Новые двигатели для новых носителей

Дем> Разработанный ИИ и распечатанный на 3D-принтере двигатель с тягой полтонны.

при таком соотношении площади охлаждающих каналов и площади критики не хватит топлива на регенеративное охлаждение.
при тяге в полтонны, из-за закона куба-квадрата, и при классической-то конструкции топлива впритык. Если кто не знал, то двигатели с тягой 400 кгс для корректирующих ДУ космических станций охлаждались обоими компонентами (и ТГ-02, и азотной кислотой) именно потому, что топлива было мало.

А тут КС с центральным телом, кольцевой критикой, площадь охлаждаемой поверхности в разы больше, чем у классики, регенеративное охлаждение, и такие широкие каналы. Да, такое только "искусственный интеллект" и мог придумать.

P.S. ну, и, как вишенка на торте - огневая стенка толще силовой. Кто знает, тот поймёт.

Б.г.> при таком соотношении площади охлаждающих каналов и площади критики не хватит топлива на регенеративное охлаждение.
Тут некто особо умный своим штрафом не дал прикрепить вторую картинку, где видно что он работает и кто сделал...

suyundun> Источник на то что выше
suyundun> LEAP 71 | Engineering the Future
suyundun> Ув генералисимус, пожалуста, для тех кто не знает, объясните про стенки на пальцах. Пальцы не только для растопырки.

На пальцах. Поскольку при регенеративном охлаждениии топливо сначала идёт в систему охлаждающих каналов, потом в форсунки, и потом в камеру, чтобы оно шло, давление в каналах охлаждения должно быть порядочно больше, чем в камере. Обычно потери на форсунках составляют не менее 6 атмосфер, для устойчивости рабочего процесса (чтобы колебания в камере не влияли на расход).

Потери на гидравлическом сопротивлении каналов обычно больше, и доходят до 20 атмосфер. Почему так много? потому что, для эффективного теплосъёма, линейная скорость компонента в каналах должна быть очень порядочной, обычно, не менее 10 метров в секунду.

Берём полутонный двигатель, придумываем ему удельный импульс в 250 единиц, это значит, что топлива (вместе - горючего и окислителя) он потребляет 2 килограмма в секунду. Из них, для пары азотная кислота/керосин, 3/4 по массе - это окислитель, 1/4 - горючее. Для разных топливных пар оно разное, но, в данном случае, неважно. Главное - понять, что одного керосина не хватит.

Допустим, у нас диаметр камеры 159 миллиметров, то есть, периметр 500 миллиметров. Это вполне годные размеры для полутонника при умеренном давлении в камере. Допустим, расстояние между огневой и силовой стенками 1 миллиметр. Это значит, в масштабе приведённой выше картинки ширина каналов составляет две трети процента от размера камеры, и на таком разрезе её было бы просто не видно. Вообще не видно, как не видно каналы на фотках из статьи про РД-107/108 вот на этом ресурсе

итак, суммарное сечение каналов охлаждения 500 квадратных миллиметров, а топлива по ним протекает 2 кг/с (будем для простоты расчётов считать, что 2 дм3/с или 2 000 000 мм3/с). Делим на 500, получаем 4000 мм/с, или 4 м/с. Маловато будет! Уменьшать зазор дальше не выйдет, технологический разброс не даст. Что делать? Нужно уменьшить число каналов, а, чтобы они по-прежнему покрывали всю камеру, нужно увеличить их длину. Это делается двумя разными способами. Первый - сделать каналы не прямыми, а винтовыми, второй - разделить каналы на 2 группы, по чётным пусть топливо течёт в одну сторону, а потом по нечётным в обратную. Оба способа, однако, здорово увеличивают гидравлическое сопротивление рубашки.

К чему это всё приводит? Несмотря на то, что в камере сгорания ЖРД очень порядочное давление, десятки атмосфер, в каналах охлаждения минимум на 30 атмосфер больше. Это значит, что охлаждая огневую стенку, топливо давит на неё сильнее, и пытается эту стенку смять внутрь.

suyundun> про стенки на пальцах.
Температура в камере сгорания в норме выше температуры плавления почти любого металла. Но нам важна даже не температура плавления, а температура потери прочности, которая намного ниже температуры плавления.

Например, температура потери прочности алюминиевых сплавов всего около 200 градусов Цельсия, хотя температура плавления - больше 600. Предел прочности при температуре 200 у алюминиевых сплавов снижается примерно в 10 раз. У хромистой бронзы, из которой сделаны огневые стенки РД-107/108, этот же предел 350 градусов. У нержавейки побольше, но у нержавейки теплопроводность хуже, чем у бронзы БрХ-08, почти в 40 раз. А, значит, перепад температур между той стороной стенки, где течёт топливо, и той стороной, где огонь, при том же теплопотоке и той же толщине тоже будет в 40 раз больше.

Поэтому бронза выгоднее.

Но даже и у бронзы теплопроводность не так велика, как хотелось бы, ведь топливо, принимая на себя тепло от огневой стенки, нагревается. То есть, температура той стороны, где жидкость, тоже не ноль градусов. А, скажем, 100. А при 350 уже происходит потеря прочности. При характерных для ЖРД теплопотоках в стенку это получается лишь при толщине огневой стенки в доли миллиметра. Что, опять же, технологически нереально. Поэтому в РД-107 толщина огневой стенки 1 миллиметр ровно, но, кроме регенеративного, приходится применять ещё и завесное охлаждение, то есть, внутри, где огонь, вдоль стенки струячит "лишний" керосин, который почти не сгорает, ухудшает параметры двигателя, но, по-другому вовсе не выходит.

Причём, она 1 мм и в основной камере тягой, условно, 17 тонн, и в рулевой тягой, условно, 3.25 тонны. По чисто технологическим причинам нельзя сделать меньше. Но мы помним, что на эту стенку давление снаружи больше, чем внутри, и, если мы не примем мер, её сомнёт внутрь. Чтобы этого не произошло, приходится ограничивать не только толщину, но и ширину каналов. В РД-107 она равна примерно 4 мм. Опять же, одинаково в больших и маленьких камерах, потому что, при такой конструкции (с частыми связями между силовой наружной и огневой внутренней стенками), рассчитывать нужно только локальные напряжения в материале.

Ну, а, наружной стенке таки приходится противостоять всему давлению. И рассчитывать её приходится на давление в каналах охлаждения, которое больше, чем в камере, и рассчитывать без поблажек, её межстеночные связи разгружают лишь на единицы процентов. Поэтому она порядочно толще, чем огневая стенка. Правда, поскольку ЖРД - это таки летающее изделие, нельзя сделать эту стенку произвольно толстой, запас прочности в нормальном ЖРД нигде не достигает двойки. Соответственно, берут самую прочную сталь, которая подходит по остальным параметрам, и которую можно серебряным припоем спаять с бронзовой внутренней стенкой, и получаем, для рабочего давления в камере в 65 атмосфер, толщину силовой стенки в 2,5 мм.

Б.г.>> при таком соотношении площади охлаждающих каналов и площади критики не хватит топлива на регенеративное охлаждение.
Дем> Тут некто особо умный своим штрафом не дал прикрепить вторую картинку, где видно что он работает и кто сделал...
Дем> https://cloud.cta.ru/iblock/7ab/.../549_1.jpg

Это не тот двигатель, разрез которого приведён.

Б.г.> и которую можно серебряным припоем спаять с бронзовой внутренней стенкой, и получаем, для рабочего давления в камере в 65 атмосфер, толщину силовой стенки в 2,5 мм.
А как получается надежно пропаять серебряным припоем всю длину стенок каналов - винтовых или каких там?
Если у них высота 1 мм, сама стенка 1 мм и бронза - достаточно мягкий материал, и стенки каждые 4 мм - это чертовски много линий, которые должны быть хорошо и надежно пропаяны. Причем, при сложной конфигурации изделия. Допустим, и внешняя и внутренняя части как-то штампуются (хоть не представляю как - там явно надо много соединений делать), но потом пропайка мягких изделий - это с каким-то ручным прижатием каждой дорожки отдельно?

Б.г.>> и которую можно серебряным припоем спаять с бронзовой внутренней стенкой, и получаем, для рабочего давления в камере в 65 атмосфер, толщину силовой стенки в 2,5 мм.
Bredonosec> А как получается надежно пропаять серебряным припоем всю длину стенок каналов - винтовых или каких там?
Bredonosec> Если у них высота 1 мм, сама стенка 1 мм и бронза - достаточно мягкий материал, и стенки каждые 4 мм - это чертовски много линий, которые должны быть хорошо и надежно пропаяны. Причем, при сложной конфигурации изделия. Допустим, и внешняя и внутренняя части как-то штампуются (хоть не представляю как - там явно надо много соединений делать), но потом пропайка мягких изделий - это с каким-то ручным прижатием каждой дорожки отдельно?

Вакуумом прижимают. Полость откачивают непрерывно. Именно поэтому приходится медно-серебряные припои использовать. Пытались медно-цинковые, но из них цинк в вакууме очень быстро улетучивался, конденсировался в откачивающих трубках и насосах.

Припой специально готовят в виде ленточек, и наносят на нужные линии. Вот наносят, может, что и вручную.

Сами детали, конечно, находятся во время пайки на специальной поддерживающей оправке. Оправка разборная, иначе её не вынуть.

А вишенка на торте - после пайки на силовой стенке остаётся открытое кольцо на критике, пара миллиметров. Оно необходимо для контроля паяного шва между камерой с сужающейся частью сопла и расширяющейся частью сопла. Потом приходится ещё на силовую стенку в районе критики две накладки приваривать аргонно-дуговой сваркой, чтобы закрыть это кольцо. В "Альбоме конструкций ЖРД" Гахуна всё это описано.

Б.г.> Вакуумом прижимают. Полость откачивают непрерывно.
и всё изделие целиком в печке при этом?

Б.г.> Припой специально готовят в виде ленточек
а, то есть, гребни достаточно широкие.
Думал, для эффективного теплопереноса они уже каналов.
зы, дома валялся какой-то странный припой в виде ленточек шириной миллиметра 4-5 и толщиной в долю мм.
но, наверно, это не то, наверно еще где-то подобное используется..

Б.г.> А вишенка на торте - после пайки на силовой стенке остаётся открытое кольцо на критике, пара миллиметров. Потом приходится ещё на силовую стенку в районе критики две накладки приваривать аргонно-дуговой сваркой, чтобы закрыть это кольцо.
а.. то есть, в зоне критики гребешков каналов нет - там просто общее пространство? Или потом там тоже пропаивается?

Bredonosec> и всё изделие целиком в печке при этом?

Да, конечно. И не одно. Но ещё не изделие, а только узел - камера. ТНА и всё прочее подключаются разъёмными фланцевыми соединениями. Сильно позже. Камеры после сборки ещё и сортируются.

Б.г.>> Припой специально готовят в виде ленточек
Bredonosec> а, то есть, гребни достаточно широкие.

Нет, тот же миллиметр.

Bredonosec> Думал, для эффективного теплопереноса они уже каналов.

Уже, да.

Bredonosec> зы, дома валялся какой-то странный припой в виде ленточек шириной миллиметра 4-5 и толщиной в долю мм.

Так он "скатывается" к месту пайки, под воздействием поверхностного натяжения.

Bredonosec> но, наверно, это не то, наверно еще где-то подобное используется..

А припой-то с какой температурой плавления был? У серебряных это, всё же, минимум 600 градусов.

Б.г.>> А вишенка на торте - после пайки на силовой стенке остаётся открытое кольцо на критике, пара миллиметров. Потом приходится ещё на силовую стенку в районе критики две накладки приваривать аргонно-дуговой сваркой, чтобы закрыть это кольцо.
Bredonosec> а.. то есть, в зоне критики гребешков каналов нет - там просто общее пространство? Или потом там тоже пропаивается?

Там всё хитро. Несколько зон. Гребни в самых теплонапряжённых местах, а в менее теплонапряжённых - гофрированные медные проставки. Стык несколько "ниже" критики, если смотреть, как ракета на старте стоит.

Ну сложно впихнуть всё описание в пост на форуме, даже в три.

Вот ссылка на тот самый атлас конструкций. Правда, не проверял содержимое. Я читал скан, сделанный непосредственно с оригинала в МАИ, Олегом Лазутченко.

Б.г.> К чему это всё приводит? Несмотря на то, что в камере сгорания ЖРД очень порядочное давление, десятки атмосфер, в каналах охлаждения минимум на 30 атмосфер больше. Это значит, что охлаждая огневую стенку, топливо давит на неё сильнее, и пытается эту стенку смять внутрь.
Прости, но вот тут непонятно: что мешает поставить насос (или секцию насоса) после системы охлаждения но перед КС? Так, чтобы среднее давление на стенку сопла было не сильно отличным от нуля?
Неужто топливо выходит таким горячим, что насос уже неудобен?

Татарин> Прости, но вот тут непонятно: что мешает поставить насос (или секцию насоса) после системы охлаждения но перед КС? Так, чтобы среднее давление на стенку сопла было не сильно отличным от нуля?

Татарин> Неужто топливо выходит таким горячим, что насос уже неудобен?
Топливо выходит горячим, но проблема не в этом, конечно, а в усложнении пневмогидравлической схемы. Да и потери будут дополнительные от того, что придётся городить дополнительные колёса на валу ТНА. Регулировка тяги и соотношения компонентов усложнится.

Во всяком случае, так не делал никто и никогда, хотя в SSME, он же RS-25, давление за насосом водорода 462 атмосферы, притом, что в камере "всего" 210.

Б.г.> Вакуумом прижимают. Полость откачивают непрерывно. Именно поэтому приходится медно-серебряные припои использовать.

Хм. А не пробовали электронно-лучевую сварку использовать? Под неё эти геометрические размеры — самое то. Припой не нужен вовсе. Единственная проблема, пожалуй, это оксидная плёнка на поверхности. Возможно, придётся изобретать сплав, который в расплавленном состоянии умеет растворять в себе оксиды, не теряя в прочности и прочих характеристиках.

Б.г.>> Вакуумом прижимают. Полость откачивают непрерывно. Именно поэтому приходится медно-серебряные припои использовать.
Sandro> Хм. А не пробовали электронно-лучевую сварку использовать? Под неё эти геометрические размеры — самое то. Припой не нужен вовсе. Единственная проблема, пожалуй, это оксидная плёнка на поверхности. Возможно, придётся изобретать сплав, который в расплавленном состоянии умеет растворять в себе оксиды, не теряя в прочности и прочих характеристиках.

А как внутрь каналов (кривых, есличо) добраться электронным лучом? Ведь припаивается же гребёнка ко внутренней поверхности цилиндра. Или конуса, если речь о сходящейся части сопла. Ну и производительность никакая, ведь, электронный луч варит только в точке, а пайка происходит одновременно по всем соприкасающимся поверхностям.

Б.г.>> Вакуумом прижимают. Полость откачивают непрерывно. Именно поэтому приходится медно-серебряные припои использовать.
Sandro> Хм. А не пробовали электронно-лучевую сварку использовать?
3д-печать (электронно-лучевая или лазерная) сейчас этот вопрос полностью решает (для медных сплавов, где размер монокристалла и межкристаллитные примеси не так критичны, как в железе).

Б.г.> Это не тот двигатель, разрез которого приведён.
Этот они тоже гоняли

Б.г.> Топливо выходит горячим, но проблема не в этом, конечно, а в усложнении пневмогидравлической схемы. Да и потери будут дополнительные от того, что придётся городить дополнительные колёса на валу ТНА. Регулировка тяги и соотношения компонентов усложнится.

А вопрос-то хороший. Действительно, решение ведь напрашивается, и что усложняется конструкция и ПГС - еще не то чтоб полный запрет накладывает.
В конце концов, есть же схема, в к-й охлаждение непосредственно КС и сопла осуществляется вообще отдельным теплоносителем (с ней много Wyvern одно время носился - и это можно понять, схема в общем вкусная). Там вообще как минимум еще один насос приходится иметь, и с этим как-то справлялись.
Не удивлюсь, что если как следует покопаться - были какие-нибудь хотя бы опытные варианты с двумя насосами горючего. Даром что насосы на две разные температуры - это не очень приятно, и будет требовать усложнения конструкции.

Б.г.> Во всяком случае, так не делал никто и никогда, хотя в SSME, он же RS-25, давление за насосом водорода 462 атмосферы, притом, что в камере "всего" 210.

Ну как минимум в ССМЕ несколько снижали перепад давления в охлаждении за счёт разбиения его на две части (на выходе из насоса трубопровод водорода ветвится, и "по высоте" охлаждает независимо две разные части сопла и КС; грубо, можно сказать, что один отвод на сопло, другой на КС). Будь всё за один заход - надо полагать, давление бы пришлось поднять еще сильнее.

Б.г.> потому что, для эффективного теплосъёма, линейная скорость компонента в каналах должна быть очень порядочной, обычно, не менее 10 метров в секунду.

Стоит напомнить, почему - т.к. от скорости зависит не только масса прокачиваемого теплоносителя, но и коэффициенты теплопередачи от стенки к теплоносителю. Зависят довольно нелинейно.

Б.г.>> Это не тот двигатель, разрез которого приведён.
Дем> Этот они тоже гоняли

Три секунды, не больше. Это не стационарный режим. Что там с охлаждением - непонятно всё равно.

Б.г.>> Топливо выходит горячим, но проблема не в этом, конечно, а в усложнении пневмогидравлической схемы. Да и потери будут дополнительные от того, что придётся городить дополнительные колёса на валу ТНА. Регулировка тяги и соотношения компонентов усложнится.
Fakir> А вопрос-то хороший. Действительно, решение ведь напрашивается, и что усложняется конструкция и ПГС - еще не то чтоб полный запрет накладывает.

Ну там градиент давления по длине канала минимум в половину самого падения давления. И, кстати, 20 атмосфер - это я оптимист. Это в РД-108 20 атмосфер, в других движках даже больше.

Fakir> В конце концов, есть же схема, в к-й охлаждение непосредственно КС и сопла осуществляется вообще отдельным теплоносителем (с ней много Wyvern одно время носился - и это можно понять, схема в общем вкусная). Там вообще как минимум еще один насос приходится иметь, и с этим как-то справлялись.

И какие же серийные движки по ней работают? В Вулкане вроде вода используется, и в Ариан-44 бодяжили воду на первой ступени, и больше я не припомню.

Fakir> Не удивлюсь, что если как следует покопаться - были какие-нибудь хотя бы опытные варианты с двумя насосами горючего. Даром что насосы на две разные температуры - это не очень приятно, и будет требовать усложнения конструкции.

Главное - там доп. потери на повороты в коллекторы и обратно, инерционность запуска и останова, и выигрыш непонятен по величине. Опять же, в РД-108 рессора соединяет половинки вала, для борьбы с вибрациями, а с 2 насосами, да ещё со сдвигом, обратные связи могут пойти вразнос.

Б.г.>> Во всяком случае, так не делал никто и никогда, хотя в SSME, он же RS-25, давление за насосом водорода 462 атмосферы, притом, что в камере "всего" 210.

Fakir> Ну как минимум в ССМЕ несколько снижали перепад давления в охлаждении за счёт разбиения его на две части (на выходе из насоса трубопровод водорода ветвится, и "по высоте" охлаждает независимо две разные части сопла и КС; грубо, можно сказать, что один отвод на сопло, другой на КС). Будь всё за один заход - надо полагать, давление бы пришлось поднять еще сильнее.

Это двухсоттонник, там запас по среднемассовой теплоёмкости - примерно десяток раз. К тому же, водород там в сверхкритическом состоянии, а не в жидком, все расчёты надо делать, исходя из этого.