Вытеснительная подача

Автор Raul, 07.06.2021 17:37:44

« предыдущая - следующая »

0 Пользователей и 1 гость просматривают эту тему.

Цитата: Дмитрий В. от 08.06.2021 11:59:34
Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 08.06.2021 09:51:09
Цитата: Дмитрий В. от 07.06.2021 19:50:52Статистика как-то не подтверждает факта того, что вытеснительный двигатель легче ЖРД с ТНА при равной тяге. Разумеется, речбь идёт о сравнительно большой тяге.
Вот характеристики второй ступени Beal Aerospace BA-2:
Status: Development 2000. Thrust: 3,599.00 kN (809,087 lbf). Gross mass: 189,000 kg (416,000 lb). Unfuelled mass: 14,560 kg (32,090 lb). Specific impulse: 282 s. Burn time: 168 s. Height: 18.80 m (61.60 ft). Diameter: 6.20 m (20.30 ft). Span: 6.20 m (20.30 ft).
У Протона вторая ступень имели 11 тонн сухой массы при стартовой массе в 168 тонн, так что плюс-минус одинаковая масса.
У банкира Била, видимо, была другая физика ;D

Композиты и очень плотная топливная пара.

Цитата: Дмитрий В. от 08.06.2021 11:57:53Т.е. выше чем у Н-1 со сферическими баками? ню-ню.

Ну как считали. Как можно было сделать такое низкое весовое совершенство у Н-1, понятия не имею.

Цитата: Дмитрий В. от 08.06.2021 12:01:54
Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 08.06.2021 09:58:44
Цитата: Дмитрий В. от 07.06.2021 20:13:26Как снизится предел прочности стали при использовании газа с такой температурой?
Нержа, по идее, держит 600-900 градусов по Цельсию под нагрузками.
Да, только несущая способность в разы падает:
https://ornamita.ru/tehinfo2/svoystva-stali-aisi-304/

Угу.

Поэтому у Сверхтяжа Шестопёра бак для горячего газа наддува из толстой стали, большой основной бак с топливом из тонкой стали. Газ для наддува при переходе в основной бак с топливом будет расширяться с пониженим давления и температуры. Хотя тогда выигрыша в массе не будет...

Кстати, учитывая высокую тяговооружённость первой ступени и малый запас топлива в ней, может есть смысл уложить в бак наддува теплоизолятор, чтобы сталь, из которой сделан бак наддува тупо не успеет нагреться. А когда ракета приземлится, она просто стравит неостывший шаз наддува в атмосферу.

Жаропрочное стекловолокно как раз держит до 1200 градусов тепла и имеет совсем низкую теплопроводность и весьма прочное на разрыв.

Но вообще я за композиты, и наддув баков заранее закачанными под высоким давлением газами.

Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 12:18:36Для тяги 40 меганьютон для второй ступени понадобится суммарная площадь сопел в гектар.


1 гектар = 10 000 м2, что эквивалентно вот такой ракете:



Диаметр ракеты = 24 метрам.

Вы вообще какую грузоподъёмность на НОО хотите? Какой диаметр? Потому что диаметр нижней части сопла равен 115 метрам.

Можно понизить степень расширения сопла до 150, тогда тяга с 1м2 среза сопла в вакууме будет 6,5 кН, а УИ в вакууме = 388 секунд. На срезе сопла температура 500К.

Вообще я считаю, что 40 МН слишком большая тяга для второй ступени. Второй ступени хватит и 2,5-3,5 МН для 200-250 тон на НОО.

И стартовую массу при этом от 3700 до 5000 тонн.


Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 12:18:36Даже с раскладным соплом нужно уменьшить степень расширения раз в 5.


При степени расширения в 50 тяга с 1 м2 сопла в вакууме равна 18,9 кН, УИ равен 376 секунд в вакууме. На срезе сопла температура 700К.

Тут вообще нужно привлекать Эксель. Больше расширения сопла = больший УИ и большая масса. Но сопло может быть очень лёгким и без системы охлаждения, т.к. смешные температуры, так что огромная степень расширения имеет плюсы.

Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 12:18:36С учетом большей плотности, чем у водородного топлива, и отсутствия эксплуатационных сложностей с водородом -- думаю, это оправдает снижение УИ секунд на 40.

