Оптимальная первая ступень

[Shestoper]

Первая ступень носителя как правило самая дорогая - потому что самая большая, и тяга её двигателей в несколько раз больше, чем у второй.
В то же время массовое совершенство и УИ первой ступени не очень важны.
Поэтому в качестве первой ступени часто используют ТТУ - простые, дешевые, надежные.
Но и у ТТУ есть свои недостатки - само твердое топливо дорого и обладает неэкологичным выхлопом. Заливка крупных зарядов РДТТ требует особого производства и является довольно сложной операцией. Залитые большие ТТУ  из-за большой массы трудно транспортировать на космодром. ТТУ Шаттла возят разобранными на 4 части, прогар уплотнителя стоил жизни экипажу Челленджера.

Оптимальным двигателем для первой ступени был бы ЖРД с вытеснительной подачей. Для пары керосин-кислород для него вполне возможно получить УИ у земли в районе 250 с.
Давление в ЖРД F-1 и ТТУ SRM отличается не так уж сильно - 65 и 44 атм соответсвенно.
Если сделать ступень с давлнением наддува порядка 30-40 атм, можно обойтись без дорогостоящего фрезерования вафли в баках.
Баки, работающие на растяжение, удобно делать из композитов. Но для удешевления ракеты лучше обойтись сталью, как на SRM.
Массовое совершенство в районе 12% - для первой ступени приемлимо.
Зато никаких газогенраторов и ТНА, двигатель фактически сводится к одной камере. Из-за небольших давлений можно ограничиться абляционной теплозащитой.

Получается ступень, соединившая наиболее важные для первой ступени преимущества ЖРД и РДТТ.

Из-за высокой надежности двигателя и его большого ресурса (из-за ненапряженных параметров) облегчается его многократное использование в составе спасаемой ступени (только абляционную теплозащиту КС обновить).

[Технократ]

Ну это всем известно и старо как мир.
См ракету банкира Била - НК не помню точно за какой год.
ВА-2
http://www.astronautix.com/lvs/bealba2.htm

http://www.bealaerospace.com/

ничего нового мусолим старое по 101 кругу.

[Shestoper]

Так я предлагаю подобный принцип только для первой ступени, как замену ТТУ.

У Била несколько важных отличий.
Во-первых окислитель - перекись. Не криогенная, но дающая небольшой УИ и дороже кислорода.
Во-вторых корпус - намотаный из композитов, легкий но дорогой.
В-третьих, и это самое принципианое отличие - у него вся ракета по одному принципу построена. Отсюда и трехступенчатость, и композитные корпуса - чтобы на таких дубовых двигателях получить приемлимую мю ПН.
И все равно мю ПН маленькая. Отсюда следует, что хотя ракета дешевая за счет дубовых двигателей, но зато по сравнению с традиционными носителями расходы увеличиваются за счет более крупного стартового комплекса и намотки более крупных композитных корпусов.

Для трехступенчатой ракеты с вытеснительными движками на керосин-кислороде на всех ступенях (УИ ~ 250 с у земли и 300 с в пустоте для движков верхних ступеней) и с массвым совершенством ступеней 0,12 мю ПН будет в районе 1,5%.
А если первая ступень - вытеснительная, а вторая - водородная с насосными ЖРД, мю ПН будет около 4%.
Ракета получается в 2,5 раза легче по сравнению с первым вариантом.
При том, что самая тяжелая (и самая дорогая в обычных носителях) первая ступень всё равно "дубовая" и дешевая.
Дорогая водородная ступень будет весить 20% от стартовой массы ракеты. Или (для сравнения) - только 8% от стартовой массы первого варианта.

Единственный минус второго варианта - нужна дополнительно водородная инфраструктура. Но окислитель у нас всё равно криогенный, не как у Била, так что проблема не так уж велика.

Ракета Била по мю ПН близка к полностью твердотопливным носителям, но её двигатели более технологичны, чем крупные РДТТ.
А мой проект сохраняет мю ПН близкой к обычным ракетам с ЖРД, при том что самая крупная первая ступень (обычно дающая максимальный вклад в стоимость) очень простая и дешевая.
Сейчас есть немало ракет с РДТТ на первой ступени и водородом на второй. Мой проект будет дешевле, поскольку ЖРД с вытеснительной подачей технологичнее РДТТ и удобнее в эксплуатации.

