Оптимальная первая ступень

[RadioactiveRainbow]

Ну тогда все в порядке
Вы меня успокоили. А то я уже за голову хвататься хотел... ))

[Shestoper]

Сие есть величайший дар любителям посчитать двигатели
Програма для термодинамического расчета (при высоких температурах и давлениях). Позволяет, в частности, считать химические (да и не только химические, наверное) ракетные двигатели.

для кислорода и керосина при альфа=0,9, Рк=2МПа и Рф=0,07МПа:
УИ (атмосферный) - 2665 м/с
УИ (пустотный) - 2990 м/с
Бета - 1765 (для тех кто захочет пропорции камеры прикинуть )))

Естественно, эти циферки надо домножать на коэффициент <1.
Думаю, 0,87-0,90 для двигателей такой размерности - вполне достижимо без особых сложностей.

Кстати если домножать на 0,9 - получается УИ у Земли 240 с, пустотный - 270 с  :!:
Так что характеристики ракеты нужно пересчитывать, мю ПН увеличится.  

При прежних условиях (стартовая масса 1200 тонн, масса заправки первой ступени - 738 тонн) ХС первой ступени увеличится до 2,48 км/c.

ХС второй ступени тогда составит 6,896 км/c.

ПН увеличится до 43 тонн  :!: Мю ПН - 3,57%!

А можно вашей замечательной программой рассчитать пустотный УИ водородного двигателя? Давление в КС - 100 атм. На срезе сопла - пусть 0,005-0,01 МПа. Можно рассчитать два этих (0,005 и 0,01) варианта? Чтобы посмотреть, насколько сильно расширение влияет на УИ.

[RadioactiveRainbow]

Кстати если домножать на 0,9 - получается УИ у Земли 240 с, пустотный - 270 с  
Так что характеристики ракеты нужно пересчитывать, мю ПН увеличится.  

"Я не сторонник завышения удельных параметров на ранних этапах проектирования" (с) Кто-то из местных.

А можно вашей замечательной программой рассчитать пустотный УИ водородного двигателя? Давление в КС - 100 атм. На срезе сопла - пусть 0,005-0,01 МПа. Можно рассчитать два этих (0,005 и 0,01) варианта? Чтобы посмотреть, насколько сильно расширение влияет на УИ.

Запросто.
Рк=10МПа, бета - 2423 м/с
Ра - УИп - Fa/Fкр
0,01 - 4365 - 56
0,005 - 4451 - 93
0,001 - 4597 - 296
0,0005 - 4642 - 487
Это я взял альфа=0,5. По хорошему, надо её оптимизировать по максимуму ХС ступени.

Я бы в оценке водородного двигателя отталкивался бы от существующих образцов. Надежнее... имхо.

[Shestoper]

Спасибо.

Ага, значит насчет УИ водородника в 450 с я несколько погорячился - для этого понадобится очень уж здоровое сопло. 440-445 с реалистичнее.

Если УИ первой ступени на я 5-10 с недооценил, то второй - на столько же переоценил.
Что ж, получается что мю ПН останется в районе 3,3-3,4%, тоже очень неплохо для такой простой ракеты.
ПН для ракеты массой 1200 тонн будет примерно 40-41 тонна.

[RadioactiveRainbow]

Товарищи, поздравляю вас!
Сегодня мы изобрели тот самый простой, надежный, дешевый 40-тонник - спаситель всея отечественной космонавтики!

[Дмитрий В.]

Товарищи, поздравляю вас!
Сегодня мы изобрели тот самый простой, надежный, дешевый 40-тонник - спаситель всея отечественной космонавтики!

Э-э-э... Я бы не высказал такого оптимизма. Есть ряд проблем, ставящих под вопрос "дешевизну" "простого носителя".

[Shestoper]

Если в краткосрочной перспективе - проблема в том, что нужно восстанавливать водородную инфраструктуру, делать мощный дешевый водородный двигатель. Можно конечно обойтись вместо него двумя РД-0120, но с точки зрения стоимости и надежности два напряженных движка вместо одного ненапряженного - безусловный минус.
Также вытеснительные двигатели такого размера - поле непаханное. Тем не менее из-за их коструктивной простоты отработать их на порядок проще и дешевле, чем например РД-170.
Нужно отрабатывать систему транспортировки крупногабаритных блоков до космодрома.

В общем определенные проблемы на начальном этапе есть. Если пускать ракету прямо завтра, дешевле вышел бы Тризенит.
Но такой носитель с ВСП не требует для создания каких-то заоблачных технологий, это не Венчур Стар.
Если развернуть серийное производство - такие простейшие носители можно печь как пирожки за смешную цену.
И деньги в стране есть, можно выделить для модернизации космической отрасли, чтобы на десятилетия закрепить за собой рынок пусковых услуг.

Но где там... Перминов и дальше будет рассказывать сказки про полеты на Солнце ночью, а летать будет старый Протон на гептиле, в лучшем случае Ангара...  

[RadioactiveRainbow]

Серьезным ударом по дешевизне будет оснастка и стоимость материала.
Оснастка, понятно - нужна будет весьма и весьма мощная. И массы свариваемых объектов огого, и толщина...

[мысль вслух]
Диаметр 7,5
давление 3 МПа
предел прочности... пусть будет 900/300МПа (сталь/ал.сплав).

Толщина стенки - всего 12.5/37,5мм?! Че так мало?
Я нигде не ошибся?
[/мысль вслух]

Хм. С учетом отсутствия необходимости развлекаться с изготовлением вафли резко подскакивает коэффициент использования материала (чуть ли не до 1), что очень и очень положительно сказывается на стоимости. Кроме того, сокращается перечень оснастки для обработки материала - надо всего-то изогнуть плиты (или при такой относительной толщине их еще листами можно называть?) и отторцевать поаккуратнее поверхности.

Что-то мне подсказывает, что такие баки будут все таки ощутимо дешевле традиционных....

[Новичок]

Серьезным ударом по дешевизне будет оснастка и стоимость материала.
Оснастка, понятно - нужна будет весьма и весьма мощная. И массы свариваемых объектов огого, и толщина...

[мысль вслух]
Диаметр 7,5
давление 3 МПа
предел прочности... пусть будет 900/300МПа (сталь/ал.сплав).

Толщина стенки - всего 12.5/37,5мм?! Че так мало?
Я нигде не ошибся?
[/мысль вслух]

Хм. С учетом отсутствия необходимости развлекаться с изготовлением вафли резко подскакивает коэффициент использования материала (чуть ли не до 1), что очень и очень положительно сказывается на стоимости. Кроме того, сокращается перечень оснастки для обработки материала - надо всего-то изогнуть плиты (или при такой относительной толщине их еще листами можно называть?) и отторцевать поаккуратнее поверхности.

Что-то мне подсказывает, что такие баки будут все таки ощутимо дешевле традиционных....

А не станет ли серьезныи ударом по простоте и дешевизне напряженности и технологичности 2-я ступень? Первое- двигатель. Мощность выще существующих, УИ лучше существующих(близких по мощности/RS-68), массовое соверщенство весьма высокое(лучше только  у 2-й ступени  Арианы 5), масса ступени больше Дельты-4 в полтора раза. Упрастив первую ступень Вы серьезно усложнили вторую, перевалив на нее все проблемы. Вопрос - будет ли все так же все легко и дешево с весьма крупной второй ступенью. К сожалению кроме как с Дельтой  не с чем сравнивать, а она очень не дешевая РН, да еще с учетом значительно большей массы 2-й ступени и с учетом ее высокого совершенства не прийдется ли там использовать теже вафельные баки. Конечно все ИМХО. Хотелось бы услышать комментарии группы авторов.

[Дмитрий В.]

Вот что, прежде всего, меня смущает.
Материал, принятый в расчетах, нержавеющая сталь с пределом прочности 1200МПа. Учитывая, что РН может быть использована для пилотируемых полетов, коэффициент безопасности принят равным 1,4. При диаметре 7 м, это дает толщину оболочки не менее 13,5 мм. С учетом ослабления материала при сварке, толщину можно смело принимать 15 мм. В результате, масса сухой (полностью собранной) ступени составит более 105 т. В моем варианте – порядка 40. Предложенный мной тандем (метан-водород) целиком «влазит» в грузоподъемность Ил-96Т (самолет-кандидат на звание «ракетного извозчика»). Как везти первую ступень «дешевой РН» на космодром. Вариант – несколько рейсов самолета (коммерческая стоимость летного часа порядка 15-25 тыс. долларов), а ступень делать разъемной. Как доставлять огромные ЖРД к месту сборки. Уважаемый Shestoper предлагает на Ми-26. Тоже недешево. Как манипулировать в цеху стальной ступенью массой более 100 т. Имеется ли на наших заводах такое грузоподъемное оборудование? Ну, и конечно, сама ступень будет многократно дороже, чем в варианте метаново-водородного тандема (нержавеющая сталь не дешевле алюминиевых сплавов, а по массе ее нужно гораздо больше). Что еще? В моем варианте пресловутая вафля не используется – баки гладкие. Так что и КИМ будет не хуже чем в стальной ступени дешевой РН. С уважением, Дмитрий В.

[Новичок]

Вот что, прежде всего, меня смущает....

Дмитрий!
Хотелось услышать Вашу точку зрения по поводу 2-й ступени.

[Дмитрий В.]

Вот что, прежде всего, меня смущает....

Дмитрий!
Хотелось услышать Вашу точку зрения по поводу 2-й ступени.

Во 2-й ступени несколько сомнителен ЖРД 350-тонник, разработка которого может потребовать внушительных затрат (у нас не делали водородников открытой схемы, тем более такой тяги). Техническая достижимость параметров смнений не вызывает. По сути, будет что-то вроде высотной версии Vulcain2, увеличенного до масштабов RS-68.

[Новичок]

Вот что, прежде всего, меня смущает....

Дмитрий!
Хотелось услышать Вашу точку зрения по поводу 2-й ступени.

Во 2-й ступени несколько сомнителен ЖРД 350-тонник, разработка которого может потребовать внушительных затрат (у нас не делали водородников открытой схемы, тем более такой тяги). Техническая достижимость параметров смнений не вызывает. По сути, будет что-то вроде высотной версии Vulcain2, увеличенного до масштабов RS-68.

А конструкция - "вафля" или гладкие?

[Дмитрий В.]

Вот что, прежде всего, меня смущает....

Дмитрий!
Хотелось услышать Вашу точку зрения по поводу 2-й ступени.

Во 2-й ступени несколько сомнителен ЖРД 350-тонник, разработка которого может потребовать внушительных затрат (у нас не делали водородников открытой схемы, тем более такой тяги). Техническая достижимость параметров смнений не вызывает. По сути, будет что-то вроде высотной версии Vulcain2, увеличенного до масштабов RS-68.

А конструкция - "вафля" или гладкие?

Да там вафля не нужна. Для жесткости (при наземной, в основном, эксплуатации) можно поставить несколько шпангоутов, и все.

[Новичок]

Да там вафля не нужна. Для жесткости (при наземной, в основном, эксплуатации) можно поставить несколько шпангоутов, и все.

Спасибо!
И последний вопрос не совсем в тему. Ранее я упоминал Ариану-5 и ее рекордное массовое совершенство водородной ступени. Как по Вашему, за счет чего оно получено?
Stage Number: 1. 1 x Stage: Ariane 5 EPC. Gross Mass: 186,000 kg (410,000 lb). Empty Mass: 12,700 kg (27,900 lb).
Заранее признателен за ответ.

[Дмитрий В.]

Да там вафля не нужна. Для жесткости (при наземной, в основном, эксплуатации) можно поставить несколько шпангоутов, и все.

Спасибо!
И последний вопрос не совсем в тему. Ранее я упоминал Ариану-5 и ее рекордное массовое совершенство водородной ступени. Как по Вашему, за счет чего оно получено?
Stage Number: 1. 1 x Stage: Ariane 5 EPC. Gross Mass: 186,000 kg (410,000 lb). Empty Mass: 12,700 kg (27,900 lb).
Заранее признателен за ответ.

В первую очередь невысокой долей массы ДУ в массе сухой ступени. Что, вообще, говоря характерно для ЦБ РН пакетной схемы. Ну, и конечно, высокая весовая культура проектирования и, может быть, повышенное соотношение компонентов (больше 6, ЕМНИП).

[Shestoper]

Вопросы резонные, отвечаю по порядку.

А не станет ли серьезныи ударом по простоте и дешевизне напряженности и технологичности 2-я ступень? Первое- двигатель. Мощность выще существующих, УИ лучше существующих(близких по мощности/RS-68), массовое соверщенство весьма высокое(лучше только  у 2-й ступени  Арианы 5), масса ступени больше Дельты-4 в полтора раза. Упрастив первую ступень Вы серьезно усложнили вторую, перевалив на нее все проблемы. Вопрос - будет ли все так же все легко и дешево с весьма крупной второй ступенью. К сожалению кроме как с Дельтой  не с чем сравнивать, а она очень не дешевая РН, да еще с учетом значительно большей массы 2-й ступени и с учетом ее высокого совершенства не прийдется ли там использовать теже вафельные баки. Конечно все ИМХО. Хотелось бы услышать комментарии группы авторов.

Думаю, ударом не станет. По порядку:

1) Двигатель. Да, тяга большая, таких водородников у нас пока не делали. Но реализовать её при умеренной напряженности двигателя не так сложно, как кажется. Например мощность ТНА будет не выше, чем у РД-0120.
Почему УИ выше RS-68? Всё очень просто, у этого двигателя просто небольшая степень расширения, 21,5: http://www.astronautix.com/engines/rs68.htm
Он создан как двигатель первой ступени.
Поставить сопло подлинее, и 440 с он легко выдаст.

2) Вторая ступень. Да, она тяжелее, чем первая ступень Дельты-4. Но двигатель примерно такой же по тяги. Для второй ступени оптимальная тяговооруженность нужна намного меньше. В силу этого уже массовое совершенство будет выше.
А на моей ступени применены ещё и совмещенные баки. Компоновка подобная второй ступени Сатурна-5 - кислородный бак внизу, водородный сверху. При чуть меньшей тяговооруженности вторая ступень Сатурна имела массовое совершенство вообще 0,08.

Что касается необходимости вафли. Не думаю, что она понадобится. Кислородный бак - чуть сплюснутый элипсоид. А водородный бак испытывает малые сжимающие нагрузки - на нем ведь сверху только ПН и ГО, это порядка 50 тонн. В статье про Дейтрон встретил фразу "при сжимающем усилии 1000-1100 тонн баки можно делать гладкими", а ведь у Дейтрона тот же диаметр. Так что водородный бак второй ступени думаю можно сделать гладким, подкрепив его наборным каркасом, как на Дейтроне.

В результате вторая ступень конечно сложнее и дороже первой. Но на фоне традиционных ракетных ступеней с насосными ЖРД она смотриться относительно простой и дешевой.

Так что вторая ступень если будет дороже первой ступени Дельты-4 Медиум, то ненамного.
При этом ПН в 5 раз больше, чем у Дельты-4 Медиум, и в 1.6 раза больше, чем у Дельты-4 Хэви.
http://www.astronautix.com/lvs/deledium.htm
http://www.astronautix.com/lvs/delheavy.htm

[Shestoper]

Продолжим ответы на вопросы.

Вот что, прежде всего, меня смущает.
Материал, принятый в расчетах, нержавеющая сталь с пределом прочности 1200МПа. Учитывая, что РН может быть использована для пилотируемых полетов, коэффициент безопасности принят равным 1,4. При диаметре 7 м, это дает толщину оболочки не менее 13,5 мм. С учетом ослабления материала при сварке, толщину можно смело принимать 15 мм. В результате, масса сухой (полностью собранной) ступени составит более 105 т. В моем варианте – порядка 40. Предложенный мной тандем (метан-водород) целиком «влазит» в грузоподъемность Ил-96Т (самолет-кандидат на звание «ракетного извозчика»). Как везти первую ступень «дешевой РН» на космодром. Вариант – несколько рейсов самолета (коммерческая стоимость летного часа порядка 15-25 тыс. долларов), а ступень делать разъемной. Как доставлять огромные ЖРД к месту сборки. Уважаемый Shestoper предлагает на Ми-26. Тоже недешево. Как манипулировать в цеху стальной ступенью массой более 100 т. Имеется ли на наших заводах такое грузоподъемное оборудование? Ну, и конечно, сама ступень будет многократно дороже, чем в варианте метаново-водородного тандема (нержавеющая сталь не дешевле алюминиевых сплавов, а по массе ее нужно гораздо больше). Что еще? В моем варианте пресловутая вафля не используется – баки гладкие. Так что и КИМ будет не хуже чем в стальной ступени дешевой РН. С уважением, Дмитрий В.

Вначале отвечу относительно стоимости ступени.
Думаю она (вместе с двигателями) будет существенно дешевле, чем первая ступень метаново-водородного тандема.
Материалоемкость будет конечно выше в несколько раз.
Зато трудоемкость изготовления гораздо ниже.
С двигателями всё понятно - несколько двигателей с ТНА будут намного дороже нескольких КС с вытеснительной подачей.
А у баков - трудоемкость будет примерно равная. Например длина сварных швов примерно одинаковая. Велика ли разница с точки зрения объема работ - сварить бак из 15-мм стали, или из 10-мм алюминия? Бак с вытеснительной подачей даже проще по конструкции, так как не требует наборного внутреннего каркаса (без чего на первой ступени при низком давлении наддува никак необойтись). А толстые стальные стенки, подпертые 30 атмосферами, будут устойчивы сами по себе.
Получается что трудоемкость изготовления баков при вытеснительной подаче примерно одинаковая, а трудоемкость изготовления двигателей - меньше в несколько раз.
С другой стороны, материалоемкость выше - нужны дополнительно  примерно 60 тонн стали.
Легированные стали сейчас стоят порядка 1500 долларов за тонну. Ну пускай высокопрочная сталь - 3 тысячи. 60 лишних тонн - это 200 тысяч долларов. К цене ракеты - очень небольшая прибавка.
А вот снижение трудоемкости производства двигателей снизит цену ступени на десятки процентов.

Теперь по поводу транспортировки.
Что касается транспортировки двигателя второй  ступени с диаметром сопла 6 метров. Сопловый насадок там простой, радиационнного охлаждения. Думаю его можно сваривать из сегментов прямо перед установкой двигателя на ракету.
А двигатели первой ступени не больше F-1, диаметром не более 4 метров - их перевозить не проблема.

Что касается заводского оборудования - собирались же как-то манипулировать блок Ц для Вулкана, он совсем ненамного легче.

Теперь про транспортировку ступени.
Вообще схема транспортировки зависит от того, куда возить.

Если построить старт в низовьях Волги, на российской территории - возить можно баржами из Самары.
Если на Байконур, тут могу предложить несколько альтернативных схем.
1) По воде по Волге и Каспию, а от восточного берега Каспия до Байка по степи на специальном транспортере, типа МАЗ-7904
http://denisovets.narod.ru/maz/mazpages/maz7904.html
2) Ил-76Т по частям.
3) Мощным транспортным самолетом типа Геракла (грузоподъемность 400 тонн). Создание такой машины специально для перевозки ступеней - чудовищное расточительство. Но если он будет создаваться перевозки сверхтяжелых грузов вообще, а ступени будут пособным заработком - вполне реальный вариант.

[Дмитрий В.]

1)Смотрел цены на нержавейку (от 90 до 200 тыс. р/т с НДС в зависимости отизготовителя и сортамента) и на алюминиевые сплавы (от 45 до 180 тыс. р/т). Т.е. цены примерно одинаковы.
2)Вафля на 1-й ступени моего тандема не нужна (отсек разгружается от сжатия при давлении наддува порядка 3 атм. При этом толщина обечайки гладкого бака (из алюминий-литиевого сплава) не превышает 3-4 мм, а из АМГ-6БТН не более 5 мм.
3)Космодром на Юге России строить не будут  

[RadioactiveRainbow]

материалоемкость будет примерно той же, что для изготовления вафельных баков. Не забывайте - вафли выгрызаются из плиты. Причем отходы можно сделать возвратными в обоих случаях (для ВСПшной ракеты возврат будет, конечно, посложнее и подороже, зато можно вернуть почти 100% материала).

Итого, ВСПшная ракета выигрывает у вафельной в затратах на изготовление вафли и на существенно дешевых двигателях.
Перед ракетой с гладкими подкрепленными баками с ненапряженными насосными двигателями преимущества уже не так очевидны. Изготовление ступеней, имхо, соразмерно по стоимости. Экономия на двигателях - умеренная.

При этом, как уже было сказано, существенные проблемы ВСПшной ракеты - оснастка, расчитаная на работу с огромными массами.
Думаю, большего на пальцах мы не получим - это действительно надо серьезно считать.

Кстати, проблему транспортировки я лично решил бы, совершив ту же "ошибку", что и в случае с Н-1
:roll: