Идея для ракетного стартапа - метан+аэроспайк

Трибуна бредовых проектов
Теги:космос
 

Bell

аксакал
★★☆
Очередная муза.

Пошаговая концепция создания простого и дешевого семейства носителей по аналогии Н1-Н11-Н111.

1. Разрабатывается маленькая камера сгорания на метане и кислороде тягой порядка 7 тс в вакууме. Размер в 2 раза меньше (по тяге), чем рулевые камеры РД-107/108

2. Разрабатывается ТНА открытой схемы производительностью на 4 таких камеры. В качестве отработки технологии и накапливания опыта разрабатывается двигатель из такого ТНА и указанных камер.

3. На основе полученного опыта из 16 камер с 4 ТНА собирается двигатель большей размерности с, ВНИМАНИЕ! соплом внешнего расширения. Охлаждение центрального тела - метаном, поскольку его теплоемкость позволяет обеспечить охлаждение, в отличие от керосина.

4. На основе полученных двигателей разрабатывается двухступенчатая РН легкого класса, порядка 2,5-3 т на ЛЕО. Отрабатываются бортовые системы, производятся испытательные запуски. Начинается опытная эксплуатация.

5. На основе 64 исходных камер и центрального тела большего диаметра разрабатывается маршевый двигатель для трехступенчатого варианта, средней РН с ПН порядка 15 т.

6. При использовании первой и второй ступени получается носитель промежуточной грузоподъемности - порядка 10 т.

7. ПРОФИТ! )))

Поскольку аэроспайк своеобразно работает в атмосфере и вакууме в отличие от обычного сопла Лаваля, то двигатель второй ступени будет одинаково работоспособен как с земли, так и в качестве второй ступени РН. Ну там понятно тяга будет разная, но не будет проблем с недо/перерасширением.
Использование метана позволит качественно решить вопрос с охлаждением теплонапряженного центрального тела.
Более высокий удельный импульс метана позволит компенсировать потери от открытой схемы и выйти на приемлемую мюПН.
Ну а последовательная разработка от простого к сложному и использование на всех ступенях фактически одного маленького двигателя позволит существенно снизить расходы на разработку.
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0
Это сообщение редактировалось 17.05.2018 в 16:55

Bell

аксакал
★★☆
Bell> 7. ПРОФИТ! )))

Немного подумал, надо кое-что уточнить

Базовая КС будет чуть больше рулевика РД-107/180, поскольку расход компонентов порядка 20 кг/с.
За основу можно взять камеру от РД-0110.

Для первой и второй ступени тяжелого варианта маловато 16 и 64 шт., надо соответственно 20 и 80, чтоб выйти на необходимую тяговооруженность. Ну да это не принципиальная разница.

В перспективе есть 2 пути модернизации:
1. Переходить на безгенераторную схему - благо теплонагруженность центрального тела позволяет снять дофига тепла
2. Таким же образом "расти вниз" - сделать еще бОльшую "минус-первую" ступень
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

TEvg-2

мракобес

☠☠
Идея правильная. Одобряю.
 59.059.0

Bell

аксакал
★★☆
TEvg-2> Идея правильная. Одобряю.

Спс, ушел делать.
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  62.0.3202.8462.0.3202.84

Galak

новичок
Класс! :D:D Ребята , где найти толковых?
Design Department Of Advanced Developments "Space industry ". Russia.  1818

Monya

опытный

Bell>... ВНИМАНИЕ! соплом внешнего расширения. Охлаждение центрального тела - метаном, поскольку его теплоемкость позволяет обеспечить охлаждение, в отличие от керосина.
Нуу... Бог в помошь... Сопло с центральным телом == проблемы его охлаждения. Конструкция весьма заманчива, но реализация, увы весьма трудна. В студенческие годы преподу для какой-то статьи считали, причем охлаждение не метаном, а водородом (теплоемкость получшее-то будет), ЕМНИП, на тягу что-то около 30т - нихрена не выходило. правда там двигло замкнутой схемы проектировалось, с давлением порядка 20 МПа в камере.
Правда это было лет 25 тому, методик особых не было, но сошлись вроде на том, что как раз маломощные движки такой схемы неэффективны - не хватало расхода компонента для охлаждения. Что-то пристойное получалось на тяге около 100 т. В общем, что-то меньшее, чем XRS-2200 плохо охлаждалось.
 66.0.3359.18166.0.3359.181

