Ракетный двигатель с "виртуальным эжектором"

Автор Татарин-2, 15.04.2021 00:54:27

« предыдущая - следующая »

0 Пользователей и 1 гость просматривают эту тему.

Татарин-2

Предпосылки: если представить себе, что ракетный двигатель дует в очень длинную трубу (диаметром больше, чем сопло двигателя), то поток рабочего тела будет увлекать воздух, прокачивая его и ускоряя, увеличивая эффективный УИ.
В хорошем случае бесконечной трубы с идеально гладкими стенками (чтобы не было потери на трение) УИ можно увеличить в 2 раза, вдвое.
В совсем хорошем случае рабочее тело, вылетающее из РД, должно быть чуть "сладким", чтобы догорать в воздухе, и таким образом несколько экономить окислитель. В случае кислород-водородного двигателя УИ можно увеличить втрое (по сравнению с "чистым" РД), в случае метана - где-то в 2.5 раза, если я нигде не обсчитался.

Почему такие радости не используются - понятно: труба должна быть длинной, жаростойкой, она имеет массу и выигрыш даёт на самом деле только на самых первых километрах атмосферы, где воздуха ещё достаточно много. Смысла делать такое - нет.

...

Идея предельно проста.

Если вокруг РД разместить (с необходимым зазором) ещё, допустим, 6 РД, то весь воздух в зазоре будет увлекаться выхлопом как центрального, так и боковых РД. Деваться ему некуда, его ускоряет как выхлоп центрального РД, так и выхлопы боковых РД, образующих виртуальные "стенки" получившегося эжектора. И трение о такие "стенки" идёт эжектору только на пользу.
Следующий шаг очевиден: "нормально", "с эжектором" работает ведь только центральный двигатель, поэтому размещаем вокруг первых 7 двигателей ещё пару десятков (или сколько там нужно) по кругу, потом ещё, в общем, образуем такую сетку из ракетных сопел со свободными промежутками-воздухозаборами между ними.
Получаем почти все эффекты эжектора (с поправкой на существование неограждённого ничем периметра), но с нулевыми затратами массы.
Более того, имея достаточно большое отношение общей площади к площади сопла можно нарушать стехиометрическое соотношение, смещая быланс в сторону горючего - оно будет догорать в воздухе. То есть, ещё и экономя тяжёлый окислитель (который обычно кислород или что-то ещё тяжелее кислорода).

- да, очевидными недостатками такой схемы является как минимум повышенное лобовое сопротивление получившейся конструкции. Но опять же очевидно, что потери на нём всегда будут меньше выигрыша на УИ (хотя и снижать выигрыш) вплоть до скоростей ракеты сравнимыми со скоростями истечения рабочего тела. Во-вторых, опять же очевидно, что схема имеет вообще хоть какой-то смысл ТОЛЬКО для первой ступени (где воздуха много и искомый выигрыш можно получить).
- да, это увеличивает массу двигателей первой ступени, что тоже сколько-то снижает выигрыш от высокого УИ. Но с этим можно мириться, ибо в итоге экономия всё равно при нас. Масса первой ступени огромна, экономия по топливу (даже) в 2 раза от (даже) 100 тонн - это 50 тонн, всё-таки, двигатели на столько не потянут.

С другой стороны, есть и свои дополнительные мелкие прелести, помимо огромного выигрыша на УИ. Например, схема с большим количеством мелких сопел, разнесённых по большой площади, не требует управления вектором тяги. Это может быть жёсткой конструкцией, общий вектор тяги которой управляется (небольшим) дросселированием двигателей с краю - большой рычаг даст большой момент.
Наибольший выигрыш от схемы получает первая ступень многоразовой ракеты, которая "автоматически", как бы бесплатно, получает возможность лёгкой посадки "по-ракетному" (то, для чего "Фалкону" нужны штанги, тут уже с собой изначально).
Мелкие двигатели могут быть высокосерийной, низконагруженной конструкцией (часть их УИ можно разменять на надёжность).

...
Вижу сплошные плюсы. Не вижу значительных минусов и каких-то технологических проблем, требующих длительных НИОКР.
Простая модель из китайских зажигалок с "факелом" работает прекрасно, увлекая большое количество воздуха.

