АКС (новый проjект)

[Гусев_А]

Разрешите предложить на обозрение обновлённую идею АКСа.
www.alexgysev.narod.ru
Попытался изложить кратко, но отвечу на любые вопросы, если интересно выложу подробности моих умозаключений.
С уважением Алексей.

[hcube]

Двигатель 2 ступени будет перевешивать при возвращении. Т.е. крыло надо существенно сдвинуть назад, а для управлеия применять ПГО. Кроме того, неясно расположение грузового отсека. И... форма корпуса для гиперзвукового входа в атмосферу должна быть несколько другой - по крайней мере, носовая часть ступени должна иметь форму, не создающую лишних скачков уплотнения, и быть покрыта ТЗП. Ну, и есть еще несколько замечаний (например, знает ли автор, какой обьем занимает водород и что на водороде отлично работает ВРД, причем до бОльшей скорости нежели на керосине), но они все непринципиальны, поскольку снимаются в процессе более детальной доработки проекта.

Кроме того, не могу не отметить, что идея набора первой ступенью существенной скорости на ВРД, затем выпрыгивания за атмосферу на ЖРД и разделения вне атмосферы, является копирайтом соавторов hcube-Зомби, каковой копирайт должен быть проставлен. В принципе, этот проект, являющийся по сути развитием Спирали (с целью адаптации концепта последней к существующим техническим возможностям), является наиболее... гхм, ладно, вторым по реализуемости АКСом с полной многоразовостью. На первом месте - РН типа Ангара-Байкал. Если устранить все вышепомянутые замечания (т.е. перевести первую ступень на углеводородное топливо ради сокращения обьема, ради того же самого обеспечить последовательную работу ступеней, оптимизировать конструкцию 1 ступени и т.д.) - то получится как раз вышеупомянутый концепт. Примерно вот такой : (извиняюсь за набросочность рисунка, но у 3Д рисовальщика тоже работа ;-D)

http://pics.livejournal.com/hcube/pic/0000gscq/s640x480

[Гусев_А]

Двигатель 2 ступени будет перевешивать при возвращении. Т.е. крыло надо существенно сдвинуть назад, а для управлеия применять ПГО. Кроме того, неясно расположение грузового отсека. И... форма корпуса для гиперзвукового входа в атмосферу должна быть несколько другой - по крайней мере, носовая часть ступени должна иметь оживальную форум и быть покрыта ТЗП.

Кроме того, не могу не отметить, что идея набора первой ступенью существенной скорости на ВРД, затем выпрыгивания за атмосферу на ЖРД и разделения вне атмосферы, является копирайтом соавторов hcube-Зомби, каковой копирайт должен быть проставлен.

Отвечу в начале на последнее замечани. Помните Аля-Спираль... , там это уже было, а hcube-Зомби было потом.

Оперение 2-й ступени и так заметно сдвинуто назад, к тому же кроме ЖРД большинство прочих агрегатов находятся в боковых наростах в передней части корпуса.

Грузовой отсек несколько своеобразный, 2-я ступень тащит груз закрепленный открыто, без всякого отсека, без обтекателей...

С всеми тонкостями аэродинамических форм я чесно скажу, не напрягался, не очень силен. По этому соглашусь с компетентным мнением по смене формы носа (не моего), углами стреловидности...

А места АКСа где требуется особая теплозащита я покрасил коричневой краской.

[hcube]

Было. Но Спираль не выпрыгивала из атмосферы. Плюс, набираемая на ВРД скорость была всего 6М - и то в проекте. Плюс, вторая ступень была одноразовой. Ну, и т.д. Схема выпрыгивания из атмосферы на той же ступени, которая есть самолет-разгонщик - оригинальная. Во всяком случае больше ее никто не предлагал. Так что прошу все-таки (с) ставить - это ни к чему не обязывает, один фиг реализовывать это никто не будет ;-D. Иначе можно постановить, что (с) на ракеты у китайцев, а на ТРД - у немцев, и закрыть прием новых проектов ;-D.



Не ОПЕРЕНИЕ. А несущее крыло. У пустой ступени центр масс находится примерно на трети от хвоста. Вот там должен находиться аэродинамический фокус - или еще дальше в хвост. Этого можно достичь, только разместив крыло ЗА ЦД, а ПГО - на переднем конце. Если посмотрите на проект H-Z, то увидите. что там так и сделано, кроме того, аэродинамические поверхности второй ступени при разгоне и выходе на орбиту вообще сложены. А раскрываются они уже после торможения до дозвука на несущем корпусе. ДАже с несущим корпусом, боковой маневр будет не менее 1500 км - этого по моему для всех разумных применений хватит.


