Оптимальная первая ступень

[fagot]

Мы смотрим на перспективу

Очень далекую
 

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).

Если бы было существенно дешевле, так бы и делали. Когда европейцы создавали Ариану, никакие военные разработки в области ЖРД им поддерживать не требовалось, ракета должна была быть коммерческой и максимально дешевой. У французов, игравших основную роль в разработке нижних ступеней, был опыт создания и эксплуатации Диамантов с вытеснительной подачей на 1-й ступени. Однако вместо масштабирования Диаманта они использовали двигатели с ТНА, предки которых были созданны на основе камер того самого диамантовского двигателя.

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

Если водородник будет стоять на ракете с мю ПН, как у Союза, то вряд ли.

[Shestoper]

Если бы было существенно дешевле, так бы и делали. Когда европейцы создавали Ариану, никакие военные разработки в области ЖРД им поддерживать не требовалось, ракета должна была быть коммерческой и максимально дешевой. У французов, игравших основную роль в разработке нижних ступеней, был опыт создания и эксплуатации Диамантов с вытеснительной подачей на 1-й ступени. Однако вместо масштабирования Диаманта они использовали двигатели с ТНА, предки которых были созданны на основе камер того самого диамантовского двигателя.

На Ариан-1 они использовали движки с ТНА на первой ступени скорее всего потому, что водород там был только на маленькой третьей ступени. А на первой и второй ступени топливом были гептил/азотный тетраксид. Не самая эффекивная по УИ топливная пара. Чтобы на таких компнентах получить приличную мю ПН, УИ двигателей и массовое совершенство ступеней нельзя занижать.
Когда на Ариан-5 создали большую водородную вторую ступень, в качестве первой ступени применили два ТТУ, которые по УИ и массовому совершенству стоят очень близко к двигателям Диамантов.
Почему не стали вместо ТТУ масштабировать Диамант? Возможно не хотели возиться с ядовитыми компонентами топлива, а опыта работать с керосином не было?
http://www.astronautix.com/lvs/ariane5g.htm
http://www.astronautix.com/lvs/ariane1.htm
http://www.astronautix.com/lvs/diamanta.htm

Вот тут можно посмотреть характеристики французских двигателей: http://engine.aviaport.ru/issues/14/page44.html
Двигатели Диаманда при давлении всего 20 атмосфер  обеспечивали довольно высокий УИ на "вонючих" компонентах. На керосин-кислороде было бы секунд на 10 больше.

Вообще объснять чужие решение - занятие неблагодарное. Инерция мышления и технологий не всегда поддается рациональному объяснению. Почему например в СССР и России почти не используют водород, а на Западе очень широко? Почему закрыли программу Н-1?
С точки зрения технической эффективности на эти вопросы нет ответа.

Если водородник будет стоять на ракете с мю ПН, как у Союза, то вряд ли.

Ракеты не картошка - продаются не на вес.  

Вообще интересно, во сколько раз вытеснительный ЖРД, рассчитанный на давление скажем в 40 атм, будет дешевле двигателя такой же тяги, но с ТНА и давлением в КС скажем 100 атм (открытой схемы)?
У кого-нибудь есть точные данные по цене двигателей с вытеснительной подачей?
Я думаю, что минимум вдвое, а скорее втрое-вчетверо. Во-первых нет ТНА (самого сложного и дорогого компонента двигателя) и газогенератора. Во-вторых камера расчитана на гораздо более низкое давление.

[fagot]

На Ариан-1 они использовали движки с ТНА на первой ступери скорее всего потому, что водород там был только на маленькой третьей ступени. А на первой и второй ступени топливом были гептил/азотный тетраксид. Не самая эффекивная по УИ топливная пара. Чтобы на таких компнентах получить приличную мю ПН, УИ двигателей и массовое совершенство ступеней нельзя занижать.

ТНА не очень много прибавили к УИ, опять же на 2-й ступени можно было делать ТНА, как вы предлагаете, там же двигатель всего один. А 3-я ступень нормальная, ракета же под ГПО заточена.

Когда на Ариан-5 создали большую водородную вторую ступень, в качестве первой ступени применили два ТТУ, которые по УИ и массовому совершенству стоят очень близко к двигателям Диамантов.

Что-то среднее между ними и 1-й ступенью Ариан-4.

Почему не стали вместо ТТУ масштабировать Диамант? Возможно не хотели возиться с ядовитыми компонентами топлива, а опыта работать с керосином не было?

