Можно ли из Ангары сделать 40-тонник?

[Yegor]

Задача: максимальная ПН к Луне и на ЛЕО при минимальных затратах на изменения РН и СК.
Предлагайте ваши варианты.

ИМХО при минимальных затратах максимальную ПН можно достигнуть в таком варианте:
1-я ступень: пять связанных в пучок УРМ-1 работают вместе как одна ступень,
2-я ступень: ~140 тонная водородная ступень, которая упирается на все пять блоков первой ступени. Двигатель РД-0120.
3-я ступень: КВРБ

Можно ли сделать такую РН при минимальных затратах (минимальной модификации УРМ-1)?
Поличиться ли из неё 40-тонник? Кто может посчитать?

[Дмитрий В.]

Егор, предложенный Вами вариант выводит более 40 т на переходную орбиту (0*185 км, выбрана из условия падения блока 2-й ступени в антиподную точку). При этом принималось, что КВРБ входит в состав КГЧ и обеспечивает выдачу импульса довыведения на орбиту 185*185 км (затраты ХС = 50-70 м/с). Расчет велся в спредшите Ратмана. Оптимизация проектных параметров проводилась по критерию «максимальная масса ПН при заданной тяге ДУ 1-й и 2-й ступени» (тяга ДУ 1-й ступени = 980 тс, УИвак=338с, тяга ДУ 2-й ступени 190 тс, УИвак=454,7 с). Расчет проведен в 2-х вариантах:
А) без ограничения массы топлива УРМ. Результат: ПН=43,7 т, Мст=767,5т, рабочие запасы топлива: в 1-м УРМ 101,5т, в водородном блоке 150,9т. Тяговооруженности ступеней 1,276 (1-я ступень) и 0,896 (2-я).
Б) рабочий запас топлива одного УРМ = 130 т. Результат: ПН = 45,5 т, Мст = 892,7т. Рабочий запас топлива водородной ступени 125,6 т. Тяговооруженности ступеней 1,098 (1-я) и 1,018 (2-я).
Для обоих вариантов масса ГО принята равной 6 т, сброс ГО на 190 секунде полета.
С уважением, Дмитрий В.

[Yegor]

Дмитрий, большое спасибо!!!

Здорово, я не ожидал, что такой большой ПН можно вывести!

[Старый]

А) без ограничения массы топлива УРМ. Результат: ПН=43,7 т, Мст=767,5т, рабочие запасы топлива: в 1-м УРМ 101,5т, в водородном блоке 150,9т. Тяговооруженности ступеней 1,276 (1-я ступень) и 0,896 (2-я).
Б) рабочий запас топлива одного УРМ = 130 т. Результат: ПН = 45,5 т, Мст = 892,7т. Рабочий запас топлива водородной ступени 125,6 т. Тяговооруженности ступеней 1,098 (1-я) и 1,018 (2-я).

Хмммм... А простым масштабированием первого проекта на 16% до стартовой массы в 892 тонны нельзя довести ПН до более 50 тонн?

[Дмитрий В.]

А) без ограничения массы топлива УРМ. Результат: ПН=43,7 т, Мст=767,5т, рабочие запасы топлива: в 1-м УРМ 101,5т, в водородном блоке 150,9т. Тяговооруженности ступеней 1,276 (1-я ступень) и 0,896 (2-я).
Б) рабочий запас топлива одного УРМ = 130 т. Результат: ПН = 45,5 т, Мст = 892,7т. Рабочий запас топлива водородной ступени 125,6 т. Тяговооруженности ступеней 1,098 (1-я) и 1,018 (2-я).

Хмммм... А простым масштабированием первого проекта на 16% до стартовой массы в 892 тонны нельзя довести ПН до более 50 тонн?

