Увеличение массы ПН КК Союз на 1 тонну за счёт довыведения

[fagot]

Сэкономив массу и объём.

Только частично. И еще кто-то тут говорил про упрощение :wink: .

Вы, кстати, забыли ещё теплообменник - для охлаждения - добавить. Эта операция особенно неподъёмна .

Я опасаюсь за его производительность.
 

Во и я об этом. Вы, кстати, в курсе, до какой температуры газ наддува нагревают?

А баки-то и не знают . В них нагретый гелий или азот подают, они и ломаться должны... а как-то летают .

Прям до 900 К и нагревают? :wink: И баки те несколько минут работают и не успевают прогреться, к тому же и плотность газа при вытеснительной подаче выше и значит теплообмен интенсивнее.
 

Что-то я никак не пойму о каком повышении речь. Хранение газа наддува в жидкой форме не изменяет массы газа - меняет массу только контейнера для этого газа, правда, довольно радикально.

Выгода от газогенераторной подачи во многом возникает из-за высокой температуры газов наддува, но в нашем случае между включениями газ будет остывать и расход его увеличится.
 

Ну так не разбавляйте. Всё равно до молекулярной массы азота не дойти.

Но приблизиться можно, до гелия тоже не дойти, как гидразин ни разлагай :wink:.
 

Во-первых, экономия массы и объёма позволит эти системы задублировать.

Сначала съэкономить, а потом использовать резерв массы, прям как китайские пионеры.

Во-вторых, мы заменяем баллоны на 300 атм баллонами на 10 атм. Почувствуйте разницу.

10-то почему, вы таким газом хотите гидразин вытеснять?
       

Хм. Или мы берём дополнительно гидразин - то есть, ещё один компонент - и с ним берём ёмкости, баллоны вытеснения, ГГ. Но зато имеем отработанное решение - на спутниках гидразиновые ДУ коррекции хорошо отработаны. Или мы используем НДМГ. Тогда не нужны специальные ёмкости, нет дополнительного компонента, нет баллонов наддува. Есть более сложный газогенератор.

И для НДМГ емкости нужны, надо же его как-то в ГГ подавать.

По массе и объёму выигрыш в любом случае. Надёжность и сложность лучше аргументировать.

Больше элементов - больше сложность и меньше надежность. Выигрыш незначительный.
 

Да, тут верно подмечено. Насос придётся поставить, вероятно.

Насос с аккумуляторами еще съест кусок надежности и массы.

[avmich]

Дмитрий, в гелиевых баках на давление 300 атм основную массу составляет баллон, а не сам гелий, разве не так? В то время как для хранения жидкости под давлением 10 атм масса бака относится к массе жидкости - равной массе потребного газа наддува - гораздо более выгодно. Это, в частности, объясняет, почему на Союзах азот хранят в сжиженном состоянии.

Фагот, какие принципиальные - которые сведут на нет выигрыш - возражения по сложности?

[fagot]

Фагот, какие принципиальные - которые сведут на нет выигрыш - возражения по сложности?

Вообще конечно все что не противоречит законам физики не принципиально, да вот только на Союзе не стоит ваше система не из-за косности мышления, а как раз из-за неоправданного усложнения. И на Аполлоне тоже.
Что касается гелия, то его меньшая молекулярная масса компенсирует вес баллона. На Союзе азот подают насосом в составе ТНА, а тут нужен отдельный насос.

[avmich]

Фагот, какой нужен вес баллона для 1 кг гелия при 300 атм?

[Дмитрий В.]

Дмитрий, в гелиевых баках на давление 300 атм основную массу составляет баллон, а не сам гелий, разве не так? В то время как для хранения жидкости под давлением 10 атм масса бака относится к массе жидкости - равной массе потребного газа наддува - гораздо более выгодно. Это, в частности, объясняет, почему на Союзах азот хранят в сжиженном состоянии.

Фагот, какие принципиальные - которые сведут на нет выигрыш - возражения по сложности?

На форуме неоднократно возникали дискуссии по этому вопросу.в том числе и недавно (не помню уж в какой теме) - участники согласились, что гелиевая система наддува самая легкая. Этот же факт изложен в известном учебнике под ред. Мишина "Основы проектирования ЛА (транспортные системы)". Вы можете убедиться в этом сами, для этого достаточно знаний на уровне уравнения Менделеева-Клапейрона и безмоментной теории оболочек. По моим расчетам масса гелиевой системы (с учетом массы шар-баллонов) раза в 2 меньше, чем других систем - опять же, за исключением наддува газообразным водородом.

[hcube]

Вообще говоря, если к связке БО+ОО Союза (это где-то 5 тонн) прицепить Фрегат (6.5 тонн, 1.1 сухая) или Бриз-КМ (6.5/1.6) и им довывестись, ИМХО запас ХС у связки будет мноооого больше чем те 400 м/с что сейчас есть у Союза, даже с учетом довыведения. Кстати, 'под Луну' такую связку можно выводить А-3

Основная фишка довыведения в том, чтобы НЕДОТАЩИТЬ до орбиты ТЯЖЕЛУЮ ступень, а вместо этого дотащить легкую, в идеале - просто дополнительный бак. Чтобы это имело смысл, надо недотащить ступень существенно - раз, два - действительно, на верхней ступени должен быть УИ по крайней мере не ниже УИ предыдущей ступени, ну и массовое совершенство должно быть не сильно хуже.

[fagot]

Фагот, какой нужен вес баллона для 1 кг гелия при 300 атм?

Сейчас мне некогда искать, но вы подумайте, почему газогенераторное вытеснение не применяется например на Икаре, его предках (там почти такой же двигатель как и на Союзе), ни на одном из спутников с гидразиновыми двигателями - уж там-то даже дополнительный компонент не нужен и вообще ни на одном спутнике или АМС, а только на баллистических ракетах. Или их конструкторы не догадались или что-то тут не так :wink:

[fagot]

Как обычно разговоры зашли в тупик, поэтому можно провести небольшой расчет. Возьмем например служебный отсек Аполлона. Для вытеснения там используется гелий общей массой в 40 кг, размещенный в двух баллонах весом 288 кг, всего значит 328 кг без учета клапанов и теплообменников. Если мы заменим гелий гидразином, его потребуется примерно 160 кг, ну и на ГГ и систему его хранения и подачи килограмм 10 накинем, выигрыш получается 160 кг. Но что такое 160 кг для Аполлона? - это 1,5 % конечной массы CSM, т.е. его ХС увеличивается на 1 %. Ну можно конечно резерв массы под топливо использовать или еще чего, хотя все равно мало, даже если всю систему подачи выкинуть, много не выиграть. Однако это Аполлон, у него масса ДУ составляет значительную часть от стартовой, для Союза же выигрыш еще меньше, т.к. у него запас топлива невелик, а значит и газа для его вытеснения требуется немного, тут мы даже с азотом не очень проиграем. Зачем на этих кораблях и вообще на спутниках делают вытеснительную подачу - прежде всего это простота и надежность, гидразин же повышению ни того ни другого очевидно не способствует.

[Дмитрий В.]

Как обычно разговоры зашли в тупик, поэтому можно провести небольшой расчет. Возьмем например служебный отсек Аполлона. Для вытеснения там используется гелий общей массой в 40 кг, размещенный в двух баллонах весом 288 кг, всего значит 328 кг без учета клапанов и теплообменников. Если мы заменим гелий гидразином, его потребуется примерно 160 кг, ну и на ГГ и систему его хранения и подачи килограмм 10 накинем, выигрыш получается 160 кг. Но что такое 160 кг для Аполлона? - это 1,5 % конечной массы CSM, т.е. его ХС увеличивается на 1 %. Ну можно конечно резерв массы под топливо использовать или еще чего, хотя все равно мало, даже если всю систему подачи выкинуть, много не выиграть. Однако это Аполлон, у него масса ДУ составляет значительную часть от стартовой, для Союза же выигрыш еще меньше, т.к. у него запас топлива невелик, а значит и газа для его вытеснения требуется немного, тут мы даже с азотом не очень проиграем. Зачем на этих кораблях и вообще на спутниках делают вытеснительную подачу - прежде всего это простота и надежность, гидразин же повышению ни того ни другого очевидно не способствует.

Какая у газообразного гидразина газовая постоянная? Я точно не помню, но наверное раз в 7-8 меньше, чем у гелия, то есть при равной температуре наддува вместо 40 кг гелия потребуется 280 кг гидразина, добавьте сюда еще и добавочную массу баков на его хранение.

[fagot]

Какая у газообразного гидразина газовая постоянная? Я точно не помню, но наверное раз в 7-8 меньше, чем у гелия, то есть при равной температуре наддува вместо 40 кг гелия потребуется 280 кг гидразина, добавьте сюда еще и добавочную массу баков на его хранение.

Ну вытеснять газообразным гидразином это уже изврат , поэтому его предлагается разлагать, в результате получается смесь азота, аммиака и водорода и её молекулярную массу я принял 16, т.е. гидразина нужно в 4 раза больше чем гелия. Вот газ скорее всего придется разбавлять (тут тоже не все просто, потому что если разбавлять не сильно то и свежий гидразин будет разлагаться) или же ставить теплообменник. На бачок я немного накинул, но целом брал все по-минимуму, в реальности выгода может быть и меньше. Еще мне не нравится высокая температура замерзания гидразина, что явно не упрощает эксплуатацию и не повышает надежность, перегревов он боится больше чем НДМГ, но это уже мелочи.

[Дмитрий В.]

2 fagot
Это грубоватый расчет. Как известно, эффективность газа наддува определяется его "работоспособностью", т.е. произведением R*T. Соответственно, чем выше газовая постоянная и/или температура газа, тем меньше его требуется. У гелия R=2100 дж*град/кг, если с размерностью не ошибся :wink:  Выше, только у водорода R=4200 дж*град/кг. А вот у смеси, которую Вы предлагаете рассмотреть, еще не факт, что R=500-510. Да, самое смешное, что масса шар-баллонов для баллонной системы наддува не зависит от давления, а только от массы газа наддува, температуры хранения, газовой постоянной газа наддува и материала, из которого изготовлен шар-баллон.

[fagot]

Это грубоватый расчет. Как известно, эффективность газа наддува определяется его "работоспособностью", т.е. произведением R*T. Соответственно, чем выше газовая постоянная и/или температура газа, тем меньше его требуется. У гелия R=2100 дж*град/кг, если с размерностью не ошибся  Выше, только у водорода R=4200 дж*град/кг. А вот у смеси, которую Вы предлагаете рассмотреть, еще не факт, что R=500-510.

Это все понятно, R обратно пропорциональна молекулярной массе, а считать мне ее лень, но при достаточном количестве водорода можно обеспечить и меньше 16-ти, правда температура будет ого-го и на разбавлении мы что-то потеряем.  Если даже R будет мала, тем хуже для гидразина, поскольку я против него

 

Да, самое смешное, что масса шар-баллонов для баллонной системы наддува не зависит от давления, а только от массы газа наддува, температуры хранения, газовой постоянной газа наддува и материала, из которого изготовлен шар-баллон.

Ну немного все же зависит. И еще неполное использование запаса газа сказывается на массе в большей степени, чем недоиспользование гидразина, но это ему не поможет, к тому же эффект незначителен.

[fagot]

Вообще говоря, если к связке БО+ОО Союза (это где-то 5 тонн) прицепить Фрегат (6.5 тонн, 1.1 сухая) или Бриз-КМ (6.5/1.6) и им довывестись, ИМХО запас ХС у связки будет мноооого больше чем те 400 м/с что сейчас есть у Союза, даже с учетом довыведения. Кстати, 'под Луну' такую связку можно выводить А-3

К Фрегату придется приделать еще часть систем, которые стояли в ПАО - СЭП, часть СТР и т.п., ДПО с вытеснительной подачей вместо гидразинников СОЗ, переходник, наверно с полтонны наберется. Еще  напрягает отсутствие дублирующего двигателя, хотя в принципе конечно можно как и на исходном Союзе использовать ДПО, если увеличить запас топлива для них. Тогда получается ХС порядка 900 м/c, но думаю дешевле их получить переработав ПАО - поставить двигатель с ТНА и большим УИ, несущие баки и увеличив запас топлива, тогда довыведение не понадобится. Или увеличив ПАО пересесть на Союз-2.

