Схемы ЖРД для ракет-носителей: определяемся с лучшим решением

[torazurey]

Каждая схема жидкостных ракетных двигателей имеет свои уникальные плюсы и минусы, определяя в итоге стоимость, надежность и мощность всей ракеты-носителя. Давайте порассуждаем об основных архитектурных решениях ЖРД и определимся, какое из них наиболее перспективно.

Открытый цикл (газогенераторный): Простая и надежная схема. Часть топлива сжигается для привода турбонасосов, а выхлопной газ просто выбрасывается в атмосферу.
Плюсы: Проще и дешевле в производстве, надежнее.
Минусы: Менее эффективно, так как часть энергии теряется.
Примеры: SpaceX Merlin, РД-107/108 на "Союзах".

Закрытый цикл (с дожиганием): Максимально эффективная схема. Газ после турбины не выбрасывается, а подается в основную камеру и "дожигается", создавая дополнительную тягу. Существует несколько реализаций: с богатым окислителем (как на РД-180), с богатым горючим (как на RS-25) и самый сложный "полный поток" (как на Raptor).
Плюсы: Высочайшая эффективность и удельный импульс.
Минусы: Чрезвычайно сложная и дорогая технология.
Примеры: РД-180, SpaceX Raptor.

Цикл с электронасосами: Новейшая схема, где турбину заменяет электромотор, питающийся от аккумуляторов.
Плюсы: Радикальное упрощение механики, легкое управление тягой.
Минусы: Мощность ограничена массой аккумуляторов. Пока подходит только для малых ракет.
Примеры: Rocket Lab Rutherford.

Адаптивный (полуоткрытый) цикл: Концептуальная схема с переменной геометрией газового тракта, динамически переключающаяся между режимами по ходу полета. На старте работает как открытый цикл (часть газа выбрасывается для максимальной тяги), на высоте — как закрытый (весь газ дожигается для максимального удельного импульса).
Плюсы: Оптимальная эффективность на всех участках — высокая тяга на старте, максимальный удельный импульс на высоте. Теоретически превосходит любую статическую схему.
Минусы: Сложная конструкция с переменной геометрией сопел, клапанов и трактов. Высокая стоимость разработки и дополнительная масса механизмов.

[torazurey]

Коллеги, благодарю за участие!

Прошу всех, кто заметит в теме технические неточности, сообщить мне, и я оперативно внесу исправления, чтобы наша дискуссия была максимально грамотной.

[Буцетам]

Минусы: Крайне сложная конструкция с переменной геометрией сопел, клапанов и трактов. Множество подвижных элементов снижает надежность. Высокая стоимость разработки и дополнительная масса механизмов.

Nah...нейросетевое нагнетание на пустом месте. Ну подумаешь там пару клапанов и труб, ну может быть ещё одна турбина. Так в ЖРД обычно и так есть лишняя турбина - пусковая. Чего бы нам не совместить пусковую турбину с открытой турбиной для открытого режима?
Не, полуоткрытый ДВГГ это самый лучший вариант и уж точно - проще и дешевле чем Full flow

[torazurey]

Не, полуоткрытый ДВГГ это самый лучший вариант и уж точно

Тогда голосуй за 4й пункт!

[Буцетам]

Не, полуоткрытый ДВГГ это самый лучший вариант и уж точно

Тогда голосуй за 4й пункт!

проголосовал

[Трилобит]

Вытеснитель и расширитель забыли.

[Demir_Binici]

Вытеснитель и расширитель забыли.

Три "расширителя":

• Expander Bleed Cycle (LE-5B, LE-9, BE-3U)
• Expander Cycle (RL10, YF-75D, Vinci, YF-79, MR10, РД-0146Д-1)
• Dual Expander Cycle (BE-7)

Ещё бывает Combustion tap-off: BE-3PM, Reaver, Lightning, Miranda.
А ещё бывает Closed Catalyst Cycle: Draper.

Спойлер

Курсивом выделены двигатели ещё не дошедшие до лётных испытаний.

[свернуть]

Сегодня инженеры по всему миру спорят о том, какая внутренняя архитектура двигателя является самой перспективной.

Звучит как начало статьи из жёлтого издания. Не из научно-популярного. "По всему миру" инженеры несколько другим заняты.

Почитайте что-нибудь научно-популярное. Например https://everydayastronaut.com/rocket-engine-cycles/

[Буцетам]

А ещё бывает Closed Catalyst Cycle: Draper.

Никакая это не особая схема. Это замкнутый цикл с дожиганием и однокомпонентным газогенератором. Конкретно у драпера цикл ДОГГ. Были и другие примеры однокомпонентных газогенераторов: двигатели Gamma для английских ракет, BE-1 и BE-2 от Безоса и наш РД-119 - все открытого цикла. Сюда же кстати относятся и РД-107/-108. По вашей англоязычной классификации у них "Open catalyst cycle", хотя на самом деле цикл Gas generator

[Demir_Binici]

А ещё бывает Closed Catalyst Cycle: Draper.

Никакая это не особая схема.

Если мы считаем открытый и закрытый цикл разными схемами, то особая.

Это замкнутый цикл с дожиганием и однокомпонентным газогенератором. Конкретно у драпера цикл ДОГГ.

Под ДОГГ (Oxidizer Rich Stage Combustion) обычно подразумевают газогенератор работающий на смеси горючего и окислителя с избытком последнего. В газогенератор Draper поступает только окислитель, без горючего. Они называют это Closed Catalyst Cycle.

