Суборбитальник своими руками.

Сабж.
Сейчас бумажку достану...
Да, тема создана для обсуждения технической стороны проекта, и вопросов стоимости разработки/изготовления/эксплуатации.


Итак, проект предусматривает создание предельно простого и предельно надёжного суборбитального туристического корабля.
Концептуально аппарат должен состоять из пассажирской капсулы значительного диаметра (не менее 1.9м), Двигательной Установки (многокамерный гибридный ракетный двигатель на перекиси водорода и твёрдом горючем (возможно - полиэтилене)), системы приземления (парашюты и посадочные устройства), силового каркаса, внешней обшивки, аэродинамических элементов (в т.ч. управляемых) и других систем.

Предполагается следующая схема работы аппарата:
Корабль стартует с земли вертикально, используя тягу некоторого количества камер ДУ, имеющих атмоферные сопла. Корабль набирает высоту 10-20 км и незначительную скорость.
На этой высоте отключаются стартовые двигатели, и запускаются маршевые двигатели с высотными соплами, задача которых заключается в придании аппарату скорости 1500 м/с на высоте 40 км.
Далее в течение 3..4 минут корабль движется по баллистической траектории, достигая максимальной высоты около 140 км. В течение этого времени пассажиры испытывают состояние невесомости и прочие прелести космического полёта. В апогее корабль разворачивается, занимая положение для торможения в атмосфере.
Активное торможение начинается на высоте 60 км. К этому моменту пассажиры должны занять места для торможения и посадки и пристегнуться. В ходе аэродинамического торможения максимальные перегрузки достигнут 6g на время до 20с.
На высоте 8-10км скорость аппарата падает ниже скорости звука. На этой высоте вводится в действие парашютная система посадки. Если парашютная система посадки не срабатывает - у экипажа остаётся около 30 секунд на покидание корабля.
На высоте 3..8 км открываются основные парашюты и корабль садится вертикально на незначительном (<20км) удалении от точки старта. При необходимости, максимальное горизонтальное удаление точки посадки может достигать около 200 км.

Предполагается создать корабль с аэродинамическим качеством, близким к 0. Это приведёт с одной стороны к увеличению перегрузок, невозможностью выбирать место посадки. С другой стороны, это значительно (в разы) сокращает объём НИОКР по созданию и отработки аппарата. Следовательно - снижает стоимость корабля.
Многокамерность двигательной установки так же позволяет проще отработать камеру с зарядом твёрдого горючего, ввиду её меньшего размера.


Дополнительные замечания:
1) Полётные данные можно посмотреть самим, вбив в Reentry model слебующие данные:
m=1500
S=4
Cx=0.7 (лучше чем сфера, но хуже чем обтекаемый снаряд)
К=0
Н=40
V=1500
альфа=85..89
2) Потребный запас ХС с учётом гравитационных и аэродинамических потерь я оцениваю примерно в 2000..2700 м/с.
3) Не надо задавать глупых вопросов касаемо рынка суборбитальных туристических полётов. За 10k$ за полёт желающие найдутся.
4) ДУ предполагается делать так: берём всё кроме камеры и сопла от мосгирдовского (или конкурирующего) движка, масштабируем до нужного размера, вместо камеры перекисника вставляем камеру с зарядом твёрдого горючего. Разлагаясь на катализаторе перекись основательно подогревается (~700С ?) и реакция с горючим начинается намного охотнее (вообще не требует системы зажигания?).
5) Предполагаемая сухая масса - 1000..1500 кг. При этом тонкостенная оболочка кабины диаметром 2м, длиной циллиндрической части 2м, со сферическими днищами и толщиной стенки 1мм из стали весит менее 300кг и имеет в идеальном случае запас прочности от 4 до 10 в зависимости от марки стали. Делайте выводы о реализуемости пепелаца в целом.
6) Вопросы о том как искать аппарат после посадки, или что делать если он сядет на лес/воду/горы/город не задавать. Ибо пока это неинтересно.
7) На SpaceShipOne не было СЖО и системы терморегулирования
И это правильно - при таком большом объёме и малом времени полёта (менее 30 минут) она и не нужна. На край можно обойтись поглотителями СО2 и наддувом из баллонов со сжатым воздухом.


Развлекайтесь. А я пойду картинки рисовать

В книге про гибридные ракетные двигатели для пары 98%-перекись + полиэтилен указан УИ более 2500 м/с при давлении в КС 40 атм. Опустимся с небес на землю и примем УИ равным 2000 м/с (думаю, такой УИ вполне достижим на сравнительно большом двигателе).
Со средним УИ=2000 и ХС=2300 отношение начальной массы к конечной M0/M=3,2 (примерно). Значит при массе аппарата в 1 (1,5) тонну, в него надо загрузить 2,2 (3,3) тонны топлива.
Для указанной топливной пары К=6,55; правда, я не понял - идёт речь о массовом соотношении, или объёмном. Допустим что о массовом.

Далее будем рассматривать 1-тонник.
Необходимая масса горючего Мг=300кг, окислителя Мо=1900кг.
Объём горючего - около Vг=0,33 м³, окислителя Vо=1,36 м^3.

Примем давление в КС равным 25-30 атм. Тогда в баке окислителя должно быть что-то около 35-40 атм.
Ну, попробуем сделать бак из стали. Окружное напряжение, допустим, ограничим величиной 220 МПа (Ст45 улучшенная, запас S=3). Тогда толщина стенки поулчается delta=R*0,0182.
Толщина стенки 2мм даёт радиус бака 0,11м. Диаметр 0,22м.
Объём окислителя потребует длину бака из такой трубы L=36м. Делим на приемлимые 3 метра, получаем 12 бачков. Полная их масса получается чуть более 400 кг. Вместе с оболочкой капсулы получается уже 700 кг. Как-то совсем некашерно. Ведь ещё каркас, камеры, обшивка, прочая периферия...
Конечно, можно уменьшить вдвое запас. Ну получится не 400 кг, а 300. Всё равно много.
Можно раза в два массу уменьшить, применив крутые алюминиевые сплавы (В93,95,96).

Но, я так понимаю, проще взять аллюминиевый тонкостенный (~0,5мм) объём и обмотать его композитом. Кто-нибудь может прокомментировать эту идею?
Что характерно - общий диаметр баков требуется ограничить величиной 1,5 метра - вокруг этого бака предполагается расположить штук 12 камер с твёрдым горючим.


В целом, аппарат должен выглядеть, наверное, как-то вот так:
То что представлено на эскизе (это даже не эскиз - просто рисунок) имеет полную высоту (от кончика носа до посадочных опор) - 6,6м.
Зелёные контейнеры - парашюты.

Знаешь, почему гибридники обычно делают на закиси азота? Потому что она хорошо подаётся самонаддувом.
А перекись так или иначе придётся наддувать. Ты как-то забыл посчитать массу баллонов и газа наддува. А, если делать какую-никакую систему подачи, проще построить всё же ЖРД двухкомпонентный - его и охлаждать проще.

Ага, есть такое дело.
У закиси преимущество - самонаддув. У перекиси - отсутствие проблем с зажиганием (так по крайней мере в книге по гибридам написано) и, вроде, большая доступность. Учитывая многокамерность ДУ, проблема зажигания стоит исключительно остро, особенно на старте. Поэтому, мне кажется, перекись всё же перевешивает. Даже не 98%. Пусть проиграем по энергетике, зато в разы меньше вероятность аварии.
Но это, разумеется, только если подтвердится автоматических запуск гибрида перекисью после катализатора.

А массу баллона наддува можно несколько уменьшить, поместив его внутрь бака перекиси.
Не знаю

Посчитать-то, конечно, можно. Только всё равно вряд ли такое баки будут из металлов делаться. А с композитами я пока не очень дружу. Так что расчёты эти - чисто для успокоение совести. Реальной пользы от них мало.


Что касается двухкомпонентника...
Во-первых, гибрид можно и не охлаждать. Научиться только сопла делать.
Во-вторых, имхо, по взрывобезопасности гибрид выигрывает и у твёрдотопливных, и у жидких. Опять же, в отличие от ЖРД, не стоит вопрос охлаждения.
Так что, не думаю что ЖРд здесь может с гибридом конкурировать.

Кстати, для перекиси получается очень милый низкотехнологичный ТНА.
Диаметр колеса насоса - менее 30 см, частота оборотов - около 7000 в минуту.

Не вижу проблемы с зажиганием. Что мешает сделать его внешним как у "семерки"?
А заморачивать сразу еще и на ТНА при возможности самонаддува я бы не стал.

А нельзя аппарат сделать сферическим, с решетчатыми ногами? Что-то типа Аполло? Сфера (или вообще скажем два совмещенных конуса, т.е. ромб в сечении) одинаково обтекаема во все стороны.

Да, для старта можно применять гибридники с инжекцией. Или вообще (если у нас ромб) сопло внешнего расширения ;-D. А в центр сопла воткнуть основной движок.

Топливо я бы взял нейлон-жидкий кислород. Последний в общем несколько дешевле и распространеннее высококонцентрированной перекиси.

У семёрки внешнее зажигание? =/
Вот не знал...

А если бы и знал - я слабо себе представляю, как можно "внешне" зажечь гибридный двигатель
Там скорее нужно что-то вроде ТТ запальника. Или химического.

Жидкий кислород и мне соблазнителен, но, блин - тогда и простой ТНА не получается, и с форсунками проблема возникает...
А с наддувом проблем не сильно меньше чем с простым ТНА.

А какие проблемы с ТНА на перекиси? Которая еще пойдет в сопла управления по крену (они же - сопла системы ориентации).

А, в этом смысле... Ну, в принципе, никаких.
Только всё равно придётся ёмкость для перекиси делать. И надувать её определённым давлением. А это тоже проблемка ещё та - чтобы давление постоянным более или менее было.
Хотя, можно часть газа с турбины на наддув и пускать, а излишки стравливать. Тогда понадобится только начальный наддув...
Посмотреть надо, поподробнее.
Ещё хорошо бы турбинку центростремительную сделать - её изготовить проще чем осевую.

Думать надо Точнее - считать и рисовать.


Не, глупость говорю. Не получится. После турбины давление будет сильно ниже чем в баке перекиси. Так что надувать придётся по-любому снаружи. Для этого либо ставить баллон ВД с газом наддува и редуктором, либо редуктор непосредственно на магистраль перекиси.
А редукторы - проблема в себе. Мороки с ними много...

Общем, путём размышлений и раздумий всяческих пока вырисовывается такой вот примерно минимум:

Тот что слева - твёрдотопливный. Проще некуда. То есть есть куда, но куда именно я ещё не придумал

Сложных элементов два:
1) двигатель. При таком диаметре (менее 1.5 метров) корпус двигателя можно сделать из стали - он получится на давление до 40 атм достаточно лёгким - менее 300 кг.
Металлический корпус в изготовлении, имхо, всё таки проще композитного, да и многоразовость повышается
С соплом сложнее - его точно придётся металло-композитным делать.
И, конечно, само топливо. Изготовление и заливка в корпус. Тут, разумеется, исходить надо из безопасности, в ущерб энергетике. УИ в 2000 м/с будет вполне достаточно.
2) корпус. Сама силовая структура, в которую надо вписать сферическую капсулу, парашютный контейнер, отсеки с надувными посадочными подушками, систему управления...
Двигатель, кстати, должен быть быстросъёмным. Это позволит эксплуатировать аппарат намного чаще.

Ах да, самое интересное забыл
Корабль статически устойчивый (должен быть =) во всём диапазоне скоростей и высот. Запускается с вертикальной направляющей. В зависимости от тяговооруженности и потребной для стабилизации скорости, длина направляющей может составлять от 25 до 70 метров.
На участке работы двигателя и полёта в атмосфере управление производится аэродинамическими рулями. В вакууме управление осуществляется струйными рулями (сжатый газ).