Bell

аксакал
★★☆
Monya> Правда это было лет 25 тому, методик особых не было, но сошлись вроде на том, что как раз маломощные движки такой схемы неэффективны - не хватало расхода компонента для охлаждения. Что-то пристойное получалось на тяге около 100 т.
Но тут как раз и получается на второй ступени 7х20 = 140 тс, а на первой вообще 7х80 = 560 тс. На верхней ступени - обычно сопло Лаваля.

С другой стороны, у нас же кроме теплоемкости есть еще теплота фазового перехода - а тут прямая дорога к безгенераторной схеме. Это вообще открывает блестящие возможности по получению очень высокого удельного импульса с умеренными давлениями в тракте и КС. Опыт РД-0146Д показывает, что применение метана вместо водорода возможно не просто в принципе, но даже без существенной переделки двигателя, то есть метан в такой схеме отлично работает.

Причем в данном случае большой теплосъем с центрального тела принципиально решает проблему увеличения мощности безгенераторных двигателей, в которые упираются RL-10 и РД-0146. Хотя вроде бы что-то придумали на РД-0150, но его еще никто в глаза не видел.

Мне что главное нравится в такой концепции - мощный синергетический эффект. Одна маленькая камера, которую легко разработать и отладить, используется насквозь на всем носителе весьма большой грузоподъемности. А аэроспайк позволяет использовать 2-ю ступень в качестве стартовой без переделки - нет традиционной заморочки с земным/высотным соплом. А метан решает вопрос с охлаждением центрального тела. Да к тому же позволяет реализовать безгенераторную схему с высоким УИ. И проблемы можно решать последовательно, постепенно переходя от простого к сложному. Синергия зашкаливает :)
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

Monya

опытный

Bell> Причем в данном случае большой теплосъем с центрального тела принципиально решает проблему увеличения мощности безгенераторных двигателей, в которые упираются RL-10 и РД-0146. Хотя вроде бы что-то придумали на РД-0150, но его еще никто в глаза не видел.
Да вот беда в том, что эффективного теплосъема как-раз и не получается с центрального тела. Ну или не получалось, при тех схемах охлаждения, что мы просчитывали. Тут же и проблемы безгенераторных движков - не складывается тепловой баланс. Не получается снять столько тепла, чтоб хватило на привод ТНА.
С соплом выходило намного проще. А тут и площадь теплосьема меньше (удельный теплопок больше), и коэффициенты теплопередачи ниже получались. Я ж говорю, что приходилось либо увеличивать расход охладителя (не хватало даже расхода водорода (sic!), либо извращатся с тонкими каналами, чтоб увеличить скорость протока охладителя и соответственно коэффициенты теплообмена. Естессно, это за собой потянуло рост перепада давления на рубашке охлаждения, дальше - неоправданный рост потребной мощи ТНА. Ну и так далее. Плюс еще и технологические извраты с обеспечением охлаждения самого расходонапряженного места - критики.
В общем, не сложился каменный цветок, увы. По крайней мере на том уровне. А жаль. Такому движку практически насрать на потери недорасширения.
ЗЫ: Я правда всех подводных камней уже и не упомню. :(
 66.0.3359.18166.0.3359.181

Bell

аксакал
★★☆
Monya> Да вот беда в том, что эффективного теплосъема как-раз и не получается с центрального тела. Ну или не получалось, при тех схемах охлаждения, что мы просчитывали. Тут же и проблемы безгенераторных движков - не складывается тепловой баланс. Не получается снять столько тепла, чтоб хватило на привод ТНА.
А, я кажется понял... Теплонапряженность на кв.см большая, но суммарное количество тепла сравнительно маленькое, поскольку площадь центрального тела намного меньше обычного сопла?
Блин, это рубит на корню безгенераторную схему :(