Других примеров точно такой схемы я привести не могу. А сходство с другими схемами есть, да.

Были и другие примеры однокомпонентных газогенераторов: двигатели Gamma для английских ракет, BE-1 и BE-2 от Безоса и наш РД-119 - все открытого цикла. Сюда же кстати относятся и РД-107/-108.

Вы же сами пишете - "все открытого цикла". Кроме того, сейчас до сих пор используется только РД-107А/-108А. Других подобных двигателей вроде никто не делает и не планирует.

[torazurey]

Три "расширителя":

• Expander Bleed Cycle (LE-5B, LE-9, BE-3U)
• Expander Cycle (RL10, YF-75D, Vinci, YF-79, MR10, РД-0146Д-1)
• Dual Expander Cycle (BE-7)

Ещё бывает Combustion tap-off: BE-3PM, Reaver, Lightning, Miranda.
А ещё бывает Closed Catalyst Cycle: Draper.

забыл указать что это голосовалка для маршевых жрд. Исправил.
Если есть что добавить - пишите

[torazurey]

вучит как начало статьи из жёлтого издания.

исправил

[torazurey]

Вытеснитель и расширитель забыли.

забыл указать что это голосовалка по двигателям первых ступеней. Исправил.
Если есть что добавить - пишите

[Prokrust]

Кстати, чем принципиально сложнее открытая схема чем закрытая на сладком ТНА ?
У открытой схемы часть окислителя и горючего сжигается в газогенераторе, идет на турбину и сбрасывается наружу (у вакуумного Раптора сброс идет в сопло).
У закрытого сладкого ТНА все горючее и немного окислителя идет в газогенератор, далее на турбину и далее в камеру сгорания.
И там и там газогенератор и турбина (конечно разные но все же). Основная разница в схеме - просто сброс или подача в камеру сгорания.

[Alex-DX]

Вытеснитель и расширитель забыли.

Три "расширителя":

• Expander Bleed Cycle (LE-5B, LE-9, BE-3U)
• Expander Cycle (RL10, YF-75D, Vinci, YF-79, MR10, РД-0146Д-1)
• Dual Expander Cycle (BE-7)

Ещё бывает Combustion tap-off: BE-3PM, Reaver, Lightning, Miranda.
А ещё бывает Closed Catalyst Cycle: Draper.

Спойлер

Курсивом выделены двигатели ещё не дошедшие до лётных испытаний.

[свернуть]

Сегодня инженеры по всему миру спорят о том, какая внутренняя архитектура двигателя является самой перспективной.

Звучит как начало статьи из жёлтого издания. Не из научно-популярного. "По всему миру" инженеры несколько другим заняты.

Почитайте что-нибудь научно-популярное. Например https://everydayastronaut.com/rocket-engine-cycles/

Вот хорошая ссылка https://www.enginehistory.org/Rockets/RPE08.21/RPE08.21.shtml

[Трилобит]

Вытеснитель и расширитель забыли.

забыл указать что это голосовалка по двигателям первых ступеней. Исправил.
Если есть что добавить - пишите

Так я и пишу, добавьте вытеснитель (первая ступень ракеты Diamant например) и расширитель (LE-9 на первой ступени H-3, одна из модификаций RL-10 стояла на DC-X).

[Alex-DX]

Так я и пишу, добавьте вытеснитель (первая ступень ракеты Diamant например) и расширитель (LE-9 на первой ступени H-3, одна из модификаций RL-10 стояла на DC-X).

Жаль что они гидравлику поставили на управление, любопытно на RL-10 сделать разнотяг, дросселирование на этих двигателях большое.

[Demir_Binici]

Вытеснитель и расширитель забыли.

забыл указать что это голосовалка по двигателям первых ступеней. Исправил.
Если есть что добавить - пишите

LE-9, BE-3PM, Miranda двигатели для первой ступени.

Отчего так? Двигатели для первой ступени проще, так как если ракета одноразовая, то не требуется повторный старт. А у некоторых зажигание на дровах.
Кроме того, один и тот же двигатель иногда (а сейчас, после Falcon 9, это в тренде, переходящим в мейнстрим) используют и на первой и на второй (часто она же и верхняя) ступени. Иногда двигатели первой и второй ступени выполнены по одинаковой схеме и принципиальных отличий между ними нет, например LE-9 и LE-5B.

"Лучшей" схемы вообще не существует. Не могу подобрать примера схемы, на которой бы НЕ разрабатывали новый двигатель для перспективной ракеты, или разработали недавно. Они что, не в курсе, что выбранная ими схема "не лучшая", а то и "худшая"?

[Вернер П.]

"Лучшей" схемы вообще не существует. Не могу подобрать примера схемы, на которой бы НЕ разрабатывали новый двигатель для перспективной ракеты, или разработали недавно. Они что, не в курсе, что выбранная ими схема "не лучшая", а то и "худшая"?

+

[torazurey]

"Лучшей" схемы вообще не существует. Не могу подобрать примера схемы, на которой бы НЕ разрабатывали новый двигатель для перспективной ракеты, или разработали недавно. Они что, не в курсе, что выбранная ими схема "не лучшая", а то и "худшая"?

если вы так считаете, то 5й вариант, вы его озвучили: "Лучшей" схемы вообще не существует

[Трилобит]

Не могу подобрать примера схемы, на которой бы НЕ разрабатывали новый двигатель для перспективной ракеты, или разработали недавно.

Вытесниловку вроде никто не делает, слишком уж чугуний, я это вообще в шутку продвигаю.