Про подвесные баки

[Shestoper]

Как известно, ракету Н-1 много и заслужено пинали за использование в её конструкции подвесных баков.
По сравнению с Сатурном-5 данная схема обеспечивала меньшее весовое совершеноство.
С другой стороны, подвесные баки не требовали вафельной конструкции, так как воспринимали нагрузку только от топлива, а нагрузку от двигателей брал на себя наружный каркас, простой и технологичный в сборке.

Разглядывая проекты сверхтяжелых ракет вот здесь: http://www.astronautix.com/lvfam/nova.htm
я обратил внимание, что с ростом массы ракеты стремительно "толстеют", меняя пропроции. Это происходит по 3 причинам:
1) для сверхтяжелых ракет требуется большая площадь днища, чтобы было где разместить большую упряжку здоровенных двигателей;
2) для сверхтяжелых ракет по сравнению с "малютками" роль аэродинамического сопротивления значительно слабее;
3) для свержтяжелых ракет очень сложной проблемой является борьба с аккустическими нагрузками и вибрациями - короткий толстый корпус лучше противостоит вибрации, чем тонкий и длинный.

Следовательно в ракетах массой 5000 тонн и более диаметр баков становится сопоставимым с их длиной. Резко возрастает целесообразность использования совмещенных днищ топливных баков, иначе межбаковые отсеки по длине сравнимы с баками и создают большой паразитный вес.
В результате форма баков приближается к сферической, а цилиндрическая часть бака занимает малую долю его длины. То есть значительную часть длины корпуса ракеты состовляет не стенка бака, а внешний силовой набор.

Вот я и подумал, что схема с подвесными сферическими баками для сверхтяжелых ракет будет наиболее целесообразной с точки зрения весового совершенства. Но не буквально совпадающая с конструктивной схемой Н-1. Пусть на каждой ступени будет только один подвесной сферический топливный бак. Первая ступень керосин-кислород, вторая водород-кислород.
Баки одинакового диаметра, разделены внутри сферическими перегородками с теплоизоляцией. Радиус кривизны перегородок подобран таким образом, чтобы для первой ступени 65% объема бака занимал кислород, 35% керосин. На второй ступени бак разделен в соотношении 3:1 для водорода/кислорода.
По сравнению со схемой Н-1 такая конструкция подвесных баков позволит резко уменьшить высоту ракеты, и следовательно уменьшить вес наружного силового набора.
Например для кислород-керосиновой ступени диаметр совмещенного бака будет всего на 15% больше, чем диаметр бака окислителя для схемы Н-1. При такой схеме 2 ступени ракеты (без учета ПН) будут иметь длину равную всего 2,5 диаметрам (по пропорциям нечто вроде вот этого: http://www.abo.fi/~mlindroo/SpaceLVs/Slides/sld044.htm

http://www.abo.fi/~mlindroo/SpaceLVs/Slides/sld042.htm).
Но в отличии от американских проектов баки подвесные, а нагрузки от двигателей воспринимает внешний силовой набор. Это позволит упростить и облегчить конструкцию баков.


Такая ракета будет гораздо меньше "возить воздух", чем Н-1 - то есть улучшится использование внутреннего объема.
Для увеличения технологичности ракеты диаметр сферических баков первой и второй ступени одинаковый (требуется производство поверхностей 3 радиусов кривизны - поверхность баков и 2 перегородки разной кривизны на первой и второй ступени), то есть внешний корпус будет иметь цилиндрическую форму.
Большое пустое пространство торообразной формы будет между баками первой и второй ступени, но оно как раз отлично подойдет для размещения двигателей второй ступени (8-12 двигателей, размещенных кольцом).

Мне кажется, что такая конструкция будет оптимальной с точки зрения весового совершенства и технологичности производства для ракет массой 5-10 тысяч тонн.

[STEP]

Идея очень интересная, но не нова. Предлагаю сходить по ссылке http://apervushin.narod.ru/vz1/index.htm Там уже не только идея, но и конкретная конструкция описана.

[hcube]

Может, я чего-то не понимаю, но нафига нужен такой монстр? Не проще ли поставить на конвеер средние или тяжелые РН? Типа того же Дейтрона? А на орбите уже собирать конструкцию из кусочков.

[STEP]

Может, я чего-то не понимаю, но нафига нужен такой монстр? Не проще ли поставить на конвеер средние или тяжелые РН? Типа того же Дейтрона? А на орбите уже собирать конструкцию из кусочков.

А нафига такой монстр, как Дейтрон??? :shock:  Вон тут один умник (не к ночи будь помянут) предлагал возродить производство Фау-2 и гонять их по тысяче штук в год. ДешевизззннааААА ... оффигеть мона !!! :shock:  :shock:  :shock:
     

[hcube]

Не, ну я не спорю, что по хорошему надо иметь гибрид Зенита и Р-7 на метане, этак под 20-30 тонн ПН. Движки - 2 на центре и по 1 на 3 ступени и на боковушках, с тягой порядка 200 тонн каждый. Т.е. ... ну, что-то типа китайского ВП, который под пилотируемую программу. Только крупнее. Или если угодно - Сибирь, масштаб 2:1, и с цилиндрическими блоками 1 ступени. Ну, и еще со стартом не с подвеса, а со стояния на хвосте, как Протон.

Тогда одна боковушка с адекватным верхом - это порядка 6 тонн ПН - под облегченный Союз, 3 боковушки - порядка 15 тонн под Клиппер, а большой центр + 4 боковушки - 27 тонн под модули станций.

[Lin]

Мои IMHO – не дорогой, серийный, технологичный носитель на ПН в 50 тонн (+ легкие 4-5 тонн и средние 10-15).
Вот "Дейтрон" чем-то нравиться, даже понять не могу чем !
Осталось придумать, как стартовать прямо с завода. Что бы исключить этап транспортировки и делать нормальны блоки, без проблемы "лошадиных тылов".
Как обезопаситься от взрыва тысячи тонн топлива – предлагайте ваши идеи.  :wink:

[avmich]

Lin, проблему транспортировки надо радикально решать перевозками по воздуху. Дейтроновский калибр вроде летал ;) .

[Зомби. Просто Зомби]

Дейтрон - это хорошо
Но он умер вместе с Энергией

PS.
А с Энергией он был бы хорош :roll:  :?

[RadioactiveRainbow]

Lin, проблему транспортировки надо радикально решать перевозками по воздуху. Дейтроновский калибр вроде летал .

Угу. Или размещением производственных мощностей непосредственно возле СК.  :roll:

[Shestoper]

Идея очень интересная, но не нова. Предлагаю сходить по ссылке http://apervushin.narod.ru/vz1/index.htm Там уже не только идея, но и конкретная конструкция описана.

Да, проекты сверхтяжелых ракет моноблочной компоновки имеют похожую конструкцию. Большинство проектов Новы тоже выполнены по похожей схеме, только с несущими баками. Законы физики для всех одни, если оптимизировать параметры ракеты, то получатся похожие проекты.

[Shestoper]

Может, я чего-то не понимаю, но нафига нужен такой монстр? Не проще ли поставить на конвеер средние или тяжелые РН? Типа того же Дейтрона? А на орбите уже собирать конструкцию из кусочков.

Это смотря для какой космонавтики. Если для такой, как сейчас, то и Дейтрон будет слишком жирно. Для нынешней космонавтики сверхтяжелый носитель как слон в посудной лавке.

Но если замутить что-то серьёзное, например добычу гелия-3 на Луне, или постройку сверхбольших орбитальных рабиотелескопов, или систему ПРО космического базирования, или базу на Марсе - то это потребует грузопотока на LEO порядка тысяч тонн, причем некоторые из грузов будут очень крупногабаритными и увесистыми. Конечно можно запустить за год сотню тяжелых РН, но намного проще и дешевле тот же груз забросить десятком запусков ракеты с ПН порядка 300-500 тонн. Например Глушко для обслуживания лунной базы (чисто научной, без добычи гелия-3 или редких металлов) считал необходимым создать Вулкан (немаленькая такая ракетка).

Не случайно американцы сейчас рисуют сверхтяжелый носитель на базе элементов Шаттла - без него никакой по-настоящему амбициозный проект с места не сдвинешь, как невозможно обслуживать перевозку грунта в карьере леговыми автомобилями - нужен карьерный самосвал.
Но пытаясь экономить на разработке и не перестраивать производственные мощности, делая ракету на базе Шаттла, который совсем под другие задачи создавался, американцы получат не слишком конструктивно совершенную ракету.

В России Энергия практически мертва, так что если понадобится космический грузовик, разрабатывать его лучше с нуля, оптимизируя под низкую стоимость выведения килограмма груза и высокую технологичность (для серии порядка 100-200 ракет).

[Shestoper]

Угу. Или размещением производственных мощностей непосредственно возле СК.  :roll:

ИМХО самый оптимальный вариант.
Ступени сверхтяжелой РН - это грузы весом тонн по 300-400, диаметром метров 20 и длиной метров 40-50.
При желании их конечно можно транспортировать, но проще сразу построить сборочный завод на космодроме. Тем более что пока у нас нет завода для серийного производства ракет такого калибра, и его всё равно придется строить.

[STEP]

Идея очень интересная, но не нова. Предлагаю сходить по ссылке http://apervushin.narod.ru/vz1/index.htm Там уже не только идея, но и конкретная конструкция описана.

Да, проекты сверхтяжелых ракет моноблочной компоновки имеют похожую конструкцию. Большинство проектов Новы тоже выполнены по похожей схеме, только с несущими баками. Законы физики для всех одни, если оптимизировать параметры ракеты, то получатся похожие проекты.

Нее! Несущие баки, это уже совсем другая история.  

[Shestoper]

Я тут посчитал немного, получилось следующее:
если на первой и второй ступени будут сферические баки одинакового диаметра (на первой ступени объем керосина/кислорода равен 38%/62% объема бака, на второй ступени объем водорода/кислорода равен 75%/25%), то веса топлива для первой/второй ступени будут относиться почти точно как 3/1.
При этом внутренние перегородки в баках для увеличения технологичности производства нужно делать той же кривизны, что и поверхность бака.


Приняв вес ПН на уровне 4% стартовой массы, получается, что первая ступень будет весить порядка 72% полной массы РН, вторая порядка 24%. Получилось весьма приличное соотношение масс ступеней.
В идеальном случае (для максимальной ПН) отношение характерестических скоростей, придаваемых первой и второй ступенью, должно быть равной отношению скоростей истечения топлива первой и второй ступени.
Для керосина у земли и водорода в вакууме это отношение близко к 1,5.
А для нашей ракеты, приняв УИ двигателей первой ступени у Земли 300 с, второй в вакууме - 450 с, весовое совершенство первой ступени = 15, второй = 10,  первая ступень будет иметь характерестическую скорость порядка 3,34 км/с, а вторая ступень - 6,64 км/с, то есть соотношение 1,99.

[Shestoper]

Для стартовой массы ракеты 10000 тонн диаметр баков должен быть равен 23 метра. В баке первой ступени будет содержаться около 4950 тонн кислорода и 1900 тонн керосина.
Следовательно, при старте с перегрузкой 1,3 давление в них будет не выше 3,6 атмосфер.
В таком случае достаточна толщина стенки бака, равная 1,75 см алюминия, и вес бака (вместе с внутренней перегородкой, но без учета теплоизоляции на ней) составит 108 тонн. Данный рассчет конечно очень приблизительный, так как толщина бака принимается везде равной максимальной. В реальности бак в вержней части будет тоньше, и его вес составит порядка 1% от веса содержащегося в нем топлива - около 70 тонн.

Подвесные сферические баки, воспринимающие только нагрузки от топлива и работающие только на растяжение, идеально подходят для применения волоконных композитов. Если бак будет состоять из тонкого металлического лейтнера и волоконной обмотки, то ИМХО вполне реально снизить его вес до 50 тонн (по аналогии с весами металлических и композитных газовых баллонов).

Внешняя оболочка будет состоять из стального силового каркаса и легкого внешнего кожуха (с поверхностной плотностью порядка 1 г/кв. см.). Высокопрочная сталь имеет лучшую удельную прочность, чем алюминиевые сплавы. Применение стали в оболочках баков сдерживается малой толшиной и малой жесткостью тонких стальных оболочек. Но для силового каркаса из стальных балок вполне можно обеспечить необходимую жесткость. Вес стального каркаса будет порядка 70-75 тонн,  вес внешнего кожуха около 15 тонн.

Плюс 18 двигателей тягой 700 тонн - это ещё 110-120 тонн веса. Двигатели будут размещены кольцеобразно, в 2 ряда - 12 во внешнем кольце и 6 во внутреннем.
Плюс трубопроводы и система управления.

В общем для первой ступени ИМХО вполне достижимо весовое совершенство на уровне 18-20. Характеристическая скорость такой ступени будет около 3,5 км/c.

Тогда принимая для второй ступени весовое совершенство 12, получаем ПН около 5,3%.

Значит для стартовой массы РН 10000 тонн для такой компоновки вполне можно обеспечить ПН 500 тонн.

[mihalchuk]

Shestoper:

Разглядывая проекты сверхтяжелых ракет вот здесь: http://www.astronautix.com/lvfam/nova.htm
я обратил внимание, что с ростом массы ракеты стремительно "толстеют", меняя пропроции. Это происходит по 3 причинам:
1) для сверхтяжелых ракет требуется большая площадь днища, чтобы было где разместить большую упряжку здоровенных двигателей; ...

Первая причина имеет физическую природу - площадь сопел двигателей пропорциональна стартовой массе. Остальные причины утилитарны.

[Вован]

В защиту баков Н1

[Данилов]

Ой, ну надо же, проект MM S10R-2 вчистую с 1 ступени Н-1 слизан!  :shock:

[Shestoper]

В защиту баков Н1

Из этого рисунка очевидна выгодность "коротких и толстых ступеней", плюс ещё для сверхтяжелой  (5000 тонн и более) РН нужно боооольшое днище, чтобы было куда воткнуть нужное число двигателей.
Отсюда неизбежно следует конструкция ступеней с совмещёнными днищами баков - иначе межбаковые отсеки будут отнимать половину веса конструкции.

Возможно даже, что первая и вторая ступень будет соединяться сваркой наглухо, и разделяться разрезным зарядом - как это реализованно в ракете Р-29 для подводных лодок (там очень остро стоял вопрос минимизации длины ракеты, и сопло двигателя второй ступени разместили прямо в баке окислителя первой ступени).
Тогда уже конечно про подвесные баки речь не идёт, надо будет делать несущие. Если первая ступень будет на керосин-кислороде, можно сделать внизу кислородный бак, а над ним бак керосина, и в нем разместить двигатели второй ступени. Бак горючего первой ступени будет ограничен снизу баком окислителя, а сверху днищем кислородного бака второй ступени.
Тут уж придется обязательно ракету сваривать на космодроме, потому что возить её по отдельным ступеням будет невозможно.

Хотя я не уверен, что такая схема (с исключением переходника между ступенями) себя оправдает - весовое совершенство первой ступени не так критически важно, а разделение ступеней усложняется.
C учетом того, что например у второй ступени Энергии межбаковый отсек весит больше, чем бак кислорода (6 тонн против 5 с копейками), сухой вес первой ступени можно будет уменьшить максимум на 15-20%, что даст увеличение ПН примерно в 5-6 раз меньшее по весу.
Если у сверхтяжелой РН вроде "Новы F-8" первая ступень в сухом виде весит порядка 200 тонн (заправленная порядка 3,2 тысяч тонн), то таким образом множно увеличить ПН всего на 5-7 тонн.

[Alex-DX]

Попались фото баков Н1





думал они гладкие , а они фрезерованные.
Есть у кого данные по толщине, материалу?