Пределы совершенства

[X]

В последнее время популярными темами стало создание новых носителей (Онега) и модернизация старых (Зенит, Протон). Разбираются достоинства перехода на водород , апгрейд двигателей до запредельных параметров . Очевидно , что подобные проекты - вещь весьма дорогостоящая.  Как минимум предлагается создавать с нуля новую инфраструктуру на космодроме , а то и вовсе новую ракету, старт под нее  и выгода от этих мероприятий зачастую сомнительна.

 Между тем куда более впечатляющих результатов можно достичь куда как более простыми средствами.  А именно : улучшение массового совершенства ракеты. Этот параметр не менялся  десятилетиями , а ведь он значительно влияет на конечный результат .

  Рассмотрим подробнее чего можно добиться на этом поприще. В среднем около 20-25% сухой массы ступени приходится на двигатели и прочие полезные системы. Число это колеблется у разных ракет и ступеней , и для круглого счета возьмем его равным 30%. Это трогать не будем.  Остальные 70% - баки и разные конструкции . Сейчас они изготавливаются из алюминь-магниевых сплавов.  Плотность их около 2.7 г/см3 , предел прочности порядка 300 МПа.  Попробуем заменить  их углепластиками (1.5 г/см3 ,  900 МПа). Вспоминая простейшие формулы из сопромата  , получаем что толщина стенки уменьшается втрое ,  вес баков (с учетом меньшей плотности) впятеро , а вес всей конструкции более чем в 2 раза.  
 
 К чему это приведет ? Расчеты на ратмановском спредшите показали , что подобный апгрейд одной лишь третьей ступени Протона М , позволяет вывести на ЛЕО 26 тонн. Аналогичный результат может быть достигнут разве что переходом на 3-ю водородную ступень , что в свою очередь требует создание с нуля водородной инфраструктуры для Протона , да и сама ступень с новыми двигателями влетит в копеечку.  Стоимость же конструкции отдельно взятой ступени никогда не была главным слагаемым в десятках миллионах долларов за пуск.

 А как с возможностью реализации ? IMHO неплохо . Материалы термо и химически стойкие . Давно промышленно производятся . Из композитов делают весьма объемистые конструкции вроде обтекателей ракет .  Пора и баками заняться.

ЗЫЫ
Стоит  также отметить любопытный факт: перевод Протона целиком на композитные материалы позволяет вывести до 40 тонн. Внушаить !

[МиГ-31]

Бак - не обтекатель.
Технологии влетят в такую копеечку, что

Стоимость же конструкции отдельно взятой ступени

станет

главным слагаемым в десятках миллионах долларов за пуск.  

[X]

Не думаю
Намотать из углеткани бак не проблема . Делают же целые самолеты и яхты , размеры сопоставимые , а сложность больше. Если массу готового изделия (самолета/яхты) разделить на его вес - будет около 100 долларов за кг.  То есть композитный бак 3-ей ступени потянет максимум на $100000 . Да пусть хоть миллион .  Это с лихвой оправдает лишние 5 тонн на ЛЕО .

[Игорь Суслов]

Намотать из углеткани бак не проблема.

Эх, не проблема...
Ну, задайтесь, хотя бы, таким вопросом - отчего же так не делают? У вас есть примеры работы угле-(стекло-)пластиков на первых ступенях ЖИДКОСТНЫХ ракет?
Видите ли в чем дело: заявленные вами прочностные характеристики для углепластиков работают лишь на ОПРЕДЕЛЕННЫХ конфигурациях изделий, намотанных из УПКМ, а еще более вероятнее - из кусков таких изделий. Конструкции со вмотанными штуцерами, силовыми элементами и прочей ракетной "ерундой", диаметром 3-4 метра, при агрессивных ("вонючих") или криогенных компонентах - это вам не баллоны для аквалангов или корпус моторной лодки...
Плюс технология намотки, сушки и т.д....
Вас не удивляет, с чего бы SRB шаттла - из стали?

Не все так просто, к сожалению...