При неизменной тяге ДУ - нет (ну, в пределах точности расчетов, разумеется)1

[мар]

Лучше использовать два УРМ 2 на первой ступени

[Yegor]

А) без ограничения массы топлива УРМ. Результат: ПН=43,7 т, Мст=767,5т, рабочие запасы топлива: в 1-м УРМ 101,5т, в водородном блоке 150,9т. Тяговооруженности ступеней 1,276 (1-я ступень) и 0,896 (2-я).
Б) рабочий запас топлива одного УРМ = 130 т. Результат: ПН = 45,5 т, Мст = 892,7т. Рабочий запас топлива водородной ступени 125,6 т. Тяговооруженности ступеней 1,098 (1-я) и 1,018 (2-я).
Для обоих вариантов масса ГО принята равной 6 т, сброс ГО на 190 секунде полета.
С уважением, Дмитрий В.

Из двух вариантов нужно выбрать Б) - уже сделанный стартовый стол рассчитан на 1'000 тонн.



Итого ПН = 45.5 т, очень впечатляет!

[Yegor]

Дмитрий, можно вас попросить посчитать ещё и такой вариант: всё тоже самое, но только на керосине. Уж больно впечатляющий водородный вариант получился, может и керосин не плохо будет выглядить.

1-я ступень: та же, пять связанных в пучок УРМ-1 работают вместе как одна ступень,
2-я ступень: ~125 тонная керосиновая ступень, диаметр 4.1 м, которая упирается на все пять блоков первой. Двигатель: высотный вариант РД-191.
3-я ступень: РБ-ДМ

[hcube]

Получается порядка 27-30 тонн.

[Дмитрий В.]

В общем-то, hcube прав. Максимальная ПН для керосинового варианта (выведение 2-мя ступенями на переходную орбиту 0*185 км) составляет чуть более 30 т. При этом параметры высотного РД-191 приняты следующими: тяга в пустоте 220 тс, УИвак=350 с.
Опять считал 2 варианта (старт из Байконура):
А)с ограничением заправки УРМ-1 (130т). Максимальная ПН = 30,195 т достигается при Мст= 900т., при этом стартовая тяговооруженность составляет всего 1,089, что, вообще говоря, очень мало (в случае отказа при старте одного из 5 ЖРД 1-й ступени, катастрофа неизбежна). Стартовую массу в данном варианте нецелесообразно принимать меньшей 850-880 т (при меньшей массе чрезмерно возрастает тяговооруженность 2-й ступени и снижается ПН, например, при Мст=820 т ПН=26,5т, а тяговооруженность 2-й ступени превышает 1,9).
Б)без ограничения заправки УРМ-1. Максимальная ПН = 30,3 т достигается при Мст=920-930т, при заправке УРМ-1 примерно 135-137т. Тяговооруженность 1-й ступени 1,053-1,065. Замечу, что при Мст=780т, ПН = 28,82т (т.е. всего лишь на 1,5 т меньше максимального значения). При этом стартовая тяговооруженность превышает 1,25, что обеспечивает увод аварийной РН (при отказе 1-го из 5 ЖРД 1-й ступени) с СК.

Сразу уточню результаты вчерашних расчетов варианта с водородной 2-й ступенью. Во-первых, я не заметил, что расчет проводился при условии старта из Канаверала (остались исходные данные от расчета Атласа-5). Во-вторых, результат расчета оказался не корректным (введение ограничения на заправку УРМ привело к увеличению Мпн по сравнению с вариантом без ограничений, что пока могу объяснить недостаточной точностью экселовского солвера). Поэтому привожу уточненные результаты расчетов для водородной 2-й ступени (старт из Байконура):
А) вариант без ограничения заправки УРМ. ПН=43,8 т, при Мст=905 т, заправка УРМ = 129,8т. Тяговооруженности ступеней примерно 1,083 и 0,95 (для 1-й и 2-й ступеней соответственно).
Б) вариант с ограничением заправки УРМ-1 (130т). Оптимальный вариант практически совпадает с вариантом А: при Мст=900т, ПН=43,8т.
Разумеется, все вышеизложенные соображения по тяговооруженности 1-й ступени сохраняются в силе.
Да, с учетом чуть меньшей массы ПН (по сравнению со вчерашними расчетами), а также исходя из возможности применения композитного ГО его масса принята равной 5т. При массе ГО 6т, масса ПН для всех вариантов ориентировочно уменьшится на 200 кг.
Ну, и попутно по поводу реаизации компоновочной схемы РН:
1) 2-я ступень должна опираться не на все 5 блоков (это может вызвать дополнительные нагрузки на 1-ю ступень из-за температурных и механических дефомаций), а на конический переходник (переход с диаметра 2,9 на диаметр 4,1м), расположенный между центральным УРМ и 2-й ступенью. В этот же переходник могут «упираться№ боковые УРМы. Учитывая, что разделения УРМ не требуется (все 5 УРМов отделяются единой связкой), система креплений УРМ может быть существенно упрощена.
2) Кроме того, для повышения надежности и полной выработки топлива из всех УРМ (например, в случае отказа одного из двигателей 1-й ступени) может оказаться целесообразной 2закольцовка» топливных систем УРМов. Введение соответствующих гидравлических связей не приведет к существенному увеличению массы конструкции и падению надежности (в полете нет необходимости эти связи разрывать).
С уважением, Дмитрий В.

[Yegor]

Дмитрий, ещё раз большое спасибо!!!

[Yegor]

предложенный Вами вариант выводит более 40 т на переходную орбиту (0*185 км, выбрана из условия падения блока 2-й ступени в антиподную точку). При этом принималось, что КВРБ входит в состав КГЧ и обеспечивает выдачу импульса довыведения на орбиту 185*185 км (затраты ХС = 50-70 м/с).

А сколько топлива уйдёт из КВРБ для этого импульса?
А так понимаю, что это топливо нужно будет вычесть из того ПН который вы рассчитали?

[Дмитрий В.]

предложенный Вами вариант выводит более 40 т на переходную орбиту (0*185 км, выбрана из условия падения блока 2-й ступени в антиподную точку). При этом принималось, что КВРБ входит в состав КГЧ и обеспечивает выдачу импульса довыведения на орбиту 185*185 км (затраты ХС = 50-70 м/с).

А сколько топлива уйдёт из КВРБ для этого импульса?
А так понимаю, что это топливо нужно будет вычесть из того ПН который вы рассчитали?

При УИ=462с, расход топлива составит примерно 550 кг (прибавка ХС примерно 57 м/с).
С уважением, Дмитрий В.

[Yegor]

Дмитрий, ещё раз большое спасибо!  

[mihalchuk]

Дмитрий! Что это у вас за тяговооружённость 1-й ступени 1,053-1,065? Это значит, что носитель на старте подимается с ускорением 0,053-0,065g? Тогда - забудьте, разнесёт наземку, да и сам носитель.

[Дмитрий В.]

Дмитрий! Что это у вас за тяговооружённость 1-й ступени 1,053-1,065? Это значит, что носитель на старте подимается с ускорением 0,053-0,065g? Тогда - забудьте, разнесёт наземку, да и сам носитель.

Это не у меня, это - у экселовского солвера :wink:  Вопрос-то стоял примерно, так (не буквально, но по существу): какую максимальную ПН может вывести на ЛЕО при использовании ЖРД определенного типа на РН по схеме Егора. Вот и получился результат (имхо, представляющий скорее академический интерес) оптимизации по критерию "максимальная ПН при заданной тяге ДУ ступеней". А в реальности, да, согласен, тяговооруженность 1-й ступени надо бы иметь примерно 1,25.

[ratte 06]

Задача: максимальная ПН к Луне и на ЛЕО при минимальных затратах на изменения РН и СК.
Предлагайте ваши варианты.

ИМХО при минимальных затратах максимальную ПН можно достигнуть в таком варианте:
1-я ступень: пять связанных в пучок УРМ-1 работают вместе как одна ступень,
2-я ступень: ~140 тонная водородная ступень, которая упирается на все пять блоков первой ступени. Двигатель РД-0120.
3-я ступень: КВРБ

Можно ли сделать такую РН при минимальных затратах (минимальной модификации УРМ-1)?
Поличиться ли из неё 40-тонник? Кто может посчитать?

Старый вариант Ангары-5 без отделения боковых УРМ, вторая ступень УКВБ, третья -КВРБ должен был выводить около 28 т.

На 40 т Нужна А-9 (1-я ступень по схеме УР-700 из 9 УРМ   ) без водорода и может быть А-7 с водородом.

[hcube]

На 50 тонн достаточно 3х ступенчатой РН следующей конфигурации - 4 УРМ, водородно-кислородный ЦБ с надкалиберным водородным баком сверху, он же передает тягу боковых УРМов, ЦБ немного больше по диаметру чем УРМ - скажем, 3.2 метра и имеет 6 посадочных точек - т.е. можно ставить на него 3, 4 или 6 УРМ. Ну, и третья ступень адекватная - тонн на 40. Все, вариант с 4 УРМ по моей оценке вытянет 40 тонн, вариант с 3 - 30, а с 6 - порядка 60 тонн.
Если сделать то же самое, но с 4 посадочными точками, то можно будет воткнуть или 2 или 4 УРМ. Зато останется полная совместимость со стартом - сдвиг двигателя на 15 см суть полная фигня ;-).

'идеальная Энергия', трехступенчатая, той же массы что оригинал, тянула бы порядка 130 тонн, Вулкан (с 8 боковыми блоками) - 200 тонн.

[mihalchuk]

Дмитрий В.:

2) Кроме того, для повышения надежности и полной выработки топлива из всех УРМ (например, в случае отказа одного из двигателей 1-й ступени) может оказаться целесообразной 2закольцовка» топливных систем УРМов. Введение соответствующих гидравлических связей не приведет к существенному увеличению массы конструкции и падению надежности (в полете нет необходимости эти связи разрывать).
С уважением, Дмитрий В.

Если уж необходим максимум ПГ, то можно "вылизать" схему. Боковые блоки схемно объединяем попарно, в каждой паре - один блок - однобаковый (с кислородом), второй - двухбаковый, кислород сверху. Баки кислорода соединены трубопроводом, система наддува - общая.
Yegor писал(а):

Задача: максимальная ПН к Луне и на ЛЕО при минимальных затратах на изменения РН и СК.
Предлагайте ваши варианты.

ИМХО при минимальных затратах максимальную ПН можно достигнуть в таком варианте:
1-я ступень: пять связанных в пучок УРМ-1 работают вместе как одна ступень,
2-я ступень: ~140 тонная водородная ступень, которая упирается на все пять блоков первой ступени. Двигатель РД-0120.
3-я ступень: КВРБ

Однако, ничего себе минимальные затраты!

[Дмитрий В.]

Дмитрий В.:

2) Кроме того, для повышения надежности и полной выработки топлива из всех УРМ (например, в случае отказа одного из двигателей 1-й ступени) может оказаться целесообразной 2закольцовка» топливных систем УРМов. Введение соответствующих гидравлических связей не приведет к существенному увеличению массы конструкции и падению надежности (в полете нет необходимости эти связи разрывать).
С уважением, Дмитрий В.

Если уж необходим максимум ПГ, то можно "вылизать" схему. Боковые блоки схемно объединяем попарно, в каждой паре - один блок - однобаковый (с кислородом), второй - двухбаковый, кислород сверху. Баки кислорода соединены трубопроводом, система наддува - общая.

К чему плодить "сущности без нужды"? Водород на 2-й ступени решает все проблемы без "извращений" с переливом