Скорее поддержание твердотопливного направления и большая надежность. Еще на шаттл оглядывались.

Вообще объснять чужие решение - занятие неблагодарное. Инерция мышления и технологий не всегда поддается рациональному объяснению. Почему например в СССР и России почти не используют водород, а на Западе очень широко? Почему закрыли программу Н-1?
С точки зрения технической эффективности на эти вопросы нет ответа.

Водород-то понятно почему не использовался - сначала не могли, потом не до него было на "рабочих лошадках". Но европейцы могли выбирать, куда двигаться, им же Буран и прочая ПК не мешали и технологии были.

Ракеты не картошка - продаются не на вес.

Т.е. вы считаете такое чудо будет дешевле Союза?

Вообще интересно, во сколько раз вытеснительный ЖРД, рассчитанный на давление скажем в 40 атм, будет дешевле двигателя такой же тяги, но с ТНА и давлением в КС скажем 100 атм (открытой схемы)?

Вот из-за незнания цифр на форуме и возникают подобные споры А реальную стоимость вряд ли кто сможет назвать.

[Shestoper]

Т.е. вы считаете такое чудо будет дешевле Союза?

Дешевле чисто керосиновой ракеты - однозначно будет. Мю ПН у них различаются очень незначительно, а большую часть тяги "такого чуда" создают дешевые вытеснительные движки.

А вот будет ли дешевле это "чудо" керосин-водородного или чисто водородного тандема  - вопрос.
При равной ПН с чисто водородной ракетой ракета с вытеснительными ЖРД на первой стуупени будет иметь вдвое большую стартовую массу.
При этом водородная вторая ступень с насосным ЖРД будет весить около 20% стартовой массы - то есть 40% стартовой массы чисто водородной ракеты.
Вопрос в том, сколько именно будет стоить первая ступень с вытеснительными ЖРД, которая по массе превосходит всю водородную ракету в 1,6 раза, а по тяге двигателей её первую ступень - в 2 раза.

[Shestoper]

Сейчас я немного поиздевался над Сатурном-5.
Заменил на нем реальную первую ступень на ступень с такой же массой топлива (2010 тонн), но с вытеснительными ЖРД.
Массовое совершенство принял равным 0,14, УИ у земли - 230 с.
Масса ступени увеличилась на 200 тонн.
А вместо третьей и второй ступени - единую водородную вторую ступень с массовым совершенством 0,08 и пуустотным УИ 460 с.
Масса второй ступени вместе с ПН - 583 тонны, столько же, как у реальной второй и третьей ступеней.

Таким образом стартовая масса ракеты по сравнению с реальным Сатурном увеличилась на 200 тонн (за счет роста сухой массы первой ступени) - до 2928 тонн. ХС носителя принял равным 9300 м/c.

ХС первой ступени по сравнению с реальным Сатурном уменьшилась на 820 м/c - c 3660 до 2840 м/c.
ПН получилась равной 99 тоннам.

В общем мю ПН этой ракеты - примерно на уровне трехступенчатой керосиновой Н-1 и Виктории-К.
Не так уж плохо, если учесть что насосными водородниками обеспечивается только 500 тонн тяги второй ступени, а на первой - "дубовые" вытеснительные двигатели с давлением в КС всего 20 атм.

Ракета, состоящая из реальной первой ступени Сатурна и "придуманой" мною второй - вывела бы на LEO около 130 тонн.

При замене на первой ступени F-1 на двигатели с УИ РД-170 масса выводимой ПН возрастает до 160 тонн.

А у чисто водородного тандема c УИ у земли 400 с - до 210 тонн.

[Shestoper]

Вспомнил! - кричу как герой "Вечера накануне Ивана Купалы"  

Вспомнил где ещё планировали применить вытеснительную подачу, кроме ракеты Била - в Морском драконе.
А что, если уйти от особо экстремистских решений вроде старта из полупогруженного состояния и единственной циклопической камеры на ступени - вполне приличный носитель.
Ну на второй ступени, где рост сухой массы на кг на столько же уменьшает ПН - там вытеснительная подача с её тухлым массовым совершенством заставляет в несколько раз увеличивать стартовую массу и в итоге удорожает носитель.
Но на первой ступени - вполне имеет право на жизнь.
Причем не только на малоразмерных ракетах (вытеснительную подачу до сих пор обычно применяли на самых верхних маленьких ступенях, куда трудно и дорого всунуть ТНА из-за размерных эффектов), но и на очень больших.
Чем ставить 30 НК-33 или 8 РД-170 - имхо проще раза в полтора увеличить стартовую массу, зато обойтись вообще без турбин и насосов.

Значит какая это должна быть ступень...
Давление в КС - пускай 20 атмосфер, как на Диаманде. Такое давление для керосин-кислорода позволяет получить УИ у земли 230-235 с.
С другой стороны и массовое совершенство ступени будет относительно высоким, 0,10-0,13. У Диаманда было 0,13, но это маленькая ракета. При увеличении масштабный эффект вызовет рост массового совершенства, особенно для ступени с вытеснительной подачей. Ведь при насосной подачи давление наддува невелико, и гидравлическое давление топлива имеет большое значение - в больших баках давление больше. А при вытеснительной подаче - что в больших, что в маленьких - 20 атмосфер.

Корпус ступени стальной. Сталь имеет лучшую удельную прочность, чем алюминий, в таких условиях когда жесткость стенки не важна (баки стабилизируются изнутри давлением и работают только на растяжение).
Конечно можно применить композиты. Но во-первых это дорого, а во-вторых сталь более жаростойкая.
Это её качество пригодится, если в качестве газов наддува использовать компоненты топлива.
Наддувать баки гелием не стоит -  гелий дорог. И несмотря на малую плотность самого гелия, баллоны высокого давления для него весят немало.
Лучше иметь маленькие отдельные бачки для горючего и окислителя, из них вытеснять компоненты сжатым газом в два маленьких газогенератора. А потом в бак горючего подавать "сладкий" газ, а в бак окислителя - "кислый". Температуру газогенераторного газа стальные стенки выдержат лучше алюминиевых и композитных (с органической матрицей).

[Peter]

Если говорить о гибрадниках...

Сейчас вместо ТТУ перспективными считаю гибридные двигатели - с парафиновым горючим и кислородом.

...то можно вспомнить седую древность и вместо парафина использовать твердый керосин. Как-то оно симпатичнее выглядит, по УИ хотя бы...

[fagot]

...то можно вспомнить седую древность и вместо парафина использовать твердый керосин. Как-то оно симпатичнее выглядит, по УИ хотя бы...

А как с возможностью делать из него скрепленные с корпусом заряды? И никаких преимуществ по УИ в сравнении с тем же бутилкаучуком у него не будет.

[Peter]

А как с возможностью делать из него скрепленные с корпусом заряды?

Не знаю. "Я не сказала да, милорд" - но уверенности, что это невозможно, у меня тоже нет. Скажем, опрессовываем при относительно высокой температуре (вязкая суспензия), охлаждаем и опрессовываем снова, затем немного греем, чтобы прилегание обеспечивалось за счет термического расширения (твердого керсона или бензина). Это, разумеется, в порядке бреда.

И никаких преимуществ по УИ в сравнении с тем же бутилкаучуком у него не будет.

Сравнение по УИ шло с парафином. С бутилкаучуком - выигрыш по стоимости. Хотя опять же - какой каучук...

[Shestoper]

Чем такие гибридники - уж лучше ЖРД с вытеснительной подачей, ИМХО. Всё равно надо окислитель через КС прокачивать.
РДТТ всё-таки имеет и перед вытеснительным ЖРД преимущество в простоте (хотя уступает в удобстве обращения с топливом).
А у гибридника топливный заряд конечно заливается проще и безопаснее, чем у РДТТ, но есть и система подачи кислорода (так что по сложности он не уступает ЖРД), а тут ещё возня с заливкой заряда горючего на космодроме...

[RadioactiveRainbow]

Не стои переоценивать простоту ВСП (точнее - недооценивать сложность).

Конечно, первая ступень имеет максимальную массу, самые мощные двигатели и дает наименьший вклад в ХС.
Поэтому её можно и нужно упрощать, жертвуя характеристиками до достижения экономического оптимума по первой ступени.
Но! Делать это надо все таки головой.