УИ второй ступени жертвовать не стоит. Там у неё ХС должна быть порядка 6-6,5 км/с (результат обобщения проектов РН с вытеснительной подачей топлива). Поэтому вторая ступень должна иметь высокоэффективную топливную пару и высокую степень расширения, чтобы хоть что-то выводить.

Шестопер239

Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 08.06.2021 14:11:57
Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 12:18:36С учетом большей плотности, чем у водородного топлива, и отсутствия эксплуатационных сложностей с водородом -- думаю, это оправдает снижение УИ секунд на 40.

УИ второй ступени жертвовать не стоит. Там у неё ХС должна быть порядка 6-6,5 км/с (результат обобщения проектов РН с вытеснительной подачей топлива). Поэтому вторая ступень должна иметь высокоэффективную топливную пару и высокую степень расширения, чтобы хоть что-то выводить.

Тогда, может, три ступени?
C вытеснительными ЖРД, металлическими баками и без водорода двумя ступенями вывести больше 1,5-1,6% не получится.
А тремя ступенями - 2,5-2.7%.

Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 15:55:20
Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 08.06.2021 14:11:57
Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 12:18:36С учетом большей плотности, чем у водородного топлива, и отсутствия эксплуатационных сложностей с водородом -- думаю, это оправдает снижение УИ секунд на 40.
УИ второй ступени жертвовать не стоит. Там у неё ХС должна быть порядка 6-6,5 км/с (результат обобщения проектов РН с вытеснительной подачей топлива). Поэтому вторая ступень должна иметь высокоэффективную топливную пару и высокую степень расширения, чтобы хоть что-то выводить.
Тогда, может, три ступени?
C вытеснительными ЖРД, металлическими баками и без водорода двумя ступенями вывести больше 1,5-1,6% не получится.
А тремя ступенями - 2,5-2.7%.

Тут это уже обсуждалось.

https://forum.novosti-kosmonavtiki.ru/index.php?topic=3219.0

Соотношения тяга/ПН у трёхступа примерно такое же, как у двуступа.

Выигрыш в стартовой массе тоже не велик.

Третья ступень = третий двигатель, дополнительные сборочные операции = увеличение цены.

Шестопер239

Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 08.06.2021 16:30:54Соотношения тяга/ПН у трёхступа примерно такое же, как у двуступа.


Трехступ немного выигрывает у двухступа по мю ПН при выведении на НОО  (что не окупает усложнение ракеты за счет третьей ступени) только для ступеней с насосными ЖРД. 
Для вытеснительной подачи ситуация другая - по массовому совершенству и УИ такие ступени ближе к твердотопливным. Существовало несколько полностью твердотопливных носителей (и еще несколько - с одной верхней жидкостной ступенью для точного довыведения на орбиту), и все они имели не меньше 3 ступеней, а некоторые и 4.

Цитата: Шестопер239 от 08.06.2021 16:48:46
Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 08.06.2021 16:30:54Соотношения тяга/ПН у трёхступа примерно такое же, как у двуступа.
Трехступ немного выигрывает у двухступа по мю ПН при выведении на НОО  (что не окупает усложнение ракеты за счет третьей ступени) только для ступеней с насосными ЖРД.
Для вытеснительной подачи ситуация другая - по массовому совершенству и УИ такие ступени ближе к твердотопливным. Существовало несколько полностью твердотопливных носителей (и еще несколько - с одной верхней жидкостной ступенью для точного довыведения на орбиту), и все они имели не меньше 3 ступеней, а некоторые и 4.

Ракеты с РДТТ не самая корректная аналогия, поскольку там есть свои особенности:

УИ у РДТТ низкий, отсюда малая delta-v ступеней и необходимость их большого количества.

РДТТ имеют малое время работы, отсюда необходимость большого их количества и, опять же, малая delta-v.

Третья/четвёртая ступень твёрдотопливной РН зачастую какой-нибудь гептиловый разгонный блок с малой delta-v, нужный для коррекции орбиты. Будь у твердотопливников возможность рестартов и аккуратного регулирования тяги, многие твердотопливники потеряли бы ступень.

