Кварцевая водородная горелка

Полл> 3. Большое значение имеет весовое совершенство блока баков, в данном случае при взятых параметрах РН при весовом совершенстве баков 15 стартовая масса - 684 кг, а при весовом совершенстве 10 стартовая масса - 1516 кг.


Мысли про "чисто надувную" ракету, без электронасосов.

Если, для примера, ориентироваться на карбоновые нитки, которые у меня есть, то получается такое:
Если мотать с минимальной плотностью (а если меньше, то получится уже сетка с дырками), то труба диаметром 400 мм будет лопаться при давлении 37 атм.
Метр этой трубы будет весить 547 граммов (только сами нитки).
Клей весит около половины от ниток, ну там ещё всякое "то-сё", килограмм на метр — вполне оптимистичная оценка.
А писимизма нам не надо!

В метр такой трубы влезет 24 кг кислорода с водородом (при коэффициенте избытка окислитела 0.25).

Толщина стенки около 0.5 мм, весьма хлипкая конструкция.

Если делать трубу тоньше, но с той же минимальной плотностью намотки, то давление будет больше и труба относительно тяжелее.
Если надо диаметр больше с сохранением давления, то мотать надо плотнее, что легко.

В общем, вес топлива к весу бака = 24 * 37 / давление.
Рабочее давление, ессно, должно быть раза в 1.5 ... 3 меньше предельного.

При давлении в камере 20 атм с высоты 19 км УИ становится уже 400 и более.

Кстати, при предельном натяжении нитки растягиваются на 1.8 процента, так что объём бака станет на 5.4 % больше.

В ракету диаметром 400 мм и длиной 9...10 метров влезет около 200 кг топлива.
12 кг трубы и 20 ПН => 7400 м/с ХС

Xan> Клей весит около половины от ниток, ну там ещё всякое "то-сё", килограмм на метр — вполне оптимистичная оценка.
болванку тоже считать надо, как ты его намотаешь иначе?

s.t.> болванку тоже считать надо, как ты его намотаешь иначе?

На куске сахара!

А как иначе?!

Xan> Если, для примера, ориентироваться на карбоновые нитки,
Нельзя на них ориентироваться для водорода.

Xan> Если мотать с минимальной плотностью
Для бака еще нужна силовая конструкция, забортные устройства и топливопроводы, аппаратура наддува и все остальное.

Xan> А писимизма нам не надо!
Ну вот как раз я к вам с "писимизмом".
Мне сразу не понравились параметры вертикального участка, и сегодня прикинул его детальнее.
Что показало, что идея не взлетит.
Во-первых, гравитационные потери вертикального участка очень велики, при 2 g стартовой перегрузки - порядка 800 м/с.
Во-вторых, тяговооруженность водородных движков низка, и при использовании единой ДУ конечная масса оказывается слишком большой, и ракета просто не вяжется.
Поскольку увеличение массы второй ступени сразу вызывает рост массы ДУ, которая входит в конечную массу второй ступени - и снова вызывает рост массы.

Для преодоления этого тупика есть два пути:
1. Сокращать вертикальный участок, что потребует системы управления, близкой по возможностям к СУ нормальных РН.
2. Делать полноценную двухступенчатую РН с двигателем второй ступени примерно на порядок слабее и легче, чем на первой.
Оба пути выглядят сложными и дорогими.
В аттаче - одноступенчатый вариант (со сбрасываемым баком), требующий полноценной СУ и трех включений ДУ при выводе.

Полл> 2. Делать полноценную двухступенчатую РН с двигателем второй ступени примерно на порядок слабее и легче, чем на первой.
В аттаче - вариант с отдельной ДУ на второй ступени. Он чуть полегче, но настолько малых водородно-кислородных двигателей на сегодня не существует, и их создание само по себе сложная задача.

hsm> С кварцем вопрос прочности остался.

Нету вопроса. Нет прочности
(ну, при всех сколько-нибудь интересных параметрах в КС)

Xan> Ну вот есть кварцевые лампы сверхвысокого давления.
Xan> Там сразу и давление (на разрыв) и температура около тысячи.

...все работают при температурах до 1000 С.

Полл> Для преодоления этого тупика есть два пути:
Так куда идем - усложняем СУ или пытаемся сделать сверхмалую ДУ?

