[image]

Безгенераторная схема ЖРД (по мотивам "40-ка тонника")

Теги:космос
 
1 2 3 4 5 6 7 8
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Исходная ссылка: http://www.kerc.msk.ru/ipg/papers/expander1.pdf

Хотелось бы «пожевать» со Старым на пару тему запавшего мне в мозк ЖРД :) Тем более,что я регулярно "вкидываю" ссылочку - но ее игнорируют.

А именно:
Метан-кислородного ЖРД безгенераторной схемы с регенеративным охлаждением КС третьим компонентом

Такая схема, несмотря на некоторое, кажущееся усложнение конструкции, IMHO идеальна именно для коммерческого ракетостроения ввиду:
-ненапряженности конструкции, что позволяет резко удешевить производство и конструирование ЖРД
-высокой надежности, отказоустойчивости и безопасности ЖРД по такой схеме
-высоких, почти предельных, характеристик такой схемы, близких к характеристикам ЖРД с ТНА по закрытой газогенераторной схеме, с возможностью управления размерностью тяги в большом диапазоне.

Суть схемы следующая:
Криогенные компонеты топливной пары поступают на отдельный для каждого компонента насос высокого давления,. После сжатия до необходимого давления, от 2 до 5% массы каждого компонента, подается в теплообменник-газификатор, в котором циркулирует теплоноситель, где газифицируется, охлаждая теплоноситель, и дальше срабатывается на опять же отдельной для каждого компонента турбине, вращающей в свою очередь насос данного компонента. После срабатывания на турбине, и отбора части газа для надува баков и использования, например, в системе управления вектором тяги, «мятый» газ попадает в струйный холодильник-конденсатор, расположенный перед насосом, где полным потоком компонента снова ожижается. Одна из турбин (например турбина метана) вращает также гидравлический насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя. Теплоноситель, в качестве которого выступает органический или водный р-р или даже просто вода , циркулируя в замкнутом контуре, протекает через рубашку КС, нагревается, следует в теплообменник-газификатор, далее в насос и обратно в КС. Органические теплоносители предпочтительнее , ввиду очень большого температурного диапазона работы (от -800C до +3200C), отсутвия расширения при замерзании (р-р просто теряет подвижность) и почти такой же высокой теплоемкости, как и у воды.
Преимущества данной схемы:
- отсутствуют самые тепло и механически напряженные узлы ЖРД – система ГГ, газовод высокого давления и температуры, система запуска ГГ.
- турбины работают в оптимальном, нетеплонапряженном режиме (вплоть до околокриогенных т-тур), что дает возможность делать их даже из алюминиевых сплавов. Несмотря на наличие двух валов, их общая длинна меньше, чем одиночный вал в схеме ЗГГ, так нет необходимости в относе криогенных насосов от горячей турбины, и самих насосов друг от друга – в турбине и ее насосе циркулирует тот же компонент. Полностью отпадает необходимость в редукторах, т.к. каждое ТНА связанно только со своим компонентом. Резко упрощаются вопросы смазки подшипников ТНА.
- резко падает максимальное давление в трактах компонентов. При охлаждении КС одним из компонентов, его давление повышают с учетом большого гидросопротивления рубашки охлаждения КС, что требует превышения давления, над конечным давлением в КС более,чем в 2,5 раза. В данной схеме давление компонентов выше конечного в КС только на величину гидросопротивления форсунок КС. Например, в РД-171 для достижения давления в КС 200атм, давление на выходе кислородного насоса пришлось повышать выше 500атм, и, соотвественно, расчитывать рубашку охлаждения КС на то же давление. В данной схеме для достижения давления 200атм потребуется компрессия не выше 220-240атм.
- ввиду двух вышеперечисленных фаторов резко снижается потребная суммарная мощность ТНА.
- повышается надежность и отказоустойчивость двигателя по вышеперечисленным причинам. Падает взрывопожароопасность – компоненты не встречаются в трактах гидросистемы ТНА, вплоть до форсунок КС, и могут быть разнесены в пространстве, вплоть до организации пожарной перегородки между ними.

