Предельный ЖРД первой ступени

[avmich]

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.

Схема газ-газ позволяет иметь большее давление в КС. А УИ от давления зависит. Хотя вот насколько УИ увеличится - это надо смотреть на конкретные величины.

То, что двигатель будет чрезвычайно дорог, за первый экземпляр :) сомнению не подвергается.

[avmich]

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

Вот это интересно. Насколько я знаю (могу и ошибаться), для охлаждения ЖРД закон 3/2 справедлив - увеличивая тягу камеры, мы расход топлива увеличиваем пропорционально объёму, а охлаждаемую поверхность - пропорционально площади; поэтому с ростом тяги на камеру тепло на единицу расхода, скажем, керосина падает.

Поскольку речь идёт о "предельном" ЖРД, можно упереться и на всю катушку использовать идеи транспирационного охлаждения. Лазерное перфорирование огневой стенки (т.е. управляемое, регулярное нанесение отверстий), чтобы и прочность сохранить, и теплозащиту поднять, подбор материала... да даже, наверное, из технологических процессов по созданию Вулкана - ЖРД Ариан-5 - можно что-то позаимствовать. По условию, ограничений в деньгах практически нет.

[Старый]

Схема газ-газ позволяет иметь большее давление в КС.

Это ниоткуда не следует. Увеличивая подачу керосина в ГГ РД-170 можно его форсировать и дальше до упора.

 Упор наступает когда всё топливо сгорает в ГГ, проходит через турбину и истекает через сопло.

[Гость 22]

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

Вот это интересно. Насколько я знаю (могу и ошибаться), для охлаждения ЖРД закон 3/2 справедлив - увеличивая тягу камеры, мы расход топлива увеличиваем пропорционально объёму, а охлаждаемую поверхность - пропорционально площади; поэтому с ростом тяги на камеру тепло на единицу расхода, скажем, керосина падает.

Во-первых, с ростом давления растет и толщина стенки (по условиям прочности), что ведет к росту перепада температур на ней. "Горячая" стенка становится слишком горячей .
А во-вторых (и это главное, что я имел в виду) в предельном двигателе может быть необходимо охлаждеть не только камеру, но и ГГ, газоводы, и даже турбины. Например, в РД-170 ГГ и газоводы уже охлаждаются кислородом. Почему так? Просто захотелось или все-таки керосина уже не хватает?

Поскольку речь идёт о "предельном" ЖРД, можно упереться и на всю катушку использовать идеи транспирационного охлаждения.

Любой вид внутреннего охлаждения снижает УИ.

Схема газ-газ позволяет иметь большее давление в КС.

Это ниоткуда не следует. Увеличивая подачу керосина в ГГ РД-170 можно его форсировать и дальше до упора.
Упор наступает когда всё топливо сгорает в ГГ, проходит через турбину и истекает через сопло.

Все-таки, сегодня пока еще есть ограничния по температуре на турбине - вундер-материалов нет

Схема "газ-газ" позволяет при той же температуре на турбине, что и в схеме "газ-ж.", почти в два раза увеличить мощность ТНА, а значит и давление в КС.

А в принципе - да: размещение турбины в КС с подачей на нее всего расхода, сгоревшего при стехиометрическом соотношении, - предельный случай обоих схем.

[avmich]

Схема газ-газ позволяет иметь большее давление в КС.

Это ниоткуда не следует. Увеличивая подачу керосина в ГГ РД-170 можно его форсировать и дальше до упора.
Упор наступает когда всё топливо сгорает в ГГ, проходит через турбину и истекает через сопло.

Все-таки, сегодня пока еще есть ограничния по температуре на турбине - вундер-материалов нет :(

Схема "газ-газ" позволяет при той же температуре на турбине, что и в схеме "газ-ж.", почти в два раза увеличить мощность ТНА, а значит и давление в КС.

А в принципе - да: размещение турбины в КС с подачей на нее всего расхода, сгоревшего при стехиометрическом соотношении, - предельный случай обоих схем.

Сгорание всего топлива в ГГ и прохождение через турбину считается более совершенным, чем газ-газовая схема. Такую схему даже пытались в, кажется, RZ-2 реализовать. Проблема тут в том, что не получается и высоких температур добиться - что требуется для УИ - и не сжечь турбину. Схема газ-газ как раз и является, насколько мне известно, наилучшим достижением в плане энергетики турбин при допустимых температурах.

В случае РД-170 при увеличении керосина в кислом ГГ поднимется температура и сгорит турбина, в сладком - температура снизится, энергетика упадёт, если только, конечно, рост расхода не скомпенсирует это - но тогда фактически мы приближаемся к газ-газовой схемы. Собственно, известно, что разработчики РД-170 как раз оптимизировали параметры при условии схемы газ-жидкость - без принципиальных усложнений просто поднять параметры на РД-170 не удаётся, по крайней мере, на существенные величины.

[avmich]

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

Вот это интересно. Насколько я знаю (могу и ошибаться), для охлаждения ЖРД закон 3/2 справедлив - увеличивая тягу камеры, мы расход топлива увеличиваем пропорционально объёму, а охлаждаемую поверхность - пропорционально площади; поэтому с ростом тяги на камеру тепло на единицу расхода, скажем, керосина падает.

Во-первых, с ростом давления растет и толщина стенки (по условиям прочности), что ведет к росту перепада температур на ней. "Горячая" стенка становится слишком горячей :).

Прочность стенки зависит не от давления с одной стороны, а от разности давлений с двух сторон.

Прочность стенки вообще зависит от размера пролёта, материала, разности давлений и температуры. Наилучший материал - медь или медные сплавы, это давно не меняется; пролёт определяется в значительной степени гидродинамикой, температура стенки - температурой газа, которая, в свою очередь, зависит в основном от выбранных компонентов топлива. Таким образом, при фиксированных материале (наилучшем), температуре (известной для ЖК-керосина) и пролёте максимальная допустимая разность давлений - определимая величина. Её и используют в расчётах, и при конструировании.

Конечно, это достаточно грубая схема, но идею, надеюсь, иллюстрирует.

А во-вторых (и это главное, что я имел в виду) в предельном двигателе может быть необходимо охлаждеть не только камеру, но и ГГ, газоводы, и даже турбины. Например, в РД-170 ГГ и газоводы уже охлаждаются кислородом. Почему так? Просто захотелось или все-таки керосина уже не хватает?

Более совершенная конструкция, я думаю. Хладоресурс ЖК используется, что, конечно, усложняет дело, но позволяет поднять температуру на турбине, а значит, давление в камере, а значит, УИ.

Да, здесь может керосина не хватать. Другое дело, насколько нужно охлаждать именно ГГ и газоводы по сравнению с охлаждением камеры... в ГГ всё же температуры (после второй ступени в двухступенчатых ГГ) куда ниже, чем в КС.

Поскольку речь идёт о "предельном" ЖРД, можно упереться и на всю катушку использовать идеи транспирационного охлаждения.

Любой вид внутреннего охлаждения снижает УИ.

Да, но как раз транспирационное охлаждение снижает в наименьшей степени - не считая, конечно, регенеративного, но от него никто и не будет отказываться. Дополнительное охлаждение имеет смысл, когда не хватает основного; просто при повышении давления в КС может возрасти теплопоток, и хватит ли регенеративного охлаждения, неясно.

[Старый]

Удельный теплопоток в стенку КС зависит от температуры и давления газа внутри. Так что при повышении давления надо полагать суммарный теплопоток растёт быстрее чем давление? .

[Старый]

Гостю 22.
Да, если газифицировать оба компонента то температура на турбине будет ниже. Однако с учётом объёмного и массового расхода и молекулярной массы компонентов реально морочиться с турбиной на газообразном керосине нет никакого смысла. А при высокой температуре он ещё и разлагается с образованием кокса...
 Можно предположить что повышать давление и непературу в кислородном ГГ проще.
 А кстати, никто не знает, какая тепература перед турбиной у РД-170/180?

[Ворон]

Нет, объясните мне - почему ЖРД надо непременно охлаждать чем-то принудительно?
 РДТТ ничем не охлаждают, почему не сделать КС покрытую теплозащитой и не морочиться с этим охлаждением?
 Оно же проще станет.

[avmich]

Удельный теплопоток в стенку КС зависит от температуры и давления газа внутри. Так что при повышении давления надо полагать суммарный теплопоток растёт быстрее чем давление? .

Теплопоток растёт примерно как давление в степени 0,85. То есть, подняв давление в 10 раз, поднимаем теплопоток в 7. Это - грубые оценки, в нулевом приближении.

[avmich]

Можно предположить что повышать давление и непературу в кислородном ГГ проще.

Во времена холодной войны, когда до американцев начали доходить первые разведданые о советских ЖРД, серьёзные специалисты считали, что ГГ на окислительном газе - это дезинформация.

В окислительном ГГ повышать температуру приходится осторожно.

[avmich]

Нет, объясните мне - почему ЖРД надо непременно охлаждать чем-то принудительно? :)
 РДТТ ничем не охлаждают, почему не сделать КС покрытую теплозащитой и не морочиться с этим охлаждением?
 Оно же проще станет. :)

Конструкция РДТТ :) - топливо охлаждает стенки камеры до того, как сгорит.

А если конструкция другая - очень даже приходится мучаться с охлаждением. Тут и графитовые вставки, и абляционные покрытия...

