Самая удачная ракета для освоения Луны

[avmich]

Что-то давно я тут не видел обсуждения переделки Протона :) - замены третьей ступени на водородную. А вроде в контексте понимания альтернатив и того, какое место занимает водород на шкале желаний/возможностей...

Итак, самым простым способом получить ПН на орбите, заметно большую, чем максимально доступная сейчас, можно, разработав для Протона 3-ю водородную ступень. Это и дешевле всего (ракета уже есть, СК тоже), и достаточно быстро (3-я ступень Протона не так велика).

Есть возражения? :)

[foogoo]

Сколько будет стоить эта переделка? Вы уверены, что стартовый комплекс не придётся переделывать?

[avmich]

Не знаю, конечно :) но что-то можно оценить.

Итак, согласно Вэйду, третья ступень Протона весит 50,747 тонн, сухая масса 4,185 тонны. На ней стоит воронежский РД-0212, УИ 3210 м/с, тяга 49,1 тс, масса 640 кг. Считаем, что ПН Протона, ориентировочно, 22 тонны. Водородный двигатель предлагается, конечно, Д-57, люльковский. Точнее, Д-57М. УИ 461 с = 4522 м/с, тяга 44 тс, масса 874 кг. Раздвижное сопло :) . Это, так сказать, технические исходные данные (по движкам данные из справочника "Двигатели 1944-2000").

Суммарная масса третьей ступени (мы её не меняем) - 72,7 тонн (у нас, к сожалению, ПН неизвестна точно :( ). Сухая масса - 26,2. Отношение масс - 2,775. Логарифм этого - 1,021. При УИ 3210 м/с получаем ХС = 3276 м/с - это характеристическая скорость третьей ступени с такой ПН. Довольно большая :) хорошо. Нам нужно водородной ступенью достичь такой же ХС.

При УИ 4522 м/с отношение ХС/УИ получается 0,724, а экспонента этого - 2,063. Что при полной массе 72,7 тонн даёт сухую - 72,7 / 2,063 = 35,2 тонны. Какую часть этой массы может составлять водородная ступень?

Двигатель, как мы знаем, весит больше на 234 кг. Топлива у нас меньше по массе - всего 37,5 тонн. Будем оценочно считать, что масса ступени - 6,2 тонны, то есть, массовое совершенство ступени - около 7, вместо 12+. Для такой водородной ступени, мне кажется, выглядит реалистично. Соотношение компонентов там 5,8 - то есть, чуть меньше 6 тонн водорода в заправленной ступени, остальное кислород.

Тогда на ПН остаётся 29 тонн. Заметим, что водородный двигатель имеет несколько меньшую тягу, что приведёт к повышению времени работы двигателя, что приведёт к повышению гравитационных потерь, что потребует несколько большей ХС. Что надо пересчитать :) . Но - пока что мы получили прибавку ПН 30%, сделав всего одну ступень.

Стоимость? Понадобится, конечно, переделка ракеты - разработка новой ступени и адаптация под эту ступень остальных двух. Двигатель существует, габариты ракеты не сильно меняются (хотя, конечно, систему управления придётся адаптировать), масса вообще не меняется. Водородная система - это да. 6 тонн - умножим на 3, с учётом утечек, это 18 тонн водорода, 260 кубометров, шарик радиусом 4 метра. Хотя скорее несколько шариков поменьше :) скажем, 10 по 3,9 метра, но уже диаметром, чтобы, понятно, по ЖД везти... Придётся установить поблизости, водородные трубопроводы, остальное хозяйство... На Энергии, конечно, это всё покруче было, но всё же - несколько больше, чем 12КРБ. Переделки ракеты - несколько больше, чем переход от Протона-К к Протону-М, но сравнимы. Переделки СК - довольно большие; заметим, однако, что для КВРБ это всё равно планируется делать.

Зато, если кому интересно, РБ, выводимый таким Протоном, может отправлять связку Союз-Фрегат к Луне.

[Дмитрий В.]

Вот здесь: http://dv-5678.narod.ru/Selena_55.jpg
 можно посмотреть, как выглядит гипотетический носитель на базе элементов 11к25 и УРМ "Ангары", ПН=55-60 т. Автор начальной идеи - Spacer, развитие идеи в части перехода от блоков А к ББ на базе УРМ-1 - Ваш покорный слуга. Ну, а автор замечательного рисунка - Александр Шлядинский. За что ему огромное спасибо! С уважением, Дмитрий В.

[Дмитрий В.]