Несмотря на то, что в конструкцию ЖРД вводяться дополнительные устройства - теплообменники-газификаторы и струйные холодильники-ожижители – общая масса двигателя не увеличивается, в сравнении с закрытой газогенераторной схемой, или увеличивается, но на массу меньшую, чем дает выигрыш в эффективности схемы.


?

Ник
   
RU sergey_manakov #28.01.2008 16:59
+
-
edit
 

sergey_manakov

втянувшийся

А если метан и кислород в т.я. и крутить сверпроводящий насос.
   

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Господи, ну что вы несёте, какой сверхпроводящий насос?! Тут же речь о "больших" ракетах, а Андрей Суворов говорил о преимуществах электропривода (только по простоте!!!) по ср. с вытеснительной подачей, т.е. для малых ракет - "взрослые" делают нормальные ТНА с турбинами, газогенераторами и всем чем надо.

По сабжу: мне - идея нравится :)
Особенно в свете потенциального снижения напряжённости движка => путь к относительно простой и дешёвой многоразовсти

Жаль, у них экономическая часть как-то не освещена, и теплообменники некоторые вопросы вызывают.
   
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Fakir> Особенно в свете потенциального снижения напряжённости движка => путь к относительно простой и дешёвой многоразовсти
Fakir> Жаль, у них экономическая часть как-то не освещена, и теплообменники некоторые вопросы вызывают.
теплообменники как раз вопросов не вызывают - это у авторов просто скомкано. Пластинчатые теплообменики на встречных потоках хорошо отработаны еще во времена паровозов... Ядерным физикам-теоретикам просто об этом забыли сообщить :F Вопросы как раз вызывает струйный холодильник-конденсатор , но ввиду небольшого объема газифицирных компонентов можно предложить просто переохлаждать компоненты. Заодно упроститься термоизоляция баков - опыт имеется.

Экономика...вопрос сложный. НО! Губанов писал:
___________________________________________
Стоимостные оценки показывали преимущество безгазогенераторной схемы - меньшее количество элементов и менее напряженные параметры, которые снижают стоимость разработки и изготовления, а более высокая надежность уменьшает затраты на эксплуатацию. Все это позволило разработчикам жидкостных двигателей сделать вывод о предпочтительности безгазогенераторной схемы для кислородно-водородных двигателей перспективных космических разгонных блоков.
___________________________________________
И это он писал про сложные водородные безгенераторники а-ля RL-10, в которых водо газифицируется прямо в рубашке КС. А тут прямо не ЖРД, а какой то огнетрубный котел на природном газе с охлаждением жидким высококипящим теплоносителем ;)

Ник
   
Это сообщение редактировалось 28.01.2008 в 22:16

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Насчёт теплообменников вызывает вопросы масса на необходимую мощность - там даны довольно грубые оценки по аналогиям. Ну и там по мелочи...
   
RU Dem_anywhere #29.01.2008 15:01
+
-
edit
 

Dem_anywhere

аксакал
★☆
Fakir> Господи, ну что вы несёте, какой сверхпроводящий насос?! Тут же речь о "больших" ракетах, а Андрей Суворов говорил о преимуществах электропривода (только по простоте!!!) по ср. с вытеснительной подачей, т.е. для малых ракет - "взрослые" делают нормальные ТНА с турбинами, газогенераторами и всем чем надо.
Ну, у больших ракет подача из бака в ТНА - таки вытеснительная :)

И вообще говоря, электросхема - это тоже сабж, только на электронном газе... :)
   
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Fakir>> Господи, ну что вы несёте, какой сверхпроводящий насос?! Тут же речь о "больших" ракетах, а Андрей Суворов говорил о преимуществах электропривода (только по простоте!!!) по ср. с вытеснительной подачей, т.е. для малых ракет - "взрослые" делают нормальные ТНА с турбинами, газогенераторами и всем чем надо.
Dem_anywhere> Ну, у больших ракет подача из бака в ТНА - таки вытеснительная :)

Далеко не у всех. И у по настоящему "больших" ракет вдув газа в баки нужен только для предотвращения образования там вакуума и вскипания криогенных компонентов. А преднапор перед ТНА создают бустерные насосы
________________________________________

Данная схема вообще сводит создание ЖРД из класса сверхсложных инженерных задач на уровень конструирования водогрейного котла большой мощности и автомобильного турбодизеля для пожарной машины с турбоприводом насосов :F

Ник
   

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
"Не преувеличивай, Ферри" (с) :)

Упрощается, по сути, лишь ТНА. Сопло с его охлаждением, КС, система впрыска топлива и зажигания - остаётся без изменений. Напротив - появляется специфика с теплообменниками. Нехилой, кстати, мощности.
   

khach

новичок

Не, теплоообменник это ерунда- тяжелый, непонятна рабочая температура ( низкая- КПД турбины плохой, высокая- непонятно что будет теплоносителем). Надо попробовать сделать двухкомпонентную охлаждающую рубашку двигателя, совмещенную с газогенератором. Т.е каналы охлаждения в перемешку для горючего и окислителя, сечением в соответствии с расходом и теплоемкостью компонент. Проблема конечно запуск такого двигателя- он будет слишком плавный, с растянутым переходным процессом. Но современными методами матмоделирования это все можно просчитать.
   

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Что значит "непонятно, что будет теплоносителем"? Русским же по белому написано - вода :)
А двухкомпонентная охлаждающая рубашка КС и сопла тем и плоха, что куда сложнее - а именно от этого, от сложности и дорогов изны, мужики и хотят уйти.
   
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Fakir> Что значит "непонятно, что будет теплоносителем"? Русским же по белому написано - вода :)
Это в классической работе, для примера - вода. С водой есть огромный трабл -при замерзании она расширяется и всему тракту и теплообменнику - кирдык. Есть отличные промышленные органичекие теплоносители , широко используются в котловой технике- с диапазоном от -800С (просто загустевают, теряют подвижность без расширения) до 300-4000С, с теплоемкостью близкой к воде. Вот их и надо использовать

Fakir> А двухкомпонентная охлаждающая рубашка КС и сопла тем и плоха, что куда сложнее - а именно от этого, от сложности и дорогов изны, мужики и хотят уйти.

Да, чо вы к этому теплообменнику прицепились? ЖР Одна из самых простых и легких деталей такой схемы. Весит, даже теоритически, не больше - а на самом деле много меньше - той же "рубашки" КС - теплопотоки и в-ва то одни и те же :) Только размеры много меньше - в рубашке КС нельзя допускать кипения (кроме водорода- но только частично) - тут же не только можно, но и нужно испарить, да еще и нагреть образовавшийся газ до 200-3000С

Ник
   

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Да вовсе не факт, что вода там будет испаряться. ЕМНИП, она там под давлением, и фазового перехода быть не должно (и слава богу - гемор только от него).

А к теплообменнику прицепились по той простой причине, что он из всего необходимого, судя по всему, наименее просчитанная деталь. Не то что более сложная - просто наименее отработанная и являющаяся принципиально новым элементом в схеме.
   
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Fakir> Да вовсе не факт, что вода там будет испаряться. ЕМНИП, она там под давлением, и фазового перехода быть не должно (и слава богу - гемор только от него).

Да испаряться - Бог с ним. Главное - что бы не замерзала при контакте с криогеникой.

Fakir> А к теплообменнику прицепились по той простой причине, что он из всего необходимого, судя по всему, наименее просчитанная деталь. Не то что более сложная - просто наименее отработанная и являющаяся принципиально новым элементом в схеме.
"Принипиально новым" - в ЖРД ;) В теплотехнике вообще наверное самая "обсосанная" деталь

Ник
   
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Новая статья по безгенераторной схеме: http://www.kerc.msk.ru/ipg/papers/art1.pdf

Вот тут: - Мы собрали для вас все файлы в одном месте! есть пример рассчета теплообменника

Ник
   

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Ой, только вот этого не надо... Тов. Михальчук (с форума НК, и, насколько я понимаю, в некотором смысле мой компатриот :) ) ОЧЕНЬ сильно увлёкся - там он ваще теплообменник на гигаваттные мощи и дикие температуры хочет делать...
Надёжность оценок особого доверия не вызывает...
   
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Fakir> Надёжность оценок особого доверия не вызывает...
Тогда ищи: Григорьев А.М., Крохин Ю.А. «Тепло - и массообменные аппараты криогенной техники». М.; Энергоиздат, 1982. По этой книжке и делались рассчеты в приведенной статье :) Они, по видимому, не представляли сложности и ценности, поэтому в статье опущенны ;)

Ник
   
+
-
edit
 

khach

новичок

Wyvern-2>Только размеры много меньше - в рубашке КС нельзя допускать кипения (кроме водорода- но только частично) - тут же не только можно, но и нужно испарить, да еще и нагреть образовавшийся газ до 200-3000С
А почему собственно нельзя допускать кипения? Именно и проектировать рубашку с полной газификацией. И чем сложнее двухкомпонентная рубашка? Два подвода к нижнему коллектору и два верхних коллектора? Двухкомпонентная рубашка позволит понизить температуру относительно однокомпонентной кислородной, и метан коксоваться небудет. Возрастет мощность ТНА. Форсунки будут газ-газ, никаких проблем с испарением капель. Другое дело, что такая система принципиально метановая ( или водородная) и никто такого еще не делал. Вот интересно, можно ли в такой системе обьединить турбины ТНА с огневым днищем и форсунками в один блок или вообще сделать ТНА безвального (барабанного) типа вокруг камеры.
   
RU Бродяга #26.02.2008 11:33
+
-
edit
 
Вообще есть RL-10, он, вроде именно так и устроен или нет?
Кстати, насколько я знаю Ни Единого Отказа в штатном полёте.
   
MD Wyvern-2 #26.02.2008 12:20  @Бродяга#26.02.2008 11:33
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Бродяга> Вообще есть RL-10, он, вроде именно так и устроен или нет?
Бродяга> Кстати, насколько я знаю Ни Единого Отказа в штатном полёте.

C RL-10 всё и началось - задумка авторов данной схемы: сохранить все достоинства безгенераторной схемы, но уйти от недостатков, а именно - малой возможной мощности и малого давления в КС и необходимости использования только водорода.
Что у них в сумме и получилось :) Использование же близкого "по духу" водороду метана, и разделение схемы на ДВА ОТДЕЛЬНЫХ ТРАКТА - это мое (с) ;) Что делает двигатель еще более надежным, еще более простым, хотя и не конструктивно, зато технологически и проектно.

Ник
   

Bell

аксакал
★★☆
Кстати, а что там с РД-0146? Оно же вроде как раз...
   

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Bell> Кстати, а что там с РД-0146? Оно же вроде как раз...

Это всего лишь "реплика" RL-10(B) на отечественной почве, т.ск. ;)

Ник
   
RU Дмитрий В. #28.02.2008 18:00  @Wyvern-2#28.02.2008 17:15
+
-
edit
 

Дмитрий В.

опытный

Bell>> Кстати, а что там с РД-0146? Оно же вроде как раз...
Wyvern-2> Это всего лишь "реплика" RL-10(B) на отечественной почве, т.ск. ;)
Wyvern-2> Ник
Не совсем. У РД-0146 давление в КС в 2 раза больше.
   
MD Wyvern-2 #28.02.2008 19:54  @Дмитрий В.#28.02.2008 18:00
+
-
edit
 

Wyvern-2

координатор
★★★★★
Bell>>> Кстати, а что там с РД-0146? Оно же вроде как раз...
Wyvern-2>> Это всего лишь "реплика" RL-10(B) на отечественной почве, т.ск. ;)

Д.В.> Не совсем. У РД-0146 давление в КС в 2 раза больше.
Ну, за 40 то лет :F

Ник
   
RU Дмитрий В. #28.02.2008 20:44
+
-
edit
 

Дмитрий В.

опытный

При чем здесь 40 лет? Я сравниваю с RL-10B2, которому всего-то лет 5-7.
   

Bell

аксакал
★★☆
Bell>> Кстати, а что там с РД-0146? Оно же вроде как раз...
Wyvern-2> Это всего лишь "реплика" RL-10(B) на отечественной почве, т.ск. ;)
Wyvern-2> Ник
А схема такая же?
   
1 2 3 4 5 6 7 8

в начало страницы | новое
 
Поиск
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru