Merlin — двигатели серии РН Falcon от Space X

Lamort> Провели тест двигателей перед полётом 1-го марта.

Элон Маск в твиттере отметил, что всё ОК:

Rocket static fire @SpaceX Cape Canaveral launch pad looks good. Engines generated 433 tons of thrust, parameters nominal.
// Твиттер / elonmusk: Rocket static fire @SpaceX ...

 

Balancer> http://habrahabr.ru/post/236761/

"Двигатель не имеет собственной системы управления вектором тяги (УВТ), и управление ступенью ракеты осуществляется изменением тяги двигателей на противоположных осях" — Что за бред? Аффтар явно начитался форумов где были эти легенды.

"Российская модификация НК 33-1 использующаяся на РН Союз 2,1в, на старте развивает тягу уже в 185тс при удельном импульсе в 305с! От базовой версии НК 33, данный двигатель отличается, прежде всего, наличием системы управления вектором тяги (УВТ)." — Все наоборот, на 2.1в стоит рулевик РД-0110Р. Стоит он там потому, что НК-33-1 создать не удалось и его 7 тонн тяги нужны.

"Впрочем, РД 191 остался невостребованным в США, даже после создания более бюджетного РД 193 (версия без УВТ)." — наконец правильно, только РД-193 еще не создан. На "Энергомаше" только наскоро прожгли "демонстратор" без сильфона, с использованием ТНА от 191-го.

А вообще-то типичный Хабр. Мутная статья, которая бесконечно пережевывает всем очевидные вещи.

Bredonosec> вопрос: а насколько может увеличиться или уменьшиться тяга того же керосинового движка параметров мерлина при смене окислителя с "тетраоксид азота и азотная кислота в равных пропорциях" на жидкий кислород или наоборот?

Как угодно. Тяга может даже вырасти и даже заметно. УИ при переходе от кислорода к АТ падает (10-30 сек) и ещё больше падает при переходе к АК (20-50 сек). Как следствие падает грузоподъёмность ступени.

Bredonosec> И какими переделками кроме приучения к криостойкости это чревато?

Уже это очень дофига. Хотя бы даже ЛКТР учесть на таких размерах - уже не шутки. Ну, химстойкость понятное дело надо допиливать, ТНА менять полностью. Газогенераторы переделывать

Naib> Как угодно. Тяга может даже вырасти и даже заметно. УИ при переходе от кислорода к АТ падает (10-30 сек) и ещё больше падает при переходе к АК (20-50 сек). Как следствие падает грузоподъёмность ступени.
То есть, если изначально было АТ и АК, а сменили на жидкий кислород, то тяга могла подняться на значительную цифру? С 2.5 до 3.5 тонн, - реально?
Меня вот заинтересовало, что в общем и целом идеи маска совпадают с идеологией OTRAG. Но там на модуль был один простейший двиг с абляционным охлаждением сопла на 2.5 тонны тяги, на керосе плюс АТ/АК в пропорции 50/50. А тут - двиг на 3.5 тонны с тем же абляционным соплом, на керосе + ЖК. И наращивание забрасываемой массы происходит установкой пакета из 5, 9 тех же мелких движков вместо разработки более крупных.

Naib> Уже это очень дофига. Хотя бы даже ЛКТР учесть на таких размерах - уже не шутки.
а что такое лктр?

>Ну, химстойкость понятное дело надо допиливать, ТНА менять полностью. Газогенераторы переделывать
но по памяти тна там по открытой схеме для простоты. И с большим избытком кероса для охлаждения. Это не снизит требования к переделке его? И там и там окислителя недостаток, в свободной форме только керос, окислитель как таковой в тна не попадает, только продукт его использования.

Bredonosec> То есть, если изначально было АТ и АК, а сменили на жидкий кислород, то тяга могла подняться на значительную цифру? С 2.5 до 3.5 тонн, - реально?