Юрий Темников

Практически никаких потерь на снижение УИ не будет.Просто потому что на старте УИ сильно избыточен и большая часть энергии "вылетает в трубу.КПД РН Союз Энергетический всего 2,6 % при подьёме на 10км.Тратится на это 115 т топлива.С увеличением Тяги увеличится ускорение взлёта ,уменьшатся гравпотери.Сэкономится приличное количество топлива на дальнейший разгон.По поводу потерь на сопротивление.Подсос воздуха уменьшит донное сопротивление,но ускоренный набор скорости повысит атмосферные потери.Тема не совсем новая что то подобное обсуждалось на балансере.Там правда предлагалось кольцо вокруг двигателей с увеличением тяги на 10%.Единственное ,что приходит в голову,против это высокоскоростной поток вокруг двигателей,но защита элементарно проста.
Вначале было СЛОВО!И Такое......что все галактики покраснели и разбежались.

telekast

Труба, участок смешения, нужна в эжекторе для выравнивания скоростей потоков(эжектирующего газов и эжектируемого воздуха), приведения их к общему знаменателю. Прирост тяги получается из-за роста массы, но за счет снижения скорости итогового потока в сравнении с первоначальным потоком. Если среза сопла эжектора физически связанного с корпусом ракеты/ЛА нет, то никакого прироста не будет. Окружающий воздух и так увлекается реактивной струёй за аппаратом, но никакого влияния на тягу или скорость аппарата это не оказывает, т.к. покинувший сопло газ свою работу уже выполнил на срезе сопла и дальше он может хоть заэжектировать всю окружающую атмосферу, ракете это безразлично. Так что работать не будет. ИМХУ

Юрий Темников

Проверить очень просто, игрушка на колёсиках и несколько "тех :D самых зажигалок.Компактно и с зазорами.Но лучше на улице с возможностью упереться в бордюр. ;D
Вначале было СЛОВО!И Такое......что все галактики покраснели и разбежались.

Татарин-2

Цитата: telekast от 15.04.2021 17:29:15Если среза сопла эжектора физически связанного с корпусом ракеты/ЛА нет, то никакого прироста не будет. Окружающий воздух и так увлекается реактивной струёй за аппаратом, но никакого влияния на тягу или скорость аппарата это не оказывает, т.к. покинувший сопло газ свою работу уже выполнил на срезе сопла и дальше он может хоть заэжектировать всю окружающую атмосферу, ракете это безразлично. Так что работать не будет.
Вы не понимаете, как это работает. У эжектора нет "сопла", он сам по себе не даёт тягу. Тяга возникает из-за того, что в у сопла эжекторе с затягиваемым "медленным" воздухом давление выше, чем в "просто" атмосфере. Давление передаётся на сопло РД, создавая избыточную тягу.

Впрочем, даже не нужно этих подробностей. Важно, что закон сохранения импульса есть, и он реально работает: если ракета (неважно как) толкнула воздух вниз, значит, сама она полетела наверх. Вот так просто.

telekast

Цитата: Татарин-2 от 15.04.2021 18:38:26
Цитата: telekast от 15.04.2021 17:29:15Если среза сопла эжектора физически связанного с корпусом ракеты/ЛА нет, то никакого прироста не будет. Окружающий воздух и так увлекается реактивной струёй за аппаратом, но никакого влияния на тягу или скорость аппарата это не оказывает, т.к. покинувший сопло газ свою работу уже выполнил на срезе сопла и дальше он может хоть заэжектировать всю окружающую атмосферу, ракете это безразлично. Так что работать не будет.
Вы не понимаете, как это работает. У эжектора нет "сопла", он сам по себе не даёт тягу. Тяга возникает из-за того, что в у сопла эжекторе с затягиваемым "медленным" воздухом давление выше, чем в "просто" атмосфере. Давление передаётся на сопло РД, создавая избыточную тягу.

Впрочем, даже не нужно этих подробностей. Важно, что закон сохранения импульса есть, и он реально работает: если ракета (неважно как) толкнула воздух вниз, значит, сама она полетела наверх. Вот так просто.
Это Вы не понимаете. В общем случае статическое давление газа на срезе сопла равно давлению окружающей среды(случай полного расширения). У эжектора есть воздухозаборник и есть сопло, также как в любом ВРД прямой реакции. Сопло - это, условно и грубо говоря, окончание "трубы", её "кормовой" срез. И назначение сопла преобразовывать перепад давления и/или температуры в скорость потока истекающего газа. Нет сопла - нет тяги.
Ракета не "толкает" воздух, а "выталкивает" из себя часть своей массы(топлива и окислителя) с определенной скоростью. На окружающий воздух ей плевать, он ей лишь мешает.

ЗЫ. Могу поискать ссылку на книжку по авиационным эжекторным усилителям тяги. В файловом архиве реаашного форума была когда-то.

Цитата: Татарин-2 от 15.04.2021 00:54:27Если вокруг РД разместить (с необходимым зазором) ещё, допустим, 6 РД, то весь воздух в зазоре будет увлекаться выхлопом как центрального, так и боковых РД. Деваться ему некуда, его ускоряет как выхлоп центрального РД, так и выхлопы боковых РД, образующих виртуальные "стенки" получившегося эжектора. И трение о такие "стенки" идёт эжектору только на пользу.


Когда-то Тим Додд задал такой вопрос Питеру Беку, а можете ли вы дросселируя двигатель и меняя вектор тяги боковых движков получить какой-либо выигрыш в УИ?

На что Бек ответил: да, хорошая идея, мы так и делаем.

На что реакция Тима была "ля, я могу хорошие идеи выдавать!".

DiZed

15.04.2021 23:24:34 #7 Последнее редактирование: 15.04.2021 23:34:35 от DiZed
Цитата: Татарин-2 от 15.04.2021 18:38:26Вы не понимаете, как это работает. У эжектора нет "сопла", он сам по себе не даёт тягу. Тяга возникает из-за того, что в у сопла эжекторе с затягиваемым "медленным" воздухом давление выше, чем в "просто" атмосфере. Давление передаётся на сопло РД, создавая избыточную тягу.

Впрочем, даже не нужно этих подробностей. Важно, что закон сохранения импульса есть, и он реально работает: если ракета (неважно как) толкнула воздух вниз, значит, сама она полетела наверх. Вот так просто.
из-за того, что скорость истечения (многократно) выше скорости звука, внешнее давление не может передаваться в сопло, газовый поток в нем ничего не знает о том, что там снаружи. зато внешнее давление - если, в случае перерасширения,  оно больше, чем таковое на срезе сопла - может (тоже в виде ударных сверзвуковых волн) привести к нарушению непрерывности потока в сопле и "отлипанию" его от стенки - с катастрофическими последствиями.

воздух увлекает за собой истекающий поток ниже сопла, последний уже сделал все что мог по передаче импульса ракете - и теперь только делится "невостребованной" частью своего импульса с окружающим воздухом
ради компактности, читаемости и содержательности форума в настройках аккаунта отключено отображение всего, что можно отключить; я не вижу ваши (и свои) юзерпики, подписи, посты персонажей из блеклиста  ("леорнер", "старый", "бендер") и т.п. бесполезности


Ber

Что то, мне кажется здесь какое то недопонимание. Во у нас реальная труба, воздух увлекается трубой, расширяется, ускоряется дает прирост тяги. При этом он взаимодействует с трубой эжектора, ну если грубо отталкивается от нее, воздух в одну сторону, эжектор, а с ним и ракета в другую.
  А с чем взаимодействует воздух в сабже? С реактивной струей из сопел? И как этот импульс передается ракете? Как по мне так никак и не передается. Или я что то путаю?
"Too much of anything is bad, but too much good whiskey is barely enough."  Mark Twain (C)

cross-track

Цитата: Ber от Сегодня в 00:39:01Что то, мне кажется здесь какое то недопонимание. Во у нас реальная труба, воздух увлекается трубой, расширяется, ускоряется дает прирост тяги. При этом он взаимодействует с трубой эжектора, ну если грубо отталкивается от нее, воздух в одну сторону, эжектор, а с ним и ракета в другую.
  А с чем взаимодействует воздух в сабже? С реактивной струей из сопел? И как этот импульс передается ракете? Как по мне так никак и не передается. Или я что то путаю?
Если рассуждать с силовой точки зрения (через давление), то возможно так:

При разгоне ракеты внешнее давление у среза сопла уменьшается, и становится тем меньше, чем больше скорость ракеты (по Бернулли). Если каким-то образом снизить скорость обтекания воздуха, то давление у среза повысится, и будет подталкивать ракету вперед)
Не все у нас еще хорошо, кое-что - просто замечательно!

Ber

Жуть, если давление на срезе повысится, движок захлебнется.
"Too much of anything is bad, but too much good whiskey is barely enough."  Mark Twain (C)

AlexNB

Сегодня в 11:49:19 #12 Последнее редактирование: Сегодня в 12:08:11 от AlexNB
Чтобы разобраться в том как будет работать усовершенствование ЖРД предлагаемое ТС, почитайте в гидрогазодинамике раздел - типа "О месте приложения тяги в прямоточном ВРД". Данный эжектор будет относиться к этому классу. Для интриги - открою страшный секрет врдэшкиков - в прямоточке сила тяги приложена к  .... воздухозаборнику, а не к соплу. Т.е чтобы такой эжектор заработал по оси ракеты нужно создать воздуховод от носа к срезу ЖРД. Т.к. ЖРД работает с перерасширением, то в области среза сопла создается разрежение, перепад между носом и сопло будет засасывать воздух по центральному каналу что приведет к появлению разрежения на носу ракеты и создаст дополнительное усилие по вектору тяги и повысит УИ. Проблема только в двух вещах - выигрыш в УИ, скорее всего, будет меньше потерь, от увеличения массы конструкции. И второе - эффект будет в основном только на дозвуке. На сверхзвуке все будет сильно не так. В 80-х годах на НПО Э рассматривались способы повышения УИ за счет эжекции внешнего воздуха к струе от ЖРД. Единственными более или менее реальными были признаны методы магнитогазодинамики, да и то с натягом т.к. требовали массу исследований для подтверждения. Ну есть еще ряд эффектов, которые сильно снизят эффективность такого двигателя. Например из-за несплошности струй ЖРД будет боковой подсос воздуха без создания дополнительной тяги, а если сделать струи сомкнушимися, то будут потери УИ на не расчетных режимах полета, итд.
Ну кроме того, если Вы прочитали литературу по эжекторам, то должны были обратить внимание, что в газо -механических эжекторах скорости смешиваемых потоков должны быть достаточно близки, иначе катастрофически падает эффективность такого эжектора. В предлагаемом варианте вообще смещение дозвуковой  и сильно сверхзвуковой,  перерасширенной, струи. На памать точно не помню, но в этом случае длина зоны смещения будет не менее нескольких десятков диаметров струи - т.е метров 50 для более или менее приличного ЖРД. 
Для завершения, можно сказать, что такой - "виртуальный" эжектор работать не будет - ему просто некуда приложить импульс от смешения потоков. А если он создаст повышенное давление в районе сопел, ЖРД,, то как уже отмечали  - это приведет только к ухудшению УИ.   

telekast

Открою еще более страшную тайну врдшников: в врд прямой реакции силу тяги создают...ВСЕ элементы ГВТ! Т.е. сила тяги "приложена" ко всем этим элементам, просто в разных долях, скажем неверно спроектированный или отсутствующий воздухозаборник-"губа" у ТРД может дать потерю тяги до 20%.
У предложенного топикстартером варианта камера смешения, если бы он ее предполагал использовать, была бы сильно короче(почти на порядок), т.к. у него предлагается не один мощный поток, а многоструйный. Такие конструкции известны и описанны в литературе(см.например, ссылку выше). Если бы он еще обеспечил встречу потоков под углом градусов в 45, то камера смешения еще укоротится, а коэфф.усиления тяги будет ещё выше. А уж если двигатели/их струи заставить вращаться, то вообще будет шик-блеск. ;D

AlexNB

Цитата: telekast от Сегодня в 12:19:22Открою еще более страшную тайну врдшников: в врд прямой реакции силу тяги создают...ВСЕ элементы ГВТ!

У предложенного топикстартером варианта камера смешения, если бы он ее предполагал использовать, была бы сильно короче(почти на порядок), т.к. у него предлагается не один мощный поток, а многоструйный. ;D
Вообще то мы говорим о классе прямоточных двигателей - у них нет других элементов, кроме передней и задней обечайки, разность давлений на которых и создает тягу. Кроме того разговор шел (если внимательно прочитаете мой ответ) о диаметре одной струи, а не всего струйного комплекса, и, соответственно, размеры зоны смешения привязаны к диаметру одной струи. Сверхзвуковой поток не знает о наличии других струй, поэтому они и не влияют на зону смешения. Вы, частично, были бы правы для смешения дозвуковых потоков. Если не верите, посмотрите съемки истечения перерасширенной струи из сопла из ЖРД в  воздух и посчитайте  на сколько диаметров сохраняются скачки, их визуально видно.   

Юрий Темников

Именно снижение УИ : торможение газовой струи обусловленное захватом и разгоном окружающего воздуха и будет увеличивать тягу.УИ на данном этапе полёта избыточна почти в 100 раз.
Вначале было СЛОВО!И Такое......что все галактики покраснели и разбежались.

telekast

Цитата: AlexNB от Сегодня в 13:35:14
Цитата: telekast от Сегодня в 12:19:22Открою еще более страшную тайну врдшников: в врд прямой реакции силу тяги создают...ВСЕ элементы ГВТ!

У предложенного топикстартером варианта камера смешения, если бы он ее предполагал использовать, была бы сильно короче(почти на порядок), т.к. у него предлагается не один мощный поток, а многоструйный. ;D
Вообще то мы говорим о классе прямоточных двигателей - у них нет других элементов, кроме передней и задней обечайки, разность давлений на которых и создает тягу. Кроме того разговор шел (если внимательно прочитаете мой ответ) о диаметре одной струи, а не всего струйного комплекса, и, соответственно, размеры зоны смешения привязаны к диаметру одной струи. Сверхзвуковой поток не знает о наличии других струй, поэтому они и не влияют на зону смешения. Вы, частично, были бы правы для смешения дозвуковых потоков. Если не верите, посмотрите съемки истечения перерасширенной струи из сопла из ЖРД в  воздух и посчитайте  на сколько диаметров сохраняются скачки, их визуально видно.   
У прямоточки, как и прочих врд тягу создает разность скростей на входе и выходе, а не разность давлений. Это отражено в формуле тяги ВРД: массовый расход помноженный на (скорость истечения минус скорость полёта)
Сверхзвуковой поток прекрасно знает о наличии других потоков и точно также с ними взаимодействует, просто в нём возмущения распространяются только по потоку, тогда как в докритическом они распространяются и против течения газа, т.к. в сверхвуковом волна давления распространяется(во все стороны, как водится) с местной скоростью звука, скорость истечения ее превышает. Что касается колец Маха, то, как мне представляется они и образуются в местах возникновения скачков уплотнения, потому что периферийные слои потока тормозятся интенсивнее, в частности как раз из-за взаимодействия с окружающей средой. То, что для смешения с присоединенной массой более высоскоростного потока требуется более длинная "труба", чем для менее скоростного это ясно. Впрочем, сверхкритическими течениями я почти не интересовался, а потому более спорить не буду. Тем паче, что Вы собсно подтвердили, хоть и немного с других позиций, то, что я изначально говорил: без "трубы" и сопла "виртуальный эжектор" работать не будет.

Юрий Темников

Цитата: Юрий   Темников от Сегодня в 14:14:27Именно снижение УИ : торможение газовой струи обусловленное захватом и разгоном окружающего воздуха и будет увеличивать тягу.УИ на данном этапе полёта как и её энергия избыточна почти в 100-10 раз в зависимости от скорости полёта.до высоты в 10 км.
Вначале было СЛОВО!И Такое......что все галактики покраснели и разбежались.