Автор: Roma1879 Категория: Kerbal Space Program » Новости

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Схемы работы ЖРД

Существование разных схем, позволяет разработчикам выбрать нужную, с желаемыми достоинствами (простота использования, легкость производства, высокая тяга или высокий удельный импульс) и приемлемыми недостатками.

Вытеснительная подача

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Самый простой вариант. Давление газа наддува (сначала был азот, теперь массово перешли на гелий) обеспечивает необходимые параметры давления на входе в двигатель. На вытеснительной подаче проводились первые ракетные эксперименты ГИРДа и Годдарда но она не сошла со временем со сцены. Эта схема используется в двигательных установках спутников и космических кораблей. «Союзы», «Шаттлы», «Аполлоны» использовали её. Особенно хорошо вытеснительная подача сочетается с топливной парой НДМГ/АТ из-за её самовоспламенения. Получается простой, надёжный двигатель с возможностью многократного включения.

Достоинства:

Простота.
Надежность.
Дешевизна.
Нет потери массы на турбонасосный агрегат.
Высокая эффективность для двигателей небольшой тяги


Недостатки:

Низкий удельный импульс.
Плохо подходит для двигателей большой тяги.


Открытая схема

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Для повышения тяги, удельного импульса и мощности двигателя уже нужен был насос. Требуемые параметры могла обеспечить только турбина. В первых «настоящих» ракетах — «Фау-2», «Р-7» для привода турбины использовалось отдельное рабочее вещество — концентрированная перекись водорода, но затем перешли на сжигание небольшой доли топливных компонентов. Выхлоп газогенератора сначала просто сбрасывали в сторону, получался очень эффектный факел:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Стартует РН «Атлас». Обратите внимание на размер, мощность и цвет факела. Наглядно видно, что ТНА работает на избытке горючего, которое догорает в атмосферном воздухе.
Дренаж генераторного газа напрямую за борт выглядел расточительно, поэтому его начали направлять в закритическую часть сопла — и чуть-чуть УИ добавит, и как завеса сработает:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Классическая картинка — двигатель F-1
Впрочем, у дренажа газогенератора открытой схемы есть ещё один интересный вариант использования — как двигатель управления по крену:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Вторая ступень РН Falcon-9. Поворот выхлопного патрубка приводит к возникновению закручивающей силы, которая управляет креном ступени.
В в динамике (с третьей минуты)
Внимание! У Вас нет прав для просмотра скрытого текста.

Открытая схема используется и сейчас, и вряд ли исчезнет в ближайшем будущем. За счет относительно небольшой потери УИ она позволяет сделать более мощный двигатель ( F-1 ) или более дешевый двигатель ( RS-68 ) или сделать возможной разработку для коллектива с ограниченными ресурсами ( Merlin ).

Достоинства:

Проще и дешевле закрытой схемы.


Недостатки:

Меньший удельный импульс, чем у закрытой схемы.


Закрытая схема

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Логичным решением для повышения УИ двигателя явилась попытка направить выхлоп газогенератора в камеру сгорания, чтобы он сгорел в лучших для создания тяги условиях. Эта задача оказалась достаточно сложной — в камере сгорания очень большое давление, возникают дополнительные вопросы устойчивости работы двигателя, потому что добавляется ещё одна обратная связь «ТНА-камера сгорания». Двигатели закрытой схемы первым начал делать СССР — НК-15 и НК-33 ставились на тяжелую ракету Н-1, РД-253 работает на «Протоне». США достаточно поздно занялись этой схемой — первым ЖРД закрытой схемы США стал маршевый двигатель шаттла SSME, который, зато, стал первым двигателем закрытого цикла на паре кислород/водород.
Восхититься сложностью двигателя
Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4
Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4



Достоинства:

Наибольший УИ.


Недостатки:

Самая сложная и дорогая схема.


Схема с фазовым переходом



Элегантный «хак» физики ракетного двигателя — необходимость охлаждать сопло двигателя используется как источник энергии для работы турбонасосного агрегата. Схема была придумана для двигателя RL-10 , который уже пятьдесят лет используется в разгонном блоке «Центавр».

Достоинства:

Нет потерь массы на ТНА.
Простота конструкции.
Надежность.


Недостатки:

Пригоден только для пары кислород-водород.
Давление ниже, чем в схеме с ТНА, следовательно, УИ ниже.



Внутренности баков

Внутри баков ракеты-носителя тоже много интересного. Баки стоят один над другим, поэтому нужны трубопроводы подачи «верхнего» компонента, трубопроводы наддува, а также, может быть, надо решать проблему нахождения рядом компонентов топлива с разной температурой. А ещё есть проблема колебания топлива, которую тоже надо решать.

Трубопроводы компонентов

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Это — бак горючего (нижний) первой ступени ракеты-носителя «Союз-2.1в». Обратите внимание на большую трубу с гофрированной оболочкой. Это — трубопровод окислителя. Поскольку окислителем является жидкий кислород, то необходимо поставить теплоизоляцию, чтобы на трубе не намерз керосин. Увы, всё это требует дополнительной массы.

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


А это — РН «Ангара». Выделенное желтым — трубопровод, выполняющий ту же функцию. Судя по пропорциям, это тоже трубопровод окислителя (кислородные баки больше керосиновых для пары кислород-керосин), но выведенный сбоку для упрощения и удешевления производства. С одной стороны, это неэстетично, но цифровая система управления с несимметричностью ракеты справится.

Межбаковый отсек

На второй и третьей ступенях ракеты «Сатурн-V» было применено очень красивое решение — баки кислорода и водорода имели общую стенку:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Слева — первая ступень с межбаковым отсеком, справа — вторая ступень с общей стенкой. Красный — горючее, синий — окислитель.
Трудность состояла в том, что у жидких водорода и кислорода была разница температур в 70 градусов Цельсия. Поэтому стенка состояла из двух слоёв алюминия с теплоизоляцией между ними. Эта конструкция позволила сэкономить целых 3,6 тонны на второй ступени. Что любопытно, топливный бак «Спейс-шаттла» стал в каком-то смысле шагом назад, у него был классический межбаковый отсек.

Трубопроводы наддува

Если вы развернули схему SSME выше, то увидели там выходы газифицированных водорода и кислорода. Они использовались для наддува соответствующих баков. С одной стороны, сэкономили вес на отдельных баках газа наддува, с другой стороны, получили дополнительный трубопровод:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Эта же картинка крупно .

Демпфирующие перегородки

Если вы внимательно рассматривали картинки разрезов баков, то видели кольца различной ширины и крестовины на дне баков шаттла. Это — специальные элементы для демпфирования колебаний топлива.
Крестовины на дне топливного бака шаттла служат для исключения образования воронки при опорожнении бака. Дело в том, что воронка может привести к засасыванию газообразного компонента топлива, что может вызвать проблемы в трубопроводах и двигателях.
Кольцеобразные элементы служат для демпфирования колебания топлива. Поскольку оно жидкое, то перелив топлива к одной стенке при маневре может вызвать проблемы для системы стабилизации. Перегородки могут быть очень большими, как на первой ступени «Сатурна-I»:



Или же практически отсутствовать, как на третьей ступени «Сатурна-V»:



Видео длинное, но рекомендую посмотреть — очень интересно видно поведение жидкого водорода при разгоне ракеты и в невесомости.
Общее правило таково — чем больше маневров ожидается от ступени, тем больший размер перегородок ставится. Вот, например, советский блок «Е» — третья ступень РН «Восток». Здесь перегородки размером практически во всю высоту бака, потому что блок может очень активно маневрировать, а позволять топливу плескаться нельзя:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


И всё это, увы, дополнительные затраты массы.

Система опорожнения баков и синхронизации

Ещё одна проблема, которую приходится решать. Во-первых, горение каждого двигателя в чем-то уникально. Обязательно будут небольшие разбросы тяги и расхода компонентов топлива. Даже для одного двигателя надо ставить специальную систему, чтобы горючее и окислитель закончились одновременно. А если у нас несколько баков или боковых ступеней, то приходится ставить специальную систему, которая будет обеспечивать одновременное окончание компонентов в нескольких ступенях. Сейчас эта система называется ещё системой управления расходом топлива и состоит из набора датчиков уровня и цифровой ЭВМ, которая, помимо управления ракетой, решает ещё и эту задачу:

Незаметные сложности ракетной техники. Часть 4


Третья ступень РН «Союз». По оси баков стоят датчики уровня для СУРТ.
Однако, даже несмотря на усилия СУРТ, у неё самой есть ограничение точности, поэтому какая-то небольшая доля топлива всё равно теряется. Её учитывают при заправке, добавляя в т.н. «гарантированный запас топлива».

Эпилог

Рекомендую посмотреть сериал «Moon Machines» русская версия . Очень хорошо и наглядно показаны сложности, которые приходится решать при проектировании космической техники.

Для навигации:

Первая статья цикла. KS.ru
Вторая статья — твердотопливные двигатели. KS.ru
Третья статья — виды жидкого топлива, геометрические размеры, транспортировка KS.ru


Автор оригинальной статьи: lozga или Филипп Терехов
Разрешение на публикацию статьи получено
Его страничка в ВК: http://vk.com/lozga

Ссылка на оригинал статьи

P.S. У меня есть список интересных тем, по которым можно сделать статьи, и он ещё далеко не исчерпан.

З.Ы. Спасибо Админу за то что хорошо делает свою работу, и даже больше.

- + +34
У Вас НЕТ прав на выставление оценки для этой новости.
Для выставлени оценки необходимо пройти регистрацию на сайте.
Если Вы уже зарегистрировались, то войдите на сайт.
  1. 50
    Это Dunwell Choke Dunwell Choke - #10 0
    +2
    Исправил некоторые ошибки.
    »
    Написано:
    Группа: Администраторы, Публ/Комм: 38/154
    MSI GE60 2PL Apache
    Видеокарта: NVIDIA GTX850M
    Процессор: Intel(R) Core(TM) i5-4210H CPU @ 2.90GHz 64-Бит
    ОЗУ: 8.00 ГБ
     
  2. 1
    Это Roma1879 Roma1879 - #20 0
    0
    Пасибки. belay
    »
    Написано:
    Группа: Посетители, Публ/Комм: 5/114
    MechJeb это наш метод.
    Летаю с тех пор когда не было Жабы и стыковки.
     
  3. 41
    Это TonyKLZ TonyKLZ - #30 0
    0
    Отличный цикл статей, спасибо :)
    »
    Написано:
    Группа: Модераторы, Публ/Комм: 20/390
     
  4. 0
    Это Demonos Demonos - #40 0
    0
    Великолепные обзоры. Спасибо автору. Очень познавательно
    »
    Написано:
    Группа: Посетители, Публ/Комм: 1/25
     
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Чат
  • Трансляции
  • Информация
    На какой стороне Силы Вы?
Последние комментарии
  • gms1981 gms1981 написал в
    Graphics Enhancements Assembly ... (всего 28 комм.)
    Совершенно верно. Хотя, вроде нелогично, но именно так и делал. Инфу об этом брал на форуме (в описании ссылка), там тоже такой вопрос пролетал. Единственное, - не пробовал простые (стандарт), а сразу бросился в HQ. Может быть с простыми не будет "ползать".... Погляжу на выходных и отпишу. Но атмосферу и все остальное в любом случае оставляю. Ну очччень красиво!!!!
  • KTO_TO KTO_TO написал в
    Крейсер "Стальной огурец". (всего 8 комм.)
    ну твои снаряды чугуний не пробивают
  • Artem Kerman Artem Kerman написал в
    Graphics Enhancements Assembly ... (всего 28 комм.)
    Открой папку Alternate NEW/OLD EVE и перенеси папки что там есть в GameData.
  • Коловратка Коловратка написал в
    Научный бесконечнолёт SSTO "S ... (всего 12 комм.)
    Норм штучка.
  • Denundersky Denundersky написал в
    Graphics Enhancements Assembly ... (всего 28 комм.)
    А как сделал, чтобы появились облака? у меня тоже не завелись
  • Secairus12 Secairus12 написал в
    Крейсер "Стальной огурец". (всего 8 комм.)
    А нет проблем с перевесом? Я тут подумываю его чугунием укрепить (детали крыльев - чистый картон). Но выглядит отлично, скачивать я, конечно, буду. +
Все комментарии
Обновления на форуме
99 Всего
0 Польз.
99 Гостей
Яндекс, Google, Alexa
Онлайн список
Новостей на страницу:
Наверх