Без существенной переделки двигателя - нет. Вообще, тяга - это функция от выброса массы рабочего тела в секунду. И поднять её можно либо увеличив массу топлива в секунду, либо увеличив температуру выброса газов. Проще поднять тягу увеличив массу топлива + переобогатив его керосином. Удельный импульс пар АТ/керосин и ЖК/керосин различается не так уж сильно, так что на этом выигрыше тягу поднять настолько не получится.

Bredonosec> Меня вот заинтересовало, что в общем и целом идеи маска совпадают с идеологией OTRAG. Но там на модуль был один простейший двиг с абляционным охлаждением сопла на 2.5 тонны тяги, на керосе плюс АТ/АК в пропорции 50/50. А тут - двиг на 3.5 тонны с тем же абляционным соплом, на керосе + ЖК. И наращивание забрасываемой массы происходит установкой пакета из 5, 9 тех же мелких движков вместо разработки более крупных.

OTRAG - привлекательная концепция. Я её просчитывал для 10-т модулей РДТТ с тягой по 100 тонн каждый. Её минус - большая балластная масса мелких ступеней. Не говоря о сложности всей схемы с десятками двигателей.

Bredonosec> а что такое лктр?

Линейный коэффициент теплового расширения. Для больших ракет при криогенных температурах сжатие баков может достигать десятка сантиметров и более. В случае АК или АТ этот фактор пренебрежимо мал.

Bredonosec> но по памяти тна там по открытой схеме для простоты. И с большим избытком кероса для охлаждения. Это не снизит требования к переделке его? И там и там окислителя недостаток, в свободной форме только керос, окислитель как таковой в тна не попадает, только продукт его использования.

Это "силовая часть": газогенератор + турбина. А в насосной части и материалы, и форму крыльчатки надо менять. Газогенератор на сладком газе в принципе более-менее одинаков и для АК и для ЖК. Там скорее всего глобальных переделок не потребуется.

Bredonosec>> То есть, если изначально было АТ и АК, а сменили на жидкий кислород, то тяга могла подняться на значительную цифру? С 2.5 до 3.5 тонн, - реально?
Naib> Без существенной переделки двигателя - нет.
мнэээ.. так всего же ответ назад вопросов не возникало..

>Вообще, тяга - это функция от выброса массы рабочего тела в секунду.
грубо - масса умножить на скорость. Скорость есть функция давления, которое функция температуры. Плюс коэффициент k, характеризующий число степеней свободы молекул газа - чем их меньше, тем бОльшая часть энергии идет в поступательное движение, а не закручивание молекул вокруг своей оси.
и даже на этом, кмк, можно поиметь некоторый выигрыш, получая в выхлопе СО2 и Н2О вместо разнообразных азотных соединений с большим к.

>И поднять её можно либо увеличив массу топлива в секунду, либо увеличив температуру выброса газов. Проще поднять тягу увеличив массу топлива + переобогатив его керосином.
Но зачем?? Где логика недожигать топливо?
Этим же мы снижаем УИ и значительно, делая задачу по выводу еще более сложной.
Плюс, насколько долетают до ушей слова, мейнтрим всё же повышать температуру и давление, то есть, скорость струи, а не тупо расход.

>Удельный импульс пар АТ/керосин и ЖК/керосин различается не так уж сильно, так что на этом выигрыше тягу поднять настолько не получится.
эээ... но ты же писал .что " УИ при переходе от кислорода к АТ падает (10-30 сек) и ещё больше падает при переходе к АК (20-50 сек). Как следствие падает грузоподъёмность ступени."

Naib> OTRAG - привлекательная концепция. Я её просчитывал для 10-т модулей РДТТ с тягой по 100 тонн каждый. Её минус - большая балластная масса мелких ступеней. Не говоря о сложности всей схемы с десятками двигателей.
это самоочевидно. Интересно всё-таки проверить гипотезу, насколько мерлин родился из той концепции, насколько танцевали от него, и насколько доработали, если да.

