Борьба с аккустическими нагрузками

[Merkurey]

А что, разве у нас ничего не делалось с активными или пассивными антиакустическими покрытиями? Или акустические колебания с стартующем носителе  таковы по частоте и амплитуде, что покрытия не имеют эфекта? Вот, что попалось при беглом поиске по теме:

The aerospace industry has reached milestones in the development and demonstration of smart structures technologies by operating Vibration Isolation, Suppression, and Steering space experiment [37, 38], the Middeck Active Control Experiment [38, 39], Satelite Ultra-quite Isolation Technology Experiment (SUITE) [38] and Miniature Vibration Isolation System (MVIS) [40] for space applications using piezoceramics.

[37] Henderson BK, Denoyer KK. Recent transitions of smart structure technologies through flight experiments. Proc SPIE 2001; 4332:153-8.

[38] Boyd J, Hyde TT, Osterberg D, Davis T. Performance of a launch and on-orbit isolator. Proc SPIE 2001; 4327:433-40.

[39] Ninneman RR, Denoyer KK. Middeck active control experiment reflight (MACE II): Lessons learned and reflight status. Proc SPIE 2000; 3991:131-7.

[40] Quenon D, Boyd J, Buchele P, Self R, Davis T, Hintz T et al. Miniature vibration isolation system for space appliaction. Proc SPIE 2001; 4327:159-70.

Это отрывки из обзорной статьи
G.Song, V.Sethi, H.-N. Li "Vibration control of civil structuresusing piezoceramic smart materials: A review", Engineering Structures 28 (2006) 1513-1524.

Первые два автора - из Хьюстоновского университета, последний - из Технологического университета Даляна.

[Андрей Суворов]

да, истекающей газовой струи.

Значит для супертяжей водород на первой ступени заказан. При УИ на 30% выше керосина он будет давать такие нагрузки, которые никак не сможет скомпенсировать уменьшение массы (и тяги двигателей) чисто водородной ракеты по сравнению с керосин-водородной.

Да не УИ там важен, а число Маха! А оно тем меньше, чем меньше молекулярный вес! Поэтому водородники там рулят немеряно! А ещё больше рулят ТфЯРД!

Вообще для снижения нагрузок на первой ступени выгодно использовать двигатели с небольшим УИ, по типу F-1 или ТТУ.
Снижение УИ с 310 до 260 с уменьшает при равной тяге нагрузки вдвое.
Если ХС первой ступени 3600 м/c, то применение двигателей с низким УИ увеличивает стартовую массу ракеты на 25%.


В результате аккуситические нагрузки такой ракеты составляют всего 63% от нагрузок ракеты с высоконапряженными двигателями. Это при том, что у более тяжелой ракеты больше масса конструкции - следовательно вибрации она переносит легче.

Для супертяжей (настоящих супертяжей, массой более 5000 тонн) оптимальный двигатель первой ступени - четырехкамерный, открытой схемы, с тягой порядка 2000-2500 тонн (учетверенный F-1).
При низком давлении в камере мощность его ТНА будет вполне приемлимая, на уровне РД-170, и аккустические нагрузки он будет создавать умеренные.

Также можно попробовать менять УИ по ходу полета за счет соотношения компонент: на старте двигатель работает с большим избытком одного из компонент, УИ невысок, тяга большая.
По мере облегчения ракеты в полете соотношение компонент становится оптимальным, тяга падает, УИ растет - таким образом, чтобы аккустические нагрузки поддерживались примерно на одном уровне.

Ещё раз - не УИ там важен, и не скорость истечения, как таковая, а местное число Маха - поэтому струя водорода, чистого водорода, идущего из ТфЯРД при 3000 кельвинов, будет давать акустическую нагрузку меньше, чем струя керосинки типа РД-170.

Да, при одинаковом составе выхлопа акустика связана с УИ, но тут-то как раз и можно словчить!