Прикинул я «Протон» с 3-ей водородной ступенью. Расчет вел в программе на основе спредшита ratman'а.
Исходные данные:
-орбита круговая 200*200 км, наклонение 51 град, старт из Байконура;
-двигатель на 3-й ступени 11Д57М (тяга 44тс, УИ=461с, тяга рулевиков не учитывалась);
-масса топлива 1-й ступени 419,41 т (рабочий запас), конечная масса блока 1-й ступени 30,6 т, тяга одного РД-275 принята 161 тс.
-масса топлива 2-й ступени 156,113 т (рабочий запас), конечная масса блока 2-й ступени 11,4 т,
тяга 4-х ЖРД принята 234,45 тс.
-мсса ГО = 4000 кг, сброс на 183 с полета.
-варьируемые параметры – масса 3-й ступени, относительная конечная масса 3-й ступени (определяет рабочий запас топлива), параметры программу угла тангажа (в двух вариантах: линейный тангенс угла тангажа и кусочно-линейное управление).
Расчет велся из условия максимума полезной нагрузки.\
Результаты:
Мст = 690,63-697,915 т
Масса 3-й ступени (с ПН) = 69,1-76,4 т;
Масса топлива 3-3 ступени 32,6-39,56 т;
Конечная масса блока 3-й ступени 4,712-5,47 т.
Масса ПН = 31,79-31,36 т.
Разброс параметров обусловлен: точностью солвера, различием программ управления по тангажу.
С учетом поправок на погрешности расчетов и резерва, можно принять массу ПН в районе 29-30 т. Так что, на прикидки avmich'а очень похоже.
С уважением, Дмитрий В.

[Fakir]

Так какого хрена хруники не раскручивают такой вариант?! Блин, переработка одной-единственной ступени - и такой эффект! И на фига тогда вся "Ангара"?!
Недомыслие или вредительство? :wink:  :mrgreen:

Вообще любопытно, почему у нас так мало уделяется внимания разработкам водородных 3-их ступеней для уже существующих ракет...

[Feol]

Несимметричный диметилгидразин раздражает, наверное..

[Know How]

Транслирую рисунок А.Шлядинского по материалам Дмитрия В.

[Дмитрий Виницкий]

Повторяю картинку от 16.02.06


Зениты в ассортименте

[avmich]

Так какого хрена хруники не раскручивают такой вариант?! Блин, переработка одной-единственной ступени - и такой эффект! И на фига тогда вся "Ангара"?!
Недомыслие или вредительство? :wink:  :mrgreen:

Вообще любопытно, почему у нас так мало уделяется внимания разработкам водородных 3-их ступеней для уже существующих ракет...

Во-первых, эта идея даже на форумах уже проходила, тем более, уверен, о ней думали, скажем, в ЦиХе.

Во-вторых, всё-таки водород - это водород. До последней ФКП 15 лет руки не доходили до КВРБ. Только сейчас есть надежда, в связи с улучшением финансов, всё же сделать водородный РБ "для себя".

Конечно, хорошо бы, так сказать, "заодно" проапгрейдить Протону третью ступень. С другой стороны, если КВРБ примут решение запускать только на Ангаре - что возможно - то водородную инфраструктуру будут делать только в Плесецке. Если, конечно, Байтерек не станет неизбежностью.

Дальше, Д-57М, хоть и оттестирован по полной, в космос не летал, а движку всё же 30 лет. Сможет ли Люлька-Сатурн возобновить его выпуск? Это ведь довольно большой вопрос. Наверняка какие-то экземпляры имеются на складе, но Протон - ракета довольно массовая (и Ангаре, в принципе, как замене, уготована похожая участь).

С другой стороны, если Д-57 расконсервировать, возможно, со временем удастся поднять его тягу, уменьшив гравипотери и слегка подняв ПН. Кстати, возможен также (как и на Протоне, впрочем) вариант, когда третья ступень работает как третья ступень Сатурна-5 - часть топлива используется для выхода на орбиту, часть - как топливо РБ. При этом ХС может ещё повыситься.

Заметим, что для Ангары просчитать водородный вариант сложнее из-за расплывчатости характеристик Ангары... Если считать, что пакет УРМов - это первая и вторая ступени, то третья водородная там и так предполагается.

Вот, кстати. Известны ли подробности того, какая водородная ступень предлагается для Ангары, номером третьим?

[Fakir]

avmich

Конечно, хорошо бы, так сказать, "заодно" проапгрейдить Протону третью ступень. С другой стороны, если КВРБ примут решение запускать только на Ангаре - что возможно - то водородную инфраструктуру будут делать только в Плесецке. Если, конечно, Байтерек не станет неизбежностью.

А что должна представлять собой водородная инфраструктура? Особенно - если она может быть востребована на нескольких стартах? Чем она отличается для разных ракет?
Я, собственно, к чему: во-первых, от водородной инфраструктуры "Энергии" на Байконуре, наверное, хоть что-то да осталось, а во-вторых, водородная последняя ступень не помешала бы и "Союзу", и "Зениту". Если таким образом проапгрейдить все используемые РН - это ж песня бы получилась. В зависимости от ПН пускаем носители с керосиновой/гидразиновой последней ступенью, расширяем нишу каждого носителя, и, надо полагать, удешевляем выведение, пусть и несильно.

