Водородная "Ангара"

[Дмитрий В.]

Большое спасибо STEP и Know How за проделанный труд!
Проектные параметры «Водородной Ангары» (по состоянию на 14.04.2006г.).
1) Базовый вариант:
Стартовая масса 500 т.
Схема – 2-ступенчатая, пакетной компоновки с параллельной работой ступеней.
Компоненты топлива – ЖК/ЖВ (соотношение 6:1) на обеих ступенях.
Тип и количество двигателей: по 2*11д122 на каждом ББ, 1*11д122 на ЦБ.
Параметры опорной орбиты 185*185 км, i=51,7 град.
Схема выведения на опорную орбиту – промежуточное выведение на переходную орбиту 0*185 км, с последующим довыведением на опорную орбиту с помощью блока довыведения или ДУ КА.
ХС=9247 м/с (при выведении на переходную орбиту).
Масса ПН – 30,73 т (на переходной орбите).
Количество боковых блоков – 2.
Диаметр боковых блоков – 4,1 м.
Масса рабочего запаса топлива в 1-м ББ – 128,73 т.
Масса рабочего запаса топлива в ЦБ - 151,73 т.
Масса топлива, вырабатываемого из ЦБ до момента отсечки тяги ББ – 64,36 т.
Конечная масса одного ББ (масса конструкции ББ, приведенная масса головного обтекателя, масса невырабатываемых остатков топлива и газов наддува) – 21,61 т .
Конечная масса ЦБ – 16,87 т.
Конструктивная характеристика ББ (отношение массы заправленного блока к конечной массе блока) – 6,96.
Конструктивная характеристика ЦБ – 9,99.
Тяговооруженность 1-й ступени – 1,56.
Тяговооруженность 2-й ступени – 1,489.
Указанные параметры близки к оптимальным и позволяют транспортировать блоки РН по ЖД с минимальным конструктивным членением.
2) Без наложения ограничений на тягу ЖРД, при Мст=500т, масса ПН составила бы 31,47т (но пришлось бы отказаться от одинаковых ЖРД на обеих ступенях, поскольку оптимальная тяговооруженность 1-й ступени составила бы 2,05, а 2-й – 1,323).
3) Также был рассмотрен вариант с одинаковым объемом топливных баков ББ и ЦБ. В этом случае, при Мст = 500т, ПН = 30,36т (при массе топлива 1-го ББ = массе топлива ЦБ = 136,45т). Однако в данном варианте получается чрезмерная тяговооруженность 2-й ступени, равная 1,757 (что ведет и к чрезмерным осевым перегрузкам).
С уважением, Дмитрий В.

[X]

Интересно, как это ракета с массовым совершенством хуже, чем у Дельты-4 и массой меньше, чем Дельта-4, да ещё о двух ступенях, выводит ПН больше, чем Дельта-4.

 Ошибка, очевидно здесь - "ХС=9247 м/с (при выведении на переходную орбиту)".

 Интересно, на какой высоте планируется разделение ступеней и как?

[Дмитрий В.]

Интересно, как это ракета с массовым совершенством хуже, чем у Дельты-4 и массой меньше, чем Дельта-4, да ещё о двух ступенях, выводит ПН больше, чем Дельта-4.

 Ошибка, очевидно здесь - "ХС=9247 м/с (при выведении на переходную орбиту)".

 Интересно, на какой высоте планируется разделение ступеней и как?

Ошибки в расчете ХС нет. Разделение ступеней происходит на высоте примерно 80-90 км, разделение - по аналогии с 11к25. Импульс скорости для довыведения ПН порядка 50-70 м/с. Что касается Дельты-4, прошу учесть, что УИ ее ЖРД на 35 с ниже чем у 11д122, а тяговооруженность ступеней существенно ниже (что резко увеличивает гравитационные потери ХС). Кроме того в Дельте массовая отдача принесена в жертву идее унификации блоков чтупеней, ну и т.п. Так что в "мерзких" параметрах Дельты ничего удивительного нет.

[Know How]

А вот и еще одна "Водородная "Ангара"". (с) Александр Шлядинский по материалам Дмитрия В.

[hcube]

А что будет, если все-таки взять унифицированные одинаковые блоки 1 и 2 ступени (по баку унифицированные, понятно), но добавить еще третью ступень типа пресловутого УКВМ? Ну, 40 тонн тяги, 40 тонн заправки, 8 тонн сухой массы. Это уберет избыточную тяговооруженность второй ступени, и добавит одновременно третью ступень что увеличит ПН тонны на 4-5, примерно, верно?