[mihalchuk]

Как известно, при пуске сверхтяжелых носителей аккустические нагрузки представляют серьёзную проблему.
Борются с ними в том числе подачей воды в истекающие газы - для охлаждения и замедления струи (от скорости истеченния аккустические нагрузки зависят пропорционально четвертой степени).

Подача воды в истекающие газы может происходить по-разному. Подача непосредственно в струи (как у Зенита) делается с другой целью - уменьшить нагрузки от струи на стартовое сооружение. Акустическое излучение при этом уменьшается незначительно.
А вообще задача ставится так. Наибольшее акустическое воздействие на носитель реализуется на первых 5-20 метрах полёта, когда струи двигателей начинают бить в элементы надстройки стартового сооружения. Оно может быть настолько велико по сравнению с другими участками полёта, что его нейтрализация - и есть вся задача.
Пока не придумали ничего лучшего, чем создание водяной завесы. Если её хорошо проработать, то нагрузки на старте можно уменьшить на порядок.
Бывает ещё один источник - поток газов на выходе из газохода неграмотно с этой точки зрения построенного стартового сооружения (например, у Н-1), действует на среднюю и верхнюю часть РН в момент старта. Рецепт тот же + добавление воды в газоотводящий лоток.

[Димитър]

да, истекающей газовой струи.

Значит для супертяжей водород на первой ступени заказан. При УИ на 30% выше керосина он будет давать такие нагрузки, которые никак не сможет скомпенсировать уменьшение массы (и тяги двигателей) чисто водородной ракеты по сравнению с керосин-водородной.

Да не УИ там важен, а число Маха! А оно тем меньше, чем меньше молекулярный вес! Поэтому водородники там рулят немеряно! А ещё больше рулят ТфЯРД!
...поэтому струя водорода, чистого водорода, идущего из ТфЯРД при 3000 кельвинов, будет давать акустическую нагрузку меньше, чем струя керосинки типа РД-170.
Да, при одинаковом составе выхлопа акустика связана с УИ, но тут-то как раз и можно словчить!

1. Можете формулу подкинуть?

2. Выходит так: Первая ступень - Водород + кислород. Старт - с большим излишком водорода - снижается одновременно и скорость истечения, и молекулярный вес выхлопа!  Небольшой недостаток - очень большой бак для горючего.

[Димитър]

да, истекающей газовой струи.

Значит для супертяжей водород на первой ступени заказан. При УИ на 30% выше керосина он будет давать такие нагрузки, которые никак не сможет скомпенсировать уменьшение массы (и тяги двигателей) чисто водородной ракеты по сравнению с керосин-водородной.

Да не УИ там важен, а число Маха! А оно тем меньше, чем меньше молекулярный вес! Поэтому водородники там рулят немеряно! А ещё больше рулят ТфЯРД!
...поэтому струя водорода, чистого водорода, идущего из ТфЯРД при 3000 кельвинов, будет давать акустическую нагрузку меньше, чем струя керосинки типа РД-170.
Да, при одинаковом составе выхлопа акустика связана с УИ, но тут-то как раз и можно словчить!

1. Можете формулу подкинуть?

2. Выходит так: Первая ступень - Водород + кислород. Старт - с большим излишком водорода - снижается одновременно и скорость истечения, и молекулярный вес выхлопа!  Небольшой недостаток - очень большой бак для горючего.

[Дем]

А вообще задача ставится так. Наибольшее акустическое воздействие на носитель реализуется на первых 5-20 метрах полёта, когда струи двигателей начинают бить в элементы надстройки стартового сооружения.

Поднять РН на 20 метров над столом. Или в момент старта опустить стол вниз на 20 метров

[mihalchuk]

А вообще задача ставится так. Наибольшее акустическое воздействие на носитель реализуется на первых 5-20 метрах полёта, когда струи двигателей начинают бить в элементы надстройки стартового сооружения.

Поднять РН на 20 метров над столом. Или в момент старта опустить стол вниз на 20 метров

Лучше 50-70. Зависит от размера РН - если крупная, то, конечно, больше. Это действительно выход, и, если бы проблема была так серьёзна, непременно так бы и делали (типа "Сатурн -1Б").

[Shestoper]

Первая ступень - Водород + кислород. Старт - с большим излишком водорода - снижается одновременно и скорость истечения, и молекулярный вес выхлопа![/color]  Небольшой недостаток - очень большой бак для горючего.

Проблема в том, что для увеличения мю ПН выгодно наоборот - вначале работать на топливе с большой плотностью и умеренным УИ, а потом на топливе малой плотности и с максимальным УИ.
Отсюда и российские проекты трехкомпонентников, и американский проект водородного движка, который вначале работает с большим избытком кислорода (отношение 1:12), а потом переходит на отношение 1:6.
Тогда первоначально для отброса большой массы нужны маленькие баки - не нужно при дальнейшем разгоне тащить с собой большие опустевшие баки из-под водорода.

Но если речь идет только про отрыв от стартового стола (то есть кратковременный период полета) - действительно может оказаться выгоден режим работы с большим избытком водорода, например 1:3. Причем баки для дополнительного водорода могут быть навесными, а для его подачи использовать отдельный ТНА. В обычном водородном движке с водородом в качестве рабочего тела ТНА в газогенератор идет небольшой процент кислорода. Так что не проблема будет ещё примерно столько же кислорода забрать для работы ещё одного газогенератора и ещё одного ТНА - для подачи больших объемов избыточного водорода.
В принципе на навесных баках можно установить и дополнительные ТНА, и дополнительные двигатели, работающие с избытком водорода - кислород они будут получать из центрального бака.
Получаются стартовые ускорители, но не твердотопливные, а на водороде. За счет повышенного содержания в выхлопе водорода их массовое совершенство будет небольшим, порядка 0,15-0,20. И УИ будет ниже классических водородных движков, ближе к керосиновым. Поэтому по эффективности они будут близки к ТТУ, высокго мю ПН (как у классических чисто водородных носителях) такой ракете не видать.
Зато за счет очень небольших акустических нагрузок они могут иметь огромные размеры.

Что касется применения ТФЯРД на первой ступени - чистый водород конечно выгоден из-за высокой скорости звука в нем. Но вряд ли это будет возможно из-за низкой тяговооруженности ТФЯРД.

[Дмитрий В.]

Первая ступень - Водород + кислород. Старт - с большим излишком водорода - снижается одновременно и скорость истечения, и молекулярный вес выхлопа![/color]  Небольшой недостаток - очень большой бак для горючего.

Проблема в том, что для увеличения мю ПН выгодно наоборот - вначале работать на топливе с большой плотностью и умеренным УИ, а потом на топливе малой плотности и с максимальным УИ.

Для максимумв мюПГ величина УИ оказывается более важной, чем масса конструкции. Поэтому чистый водородник с оптимизированными параметрами всегда лучше, чем чисто керосиновая РН и, по расчетам, лучше, чем комбинация керосин-водород. А вот по массе конструкции безусловный лидер как раз керосин-водородный двухсткпенчатый носитель.

[поверхностный]

А вообще задача ставится так. Наибольшее акустическое воздействие на носитель реализуется на первых 5-20 метрах полёта, когда струи двигателей начинают бить в элементы надстройки стартового сооружения.

Поднять РН на 20 метров над столом. Или в момент старта опустить стол вниз на 20 метров

Лучше 50-70. Зависит от размера РН - если крупная, то, конечно, больше. Это действительно выход, и, если бы проблема была так серьёзна, непременно так бы и делали (типа "Сатурн -1Б").

Покрыть землю вокруг звукопоглощающим материалом.

[Shestoper]

Ту землю, от которой отражаются газовые струи двигателей на старте, приходится покрывать бетоном, в сверху -  стальными плитами с водяным охлаждением, так велики термические и механические нагрузки. Любое покрытие разнесет в клочья.
Да и толку от него немного. Основную часть вибраций создает отнюдь не земля, а отраженная от неё газовая струя.

[Дем]

Тогда газопоглощающим!      :twisted:

[mihalchuk]

Покрыть землю вокруг звукопоглощающим материалом.

О земле не может быть и речи. Иначе из тех мест, в которые попадают струи, будут лететь куски грунта, камни, и они могут повредить ракету. Звукопоглощающие свойства в месте источника звука не будут играть роли. Здесь будет даже не звук, а пульсации давления акустической частоты. Будут важны только общие свойства материала: плотность, температура испарения, фракционность и пожалуй всё. Реально на старте делают стол, по которым газоход или просто пространство, отделённое от РН. При запуске двигателей струи уходят в дыру, и их воздействие отсекается. Здесь важно ещё и время воздействия на РН. При таком порядке отсекается воздействие от запуска двигателей (около секунды), а основные нагрузки реализуются на некоторой скорости отхода. Поэтому подъём РН метров на 20 - идея сомнительная, суммарные нагрузки могут оказаться больше.
И ещё важный момент: сама акустика - явление терпимое, сложности начинаются при нештатках или при каких-то особых процессах взаимодействия струй. Например, Энергия-Буран при отключении блока А на старте могла с него уйти по довольно извилистой траектории, при этом струи ЖРД встречались со стартовым столом гораздо раньше, и я сомневаюсь, что сборка выдержала бы без водяной системы подавления шума. Во втором случае в спектре колебаний может выделиться дискретная частота (или даже гармоника), и, если она совпадёт с одной из собственных частот конструкции...

[поверхностный]

Значит, корень зла в турбулентном обтекании струями двигателей наземных конструкций, после отхода от газоходов?

[kulch]

Засасывать выхлоп ракеты и отводить в сторонку - подальше от стартовой позиции.

[mihalchuk]

Засасывать выхлоп ракеты и отводить в сторонку - подальше от стартовой позиции.

Идея интересная, и я бы сказал, показательная. Сверхзвуковая струя никуда не будет засасываться. Но можно окутать её вакуумом, тогда звука не будет.
Можно создать эжекцию, и звук будет сносить назад от ракеты. При сверхзвуковом обтекании акустическое воздействие от струй обнулится.  Но будет воздействие, и немаленькое, от набегающего сверхзвукового потока.
С некоторой натяжкой первый вариант частично реализовался при старте Бурана: циклограмма двигателей была такова, что сначала в газоход был впрыснут и подожжён водород, из-за чего в момент запуска двигателей число Маха для потока струи уменьшилось, и нагрузки в первые секуды были низки.
Второй вариант может реализоваться при воздушном старте.

[kulch]

Сверхзвуковая струя никуда не будет засасываться.

Действительно. Не подумал  :oops:

[RadioactiveRainbow]

Опять же, концептуальное предложение.
Снижаем УИ двигателей первой ступени.

Пусть будет недоразмеренная первая ступень с УИ=<2000 м/с
РДТТ какое-нибудь, или кислород-керосин.
Да хоть чисто гидразиновые.

Вообще, для оценки методов решения подобных проблем хотелось бы какую-нибудь формулку получить, зависимости акустических нагрузок от УИ и тяги. Хотя бы качественную, типа функция чего и в какой степени.

[Shestoper]

Тяги - в первой степени. Числа Маха в истекающей струе (зависит от УИ и молярной массы продуктов сгорания) - в 4 степени.
Так что при прочих равных УИ снижать очень выгодно для минимизации акустических нагрузок.
Акустические нагрузки снижаются сильнее, чем растет масса (и тяга)  первой ступени

[Peter]

http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1180984&uri=page1.html

Статья

Ближнее акустическое поле импульсной струи

Интересный эксперимент, формула, за котрой чувствуется физический смысл, и красивая фотка.