Monya> С соплом выходило намного проще. А тут и площадь теплосьема меньше (удельный теплопок больше), и коэффициенты теплопередачи ниже получались. Я ж говорю, что приходилось либо увеличивать расход охладителя (не хватало даже расхода водорода (sic!), либо извращатся с тонкими каналами, чтоб увеличить скорость протока охладителя и соответственно коэффициенты теплообмена. Естессно, это за собой потянуло рост перепада давления на рубашке охлаждения, дальше - неоправданный рост потребной мощи ТНА.
Ну тут наверно можно поиграть общим диаметром центрального тела, искусственно увеличивая площадь поверхности... Но это надо считать, а проработанной теории по такому соплу нету...

Monya> Плюс еще и технологические извраты с обеспечением охлаждения самого расходонапряженного места - критики.
Но критика у аэроспайка как раз самое широкое и большое по площади место, к тому же там есть 2 стенки, в отличие от остальной части сопла. То есть ситуация обратная обычному соплу, где самое горячее место является самым узеньким.

Monya> В общем, не сложился каменный цветок, увы. По крайней мере на том уровне. А жаль. Такому движку практически насрать на потери недорасширения.
Я вот думаю, что тот, кто первый разберется и решит эту проблему - будет королем :)
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

Monya

опытный

Bell> А, я кажется понял... Теплонапряженность на кв.см большая, но суммарное количество тепла сравнительно маленькое, поскольку площадь центрального тела намного меньше обычного сопла?
Bell> Блин, это рубит на корню безгенераторную схему :(
Ну да, у меня выходило где-то так..
Bell> Я вот думаю, что тот, кто первый разберется и решит эту проблему - будет королем :)
Наверное. Только вот не решил почему-то никто пока...
На стендах с принудительным охлаждением такие движки катались на ура. А вот завязать все это в летающую схему чего-то ни у кого не вышло.
ЕМНИП, даже NASA рассматривали на шаттл что-то типа такого, однако дальше RS-2200 на базе J-2 (тоже, заметь, водородник, - намек на охладитель). Однако пришлось громоздить такого монстра, как RS-25.
Который стартует, кстати, на земле - то есть туда прям просится движок с центральным телом, свободный от потерь не недорасширение (ну или почти свободный - по крайней мере на них можно начхать).
 66.0.3359.18166.0.3359.181

Monya

опытный

Bell> Но критика у аэроспайка как раз самое широкое и большое по площади место, к тому же там есть 2 стенки, в отличие от остальной части сопла. То есть ситуация обратная обычному соплу, где самое горячее место является самым узеньким.
Хех, есть ньюанс (© Чапаев). Ну критика - не самое горячее место. Самое горячее - камера сгорания. Критика - самое расходонапряженное (произведение плотности на квадрат скорости самое большое). А теплопередача от потока пропорциональна как раз теплонапряженности - соответственно она и самая теплонапряженная. И как раз "узенькое" место при прокачке через него большого расхода охладителя (да еще с большой скоростью) позволяет снять этот теплопоток (сечение меньше - скорость потока больше - автоматом гут выходит). А размазанная критика, как в сопле с центральным телом - где столько охладителя взять, чтоб снять этот теплопоток?
Вот один и из ньюансов :(
 66.0.3359.18166.0.3359.181

Bell

аксакал
★★☆
Bell>> Я вот думаю, что тот, кто первый разберется и решит эту проблему - будет королем :)
Monya> Наверное. Только вот не решил почему-то никто пока...
Я думаю тут все-же есть элемент инерции - так никто не делает, а че мы будем морочиться? Сделаем как обычно, вон и теоретическая база хорошая есть, а экспериментальная так вообще шикарная... :)

Monya> однако дальше RS-2200 на базе J-2
Что характерно, площадь поверхности линейного двигателя больше, чем кольцевого ;)

Кстати, сброс мятого газа в пристеночный слой не помогает?
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

