Сколько двигателей ставить на первую ступень? - архитектура единого топливного блока

[torazurey]

Приветствую всех участников форума!

При разработке ракеты-носителя инженеры сталкиваются с ключевым выбором: сколько двигателей установить на один топливный блок первой ступени? Речь тут идет именно о едином баковом отсеке с окислителем и горючим, а не о пакетной схеме из нескольких блоков, как у "Ангары А5" или Delta IV Heavy.

Классический пример такого выбора — российский «Союз-5». Хотя сейчас он проектируется с одним мощным двигателем РД-171МВ, теоретически его можно было бы спроектировать и с несколькими двигателями меньшей мощности, например, четырьмя РД-191 и или двумя РД-180. В то же время SpaceX для Falcon 9 использует девять двигателей Merlin, а для первой ступени Starship — тридцать три двигателя Raptor.

Давайте порассуждаем, какое количество двигателей на едином блоке первой ступени является наиболее перспективным?

Основные архитектурные варианты
Многодвигательная компоновка (20+ двигателей): Большое количество относительно небольших двигателей.
  - Плюсы: Высокая отказоустойчивость (потеря 1-2 двигателей не критична), точное управление вектором тяги,  возможность дросселирования за счет выключения части двигателей.
  - Минусы: Крайне сложная система управления и подачи топлива, множество потенциальных точек отказа (трубопроводы, клапаны).
  - Примеры: Starship Super Heavy (33 двигателя Raptor), советская ракета Н-1 (30 двигателей НК-15 на первой ступени).


Среднекластерная компоновка (5-12 двигателей): Компромиссное решение, ставшее популярным в последние годы.
  - Плюсы: Хороший баланс между отказоустойчивостью и сложностью системы, проверенная на практике технология.
  - Минусы: Все еще требует сложной системы распределения топлива по сравнению с малодвигательными схемами.
  - Примеры: Falcon 9 (9 двигателей Merlin 1D) , Saturn V (5 двигателей F-1 на первой ступени S-IC) , Electron (9 двигателей Rutherford).


Малодвигательная компоновка (2-4 двигателя):
  - Плюсы: Относительная простота системы управления и подачи топлива, высокая удельная мощность каждого двигателя.
  - Минусы: Более низкая отказоустойчивость (отказ одного двигателя часто критичен), ограниченные возможности дросселирования.
  - Примеры: Ранние ракеты Ariane 1-4 (4 двигателя Viking на первой ступени) , центральный жидкостный блок индийской LVM3 (2 двигателя Vikas).


Однодвигательная компоновка: Единственная сверхмощная двигательная установка на весь блок.
  - Плюсы: Максимальная простота конструкции и силовой рамы, минимум систем подачи топлива.
  - Минусы: Нулевая отказоустойчивость (отказ двигателя = потеря миссии), невозможность дросселирования тяги, огромная сложность создания и испытаний такого двигателя.
  - Примеры: Современный проект "Союз-5" (1 РД-171МВ), "Зенит" (1 РД-170), "Ангара" УРМ-1 (1 РД-191), Atlas V (1 РД-180) , советский проект УР-700 (блоки первой ступени с одним РД-270).

[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.

[Андрюха]

Первый вариант подходит только под СТК. Не совсем корректно получается. Ни 20 же движков по 40 тс в РН среднего класса устанавливать...

[Андрюха]

А следующий опрос будет по типу топлива?
Слишком уж дробите варианты.

[torazurey]

Первый вариант подходит только под СТК. Не совсем корректно получается. Ни 20 же движков по 40 тс в РН среднего класса устанавливать

да, я об этом думал. но решил оставить этот пункт. 20+ двигателей точно только СТК? Вобщем не знаю. можно и убрать 1й пункт. Что думают форумчане?

[simple]

А следующий опрос будет по типу топлива?
Слишком уж дробите варианты.

да уже поднадоело эти опросы банить

[Дмитрий В.]

Приветствую всех участников форума!

При разработке ракеты-носителя инженеры сталкиваются с ключевым выбором: сколько двигателей установить на один топливный блок первой ступени? Речь тут идет именно о едином баковом отсеке с окислителем и горючим, а не о пакетной схеме из нескольких блоков, как у "Ангары А5" или Delta IV Heavy.

Классический пример такого выбора — российский «Союз-5». Хотя сейчас он проектируется с одним мощным двигателем РД-171МВ, теоретически его можно было бы спроектировать и с несколькими двигателями меньшей мощности, например, четырьмя РД-191 и или двумя РД-180. В то же время SpaceX для Falcon 9 использует девять двигателей Merlin, а для первой ступени Starship — тридцать три двигателя Raptor.

Давайте порассуждаем, какое количество двигателей на едином блоке первой ступени является наиболее перспективным?

...

Выбор количества двигателей определяется не рассуждениями, а расчётами, учитывающими критерии оптимизации, технологические ограничения и т.п. Поэтому единого подхода для РН разных размерностей быть не может. С точки зрения минимизации стоимости запуска, напимер, оптимален 1 двигатель на ракетный блок. Но если его тяга выходит за пределы освоенного диапазона, то выгоднее может оказаться 2 двигателя или большее количество. Или, скажем, Маск не имея финансовой возможности создать керосиновый ЖРД большой тяги, взялся за маломощный Мерлин, и под него делал ракеты. Для среднего Ф9 потребовалось 9 движков.

[torazurey]

Выбор количества двигателей определяется не рассуждениями, а расчётами, учитывающими критерии оптимизации, технологические ограничения и т.п. Поэтому единого подхода для РН разных размерностей быть не может. С точки зрения минимизации стоимости запуска, напимер, оптимален 1 двигатель на ракетный блок. Но если его тяга выходит за пределы освоенного диапазона, то выгоднее может оказаться 2 двигателя или большее количество. Или, скажем, Маск не имея финансовой возможности создать керосиновый ЖРД большой тяги, взялся за маломощный Мерлин, и под него делал ракеты. Для среднего Ф9 потребовалось 9 движков.

Сейчас много новых ракет разрабатывается с нуля, а с развитием ИИ, робототехники и 3D-печати их будут делать еще больше и быстрее. Тема как раз об этом: порассуждать, какое количество двигателей является оптимальным для перспективных ракет.

[Дмитрий В.]

Выбор количества двигателей определяется не рассуждениями, а расчётами, учитывающими критерии оптимизации, технологические ограничения и т.п. Поэтому единого подхода для РН разных размерностей быть не может. С точки зрения минимизации стоимости запуска, напимер, оптимален 1 двигатель на ракетный блок. Но если его тяга выходит за пределы освоенного диапазона, то выгоднее может оказаться 2 двигателя или большее количество. Или, скажем, Маск не имея финансовой возможности создать керосиновый ЖРД большой тяги, взялся за маломощный Мерлин, и под него делал ракеты. Для среднего Ф9 потребовалось 9 движков.

Сейчас много новых ракет разрабатывается с нуля, а с развитием ИИ, робототехники и 3D-печати их будут делать еще больше и быстрее. Тема как раз об этом: порассуждать, какое количество двигателей является оптимальным для перспективных ракет.

Оптимальное количество - по какому критерию?

[Prokrust]

Сейчас много новых ракет разрабатывается с нуля, а с развитием ИИ, робототехники и 3D-печати их будут делать еще больше и быстрее. Тема как раз об этом: порассуждать, какое количество двигателей является оптимальным для перспективных ракет.

Полагаю БЕ-4 имеет максимально разумный предел. Этот движок заточен чтобы сделать увеличенную версию Фалкон по максимуму используя небольшое давление кислого тракта.
С большим размером (для версии Фалкон) баки ракеты станут слишком плоскими, так как движок тягу увеличил за счет площади, а не давления.
PS.
Кстати. Думаю БЕ-4 близок к пределу размера сопла для давления своей камеры сгорания - объем сопла растет кубически от площади, тогда как площадь - только квадратно, для вакуума все равно, на на уровне моря чтобы воздух не мешал, объем должен быть занят выходящим из камеры газом.
Не случайно у РД-107 сопло всего 72 см диаметром - из-за низкого давления. Да, оно не предельное, при простом пересчет с БЕ-4 получим 1.9 м / (132 бар/60 бар)= 86 см.
Конечно повысив давление можно соответственно повысить и диаметр сопла, так делал Глушко с РД-270.

[Дмитрий В.]

объем сопла растет кубически от площади, тогда как площадь - только квадратно

Зачот!

[Raul]

Если речь идет о тандеме, то число двигателей первой ступени определяется требованиями 1) увода от СК при отказе РД на старте, 2) компенсации отказа РД в полете и 3) реактивного возвращения первой ступени после выведения. Классика - это пять РД (не обязательно одинаковых), которыми выполняются все требования. Можно больше.

А если меньше - то какими-то требованиями придется пожертвовать. Например, с четырьмя маршевыми РД будет избыточная тяга при вертикальной посадке, с тремя РД может не хватить тяги для компенсации отказа, а при двух РД не будет даже увода от СК.

[Буцетам]

Опрос не полный без указания схемы. На проклятой кислой схеме Глушко, чем меньше двигателей, тем лучше. Потому что надёжно резервировать нельзя, будут взрывы. То же самое для раздутой схемы с полной газификацией (300+ атм. Раптор). Оптимально - один двигатель.
Для сдутой схемы с полной газификцией (скажем, <150 атм.) и для холодного ДОГГа (скажем, <120 атм.) уже лучше иметь резервирование. Оптимально - 7-10 двигателей.
Для ДВГГ и открытого цикла можно и больше десяти, можно и 100 двигателей. Но оптимально, наверное, опять 7-10.

[Буцетам]

Если речь идет о тандеме, то число двигателей первой ступени определяется требованиями 1) увода от СК при отказе РД на старте, 2) компенсации отказа РД в полете и 3) реактивного возвращения первой ступени после выведения. Классика - это пять РД

Ну и как при пяти РД компенсировать отказ в полете? Форсирования-то нет.
А как мне увести ракету от стола, если стартовая тяговооружённость 1,2? Это вполне нормальная обычная тяговооружённость, но при отказе 1 из 5 двигателей она превратится в 0,96

[Буцетам]

А на марсе можно сделать один двигатель диаметром со ступень, подача вытеснительная, насосов нет, одна гигантская пинтуль-форсунка (с дырками размером с кулак) и давление подачи 10 атм. Загрузить водород и на одноступе лететь на орбиту. Надёжность 100%-я

[Raul]

Ну и как при пяти РД компенсировать отказ в полете? Форсирования-то нет.

Почему нет форсирования? Обычно есть, хотя бы на 10%. При уменьшении тяги растут гравитационные потери, но ведь не обязательно отказ происходит прямо над стартовым столом, может быть где-нибудь повыше. Активный участок при нехватке тяги растягивается, первая ступень по скорости сколько-то недобирает (но можно компенсировать недобор скорости гарантийными запасами).

[Raul]

А как мне увести ракету от стола, если стартовая тяговооружённость 1,2?

Ну вот у Протона 145%. Вы мне приведите пример из жизни, у кого она меньше 125%?

[Буцетам]

А как мне увести ракету от стола, если стартовая тяговооружённость 1,2?

Ну вот у Протона 145%. Вы мне приведите пример из жизни, у кого она меньше 125%?

Да мне честно лень подсчитывать. New Glenn подойдёт, достаточно современная и большая ракета? Ещё у Astra Space была тяговооружённость ровно 1,25, доказательства на видео
https://youtu.be/kfjO7VCyjPM?feature=shared

[Буцетам]

Почему нет форсирования? Обычно есть, хотя бы на 10%.

Нету, тем боле на целых 10%. 10% это целая модернизация, когда SSME аттестировали на работу на 108% тяги это было мегадостижение

[Raul]

Почему нет форсирования? Обычно есть, хотя бы на 10%.

Нету, тем боле на целых 10%. 10% это целая модернизация, когда SSME аттестировали на работу на 108% тяги это было мегадостижение

РД-180 штатно форсируется на 10%

New Glenn подойдёт, достаточно современная и большая ракета?

У New Glenn, если взять его заявленные параметры из английской wiki - 170%