Первая/вторая/третья ступень твердотопливных РН зачастую является частью МБР/её производной/изготовлена со схожей технологией. Это накладывает ограничения на располагаемую delta-v ступени.

Ступени обладают малыми размерами и плохим соотношением площадь пов-ти/внутренний объём.

Американцы, практически единственные, у кого есть РДТТ размерности "больше, чем для МБР" обладают безудержным желанием впихнуть туда водород. И хорошая смесь получается:

Space Shuttle имел 28 тонн тяги на тонну ПН на орбите (орбитер я тоже считаю за ПН), против 62-67 тонн у большинства РН. Массовая доля ПН была >5%, что тоже очень круто.

Вот эта РН имела порядка 2,8% МюПН, что неплохо. Массовую долю ПН и эффективность использования двигателей можно было бы поднять, увеличив тягу двигателя первой ступени.


По Омеге от Грумманов есть данные о стартовой массе? А то судя по ПН, это либо мастодонт, либо страшно эффективный зверь.

Raul

Поскольку Шестопер хочет толстые баки с давлением 30 атм и 800 градусным наддувом после газогенератора, то после выработки жидкого кислорода в баке H-11 останется ~4.5 тонны газообразного O2. (500 * (2.6/3.6) / 1.141 * 0.001429 / 3 * 30). На таком запасе 120-тонный РД мягкой посадки может работать десятки секунд с постепенно уменьшающейся тягой. Для мягкой посадки после гашения вертикальной скорости требуется половинная тяга, которая достигается естественным образом после выжигания около половины газа. А всего на торможение ступени H-11 перед посадкой требуется примерно 9-10 секунд. Т.е. садиться можно на "бесплатных" газообразных остатках кислорода и последней тонне керосина.

Чтобы бак не перегревался, можно уменьшить температуру газа наддува и выжигать избыточный кислород посадочным РД в конце АУТ, или использовать его для выхода в точку посадки.

Как я предположил, вытеснительный РД со вспомогательной камерой газификации вполне может работать на газообразном кислороде, при условии доработки системы подачи окислителя. В моем [ламерском] понимании, запустить посадочный РД на газе проще, чем на жидком кислороде, чтобы не иметь те проблемы с замерзанием, которые мы предполагаем у "Старшипа". В общем, если это не так и работа вытеснительного РД в режиме "газовой горелки" невозможна - то прошу извинить ::).

Вам недоступны вложения в этом разделе.
Земля не может, не может не вращаться,
А мур не может, не может не мурчать!

Кстати, а как насчёт баков с двойной стенкой? Это когда у бака две стенки, и один компонент заливается во внутренний бак, а второй компонент заливается в пространство между стенками. Преимущество: внутренняя стенка не будет испытывать нагрузок от наддува, т.к. там равновесие давлений. Ступень выйдет короче.

Шестопер239

Цитата: Raul от 09.06.2021 16:52:17Поскольку Шестопер хочет толстые баки с давлением 30 атм

30 атм я хочу на первой ступени.
На верхних хватит и 15.

Шестопер239

Цитата: Верный Союзник с Окинавы от 09.06.2021 16:52:28Кстати, а как насчёт баков с двойной стенкой? Это когда у бака две стенки, и один компонент заливается во внутренний бак, а второй компонент заливается в пространство между стенками. Преимущество: внутренняя стенка не будет испытывать нагрузок от наддува, т.к. там равновесие давлений. Ступень выйдет короче.
В случае толстых коротких баков такой же эффект получается при совмещенном днище.

Raul

Цитата: Шестопер239 от 09.06.2021 18:42:33
Цитата: Raul от 09.06.2021 16:52:17Поскольку Шестопер хочет толстые баки с давлением 30 атм
30 атм я хочу на первой ступени.
На верхних хватит и 15.
Это понятно. Подсчеты проводились для модифицированной первой ступени H-11.
Земля не может, не может не вращаться,
А мур не может, не может не мурчать!

C-300-2

Цитата: Raul от 09.06.2021 16:52:17В общем, если это не так и работа вытеснительного РД в режиме "газовой горелки" невозможна - то прошу извинить ::).
Попадалась на глаза статья о ЖРД на вытеснительной схеме, питающейся газом наддува (кислород-метан, если не запамятовал). ЖРД предназначался для посадки. :)