[Технократ]

А идея то отличная - и имела место быть её воплощение.
Вспомним пичившую в бозе BA-2 именно из углепластика были намотаны её 6 мтровые диаметры ступеней, что даже при пероксиде довало 18 тонн на НЗО с 1000 тонн стартовой массы при трёх ступенях.
В ангарах стяли уже намотанные баки, были сделаны и испытанны и 2-й ступени и 3-й ступени  двигатели

Пожалуй действительно 40 тонн у "Протона-УП" ( Протон-Углеплпстик)
возможен и желателен.
Мои поздравления Гостю - жаль не знаю имени.
Именно такие светлые мысли помогают взглянуть на проблемму с непревычной стороны.

А конструкция намотки конечно отличается от сварки, и как показал опыт вышеупомянутого проекта, иные технические решения дали возможность создовать дешёвые и надёжные конструкции.
Например сотовые конструкции с двойной намоткой простои надёжно.
Это когда двойной корпус а между ними соты - лучше чем фрезеровка бака Зенита.

[Игорь Суслов]

Вспомним пичившую в бозе BA-2 именно из углепластика были намотаны её 6 мтровые диаметры ступеней, что даже при пероксиде довало 18 тонн на НЗО с 1000 тонн стартовой массы при трёх ступенях.

И что, 18 т. против 1000 т. - это круто?!?! За что боремся?
Кстати, что это за зверь такой, ВА-2?

[VK]

Мои поздравления Гостю - жаль не знаю имени.
Именно такие светлые мысли помогают взглянуть на проблемму с непривычной стороны.

Мои сочувствия Гостю   - имени не знаю. А заодно и Технократу - имени, соответственно, тоже не знаю   .

Игорь Суслов выше немного намекнул на проблемы с композитами, но вы не поняли - кто с ними дела не имел, видимо, так просто не поймет. Лекции читать про использование углепластика и аналогичных композитов в конструкциях ракет - это не здесь надо.

Попробую попроще: попытайтесь нарисовать (или представить) линию намотки для цилиндрического бака С ДНИЩАМИ. Для простоты возьмите полусферы. Даже если всевозможные фланцы под клапаны и трубопроводы исключить (а это от 20 до 60 процентов площади днища - в зависимости от габаритов бака), то на днищах вы получите увлекательнейшую картинку из нитей препрега. И толщины офигенные - а куда девать? И схема расположения нитей на днище - сам черт ногу сломит. А уж прочность ...

Вообще мотанные (и листовые - путем укладки ленты) композиты хороши в идеале, как материал. А вот как конструкция - где дырки, изгибы, местные крепления чего-нибудь, локальные нагрузки - вот тут у композитов проблемы. Попробуйте представить стык фермы с композитной оболочкой. Мне заранее вас жалко.

Другая проблема - проницаемость и, соответственно, негерметичность. Наливаем в композитный бак кислород и... хлещет из всех щелей, которых, вроде бы и не было до этого.

Да, можно внутрь металлическую герметизирующую то-о-ненькую оболочку пихнуть. Но... модуль упругости разный, коэффициент температурного расширения разный - в результате или все должен брать металл, или металл лопнет где-нибудь - все, приехали.

Еще пунктик - ремонтопригодность. Сделали офигенный бак, стоимостью несколько мегабаксов. А при проверке нашли - где-то непроклей, где-то расслоение, где-то негерметичность. Как ремонтировать?

Такие вот темные мысли должны помочь взглянуть неспециалистам на радужные картинки с непривычной, практической стороны.  

[avmich]

Даже не знаю, что сказать :) . С одной стороны, согласен со специалистами - подводные камни тут бывают. С другой - хотелось бы понять, почему же всё-таки всё всё так плохо :) . VK, если на днищах вмотаны металлические диски, в которые уже впаяны все фиттинги для труб - это поможет упростить намотку и повысить прочность? Если разобрать ещё более простой случай - сфера, с "доньями" раза в 4 меньше диаметра, и с герметизирующим слоем не из алюминия, а из полиэтилена - насколько это сложно и ненадёжно получится?..

[VK]

сфера, с "доньями" раза в 4 меньше диаметра

А как это?

Что касается металлических вставок, то здесь основная проблема - это стык металла с композитом. Надежных решений я не видел, во всяком случае, для баков.

Про полиэтилен - а какие компоненты он выдержит? Во всяком случае, не криогенные. Да и надежность и сроки хранение у него очень уж сомнительные.

Надо, конечно, работать над этим - вон американцы на Х-34, кажется, композитный бак делали? Не сумели ...

Пока отработанную технологию для герметичных конструкций я видел только для баллонов высокого давления - герметичная сфера из титана, а сверху - разгружающая обмотка из композитной нити.

[Игорь Суслов]

Пока отработанную технологию для герметичных конструкций я видел только для баллонов высокого давления

А корпуса РДТТ?

Что касается металлических вставок, то здесь основная проблема - это стык металла с композитом. Надежных решений я не видел, во всяком случае, для баков.  

А вмотаные шпангоуты в корпуса РДТТ?

[Fakas]

Да, корпуса РДТТ делают из композитов. Днища металлические. Но я бы не назвал их дешевыми.
С проблемами криогенных композитных баков столкнулись американцы при создании Х-33. Происходило растрескивание баков. Проблема стала столь серьезной, что потом от композитов отказались в пользу алюминия. Естественно это ухудшило массовые характеристики. Судьба Х-33 известна -- проект закрыт.
Теперь о ВА-2. Частная РН Beal Aerospace. По моему мнению изначально предполагались композитные баки и композитные КС(направление, предложенное Гостем). Композитные баки очевидно  были нужны, для того что бы на солидных тягах не ставить дорогой ТНА -- у них была вытесниловка. Металлические баки были бы слишком тяжелыми на таких размерах.А уж проблема криогеники в композитах заставила использовать керосин и перекись -- неаггрессивные (сравнительно) и некриогенные компоненты с ужасающе низким Iуд. Отсюда и низкое массовое совершенство -- 5,800 кг на геопереходную траекторию при взлетной массе 970 т. Сравните с Зенит-3SL, который выводит туда же на 550 кг меньше, но весит "всего"471 т -- почти вдвое меньше (все данные по Вэйду). Проект ВА-2 также закрыт.

[Игорь Суслов]

Да, корпуса РДТТ делают из композитов. Днища металлические. Но я бы не назвал их дешевыми.

Днища - мотаные. У Макеева.
Я и не говорил, что они дешевы

[avmich]

VK, система рассматривается такая... Сферической бак, диаметром, скажем, 60 см :) . У полюсов отрезаются (можно мысленно...) сегменты, диаметром 15 см. Получаются две круглые дырки в сфере. Края дырок - металлические кольца, намертво :) прикреплённые к композиту, из которого эти сферы состоят. Как? А вот как...

Сначала берутся эти кольца, металлические, и ось между ними, и какая-нибудь сферическая форма (гипсовая сфера?), на которую натянут полиэтилен. На всё это мотается углепластиковая нить. То есть, нить изначально мотается на все участки сферы, кроме вышеупомянутых сегментов. Мотается под разными углами, для обеспечения равномерности нагрузок... В результате, после того, как уберём ось и форму (которая поддерживала жёсткость в процессе намотки - допустим для простоты, что форма гипсовая, мы её потом разбиваем и вытаскиваем осколки через две дырки у полюсов), получается сфера с дырками, и эта сфера прикреплена к кольцам. Вот уже к этим кольцам крепим металлические диски-заглушки, в которых все дырки для трубок есть...

Полиэтилен выдержит перекись и керосин :) большего нам пока не надо ;) .

Очень бы хотелось мнение услышать :) .

[Fakas]

Полиэтилен выдержит перекись и керосин большего нам пока не надо .

Очень бы хотелось мнение услышать .

Вот я уже все сказал по этому поводу -- см. сравнение Зенита и ВА-2. No more comments .

[avmich]

Не, мне нужно мнение по тому, как это осуществить. Сферический бак. В "гаражных" условиях ;) . Давление - ну, скажем, 100 атм, для определённости...

[VK]

А корпуса РДТТ?

А вмотаные шпангоуты в корпуса РДТТ?

Что-то мне подсказывает, что у РДТТ отношения с герметичностью несколько иные, чем у жидкостных баков... А также с силовой схемой и передачей нагрузок.  

[VK]

Края дырок - металлические кольца

Это называется фланцы.

То есть, нить изначально мотается на все участки сферы, кроме вышеупомянутых сегментов. Мотается под разными углами, для обеспечения равномерности нагрузок...

Да, это так и делается. Только около фланцев получается обалденная толщина, причем ВСЕ нити в этом месте проходят ПО КАСАТЕЛЬНОЙ. То есть радиальная прочность в этом месте - нулевая. Чтобы этого избежать, делают достаточно большие металлические площадки около фланцев, чтобы обеспечить переход нагрузки с фланца на обмотку и обратно. Задачка для прочнистов еще та.

... намертво прикреплённые к композиту, из которого эти сферы состоят...
...получается сфера с дырками, и эта сфера прикреплена к кольцам..

Загвоздка в слове "прикреплена". И уж тем более за базар "намертво" надо отвечать   расчетом, а потом экспериментально.  Скажем, нагрузку по оси клапана, который мы приварим к этому фланцу, направленную ВНУТРЬ оболочки, держать будет весьма интересно.

Поймите меня правильно, я не тормоз прогресса. Просто я, как человек, поимевший дело с композитами и поощущавший разницу между заявляемыми характеристиками на образцах и тем, что получается в конструкции, хочу предостеречь от неоправданных восторгов: о, светлая мысль, сейчас все сделаем легким и прочным! Труд хороших конструкторов и технологов в том и заключается, что светлые мысли надо обстрогать до состояния, когда это становится возможным к изготовлению. А выигрыш при этом иногда пропадает вовсе. Поверьте на слово, как бывшему прочнисту.    :roll:  :cry:

[VK]

Не, мне нужно мнение по тому, как это осуществить. Сферический бак. В "гаражных" условиях . Давление - ну, скажем, 100 атм, для определённости...

100? А куда столько? А вообще-то чисто сферическую оболочку с двумя диаметрально расположенными фланцами небольшого диаметра как раз просто сделать - см. выше про баллоны высокого давления. Какой Вам нужен диаметр оболочки?

[МиГ-31]

А я наелся по самое не балуйся различными коэфициентами линейных расширений для металических и неметалических элементов криогенных баков. Могу сказать точно, герметичных криогенных емкостей со всей топливной арматурой не будет еще очень долго. А по приемлемым ценам - еще очень, очень, очень долго.
 Про вонючие ракеты точно не скажу, бо не знаю. Но подозреваю, что там проблем обеспечения/контроля герметичноси будет немеренно тоже. Ключевые слова:Соединение металла с неметаллом. Правильно тут VK все рассказывал.
 Короче, надо на меленьких бачках отрабатывать технологии, набирать статистику, разрабатывать методики расчета на прочность.
Когда-нибудь будет сделано, конечно, но намного эффективнее родной стали/алюминия не будет в обозримом будущем.
 
Хотя дипломов и курсачей на эту тему будет сделано немерянно. Ибо стекло и уголь для диплома - самое милое дело, цифры поражают своим размахом, а в металле делать ничего не надо! :twisted:

[avmich]

VK, то, что на практике сложнее, чем в теории, понимаю, но хочется попробовать.

Диаметр хочется 60 см для сферы. Диаметр отверстий - 15 см.

Почему около фланцев получается большая толщина? Сфера изначально - фигура симметричная, и мотается тоже симметрично, за исключением тех "экваторов", которые проходят через зоны у полюсов. Получается, у полюсов вроде как раз тоньше... но полюса не очень большие, так что только слегка тоньше.

Что-то я здесь упускаю?

Да, кстати, нити в любой точке проходят по касательной :) . Что имелось в виду-то? Похоже, что-то я не понял.

В 15 см диаметр фланцев можно попробовать вписать и площадки. Какая ширина должна быть этих площадок? 2 см? 5 см?.. Понятно, что переход прочности от композита к металлу - это сложное место... вот как бы это численно оценить?

100 атм - это с запасами :) . Но и хорошее значение одновременно... Бак хочется для вытеснительной подачи керосина, половину давления - на запас и потери. Ну, или можно рассматривать 100 атм как значение для примера :( . А, скажем, 30 атм - сильно проще будет?..

То, что "прикреплена" - это сложно, понятно. То, что "намертво" - там смайлик стоит :) не зря - понимаю, что намертво - это не совсем в числах. Вот чисел как раз и хочется. А что с нагрузками по осям? Можно, скажем, если очень сложно иначе, оставить между полюсными дисками силовой стержень, который будет продольную жёсткость обеспечивать. Пойдёт?..

Восторгов стараюсь излишних не изъявлять. И понятно, что неспроста делают металлические баки... Эту задачу сознательно упрощаю, насколько понимаю в упрощениях. Можете попробовать оценить численно?