ВСП в-общем всем хороша. Кроме двух моментов.
1) сухая масса. Не с точки зрения характеристик ракетного блока, а с точки зрения стоимости. Попытайтесь оценить  массовое совершенство системы с ВСП, а затем прикиньте стоимость материала.
2) сборка баков. Представьте себе, каково это - варить встык многотонные панели, толщиной от десятков до сотен миллиметров.
А теперь представьте себе оснастку для этого увлекательного занятия.
Последним порядком можете попытаться представить стоимость.
(Хотя, проектировщики, конечно, скажут спасибо =)

Короче, не надо фанатизма. Конечно, первая ступень должна быть простой и дубовой насколько это вообще возможно... но что-то мне подсказывает, что насосный ЖРД низкого давления все таки подешевше будет.



Впрочем - это имхо. Считать надо, а не гадать...

[Peter]

Короче, не надо фанатизма. Конечно, первая ступень должна быть простой и дубовой насколько это вообще возможно... но что-то мне подсказывает, что насосный ЖРД низкого давления все таки подешевше будет.

Да я и не спорю, керосинка или ЛОХ-метан. ОТкрытая схема.
Просто поизвращаться захотелось

[Shestoper]

ВСП в-общем всем хороша. Кроме двух моментов.
1) сухая масса. Не с точки зрения характеристик ракетного блока, а с точки зрения стоимости. Попытайтесь оценить  массовое совершенство системы с ВСП, а затем прикиньте стоимость материала.
2) сборка баков. Представьте себе, каково это - варить встык многотонные панели, толщиной от десятков до сотен миллиметров.
А теперь представьте себе оснастку для этого увлекательного занятия.
Последним порядком можете попытаться представить стоимость.
(Хотя, проектировщики, конечно, скажут спасибо =)

Да, сухая масса ступени с ВСП велика, 12-15% заправленной.
 
Казалось бы - очень дорого, ведь водород на первой ступени не применяют именно из-за роста сухой массы ступени.
Но надо смотреть, что это за масса, из чего она состоит.

Самый тяжелый элемент ступени с ВСП - прочные баки, расчитанные на десятки атмосфер. Когда внутри бака такое давление, он работает на растяжение, сжимающие нагрузки от веса второй ступени легко парируются внутреним давлением.
Вот и первый положительный эффект - нам не нужна вафля.
И наборный внутренний каркас тоже не нужен - значит трудоемкость изготовления ступени падает!

Потом, при большом внутренем давлении жесткость стенки не важна, важна только прочность на разрыв. В таких условиях выгоднее использовать не алюминиевые сплавы, а высокопрочную сталь. Можно конечно и композиты, это резко облегчит ступень. Но для первой ступени низкая стоимость важнее массового совершенства, так что пусть будет сталь.
Если сталь вместо алюминия - значит при равной прочности стенка нужна раза в три тоньше.

Сейчас ступени делают из толстых листов алюминиевых сплавов (толщиной 40-50 мм) - сгибают их, сваривают, а потом фрезеруют вафлю. Толщина собственно стенки получается порядка 10-15 мм на разных ракетах и в разной части баков (внизу давление больше).

Поскольку баки ракеты с ВСП должны выдержтивать большое давление, значит их будут сваривать из гладких стальных листов толщиной порядка сантиметра-двух
И всё - никакой фрезировки, никаких наборных стрингеров.

Так что получается, что стоимость изготовления ступени не только не увеличится, но даже уменьшится. На современных ступенях гнут даже более толстые листы, просто потом большая часть материала идет в отходы после трудоемкого фрезерования.

А для ракет с насосной подачей водород на первой ступени так дорог потому, что рост сухой массы происходит за счет огромного водородного бака, по всей поверхности которого надо фрезеровать вафлю, и длина сварных швов тоже увеличивается по сравнению с керосиновым баком.

Ну а то, что ЖРД с ВСП дешевле насосного - это думаю доказывать не надо. Даже если КС ЖРД с низким давлением больше и тяжелее - всё равно, нет движущихся деталей - турбины и насосов, которые испытывают огромные нагрузки. Там одни подшипники нужны уникального качества. Трубопроводы ЖРД с ВСП расчитаны на десятки атмосфер, а не на сотни - простота и надежность соединений и уплотнений резко возрастает, стоимость падает.

Получается, что дешевле увеличить массу и тягу первой ступени в полтора раза (чтобы она при ухудшении УИ и массового соврешенства придала второй ступени ту же скорость) и перейти от насосной к вытеснительной подаче.

[freinir]

Ну прям фантастика!!!
Стенка бака 10 мм.... да ещё и у вафли - это сильно круто...