[avmich]

Здесь - http://www.cryogenmash.ru/hydrogen.php - предлагается и хранилище для водорода на вышеупомянутый объём (250 м3), и установки сжижения водорода (до 700 кг/час), и вспомогательные устройства. Неудивительно - фирма занималась Энергией, которая РН, по тем же вопросам. Сколько это стоит, Криогенмаш скромно умалчивает :) . Но радует уже то, что фирма есть.

Не знаю, что осталось на Байконуре от энергиевской криогеники. Надо спрашивать, например, Вована. Вообще, насколько я знаю :) системы заправки топливом, тем более таких монстров, как Энергия, тем более водородом - это, во-первых, системы очень непростые, а во-вторых, привязанные к конкретному стартовому комплексу. Ну, понятно, чтобы заправить ЦБ Энергии, сначала водород из, скажем, цистерн нужно залить в промежуточную огромную ёмкость, откуда уже водород под давлением по захоложенным магистралям поступает в ЦБ. Даже если водородный завод тут же стоит, всё равно буферная ёмкость нужна - не будешь же сжижать водород со скоростью заправки, никакой мощности не хватит... А протоновские старты далеко от УКСС. Разве что перетащить водородное хозяйство поближе... но это тоже тот ещё проект - среди прочего, это же очередной "разбор на запчасти" энергиевских стартов, то есть, усложняет их возможное использование в будущем.

Водородная ступень Союзу не помешала бы настолько, что даже есть планы её разработки, в Союзе-3 ( http://www.russianspaceweb.com/soyuz3_lv.html ) . Но вот где этот Союз-3 будут пускать... пока что ждём в октябре пуска Союза 2-1б, а в конце 2008-го - завершения строительства в Куру стартового комплекса для Союза, видимо, Союза-ST. Который вроде бы есть Союз 2-1б с обтекателем от Ариан-4, предназначенный для запусков из Куру.

Зенит... Зениту водород тоже бы не помешал, конечно. Но там политика... Так же как Протону мешает получить КВРБ то, что Байконур (и старты Протона) - на казахской земле (это не единственная, но немаловажная причина), так и Зениту водородную ступень мешает получить политика. Союзу проще - он и из Плесецка летать может, и из Куру, где с водородом попроще :) . Ещё водород бы пошёл для Ангары - но её нет ещё...

[Fakir]

А зачем перемещать водородный завод, оставшийся от "Энергии", к старту "Протона" или "Союза"? Нам же надо заправить не огромный ЦБ "Энергии", а относительно скромную ступень "Протона" или просто скромную - "Союза". ИМХО, в таком случае можно попытаться перевезти водород на старт просто цистернами, ведь его немного - хватит двух-трёх цистерн. Заодно, наверное, и безопасность будет повыше, раз завод дальше от старта можно держать.
То есть, наверное, непосредственно у стартов достаточно построить просто (ну, не очень просто, конечноо) заправочную арматуру, может быть, с собственными ёмкостями, куда водород сливается из цистерн - а может быть, и ёмкостей не понадобится. Главное - водородный завод один на все старты, причём уже существующий (или - частично существующий, хоть что-то ж должно было сохраниться).

[avmich]

Я уверен, что заправлять из цистерн (авто или ж/д) водород нельзя. Промежуточная ёмкость - на полный объём заправки плюс потери - нужна всегда вблизи старта.

Эти ёмкости и арматура перевалки водорода - довольно сложная система. И довольно дорогая. По ссылке, одна ж/д цистерна - это 100 кубометров водорода, автоцистерна - 25 или 45 кубометров. То есть, для заправки третьей ступени Протона водород даже привозить можно... Проблема не столько в самом водороде, сколько в той системе, которая нужна для его заправки.

Это как я себе понимаю состояние дел.

[Андрей Суворов]

Я уверен, что заправлять из цистерн (авто или ж/д) водород нельзя.

На чём базируется такая уверенность? 12КРБ заправляли именно что с колёс. 7 тонн водорода, это, конечно, 100 кубометров, но ведь это всего семь тонн! Можно сделать восьмиосную ж/д цистерну, которая вписывается в стандартные габариты и в которую поместится полная заправка КВРБ для Протона/Ангары, и потери будут приемлемыми.
Потери водорода на захолаживание движка размера КВД-1М измеряются младшими десятками килограммов, на магистрали для заправки КВРБ - плюс ещё столько же.
Основные сложности водородной инфраструктуры другие - вакуум-насосы, осушители, захолаживатели, дожигатели и тому подобная аппаратура, без которой обходится кислородный цикл, поскольку пары кислорода можно смело травить в атмосферу, а выпавший иней - просто отфильтровать обычными сетчатыми фильтрами.