Размещение ПН в хвосте - плохая идея. Аккустические нагрузки от работы двигателей могут повредить ПН. Кроме того, при нештатном развитии ситуации в случае пилотируемого варианта у космонавтов нет шансов. В общем, общепринятый подход - ПН относить от двигателей. Целее будет.


Аэродинамика гиперзвука очень простая - на всем что летает быстрее 5М - ничего выступающего. Форма корпуса должна быть такой, чтобы 'вклиниваться' в ударную волну. Идеальной формой для несущего корпуса на мой взгляд является корпус Х-33, но без рулевых плоскостей и крыльев - те должны открываться уже ПОСЛЕ торможения, и иметь форму оптимальную для ДОзвукового полета. НА H-Z применен корпус треугольного сечения ('лыжа'), который менее устойчив в потоке, зато лучше компонуется с разгонщиком и имеет лучшее обтекание именно в составе комплекса.

[Гусев_А]

Двигатель 2 ступени будет перевешивать при возвращении. Т.е. крыло надо существенно сдвинуть назад, а для управлеия применять ПГО. Кроме того, неясно расположение грузового отсека. И... форма корпуса для гиперзвукового входа в атмосферу должна быть несколько другой - по крайней мере, носовая часть ступени должна иметь форму, не создающую лишних скачков уплотнения, и быть покрыта ТЗП. Ну, и есть еще несколько замечаний (например, знает ли автор, какой обьем занимает водород и что на водороде отлично работает ВРД, причем до бОльшей скорости нежели на керосине), но они все непринципиальны, поскольку снимаются в процессе более детальной доработки проекта.

Кроме того, не могу не отметить, что идея набора первой ступенью существенной скорости на ВРД, затем выпрыгивания за атмосферу на ЖРД и разделения вне атмосферы, является копирайтом соавторов hcube-Зомби, каковой копирайт должен быть проставлен. В принципе, этот проект, являющийся по сути развитием Спирали (с целью адаптации концепта последней к существующим техническим возможностям), является наиболее... гхм, ладно, вторым по реализуемости АКСом с полной многоразовостью. На первом месте - РН типа Ангара-Байкал. Если устранить все вышепомянутые замечания (т.е. перевести первую ступень на углеводородное топливо ради сокращения обьема, ради того же самого обеспечить последовательную работу ступеней, оптимизировать конструкцию 1 ступени и т.д.) - то получится как раз вышеупомянутый концепт. Примерно вот такой : (извиняюсь за набросочность рисунка, но у 3Д рисовальщика тоже работа ;-D)

http://pics.livejournal.com/hcube/pic/0000gscq/s640x480

Про возможность применения водорода в ТРД я вроде упоминал.
В этом случае вообще тогда зачем керосин? Но если не выдавливать из ВРД гиперзвук, то проще на керосине.

Я немного прибрасывал объема баков 1-й ступени хватит для достаточного количества водорода, а учитывая возможность перелива, и одновременной работы всех ЖРД, пришел к выводу об едином топливе, а именно водороде.

[hcube]

Водород лучше с точки зрения УИ. Но он плох с точки зрения разгона в атмосфере - есть разница, тащить 15 тонн водорода для 90-тонной второй ступени, или тащить 15+20+25 = 60 тонн водорода для 2 ступени, 1 ступени, и ВРД. Обьем больше в 4 раза - это мидель больше как минимум в 2 раза по сравнению с использованием углеводородов типа того же метана. Кроме того, растет удельная масса баков. В лучшем случае выигрыш в УИ разменивается на падение весового совершенства.

В общем, мое мнение - что оптимальным является метан на 1 ступени (в.т.ч. для ВРД - при этом их не надо заново разрабатывать, отлично работают существующие), и водород на второй. Окислитель в обоих случаях - жидкий кислород.

[Гусев_А]

Уже считалось много раз, что 1-я ступень (обычного, вертикально стартующего носителя) при одинаковой стартовой массе (сухая масса + топливо) примерно одинаковая для керосина и водорода.

Конечно было бы удобнее применить на 1-й ступени керосин, НО:
1) тогда если включать все ЖРД одновременно, на дальнейший разгон 2-й ступенью останется слишком мало топлива.
2) если включать вначале только ЖРД 1-й ступени их тяговооруженность для полностью заправленной - тяжелой системы явно особенно в начале будет желать большего.
Да и исходя из предложенной мной формы и пропорций АКСа, если первую ступень залить керосином и кислородом нужно будет в трое увеличивать площедь крыльев, а то не взлетит.

Про место расположения ПГ скажу: ДА близко, но не в зоне действия струи из сопла ЖРД. Вибрацию может погасить подвеска, про аварию, то назовите хоть один случай аварии со взрывом, чтоб остался живым ПГ.

[hcube]

1) если взлет горизонтальный, на ВРД, то ЖРД заглушены до достижения точки окончания разгона. В этом случае, грубо говоря, затраты топлива на разгон пропорциональны миделю корпуса. Меньше мидель - меньше затраты. Далее, когда начинается разгон, ступени ДОЛЖНЫ работать последовательно. Вначала вырабатывается более плотный метан-кислород, затем разделение, затем водород-кислород - но уже на второй ступени, которая УЖЕ летит по баллистической траектории в направлении орбиты, и не отягощена аэродинамическими излишествами для горизонтального полета - т.е. имеет высокое весовое совершенство. При этом при разгоне ВРД МОГУТ некоторое время продолжать работать - пока скоростного напора хватает для поддеражния именно атмосферного полета. В конечном итоге, правда, ступень должна выйти из атмосферы, так что сразу после запуска ЖРД ступень должна начать набирать угол тангажа с горизонтали 'вверх', чтобы к концу разгона он достиг примерно 30-45 градусов. Но постепенно, так чтобы атмосфера раньше кончилась, чем произойдет срыв потока на крыле ;-D.

2) Уйма. Штук 10 наверное. Я имею в виду срабатывание САС Союзов при аварийных пилотируемых запусках. Туда же - срабатывание САС на Протонах при запуске ТКС.

Ну, т.е. я не говорю, что АКС H-Z идеален, но он близок к оптимуму для многоразовой системы на химическом топливе.

[Гусев_А]

Я продумывал вариант установки ПГ в передней части 2-й ступени, например как на ГК-175, но это на много снижает массовое совершенство, усложняет компановку, создает очень много проблем для придания приемлимых аэродинамических форм, особенно для взлетающей системы.

В моем варианте компановки, при условии, что призошел отказ, но не взрыв, спасение гарантировано.
1) если произошел отказ ВРД на любом участке подъема, то система сможет на ЖРД вернуться на аэродром, по ходу выработав или слив топливо, совершить посадку в сборе.
2) если произошел отказ ЖРД 1й ступени, то например на ЖРД 2-й ступени можно вернусться на аэродром, топлива хватит.
3) ЖРД 2-й ступени запускается одновременно с ЖРД 1-й ступени, поэтому если произошел его отказ до начала разцепления,  то на ЖРД 1-й ступени можно вернуться на аэродром, хотя бы запасной.
4) если ЖРД 2-й ступени отказал после или во время разцепления, то необходимо закончить разцепление, 1-я ступень садится штатно, а вторая слив топливо садится на запасной аэродром, уже без ПГ (к сожалению, но это единственный вариант потери ПГ).
5) если отказал один ВРД 1-й ступени при заходе на посадку, пытаться садить на втором, аэродинамика должна позволить.
6) если отказал один ТРД 2-й ступени призаходе на посадку, то второго вполне хватит, чтоб продолжать полет и совершить посадку.

[Гусев_А]

1) если взлет горизонтальный, на ВРД, то ЖРД заглушены до достижения точки окончания разгона. В этом случае, грубо говоря, затраты топлива на разгон пропорциональны миделю корпуса. Меньше мидель - меньше затраты. Далее, когда начинается разгон, ступени ДОЛЖНЫ работать последовательно. Вначала вырабатывается более плотный метан-кислород, затем разделение, затем водород-кислород - но уже на второй ступени, которая УЖЕ летит по баллистической траектории в направлении орбиты, и не отягощена аэродинамическими излишествами для горизонтального полета - т.е. имеет высокое весовое совершенство. При этом при разгоне ВРД МОГУТ некоторое время продолжать работать - пока скоростного напора хватает для поддеражния именно атмосферного полета. В конечном итоге, правда, ступень должна выйти из атмосферы, так что сразу после запуска ЖРД ступень должна начать набирать угол тангажа с горизонтали 'вверх', чтобы к концу разгона он достиг примерно 30-45 градусов. Но постепенно, так чтобы атмосфера раньше кончилась, чем произойдет срыв потока на крыле ;-D.

2) Уйма. Штук 10 наверное. Я имею в виду срабатывание САС Союзов при аварийных пилотируемых запусках. Туда же - срабатывание САС на Протонах при запуске ТКС.

Ну, т.е. я не говорю, что АКС H-Z идеален, но он близок к оптимуму для многоразовой системы на химическом топливе.

В принципе перевод  1-й ступени моего АКСа на углеводородное топливо не представляет ни каких проблем, немного уменьшается диаметр блоков 1-й ступени, и включение ЖРД сделать последовательным, но при этом соотношение массы ПГ к сухой массе системы сильно не улутьшится. Дело в том, что после включения ЖРД вся система еще очень тяжелая, тяги нужно много для более быстрого выпрыгивания из атмосферы, чтоб снизить те же аэродинамические потери и лишний запущенный двигатель совсем не лишний. Можно конечно  взять более мощные ЖРД 1-й ступени. Дело еще и в том, чтоб запустить все ЖРД, пока еще есть возможность спасения всего комплекса и ПГ. Да и в данном случае лишние почти 100 с УИ с запасом компенсируют увеличение размеров 1-й ступени. Да и основной груз аэродинамических потерь ляжет на плечи ВРД.

Да и если сравнить 2-ю ступень моего АКСа и АКСа H-Z, то видим, что то массовое совершенство, которое скушает полнценные крылья и оперение, в АКСе H-Z приравняется к тому, чтоб разделить на два паралельных бака, скроить грузовой контейнер с открывающимися створками, оставить приличный запас топлива на посадку, т.к. аэродинамические качества при посадке никудышные, подъемной силы крыльев нету, скорость захода на ВПП огромна. Да и если сравнить возможные геометрические размеры ПГ, то в моем АКСе диаметр ПГ не меньше диаметра 2-й ступени, а отдельные элементы могут быть еще большено размера, ПГ вообще может быть прямоугольным или орбиталиным самолетом с достаточными крыльями и оперением. В АКСе H-Z ПГ должен быть достаточно компактным и миниатюрным.

[hcube]

Тяжелая, не тяжелая - это все относительные понятия. Должно хватать тяги - да и то - в схеме с разгоном одновременно на ТРД и ЖРД тяга ЖРД может быть даже ниже массы комплекса на момент запуска ЖРД. Т.е. для 400-тонного АКС более чем достаточно 2 ЖРД типа НК-33, доработанных под метан. На второй ступени - два 11Д57, плюс двигатели системы орбитального маневрирования.

Далее, ТРД а-ля SR-71 хороши когда их два. На метановом разгонщике 400-тонного комплекса по самым скромным прикидками их надо 6 штук. Лучше 8. На водородном будет не менее 12. Такое количество двигателей, размещенное на или в крыле, создает огромное число скачков уплотнения, который интерферируют между собой и конструкцией, в результате аэродинамическое качество на сверхзвуке катастрофически падает.
Чтобы этого избежать, в схеме АКС H-Z двигатели собраны в 2 мотогондолы, расположенные по бокам от топливного отсека первой ступени. В результате сама форма корпуса играет роль большого воздухозаборника для них, несколько расширяя диапазон работы ВРД при разгоне. В то же время, компактный 'короб' двигателей не создает лишних скачков уплотнения.
Аналогично, разгонщик может лететь как с 'горбом' второй ступени, так и без него, при этом аэродинамика меняется несущественно - во всяком случае, недостаточно, чтобы самолет потерял устойчивостьв  полете. При этом разделение ступеней происходит в невесомости, за атмосферой, по плоскости их стыковки. Не нужно никакого безударного движения двух цилиндров на большом растоянии - ступени просто расходятся и все.

Далее, по размещению ПН. Я при проектировании второй ступени исходил из того, что вторая ступень должна работать и как челнок и как средство выведения - т.е. балансировка ее и в варианте с возвращаемой ПН, и без нее, должна быть идентична. Этого можно добиться только одним способом - разместив отсек ПН в центре масс ступени. Т.е. разделив водородный бак на два и поместив отсек ПН между ними, примерно на треть длины ступени от хвоста. Треугольник при этом образуют кислородные баки, которые одновременно являются силовой основой ступени. Примерный габарит отсека ПН - 4 метра в диаметре, 6-7 метров длины, при общей длине ступени порядка 20-25 метров. Это примерно такой же габарит, как у обтекателя РН Союз, притом что ПН АКС - порядка 5 тонн.
Альтернативно, в случае когда ступень заведомо летает с фиксированной ПН - грузопассажирской кабиной - можно разместить кабину в носовой части, заняв примерно половину длины корпуса. При этом доставляемый груз находится в задней части кабины, пассажиры - в передней.

[Гусев_А]

Вы не пытались при своих 4-х метрах диаметра ПГ оценить размеры всей второй ступени, объемов баков, массы топлива....

Вот у меня при 4-х метрах диаметра 2-й ступени, 3.6 метрах блоков первой. С массовым совершенством 1-й ступени - 3.2, второй - 2.5, стартовой массе 650 тонн, ЖРД подобных РД-0120. ВРД 1-й ступени пока не выбрал, поэтому считал в пропорциях, при разгоне на них до 3-х Махов. (видите массовое совершенство без выжимания предельных параметров, и его можно немного подшлифовать). При всем этом масса ПГ получается близкой к 30 т.

[hcube]

.... ээээ... а можно более подробно расчет показать? Потому как у меня получалось при совершенстве 1 ступени 0.3 и второй 0.15 ПН порядка 5 тонн для 300-тонного комплекса, на орбиту при этом выходит что-то около 12 тонн в сумме. По моему, вы что-то не учли при расчете - скажем, аэродинамические потери. Или расход топлива ТРД.

Да - весовое совершенство для 1 ступени самолетного типа следует считать вместе с ПН и 2 ступенью. Т.е. 0.3 от 650 - это около 200 тонн. А не от собственной заправленной массы.

[Гусев_А]

Конечно массовое совершенство 0.32 и 0.25, извеняюсь, описка.
И массовое совершенство 1-й ступени я считал без учета ПГ и 2-й ступени, только собственное.

Если чесно, считать меня не кто не учил (даже книжки), только что помнил из курса физики. Я разбивал весь полет на периоды в 10 сек, вычислял некое ускорение изходя из тяги и массы (на тот момент), вычитал из него действие силы тяжести (изходя из угла подъема), вычел действие аэродинамического сопративления (выбранное методом пропорций с извесными самолетами, конечно с учетом квадрвта скорости и плотности атмосферы и еще коэфициента аэродиномического сопративления). Имея среднее ускорение  и угол движения на каждые 10 сек полета расчитал горизонтальную скорость и высоту.

[SpaceR]

Конечно массовое совершенство 0.32 и 0.25, извеняюсь, описка.
И массовое совершенство 1-й ступени я считал без учета ПГ и 2-й ступени, только собственное.

Если чесно, считать меня не кто не учил (даже книжки), только что помнил из курса физики. Я разбивал весь полет на периоды в 10 сек, вычислял некое ускорение изходя из тяги и массы (на тот момент), вычитал из него действие силы тяжести (изходя из угла подъема), вычел действие аэродинамического сопративления (выбранное методом пропорций с извесными самолетами, конечно с учетом квадрвта скорости и плотности атмосферы и еще коэфициента аэродиномического сопративления). Имея среднее ускорение  и угол движения на каждые 10 сек полета расчитал горизонтальную скорость и высоту.

Мне кажется, Вам бы хорошо помогла программа ratman'a - LaunchModel, можно скачать здесь:
http://us.geocities.com/levinkirill/SpaceModel/rus/index.html
Реализованная через Excel расчетная модель для выведения РН на орбиту, можно доработать и под АКС. И неплохие пояснения.
И еще вот здесь ссылка не хорошую книгу (возможно, уже известную Вам):
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=4151&start=267

[Дмитрий Виницкий]

 

[SpaceR]

to D.Vinitski

Чего Вы всех высмеиваете-то?  Есть у людей желание - пускай поразбираются.  Заодно может свой уровень поднимут...
(может, хоть немного сообразят, почему такого АКС никто не сделал раньше )

[hcube]

Да ясно, откуда такая ПН - первая ступень с совершенством 0.32 от собственной массы, и с самолетным УИ. И еще водород на обоих ступенях. Но это все расчетные тонкости ;-).

[Гусев_А]

Да ясно, откуда такая ПН - первая ступень с совершенством 0.32 от собственной массы, и с самолетным УИ. И еще водород на обоих ступенях. Но это все расчетные тонкости ;-).

Самолетный УИ, только на этапе разгона на ВРД. К началу работы ЖРД, я принял высоту 25 км, скорость 1 км/с. Для размерности ранее упомянутого АКСа со стартовой массой примерно 650 т. При пуспе ЖРД полная масса будет уже 590 т, УИ 415, аэродинамическое сопративление около четверти от тяги...., Затем оно постепенно уменьшается с набором высоты. Вообще все параметры: УИ, гравитационные, аэродинамические потери, конечно массу и тягу на кждом участке просчитывал индивидуально.

Конечно гарантировать, что не наделал ошибок не буду.

SpaceR за программу спасибо, пока не разобрался, английский не знаю, но сейчас еще попробую.

[Дмитрий Виницкий]

Я никого не высмеиваю. Этот было нарисовано специально для Зомби. Он порадовался. Просто показываю, что тема хорошо обсуждена и можно ее продолжить.