Линейка РН. Проблемы выбора концепции.

[RadioactiveRainbow]

Знаю - задолбал всех уже своими темами.  :oops:
Вот, последняя. После этой беру месячный (как минимум) перерыв.

Итак, размышления на тему выбора размерности и концепции РН.
Вопрос вечьма сложный, неоднозначный.


Было внесено предложение о создании линейки РН 20-40(50) тонн под "народную" концепцию.
Совместно с Lin-ом было проведено обдумывание концепции такой линейки.
Было принято решение (Lin-ом, в-основном. Мне эта идея не очень симпатична) создать чисто водородное семейство. Дальнейшее обдумывание концепции привело к созданию всего семейства с использованием одного только блока.

Кислород-водородный блок диаметром 5м и полной (включая ДУ) длиной менее 19м, оснащается одним двигателем РД-0120. Имеет сухую массу около 10т и массу топлива 70т.
(На самом деле, касаемо массового совершенства есть определённые сомнения, хотя блок Ц РН энергия имел примерно такие же характеристики)
Фактически, получился Блок-Ц в масштабе 1/4 и с плоской маковкой.

РН собирается следующим образом:
ПН ставится на блок второй (третьей) ступени. Получившаяся сборка ставится на блок первой (второй) ступени, которая, в свою очередь, обвешивается по периметру такими же блоками в количестве от 2 до 6.

Получилось следующее:
1 блок наверху и 3 блока внизу (один по центру и 2 по бокам) тащат на НЗО 20 тонн
1 блок вверху и 5 внизу (1 и 4 по кругу) - 30 тонн на НЗО.
1 сверху и 7 снизу (1+6) тащат 39-40 тонн.


Замечания по расчётам:
- при расчётах принималось, что первая ступень отваливается целой связкой. РД-0120 можно задросселировать до 30%, так что, задросселировав до упора центральный блок, можно ПН поднять (может даже существенно).
Для РН на 30 т можно сильно задросселировать центральный блок, а половину боковых послабее - чтобы боковышки отваливались попарно.
Аналогично с 40т - по два либо по 3 блока.

Недостатки РН:
- самый серьёзный недостаток - неоптимальная конструкция. Неоптимальное распределение массы и ХС.
Хотя, этот недостаток может быть отчасти скомпенсирован дросселированием двигателей (см Замечания)
- двигатель. Полагаю, наладить производство РД-0120 сейчас очень и очень непросто.
- Водородная инфраструктура. Водород - сам по себе немалая проблема. Так вот.
- массовое совершенство вызывает обоснованные опасения
- при сборке 30-40т придётся либо усиливать центральный блок первой ступени, либо навешивать силовую конструкцию для передачи и перераспределения усилий.

Преимущества:
- всего ОДИН блок!!! Это самое серьёзное преимущество. Производство блоков становится, фактически, серийным. Только этот факт может, имхо, покрыть вызываемые недостатками дополнительные расходы.
Вообще, у этого плюса много своих плюсов, я даже не буду сильно об этом говорить - и так, в-общем, всё ясно.

Дополнительный недостаток - диаметр 5м практически не позволяет транспортировать блоки по ж/д.
Попробую уменьшить до 4х. Хотя очень не хочется - будут проблемы с размещением ПН большого диаметра.

[Lin]

IMHO обязательно надо перейти на диаметр 4м. Для крупной ПН – надкалиберный обтекатель. С массовым совершенством IMHO будет не очень – так как каждый блок нужно считать на все возможные нагрузки всех конфигураций. Материал придется получше подобрать, технологии подтянуть...
С двигателями не понятная ситуация. А можно ли купить водородные двигатели за рубежом ?  :lol:

[freinir]

С ненесущим баком..... чтото вы оптимисты!!!

[RadioactiveRainbow]

Кстати, блоки можно процентов на 5-15 увеличить. Тяга двигателей, вроде, позволяет...
Насчёт несущих или не несущих - я в этом пока профан, так что просто положил 5 см для конструкции, теплоизоляции и про запас.

[freinir]

И радиусы днищ впечатляют.....

посчитайте просто конструкцию (массу) по извеснтным методикам!!!

[hcube]

Вообще, моя имха что правильнее делать диаметр 3.9, а 2 и 3 ступени разделять пространственно - т.е. использовать 2, 3, 4 или 6 боковушек, тянущих ЦБ с невключенным двигателем. Это кстати даст и запас тяги на нештатку - ежели чего, всегда можно активировать еще один двигатель. Задача конечно после этого выполнена не будет.

Плюс такой блок хорошо согласуется с УРМ на базе скажем РД-180. Т.е. вместо четырех водородных УРМ можно поставить два керосиновых.

А, ну и нужен все-таки РБ/3 ступень. С ней ПН растет считай на половину от сухой массы предыдущей ступени.

[IZy]

Здраствуйте. Я конечно человек новенький, но некоторое отношение к космонавтике имею. Меня смущает, зачем вам для серийных ракет, схема тандем?
Так же заинтересовал вопрос, как будет происходить управление полётом? Я сталкивался только с последовательным соединением двигателей. Там можно управлять либо вращением самого сопла, как на 15А15 кажется, либо за счёт управляемого кольца на сопле, но при таком количестве двигателей, управление вызывает нокторое затруднение. Так же, вы таким количеством двигателей сильно увеличиваете массу РН+ всякие трубопроводы...а это потеря полезного груза. Так же пожалуй стоит заняться изучением сил и моментов влияющих на первую ступень. Так как эти двигатели по бокам, должны добавлять нагрузок а это опять таки, потеря массы.
Минусы 4х метров, конечто же в транспортировке, прежде всего. Лучше сделать её выше. Устойчивость конструкции можно легко компенсировать. Ну и производство...для производства обичаек, на 4м диаметром, незнаю как в Росси, но на ЮМЗ вроде как не выйдет. Таких стапелей нет.  :roll:

По поводу приведённых конструкций. Стоит делать между ступенями либо ферменный отсек, либо уводить нижнюю ступень от газов верхней, иначе будет идти потеря можности или вообще может сбить с курса. :idea:

[freinir]

Да вы чегго тут про диаметр 4 метра заливаете!!!! Протон вспомните!!!

[RadioactiveRainbow]

Поясните свою мысль, пожалуйста. А то я с просонья туго соображаю  :|

[harsky_work]

слушайте, а чего все так за пакет УРМов цепляются?
посмотрите как красиво превращается Saturn 1B в Saturn 5 и H-1 в Н-11 и Н-111 - мечта, а не схема. из всех минусов - верхние ступени имеют избыток тяговооруженности. и все. никакой головной боли с разным характером нагрузок при различных расположениях УРМа в пучке. в качестве базовой можели берем 40 тонн на LEO, 2 ступени. путем даунгрейда получаем замену Зениту, а добавив большую ступень можно толкнуть НАСА... когда у них смета на Ares взлетит выше неба  :wink:

[RadioactiveRainbow]

Да никто за пакет не цепляется. Мне самому пакеты глубоко противны, и симпатичны "палочки".

Но заказ был на линейку ракет разной грузоподъёмности. Если каждую РН производить индивидуально - будет огромное разнообразие блоков, т.е. малые объёмы производства каждого блока. А это, в свою очередь, приведёт к существенному увеличению стоимости и необходимости создавать/держать оснастку для разных блоков.

В представленную концепцию были положены две ключевые идеи:
1) Использование одной основной топливной пары.
2) Использование одного блока.

Первый пункт по идее должен упростить СК и удешевить работу с РН (хотя, водородная сущность этому будет активно мешать).
Второй должен снизить стоимость блоков посредством перехода на серийное (сейчас оно всё таки штучное) производство блоков и двигателей.

Так вот и получается, что логические измышления и работа с калькулятором выводят на схему, которая глубоко противна, но которая, увы, выглядит правильной.

Очень у меня есть сомнения в правильности такой концепции, но народ пока, увы, молчит


Фактически, кстати, получилась "Водородная Ангара".
А одним только блоком, кстати, выводится (с испьзованием "корабельной" ступени) УКС (см соотв тему). Ну, с парочкой бустеров - тяги 120го не хватит для подъёма.

[Дмитрий В.]

По поводу линейки носителей.
1)Сам по себе модульный подход (проектирование РН на основе фиксированного набора модулей), и подразумевающий использование идентичных блоков в РН разной размерности, имеет много недостатков, и о них писалось неоднократно (темы «Создание РН из УРМ», «И снова про Ангару» и т.д.). Повторяться не буду. Скажу только, что более «благодарный» подход заключается в использовании не идентичных, а подобных блоков с высокой степенью унификации. Например, блоки оснащаются одинаковыми ЖРД, отсеки имеют схожую конструкцию одного диаметра (но отличаются толщиной обшивки и площадью сечений силовых элементов). Для производства важно, чтобы при производстве ракет можно было использовать одну и ту же оснастку, а толщина листов обшивки и т.п. имеют гораздо меньшее значение. Приведу пример из «другой» оперы. Как известно, в США разрабатывается «единый ударный истребитель» (JSF). Согласно этой программе (в конкурсе которой победил «Локхид-Мартин» с проектом F-35) должны быть созданы 3 варианта истребителя (для ВВС, Корпуса морской пехоты и ВМС – для базирования на авианосцах). Согласно первоначальным требованиям, все 3 варианта должны были быть унифицированы (в и.ч. по планеру) не менее, чем на 80-90% (привожу по памяти, так что, если ошибся, поправьте). Однако, в ходе проектирования, выяснилось, что добиться этого невозможно (слишком различны требования потребителей). В конечном итоге, было признано достаточным унифицировать эти самолеты примерно на 60%. При этом отмечалось, что аналогичные элементы конструкции разных вариантов истребителя могут быть «не идентичными, но подобными» в такой степени, что бы было возможно производить все 3 варианта на одной поточной линии.
2)Да, разумеется, чем больше серия, тем дешевле единица продукции. Однако, при уменьшении размерности с целью увеличить серию, в РН растет количество одноименных изделий, что ведет к компенсации эффекта снижения стоимости единичного изделия (блока/модуля). Ну, скажем, первая ступень, состоящая из одного блока, будет несколько дешевле в производстве, чем ступень той же массы, скомпонованная из 3 (5, 7 и т.д.) модулей (хотя каждый модуль будет, естественно, дешевле, чем моноблок). И еще один момент. Для изготовления одной РН необходимо модули для нее  изготавливать параллельно, что увеличивает количество единиц оснастки (если РН состоит из 5 модулей, то должно быть, как минимум, 5 комплектов идентичной оснастки. И т.д.). Другой вариант производства может предусматривать последовательное производство модулей с их последующим хранением в накопителе (или на складе), из которого для сборки конкретного варианта РН изымается необходимое количество модулей. В общем, не все так просто. Кроме того, надежность носителя обратно пропорциональна количеству модулей.
3)В рамках модульного проектирования возможно несколько концепций:
- двухмодульная схема: проектируется базовый двухступенчатый вариант РН, последующие РН семейства получаются путем комбинаций двух блоков.
- трехмодульная схема (тоже самое, но исходный вариант – трехступенчатый).
- одномодульная концепция: исходный модуль проектируется, независимо от какого либо конкретного варианта носителя. А все РН семейства получаются путем использования на ступенях различного количества модулей. Практически в чистом виде – это OTRAG.
В любом случае, как правильно заметил уважаемый Рэйнбоу, чтобы спроектировать модуль, надо спроектировать ВСЕ ракеты семейства. В результате, в каждом полете ракета будет нести избыточный вес конструкции (добро бы, это была вода, но это «высокотехнологичное железо», прошедшее все стадии обработки).
С уважением, Дмитрий В.

[Вадим Семенов]

Дмитрий, как вам такая идея унификации: носитель трехкомпонентный, одноступенчатый, моноблочный. Допустим, энергиевского диаметра, если оснастка сохранилась. Масштабирование происходит за счет навешивания разного числа двигателей снизу и изменения длины цилиндрической части баков при сохранении того же диаметра. Опционально блок двигателей может быть помещен в спасаемую капсулу и использоваться повторно. Довыведение на орбиту разгонным блоком (для связных спутников и проч.) или собственной ДУ ПГ.

По-моему получается требуемая унификация в производстве баков, ну и двигателей, естественно.

[Дмитрий В.]

Дмитрий, как вам такая идея унификации: носитель трехкомпонентный, одноступенчатый, моноблочный. Допустим, энергиевского диаметра, если оснастка сохранилась. Масштабирование происходит за счет навешивания разного числа двигателей снизу и изменения длины цилиндрической части баков при сохранении того же диаметра. Опционально блок двигателей может быть помещен в спасаемую капсулу и использоваться повторно. Довыведение на орбиту разгонным блоком (для связных спутников и проч.) или собственной ДУ ПГ.

По-моему получается требуемая унификация в производстве баков, ну и двигателей, естественно.

Да, можно, конечно и таким путем идти (я кстати, в свое время для "дейтрона" что-то подобное планировал). Естественно, в силу различных ограничений) диапазон масс ПГ будет, в данном случае, не очень широким.
Да, кстати, а зачем трехкомпонентник? Можно и просто водородник  :wink:

[mihalchuk]

Дмитрий, как вам такая идея унификации: носитель трехкомпонентный, одноступенчатый, моноблочный. Допустим, энергиевского диаметра, если оснастка сохранилась. Масштабирование происходит за счет навешивания разного числа двигателей снизу и изменения длины цилиндрической части баков при сохранении того же диаметра. Опционально блок двигателей может быть помещен в спасаемую капсулу и использоваться повторно. Довыведение на орбиту разгонным блоком (для связных спутников и проч.) или собственной ДУ ПГ.

По-моему получается требуемая унификация в производстве баков, ну и двигателей, естественно.

... диапазон масс ПГ будет, в данном случае, не очень широким.
Да, кстати, а зачем трехкомпонентник? Можно и просто водородник  :wink:

В этом случае трёхкомпонентник не нужен с точки зрения увеличения массы ПГ. Но, может быть, он позволит отодвинуть технологические ограничения и увеличить диапазон масс ПГ?

[Лютич]

В этом случае трёхкомпонентник не нужен с точки зрения увеличения массы ПГ. Но, может быть, он позволит отодвинуть технологические ограничения и увеличить диапазон масс ПГ?

Какие ограничения?
Криогенность - и так есть, габариты - так если продолжать биться лбом в железнодорожные ограничения, то и так получим уменьшение диапазона ПН из-за запредельного роста удлиннения ракеты при росте ПН. И кстати, если не ограничивать себя габаритами, то и тут трехкомпонентник выглядит не ахти из-за вырождения бака керосина в чечевицу.

ИМХО, трехкомпонентник - пример неудачной попытки обойти проблему массового совершенства ССТО, и не стоит его всюду тыкать из-за одного только технического уровня.

[mihalchuk]

В этом случае трёхкомпонентник не нужен с точки зрения увеличения массы ПГ. Но, может быть, он позволит отодвинуть технологические ограничения и увеличить диапазон масс ПГ?

Какие ограничения?
Криогенность - и так есть, габариты - так если продолжать биться лбом в железнодорожные ограничения, то и так получим уменьшение диапазона ПН из-за запредельного роста удлиннения ракеты при росте ПН. И кстати, если не ограничивать себя габаритами, то и тут трехкомпонентник выглядит не ахти из-за вырождения бака керосина в чечевицу.

А если не керосин, а метан и совмещённое днище с баком кислорода? Для такой ракеты бак кислорода можно расположить под баком водорода.
Но трёхкомпонентник действительно не нужен - можно поставить отдельные двигатели на водород и углеводород (с небольшой потерей эффективности, но заметным упрощением "конструктивной ситуации").

ИМХО, трехкомпонентник - пример неудачной попытки обойти проблему массового совершенства ССТО, и не стоит его всюду тыкать из-за одного только технического уровня.

ИМХО, трёхкомпонентник - юные годы двигателестроения. Некоторые считают, что мы всё это отжили, другие так не думают.

[Дмитрий В.]

Трехкомпонентная (трехбаковая, двухтопливная) схема, конечно, имеет право на рассмотрение. Но, повторюсь, существенных преимуществ не имеет. Ну, где-то выигрыш по сухой массе, где-то по стартовой. Но речь идет о нескольких процентах (а иногда - о долях процента). А вариант с раздельной ДУ - самый неперспективный (для "одноступов" по крайней мере). Использование подобной схемы (симбиоз трехкомпонентника и схемы Атласа) в "Такси" было вынужденным компромиссом и объясняется: стремлением по максимуму использовать уже разработанные ЖРД, свести к минимуму количество одноразовых элементов. С водородом возможен неплохой вариант тандемной схемы (баки второй ступени размещены на орбитальной ступени вместе с ДУ).

[mihalchuk]

Если не зацикливаться на задаче:

носитель трехкомпонентный, одноступенчатый, моноблочный. Допустим, энергиевского диаметра, если оснастка сохранилась. Масштабирование происходит за счет навешивания разного числа двигателей снизу и изменения длины цилиндрической части баков при сохранении того же диаметра. Опционально блок двигателей может быть помещен в спасаемую капсулу и использоваться повторно. Довыведение на орбиту разгонным блоком (для связных спутников и проч.) или собственной ДУ ПГ.

то, конечно, сами по себе такие идеи в голову не придут. Конечно, отработавшие двигатели можно отстреливать, но это не лучше использования отдельных ускорителей.

[Вадим Семенов]

Да, кстати, а зачем трехкомпонентник? Можно и просто водородник  :wink:

Ну если проблема дросселирования решается, то можно и просто водородник для простоты.

[Вадим Семенов]

Конечно, отработавшие двигатели можно отстреливать, но это не лучше использования отдельных ускорителей.

Я имел ввиду что они отстреливаются единым блоком, а не кучей мелких. И, если это возможно, приземляются через один виток вблизи старта. Собирать кучу блоков вдоль трассы полета не хотелось бы. Хотя кто знает, может это и не напряжно...

[Лютич]

А если не керосин, а метан и совмещённое днище с баком кислорода?

А смысл? Совмещенное днище с водородом умеют делать ажно с 60-х, плотность у метана сравнительно ненамного лучше, чем у водорода, зато по уи последний кроет метан... ну, вы поняли, как кто кого.

[RadioactiveRainbow]

Насколько мне известно, плотность метана всё же существенно больше плотности водорода.

[Дмитрий В.]

Насколько мне известно, плотность метана всё же существенно больше плотности водорода.

Ага, раз в 6 примерно.

[Лютич]

Насколько мне известно, плотность метана всё же существенно больше плотности водорода.

Если сравнивать оба-два с керосином - разница уже не столь заметна.

[Дмитрий В.]

Насколько мне известно, плотность метана всё же существенно больше плотности водорода.

Если сравнивать оба-два с керосином - разница уже не столь заметна.

Вообще-то, масса топливного отсека ЖК-ЖМ лишь немного больше (на несколько процентов), чем у ЖК-РГ-1 (при одинаковой массе топлива, естественно).