Холодный кислород-водородный ЖРД.

[RadioactiveRainbow]

Вопросы примерно такие:
1) как у водородных баков с массовым совершенством - по сравнению с другими компонентами?
2) насколько водородная инфраструктура сложнее и дороже, например, кислородной?

3) имеет ли смысл городить водородный носитель с атмосферным (0,05МПа) УИ порядка 3000-3500 м/с (306-356с)?
3,5) А если стоимость двигателя снизить раз эдак в несколько?

[Дмитрий В.]

Вопросы примерно такие:
1) как у водородных баков с массовым совершенством - по сравнению с другими компонентами?
2) насколько водородная инфраструктура сложнее и дороже, например, кислородной?

3) имеет ли смысл городить водородный носитель с атмосферным (0,05МПа) УИ порядка 3000-3500 м/с (306-356с)?
3,5) А если стоимость двигателя снизить раз эдак в несколько?

1)С весовым совершенством все в порядке - относительная масса водородного топливного отсека раза в 1,5-2 похуже, чем у керосиновых ТО, см. книгу Б.И. Губанова на www.buran.ru - там есть глава, посвещенная водородным ТО.
2) Кто бы знал! В 1990 году ЖК стоил примерно 40 руб/тонна, а ЖВ под 1000 руб/тонна.
3) Имеет. Смотри тему "Водородная Ангара", только, чтобы УИ водородного ЖРД сделать 306 с надо сильно "постараться", а вто 350-370 с - это легко! :wink:

[STEP]

Вопросы примерно такие:
1) как у водородных баков с массовым совершенством - по сравнению с другими компонентами?
2) насколько водородная инфраструктура сложнее и дороже, например, кислородной?

3) имеет ли смысл городить водородный носитель с атмосферным (0,05МПа) УИ порядка 3000-3500 м/с (306-356с)?
3,5) А если стоимость двигателя снизить раз эдак в несколько?

По поводу 3,5) у меня есть подозрение, что что бы стоимость двигателя снизить раз эдак в несколько, его надо делать и эксплуатировать. А пока на него только любуются, он и ведет себя как драгоценность.

[RadioactiveRainbow]

Хм-м-м...
4) Какая доля стоимости ЖРД приходится на камеру?

Имеет ли смысл городить огород с водородным двигателем с таким УИ, ради уменьшения стоимости камеры двигателя (неохлаждаемая камера из простых и доступных материалов)?  

[RadioactiveRainbow]

-----------------------------------------------------------------------------------
 :idea:
-----------------------------------------------------------------------------------

Холодный кислород-водородный жидкостной ракетный двигатель.

Суть идеи: в камеру сгорания ракетного двигателя подаются кислород и водород, при коэффициенте избытка окислителя порядка 0,1-0,2. То есть продукты сгорания получаются с большим избытком горючего (водорода).
Температура в камере сгорания при этом колеблется в пределах 500-1500К.
Благодаря большому значению R продуктов сгорания, обусловленному большим количеством водорода, даже при сравнительно небольших температурах достигается удельный импульс порядка 3000-3800 м/с (306-387с).

Столь низкая температура в КС позволит уменьшить проблемы с организацией охлаждения камеры двигателя (вплоть до создания неохлаждаемых камер из обычных конструкционных материалов (стали, алюминиевые сплавы) для низких температур или жаропрочных материалов для более высоких температур).
Резкое уменьшение проблем с охлаждением позволит уменьшить стоимость камеры двигателя, а так же заняться разработкой двигателей с более эффективными соплами с центральным телом (кольцевые, внешнего расширения и т.п.), основная сложность при разработке которых заключалась именно в организации охлаждения.


Преимущества:
1) резкое уменьшение стоимости камеры двигателя и существенное уменьшение стоимости ДУ в целом при достаточно высоких характеристиках
2) возможность создавать двигатели с соплами внешнего расширения - более эффективными и лёгкими
3) возможность изготавлени двигателей с применением более простых технологий (вплоть до ручной ковки сопел

Недостатки:
1) Водород. Сильно криогенный (хорошо хоть не токсичный) компонент с чрезвычайно малой плотностью (70 кг/м^3 (!)). Отсюда следуют все прочие недостатки:
1.1) необходимость создания кислород-водородной инфраструктуры на стартовом комплексе.
1.2) пониженное массовое совершенство баков (из-за низкой плотности жидкого водорода).
1.3) проблемы, связанные с низкой температурой ЖВ (теплоизоляция баков, влияние низкой температуры на прочность материалов и т.д.)
1.4) сложная сама по себе задача создания ТНА для жидкого водорода (опять же, благодаря низкой плотности водорода - требуется 2-3-4 ступени насоса).

2) существенная зависимость температуры от коэффициента соотношения окислителя. Шаг влево - резкая потеря УИ. Шаг вправо - расстрел на месте. Точнее, резкий рост температуры в КС со всеми вытекающими.


Замечания:
1) Параметры двигателя оценивались с помощью програмы для термодинамического расчёта Астра. Програма имеет проблемы с точностью расчётов при низких значениях коэффициента избытка окислителя. Однако, при указаных значениях (0,1-0,2), точность представляется приемлимой (По словам моего преподавателя по Общей теории ракетных двигателей, имеющего, судя по всему, немалый опыт работы с програмой).
2) На приложеном графике (http://globalproject.narod.ru/archives/A.GIF) показана зависимость температуры продуктов сгорания и удельного импульса от коэффициента избытка окислителя. График температуры не зависит от давления в КС. Для удельного импульса представлены два графика - для давления в КС 1МПа и 10МПа (10 и 100 атм, соответственно).
3) По причине П.1 к температуре и УИ при значениях коэффициента избытка окислителя менее 0,1 следует относиться с известной осторожностью.


Примеры:
а) при температуре в КС Тк=793К (520С) и давлении в КС Pк=1МПа, УИ составляет 3078м/с. А при той же температуре, но давлении 10МПа УИ составляет 3364 м/с. Камеру двигателя можно изготовить из обычной стали.
б) при температуре в КС Тк=940С (~1210К) и давлении в КС Рк=5Мпа, УИ составляет 3673м/с.
Камеру сгорания можно изготавливать из жаропрочной стали.

Замечание к примерам:
1) В примерах представлены значения УИ при давлении окр. среды 0,01МПа (0,1атм).
2) Представленные в примерах значения УИ получены в результате термодинамического расчёта. При тех же значениях температур и давлений реальный двигатель, очевидно, будет иметь несколько более низкие значения УИ.

[Старый]

У меня была на эту тему идея.
 На станциях водород из Электрона выпускают за борт. Если разложить ещё немнгого воды то полученый "лишний" кислород можно сжечь с водородом и получить тягу с высоким УИ сравнимым с УИ гидразинового топлива. Так как сгорание будет происходить с большим избытком водорода (в два-три раза больше чем в обычных двигателях) то можно сделать простенькую неохлаждаемую камеру сгорания работающую на газообразных Н2 и О2.

[avmich]

Здесь - http://www.mai.ru/dep/k202/engines.htm - упоминается неохлаждаемый кислород-водородный движок, сделанный в МАИ. Не думаю, что стоит очень дорого... Работает на газифицированных компонентах.

[fagot]

Основной недостаток идеи - для двигателя той же тяги понадобится примерно втрое больше водорода, чем для двигателя с обычным соотношением компонентов. Соответственно втрое возрастет объем водородных баков, которые и так не отличаются высоким массовым совершенством, так же увеличится и водородная инраструктура. Объем же кислородных баков уменьшится всего раза в полтора, хотя они и так невелики. Баки с совмещенными днищами сделать уже вряд ли получится, если только в разных диаметрах. Всё в те же три раза станет мощнее водородный ТНА, а так как мощность его и в обычном двигателе больше чем у кислородного, он будет тяжелее, а упрощения тут не произойдет. Зато затраты топлива на его привод возрастут и возрастут потери УИ, хотя они будут относительно меньше, чем в обычном двигателе. Закрытую схему делать смысла нет, так как дожигать в КС практически нечего. Ну и наконец из-за худшего УИ и массового совершенства масса ракеты для той же ПН существенно возрастет и вряд ли будет лучше, чем у керосиновой. Выигрыша не будет даже для верхних ступеней. Ну а поскольку камера составляет далеко не всю стоимость двигателя и тем более ракеты в целом, городить огород смысла нет.

[Старый]

Закрытую схему делать смысла нет, так как дожигать в КС практически нечего.

И главное западло - по расширительной (безгазогенераторной нагревной) схеме ТНА не сделаешь...

 Не, ну а как насчёт утилизации водорода через двигатель на газообразных компонентах?
 Интересно, сколько водорода образуется в Электроне на станции с тремя человеками? Если увеличить раза в полтора-два то хватит чтоб орбиту поддерживать?

[fagot]

И главное западло - по расширительной (безгазогенераторной нагревной) схеме ТНА не сделаешь...  

Ну это априори - товарищ категорически не хочет охлаждать КС. Да если бы и захотел, при такой-то температуре это какая же понадобится поверхность теплообмена?! Но ТНА это еще ничего, я как представлю себе эти баки

Не, ну а как насчёт утилизации водорода через двигатель на газообразных компонентах?
Интересно, сколько водорода образуется в Электроне на станции с тремя человеками? Если увеличить раза в полтора-два то хватит чтоб орбиту поддерживать?

Ежели водород дармовой, то конечно другое дело. Однако посчитаем. В 7-м НК писали, что Электрон потребляет поллитра воды в день на человека, значит 3 человека - полторашка. Из каждого килограмма воды получается 111 г водорода. Чтобы получить УИ порядка 300 секунд нужно соотношение где-то 2:1,6, то есть 1/10 образующегося кислорода пойдет в двигатель, итого с 1 кг воды получаем 200 г топлива и нам нужно на 10 % больше воды, чтобы было чем дышать. Лишние 11 г водорода в принципе тоже можно использовать в двигателе. Тогда в месяц получится 9,5 кг топлива при экипаже в 3 человека или 19 кг при шести человеках при перерасходе воды 4,5 или 9 кг соответственно. Значит при УИ 300 секунд ХС будет примерно 0,15 или 0,3 м/c в месяц. Плюс конечно понадобятся баллоны для газов и компрессоры, но они невелики. Сколько реально требуется, не знаю, но на Прогрессе топлива привозят по тонне, тогда эти газы -капля в море, при том что достаются не бесплатно.

[fagot]

Но вообще конечно можно с этим водородом поэкспериментировать - использовать его в плазменном или гелиотермическом двигателе. Тяги конечно будут невелики, зато УИ высокий.

[Старый]

Электрон потребляет поллитра в день

Если б это был спирт я б его убил! Впрочем космонавты убили бы его раньше...

Тогда в месяц получится 9,5 кг топлива при экипаже в 3 человека

Ужас какой! Ну почему так мало то...
 Конец идее... А какая красивая идея была...

 А может это, специально разлагать воду образующуюся от мочи и пота? Туда воду сотнями кг возят, должно много получаться. Электричества конечно пожрёт море, но не надо топливо возить. Может чего получится, а?

[RadioactiveRainbow]

Основной недостаток идеи - для двигателя той же тяги понадобится примерно втрое больше водорода, чем для двигателя с обычным соотношением компонентов.

Есть такое дело...  
То есть, фактически, массовое совершенство втрое уменьшится...

Баки с совмещенными днищами сделать уже вряд ли получится, если только в разных диаметрах.

А мне кажется получится...

Всё в те же три раза станет мощнее водородный ТНА, а так как мощность его и в обычном двигателе больше чем у кислородного, он будет тяжелее, а упрощения тут не произойдет. Зато затраты топлива на его привод возрастут и возрастут потери УИ, хотя они будут относительно меньше, чем в обычном двигателе. Закрытую схему делать смысла нет, так как дожигать в КС практически нечего.

Но ведь и существенного усложнения не произойдёт? А закрытую схемку сделать можно... наверное. Если кислый газ с полным расходом кислорода на турбинку пустить...

Ну и наконец из-за худшего УИ и массового совершенства масса ракеты для той же ПН существенно возрастет и вряд ли будет лучше, чем у керосиновой. Выигрыша не будет даже для верхних ступеней. Ну а поскольку камера составляет далеко не всю стоимость двигателя и тем более ракеты в целом, городить огород смысла нет.

Хм. Да, проблем оказалось больше, чем казалось сначала... Впрочем, я не стал бы так сразу категорично отвергать. Надо поближе посмотреть...  :?

И главное западло - по расширительной (безгазогенераторной нагревной) схеме ТНА не сделаешь...

А это, пардон, почему?  :shock:

[fagot]

А мне кажется получится...

С обычным соотношением компонентов - и то не всегда получается, а тут очень сомнительно, если только в разных диаметрах их делать, но это лишнее усложнение конструкции, а выигрыш в массе уменьшается.

Но ведь и существенного усложнения не произойдёт? А закрытую схемку сделать можно... наверное. Если кислый газ с полным расходом кислорода на турбинку пустить...

Можно и с кислым и со сладким газом - но какой в этом смысл? При коэффициенте избытка окислителя 0,1 у кислого газа в КС изменяется только R, а температура остается постоянной, а у сладкого вообще ничего не меняется - тогда зачем огород городить, проще сделать открытую схему с восстановительным ГГ, а так как параметры газа в нем и в КС одинаковы, то потерь УИ по сравнению с закрытой схемой не будет. В случае дожигания при альфа 0,2 температура газа в КС повысится всего в полтора раза при окислительной схеме и еще меньше при восстановительной, поэтому потери УИ при открытой схеме будут невелики и закрытую делать опять-таки нецелесообразно. Но впрочем это просто особенность такого двигателя, а не его недостаток. Зато возможен двигатель "бескамерной" схемы - все топливо направляется в ГГ, а отработавший на турбине газ - в сопло.

Хм. Да, проблем оказалось больше, чем казалось сначала... Впрочем, я не стал бы так сразу категорично отвергать. Надо поближе посмотреть...

Так мы этим и занимаемся :wink:

А это, пардон, почему?

Потому что тогда придется охлаждать КС, а вы не хотите :wink: Ну и из-за низкой температуры в КС понадобится слишком большая площадь теплообмена, больше, чем реальная площадь камеры.

[fagot]

Если б это был спирт я б его убил! Впрочем космонавты убили бы его раньше...

То-то он подозрительно часто дохнет  

А может это, специально разлагать воду образующуюся от мочи и пота? Туда воду сотнями кг возят, должно много получаться. Электричества конечно пожрёт море, но не надо топливо возить. Может чего получится, а?

Говорят, что для получения 90 г водорода нужно 5 кВт*ч электроэнергии - вот и считайте, выгодно это или нет :wink:

[Старый]

Говорят, что для получения 90 г водорода нужно 5 кВт*ч электроэнергии - вот и считайте, выгодно это или нет :wink:

Там счас солнечных батарей налепят - лес! Куда энергию девать?

[Старый]

Ладно, давайте так.
 Отдаём 5 кВт на топливо. Это 800 г в час, 20 кг в день, 600 кг в месяц. Уже изрядно.
 Отбираем только тот кислород который нужен на дыхание, остальное в двигатель. Низкотемпературный двигатель отменяем, сжигаем почти при стехиометрии (за вычетом того кислорода который на дыхание).
 Двигатель делаем с радиационно-инерционным охлаждением. То есть толстые стенки которые за несколько секунд работы двигателя не успевают нагреться до опасной температры а потом час остывают.
  А 600 кг в месяц да ещё с УИ 450 сек это изрядно. Прогресс меньше привозит.
 Так годится?

[Гость 22]

У меня была на эту тему идея.
На станциях водород из Электрона выпускают за борт. Если разложить ещё немнгого воды то полученый "лишний" кислород можно сжечь с водородом и получить тягу с высоким УИ сравнимым с УИ гидразинового топлива.

Эта идея описана у Тимната (стр. 277)  с cсылкой на статью в Prop. & Power 1985 года, как раз для ОС и именно с совмещением с электролизером системы жизнеобеспечения.

По их данным, ДУ с двумя камерами тягой по 133 Н и шестью - по 2 Н (все работают на газообр. H2 и "лишнем" газообр. O2) может полностью обеспечить потребности ОС в поддержании орбиты.

[Гусев_А]

Старый разумно рассудил: все отработанное жидкое и газообразное в топку. Можно мысль развить дальше: все густые и даже твердые отходы деятельности экипажа (и весь мусор) разлогать до газа и в топку, как третью компаненту. Хоть это и не водород, но вклад в общее дело БУДЕТ, пусть и с меньшим суммарным УИ.
 А про охлаждение КС: затрат на это в полете нет, запускай компаненты топлива по каналам охлаждения и ВСЕ, хоть и стоимость самого двигателя на этом возрастает, но ведь почти все двигатели так охлаждают, все отработано.

[RadioactiveRainbow]

Кстати да.
Подумалось: реального выигрыша для реальных РН почти нет...
А вот для любительских суборбитальников...  
Для них что нужно? ЧТобы попроще, подешевле и понадёжнее. Высокий УИ не критичен, ведь ХС нужне менее 2 км/с.