Naib> Линейный коэффициент теплового расширения. Для больших ракет при криогенных температурах сжатие баков может достигать десятка сантиметров и более. В случае АК или АТ этот фактор пренебрежимо мал.
аа, да, согласен. Но тут вопрос к баку ЖК, это не касается двигателя. (хоть обеспечить неразрушающие нагрузки при перепадах и вибрации - тоже задача, да.)

Naib> Это "силовая часть": газогенератор + турбина. А в насосной части и материалы, и форму крыльчатки надо менять. Газогенератор на сладком газе в принципе более-менее одинаков и для АК и для ЖК. Там скорее всего глобальных переделок не потребуется.
хм... ну.. что материал для крыльчатки компрессора придется перепроверять - эт да, верно.. по поводу формы.. ну, если вязкость, потребный поток иные - то тоже да...

Bredonosec> мнэээ.. так всего же ответ назад вопросов не возникало..

Ну не на 40% же . Такой прирост можно обеспечить только увеличением расхода топливной пары. Вообще, удельная тяга обычно выше как раз у "вонючих" движков. Так как плотность компонентов выше и секундный массовый расход тоже.

Bredonosec> грубо - масса умножить на скорость. Скорость есть функция давления, которое функция температуры. Плюс коэффициент k, характеризующий число степеней свободы молекул газа - чем их меньше, тем бОльшая часть энергии идет в поступательное движение, а не закручивание молекул вокруг своей оси.
Bredonosec> и даже на этом, кмк, можно поиметь некоторый выигрыш, получая в выхлопе СО2 и Н2О вместо разнообразных азотных соединений с большим к.

Это не так. Поиграй с "Пропепом". Выигрыш дают двухатомные молекулы и N2 c NO сюда хорошо вписываются. СO2 - средне, вода - очень плохо.
Идеальный выхлоп - СО + Н2 (+ N2). В реале равновесия всё портят.

Bredonosec> Но зачем?? Где логика недожигать топливо?

УИ растёт. До точки сажеобразования УИ идёт в плюс, потом - в минус. Но общий итог обычно оказывается хуже, так как баки керосина больше и тяжелее баков окислителя. Исключение - Ф9, с его малой сухой массой. Посмотри на соотношение компонентов в мерлинах. Там "переслащённый" в сравнении с РД-170 (с потомками) выхлоп.

Bredonosec> Плюс, насколько долетают до ушей слова, мейнтрим всё же повышать температуру и давление, то есть, скорость струи, а не тупо расход.

Температура растёт мало, давление играет только в атмосфере. Мейнстрим - повышать УИ. Максимум - это водород/кислород. Минимум - керосин/АК. Но для первой ступени это малосущественно на самом деле.

Bredonosec> эээ... но ты же писал .что " УИ при переходе от кислорода к АТ падает (10-30 сек) и ещё больше падает при переходе к АК (20-50 сек). Как следствие падает грузоподъёмность ступени."

Правильно. При равной массе топлива это так. НО (!) есть нюанс. Увеличивая тягу ты снижаешь гравитационные потери и отыгрываешь на итоговой скорости. В этом случае высокая тяговооружённость АК/керосин может не уступить по итогу более низким параметрам ЖК/керосин

Bredonosec> это самоочевидно. Интересно всё-таки проверить гипотезу, насколько мерлин родился из той концепции, насколько танцевали от него, и насколько доработали, если да.

Сомневаюсь, что она сыграла заметную роль. Может, если бы пошли по одноразовым движкам с абляционным охлаждением - тему бы развивали. А так - регенеративное охлаждение зарулило.

Naib> Такой прирост можно обеспечить только увеличением расхода топливной пары.
ну... не могу судить.
>Вообще, удельная тяга обычно выше как раз у "вонючих" движков. Так как плотность компонентов выше и секундный массовый расход тоже.
А разве не лучше становится тяга при наименьшей массе частицы рабочего тела?

Naib> Это не так. Поиграй с "Пропепом". Выигрыш дают двухатомные молекулы и N2 c NO сюда хорошо вписываются. СO2 - средне, вода - очень плохо.
да, забыл, они 3-атомные.
Но разве выхлоп азотистых не всякие NO2/NO3 и прочее тяжелое? Это ж заметно более тяжелые несимметричные..
зы, что такое пропеп, не в курсе.

Bredonosec>> Но зачем?? Где логика недожигать топливо?
Naib> УИ растёт. До точки сажеобразования УИ идёт в плюс, потом - в минус.
но за счет чего он растет-то? Я недопираю логику. Рабочее тело недогрето, имеет более низкую по сравнению с возможностями скорость, откуда рост УИ?

>Но общий итог обычно оказывается хуже, так как баки керосина больше и тяжелее баков окислителя. Исключение - Ф9, с его малой сухой массой. Посмотри на соотношение компонентов в мерлинах. Там "переслащённый" в сравнении с РД-170 (с потомками) выхлоп.
я настолько глубоко не влезал, поленился..

Bredonosec>> Плюс, насколько долетают до ушей слова, мейнтрим всё же повышать температуру и давление, то есть, скорость струи, а не тупо расход.
Naib> Температура растёт мало, давление играет только в атмосфере. Мейнстрим - повышать УИ. Максимум - это водород/кислород. Минимум - керосин/АК. Но для первой ступени это малосущественно на самом деле.
ээ.. так УИ - это же по сути соотношение полученной тяги умножить на время её получения к массе (весу) затраченного топлива. То есть, по логике рост УИ должен обуславливаться ростом скорости истечения и оптимальной формой сопла для роста площади давления (при данном давлении увеличивает силу, что увеличивает площадь) и уменьшения концевых потерь..
Понятно, что у водорода хороший УИ - наиболее легкие частицы рабочего тела, достаточно легкие (18) частицы после реакции, наименьшая масса, которую надо греть.. Тот же NO - уже 30, N2 - 28, CO2 - 44...

Bredonosec>> эээ... но ты же писал .что " УИ при переходе от кислорода к АТ падает (10-30 сек) и ещё больше падает при переходе к АК (20-50 сек). Как следствие падает грузоподъёмность ступени."
Naib> Правильно. При равной массе топлива это так. НО (!) есть нюанс. Увеличивая тягу ты снижаешь гравитационные потери и отыгрываешь на итоговой скорости. В этом случае высокая тяговооружённость АК/керосин может не уступить по итогу более низким параметрам ЖК/керосин
эээ... а как у тебя более высокая тяга соответствует более низкому УИ?
Что-то я этого момента не уловил.

Naib> Сомневаюсь, что она сыграла заметную роль. Может, если бы пошли по одноразовым движкам с абляционным охлаждением - тему бы развивали. А так - регенеративное охлаждение зарулило.
регенеративное?
По памяти как читал у мерлина именно абляционное. Или в сети афффтары гонят пургу?

Bredonosec> А разве не лучше становится тяга при наименьшей массе частицы рабочего тела?

Меньшая масса частицы поднимает УИ и общую эффективность двигателя по расходу фиксированной массы топлива (для химических двигателей). С секундной тягой это в принципе связи не имеет.

Bredonosec> да, забыл, они 3-атомные.

Углекислота ещё ничего - у неё часть степеней свободы вырождена. А вот вода...

Bredonosec> Но разве выхлоп азотистых не всякие NO2/NO3 и прочее тяжелое? Это ж заметно более тяжелые несимметричные..

Нет: азот, NO и часто - аммиак.

Bredonosec> зы, что такое пропеп, не в курсе.

Пропеп и астра - программы расчёта термодинамического удельного импульса. Вполне точные.

Bredonosec> но за счет чего он растет-то? Я недопираю логику. Рабочее тело недогрето, имеет более низкую по сравнению с возможностями скорость, откуда рост УИ?

Снижение средней молярной массы выхлопа. Это даёт намного больше, чем прирост температуры на сотню градусов.

Bredonosec> ээ.. так УИ - это же по сути соотношение полученной тяги умножить на время её получения к массе (весу) затраченного топлива. То есть, по логике рост УИ должен обуславливаться ростом скорости истечения и оптимальной формой сопла для роста площади давления (при данном давлении увеличивает силу, что увеличивает площадь) и уменьшения концевых потерь..

Всё верно, рост УИ даёт прирост скорости истечения (и наоборот). Прочее в большей степени ограничено размерами, атмосферой и материалами.

Bredonosec> Понятно, что у водорода хороший УИ - наиболее легкие частицы рабочего тела, достаточно легкие (18) частицы после реакции, наименьшая масса, которую надо греть.. Тот же NO - уже 30, N2 - 28, CO2 - 44...

Там используется большой избыток водорода. ЕМНИП, оптимум - 4 к 1 по массе. Используется 6 к 1. Стехиомерия - 8 к 1. (кислород/водород)

Bredonosec> эээ... а как у тебя более высокая тяга соответствует более низкому УИ?
Bredonosec> Что-то я этого момента не уловил.

На более плотных компонентах проще достичь более высокого секундного расхода топлива. УИ будет ниже, но тяга может быть выше. При равном расходе выигрывает больший УИ.

Bredonosec> По памяти как читал у мерлина именно абляционное. Или в сети афффтары гонят пургу?

Вначале - да, абляционное. У версии А, что-ли... Потом отказались в пользу регенеративного и топливной завесы.

Naib> Всё верно, рост УИ даёт прирост скорости истечения (и наоборот).

Удельный импульс никак не влияет на изменение скорости истечения, ибо это все таки несколько разные субстанции. Определяющее выражение для удельного импульса: Iу=Р/m (предполагается, что в знаменателе "m с точкой" - массовый расход). Т.е., Iу - это отношение тяги двигателя (абстрактного реактивного или ракетного) к массовому расходу топлива. Исчисляется Iу в м/с с года этак... По крайней мере в 90-м году прошлого столетия в вузовских учебниках он уже был в м/с.
Скорость истечения определяется термодинамическими характеристиками продуктов сгорания и перепадом давления камера/срез сопла. Поэтому, например, у ЖРД открытой схемы на паре хоть фтор-водород при запредельной скорости истечения может быть весьма посредственный удельный импульс. Для ЖРД закрытой схемы и для РДТТ Iу ЧИСЛЕННО равен скорости истечения (без учета потерь, конечно).
А вот скорость истечения, Вы правы, на Iу влияет, он ей пропорционален. Ибо тяга двигателя (без учета разницы Ра-Рн) равна: Р=m*Wа.

Bredonosec>> А разве не лучше становится тяга при наименьшей массе частицы рабочего тела?
Naib> Меньшая масса частицы поднимает УИ и общую эффективность двигателя по расходу фиксированной массы топлива
То есть, приращение тяги для них не окажется столь критичным по расходу, как без выигрыша уи.
Я об этом

Naib> Углекислота ещё ничего - у неё часть степеней свободы вырождена. А вот вода...
ээ... а почему у углекислоты вырождена? 3 почти равновесных атома. Может вращаться по всем трем осям. И это вращение должно иметь свой значимый импульс. А у воды наоборот, 2 "микро" атома, протона фактически, импульс вращения должен быть всего ничего.. Почему у воды хуже?

Naib> Нет: азот, NO и часто - аммиак.
ну.. не спорю, не знаю..

Bredonosec>> но за счет чего он растет-то? Я недопираю логику. Рабочее тело недогрето, имеет более низкую по сравнению с возможностями скорость, откуда рост УИ?
Naib> Снижение средней молярной массы выхлопа. Это даёт намного больше, чем прирост температуры на сотню градусов.
ээ... стоп! Как снижение?
Керос - это смесь "углеродов от додекана С12Н26 до гексадекана С16Н34".
Молярная масса, соответственно, от 170 до 226.
У СО2 - 44, у Н2О - 18.
Где снижение? Где я какого слона не приметил?

Naib> Всё верно, рост УИ даёт прирост скорости истечения (и наоборот).
я б переставил местами - рост скорости дает рост УИ. Потому что именно скорость определяет пропорцию меж расходом и тягой.

Bredonosec>> Понятно, что у водорода хороший УИ - наиболее легкие частицы рабочего тела, достаточно легкие (18) частицы после реакции, наименьшая масса, которую надо греть..
Naib> Там используется большой избыток водорода. ЕМНИП, оптимум - 4 к 1 по массе. Используется 6 к 1. Стехиомерия - 8 к 1. (кислород/водород)
да, тут понятно, что сладкий выхлоп выгоднее.

Naib> При равном расходе выигрывает больший УИ.
я собсно об этом..

Naib> Вначале - да, абляционное. У версии А, что-ли... Потом отказались в пользу регенеративного и топливной завесы.
аа.. ну, тогда логика есть...

scum> Скорость истечения определяется термодинамическими характеристиками продуктов сгорания и перепадом давления камера/срез сопла. Поэтому, например, у ЖРД открытой схемы на паре хоть фтор-водород при запредельной скорости истечения может быть весьма посредственный удельный импульс.
я б сказал, не поэтому,а потому, что открытая схема характеризуется потерями на работу тна.

Bredonosec> ээ... стоп! Как снижение?
Bredonosec> Керос - это смесь "углеродов от додекана С12Н26 до гексадекана С16Н34".
Bredonosec> Молярная масса, соответственно, от 170 до 226.
Bredonosec> У СО2 - 44, у Н2О - 18.
Bredonosec> Где снижение? Где я какого слона не приметил?
У CO 28 - а при избытке керосина водород всегда окисляется до конца, а, вот, углерод только до CO.
Жечь углерод до CO выгодно ещё и потому, что CO2 легче диссоциирует, а в сопле рекомбинирует, уменьшая кпд сопла и тоже снижая УИ.

Диссоциация подавляется давлением, поэтому при большем давлении в камере (и одинаковом давлении на срезе) оптимум УИ для движка с большим давлением ближе к стехиометрии (т.е. меньше избыток керосина), чем у движка с низким давлением.

РД-107/108, соответственно, тоже работают при большем избытке керосина, чем РД-170.

Bredonosec> ээ... а почему у углекислоты вырождена? 3 почти равновесных атома. Может вращаться по всем трем осям. И это вращение должно иметь свой значимый импульс. А у воды наоборот, 2 "микро" атома, протона фактически, импульс вращения должен быть всего ничего.. Почему у воды хуже?

Потому что молекула углекислоты линейна, а воды - нет. Поэтому вращательные и колебательные степени свободы вырождаются.

Bredonosec> ээ... стоп! Как снижение?
Bredonosec> Керос - это смесь "углеродов от додекана С12Н26 до гексадекана С16Н34".
Bredonosec> Молярная масса, соответственно, от 170 до 226.
Bredonosec> У СО2 - 44, у Н2О - 18.
Bredonosec> Где снижение? Где я какого слона не приметил?

Идёт флэш-пиролиз и горение. Углекислоты нет, выхлоп состоит из угарного газа, водорода, немного углекислоты. Тяжёлых молекул не остаётся, доля лёгких "недогарков" растёт.

Bredonosec> Bredonosec>> Понятно, что у водорода хороший УИ - наиболее легкие частицы рабочего тела, достаточно легкие (18) частицы после реакции, наименьшая масса, которую надо греть..

У воды на самом деле всё ужасно с теплоёмкостью. Туда сливается прорва тепла.

Пролистай темы