Оптимальная первая ступень

[Shestoper]

Два сферических бачка для ЖВ и ЖК и баллоны с газом высокого давления - это так сложно?
Гидравлическая система может и будет посложнее, чем в обычной ступени (хотя система наддува и там есть).
Но гидравлическая система двигателей будет намного проще. А главное - нигде на ступени, кроме трубопроводов газа высокого давления, не будет давлений в сотни атмосфер.

[Дмитрий В.]

Два сферических бачка для ЖВ и ЖК и баллоны с газом высокого давления - это так сложно?
Гидравлическая система может и будет посложнее, чем в обычной ступени (хотя система наддува и там есть).
Но гидравлическая система двигателей будет намного проще. А главное - нигде на ступени, кроме трубопроводов газа высокого давления, не будет давлений в сотни атмосфер.

В качестве газа наддува придется применить гелий (он не конденсируется ни на ЖК, ни на ЖВ), но совсем мало. В целом, имеем на РН следжующие компоненты: ЖК, ЖВ, водород, керосин, гелий - не больше, чем на обычных РН. Однако, кроме собственной системы наддува, в дополнительных бачках есть еще и система забора, клапаны и прочая арматура. Что касается давлений в ПГС, то сотни атмосфер достигаются в очень коротких трубопроводах, размещенных непосредственно на двигателях. Остальные же трубопроводы (довольно длинные) нагружены давлением примерно на порядок меньшим, чем в рассматриваемом варианте.

[Salo]

А если попытаться упростить. Основные компоненты ЖК и ЖМ. В баки помещаем бачки с теми же компонентами, но под давлением 50 атм, тогда как в основных баках 30 атм. На стенки бачков действует разность давлений 20 атм. Вытеснение из бачков гелием высокого давления, шарбаллоны с которым можно разместить внутри бачков. ЖМ подогревается в рубашках двигателей, испаряется и подогрев попутно в теплообменнике ЖК до испарения служит для наддува баков соответственно ЖМ и ЖК. Запаса давления должно хватить. Гелия нужно немного. Компонентов всего три. Рост сухой массы из-за увеличения объёма бака ЖМ по сравнению с керосином, частично скомпенсируется большим соотношением компонентов, переохлаждением криогенных компонентов, и криоупрочнением баков. Высокое давление (30атм) должно немного повысить температуру кипения. Правда для снижения эксплуатационных затрат появится теплоизоляция баков.

[Salo]

Кстати размещение шарбаллонов с гелием в бачках с давлением 50 атм позволит поднять внутреннее давление до 350 атм и увеличить запас гелия процентов на 15, снизив таким образом общую массу системы наддува.

[RadioactiveRainbow]

Граждане, вы меня несколько удивляете

Сами же пошли на упрощение конструкции, уменьшение массовых и удельных характеристик...
А теперь начинаете городить монструознейшую ПГС ради экономии нескольких тонн газов наддува. При сухой массе ступени под сотню тонн, ага.

Три компонента: керосин, кислород, гелий. Для гелия - тупо два баллона ВД. Каждый баллон - полный запас газа для одного бака.
Баллон ВД - редуктор - газовый клапан - бак - главный клапан - камера. Всё!

Кстати, а кислород азотом вытеснять разве нельзя?

[Дмитрий В.]

Кстати, а кислород азотом вытеснять разве нельзя?

Можно.

[RadioactiveRainbow]

Тогда фтопку гелий.
Кислород, керосин, азот.

[Дмитрий В.]

Тогда фтопку гелий.
Кислород, керосин, азот.

Потеряем еще тонну ПГ.

[RadioactiveRainbow]

Да. Потеряем 2,5% пн.
А сколько выиграем в стоимости РН?

[Дмитрий В.]

Да. Потеряем 2,5% пн.
А сколько выиграем в стоимости РН?

Нисколько, думаю. Двигатели от такой замены не подешевеют, баки тоже. ПГС в целом сильно не укпроститься из-за перехода. Стоимость газов в общей стоимости пуска - мизер. Поэтому, ракета может и станет чуть-чуть дешевле, но удельная стоимость выведения КА может и увеличиться.

[RadioactiveRainbow]

ладно, пусть будет гелий. Но усложнять ПГС не надо.

[Salo]

Давайте в конце концов вообще сделаем вытеснение гелием  в баках ЖК и ЖМ. Явный выигрыш в невыработанных массах топлива и газов наддува. И  ПГС проще. И лишних баков не надо. :wink:

[Salo]

Последняя попытка извратиться. Ставим небольшой бачок с ЖВ внутрь бака ЖМ. Гелием выдавливаем ЖВ в теплообменник, где он газифицируется при температуре ЖМ и используется для наддува бака ЖМ. Бак с термоизоляцией весит меньше чем шар -баллоны. Давление внутри и снружи примерно одинаковое. Запас ЖВ в четыре раза меньше чем гелия. Масса газов наддува тоже.
Водородная инфраструктура на старте по-любому есть. :wink:

Можно ещё проще - никакого гелия, никаких теплообменников.
Помещаем бак с ЖВ внутрь бака с ЖМ. Засчет теплопотока через стенку ЖВ испаряется и создаёт давление, которое вытесняет ЖВ наружу. Там при контакте с ЖМ водород испаряется и создаёт давление в баке ЖМ. Всего один клапан  на фиксированное внешнее давление (ну и ещё один для выпуска излишков газа из бака с ЖВ)

Насчёт объёмов ЖВ - нужно ещё учесть его растворимость в ЖМ (но для УИ это только на пользу пойдёт)

[Salo]

А в бак ЖК помещаем бак с жидким гелием с тем же самым эффектом. :wink:

[Shestoper]

Хочу предложить метод существенного (на десятки процентов) снижения сухой массы ступени с ВСП.
Самый тяжелый элемент ступени - прочные баки.
Вначале я хотел применить компоновку Н-1 - два подвесных сферических бака для горючего и окислителя.
При равном давлении и радиусе стенка сферического бакая может быть в 2 раза тоньше, чем цилиндрического.

Если заправка ступени - 740 тонн, то сферические баки для кислорода и керосина под давление 30 атмосфер вместе будут весить только 36 тонн.
Однако в этом случае ещё требуется несущий каркас.

Если первая ступень Н-1 с подвесными сферическими баками немного уступала по массовому совершенство первой ступени Сатурн-5, то в случае ракет с ВСП всё может быть наоборот - каркас нужен не более мощный, чем для ракет в насосными ЖРД, ведь тяга двигателей и стартовая масса ракеты изменилась незначительно. А вот внутрибаковое давление увеличилось на порядок - поэтому важно облегчить в первую очередь именно баки, даже если сделать их подвесными и понадобится несущий каркас и внешняя обшивка.

Но у меня идея ещё лучше - сделать сферические баки несущими. Это ведь тонкостенные подвесные баки для ракет с насосными ЖРД - очень "нежные" конструкции, выдерживающие только вес залитого топлива.
Баки, расчитанные на наддув 30 атмосфер, имеют намного более толстые стенки (для сферического бака диаметром 10 метров - толщина стальной стенки 10 мм), к тому же подкрепленные внутренним давлением.
Такие баки вполне можно нагрузить на сжатие - они выдержат его, как надутый футбольный мяч.

Поэтому сферические баки горючего и окислителя можно соединить решетчатой фермой (по типу несущего корпуса Н-1), но относительно короткой и небольшого диаметра (порядка 0,7 от диаметра баков). Она будет охватывать баки не по "экватору", как на Н-1, а примерно по "60-ой параллели".
Такие же ферма снизу будет приварена к баку окислителя (к ней будут крепится двигатели), а сверху - к баку горючего (на неё будет устанавливаться вторая ступень.
Таким образом сферические баки будут несущими, а общая длина каркасных ферм по сравнению с Н-1 будет сокращена минимум вдвое - их масса будет сопоставима с массой двигательного отсека, межбакового отсека и переходника между ступениями на обычных ракетах. Каждая ферма с двух сторон будет заканчиваться мощным кольцевым шпангоутом - именно за него ферма будет крепится к баку.
Снаружи ступень будет прикрывать легкий аэродинамический обтекатель, наподобие головного.

[Salo]

Давайте в конце концов вообще сделаем вытеснение гелием  в баках ЖК и ЖМ. Явный выигрыш в невыработанных массах топлива и газов наддува. И  ПГС проще. И лишних баков не надо. :wink:

Прочёл статью о Диаманте в НК за 2004 год. Для наддува использовался ПАД, поскольку гелиевая система наддува не справлялась с задачей.  Причём пороховвые газы охлаждались водой. В нашем случае охлаждать не надо поскольку компоненты криогенные. :wink:

[Новичок]

Хочу предложить метод существенного (на десятки процентов) снижения сухой массы ступени с ВСП.

Так какая у Вас ступень будет лучше, с несущими или сферическими?

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Если делать первую ступень на метане, то можно обойтись сферическим совмещенным баком . Внутрь бака ввариваем перегородку. Приделываем снизу двигатель, сверху ставим водородную ступень. Вес первой ступени будет вообще минимальным  :roll:

[Shestoper]

Так какая у Вас ступень будет лучше, с несущими или сферическими?

С несущими сферическими. Синим цветом показан легкий обтекатель.
Сферические баки будут стабильны при продольном сжатии за счет внутреннего давления. При давлении 30 атмосфер и диаметре бака 10 метров в продольном направлении его растягивает сила более 20000 тонн (300 тонн на квадратный метр). На этом фоне тяга двигателей 40-тонника в 1600 тонн - мелочь.
Даже для сверхтяжелого носителя с тягой порядка 10000 тонн и диаметром баков ~ 20 метров внутреннее давление на порядок больше сжимающей нагрузки.
Бак будет держать нагрузку так же, как надутая автомобильная камера выдерживает самосвал.

[Shestoper]

Если делать первую ступень на метане, то можно обойтись сферическим совмещенным баком . Внутрь бака ввариваем перегородку. Приделываем снизу двигатель, сверху ставим водородную ступень. Вес первой ступени будет вообще минимальным  :roll:

Можно и так.