10 мм стали в баках выдержит более 100 атмосфер...

Вы с прочностью хоть немного дружите?

[Дмитрий В.]

Сейчас ступени делают из толстых листов алюминиевых сплавов (толщиной 40-50 мм) - сгибают их, сваривают, а потом фрезеруют вафлю. Толщина собственно стенки получается порядка 10-15 мм на разных ракетах и в разной части баков (внизу давление больше).

Чего-чего? 10-15 мм? :lol:  Ну, это Вы лишканули. К тому же толщина полотна вафельной конструкции определяется не только (и, может, не столько внутренним давлением, сколько уровнем сжимающих нагрузок. Вафельная конструкция, кроме прочего, позволяет использовать минимально возможное давление наддува (кстати, кольцевые ребра вафли также, воспринимая растяжение от давления, частично разгружают полотно). Да, а систему наддува Вы какую планируете?

[freinir]

Сейчас ступени делают из толстых листов алюминиевых сплавов (толщиной 40-50 мм) - сгибают их, сваривают, а потом фрезеруют вафлю. Толщина собственно стенки получается порядка 10-15 мм на разных ракетах и в разной части баков (внизу давление больше).

Чего-чего? 10-15 мм? :lol:  Ну, это Вы лишканули. К тому же толщина полотна вафельной конструкции определяется не только (и, может, не столько внутренним давлением, сколько уровнем сжимающих нагрузок. Вафельная конструкция, кроме прочего, позволяет использовать минимально возможное давление наддува (кстати, кольцевые ребра вафли также, воспринимая растяжение от давления, частично разгружают полотно). Да, а систему наддува Вы какую планируете?

А ещё вафлю применяют когда внешнее давление присутствует  :wink:

[Дмитрий В.]

Сейчас ступени делают из толстых листов алюминиевых сплавов (толщиной 40-50 мм) - сгибают их, сваривают, а потом фрезеруют вафлю. Толщина собственно стенки получается порядка 10-15 мм на разных ракетах и в разной части баков (внизу давление больше).

Чего-чего? 10-15 мм? :lol:  Ну, это Вы лишканули. К тому же толщина полотна вафельной конструкции определяется не только (и, может, не столько внутренним давлением, сколько уровнем сжимающих нагрузок. Вафельная конструкция, кроме прочего, позволяет использовать минимально возможное давление наддува (кстати, кольцевые ребра вафли также, воспринимая растяжение от давления, частично разгружают полотно). Да, а систему наддува Вы какую планируете?

А ещё вафлю применяют когда внешнее давление присутствует  :wink:

Естественно, вафля выгоднва там, где конструкция работает на сжатие (Лизин-Пяткин, однако  :wink: )

[Shestoper]

Ну прям фантастика!!!
Стенка бака 10 мм.... да ещё и у вафли - это сильно круто...

10 мм стали в баках выдержит более 100 атмосфер...

Вы с прочностью хоть немного дружите?

Ничего не понял. Где 100 атмосфер? В вытеснительных баках? Да там больше 30 атмосфер никогда не будет.
И там гладкая стенка, потому что внутренее давление обеспечивает устойчивость стенки.
Вафля - на ступенях с насосной подачей.

[Дмитрий В.]

Ну прям фантастика!!!
Стенка бака 10 мм.... да ещё и у вафли - это сильно круто...

10 мм стали в баках выдержит более 100 атмосфер...

Вы с прочностью хоть немного дружите?

Ничего не понял. Где 100 атмосфер? В вытеснительных баках? Да там больше 30 атмосфер никогда не будет.
И там гладкая стенка, потому что внутренее давление обеспечивает устойчивость стенки.
Вафля - на ступенях с насосной подачей.

Ну, это Вы написали про толщину полотна в вафле 10 мм. :wink:

[freinir]

Ну прям фантастика!!!
Стенка бака 10 мм.... да ещё и у вафли - это сильно круто...

10 мм стали в баках выдержит более 100 атмосфер...

Вы с прочностью хоть немного дружите?

Ничего не понял. Где 100 атмосфер? В вытеснительных баках? Да там больше 30 атмосфер никогда не будет.
И там гладкая стенка, потому что внутренее давление обеспечивает устойчивость стенки.
Вафля - на ступенях с насосной подачей.

Это Вы сказали что толщина стенки бака будет 10 мм.!!!
И давление в баках не всегда есть  :wink: