Об унификации двигателей тяжелых и сверхтяжелых носителей

[Shestoper]

Меня в реализации этого двигателя больше всего беспокоит сажеобразование в востановительном газе.
По идее этот газ химически не так агрессивен, как окислительный - так что температуру поднимать в "сладком" ТНА проще.
Но как влияет температура и высокое давление на сажеобразование, какая тут зависимость? Может кто-нибудь в курсе?
В ТНА РД-170 давление доходит до 520 атм, а температура до 800 Кельвин.

[fagot]

Меня в реализации этого двигателя больше всего беспокоит сажеобразование в востановительном газе.
По идее этот газ химически не так агрессивен, как окислительный - так что температуру поднимать в "сладком" ТНА проще.
Но как влияет температура и высокое давление на сажеобразование, какая тут зависимость? Может кто-нибудь в курсе?
В ТНА РД-170 давление доходит до 520 атм, а температура до 800 Кельвин.

Хорошо влияют, в смысле сажи будет больше. А вот насколько - сказать сложно. Хотя схема газ-газ позволяет при заданном давлении в КС обойтись меньшими параметрами газа на турбинах, чем газ-жидкость. Так же восстановительный газ может вызывать науглероживание стали.

[Александр Ч.]

Оценки есть для скорости науглероживания?

[Вадим Семенов]

Меня в реализации этого двигателя больше всего беспокоит сажеобразование в востановительном газе.
По идее этот газ химически не так агрессивен, как окислительный - так что температуру поднимать в "сладком" ТНА проще.
Но как влияет температура и высокое давление на сажеобразование, какая тут зависимость? Может кто-нибудь в курсе?
В ТНА РД-170 давление доходит до 520 атм, а температура до 800 Кельвин.

А мне вот интересно, можно ли сделать безгенераторный двигатель на метане в качестве рабочего тела? По идее это должно снять проблему сажеобразования, да к тому же упрощение и удешевление. Если уж задача сделать дешевый и надежный двигатель.

[Shestoper]

А мне вот интересно, можно ли сделать безгенераторный двигатель на метане в качестве рабочего тела? По идее это должно снять проблему сажеобразования, да к тому же упрощение и удешевление. Если уж задача сделать дешевый и надежный двигатель.

В принципе можно. Правда тяга и давление в камере такого двигателя будут невелики - за счет охлаждения КС нельзя получить много высокотемпературного газа, так что мощность насосов будет ограничена. Разве что применить сопло с центральным телом - его сложнее охлаждать, но в данном случае это скорее достоинство - больше теплопоток.

[fagot]

Оценки есть для скорости науглероживания?

Где-то наверно есть. Но раз экспериментальные двигатели работали, то по крайней мере при достаточно умеренных давлениях проблема невелика.

[Shestoper]

Я вот ещё о чем подумал.
Если сравнить F-1 и РД-170 - мощность их ТНА отличается в 4,5 раза, 60000 и 257000 л. с. соответственно.
При этом в секунду ТНА F-1 перекачивает 2700 кг горючего и окислителя, ТНА РД-170 - 2530 кг.
Высокое давление в КС требует большой мощности ТНА и повышает удельные характеристики - УИ РД-170 на 45 сек выше, и его тяга больше, чем у F-1 при меньшем расходе топлива (740 и 690 тонн).

Поскольку через ТНА РД-170 пропускается весь окислитель, падение давления в турбине небольшое -1,94 (при начальном 510 атм.).
К сожалению подробные характеристики ТНА F-1 я найти не смог, но поскольку там в ТНА используется всего около 3% топлива (а давление в КС всего 65 атмосфер) - ясно что там падение давления в турбине в несколько раз выше, энергия небольшого количества газа используется максимально полно.

В принципе можно создать специальный двигатель для сверхтяжелых носителей, с открытой схемой, с малым давлением в КС (порядка 100 атм). Если применить в нем ТНА с мощностью порядка 250000 л. с., и четыре камеры, по размерам подобные камере F-1 - можно получить двигатель с тягой 2500 тонн.
На самые мощные носители таких двигателей понадобится от 1 до 4 штук на первую ступень.
Будет конечно небольшим УИ, но для первой ступени это терпимо. Зато производство небольшого количества низконапряженных двигателей (пусть и очень больших) должно удешевить ракету.

Правда есть тут один момент - насколько я понимаю, ТНА РД-170 и F-1 значительно различаются по конструкции турбины (по степени падения давления газа). Не знаю точно, можно ли создать ТНА c мощностью как у РД-170, но конструктивно подобный ТНА F-1. Насколько я понимаю, чтобы максимально использовать энергию газа в двигателе открытой схемы, в ТНА должна сначала стоять турбина высокого давления, а потом турбина низкого давления (у неё будет большой диаметр, диаметр ТНА F-1 - 1,22 м). Не знаю, можно ли её создать нужной мощности и приемлимой массы и габаритов.

Насколько я понимаю, ТНА в двигателе открытой схемы может работать практически в тех же условиях, что и газовые турбины например на электростанциях. В КС газ из ТНА не попадает, главное чтобы турбина выдавала нужную мощность для насосов.
Самая мощная в мире газовая турбина имеет мощность 340 МВт:
http://e-news.com.ua/print/152101.html
Вот нечто в этом роде использовать в виде ТНА для двигателя открытой схемы с несколькими большими камерами сгорания - интересный движок получится  
Правда и масса этой турбины 440 тонн - для ракеты понадобися изделие, сделанное совсем по другим технологиям.

[Вадим Семенов]

В принципе можно. Правда тяга и давление в камере такого двигателя будут невелики - за счет охлаждения КС нельзя получить много высокотемпературного газа, так что мощность насосов будет ограничена. Разве что применить сопло с центральным телом - его сложнее охлаждать, но в данном случае это скорее достоинство - больше теплопоток.

А вот тут вот утверждается, что можно получить много газа и давление в КС высокое. http://www.lpre.de/resources/articles/expander_200.pdf Правда, газ не такой уж высокомпературный, но это даже здорово. А если охлаждать метаном, а не кислородом, то, имхо, нет нужды в водяном контуре...

[fagot]

А вот тут вот утверждается, что можно получить много газа и давление в КС высокое. http://www.lpre.de/resources/articles/expander_200.pdf Правда, газ не такой уж высокомпературный, но это даже здорово. А если охлаждать метаном, а не кислородом, то, имхо, нет нужды в водяном контуре...

Если охлаждать метаном, то высокое давление не получить, потому что смысл как в автомобильном двигателе - собрать побольше тепла с ограниченной площади более эффективным охладителем и передать через большую площадь менее эффективному.

[ratte07]

В принципе можно создать специальный двигатель для сверхтяжелых носителей, с открытой схемой, с малым давлением в КС (порядка 100 атм). Если применить в нем ТНА с мощностью порядка 250000 л. с., и четыре камеры, по размерам подобные камере F-1 - можно получить двигатель с тягой 2500 тонн.

Наверное, это единственно разумное решение. Тяжелых носителей много не надо, но нужна высокая надежность. Выход - создание предельнопростой ДУ.

[Shestoper]

Наверное, это единственно разумное решение. Тяжелых носителей много не надо, но нужна высокая надежность. Выход - создание предельнопростой ДУ.

Да, тяга таких ЖРД будет сравнима с тягой самый мощных РДТТ.

Есть ещё такой момент: в сладком ТНА в принципе можно применять более высокие температуры (газ неагрессивный). В двигателях открытой схемы как правило температура газа в ТНА выше, чем в закрытой (чтобы максимально использовать энергию небольшого количества газа в ТНА).
Но если в двигателях закрытой схемы газ-газ при высоком давлении и температуре будет слишком сильное коксование сладкого газа на основе керосина или метана - в принципе можно применить водород.

Вот например в двигателе SSME температура восстановительного газа на основе водорода доходит до 950 Кельвин.
http://engine.aviaport.ru/issues/13/page13.html

Если на водородном двигателе применить также кислый ТНА (с большим расходом газа, но с меньшей его температурой) - можно получить очень мощный двигатель, с давлением в КС более 300 атм, с высоким УИ и большой тягой.

[ratte07]

Лучше что-то совсем простое типа F-1.

[LSD]

Лучше что-то совсем простое типа F-1.

а чем не устраивает НК-33? Движок многоразовый - прежде чем поставить на РН - проверяется - везде о нем говорится как об одном из самых надежных ЖРД. Хорошие характеристики - (смотри здесь - http://www.lpre.de/sntk/NK-33/index.htm#general_info). Дешевый - легкий - надежный с неплохим удельным импульсом, а в высотном варианте хорошо подходит для 2-х степеней РН на кислород-керосине! Вместо разработки нового или переделки существующего ЖРД лучше вложить немного средств в модернизацию НК-33 (НК-33-1 смотри здесь: http://www.lpre.de/sntk/NK-33/modif.htm)

[ratte07]

Лучше что-то совсем простое типа F-1.

а чем не устраивает НК-33? Движок многоразовый - прежде чем поставить на РН - проверяется - везде о нем говорится как об одном из самых надежных ЖРД. Хорошие характеристики - (смотри здесь - http://www.lpre.de/sntk/NK-33/index.htm#general_info). Дешевый - легкий - надежный с неплохим удельным импульсом, а в высотном варианте хорошо подходит для 2-х степеней РН на кислород-керосине! Вместо разработки нового или переделки существующего ЖРД лучше вложить немного средств в модернизацию НК-33 (НК-33-1 смотри здесь: http://www.lpre.de/sntk/NK-33/modif.htm)

Всем устраивает, но он маленький. А здесь речь об очень больших двигателях тягой от 1000 т. Увеличение НК-33 до таких размеров может бытьочень сложным.