Промежуточная ёмкость - на полный объём заправки плюс потери - нужна всегда вблизи старта.

Если речь идёт только о разгонном блоке/4 ступени, все трудности реально преодолимы относительно легко. А вот если о третьей ступени, я уж молчу о нижних, тогда, да, вкладываться придётся очень серьёзно, если заранее на стартовом комплексе водорода не было...

[Bell еще раз]

Насколько я понимаю, основная проблема водорода на Протоне - слишком большие размеры водородной ступени. Не вписывается она в габариты Протона никак

Как вариант - переделка 1й ступени на керосин и замена 2й и 3й ступеней на одну большую водородную. 35 - не 35, но тонн 25 должно вытягивать.

[Старый]

Насколько я понимаю, основная проблема водорода на Протоне - слишком большие размеры водородной ступени. Не вписывается она в габариты Протона никак

Как вариант - переделка 1й ступени на керосин и замена 2й и 3й ступеней на одну большую водородную. 35 - не 35, но тонн 25 должно вытягивать.

Лучше всего один водородный РБ вместо 3-й ступени и блока ДМ сразу. Как Центавр. Тогда и по габариту влезет. Можно даже слегка надкалиберный.

 Пардон за офтопик, а куда тот Белл делся?

[mihalchuk]

Дмитрий В.:

Михальчук писал(а):

Ну, уж если поиски продолжаются, почему бы и мне не предложить свой вариант: масштабированную под РД-180 А4.
Вообще "освоение" - громкое слово, все ракеты, что здесь обсуждались, более соответствуют теме "Если завтра Луна", т. е. берём и делаем из того, что есть.
С калькулятором и на пальцах получается вот что.
Стартовая масса - 1216 т.
Состав:
1-я ступень - 3 однобаковых блока диаметром 4,1 м, длина - до 25 м, РД-180. Сухая масса блока - 18 т, топлива (кислород-керосин) + газы в 3-х блоках - 741 т.
2-я ступень - двухбаковый блок диаметром 4,1 м, длина - 26 м, РД-180. Сухая масса блока - 19 т, топлива (кислород-керосин) + газы - 270 т.
Блоки 1-й и 2-й ступени имеют систему перелива компонентов, двигатели запускаются на старте.
3-я ступень - кислородно-водородный блок диаметром 5,5 м, сухая масса блока - 11,5 т, топлива (кислород-водород) + газы - 68,5 т.
Полезный груз - 52 т.
Блоки 1-й и 2-й ступеней могут превозиться по ЖД как негабаритный груз, КВБ придётся везти по воздуху, но он - лёгкий.
Возможности развития:
Переоборудование блоков 1-й ступени в спасаемые.
Заправка КВБ на орбите, что позволит разом отправить к Луне около 50 т.
В цифрах могут быть мелкие неточности, требуется подгонка под районы падения блоков, что может несколько изменить соотношение масс ступеней.

Не, перелива нам не надо

Желательно услышать обоснование.
Перелив позволяет использовать блоки удобного габарита, повышает к-т ПГ.
Перелив - плёвое дело на фоне задачи освоения Луны, т. е. регулярных полётов и более существенной деятельности на поверхности, чем была в прошлом веке.
Если завтра - Луна, то сегодня собираем испытательный стенд, монтируем систему перелива из сантехнической арматуры, и в ходе испытаний методом последовательных улучшений создаём то, что нам надо.
Трёхступенчатая схема для РН, использующей плотные компоненты, не может быть недостатком, пока не доказано, что заправка на орбите невыгодна. Если она выгодна, то понадобится верхняя ступень с ХС ~ 2,9-3,2 км/с для однопусковой и ~ 4 км/с для двухпусковой схемы.

С уважением, Михальчук

[Дмитрий В.]

to mikhalchuk
По поводу перелива мы с Вами уже говорили по весне. Да, перелив дает некоторый выигрыш в ПГ, но незначительный. ИМХО, этот выигрыш не компенсирует усложнение конструкции и снижение надежности из-за ввода в конструкцию разъемных гидро-пневматических соединений. С уважением, Дмитрий В.

[Bell]

Лучше всего один водородный РБ вместо 3-й ступени и блока ДМ сразу. Как Центавр. Тогда и по габариту влезет. Можно даже слегка надкалиберный.

Точно влезет? ДМ ведь нужен фактически только для ГСО, а как ЛЕО?

Пардон за офтопик, а куда тот Белл делся?

Не дождетесь
Пришлось еще раз зарегистроваться, чтоб десятый раз пароль не перевосстанавливать.