По поводу Дельты - там эффективных ступеней меньше ;-) Обсуждаемая РН - фактически 'водородный Союз', распределение тяги и расхода топлива именно такое. А у Дельты к окончанию работы 1й ступени во второй остается от силы треть начального запаса топлива. А третья ступень мелкая - приходится ЕЩЕ снижать тягу, жертвуя и так невысоким УИ.

[Дмитрий В.]

А вот и еще одна "Водородная "Ангара"". (с) Александр Шлядинский по материалам Дмитрия В.

Снимаю шляпу! Спасибо!

[Дмитрий В.]

А что будет, если все-таки взять унифицированные одинаковые блоки 1 и 2 ступени (по баку унифицированные, понятно), но добавить еще третью ступень типа пресловутого УКВМ? Ну, 40 тонн тяги, 40 тонн заправки, 8 тонн сухой массы. Это уберет избыточную тяговооруженность второй ступени, и добавит одновременно третью ступень что увеличит ПН тонны на 4-5, примерно, верно?

Попробую прикинуть ближе к понедельнику.

[avmich]

По вопросам унификации ракетных блоков, мне кажется, хорошее решение было предложено разработчиками Н-1. Унифицированные блоки в разных ракетах исполняют роль разных ступеней. Семейство - Н-1, Н-11, Н-111... Может оказаться, что потери на унификацию в такой схеме меньше :) хотя вряд ли удастся потерь избежать совсем.

[mihalchuk]

Как вам такая идея: на ЦБ поменять местами баки кислорода и водорода. Баки будут дешевле в производстве и немного легче.

[X]

Ошибки в расчете ХС нет. Разделение ступеней происходит на высоте примерно 80-90 км, разделение - по аналогии с 11к25. Импульс скорости для довыведения ПН порядка 50-70 м/с. Что касается Дельты-4, прошу учесть, что УИ ее ЖРД на 35 с ниже чем у 11д122, а тяговооруженность ступеней существенно ниже (что резко увеличивает гравитационные потери ХС). Кроме того в Дельте массовая отдача принесена в жертву идее унификации блоков чтупеней, ну и т.п. Так что в "мерзких" параметрах Дельты ничего удивительного нет.

 35 секунд УИ это меньше, чем 10%.
 Масса предлагаемой ракеты на 50% меньше, чем Дельта-4.

 Что касается тяговооруженности, Дмитрий В., выложите траекторию вашей ракеты, высота, скорость, дальность, и т. п. Сомневаюсь, что такая траектория реально возможна.

 Что касается "картинки".
 Два блока с общей тягой в вакууме 800 тонн на что передают усилие?
 Кстати, какое будет ускорение в момент предшествующий разделению ступеней? Около 5 единиц?
 Тогда центр будет "весить" около 500 тонн.

[Дмитрий В.]

1)Что касается тяговооруженности, Дмитрий В., выложите траекторию вашей ракеты, высота, скорость, дальность, и т. п. Сомневаюсь, что такая траектория реально возможна.

 2)Что касается "картинки".
 Два блока с общей тягой в вакууме 800 тонн на что передают усилие?
 Кстати, какое будет ускорение в момент предшествующий разделению ступеней? Около 5 единиц?
 Тогда центр будет "весить" около 500 тонн.

1)Ваши сомнения - от незнания. Траектория Водородной Ангары будет близка к траектории РН Гроза и Энергия, имеющих схожие тяговооруженности ступеней. Можете и сами посчитать с помощью спредшита ratman'а.
2)Продольные усилия передаются через кронштейны, установленные на верхнем переходнике ЦБ-это видно на рисунке.
А чем Вас смущает перегрузка в 5 единиц?

[X]

1)Ваши сомнения - от незнания. Траектория Водородной Ангары будет близка к траектории РН Гроза и Энергия, имеющих схожие тяговооруженности ступеней. Можете и сами посчитать с помощью спредшита ratman'а.
2)Продольные усилия передаются через кронштейны, установленные на верхнем переходнике ЦБ-это видно на рисунке.
А чем Вас смущает перегрузка в 5 единиц?

 1) У Энергии выше массовое совершенство ступеней. Каким образом существенно более тяжелая ракета выводит относительно в полтора раза больше полезной нагрузки - совершенно непонятно. Не говоря уже о нагрузках на ракету в процессе полёта.

 2) И эти кронштейны такие, что центр имеет массу меньше, чем боковушки? Меня смущает то, что центр легче.

 Вообще, ракета имеет более тяжелую конструкцию и две ступени, как я сказал выше. За счёт изменения траектории получается ПН аж в 6%? Удивительно, а что это никто так не сделал ещё?

[avmich]

Присоединяюсь к вопросам Гостя.

Хотя насчёт траектории - не надо недооценивать возможности оптимизации. Субъективно мне 6% не выглядят невозможными. И орптимизацией действительно занимаются - та же Н-1, скажем.

[Дмитрий В.]

