/page7.html

14% от секундного расхода топлива = + 14 у.и. можно организовать, или совсем зря? допустим, подавать из навесного бака на старте, а дальше при подъеме сбрасывать.
можно сопло им охлаждать, перед подачей в бак для создания давления. глядишь меньше гелия понадобится.

Толку не будет. Попадание газа наддува в КС недопустимо.

[Shestoper]

Если говорить про выведение на ГПО, привлекательно выглядит схема с двумя вытеснительными метановымм ступенями и третьей насосной водородной. Третья ступень хоть и сложнее технологически, но маленькая.
А мю ПН получается около 1,9-2%.

[Leonar]

а как с этим?

ВА-2 который

[Сергей]

Очень грубо прикинул(под рукой ни одного справочника) - тяговооруженность первой ступени ступени 1,3; 4 движка, тяга одного примерно 153 т, давление в КС 9 ата, диаметр критического сечения - 130 см, диаметр КС примерно от 2м. Сильно раздувается диаметр ступени, движков то 4.

[Комодский Варан]

Дмитрий В. пишет:

Комодский Варан пишет:

Дмитрий В. пишет:
Оптимистичные у Вас циферки. На 1-й ступени УИ пониже будет

Посчитал в программе:

Давление в КС: 9 атмосфер, на срезе сопла 1 атм.
Соотношение кислород/керосин: 2.3/1 (программа выдаёт наибольший УИ при этом значении).

Как видно из картинки ниже, реальный УИ на 15 сек. меньше теоритического:

 


График изменения теоретического УИ в зависимости от высоты:

 


Если учесть, что большую часть своей deltaV 1-я ступень тратит на большой высоте, с "хорошим" УИ, то средний теоритический УИ будет равен где-то около 265 сек, реальный = 250 сек.

Соответственно deltaV 1-й ступени будет 2582 м/с, а всей РН=9297 м/с.
При хорошей тяговооружённости, думаю этого хватит для выхода на НОО.

Небольшое замечание: понятия "средний теоретический И", "среднетраекторный УИ" и т.п. в баллистике отсутствуют. Если Вы для оценок используете формулу Циолковского, то в неё надо подставлять исключительно пустотный УИ. Надеюсь, пояснять, почему, не требуется?

Хорошо, для двигателя 1-й ступени с характеристиками, указанными выше (считаем УИ=255 сек) dV= 2634 м/с, тогда у всей ракеты = 9349 м/с.

[Комодский Варан]

Shestoper пишет:
Если говорить про выведение на ГПО, привлекательно выглядит схема с двумя вытеснительными метановымм ступенями и третьей насосной водородной. Третья ступень хоть и сложнее технологически, но маленькая.
А мю ПН получается около 1,9-2%.

У меня тоже такая идея была. При выведении на НОО 3-мя ступенями мы ничего не теряем по сравнению с "классическими" ракетами. А вот если дальше лететь на ГПО на вытесниловке, то тут проигрыш довольно большой получается.