[Alex_II]

Лучше что-то совсем простое типа F-1.

а чем не устраивает НК-33? Движок многоразовый - прежде чем поставить на РН - проверяется - везде о нем говорится как об одном из самых надежных ЖРД. Хорошие характеристики - (смотри здесь - http://www.lpre.de/sntk/NK-33/index.htm#general_info). Дешевый - легкий - надежный с неплохим удельным импульсом, а в высотном варианте хорошо подходит для 2-х степеней РН на кислород-керосине! Вместо разработки нового или переделки существующего ЖРД лучше вложить немного средств в модернизацию НК-33 (НК-33-1 смотри здесь: http://www.lpre.de/sntk/NK-33/modif.htm)

Вы проглядели. Тут разговор о сверхтяжелых носителях... а с НК-33 сверхтяжелый носитель как-то не задался  :roll:
Значит совсем простое? Как там называлась та чуда, которая стартовала с воды и имела на первой ступени движок невшизенного размера с вытеснительной подачей? Альбатрос, кажется? ЕМНИП, ПН ок 400 тонн на LEO (но проверить не получается, т.к. у Вэйда я его не нашел, а видел где-то в другом месте...)

[Лютич]

Если на водородном двигателе применить также кислый ТНА (с большим расходом газа, но с меньшей его температурой) - можно получить очень мощный двигатель, с давлением в КС более 300 атм, с высоким УИ и большой тягой.

Над таким работают китайцы.
См. тему про Лонг Марч-5

[LSD]

Вот, нашел подходящую картинку
http://www.astronautix.com/lvs/novamm1b.htm
На первой ступени этого варианта Новы 14 двигателей F-1 - 6 во внутреннем кольце, 8 во внешнем.
Представтьте в каждом кольце вместо F-1 по 12-16 камер тягой по 250 тонн.

Судя по картинке  - конструкция Новы очень напоминает конструкцию Н-1!  Подвесные баки - ДУ с двигателями по кольцу...

[Shestoper]

Лучше что-то совсем простое типа F-1.

Да, только ещё в несколько раз мощнее. Чтобы в идеале на ступень устанавливать только один двигатель, причем максимально простой и дешевый (ну или максимум 3-4 двигателя - для самых больших ракет).
Это позволит резко снизить стоимость выведения килограмма ПН.

Раньше я думал, что такие тяги (порядка 2-3 кт) достижимы только в РДТТ - типа тех, которые американцы разрабатывали как ТТУ к модернезированному Сатурну-5.

Но получается, если можно сделать ТНА мощностью порядка 200 МВт, а у двигателей открытой схемы с малым давлением в КС на единицу тяги двигателя требуется в несколько раз меньше мощности ТНА, чем у форсированных движков типа РД-170 (это естественно - ТНА не надо загонять в КС топливо под большим давлением) - значит вполне можно сделать многокамерный движок, превосходящий по тяге таких монстров, как F-1 и РД-170, в 3-4 раза.
Хотя УИ и будет небольшим, зато двигатель будет ненапряженным, простым и дешевым.
Ракета с одним таким двигателем на первой ступени сможет выводить ПН в районе 70 тонн.

[Shestoper]

Вот, нашел подходящую картинку
http://www.astronautix.com/lvs/novamm1b.htm
На первой ступени этого варианта Новы 14 двигателей F-1 - 6 во внутреннем кольце, 8 во внешнем.
Представтьте в каждом кольце вместо F-1 по 12-16 камер тягой по 250 тонн.

Судя по картинке  - конструкция Новы очень напоминает конструкцию Н-1!  Подвесные баки - ДУ с двигателями по кольцу...

Да, но Нова - уже пройденый этап  
Мы тут договорились до двигателей тягой в 2,5 кт, таких даже на Нову понадобится всего штуки 4.
Правда тогда название тему придется изменить - ракета даже с одним таким двигателем будет выводить ПН тонн 70, так что унификации с тяжелыми носителями не получится - такие движки годятся только для супертяжей.
Кстати максимально простой и дешевый 70-тонник вполне может стать распространеннной ракетой, не хуже 40-тонника Зомби.
Он будет дешевым за счет одного двигателя, так что его можно будет широко использовать для пуска тяжелых спутников на ГСО, тяжелых АМС, больших модулей для орбитальной станции, даже для высадки на Луну (по двухпусковой схеме).

[LSD]

Вы проглядели. Тут разговор о сверхтяжелых носителях... а с НК-33 сверхтяжелый носитель как-то не задался  :roll:

не с НК-33, с НК-15! Будь тогда НК-33 - задался бы и еще как!
А ДУ из 6-ти НК-33-1 тягой на 1110 т. у земли - по массе и стоимости будет сопоставима (а скорее выиграет!!!) с 1 ЖРД с той же тягой! А получить удельный импульс равный НК-33-1 - у этого гипотетического двигателя тягой в 1000 т. возможно и не получится!