40-тонник: ищем оптимальное решение.

[Salo]

Заманчиво конечно использовать на первой ступени отработанный РД-170. Но его тяги даже в форсированном варианте хватит на ПН не более 35-37 тонн.
Можно создать двигатель большой тяги на базе РД-170, используя его отработанный ТНА.
Например добавить к турбине ещё одну ступень низкого давления, приспособить её под более высокое падение давления на входе-выходе - пусть на выходе будет в районе 150 атм. Мощность турбины при этом естественно увеличится. Насосы горючего и окислителя будут переделаны под перекачку в 2 раза большего объема топлива, но под давлением 150 атм. После этого 50% кислорода и небольшая часть керосина будут подаваться в насосы высокого давления (500 атм) и потом в газогенераторы и турбину.
Эта часть топлива будет после турбины сгорать  в двух КС увеличеных размеров при давлении 150 атм (тяга порядка 400 тонн на камеру). А ещё две камеры сгорания будут обеспечиваться кислородом и керосином по открытому циклу, за счет отбора мощности с турбины на насосы низкого давления (150 атм).
Таким образом получим двигатель с тягой 1500-1600 тонн, с удельным импульсом на уровне примерно НК-33.
При использовании вместо керосина метана УИ будет секунд на 10-15 выше, минимум на уровне РД-170.
Создание, отработка и серийное производство мощных двигателей для первых и вторых ступеней - очень важное условие для реализации в дальнейшем полетов к Луне и к планетам (вспомним значение F-1 в лунной гонке). А УИ при давлениях в КС порядка 100-150 атм остается ещё вполне приемлимым.

Только у нас ни одно КБ не создавало таких КС. А раз нет опыта, то будет много проблем и соответственно потребуется много денег на разработку. Для 40 тонника это избыточно. Но при следующих шагах  такие разработки видимо будут востребованы.

[Shestoper]

Только у нас ни одно КБ не создавало таких КС. А раз нет опыта, то будет много проблем и соответственно потребуется много денег на разработку. Для 40 тонника это избыточно. Но при следующих шагах  такие разработки видимо будут востребованы.

Глушко делал однокамерный РД-270 с тягой 600 тонн и давлением КС 250 тонн.
До нормальной работы двигатель не довели, хотя он и был на "вонючке" - детонация замучала.
Но 400 тонн на камеру и давление 150 атм - другое дело.
Американцы сейчас работают над однокамерным кислород-керсиновым RS-84 с тягой 500 тонн.

[Shestoper]

В обозримом будущем можно ограничиться двумя  РД-0120, может быть подняв удельные параметры (раздвижной сопловый насадок и т.д.).

В обозримом будущем можно ограничиться и двумя РД-170 на первой ступени.
А новые двигатели доводить не торопясь, без шума и пыли.

[Salo]

Только у нас ни одно КБ не создавало таких КС. А раз нет опыта, то будет много проблем и соответственно потребуется много денег на разработку. Для 40 тонника это избыточно. Но при следующих шагах  такие разработки видимо будут востребованы.

Глушко делал однокамерный РД-270 с тягой 600 тонн и давлением КС 250 тонн.
До нормальной работы двигатель не довели, хотя он и был на "вонючке" - детонация замучала.
Но 400 тонн на камеру и давление 150 атм - другое дело.
Американцы сейчас работают над однокамерным кислород-керсиновым RS-84 с тягой 500 тонн.

У них F-1 в 60-х был.

[Bell]

ОК!
Начнем с требований.
I.Основные:
1.1) Масса ПГ на низкой опорной орбите (200*200 км, наклонение 51 град) 40 т (плюс-минус 5 т). Масса ПГ на ГСО - до 8 т, масса КА на отлетной траектории к Луне 12-16 т (в зависимости от типа КРБ).

Извольте
Ангара-100, УРМы с 2хРД-180 на метане.
Ангара-100-3
Мст 1153 т, 3 УРМа по 350/28 т + УРМ-3 60/6 т. ПН ~40-45 т. Чистый 3-ст. последовательный пакет.

1.2) Основные виды полезных грузов: геостационарные КА, АМС, доставка грузов на ОИСЛ и на поверхность Луны, блоки орбитальных станций.
1.3)Количество пусков - от 6 до 12-15 в год.

Хм...
Гдеж столько взять? Я думаю, 5-6 пусков это максимум, в случае полетов на Луну.

1.4)Применение экологически чистых компонентов топлива.

Метан

1.5)Минимальное количество зон отчуждения под поля падения.

Со Свободного/Восточного?
1 ст. – в Охотское море, 2-я – в ТО/антипод

1.6)Возможность использования для пилотируемых пусков.

С метаном? Да нивапрос

II.Дополнительные:
2.1)Использование двигателей, уже находящихся в серийном производстве, либо в разработке.

Метановая модификация РД-180. Уже в разработке.

2.2)Гарантированный увод РН от СК в случае отказа одного из двигателей 1-й ступени.

Форсирование деворсированного метанового РД-180 – и все уходит.

2.4)Транспортировка блоков РН на космодром: по ж/д или самолетом, созданным на базе серийного прототипа.

Диаметр УРМов 4 м – на ж/д.

III.Желательные:
3.1)Возможность создания на базе РН носителей меньшей (до 20-25 т) и большей (до 70-80т) грузоподъемности.

1-урмовый вариант – 2 ст. УРМ-2, 3 ст. – 3 ст. Союза/КРБ-20 – 15-20 т на ЛЕО.
При 6-лучевой симметрии возможны 4-5-7-урмовые системы с ПН 55, 80, 110 т (причем, только не метане). Для А-100-5/7 потребуется ЦБ на 520/42 т (в виде ЦБ Союза) и УРМ-2 150/15 т, увеличенного диаметра.

3.2)Обеспечение возможности выполнения целевой задачи при отказе одного из двигателей первой или второй ступени.

Тю! Это уже слишком

Основной критерий оптимизации: минимальная стоимость пуска при частоте запусков, указанных в п.1.3.

Не, лучше – использование на полную мощность традиций отечественного урмостроения

[Дмитрий В.]

Сейчас я лично склоняюсь к двум вариантам ("Дейтрон", увы, маловероятен):
1)Моноблочный тандем с первой ступенью на керосине или метане, вторая ступень - обязательно водородная. Выбор существующих керосиновых ЖРД достаточно велик: РД-180 (3 шт.), РД-191 (6 шт.), НК-33-1 (6 шт.). При этом РД-191 может быть несколько дефорсирован. Только варианты с РД-191 и НК-33-1 обеспечивают отказоустойчивость при умеренных значения стартовой тяговооруженности (порядка 1,35-1,38), тогда как для варианта с 3*РД-180 тяговооруженность должна быть 1,55-1,6. Однако, перспективное решение всеже видится в метановом ЖРД с умеренными параметрами рабочего процесса и восстановительным ГГ. Кроме прочего, такой ЖРД мог бы стать основой для многоразовой первой ступени МТКС, если для ее появления созреют условия.
2) многоблочная компоновка, типа той, что я уже предлагал (25-ти и 40-тонник). ББ предлагаются в диаметре 2,9 м с двумя НК-33-1 на каждом блоке (или 1*РД-180 или 2*РД-191). Используя различное количество ББ (от 2 до 6), различный порядок работы ЖРД 2-й ступени, можно получить довольно широкие вариации массы ПГ. В качестве ЖРД ЦБ возможен РД-0120. Но, в свете отказоустойчивости, можно рассмотреть и новые ЖРД 40-50-тонного класса, возможно, реинкарнация 11Д57М. Если ослабить требования к отказоустойчивости ДУ 2-й ступени, может оказаться выгодным применение на ЦБ двух ЖРД в классе тяги порядка 80-90 тс. Такой ЖРД может быть с успехом использован и на РН меньшей размерности. Сразу замечу, что многоблочная компоновка не ориентирована на какой-то УРМ. Да, ББ во всекх вариантах имеют одинаковую геометрию, но могут отличаться толщиной обшивки, сечениями силовых элементов и т.п., в зависимости от условий нагружения в каждой конфигурации. Пока не выбран диаметр ЦБ: рассматриваются варианты 4,1 м и 5,5 м. С точки зрения перспектив наращивания грузоподъемности, перспективнее вариант с диаметром 5,5 м.

[Shestoper]

Однако, перспективное решение всеже видится в метановом ЖРД с умеренными параметрами рабочего процесса и восстановительным ГГ. Кроме прочего, такой ЖРД мог бы стать основой для многоразовой первой ступени МТКС, если для ее появления созреют условия.

Правильно.
На восстановительном газе даже при замкнутой схеме сверхвысоких параметров не получить - расход горючего в разы меньше, чем окислителя. Но они не так уж и нужны, эти сверхвысокие параметры - разница в УИ между РД-190 и НК-33 не так уж велика.

А касательно размерности двигателей: 40-тонник - это самая большая из регулярно пускаемых ракет на близкую перспективу. Значит он должен стать полигоном для отработки узлов будущих супертяжей (вроде Ареса-5), без которых затруднительно будет утвердить свою немытую пятку на Луне.
Самый близкий аналог - глушковский РЛА-120. Но с применением водорода грузоподъемность повысится до 40-50 тонн. Это кстати близко к ПН Р-56 и первого 50-тонного варианта Н-1.
Если через ТНА нового двигателя будет прокачиваться в единицу времени примерно столько газа, сколько через ТНА РД-170 (но восстановительного, а не окислительного), то общий расход топлива будет в 2-3 раза больше. Так что задел по РД-170 очень пригодится - при создании ТНА такой мощности было решено множество проблем, вызванных размерными эффектами.
Конечно такой монструозный "дракон" оптимален не столько для самого 40-тонника, сколько с прицелом на будущие супертяжи.

[hcube]

Беда в том, что моноблок не получается 40-тонным при диаметре ЦБ до 4.1 метра ни при каком раскладе. Только пакетная схема. В ней, кстати, и массовое совершенство блоков первой ступени может быть повыше. Так что ХО - диаметр 4.1 метра, ЦБ и ББ унифицированные по двигателю и баку, но на ББ при этом по 2 двигателя стоит. И третья ступень - водород, опять же 4.1 метра (там получаетя что-то порядка 10 м длины ступени при 50т заливке, т.е. вполне оптимально).  При стартовой массе порядка 600-700 тонн, ПН получается по меньшей мере 30 тонн (2 ПН Союз 2.3), а скорее, изз-за использования метана и двигателей с высоким УИ, и повыше. Посчитайте кто-нибудь, а? ;-)

Думаю, что водород нужно использовать, да. Но только на верхней ступени и на РБ. На нижних ступенях неудобства он добавляет в плане заправки и обьема баков, а выигрыш не так уж велик.

[Shestoper]

Могу только процитировать волка из мультфильма "Жил-был пес": "Что, опять??!!"  :evil:

Ну я понимаю ещё - 60-ые, транспортная авиация далеко не достигла нынешнего уровня, Протон задумывается как МБР с "вонючкой" - тут требование транспортировки по ж/д уместно. И то пришлось применить такую порнографию, как подвесные баки малого диаметра на первой ступени.
Но сейчас??? Причем для ракеты с водородом наверху (что автоматически дает большой объем).
Применить водород на ступени массой 50 тонн при массе ракеты 700 тонн - это значит заметно потерять в ПН. Кроме того, для второй ступени трехступенчатой ракеты требуется отдельное поле падение, причем расположенное за тысячи км от космодрома.
И с каких это пор массовое совершенство пакета больше, чем моноблока?
Если бы нам 40-тонник нужен прямо завтра, причем пускать его будем два раза в год по большим праздникам - тогда эта схема ещё годиться: диаметр 4 метра освоен в производстве, а неоптимальность конструкции при редких пусках значит меньше, чем унификация со средними носителями.
Но если мы проектируем "рабочую лошадку" на следующие четверть века, типа усиленного Протона, такие решения ни в какие ворота не лезут.
Ну где у Заратустры написано, что ступени нужно возить именно по ж/д? Если для любых носителей жестко придерживаться этого принципа, получаются мутанты типа УР-700.
Рост массового совершенства моноблока, упрощение конструкции, сокращение полей падения вполне окупят самолетную транспортировку.

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Горе в том, что при создании тяжелых ракет мы больше озабочены не тем, как она будет летать, а тем, как ее доставлять на космодром.
Долой ограничение 4,1 м !!!
Если мы беремся за ракету в 40 т ПН, то ее и надо затачивать под 40 т сразу. Для этого идеален вариант Дейтрона с первой метановой и второй водородной ступенями.
Для большей ПН удлинняем первую ступень и снабжаем ракету ускорителями (2, 4, 6, 8 шт по необходимости). Ускоритель делаем керосиновым.
Одновременно ускоритель проектируем таким образом, что бы он мог послужить первой ступенью средней ракеты с водородной второй ступенью. При этом первая ступень может состоять в различных вариантах не из одного блока.

[Shestoper]

Долой ограничение 4,1 м !!!

Поддерживаю. Для тяжелых носителей этот диаметр как удавка на шее.

Если мы беремся за ракету в 40 т ПН, то ее и надо затачивать под 40 т сразу. Для этого идеален вариант Дейтрона с первой метановой и второй водородной ступенями.
Для большей ПН удлинняем первую ступень и снабжаем ракету ускорителями (2, 4, 6, 8 шт по необходимости). Ускоритель делаем керосиновым.
Одновременно ускоритель проектируем таким образом, что бы он мог послужить первой ступенью средней ракеты с водородной второй ступенью. При этом первая ступень может состоять в различных вариантах не из одного блока.

Если в диаметре Дейтрона делать ракету с первой метановой ступенью, то первую ступень удлинять не надо - её масса и так будет намного больше за счет плотности метана по сравнению с водородом.
Вот вторую ступень при это придется утяжелить раза в два, и удлинить метров на 5-6. Тогда стартовая масса будет в районе 1000 тонн, а ПН - тонн 50.

[Salo]

Горе в том, что при создании тяжелых ракет мы больше озабочены не тем, как она будет летать, а тем, как ее доставлять на космодром.
Долой ограничение 4,1 м !!!
Если мы беремся за ракету в 40 т ПН, то ее и надо затачивать под 40 т сразу. Для этого идеален вариант Дейтрона с первой метановой и второй водородной ступенями.
Для большей ПН удлинняем первую ступень и снабжаем ракету ускорителями (2, 4, 6, 8 шт по необходимости). Ускоритель делаем керосиновым.
Одновременно ускоритель проектируем таким образом, что бы он мог послужить первой ступенью средней ракеты с водородной второй ступенью. При этом первая ступень может состоять в различных вариантах не из одного блока.

Всё-таки наверное 2,3,4,6 с шагом в 60 град. :wink:
В этом случае все варианты можно пускать с одного старта.
И вторая ступень всё-таки водородная. В случае  пакета её можно делать в диаметре 4,1м , но лучше 5,5 (на перспективу). :wink:

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Горе в том, что при создании тяжелых ракет мы больше озабочены не тем, как она будет летать, а тем, как ее доставлять на космодром.
Долой ограничение 4,1 м !!!
Если мы беремся за ракету в 40 т ПН, то ее и надо затачивать под 40 т сразу. Для этого идеален вариант Дейтрона с первой метановой и второй водородной ступенями.
Для большей ПН удлинняем первую ступень и снабжаем ракету ускорителями (2, 4, 6, 8 шт по необходимости). Ускоритель делаем керосиновым.
Одновременно ускоритель проектируем таким образом, что бы он мог послужить первой ступенью средней ракеты с водородной второй ступенью. При этом первая ступень может состоять в различных вариантах не из одного блока.

Всё-таки наверное 2,3,4,6 с шагом в 120 град. :wink:
В этом случае все варианты можно пускать с одного старта.
И вторая ступень всё-таки водородная. В случае  пакета её можно делать в диаметре 4,1м , но лучше 5,5 (на перспективу). :wink:

Против 3 ничего не имею. В принципе, возможен даже 1, надо только вектор двигателя через ЦТ направить.  

[Лютич]

Метановая модификация РД-180. Уже в разработке.

Угу.
Вот только он - окислительный. И при недостаточной культуре производства блоков получит те же "посторонние частицы".

И вообще - метан есть такой же тупиковый путь, как и керосин. Только кризис настанет несколько позже.
И, как ни смешно, менее склонен прощать ошибки разрабов, нежели водород (см. историю как сгорел КВД-1М на стенде).

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Метановая модификация РД-180. Уже в разработке.

Угу.
Вот только он - окислительный. И при недостаточной культуре производства блоков получит те же "посторонние частицы".

И вообще - метан есть такой же тупиковый путь, как и керосин. Только кризис настанет несколько позже.
И, как ни смешно, менее склонен прощать ошибки разрабов, нежели водород (см. историю как сгорел КВД-1М на стенде).

Так и водород - тупиковый путь, только кризис наступит еще позже, чем у метана. Правда кризис химии уже наступил в конце 60-х, т.ч. ни керосину, ни метану, ни водороду давно уже ничего не грозит.      

[Дмитрий В.]

Метановая модификация РД-180. Уже в разработке.

Угу.
Вот только он - окислительный. И при недостаточной культуре производства блоков получит те же "посторонние частицы".

И вообще - метан есть такой же тупиковый путь, как и керосин. Только кризис настанет несколько позже.
И, как ни смешно, менее склонен прощать ошибки разрабов, нежели водород (см. историю как сгорел КВД-1М на стенде).

Так и водород - тупиковый путь, только кризис наступит еще позже, чем у метана. Правда кризис химии уже наступил в конце 60-х, т.ч. ни керосину, ни метану, ни водороду давно уже ничего не грозит.      

Значит, все-таки, "Дейтрон"... :roll:

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Метановая модификация РД-180. Уже в разработке.

Угу.
Вот только он - окислительный. И при недостаточной культуре производства блоков получит те же "посторонние частицы".

И вообще - метан есть такой же тупиковый путь, как и керосин. Только кризис настанет несколько позже.
И, как ни смешно, менее склонен прощать ошибки разрабов, нежели водород (см. историю как сгорел КВД-1М на стенде).

Так и водород - тупиковый путь, только кризис наступит еще позже, чем у метана. Правда кризис химии уже наступил в конце 60-х, т.ч. ни керосину, ни метану, ни водороду давно уже ничего не грозит.      

Значит, все-таки, "Дейтрон"... :roll:

Ну так и карты в руки. Считаем, рисуем.

[hcube]

Народ, допустим, 5.5 метровый носитель на 70 тонн сухой массы (как ЦБ Энергии) можно перевезти чем-то типа 3М-Т либо Мрии (Руслан уже не потянет из-за затенения киля). Но на аэродром вы его как будете везти, а? Да и ограничение на контактную сеть в городе никто не отменял. В общем, мое мнение - пакет, оптимизированный на использование 2 или 3 ББ (чтобы был запас под навеску до 6 ББ для реализации тяжелого носителя, включая вариант жесткого пакета), с ББ одинакового обьема баков с ЦБ, размеренность - порядка 150-200 тонн. ББ и ЦБ - метан, 3 ступень - водород. Любителям полутораступенчатого пакета напомню, что Энергия могла бы вывести при трехступенчатой схеме порядка 140 тонн при той же стартовой массе, а реально выводила 98. Из-за работы двигателей ЦБ пакета от земли и до орбиты.

При этом размеренность УРМ достаточно крупная - 1-УРМ двухступенчатая ракета выводит порядка 8-9 тонн, отлично заменяя Союз. И в то же время она не СЛИШКОМ крупная - блоки достаточно легкие и достаточно серийные чтобы не было проблем ни с производством ни с транспортировкой.

Собственно, может, кто-то посчитает конфигурацию? Данные по ступеням я привел, единственно что, вероятно оптимальным является 3 ступень на 60-70 тонн и 2 11Д57 на ней, а не один.

[Salo]

Народ, допустим, 5.5 метровый носитель на 70 тонн сухой массы (как ЦБ Энергии) можно перевезти чем-то типа 3М-Т либо Мрии (Руслан уже не потянет из-за затенения киля). Но на аэродром вы его как будете везти, а? Да и ограничение на контактную сеть в городе никто не отменял. В общем, мое мнение - пакет, оптимизированный на использование 2 или 3 ББ (чтобы был запас под навеску до 6 ББ для реализации тяжелого носителя, включая вариант жесткого пакета), с ББ одинакового обьема баков с ЦБ, размеренность - порядка 150-200 тонн. ББ и ЦБ - метан, 3 ступень - водород. Любителям полутораступенчатого пакета напомню, что Энергия могла бы вывести при трехступенчатой схеме порядка 140 тонн при той же стартовой массе, а реально выводила 98. Из-за работы двигателей ЦБ пакеа от земли и до орбиты.
Собственно, может, кто-то посчитает конфигурацию? Данные по ступеням я привел, единственно что, вероятно оптимальным является 3 ступень на 60-70 тонн и 2 11Д57 на ней, а не один.

А не из-за бокового размещения ПН?

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Народ, допустим, 5.5 метровый носитель на 70 тонн сухой массы (как ЦБ Энергии) можно перевезти чем-то типа 3М-Т либо Мрии (Руслан уже не потянет из-за затенения киля). Но на аэродром вы его как будете везти, а? Да и ограничение на контактную сеть в городе никто не отменял. В общем, мое мнение - пакет, оптимизированный на использование 2 или 3 ББ (чтобы был запас под навеску до 6 ББ для реализации тяжелого носителя, включая вариант жесткого пакета), с ББ одинакового обьема баков с ЦБ, размеренность - порядка 150-200 тонн. ББ и ЦБ - метан, 3 ступень - водород. Любителям полутораступенчатого пакета напомню, что Энергия могла бы вывести при трехступенчатой схеме порядка 140 тонн при той же стартовой массе, а реально выводила 98. Из-за работы двигателей ЦБ пакета от земли и до орбиты.

Собственно, может, кто-то посчитает конфигурацию? Данные по ступеням я привел, единственно что, вероятно оптимальным является 3 ступень на 60-70 тонн и 2 11Д57 на ней, а не один.

А предлагающих сохранять ограничение 4,1 батогами бить на площади, дабы прогрессу ракетной техники урону не учиняли.