Bell

аксакал
★★☆
Monya> А размазанная критика, как в сопле с центральным телом - где столько охладителя взять, чтоб снять этот теплопоток?
Блин, я не пойму - то нам не хватает площади, чтоб нагреть теплоноситель, то теплоносителя, чтоб охладить критику! :) Надо что-то выбирать! :)
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

Bell

аксакал
★★☆
Monya> ЕМНИП, даже NASA рассматривали на шаттл что-то типа такого, однако дальше RS-2200 на базе J-2 (тоже, заметь, водородник, - намек на охладитель). Однако пришлось громоздить такого монстра, как RS-25.
Ой, не, там все было совсем по-другому, в другом порядке!
Линейный RS-2200 это бы двигатель для революционного одноступенчатого средства выведения Х-33/VentureStar. Который заглох по причине революционности во всех остальных отношениях - двигатель там был чуть ли не самой проработанной частью.
А вариант для шаттла прорабатывался задолго до того, с кольцевой схемой. И тогда обычное сопло выбрали именно из-за простоты и привычности.
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

Bell

аксакал
★★☆
Monya> В общем, не сложился каменный цветок, увы. По крайней мере на том уровне. А жаль. Такому движку практически насрать на потери недорасширения.
Ну тут эта... тоже нюанс есть...
Потери все на месте - противодавление атмосферы никуда не девается:
ЖРД XRS-2200 на уровне моря производит тягу 92,7 тс (909,3 кН) и обладает удельным импульсом 339 с, в вакууме тяга составляет 120,8 тс (1,2 МН), удельный импульс — 436,5 с
 

Просто нет отрыва потока от поверхности сопла и вызванных этим серьезных проблем с поперечными колебаниями. То есть можно спокойно лететь с земли до вакуума на одном двигателе с типа высотным расширением.
Но как бы там не было, какое-то преимущество это дает, да.
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  56.056.0

Bell

аксакал
★★☆
Bell>> Но критика у аэроспайка как раз самое широкое и большое по площади место, к тому же там есть 2 стенки, в отличие от остальной части сопла. То есть ситуация обратная обычному соплу, где самое горячее место является самым узеньким.
Monya> Хех, есть ньюанс (© Чапаев). Ну критика - не самое горячее место. Самое горячее - камера сгорания.
Ой, стоп-стоп! Я что-то вчера запарился.
Тут же сама КС вообще отдельная, с собственной критикой и кусочком сопла. Много маленьких КС по окружности центрального тела. Поэтому с их охлаждением не должно быть вообще никаких принципиально новых проблем, более того - все уже давно хорошо известно и отработано.

Нового тут только охлаждение собственно центрального тела, на которое дуют эти КС.
Иногда мне кажется, что мы черти, которые штурмуют небеса (с) фон Браун "Криптокащенизм и клоунада шовинистического толка". (с) au Если круг оказался вдруг и не круг, не квадрат, а так...  52.952.9
Это сообщение редактировалось 20.05.2018 в 12:49

Naib

опытный

Bell> Нового тут только охлаждение собственно центрального тела, на которое дуют эти КС.

Абляционная защита?
С выдвижением по мере выгорания центрального тела
 66.0.3359.13966.0.3359.139
EE Татарин #20.05.2018 21:34  @Bell#20.05.2018 10:09
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★☆
Bell> Нового тут только охлаждение собственно центрального тела, на которое дуют эти КС.
Ну, по-моему, нужно просто есть слона по частям (что я уже как-то предлагал): к КС присобачено традиционное сопло (с традиционным же охлаждением), которое дует на аэроспайк.

Традиционное сопло рассчитано на атмосферное давление, давление на старте.
Аэроспайк работает как "вакуумный" навесок, вступает в работу только когда дополнительное расширение действительно требуется - при давлении меньше атмосферы.

Смысл в том, что на аэроспайк попадает уже расширившийся, достаточно холодный газ. И отобрать тепло от центрального тела уже не должно быть проблемой. С другой стороны, охлаждение классического сопла даёт достаточно энергии для работы ТНА.

В идеологии поэтапной отработки ничего не меняется: КС+сопла+ТНА отрабатываются на малой ракете, а дальше - просто утыкиваем ими бОльшее центральное тело.
...А неубитые медведи делили чьи-то шкуры с шумом. Боюсь, мы поздно осознали, к чему всё это приведёт.  66.0.3359.18166.0.3359.181

Monya

опытный

Bell> Я думаю тут все-же есть элемент инерции - так никто не делает, а че мы будем морочиться? Сделаем как обычно, вон и теоретическая база хорошая есть, а экспериментальная так вообще шикарная... :)
Скорее всего, где-то так :)
Bell> Что характерно, площадь поверхности линейного двигателя больше, чем кольцевого ;)
Bell> Кстати, сброс мятого газа в пристеночный слой не помогает?
Так тут несколько факторов. То, что экспериментальной базы нет - однозначно. Как следствие - матмодели толковой, с соответствием реальности - тоже. Так, одно умозрительное моделирование.
Видишь ли - охлаждение классики - ну все понятно - чистый проток. В центральном теле проточную часть внешней стороны критсечения охлаждать придется закольцовывая поток. Есть проблемы и технологического и считабельного характера.
Насчет сброса генераторного газа -наверное да. Я когда ентим делом занимался - там вообще предлагалась революсионная идея - вставка в критику из пористого материала с образованием погранслоя из охладителя-горючего. Закритику уже предлагалось окислителем охлаждать (там схема газ-газ была, с двумя ТНА). Тогда считали все чисто критериальными уравнениями - плюс/минус лапоть. Сейчас вроде методики расчета пористого охлаждения есть, вроде в сети даже гуглятся. Мож уже попроще будет.
Правда есть одно но - при малых площадях критики (в разрезе отношения проходное сечение/толшина погранслоя) резко растут потери удельного импульса при использовании завесного охлаждения. То есть сечение критическое конечно тоже, но периметр его больше. Вот потери на погранслое и растут, а тут в него еще и вдуваем охладитель.
Ну и еще, насколько помню: завесное охлаждение эффективно в камере сгорания и хотя б на 10-15% расстояния от закритики - где поток уже слегка "ламинаризуется". Делать завесу именно в критике, или непосредственно перед ней - задача неблагодарная. Можно получить отрыв потока, вихреобразование и тому подобные прелести. В общем потери на течении возрастут, а теплообмен еще и вместо уменьшения можно увеличить.
Мыслится так, что, поскольку такими вещами никто масштабно (в бывшем союзе, насколько знаю) не занимался - объем стендовых испытаний будет достаточно велик. Ну или NASA доить - чего они там насчитали и как это смоделировать можно.
 66.0.3359.18166.0.3359.181
UA Monya #20.05.2018 22:03  @Татарин#20.05.2018 21:34
+
-
edit
 

Monya

опытный

Татарин> В идеологии поэтапной отработки ничего не меняется: КС+сопла+ТНА отрабатываются на малой ракете, а дальше - просто утыкиваем ими бОльшее центральное тело.
Таким макаром -да. Но мелкие сопла имеют большие гидравлические потери. Поэтому хоца все-таки побольше :) - чтоб меньше терять. Заманчиво, все-таки. Да и ТНА один большой мощи КПД поболе иметь будет, чем несколько маленьких.
Заманчиво, но встает проблема устойчивостей всяких - привет F-1, конспиролухи до сих пор в него не верят :D , да и сам Глушко в большие КС не смог :p .
 66.0.3359.18166.0.3359.181
AD Реклама Google — средство выживания форумов :)

Monya

опытный

Bell> А вариант для шаттла прорабатывался задолго до того, с кольцевой схемой. И тогда обычное сопло выбрали именно из-за простоты и привычности.
Ну еще надо учитывать, что собственно параметры SSME на то время достаточно революционными были саме по себе.
Водородник, замкнутой схемы, с такими давлениями - уже дофига. Мож и решили - баста карапузики, пора и угомонится, а то еще сопло с центральным телом вам - а как там с устойчивостью процессов - вааще поле непаханное. Вспомнили наверное, как в КС F-1 боньбы взрывать приходилось при исследованиях, и решили остановится ;)
 66.0.3359.18166.0.3359.181

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