1) У Энергии выше массовое совершенство ступеней. Каким образом существенно более тяжелая ракета выводит относительно в полтора раза больше полезной нагрузки - совершенно непонятно. Не говоря уже о нагрузках на ракету в процессе полёта.

 2) И эти кронштейны такие, что центр имеет массу меньше, чем боковушки? Меня смущает то, что центр легче.

 Вообще, ракета имеет более тяжелую конструкцию и две ступени, как я сказал выше. За счёт изменения траектории получается ПН аж в 6%? Удивительно, а что это никто так не сделал ещё?

1) У Энергии массовое совершенство не выше: блок А имел конструктивную характеристику меньше 6, а блок Ц -9,5-10 (см. буран.ру). Про Энергию можете посмотреть в теме "технические аспекты возрождения Энергии", ну, и вообще уже много про нее информации. То, что Вам совершенно непонятно, извините, но это Ваши проблемы. Меня учили понимать 6 лет в авиационном ВУЗе и 3,5 года в ракетном КБ, где я занимался соответствующими расчетами (я баллистик по образованию).
2) Вы можете объяснить русским языком, что Вам конкретно непонятно? Масса кронштейнов килограмм 100 у каждого. Да ЦБ, как это свойственно РН пакетной схему, существенно легче (относительно) ББ?

[Дмитрий В.]

Присоединяюсь к вопросам Гостя.

Хотя насчёт траектории - не надо недооценивать возможности оптимизации. Субъективно мне 6% не выглядят невозможными. И орптимизацией действительно занимаются - та же Н-1, скажем.

В данном случае, для Водородной Ангары оптимизации (с точки зрения максимума "мю ПН")подлежат: угол наклона траектории в конце АУТ 1-й ступени и относительные конечные массы ступеней (величины, обратные числу Циолковского). Представленные здесь параметры - это результаты данной оптимизации. Произведена проверка спредшитом ratman'а, подтвердившая возможность выведения около 31 т ПН на переходную орбиту. В конце-концов - все это даже не бумажный проект, а так фантазии на тему - не берите в голову! С уважением, Дмитрий В.

[X]

1) У Энергии массовое совершенство не выше: блок А имел конструктивную характеристику меньше 6, а блок Ц -9,5-10 (см. буран.ру). Про Энергию можете посмотреть в теме "технические аспекты возрождения Энергии", ну, и вообще уже много про нее информации. То, что Вам совершенно непонятно, извините, но это Ваши проблемы. Меня учили понимать 6 лет в авиационном ВУЗе и 3,5 года в ракетном КБ, где я занимался соответствующими расчетами (я баллистик по образованию).
2) Вы можете объяснить русским языком, что Вам конкретно непонятно? Масса кронштейнов килограмм 100 у каждого. Да ЦБ, как это свойственно РН пакетной схему, существенно легче (относительно) ББ?

 1) Раз вы баллистик, так выложите траекторию вашей ракеты. Непонятно каким образом вы массовую долю ПН раза в два больше, чем у существующих ракет и ещё удивляетесь, что это вызывает сомнения.
 По поводу массы блока А -
 Stage Number: 0. 4 x Energia Strapon Gross Mass: 355,000 kg. Empty Mass: 35,000 kg. Thrust (vac): 806,200 kgf. Isp: 337 sec. Burn time: 145 sec. Isp(sl): 309 sec. Diameter: 3.90 m. Span: 4.20 m. Length: 37.70 m. Propellants: Lox/Kerosene No Engines: 1. RD-170 Status: Out of Production. Comments: Essentially identical to Zenit stage 1.
 http://www.astronautix.com/lvs/energia.htm
 10% масса одной боковушки.

 Ваши авторитарные аргументы я вообще не рассматриваю как и программу ratman'а.

 Итак, вы передаёте тягу около 400 тонн через две детали массой 100 кг? Передаёте на кислородный бак центрального блока, причём как-то сверху.
 И как закреплён тот кронштейн на баке?

 Почему ЦБ легче, я не знаю, в данном случае. Никакого такого "свойства" пакетной схемы нет.

[X]

Присоединяюсь к вопросам Гостя.

Хотя насчёт траектории - не надо недооценивать возможности оптимизации. Субъективно мне 6% не выглядят невозможными. И орптимизацией действительно занимаются - та же Н-1, скажем.

В данном случае, для Водородной Ангары оптимизации (с точки зрения максимума "мю ПН")подлежат: угол наклона траектории в конце АУТ 1-й ступени и относительные конечные массы ступеней (величины, обратные числу Циолковского). Представленные здесь параметры - это результаты данной оптимизации. Произведена проверка спредшитом ratman'а, подтвердившая возможность выведения около 31 т ПН на переходную орбиту. В конце-концов - все это даже не бумажный проект, а так фантазии на тему - не берите в голову! С уважением, Дмитрий В.

 А как сия гениальная программа учитывает разного рода условия вроде управляемости ракеты?

[X]

Кстати, по поводу стоимости этой затеи.
 Сравним Водородную Ангару с обычной.

 И там и там 5 двигетелей, грубо говоря, стоимость или одинаковая или у водородного варианта больше. Смею думать, что водородный ЖРД стоит подороже ЖРД на керосине.

 Теперь баки. Объём баков у обычной Ангары пропорционален приведённой плотности топлива, для пары керосин/кислород это около 1.
 А для пары водород/кислород это около 0,3. При той же массе баки объёмнее в 3 раза.

 Водородный вариант имеет столько же двигателей и по объёму будет больше керосинового для той же ПН, даже при меньшей массе.

 Значит эта ракета будет дороже.

[Дмитрий В.]

1) Раз вы баллистик, так выложите траекторию вашей ракеты. Непонятно каким образом вы массовую долю ПН раза в два больше, чем у существующих ракет и ещё удивляетесь, что это вызывает сомнения.
 По поводу массы блока А -
 Stage Number: 0. 4 x Energia Strapon Gross Mass: 355,000 kg. Empty Mass: 35,000 kg. Thrust (vac): 806,200 kgf. Isp: 337 sec. Burn time: 145 sec. Isp(sl): 309 sec. Diameter: 3.90 m. Span: 4.20 m. Length: 37.70 m. Propellants: Lox/Kerosene No Engines: 1. RD-170 Status: Out of Production. Comments: Essentially identical to Zenit stage 1.
 http://www.astronautix.com/lvs/energia.htm
 10% масса одной боковушки.

 Ваши авторитарные аргументы я вообще не рассматриваю как и программу ratman'а.

 Итак, вы передаёте тягу около 400 тонн через две детали массой 100 кг? Передаёте на кислородный бак центрального блока, причём как-то сверху.
 И как закреплён тот кронштейн на баке?

 Почему ЦБ легче, я не знаю, в данном случае. Никакого такого "свойства" пакетной схемы нет.

1 -по поводу блоков А пользуйтесь более достоверной информацией, а не домыслами Вейда - например очень точная информация содержится в книге Б.И.Губанова. Так вот, конечная масса блока А, а именно эта масса рассматривается при расчете конструктивного совершенства, составляет 65,6 т, в том числе конструкция 59,1 т
2- насчет программы ратмана, как Вам угодно, конечно, но она дает вполне адекватные результаты. Траекторию я для Вас выкладывать не собираюсь - некуда, тем более результаты траекторных расчетов я уже в теме сообщал. Если Вас интересует траектория - пожалуйста, обращайтесь по мылу. С удовольствием вышлю, если 5 мб Вас не напрягают.
3-кронштейны крепятся не к баку (хотя опыт Р-7 показывает, что можно и к баку), а к сухому отсеку - переходнику, а именно к  силовым шпангоутам и лонжеронам. Если Вы имеете представление о силовых схемах и прочности РН, то поймете, о чем я говорю.
4-на РН пакетной схемы ЦБ, как правило относительно легче, чем ББ по следующим причинам: влияние масштабного фактора из-за большего объема, разгрузка ЦБ от сжимающих усилий при передаче осевых нагрузок в верхнем поясе связи

[Дмитрий В.]

Кстати, по поводу стоимости этой затеи.
 Сравним Водородную Ангару с обычной.

 И там и там 5 двигетелей, грубо говоря, стоимость или одинаковая или у водородного варианта больше. Смею думать, что водородный ЖРД стоит подороже ЖРД на керосине.

 Теперь баки. Объём баков у обычной Ангары пропорционален приведённой плотности топлива, для пары керосин/кислород это около 1.
 А для пары водород/кислород это около 0,3. При той же массе баки объёмнее в 3 раза.

 Водородный вариант имеет столько же двигателей и по объёму будет больше керосинового для той же ПН, даже при меньшей массе.

 Значит эта ракета будет дороже.

По поводу относительной стоимости водородных и керосиновых РН здесь уже много чего говорилось. Скажу лишь, что вывод об однозначной дешевизне керосиновых РН по сравнению с водородными - типичное заблуждение дилетантов. Люди более знакомые с проектированием ракет таких однозначных выводов не делают. Скорее можно сделать вывод, что водородные РН КАК ПРАВИЛО ДОРОЖе, но бывают ситуации, когда они могут быть и дешевле. В рассматриваемом примере для Водородной Ангары не нужно было роазрабатывать двигатели - они были давно созданы, а в Ангаре-5 используется 6 ЖРД 2-х типов, разработанных с нуля.