Предельный ЖРД первой ступени

[Лютич]

Так же как и себестоимость ДВС на 25 л.с. ниже стоимости ДВС на 300 л.с., даже если продаются они за одинаковую цену.

Не факт. Если трехсотсильник - дубовая V-образная карбюраторная двенадцатицилиндровка на 76-м бензине, а двадцатипятка - с непосредственным впрыском, регулировкой фаз, рекуперацией электроэнергии на холостом ходу и т.п., может быть и паритет.

[Гость 22]

РД-107 и РД-170 по отношению масса/тяга примерно одинаковые.
Так что про "разы" - малость преувеличено.

Кстати, про "разы" - как раз не преувеличено

Вспомните вид зависимости УИ от давления - с ростом давления она приближается к горизонтали.

Так что два неких очень предельных ЖРД (с давлениями, скажем, 1000 МПа и 2000 МПа ) будут иметь практически одинаковый УИ, а вот масса второго будет в N раз (N много больше 1) выше массы первого. В основном, за счет массы ТНА.

[Гость 22]

Так же как и себестоимость ДВС на 25 л.с. ниже стоимости ДВС на 300 л.с., даже если продаются они за одинаковую цену.

Не факт. Если трехсотсильник - дубовая V-образная карбюраторная двенадцатицилиндровка на 76-м бензине, а двадцатипятка - с непосредственным впрыском, регулировкой фаз, рекуперацией электроэнергии на холостом ходу и т.п., может быть и паритет.

А если оба ДВС'а сделаны с учетом последних достижений двигателестроения, просто на разные мощности? Ведь именно это соответствует сравнению ТНА двух ЖРД - оба новые, только что разработанные с учетом всех последних достижений, но один - предельный (100 МПа в КС), а второй - "обычный" (15 МПа в КС).

Скорее уж, с учетом условий работы ТНА на 200 МПа, даже наоборт выходит - трехсотсильник с непосредственным впрыском, регулировкой фаз, рекуперацией электроэнергии на холостом ходу и т.п., а двадцатипятка - дубовый карбюраторный одноцилиндровик на 76-м бензине. Тоже будет паритет?

[Виктор]

Вопрос к знатокам ЖРД. Насколько сложно (деньги, время...) - конечно, оценочно - разработать ЖРД следующих параметров:

- керосин-кислород
- 1 камера
- 1000 тс тяги при 1 атм окружающей
- схема газ-газ
- предельное (по КПД турбины) давление в камере

?

Авмич, это что - следующий проект Московской группы любительского ракетостроения http://kluz.gfns.net/ ?  :shock:

Прально, чего мелочится?! После 1000 Н надо сразу 1000 т!  :twisted:

Разработка двигателя  - это САМОЕ сложное в ракетной технике. Собственно двигатель в основном и определяет это развитие, все остальное вторично. Сделал фон Браун свою грушу - полетела ФАУ-2. Сделали РД 107 - поднялись в космос. Сотворили Ф-1 - улетели на Луну. Не сумели создать соотвтствующий движок - провалился Н-1. Сделали ССМЕ - получили шаттл. Не будем обижать остальные разделы ракетостроения - они важны, необходимы и зачастую тоже проваливали программы. Но движок - это как новогодняя елка. А уж нарядить ее можно по разному.
Увеличивать двигатели в размерах просто так нельзя. Что бы Вы сказали, если бы пушку налибром 460 мм сделали бы простым увеличением револьвера в 70 раз. Представьте себе на линкоре такое орудие в виде нагана длиной в 14 метров, подвешенного на тросах. Так и с увеличением размеров двигателя, даже в большей степени. Процессы слишком сложны и многочислены и во всех завязана геометрия.
Газ-газ - это не использование газообразного топлива. Это сжигание части топлива в неоптимальном соотношении для привода турбины насоса, а потом дожигание до оптимума в камере сгорания(КС). Газ-жидкость - 1 турбина, ее продукты дожигаются со вторым жидким компонентом. Газ-газ - турбин 2, а продукты (кислый и сладкий) дожигаются в КС. Вся проблема в том, что при увеличении давления в КС слишком велики потери на  привод насосов. При открытой схеме, когда газы из турбины сбрасываются за борт, потери такого количества газа ограничивают давление 70 - 100 атм. Больше - только закрытая схема, т.е с дожиганием турбинного газа в КС. И керосин в схеме газ-газ не переводится в газообразное состояние. Он так жидким и сжигается. Коксование к этому отношения не имеет, это проблемы организации охлаждения. Если компоненты низкокипящие, то можно допустить их вскипание в тракте и даже воспользоваться этим, но это газообразное состояние не имеет никакого отношения к "газу" в обозначении схемы работы.
Я очень уважаю своих собеседников, но все же советовал бы немного ознакомиться с обсуждаемым предметом. Достаточно много популярной литературы по этому вопросу, а студиозусы проходят такие вопросы еще в 1 семестре во "Введении в специальность". Это примерно так, как упомянуть, что у лошади снизу 4 ноги, сзади хвост, а спереди голова с глазами.
Надеюсь, что я никого не обидел.

[Гость 22]

Газ-газ - это не использование газообразного топлива. Это сжигание части топлива в неоптимальном соотношении для привода турбины насоса, а потом дожигание до оптимума в камере сгорания(КС).

Мы в курсе

Вся проблема в том, что при увеличении давления в КС слишком велики потери на  привод насосов.

Вообще-то, в закрытой схеме потерь на привод насосов нет (утечки и потери тепла через корпус ТНА не считаем). А то, что схема закрытая, подразумевается самой постановкой вопроса - предельный двигатель по схеме "газ-газ".

И керосин в схеме газ-газ не переводится в газообразное состояние. Он так жидким и сжигается.

Ну тогда это уже не "газ-газ". Не так ли?

Коксование к этому отношения не имеет, это проблемы организации охлаждения.

Хм... И как именно проблемы организации охлаждения делают невозможным перевод керосина в газообразное состояние (условно будем считать, что керосин вообще не коксуется)? Особенно учитывая, что кислородом тоже охлаждать можно. И не только небольшие части конструкции, как и сейчас это делают, но даже всю камеру: при давлениях более 20МПа (кажется) жидкий килород переходит в газ без кипения.

Я ... все же советовал бы немного ознакомиться с обсуждаемым предметом.

Хм... По-моему, avmich задал вполне корректный вопрос. Причем из вопроса следут, что его автор все-таки кое что о ЖРД знает.

Это примерно так, как упомянуть, что у лошади снизу 4 ноги, сзади хвост, а спереди голова с глазами.

А в чем здесь подвох? Где ошибка?  :lol:

[harsky_work]

РД-107 и РД-170 по отношению масса/тяга примерно одинаковые.
Так что про "разы" - малость преувеличено.

Так ведь РД-170 и не является предельным, по крайней мере в контексте данного топика

являлся 20 лет назад. а некоторые старые участники форума  :lol:  до сих пор ему этого простить не могут. для сравнения пойдет, а в случае сознания нового ПЖРД место РД-107 как раз займет РД-170... этакий low-level  

[Ворон]

РД-107 и РД-170 по отношению масса/тяга примерно одинаковые.
Так что про "разы" - малость преувеличено.

Так ведь РД-170 и не является предельным, по крайней мере в контексте данного топика

Кроме того, зависимость массы ЖРД от давления в КС имеет вид седла. Оба упомянутые Вами двигателя - на краях этого "седла". Так что оба примерно в равной степени не идеальные, хотя и по разным причинам - первый из-за низкого  давления, второй - из-за высокого.
 

 РД-170 является "предельным" в том смысле, что это реально используемый керосиновый двигатель с максимальным давлением.
 Разумеется, если давление ещё и ещё увеличивать, масса будет расти.

А разговоры "про стоимость" вообще "от Старого Шарлатана". Потратив одинаковые деньги можно изготвить G или нормальное изделие - это от кучи чего зависит.

Но все-таки есть наверное некие объективные факторы, влияющие на себестоимость. Пусть даже все изделия будут иметь одинаковую продажную цену, то все-равно внутренняя стоимость (т.е. себестоимость), например, ТНА на 200 МПа (для 100 МПа в КС) будет выше стоимости ТНА на 20 МПа (15 МПа в КС).
Так же как и себестоимость ДВС на 25 л.с. ниже стоимости ДВС на 300 л.с., даже если продаются они за одинаковую цену.

 А дело даже не в продажной стоимости.

 РД-107 имеет тягу раз в 10 меньше, чем РД-170, он точно имеет себестоимость в 10 раз дешевле, с учётом всей своей "простоты"?

[Гость 22]

РД-107 и РД-170 по отношению масса/тяга примерно одинаковые.
Так что про "разы" - малость преувеличено.

Так ведь РД-170 и не является предельным, по крайней мере в контексте данного топика

являлся 20 лет назад. а некоторые старые участники форума  :lol:  до сих пор ему этого простить не могут. для сравнения пойдет, а в случае сознания нового ПЖРД место РД-107 как раз займет РД-170... этакий low-level  

Ну, пусть даже и будет так: РД-170 - low-level
Но для сравнения это все-равно не пойдет - из-за упомянутого "седла" удельная масса предельного ЖРД будет постостоянно расти и отличаться от массы "обычного" ЖРД в разы. Особенно если "обычный" ЖРД делается в одно время с предельным, т.е. доступная технологическая база одинакова.

[Виктор]

Простите, вы не очень внимательно прочитали текст.

Вся проблема в том, что при увеличении давления в КС слишком велики потери на  привод насосов.

Вообще-то, в закрытой схеме потерь на привод насосов нет (утечки и потери тепла через корпус ТНА не считаем). А то, что схема закрытая, подразумевается самой постановкой вопроса - предельный двигатель по схеме "газ-газ".  

**Здесь я объяснял как раз особенности ОТКРЫТОЙ схемы.

И керосин в схеме газ-газ не переводится в газообразное состояние. Он так жидким и сжигается.

Ну тогда это уже не "газ-газ". Не так ли?

**Нет, конечно не так. Если керосин сжигается в жидком состоянии в газогенераторе, сладким газом идет в турбину, а потом в КС на дожигание с кислым газом, то это как раз "газ-газ".

Коксование к этому отношения не имеет, это проблемы организации охлаждения.

Хм... И как именно проблемы организации охлаждения делают невозможным перевод керосина в газообразное состояние (условно будем считать, что керосин вообще не коксуется)? Особенно учитывая, что кислородом тоже охлаждать можно. И не только небольшие части конструкции, как и сейчас это делают, но даже всю камеру: при давлениях более 20МПа (кажется) жидкий килород переходит в газ без кипения.

**Выше тройной точки, о которой Вы говорите, резкого фазового перехода действительно нет. Тут сразу ворох проблем снимается.
При грамотном охлаждении керосин безусловно не коксуется (это прописано в соответствующей литературе).  Кислородом охлаждать можно и нужно. Только при повышении давления его может не хватить - теплопоток в первом приближении можносчитать пропорциональным давлению.  Охлаждение с фазовым переходом позволяет снять больше тепла, но очень трудно организовывается. В определенный момент при наступлении пленочного кипения теплосъем резко снижается. Газовая фаза всегда хуже охлаждает, чем жидкостная. Если добавить. что граница фазового перехода зависит от множества факторов и может "гулять" по длине тракта, Вы получите такую неопределенность состояния, что врядли с ней справитесь. А если у Вас еще в форсунки пойдет то  газ, то жидкость, то их смечь в непредсказуемом соотношении, то я бы такой двигатель сразу в какое-нибудь кафе отправил бы.

Я ... все же советовал бы немного ознакомиться с обсуждаемым предметом.

Хм... По-моему, avmich задал вполне корректный вопрос. Причем из вопроса следут, что его автор все-таки кое что о ЖРД знает.
Кое-что - согласен.

Это примерно так, как упомянуть, что у лошади снизу 4 ноги, сзади хвост, а спереди голова с глазами.

А в чем здесь подвох? Где ошибка?  :lol:[/quote]
Это очередная аллегория.

[Гость 22]

РД-170 является "предельным" в том смысле, что это реально используемый керосиновый двигатель с максимальным давлением.

А из вопроса в первом постинге следует, что под предельным имеется в виду ЖРД с максимально возможным на сегодня давлением в КС. Так что 20-ти летний РД-170 действительно выпадает в low-end

Разумеется, если давление ещё и ещё увеличивать, масса будет расти.

Так вот об это и имелось в виду, когда говорилось про "разы".

РД-107 имеет тягу раз в 10 меньше, чем РД-170, он точно имеет себестоимость в 10 раз дешевле, с учётом всей своей "простоты"?

Если в одном изделии количество металла (по массе) в разы меньше, его характеристики хуже (за счет меньшей легированности), количество технологических операций меньше (меньше деталей за счет "простоты" ), чем в другом, то себестоимость этого другого просто не может быть такой же, как у первого.
Сколько при этом народу кормится с этих изделий и какова в результате цена - уже другой вопрос.

[Гость 22]

И керосин в схеме газ-газ не переводится в газообразное состояние. Он так жидким и сжигается.

Ну тогда это уже не "газ-газ". Не так ли?

**Нет, конечно не так. Если керосин сжигается в жидком состоянии в газогенераторе, сладким газом идет в турбину, а потом в КС на дожигание с кислым газом, то это как раз "газ-газ".

А что такое "сладкий газ"? Случайно, не газообразный керосин (в основном)?
В ГГ сжигается малая часть компонента - именно для того, чтобы перевести остальную его часть в газообразное состояние. Другого назначения у газогенератора нет.  Поэтому, если и будет сделан ЖРД "газ-газ" на керосине, то сжигаться  он все-таки будет в газообразном состоянии.

И керосин в схеме газ-газ не переводится в газообразное состояние. Коксование к этому отношения не имеет, это проблемы организации охлаждения.

Хм... И как именно проблемы организации охлаждения делают невозможным перевод керосина в газообразное состояние (условно будем считать, что керосин вообще не коксуется)?

**Выше тройной точки....

Это все так, но это не ответ на вышестоящий вопрос.

По-моему, avmich задал вполне корректный вопрос. Причем из вопроса следут, что его автор все-таки кое что о ЖРД знает.

Кое-что - согласен.

Достаточно для того, чтобы задать вопрос на форуме и понять смысл ответов. Отсылать его к учебникам нет необходимости.

P.S. Pls, не сочтите мои постинги за "наезд". На самом деле я рад, что встретил здесь очереного участника, хорошо разбирающегося в предмете.

P.P.S. На этом форуме нужно очень точно излагать свои мысли. Иначе некоторые его участники (я к ним не отношусь, разумеется , ухватившись за единственную неточность, выставят весь постинг (в общем - совершенно правильный) в таком свете, что читатели сочтут неправильным всё сообщение.

[Ворон]

Если в одном изделии количество металла (по массе) в разы меньше, его характеристики хуже (за счет меньшей легированности), количество технологических операций меньше (меньше деталей за счет "простоты" ), чем в другом, то себестоимость этого другого просто не может быть такой же, как у первого.
Сколько при этом народу кормится с этих изделий и какова в результате цена - уже другой вопрос.

 А вы приведите все эти показатели к тяге.

 Кстати, как вы оцениваете "стоимость легированности"? Да будет вам известно, от момента легирования до момента превращения заготовки в первичное изделие - лист, например, его стоимость существенно возрастает, и не пропорционально "легированности", для кое-чего пропорционально "нелегированности".
 Это зависит от конкретного техпроцесса. Цинк 99,99 стоит доллара 2 за кг, а вот титан 99.0 стоит (сейчас) долларов 20-50.

[Гость 22]

А вы приведите все эти показатели к тяге.

Вообще-то, обсуждаются два гипотетичесих двигателя одинаковой тяги и сделанные при наличии одинаковых технологтческих вохможностях. Один - предельный, второй - "нормальный".

Кстати, как вы оцениваете "стоимость легированности"?

Применение более дорогих стали и других сплавов. Хотя для предельного ЖРД вообще другие материалы могут потребоваться, с соотношением цен к нормальным как у цинка 99,99 и титана 99.0. Или еще больше.

Но Вы отвлеклись на частные детали. Главное же в том, что более тяжелые условия работы потребуют более дорогих материалов и техпроцессов.

Да будет вам известно, от момента легирования до момента превращения заготовки в первичное изделие ... его стоимость существенно возрастает, и не пропорционально "легированности". ...  Это зависит от конкретного техпроцесса.

Я в курсе  и учитываю это - см. конец моего предыдущего предложения

[Ворон]

А вы приведите все эти показатели к тяге.

Вообще-то, обсуждаются два гипотетичесих двигателя одинаковой тяги и сделанные при наличии одинаковых технологтческих вохможностях. Один - предельный, второй - "нормальный".

 Тогда надо определиться с "концепцией предельности".
 Для меня это "НК-33 с тягой в 1000 тонн" - по показателям масса/тяга и УИ.

Кстати, как вы оцениваете "стоимость легированности"?

Применение более дорогих стали и других сплавов. Хотя для предельного ЖРД вообще другие материалы могут потребоваться, с соотношением цен к нормальным как у цинка 99,99 и титана 99.0. Или еще больше.

Но Вы отвлеклись на частные детали. Главное же в том, что более тяжелые условия работы потребуют более дорогих материалов и техпроцессов.

 Про "дорогие комплектующие" сразу забудьте, если это не агрегаты, которые изготовляет субподрядчик.
 Про "техпроцессы" тоже забудьте, фигня всё это.

 Идея тут такая - для создания "ЖРД нового уровня давления" надо разработать целую кучу новых подходов, и оснастки. Когда они уже есть - всё остальное недорого.
 Это так, как и в других областях техники, "рутинное" решение не требует капитальных затрат, новое - требует.

Да будет вам известно, от момента легирования до момента превращения заготовки в первичное изделие ... его стоимость существенно возрастает, и не пропорционально "легированности". ...  Это зависит от конкретного техпроцесса.

Я в курсе  и учитываю это - см. конец моего предыдущего предложения

 Вот вам пример - пластиковые бутылки и стеклянные. Стеклянные существуют тысячи лет. Пластиковые появились недавно.
 Но это не значит, что пластиковые дороже.

[avmich]

Давайте расскажу, откуда вопрос взялся.

Безусловно, об экономичности - денежной - в этой теме речи не идёт; я считаю, что программа разработки такого ЖРД будет весьма дорогой, и каждый отдельный экземпляр первое время - тоже.

Но можно вести речь о "новых технологических горизонтах". То есть, придётся проработать вопросы горения в камере большого объёма, при большом давлении. Схема газ-газ предлагалась как предельная из тех, что сегодня считаются достижимыми технологически - то есть, не требуется "слишком принципиально новых" научных прорывов для того, чтобы её реализовывать. Нужна "всего лишь" работа вблизи сегодняшних технологических пределов - предельная на сегодня схема, очень серьёзные абсолютные параметры...

РД-170 является, в определённом смысле, предельным двигателем - при схеме жидкость-газ не получается, теоретически, иметь давление в камере существенно больше, чем у РД-170. И УИ, соответственно. Разработка "нового предельного" ЖРД позволила бы глянуть на РД-170 в перспективе - сейчас-то он является точкой на краю графика.

В общем, это вопрос скорее по ЖРД-строительной науке - точнее, технологии - чем по применению. Надежда на то, что после такой разработки :) можно было бы удобнее модифицировать РД-170 в сторону, в том числе, и грамотного удешевления. В целом, задача нацелена на получение новых знаний на рубежах сегодняшних возможностей.

[Гость 22]

В общем, это вопрос скорее по ЖРД-строительной науке - точнее, технологии.

Max. возможное давление в КС определяется балансом мощностей ТНА при заданной температуре в ГГ, которая в свою очередь ограничена стойкостью материалов. Если мне не изменяет память, то ~50-60 МПа в КС получить при схеме газ-газ вполне можно и при наличии нынешних материалов. РД-701, кстати, расчитывался на ~30МПа в керосиновом режиме; хотя какая у него ПГС - мне не известно.

Навскидку, придется решать следующие проблемы:

Рабочие процессы: устойчивое горение при больших давлениях.

Охлаждение КС, ГГ и газоводов кислородом (или обоими компонентами): одного керосина уже точно не хватит.

Охлаждение элементов турбин (~ сопловых аппаратов и лопаток). Здесь можно позаимствовать кое-что из ТРД.

Конструкционные материалы: от наличия подходяших будет зависить очень многое. Например, можно ли будет организовать надежное охлаждение кислородом (причем частично - газообразным); можно ли при этом не применять внутреннее охлажление - УИ от этого растет; какова max. допустимая температура в ГГ (входит в уравнение баланса мощностей и сильно влияет и на давление в КС, и на размеры и массу ТНА); допустимые обороты ТНА (опять размеры и масса); etc.

Плюс то, о чем я сейчас забыл

Вобщем, есть над чем работать.

Есть и альтернативы.

Например, охлаждение третьим нерасходуемым компонентом.

Или форсирование расширительной (или испарительной) схемы - больше подходит для водорода, но и на кислороде или метане тоже можно сделать. К примеру, считается, что с использованием водорода можно достигнуть давления в КС до 15 МПа - против 4 МПа у RL-10B-2 или 8 МПа у РД-0146. Тоже "новые горизонты", хотя и не для первой ступени .

[Ворон]

Вот два таких вопроса - а что, если КС вообще ничем не охлаждать?
 Обляпать её и сопло теплозащитой, которая простоит весь период работы двигателя?

 Второе - интересно, а какое вообще, теоретически, может быть давление в КС? Ведь рано или поздно вся энергия топлива должна будет уходить на создание этого самого давления?

[Александр Ч.]

Чем дальше обсуждение, тем больше меня мучит вопрос, а надо ли такое "предельное" чудо? Может параллельно с восстановлением производства НК-33 повторить тот же двигатель, но на современной базе?
Честное слово, кроме, как теоретического, другого применения у заявленного "монстра" я не вижу. Даже использование его для одноступенчатого многоразового корабля мне представляется сомнительным.

[Старый]

РД-170 является, в определённом смысле, предельным двигателем - при схеме жидкость-газ не получается, теоретически, иметь давление в камере существенно больше, чем у РД-170.

Это почему это?

И УИ, соответственно.

А вот УИ да. Но схема газ-газ этому не поможет.

[harsky_work]

Чем дальше обсуждение, тем больше меня мучит вопрос, а надо ли такое "предельное" чудо? Может параллельно с восстановлением производства НК-33 повторить тот же двигатель, но на современной базе?
Честное слово, кроме, как теоретического, другого применения у заявленного "монстра" я не вижу. Даже использование его для одноступенчатого многоразового корабля мне представляется сомнительным.

несомненно необходимо, даже говорить не о чем. тот же РД-107 был 45 лет назад хайтеком. а теперь смотрим на него и понимаем что мощность мала, сложность велика (не ведро все-таки). сравнительно низкая стоимость исключительно из-за долгой отработки, наличия кадров и остнастки.  точно тоже самое произойдет с РД-170/180/190. остнастка есть, массовость и серийность растут - чего бы цене не упасть? т.е. всякое новое изделие при лучших технических характеристиках со временем падает в стоимости и может заменить предшевствующее.

заманчиво было бы делать двигатели (впрочем это относится к любым устройствам) в две стадии: сначала предельный вариант железки, дорогой и навароченный. а потом по мере освоения технологии дешевый, c небольшим падением характеристик и более значительным падением цены. в компьютерной индустрии примерно так и поступают, несмотря на то что запустить новый чип на новом процессе стоит денег сравнимо с разработкой нового ЖРД. есть правда одно отличие - там гуляют на свои