[Ворон]

Нет, объясните мне - почему ЖРД надо непременно охлаждать чем-то принудительно?
 РДТТ ничем не охлаждают, почему не сделать КС покрытую теплозащитой и не морочиться с этим охлаждением?
 Оно же проще станет.

Конструкция РДТТ - топливо охлаждает стенки камеры до того, как сгорит.

А если конструкция другая - очень даже приходится мучаться с охлаждением. Тут и графитовые вставки, и абляционные покрытия...

 И почему же "то самое" не применить на ЖРД?

 Если рассматривается одноразовый ЖРД - вообще нет проблем.

 Так как "двигатель первой ступени" - время работы 120-300 секунд.

[Гость 22]

А кстати, никто не знает, какая тепература перед турбиной у РД-170/180?

В РД-170 температура перед турбиной 772 K, давление 52 МПа, перепад на турбине 1.94, кпд 0.79
Для сравнения (параметры в том же порядке): РД-120 - 735 K, 32 МПа, 1.76 и 0.72; РД-253 - 783 K, 24 МПа, 1.42 и 0.74

[Старый]

В РД-170 температура перед турбиной 772 K,

О, так это ж ерунда! Она легко выдержит на 500 больше!

[Дмитрий В.]

В РД-170 температура перед турбиной 772 K,

О, так это ж ерунда! Она легко выдержит на 500 больше!

Да - не расплавится, однако "поползет" и работать не будет - ИМХО надо будет лопатки турбины охлаждать, либо переходить на керамику.

[Гость 22]

с ростом давления растет и толщина стенки (по условиям прочности), что ведет к росту перепада температур на ней. "Горячая" стенка становится слишком горячей.

Прочность стенки зависит не от давления с одной стороны, а от разности давлений с двух сторон.

Если принять степень понижения давления на турбине неизменной (например, 1.94 - как в РД-170), то отностельный перепад давлений в камере и в рубашке является константой (примерно те же 1.9); т.е. абсолютное значение перепада растет пропорционально росту давления в КС. Cледовательно, толщина стенки тоже растет.

Другое дело, насколько нужно охлаждать именно ГГ и газоводы по сравнению с охлаждением камеры... в ГГ всё же температуры (после второй ступени в двухступенчатых ГГ) куда ниже, чем в КС.

Сейчас - да. Но мы же говорим о предельном ЖРД. Поднять температуру в "кислом" ГГ до 1000 K и более можно только при условии охлаждения соответсвующих агрегатов. Ну и при широком применении "кислостойкого" ТЗП, конечно.

Любой вид внутреннего охлаждения снижает УИ.

Да, но как раз транспирационное охлаждение снижает в наименьшей степени. Дополнительное охлаждение имеет смысл, когда не хватает основного; просто при повышении давления в КС может возрасти теплопоток, и хватит ли регенеративного охлаждения, неясно.

Все-таки делать предельный ЖРД с целью получения нескольких секунд УИ, и при этом сжигать один из компонентов в пристеночном слое при неоптимальном соотношении, - не рационально. Лучше уж тогда отказаться от внутреннего охлаждения в РД-170 и получить прибавку УИ при неизменном уже достигнутом давлении.

[Гость 22]

Да, если газифицировать оба компонента то температура на турбине будет ниже. Однако с учётом объёмного и массового расхода и молекулярной массы компонентов реально морочиться с турбиной на газообразном керосине нет никакого смысла. А при высокой температуре он ещё и разлагается с образованием кокса...

Ну, никто же не утверждает, что это будет просто
А вообще, говорят, что CH4 тоже разлагается. Сажу вроде бы даже так делают в промышленности. И в то же время есть исследования, показывающие, что возможно создание замкнутого ЖРД с восстановительным газом на метане. И испарительный цикл с метаном тоже возможен.
Может, и с керосином чего выйдет?

[Гость 22]

почему не сделать КС покрытую теплозащитой и не морочиться с этим охлаждением? Оно же проще станет.

Так их и применяют. Например, ТЗП на основе окисей алюминия или магния наносят на "горячую" стенку КС. Но из-за того, что металлические стенки камеры ЖРД "дышат" под нагрузкой, то наносят тонкий слой, недостаточный для полной защиты камеры. Так что такое покрытие применяют только в сочетании с наружым охлаждением.

У аблирующих покрытий есть свои недостатки. Например, покрытия с внешним уносом массы снижают УИ и изменяют геометрию сопла. Хотя последний "недостаток" можно использовать для создания сопла с "регулируемым" (необратимо в одну сторону крит. сечением.

[Старый]

Дык с метаном говорят это всё при умереных параметрах...
 Опять же молекулярная масса... У метана она существенно ниже чем у даже кислорода. Значит в килограме метана существенно больше молекул чем в килограме керосина. Значит хороший газ из него...