Xan>> Если, для примера, ориентироваться на карбоновые нитки,
Полл> Нельзя на них ориентироваться для водорода.

Почему?

Полл> Для бака еще нужна силовая конструкция,

Зачем? Он всегда надутый.

Полл> забортные устройства и топливопроводы,

Ну, я только вес оболочки прикидывал.

Полл> аппаратура наддува

Водород сам себя хорошо надует, надо только его подогревать над жидкостью.
Что я и предлагал делать путём плохой теплоизоляции и трением об воздух.
Ну, я не считал пока, хотя надо бы.

Полл> 2. Делать полноценную двухступенчатую РН

Да, похоже, что пробираться через атмосферу надо на отдельной ступени. Уж слишком всё неоптимально получается.
При низком давлении в камере и высоком снаружи не получается сделать сопло с хорошим расширением и шибко теряется УИ. К тому же оптимальное расширение меняется в очень широком диапазоне, прям хоть спайк делай!
Но зато можно сделать первую возвращаемую!

Xan>> Ну вот есть кварцевые лампы сверхвысокого давления.
Xan>> Там сразу и давление (на разрыв) и температура около тысячи.
Fakir> ...все работают при температурах до 1000 С.

Внешняя стенка двигателя холодная. Работает на разрыв.
Внутренняя стенка камеры сгорания горячая, но на ней усилий нет.
Критика, хоть и горячая, работает на сжатие. И она немножко холоднее внутренности.
И её внешняя сторона холодная, так что не поплывёт.
А дальше ещё холоднее и тоже на сжатие.

Ну, это проверять в реальности надо.

Xan>>> ориентироваться на карбоновые нитки,
Полл>> Нельзя на них ориентироваться для водорода.
Xan> Почему?
По температурном диапазону применения - стеклопластик в нем прочнее.

Полл>> Для бака еще нужна силовая конструкция,
Xan> Зачем? Он всегда надутый.
Бак должен крепиться к ракете.

Xan> Что я и предлагал делать путём плохой теплоизоляции и трением об воздух.
Выше 40 км воздуха мало.

Xan> Ну, я не считал пока, хотя надо бы.
Поддерживаю.

Xan> Да, похоже, что пробираться через атмосферу надо на отдельной ступени.
Полноценная отдельная ступень - слишком большой праздник жизни в наших масштабах, ИМХО. Скорее надо смотреть на пакет РДТТ в качестве стартового ускорителя на ракете со стартовой тяговооруженностью, близкой к единице.

Вопрос в том, насколько сложная СУ и ДУ потребуются.
Можно ли сделать активный участок вывода непрерывным, без баллистических пауз?
Можно ли обойтись однорежимной, не дросселируемой ДУ?
Можно ли сделать активный участок, за исключением начального вертикального участка, комбинацией углов тангажа 45 и 0 (горизонтально) градусов?

Xan>>>> ориентироваться на карбоновые нитки,
Полл> Полл>> Нельзя на них ориентироваться для водорода.
Xan>> Почему?
Полл> По температурном диапазону применения - стеклопластик в нем прочнее.

Угленитка становится непрочная?
Или клей для угленитки становится непрочным?
Или температурный коэффициент расширения неправильный?
(У угленитки нулевой.)

Полл> Бак должен крепиться к ракете.

Это ракета должна крепиться к баку!

Xan>> Что я и предлагал делать путём плохой теплоизоляции и трением об воздух.
Полл> Выше 40 км воздуха мало.

Но там уже выгодно разгоняться километров до трёх в секунду.
При этом холоднее не становится.
Даже на высоте 100 можно что-то нежное прижарить.

Полл> Полноценная отдельная ступень - слишком большой праздник жизни в наших масштабах, ИМХО.

Да какая разница, одна или две?
Их всё равно придётся сделать много. И большинство выбросить на помойку.

Полл> Скорее надо смотреть на пакет РДТТ в качестве стартового ускорителя на ракете со стартовой тяговооруженностью, близкой к единице.

Если РДТТ, то это будут две разные технологии.
Лучше уж первую тоже водородную, только баки потолще, чтоб давление побольше и УИ не терять.

Полл> Вопрос в том, насколько сложная СУ и ДУ потребуются.

Нужны плавно управляемые крантики на компоненты. (Или насосы + дискретные клапаны.)
Это надо будет делать своими руками, скорее всего. Ну, люминь, тефлон и напильник!

Нужны измерители расхода. Это запросто, датчики давления есть всякие.

Возможно, градусник в камеру сунуть, чтоб температуру не перегреть.
Это на Али есть.

Мозги и датчики — это в процессе. Спаяны, но не налажены. Вес — единицы граммов.

Полл> Можно ли сделать активный участок вывода непрерывным, без баллистических пауз?

В атмосфере выгодно подниматься с определённой скорость.
Вначале надо газануть, потом выдерживать оптимальную скорость, потом опять газануть, когда атмосфера будет кончаться.
Всё равно, вертикально или наклонно, отличается немного, по высоте всего на несколько километров (меньше 5).

А в вакууме лучше короткими импульсами с большим ускорением.

Полл> Можно ли обойтись однорежимной, не дросселируемой ДУ?

Можно. Потери будут, но небольшие.

Полл> Можно ли сделать активный участок, за исключением начального вертикального участка, комбинацией углов тангажа 45 и 0 (горизонтально) градусов?

А зачем так дискретно?
Выгоднее плавно менять.
Тем более, никто не запрещает.
А системе управления всё равно, куда и как рулить.
Фиксированные углы — это для древних докомпьютерных ракет.

Xan> Ну, это проверять в реальности надо.
в чем проблема? двигатель отдельно от ракеты делается, без всяких баков можно проверять.

Xan>> Ну, это проверять в реальности надо.
s.t.> в чем проблема? двигатель отдельно от ракеты делается, без всяких баков можно проверять.

Угу.
Вот только его надо сделать и накормить водородом с кислородом.
"Сделать" — есть на примете человек.
А вот дальше два баллона надо. И всё прочее.
На кухне не получится.
А пока обсуждение чисто кухонное, никто даже в гараж не переехал.

Xan> Вот только его надо сделать и накормить водородом с кислородом.
Причём танцевать надо от расхода хотя бы 100 грамм в секунду, а это уже совсем не на коленке надо делать.

Xan> А пока обсуждение чисто кухонное, никто даже в гараж не переехал.
Пока что осуществимость идеи непонятна в принципе.
Гараж есть.

Xan> Вот только его надо сделать и накормить водородом с кислородом.
дык чего баллона ждать, надо проверить именно реализуемость двигателя, вдруг до баллона вовсе не дойдет. Это во первых, во вторых, а нельзя ли проверить идею на метан+кислород? Т.е. понятно, что двигатель совершенно другой, но температурный режим?

Xan>> Вот только его надо сделать и накормить водородом с кислородом.
s.t.> дык чего баллона ждать, надо проверить именно реализуемость двигателя, вдруг до баллона вовсе не дойдет. Это во первых, во вторых, а нельзя ли проверить идею на метан+кислород? Т.е. понятно, что двигатель совершенно другой, но температурный режим?

10.63 метана (газ) с 16 кислорода (газ) дают температуру 1800 К.
Это как 8 водорода (крио) с 16 кислорода (крио).
Обещают, что копоти не будет:
1.05441 H2 0.59594 CO 0.27076 H2O 0.06665 CO2

Но где брать метан в баллоне?
И не проще ли купить сразу водород в баллоне?

Или кислородная подушка и метан из газовой плиты?
При маленьком давлении скорость газа будет маленькой и теплопередача будет неправильной.

Ну и если водорода лить ещё больше, 10:16 вместо 8:16, то температура будет 1493 К = 1220 С.
Уже ниже заявленной рабочей кварца, которая 1250 С.
А УИ упадет всего на 3.5 процента — стартовый вес возрастёт на 10 процентов (это если нужна ХС = 11 км/с).

Xan> Но где брать метан в баллоне?
есть метановые заправки

Xan>> Но где брать метан в баллоне?
s.t.> есть метановые заправки


обещают, кстати, скоро под жидкий метан заправки сделать

Xan>>>> ориентироваться на карбоновые нитки,
Полл>> Нельзя на них ориентироваться для водорода.
Xan>> Почему?
Полл> По температурном диапазону применения - стеклопластик в нем прочнее.

Ты чего это? Я же ведь ажно в прошлом ЕМНИМС году давал ссылку, могу ещё раз: NASA’s composite cryogenic tank passes pressurized temperature tests : CompositesWorld

Всё прекрасно у углеродных баков с жидким водородом.

s.t.>> болванку тоже считать надо, как ты его намотаешь иначе?
Xan> На куске сахара!
Xan> А как иначе?!

На гарте, то есть свинцово-сурьмьяном сплаве. Достоинства:

1) Выплавляется при температурах, не мешающих жить углеродным композитам (около 280°C)
2) Не реагирует с ними
3) Твёрдый
4) Легко самостоятельно изготовить качественную болванку
5) Элементарно использовать повторно

Sandro> На гарте, то есть свинцово-сурьмьяном сплаве.
Наверное, не получится полностью смыть.

s.t.>>> болванку тоже считать надо, как ты его намотаешь иначе?
Xan>> На куске сахара!
Xan>> А как иначе?!
Sandro> На гарте, то есть свинцово-сурьмьяном сплаве.

Не, он слишком дорогой для больших болванок, тяжёлый, и имеет значительную усадку. Нужно делать сплав с висмутом, есть рецепты с нулевой усадкой при затвердевании, заодно и температура плавления понижается до более комфортной.

Но Д. Воронцов рассказывал, что болванки для двигателей делают из гипса, пустотелыми внутри и достаточно тонкостенными, а в стенки заливают металлические цепочки, дёргая за которые, гипс можно разрушить и вытряхнуть обломки.

Кроме того, на гипс удобно наносить воско-парафиновый разделитель.

Sandro> Достоинства:
Sandro> 1) Выплавляется при температурах, не мешающих жить углеродным композитам (около 280°C)

Для большинства смол это, всё же, чересчур много, висмут эту проблему решает. Заодно он заметно менее токсичен, чем свинец.

Sandro> 2) Не реагирует с ними
Sandro> 3) Твёрдый
Sandro> 4) Легко самостоятельно изготовить качественную болванку
Sandro> 5) Элементарно использовать повторно

Вот насчёт "элементарно" - не соглашусь. В этом сплаве довольно быстро накапливаются шлаки из-за окисления открытой поверхности на воздухе. Поэтому где-то 10% при каждой переплавке теряется. В промышленности используют специальные сепараторы, и там теряются уже доли процента, но сепараторы - это уже не "элементарно".
Мама моего одноклассника работала в типографии, и нам устроили экскурсию туда, показали и линотип, и установку для отливки ротационных форм. И там были эти самые сепараторы для сплава, и мощная вытяжка.
Висмут, понижая усадку, температуру, токсичность, заодно понижает и окисляемость сплава - при меньшем нагреве реакция идёт медленнее.

P.S. я пробовал мотать на воско-парафиновые отливки. Чистый парафин чересчур хрупок, в правильной пропорции с пчелиным воском становится "ничего", но, это, всё же, мало, для намотки с принудительным натяжением - деформируется под нитками, хотя, может, и приемлемо. FRC пробовал один раз мотать на отливку из песка на поливиниловом спирте - пишут, это применяющийся в промышленности состав, потом ПВС растворяют крутым кипятком. Говорит, всё проклял, вымывая остатки.

Б.г.> Кроме того, на гипс удобно наносить воско-парафиновый разделитель.

А если болванка чуть коническая (полмиллиметра?), мотать сразу с одним из торцов, а потом в торец дунуть воздухом?

Б.г.>> Кроме того, на гипс удобно наносить воско-парафиновый разделитель.
Xan> А если болванка чуть коническая (полмиллиметра?), мотать сразу с одним из торцов, а потом в торец дунуть воздухом?

Тут ты изобретаешь ненужные сущности. Во-первых, с разделителем чистота поверхности получается лучше. Во-вторых, эпоксидки таки очень хорошие клеи, и у тебя на поверхности останутся микрочастицы гипса. А, в третьих, гипсовые болванки используются для коконов, у которых диаметр фланца гораздо меньше диаметра сосуда, а у сферических сосудов второго фланца, действительно, обычно не бывает. И как-то надо вынуть большое через маленькое, а, значит, разобрать на детали (для многоразовых оправок, там последняя часть работает замком, очень похоже на шарик-головоломку, или разрушить на мелкие куски, что годится для одноразовых форм. А одноразовые, по возможности, должны быть не очень дорогими.