Система амортизации «Ориона"

Система амортизации, как видно из приведенных рисунков и описаний например проекта Марсианского «Ориона» с диаметром тяговой плиты в 10м, состояла из двух модулей:
1. основного состоящего из трех тороидальных пневматических камер (работа пневматических камер уже обсуждалась на форуме) высотой примерно в 1м каждая и диаметром около 10м, размещенных непосредственно впереди тяговой плиты
2. вторичного модуля из шести алюминиевых поршней высотой по 6м поднимающихся от второй, гораздо более массивной плиты-поглотителя импульса. Видно что эти поршни входят в металлический баллон длиной 8м и диаметром 9м. Диаметр поршней порядка 0,9 метров. В качестве рабочего тела амортизаторов могли бы применяться водород, гелий или их смесь.

Попробуем проанализировать, как могла работать эта система.
Объем баллона составляет 8*3,14*9²/4=509м3. Когда шесть поршней входят в него, этот объем уменьшается на 6*6*3,14*0,9²/4=23м3 или на 4,5%. На столько же (4,5%) увеличивается давление газа в баллоне, следовательно и сила тяги приложенная к остальному (выше амортизаторов) кораблю. Т.е. за системой амортизации сила тяги практически постоянная с пульсациями не более 4,5%. Для простоты расчетов примем ее постоянной.
Для Марсианского варианта «Ориона», при стартовой массе на орбите 220т, примем массу поршней, плиты-поглотителя импульса и модуля пневмокамер с тяговой плитой равной 44000кг (1/5 общей массы). Тогда масса остальной части корабля составит 176000кг. При среднем ускорении этой части корабля в 50м/с2 (5g вполне переносимо тренированным экипажем, расчетная перегрузка при спуске «Востока» =9-10g) тяга должна быть равна 880 тонн. Тогда давление на один поршень составит 880/6=146,7т или при диаметре поршня 90см давление газа в баллоне23кг/см2.
Предположим, что вначале система сжата – поршни утоплены в баллон. При запуске двигателя замки отпускают поршни и давление газа в баллоне начинает расталкивать поршни и баллон в противоположные стороны с силой 880 тонн. Ускорение поршней и баллона можно найти по известной формуле F=ma (считаем силу постоянной). Поршни при этом двигаются назад с ускорением 250м/с2, а баллон с остальным кораблем вперед с ускорением 50м/с2, как и требовалось. Через 0,2 сек (полупериод работы двигателя) скорость поршней 50м/сек, а корабля10м/сек. Баллон при этом продвинется вперед на 1м, а поршни отойдут назад на 5м в соответствии с формулой S=(at²)/2. Т.е. ход поршней будет равен 6м – как показано на рисунке.
В этот момент происходит подрыв ядерного заряда (как сказали бы артиллеристы, на выкате подвижных частей). Рабочее тело, воздействует на тяговую плиту и отбрасывает ее вперед с высоким ускорением, та через систему тороидальных пневматических камер передает импульс плите-поглотителю и поршням. Останавливает их и отбрасывает вперед со скоростью 60м/сек. Относительно баллона и остального корабля, уже движущегося вперед со скоростью 10м/сек, скорость поршней опять равна 50м/сек, но теперь направлена вперед. Давление газа теперь тормозит поршни с ускорением 250м/с2 и по-прежнему разгоняет баллон и корабль с ускорением 50м/с2. Через 0,2сек поршни достигают крайнего верхнего положения и начинают двигаться назад – цикл повторяется с частотой 2,5Гц. Приращение скорости корабля за один период =20м/сек в начале полета. По мере уменьшения массы корабля приращение скорости на импульс будет увеличиваться. При выключении двигателя амортизаторы фиксируются замками в верхнем (сжатом) положении.
Частота цикла зависит от допустимой перегрузки и длины хода амортизаторов и может варьироваться изменением давления газа в баллоне – выше давление - выше перегрузка – короче ход амортизатора. При приращении скорости на один импульс 30м/сек и максимальной перегрузке 3g (частота взрывов 1Гц), длина хода амортизаторов получается 22,5м - их можно сделать телескопическими.
Как видим ничего технически запредельного в системе амортизации «Ориона» нет.

S.I.>... В качестве рабочего тела амортизаторов могли бы применяться водород, гелий или их смесь.
S.I.> ... Когда шесть поршней входят в него, этот объем уменьшается на 6*6*3,14*0,9²/4=23м3 или на 4,5%. На столько же (4,5%) увеличивается давление газа в баллоне

Пардон, уже неточность. Кто-то в прошлом топике настаивал на строгой адиабатичности системы, т.е. на P*V^k=const. Для гелия пульсация в 4.5% по V - это 7.3% по P. Реально же, будет отдельно ударная волна от поршней и отдельно - волна релаксации системы, т.е. пульсации будут ещё больше.

S.I.>... В этот момент происходит подрыв ядерного заряда (как сказали бы артиллеристы, на выкате подвижных частей). Рабочее тело, воздействует на тяговую плиту и отбрасывает ее вперед с высоким ускорением, та через систему тороидальных пневматических камер передает импульс плите-поглотителю и поршням. Останавливает их и отбрасывает вперед со скоростью 60м/сек.

Я уже говорил, что простое векторное сложение импульсов для системы с образованием промежуточного состояния за счёт (не)упругого взаимодействия не есть good. По модели S.I. принципиально кинетическая энергия кабины не может возрасти на величину большую, чем работа сжатия газа в аммортизаторе. Пульсация давления в 7.3% это пульсация температуры на уровне 8 градусов при 300К. Или работа единичного цикла сжатия (509 м³ , 2.3 МПа) 78 МДж. Даже если ВСЯ работа сжатия перейдёт в прирост кинетической энергии исходно летящей со скоростью 100 м/с кабины (176 т у S.I.), прирост скорости не будет больше 4 м/с (2 м/с при 200 м/с и т.д.) - реально, естественно, меньше, но в-лом считать-уточнять.

Если же подводимая энергия будет больше, то будут одновременно реализовываться 2 механизма воздействия взрыва на корабль: воздействие через промежуточное состояние (только что описано) и воздействие на корабль как единое целое. Т.е. если для корабля, движущегося со скоростью всего-лишь 100 м/с S.I. попытается получить приращение скорости 20 м/с за один взрыв, то энергетика второго процесса будет в 4 раза больше. И будет 2 компоненты ускорения:

4 м/с за 0.4 с - цикл разрядки промежуточного состояния
и 16 м/с за 0.05 с - цикл скорости звука в конструкциях

или:
1.02g постоянной компоненты
и 33g в импульсной компоненете.

Ндааа ... Не хотел бы я ездить на подобной стиральной доске даже при скорости 100 м/с. Про несколько км/с и вовсе речи нет.

Yuu2>Пардон, уже неточность. Кто-то в прошлом топике настаивал на строгой адиабатичности системы, т.е. на P*V^k=const. Для гелия пульсация в 4.5% по V - это 7.3% по P.

S.I.>Согласен, для гелия 7,3%, для водорода меньше, что в общем-то принципиально дела не меняет.

Yuu2>Реально же, будет отдельно ударная волна от поршней и отдельно - волна релаксации системы, т.е. пульсации будут ещё больше.

S.I.> Откуда ударная волна, при скорости поршня относительно газа до 50м/сек?

Yuu2>Я уже говорил, что простое векторное сложение импульсов для системы с образованием промежуточного состояния за счёт (не)упругого взаимодействия не есть good. По модели S.I. принципиально кинетическая энергия кабины не может возрасти на величину большую, чем работа сжатия газа в амортизаторе. Пульсация давления в 7.3% это пульсация температуры на уровне 8 градусов при 300К. Или работа единичного цикла сжатия (509 м3 , 2.3 МПа) 78 МДж.

S.I.>Здесь Ваша главная ошибка! Кабина не закреплена жестко в пространстве. Во время сжатия газа кабина разгоняется средней силой в 880т (определяется исходным давлением газа в баллоне), т.е. с ускорением 5g. Прирост кинетической энергии корабля происходит и при сжатии газа и при его расширении. Газ просто сглаживает ПУЛЬСАЦИИ силы до 7,3% * 880 тонн (и ускорения соответственно).

Yuu2>Даже если ВСЯ работа сжатия перейдёт в прирост кинетической энергии исходно летящей со скоростью 100 м/с кабины (176 т у S.I.), прирост скорости не будет больше 4 м/с (2 м/с при 200 м/с и т.д.) - реально, естественно, меньше, но в-лом считать-уточнять.

S.I.>А при нулевой исходной скорости какой будет прирост по Вашей методе расчета??? А интересно относительно чего Вы измеряете эту самую "исходную скорость"? И откуда "ВСЯ работа сжатия" знает с какой исходной скоростью движется корабль, т.е. сколько же ей давать прирост? Я это к тому, что мы все движемся с исходной скоростью в 30км/сек вокруг Солнца (и Бог знает какой относительно центра Галактики) и как-то этого не замечаем. Прирост скорости совершенно не зависит от исходной скорости (при не релятивистских скоростях во всяком случае).

Yuu2>Если же подводимая энергия будет больше, то будут одновременно реализовываться 2 механизма воздействия взрыва на корабль: воздействие через промежуточное состояние (только что описано) и воздействие на корабль как единое целое. Т.е. если для корабля, движущегося со скоростью всего-лишь 100 м/с S.I. попытается получить приращение скорости 20 м/с за один взрыв, то энергетика второго процесса будет в 4 раза больше. И будет 2 компоненты ускорения:
4 м/с за 0.4 с - цикл разрядки промежуточного состояния
и 16 м/с за 0.05 с - цикл скорости звука в конструкциях
или:
1.02g постоянной компоненты
и 33g в импульсной компоненете.
Ндааа ... Не хотел бы я ездить на подобной стиральной доске даже при скорости 100 м/с. Про несколько км/с и вовсе речи нет.

S.I.> Эти выводы – следствия предыдущих ошибок.

S.I.>Согласен, для гелия 7,3%, для водорода меньше, что в общем-то принципиально дела не меняет.

Вариации 0.3g с периодом 0.4 секунды - это езда по слишком ухабистой дороге, боюсь экипаж обблюётся .

S.I.> Откуда ударная волна, при скорости поршня относительно газа до 50м/сек?

А скорость газа в сминаемом бублике относительно поршня будет все 300 м/с. Но это, так сказать, асимптотика. Реально же время сминания будет на уровне не более 0.05с.

yuu2>>Или работа единичного цикла сжатия (509 м³ , 2.3 МПа) 78 МДж.
S.I.>Кабина не закреплена жестко в пространстве.

Как и кресло в автомобиле. На маленьких ухабах вполне комфортно; как только энергия ухаба выше предела запасаемой энергии амортизатора - начинается тряска. А не плавный перелёт от ухаба к ухабу с постоянным ускорением.

Аналогично и тут: фактически Вы пытаетесь ударами молотка поджать пружину с незакреплённы противоположным концом и для того, чтобы придать пружине хоть какую-то работу сжатия необходимо:

п.1 ускорять всю пружину
п.2 время этого ускорения должно быть существенно меньше времени распространения звука в пружине

Соответственно, чем выше разница между энергией сжатия и полной энергией, тем больше будет различие между "ухабистым" ускорением пружины в целом и равномерным ускорением сжатия/растяжения пружины.

Уuu2>Вариации 0.3g с периодом 0.4 секунды - это езда по слишком ухабистой дороге, боюсь экипаж обблюётся .

S.I.> Нетренированный экипаж и на "Союзе" облюется. 0,3g при среднем в 1g, в автомобиле чувствуются, а 5 g в ракете так припечатают, что экипаж и не заметит этих вариаций.

yuu2>>А скорость газа в сминаемом бублике относительно поршня будет все 300 м/с. Но это, так сказать, асимптотика. Реально же время сминания будет на уровне не более 0.05с.

S.I.>А скорость звука в водороде более 1200м/сек, а в гелии более 600м/сек. Работа бубликов (первой ступени амортизаторов), рассматривалась в топике про марсианскую транспортную систему.

yuu2>>Как и кресло в автомобиле. На маленьких ухабах вполне комфортно; как только энергия ухаба выше предела запасаемой энергии амортизатора - начинается тряска. А не плавный перелёт от ухаба к ухабу с постоянным ускорением.
Аналогично и тут: фактически Вы пытаетесь ударами молотка поджать пружину с незакреплённы противоположным концом и для того, чтобы придать пружине хоть какую-то работу сжатия необходимо:
п.1 ускорять всю пружину
п.2 время этого ускорения должно быть существенно меньше времени распространения звука в пружине
Соответственно, чем выше разница между энергией сжатия и полной энергией, тем больше будет различие между "ухабистым" ускорением пружины в целом и равномерным ускорением сжатия/растяжения пружины.

S.I.>Да я как раз и не стремлюсь ударами молотка ПОДЖАТЬ пружину. Я стремлюсь ударами молотка по пружине более-менее павно разогнать тело, прикрепленное к противоположному концу пружины. И при определенном соотношении массы молотка и этого тела, а также жесткости и длины пружины это вполне возможно -представте себе тележку на рельсах с пружиной сзади.

yuu2>>фактически Вы пытаетесь ударами молотка поджать пружину с незакреплённы противоположным концом и для того, чтобы придать пружине хоть какую-то работу сжатия необходимо:
yuu2>>п.1 ускорять всю пружину
yuu2>>п.2 время этого ускорения должно быть существенно меньше времени распространения звука в пружине
yuu2>>Соответственно, чем выше разница между энергией сжатия и полной энергией, тем больше будет различие между "ухабистым" ускорением пружины в целом и равномерным ускорением сжатия/растяжения пружины.

S.I.>Да я как раз и не стремлюсь ударами молотка ПОДЖАТЬ пружину.

????? А как же Вы сообщаете энергию, тому, что за пружиной, если пружину поджимать не хотите? Никак иначе, чем краткосрочным импульсом в 33g за 0.05с просто не получится.

S.I.> Я стремлюсь ударами молотка по пружине более-менее павно разогнать тело, прикрепленное к противоположному концу пружины.

Вот, вот, вот: при "пружинной" передаче взаимодействия больше, чем работа сжатия пружины ни-за-что передать не получится.

S.I.>И при определенном соотношении массы молотка и этого тела, а также жесткости и длины пружины это вполне возможно

Не спотрю: при ОПРЕДЕЛЁННОМ подводимом количестве энергии/импульса "пружинный" механиз является доминирующим. Только конкретно для "Ориона" он на вторых ролях. Ставьте на пару порядков более мощную систему амортизации - будет что обсуждать.

S.I.> -представте себе тележку на рельсах с пружиной сзади.

Если нет трения в колёсах, то получится высокомощный варган, при удручающе низком пропульсивном КПД.

Чертёж системы амортизации взрыволёта диаметром 86 футов (26м)
Первая ступень амортизации состоит из 285 тороидальных резиновых камер диаметром 12 дюймов (305мм) каждая собранных в 19 концентрических пакетов по 15 камер в пакете. Камеры наддуты газом (аммиаком) до давления 100psi(6,8атм). Снизу к ним крепится тяговая плита, сверху - промежуточная платформа.
Платформа в свою очередь прикреплена к поршням входящим в цилиндры заполненные газом под давлением - это вторая ступень амортизации.
Количество собственных колебаний первой ступени - 4,5 на импульс. Второй ступени -1,0. Запуск двигателя из нейтрального положения осуществляется зарядом половинной мощности, при работе полные заряды подрываются на выкате системы.

Тяговая плита, показана деталь крепления амортизационных камер. Плита стальная, начальное ускорение 50000g. Для предохранения от абляции перед взрывом покрывается тонким слоем масла на основе нефтепродуктов. Толщина плиты с края 95мм, к центру она утолщается в соответствии с распределением энергии в плазменной струе.

Принципиальная схема двигателя-
График ускорения корабля при работе движка (пунктиром- в конце полёта- мин. масса макс. ускорение)

Общий вид-

А нельзя ли вместо ядреных шашек использовать бризантные вв? Прикинул УИ получается неплохим... правда метода самопальная...

>А нельзя ли вместо ядреных шашек использовать бризантные вв? Прикинул УИ получается неплохим... правда метода самопальная...
Только для первого импульса. Ибо вес...

Ну фильм про модельку и я видел...
А реальный космический пепелац интересно можно ли слабать?
Запасов тротила родина накопила на тысячи полетов.
Что по поводу УИ для ВВ импульсного двигателя...

ну взрыволет завсегда будет тяжелее стандартной ракеты за счет повышеной нагрузки на корпус и системы аммортизации .... другое дело , если использовать раствор\расплав ТНТ/гексогена в обычном РД ...

Расчет УИ для импульсника - хитрая штука... нет методы. нет аналогов. По этому - с какого перепугу УИ будет меньше, чем у ЖРД?

А вот сбацать модель 1х200 и попробовать - для отработки системы амортизации. Такая машина хоть гадить в атмосфере не будет как реальный Орион, самое то для испытаний.

>Расчет УИ для импульсника - хитрая штука... нет методы. нет аналогов. По этому - с какого перепугу УИ будет меньше, чем у ЖРД?

Потому что КПД больше получиться не может
И в итоге - мы упираемся в запасённую в веществе удельную энергию...

Э. Ну а почему это кпд ЖРД должна быть априори больше, чем КПД импульсника. Мне это видиться с точностью до наоборот?

ага, простейший импульсник - строил в начале прошлого века доктор Роберт Годдард... По вышеописанной схеме причем. С одним дополнением - зарядики выстреливались в стальную камеру - где они и подрывались. УИ такого импульсника - был высок... цифру не помню - но гораздо выше чем у РДТТ

Модельку (и не только модельку) с высоким Уи можно сделать используя ВНЕШНИЙ источник энергии. Например мощный импульсный лазер фокусируется на толкательной плите.

R.M.> Расчет УИ для импульсника - хитрая штука... нет методы. нет аналогов. По этому - с какого перепугу УИ будет меньше, чем у ЖРД? [»]

Попробуйте разобраться, коли охота- Расчет УИ ядерно-импульсного двигателя но это для ваккуума. В атмосфере Уи больше. Возможно используя заряды объемного взрыва можно построить первую ступень с относительно высоким УИ -фактически используется кислород воздуха.

Ещё вариант- пулять заряды объемного взрыва на траекторию разгона взрыволета с Земли. Для подьема на высоту 38км нужно примерно 200 зарядов.