[avmich]

При разложении гидразина при 10 атм и равновесной температуре 500 К газовый состав - по 36 процентов водород и аммиак, остальное азот. Средняя молярная масса - 14,6 г/моль, то есть, больше, чем у гелия, в 14,6 / 4 = 3,65 раза. Соответственно понадобится вчетверо большая масса гидразина.

При разложении НДМГ молярная масса получается примерно 20 г/моль (та же температура и давление). Метана там 70%.

На борту, кроме НДМГ, есть ещё и перекись - её можно для наддува баков АТ использовать. Молярная масса там получается 22 г/моль.

Надо бы посчитать массу гелиевых баллонов; если оказывается, что гелиевая система легче, интересно было бы взглянуть на расчёт.

[avmich]

Кстати, для оценок газовых постоянных - рекомендую инструмент http://rocketworkbench.sourceforge.net/equil.phtml . Если нужны пояснения, как пользоваться, напишу.

[fagot]

При разложении гидразина при 10 атм и равновесной температуре 500 К газовый состав - по 36 процентов водород и аммиак, остальное азот. Средняя молярная масса - 14,6 г/моль, то есть, больше, чем у гелия, в 14,6 / 4 = 3,65 раза. Соответственно понадобится вчетверо большая масса гидразина.

Значит я почти угадал, а вот температура что-то маленькая. Если же газ наддува придется разбавлять гидразином, для АТ понадобится отдельный ГГ, если конечно в баках нет мешков.

При разложении НДМГ молярная масса получается примерно 20 г/моль (та же температура и давление). Метана там 70%.

Тогда выигрыш совсем мал.

На борту, кроме НДМГ, есть ещё и перекись - её можно для наддува баков АТ использовать. Молярная масса там получается 22 г/моль.

А она разве не в СА? В парогазе есть вода, она будет конденсироваться и расход перекиси значительно увеличится, к тому же и коррозионная активность АТ возрастет. Перекисью парогаз не разбавить, а в низкоконцентрированной много воды.

Надо бы посчитать массу гелиевых баллонов; если оказывается, что гелиевая система легче, интересно было бы взглянуть на расчёт.

У меня получается, что немного тяжелее, но выигрыш как вы видели совсем мал и не оправдывает усложнения.

[Yegor]

итак убил кучу времени, но посчитал таки ;-)

Союз без довыведения

1 этап: работа первой ступени Союз-ФГ совместно со второй ступенью
Время работы - 120 секунд , 0.42 по времени от работы второй ступени.
1я ступень вначале весит 161140кг , в конце - 15660кг.
2я ступень вначале весит 95800,
в конце (95800-6100)*0.42+6100 = 43774кг.
3я ступень весит 22490кг,
КК Союз весит7220кг.
итого - начальный вес= 161140+95800+22490+7220=286650кг
             конечный вес =   15660+43774+22490+7220=89144кг
УИ берем среднеарифметический наземный-пустотный для 5 блоков:
((3038+2590)/2+(3038+2590)/2+(3038+2590)/2+(3038+2590)/2+(2400+3050)/2)/5 ~ 2796м/c
ХС первого этапа= 2796*ln(286650/89144)=3265м/c
2 этап: работа второй ступени с отделившимися
блоками первой ступени
Начальный вес: 43774+22490+7220=73484
конечный вес: 6100+22490+7220=35810
УИ=3050м/c
ХС второго этапа=3050*ln(73484/35810)=2190м/c
3 этап: работа 3й ступени
Начальный вес: 22490+7220=29710
конечный вес: 2710+7220=9930
УИ=3235м/с
ХС третьего этапа=3235*ln(29710/9930)=3545м/c
Итого суммарно имеем
3265+2190+3545=9000м/c


Союз с довыведением

1 этап: работа первой ступени Союз-ФГ совместно со второй ступенью
Время работы - 120 секунд , 0.42 по времени от работы второй ступени.
1я ступень вначале весит 161140кг , в конце - 15660кг.
2я ступень вначале весит 95800,
в конце (95800-6100)*0.42+6100 = 43774кг.
3я ступень весит 22490кг,
КК Союз-(?) весит9500кг.
итого - начальный вес= 161140+95800+22490+9500=288930кг
             конечный вес =   15660+43774+22490+9500=91424кг
УИ берем среднеарифметический наземный-пустотный для 5 блоков:
((3038+2590)/2+(3038+2590)/2+(3038+2590)/2+(3038+2590)/2+(2400+3050)/2)/5 ~ 2796м/c
ХС первого этапа= 2796*ln(288930/91424)=3217м/c
2 этап: работа второй ступени с отделившимися
блоками первой ступени
Начальный вес: 43774+22490+9500=75764
конечный вес: 6100+22490+9500=38090
УИ=3050м/c
ХС второго этапа=3050*ln(75764/38090)=2097м/c
3 этап: работа 3й ступени
Начальный вес: 22490+9500=31990
конечный вес: 2710+9500=12210
УИ=3235м/с
ХС третьего этапа=3235*ln(29710/9930)=3116м/c
Итого суммарно перед довыведением имеем
3217+2097+3116=8430м/c
То есть - недобор 570м/c.
Чтобы их добрать при помощи движков КК Союз (УИ 2990м/с)
при условии что КК имеет начальный вес 9500кг,
необходимо израсходовать 1650кг топлива.
(так как 2990*ln(9500/7850)=570м/c )
Конечная масса станет 7850кг

КК Союз ТМА имеет запас ХС для орбитального маневрирования
400м/c (начальная масса 7220кг, топливо 900кг, УИ 2990м/с, посчитайте сами)

"Союз с довыведением" должен иметь такой же запас ХС при бОльшей начальной массе -
7850кг.
это обеспечивается при оставшейся после довыведения заправке в 1000кг
(т е, на 100кг больше чем Союз-ТМА).

Итого имеем разницу в 7850-7220-100=530кг.
Топлива должно быть вместо 900кг - 2650кг.
при увеличении размера баков , (а не установкой дополнительных такихже, что
 IMHO, бред) втрое - вес их увеличится как раз на 250-300кг, что оставит
для ПН как раз около 250кг, как я и предрекал.
Стоит оно того? Не знаю, не спрашивайте, этот вопрос не я ставил.

И кстати да... Еще один отрицательный момент . У РН Союз при такой схеме выведения
изменятся поля падений по отношению к "обычным".

Феликс, огромное спасибо за ваши расчёты!  

А быстро посмотрел, всё, кажется, у вас правильно. Только одна опечатка:
"Союз с довыведением"
у вас
ХС третьего этапа=3235*ln(29710/9930)=3116м/c
а должно быть:
ХС третьего этапа=3235*ln(31990/12210)=3116м/c
но результат всё равно правильный.

[Yegor]

Ну, что посчитал - то выложил. Пусть теперь Егор оценивает - нужно нашей космонавтике лишние (воистину лишние) 250кг на Союзе путем превращения ПАО практически в новый РБ , и сопутствующих этому расходов на разработку, испытания и т д и т п.

Да, 250 кг это маловато будет.
Я ожидал прибавку в 1000 кг.
ИМХО "Овчинка выделки не стоит".  

[Yegor]

В топливе заключённом в ракете содержится химическая энергия позволяющая грубо говоря определённой массе сообщить определённую потенциальную и кинетическую энергию. Например в РН Союз заключена химическая энергия позволяющая поднять на высоту 200 км и разогнать до 8 км/с массу в 10 тонн.
 Именно в 10 тонн, ни больше и не меньше. Иначе нарушится закон сохранения энергии.

Старый, спасибо за такое наглядное объяснение!
Да, ПН зависит, в самой большой степени, от массы топлива и УИ двигателей.

[Феликс]

Только одна опечатка:
"Союз с довыведением"
у вас
ХС третьего этапа=3235*ln(29710/9930)=3116м/c
а должно быть:
ХС третьего этапа=3235*ln(31990/12210)=3116м/c
но результат всё равно правильный.

я об этом почти сразу написал. дело в том что исходные данные
поставлены из предыдущего расчета но результат взят из текущих данных.
издержки копипаста.