Ракета Била могла бы быть выгоднее в разработке, если бы у нас ещё не было ЖРД с насосной подачей. Чем отрабатывать с нуля такую сложную технологию, в краткосрочной перспективе было бы дешевле наштамповать простых ракет с вытеснительной подачей.
Но у нас уже есть отличный водородник РД-0120. Ставить его на верхние ступени, а на нижние - простые вытеснительные движки, и может получиться очень неплохой носитель. Например на Дейтроне заменить первую ступень углеводородной с вытеснительной подачей.

К тому же ракета Била ещё может быть конкурентноспособной с обычными носителями при выведении на LEO.
Но если нужно выводить на геостационар - ещё одна ступень с вытеснительным углеводородным движком уменьшит мю ПН до ничтожного значения. А если ставить криогенный разгонный блок с водородом - значит всё равно надо осваивать водородные технологии.

[Дмитрий В.]

Массовое совершенство в районе 12% - для первой ступени приемлимо.

Скорее, 15-20% получится. Двигатели и баки будут сильно тяжелее, чем при насосной подаче, а масса газа наддува (входящая в конечную массу блока)  будет на порядок, по крайней мере, выше.

[fagot]

Оптимальным двигателем для первой ступени был бы ЖРД с вытеснительной подачей. Для пары керосин-кислород для него вполне возможно получить УИ у земли в районе 250 с.

Т.е. давление в КС порядка 40 атм, а в баках не меньше 50-ти.
 

Давление в ЖРД F-1 и ТТУ SRM отличается не так уж сильно - 65 и 44 атм соответсвенно.
Если сделать ступень с давлнением наддува порядка 30-40 атм, можно обойтись без дорогостоящего фрезерования вафли в баках.
Баки, работающие на растяжение, удобно делать из композитов. Но для удешевления ракеты лучше обойтись сталью, как на SRM.
Массовое совершенство в районе 12% - для первой ступени приемлимо.

Из-за наличия системы наддува и невырабатываемых остатков топлива массовое совершенство будет хуже, чем у ТТУ. Хотя если применить жидкий гелий, ситуация улучшится.
 

Зато никаких газогенраторов и ТНА, двигатель фактически сводится к одной камере. Из-за небольших давлений можно ограничиться абляционной теплозащитой.

Маск тоже думал ограничиться абляцией, теперь делает новый двигатель. Для наддува может оказаться выгоднее ГГ.

Получается ступень, соединившая наиболее важные для первой ступени преимущества ЖРД и РДТТ.

А так же их недостатки.

[Shestoper]

Массовое совершенство в районе 12% - для первой ступени приемлимо.

Скорее, 15-20% получится. Двигатели и баки будут сильно тяжелее, чем при насосной подаче, а масса газа наддува (входящая в конечную массу блока)  будет на порядок, по крайней мере, выше.

Для первой ступени - терпимо.
Даже при большей стартовой и сухой массе ступень будет дешевле традиционой.
Например тяжелые прочные баки - их можно сваривать из толстого листа, но не фрезеровать в них вафлю. Расход металла тот же, что при производстве вафельных баков, а трудоемкость меньше.
Трубопроводы должны будут держать давления в десятки, а не сотни атмосфер, и никаких газов с температурой сотни градусов (как в ЖРД закрытой схемы) - это большое упрощение и удешевление.
Я уж не говорю про отсутствие ГГ и ТНА.

[Дмитрий В.]

Для первой ступени - терпимо.
Даже при большей стартовой и сухой массе ступень будет дешевле традиционой.
Например тяжелые прочные баки - их можно сваривать из толстого листа, но не фрезеровать в них вафлю. Расход металла тот же, что при производстве вафельных баков, а трудоемкость меньше.
Трубопроводы должны будут держать давления в десятки, а не сотни атмосфер, и никаких газов с температурой сотни градусов (как в ЖРД закрытой схемы) - это большое упрощение и удешевление.
Я уж не говорю про отсутствие ГГ и ТНА.

Не стоимость баков определяет стоимость пуска. У Вас двигатель будет совершенно чудовищных размеров (а сколько он потребует затрат для отработки - одному Богу известно) - стартовая масса РН ведь сильно вырастет.

[Shestoper]

Т.е. давление в КС порядка 40 атм, а в баках не меньше 50-ти.

Вообще не обязательно именно такие давления, может будет выгоднее меньше - 20-30 атм. Тут надо решать задачу на оптимум. Повышение давления утяжеляет баки, но увеличивает УИ. Нужно посчитать, при каком давлении ХС первой ступени будет максимальна.

Маск тоже думал ограничиться абляцией, теперь делает новый двигатель.

В РДТТ же обходятся абляцией.

А так же их недостатки.

Да. Но для первой ступени преимущества важнее недостатков - иначе бы не приименяли ТТУ.
А вытеснительный ЖРД технологичнее ТТУ (не нужны специальные технологии и заводы для твердого топлива) и удобнее при транспортировке ступеней.

[Shestoper]

Не стоимость баков определяет стоимость пуска. У Вас двигатель будет совершенно чудовищных размеров (а сколько он потребует затрат для отработки - одному Богу известно) - стартовая масса РН ведь сильно вырастет.

Стартовая масса вырастет на десятки процентов, а не в разы. У меня ведь вытеснительная только первая ступень. Вторая - водородная с насосными ЖРД.
Ракеты с ТТУ и второй водородной ступенью имеют приличную мю ПН, до 4% - и тут будет того же порядка.

Двигатель первой ступени можно сделать многокамерным, с камерами приемлимых размеров.

Сейчас подсчитал - если на первой ступени нужно набрать ХС 3 км/с, то замена ступени с УИ 310 с и массовым совершенством 0,07 на ступень с УИ 250 с и массовым совершенством 0,15 вызовет рост  стартовой массы носителя в 1,8 раз, а массы первой ступени - в 2,2 раза (при одинаковых вторых ступенях).

Увеличение тяги двигателей первой ступени в 1,8 раз - думаю вполне приемлимая цена за их кардинальное упрощение.
Например RS-68 намного дешевле SSME, хотя и больше по тяге.

[fagot]

В РДТТ же обходятся абляцией.

Не обходятся. Вы видели, какие там сопла? Никакого упрощения тут нет. Для ЖРД есть возможность использовать завесу и только в сочетании с ней можно применить простое абляционное покрытие, но с ростом давления и температуры на завесу уходит очень много горючего и УИ сильно падает.

Да. Но для первой ступени преимущества важнее недостатков - иначе бы не приименяли ТТУ.
А вытеснительный ЖРД технологичнее ТТУ (не нужны специальные технологии и заводы для твердого топлива) и удобнее при транспортировке ступеней.

ТТУ-то применяют, а вытеснительную подачу на 1-й ступени - нет со времен Диаманта, к чему бы это? :wink:

[Shestoper]

Для ЖРД есть возможность использовать завесу и только в сочетании с ней можно применить простое абляционное покрытие, но с ростом давления и температуры на завесу уходит очень много горючего и УИ сильно падает.

У нас давление низкое.

ТТУ-то применяют, а вытеснительную подачу на 1-й ступени - нет со времен Диаманта, к чему бы это? :wink:

Потому что первые носители делали на основе боевых МБР, для них высокие удельные параметры были важнее стоимости. А потом для МБР развернули твердотопливные технологии, и решили их попутно использовать. ТТУ Шаттла появились именно чтобы поддержать заказами Тиокол.
Сейчас вместо ТТУ перспективными считаю гибридные двигатели - с парафиновым горючим и кислородом. Парафиновый заряд отливать проще и безопаснее, чем твердотопливный, это можно делать прямо на космодроме. А в полете в КС по типу РДТТ с парафиновым зарядом закачивают кислород.
В результате получают двигатель технологичнее и безопаснее ТТУ.

Но вытеснительный ЖРД - ещё технологичнее, так как не нужно возиться с отливкой парафина и не нужны насосы для перекачки.

[fagot]

Стартовая масса вырастет на десятки процентов, а не в разы. У меня ведь вытеснительная только первая ступень. Вторая - водородная с насосными ЖРД.
Ракеты с ТТУ и второй водородной ступенью имеют приличную мю ПН, до 4% - и тут будет того же порядка.

Двигатель первой ступени можно сделать многокамерным, с камерами приемлимых размеров.

Сейчас подсчитал - если на первой ступени нужно набрать ХС 3 км/с, то замена ступени с УИ 310 с и массовым совершенством 0,07 на ступень с УИ 250 с и массовым совершенством 0,15 вызовет рост стартовой массы носителя в 1,8 раз, а массы первой ступени - в 2,2 раза (при одинаковых вторых ступенях).

Увеличение тяги двигателей первой ступени в 1,8 раз - думаю вполне приемлимая цена за их кардинальное упрощение.
Например RS-68 намного дешевле SSME, хотя и больше по тяге.

У вас довольно странная идея - применить низкое давление там, где требуется высокое, и применить высокое там, где оно не нужно. Да РД-0120 съест все преимущества от упрощения первой ступени плюс рост стартовой массы, и ракета получится не дешевле умеренного керосинового тандема с ТНА.

[fagot]

У нас давление низкое.

30 атмосфер уже немало, к тому же температура горения керосина довольно велика. А в отличие от РДТТ охлаждать нужно не только сопло, но и камеру. В конце концов европейцы используют на Аестусе регенеративное охлаждение, а там всего 10 атмосфер и меньшая температура горения, значит не сложнее оно и уж точно эффективнее.

Потому что первые носители делали на основе боевых МБР, для них высокие удельные параметры были важнее стоимости. А потом для МБР развернули твердотопливные технологии, и решили их попутно использовать. ТТУ Шаттла появились именно чтобы поддержать заказами Тиокол.

И с ЖРД то же самое, никто сейчас не станет отказываться от насосных технологий. Упрощения да, будут, но от ТНА не откажутся.

Сейчас вместо ТТУ перспективными считаю гибридные двигатели - с парафиновым горючим и кислородом. Парафиновый заряд отливать проще и безопаснее, чем твердотопливный, это можно делать прямо на космодроме. А в полете в КС по типу РДТТ с парафиновым зарядом закачивают кислород.
В результате получают двигатель технологичнее и безопаснее ТТУ.

Ну парафином это сложно назвать, скорее уж резина.

[Shestoper]

У вас довольно странная идея - применить низкое давление там, где требуется высокое, и применить высокое там, где оно не нужно. Да РД-0120 съест все преимущества от упрощения первой ступени плюс рост стартовой массы, и ракета получится не дешевле умеренного керосинового тандема с ТНА.

То есть по вашему на первой ступени нужно высокое давление, а на второй низкое?  :shock:
РД-0120 - да, довольно напряженный движок. Я его привел в качестве примера потому, что сейчас в России это единственный мощный водородник.
В перспективе будет более экономичным использовать на второй ступени движок открытой схемы (но с достаточно высоким для открытой схемы давлением - не меньше 100 атм). Нечто вроде высотной модификации RS-68. Тогда и цена двигателя приемлимая, и в УИ проигрываем самым напряженным водородникам всего секунд 20.

Что касается керосинового тандема. Я правильно понял, у него обе ступени на керосине? Плюс двигатели довольно умеренные, не напряженнее НК-33.
Тогда мю ПН у него будет примерно на одном уровне с тандемом с вытеснительным керосинником на первой ступени и водородом на второй - не больше 3-4%.
То есть стартовые массы примерно равны. Но у керосинового тандема вся тяга первой ступени обеспечивается ЖРД с насосной подачей - это значит есть несколько газогенераторов и ТНА.
Вытеснительный ЖРД обходится без всего этого сложно и дорого хозяйства.
А тяга второй ступени - раз в 5-6 меньше, стоимость её двигателей невелика по сравнению со стоимостью двигателей первой ступени (если на обеих ступенях ЖРД одной конструкции, с насосной подачей).

Конечно применение водорода потребует специальной инфраструктуры, это вызовет удорожание.
Но при примерно равной стартовой массе традиционного керосинового тандема и тандема с вытеснительным ЖРД на первой ступени и водородом на второй  - стоимость двигателей второй ракеты будет гораздо ниже.

[Shestoper]

У нас давление низкое.

30 атмосфер уже немало, к тому же температура горения керосина довольно велика. А в отличие от РДТТ охлаждать нужно не только сопло, но и камеру. В конце концов европейцы используют на Аестусе регенеративное охлаждение, а там всего 10 атмосфер и меньшая температура горения, значит не сложнее оно и уж точно эффективнее.

Уговорили, на регенеративное охлаждение согласен  

И с ЖРД то же самое, никто сейчас не станет отказываться от насосных технологий. Упрощения да, будут, но от ТНА не откажутся.

А я и не предлагаю отказаться вообще. Только на первой ступени, где это допустимо.
Всё-таки ТНА - самая дорогая, сложная и ненадежная деталь ЖРД. Турбина на десятки Мегаватт, мощные насосы, трубопроводы под давлением сотни атмосфер, много движущихся деталей  - это не добавляет дешевизны и надежности.
Там, где можно без существенных потерь обойтись без всего этого, лучше обойтись.

[fagot]

То есть по вашему на первой ступени нужно высокое давление, а на второй низкое? :shock:

Конечно, на 2-й ступени относительно большое давление применяется в основном для уменьшения габаритов ДУ или в пакете, когда ДУ работает с земли. Но 200 с лишним атмосфер там совершенно ни к чему.
 

РД-0120 - да, довольно напряженный движок. Я его привел в качестве примера потому, что сейчас в России это единственный мощный водородник.
В перспективе будет более экономичным использовать на второй ступени движок открытой схемы (но с достаточно высоким для открытой схемы давлением - не меньше 100 атм). Нечто вроде высотной модификации RS-68. Тогда и цена двигателя приемлимая, и в УИ проигрываем самым напряженным водородникам всего секунд 20.

Восстановить сейчас производство РД-0120 может оказаться не дешевле разработки нового двигателя, при этом в случае умеренного давления замкнутая схеме не намного дороже открытой. Но у нас и всю инфраструктуру водородную нужно восстанавливать и еще долго водородник будет обходиться дороже керосинки. Так что все это вполне компенсирует возможную экономию на 1-й ступени.

Что касается керосинового тандема. Я правильно понял, у него обе ступени на керосине? Плюс двигатели довольно умеренные, не напряженнее НК-33.

Да, параметры примерно как у НК-33, давление не больше 180 атм.

Тогда мю ПН у него будет примерно на одном уровне с тандемом с вытеснительным керосинником на первой ступени и водородом на второй - не больше 3-4%.

А у вашего тандема мю ПН сравнима с Атласом-5 и Дельтой-4?

То есть стартовые массы примерно равны. Но у керосинового тандема вся тяга первой ступени обеспечивается ЖРД с насосной подачей - это значит есть несколько газогенераторов и ТНА.
Вытеснительный ЖРД обходится без всего этого сложно и дорого хозяйства.
А тяга второй ступени - раз в 5-6 меньше, стоимость её двигателей невелика по сравнению со стоимостью двигателей первой ступени (если на обеих ступенях ЖРД одной конструкции, с насосной подачей).

Водородник даже при меньшей тяге стоит дороже керосинки, да и у однотипных двигателей стоимость будет отличаться не так значительно, как тяга.

Конечно применение водорода потребует специальной инфраструктуры, это вызовет удорожание.
Но при примерно равной стартовой массе традиционного керосинового тандема и тандема с вытеснительным ЖРД на первой ступени и водородом на второй - стоимость двигателей второй ракеты будет гораздо ниже.

В итоге мы меняем шило на мыло и используем водород "чтобы был", когда можно обойтись одним топливом при меньшей стоимости.

[Дмитрий Виницкий]

мне начинает казаться, что оптимальная первая ступень это Ares-1

[fagot]

А я и не предлагаю отказаться вообще. Только на первой ступени, где это допустимо.

Тогда примените лучше на 2-й ступени, атмосфер 10 в КС, массовое совершенство пострадает не сильно, здоровенное раздвижное сопло с радиационно охлаждаемым насадком. Может тоже экономия выйдет :wink:

Всё-таки ТНА - самая дорогая, сложная и ненадежная деталь ЖРД. Турбина на десятки Мегаватт, мощные насосы, трубопроводы под давлением сотни атмосфер, много движущихся деталей - это не добавляет дешевизны и надежности.
Там, где можно без существенных потерь обойтись без всего этого, лучше обойтись.

Теоретически все это так, но только в перенапряженных двигателях становится реальной проблемой. У РД-253 два отказа на две тысячи летавших движков, при том что и вытеснительные не на 100 % надежны. А рост стартовой массы тянет за собой всю инраструктуру и выигрыша от простоты и дешевизны не получается.

[Shestoper]

мне начинает казаться, что оптимальная первая ступень это Ares-1

В каком смысле? Он вообще-то двухступенчатый  

Вообще Арес-1 очень неплохой носитель. Первая ступень - простой надежный РДТТ, вторая - водородная с единственным дешевым и технологичным двигателем. Правильный подход - первая ступень дубовая и дешевая, вторая - более навороченная, но без лишнего фанатизма. В результате получаем низкую стоимсть вывода килограмма ПН и высокую надежность.

Если заменить РДТТ более простым в производстве вытеснительным ЖРД с экологичным выхлопом - будет совсем хорошо  

[Shestoper]

Восстановить сейчас производство РД-0120 может оказаться не дешевле разработки нового двигателя, при этом в случае умеренного давления замкнутая схеме не намного дороже открытой. Но у нас и всю инфраструктуру водородную нужно восстанавливать и еще долго водородник будет обходиться дороже керосинки. Так что все это вполне компенсирует возможную экономию на 1-й ступени.

Мы смотрим на перспективу  

А у вашего тандема мю ПН сравнима с Атласом-5 и Дельтой-4?

Конечно нет. Разве можно сравниать мю ПН ракеты с высоконапряженным керосинником на первой ступени и водородом на второй или чисто водородной двухступенчатой ракеты (с маленькими ТТУ) с ракетой, у которой первая ступень намеренно "дубовая" для снижения стоимости? По мю ПН - с Дейтроном соревнуйтесь.

Мю ПН моей ракеты будет близко к Аресу-1 - в районе 2,5-3%

А вот по стоимости вывода килограмма ПН ракета такой схемы - конкурент очень серьёзный. Об этом разговор ниже.

То есть стартовые массы примерно равны. Но у керосинового тандема вся тяга первой ступени обеспечивается ЖРД с насосной подачей - это значит есть несколько газогенераторов и ТНА.
Вытеснительный ЖРД обходится без всего этого сложно и дорого хозяйства.
А тяга второй ступени - раз в 5-6 меньше, стоимость её двигателей невелика по сравнению со стоимостью двигателей первой ступени (если на обеих ступенях ЖРД одной конструкции, с насосной подачей).

Водородник даже при меньшей тяге стоит дороже керосинки, да и у однотипных двигателей стоимость будет отличаться не так значительно, как тяга.

Конечно применение водорода потребует специальной инфраструктуры, это вызовет удорожание.
Но при примерно равной стартовой массе традиционного керосинового тандема и тандема с вытеснительным ЖРД на первой ступени и водородом на второй - стоимость двигателей второй ракеты будет гораздо ниже.

В итоге мы меняем шило на мыло и используем водород "чтобы был", когда можно обойтись одним топливом при меньшей стоимости.

Близость мю ПН - совсем не означает одинаковой стоимости.

Пусть у керосинового тандема 6 двигателей типа НК-33 на первой ступени и один такой же двигатель с высотным соплом на второй ступени.
Для простоты примем, что распередение масс по ступеням у носитля с вытеснительным ЖРД такое же. При этом ХС ступеней изменятся - "дубовой" первой ступени упадет, второй водородной увеличится.
Тяги двигателей каждой ступени остануться примерно такими же, как для керосинового тандема.

Водородный ЖРД при равном давлении и тяге дороже керосинового, но не фатально, на десятки процентов.
Так что верхняя ступень керосинового тандема будет дешевле.

Но ЖРД с вытеснительной подачей в несколько раз проще и дешевле средненапряженного ЖРД с насосной подачей при равной тяге.
Так что ДУ первой ступени керосинового тандема будет в 2-3 раза дороже, чем ракеты с вытеснительным ЖРД (а ведь на первой ступени не один, а 6 двигателей).

В конкретных российских условиях возрождение водородной инфраструктуры конечно потребует затрат. Но при эксплуатации затраты окупятся.