Твердотопливные ракеты для космоса?

[MARS9]

Всем отлично известно что твердотопливные ракеты используют в космонавтике, вот например две ускорители для «Спейс шаттл». Но с помощью только твердотопливных ракет полет в космос невозможно, причины понятно: низкий удельный импульс твердого топлива и необходимость того чтоб каркас твердотопливных ускорителей/ракет был жестким, то есть тяжелим.
Но я вот смотрел документальный фильм «Тур на космодром Байконур» http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=2874856 и там сказали что (на 13 минуте и 42 секунде) «уже разработаны твердотопливные ракеты но до реального запуска дело пока не дошло».
Это правда? То есть все-таки возможно построить  твердотопливную ракету (одно- или двухступенчатую) и запустить в космос полезные нагрузки? Если да, то каким образом был достигнут такой прогресс? Новое твердое горючее придумали, или возможно новый сверхлегкий и сверхпрочный материал для корпуса ракеты? Если это возможно то наверно полет в космос подешевеет

[L_Pt]

Всем отлично известно что твердотопливные ракеты используют в космонавтике, вот например две ускорители для «Спейс шаттл». Но с помощью только твердотопливных ракет полет в космос невозможно, причины понятно: низкий удельный импульс твердого топлива и необходимость того чтоб каркас твердотопливных ускорителей/ракет был жестким, то есть тяжелим.
Но я вот смотрел документальный фильм «Тур на космодром Байконур» http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=2874856 и там сказали что (на 13 минуте и 42 секунде) «уже разработаны твердотопливные ракеты но до реального запуска дело пока не дошло».
Это правда? То есть все-таки возможно построить  твердотопливную ракету (одно- или двухступенчатую) и запустить в космос полезные нагрузки? Если да, то каким образом был достигнут такой прогресс? Новое твердое горючее придумали, или возможно новый сверхлегкий и сверхпрочный материал для корпуса ракеты? Если это возможно то наверно полет в космос подешевеет

Давно возможно. Например, американская РН Пегас. Вроде есть и другие примеры.

Только количество ступеней как минимум 3, и процент полезной нагрузки от стартовой массы довольно низкий.

Про какой-то особенный прогресс в этом направлении в последнее время не слышал.

[Грехов Михаил]

Если да, то каким образом был достигнут такой прогресс? Новое твердое горючее придумали, или возможно новый сверхлегкий и сверхпрочный материал для корпуса ракеты? Если это возможно то наверно полет в космос подешевеет

1. Твёрдое топливо никогда не сравнится по УИ с жидким (это понял ещё Королёв... и специально подколол военных к созданию Р-7 именно на жидком топливе - чтобы в космос летать)
2. При создании большой твердотопливной РН - основная проблема не корпус, а заливка твердого топлива без трещин. Чтобы была стабильной.
4. У РДТТ невозможно менять тягу "по ходу пьессы". Как подожгли, так и горит. Можно задавать график тяги разной формой канала внутри (но это не панацея) - это тоже недостаток. Сложно управлять вектором тяги и её перекосом.
5. Создание РН на твёрдом топливе-не менее трудоёмко. Да, нет баков, ТНА, и проч... зато все должно быть тщательным. Сопло, контроль плотности, контроль топлива. Порою сам корпус мотают из композитов (дорого).
6. Хорошее твердое топливо подчас дороже керосина и кислорода.
7. Себестоимость космического старта-это не только тип двигателя, но и работа тысяч людей, станков... в отапливаемых помещениях.... по обслуживанию стартового комплекса, созданию космического корабля (который будет стандартным). Порой этот космический корабль дороже (полезная нагрузка), чем РН в 2-3 раза.
8. РДТТ менее безопасен. РН на жидком топливе заправляют в момент старта.... можно слить, увезти и т.п. А тут по сути дела "бомба" которая поступает с завода. Назад пути нет.
9. РДТТ значительно менее экологичен. При сгорании керосина образуется углекислый газ и вода. За РН "Союз" в момент старта даже шлейфа не тянется. А за "Шаттлом"?
10. Так как у РДТТ -конструкция более жёсткая (болванка топлива), то нагрузки на ПН больше, чем в случае ЖРД.

Резюмируя всё вышесказанное - в корне неверно, что РДТТ упростит и удешевит полеты в космос. И нет никакого резона развивать это направление для космических целей. Их ниша - тупое ускорение при начальном старте. Или как некая легкая РН для вывода спутников с низкой точностью орбиты.   

[MARS9]

L_Pt

Про какой-то особенный прогресс в этом направлении в последнее время не слышал.

Я тоже не слышал, значит не нужно верить тому что в том фильме сказано?
Грехов Михаил

РДТТ значительно менее экологичен. При сгорании керосина образуется углекислый газ и вода. За РН "Союз" в момент старта даже шлейфа не тянется. А за "Шаттлом"?

Интересный вопрос, тот дым от "Шаттла" ядовитый? 

[L_Pt]

MARSS9 скачивать фильм сейчас неохота, но в том, что разработаны полностью твердотопливные РН ничего особенного нет. В мире они уже давно летают. Вот только характеристики не особо.

Да, там выделяется Cl₂ и HCl.
Не как гептил, но по сравнению керосин+кислород (а тем более водород+кислород) твердотопливное топливо очень грязное.

[Okub62]

Давно возможно. Например, американская РН Пегас. Вроде есть и другие примеры.

Формально, Пегас как бы и не совсем твердотопливный. Он же с самолёта пускается, а самолёт работает на керосине.

[Грехов Михаил]

Ну и цена килограмма на орбите довольно высока... РН "Пегас" выводит 443 кг. А стоимость пуска-11млн долларов. Итого стоимость килограмма на орбите - 25 тыс. долларов.

РН "Протон" способна доставить на орбиту 23 тонны. А стоимость пуска - 100млн долларов. Что даёт стоимость килограмма в 4,3 тыс долларов. 

[MARS9]

Хорошо, понятно, значит в принципе в том фильме даны неправильные сведение, ну в том смысле что только твердотопливные РН могут вывести груз в космосе.
L_Pt

но в том, что разработаны полностью твердотопливные РН ничего особенного нет

Давно возможно. Например, американская РН Пегас. Вроде есть и другие примеры.

Ну как Okub62 заметил Пегас не в одиночку летает, значит это не тот пример что в том фильме имели в виду.

[bob]

И нет никакого резона развивать это направление для космических целей. Их ниша - тупое ускорение при начальном старте. Или как некая легкая РН для вывода спутников с низкой точностью орбиты.   

Скорее всего - да. "Арес" был неудачной побочной ветвью. Пока это была самая большая и мощная в мире космическая РН с ТТРД. И больше нет её.

[Грехов Михаил]

Арес тоже нельзя назвать полностью твердотопливной. По сути дела твёрдотопливная только первая ступень (переделанный ускоритель от Шаттла), а вторая и всё после неё-на жидком топливе (переделанный кислородно-водородный бак от Шаттла с двигателем). В случае 4-й и 5-й серии - первая ступень получается смешанной с одновременной работой ЖРД и РДТТ.

[Darth Sirius]

(это понял ещё Королёв... и специально подколол военных к созданию Р-7 именно на жидком топливе - чтобы в космос летать)

А у него разве были свои твердотопливные разработки соизмеримые с жидкостной V-2?

[Грехов Михаил]

А у него разве были свои твердотопливные разработки соизмеримые с жидкостной V-2?

Не было... но чтобы понять-не обязательно всё проверять на практике. ЖРД стал развиваться ещё в момент ГИРДа в состав которой входил и Королёв. Один из первых ЖРД был создан под руководством Цандера в 1933 году. И к моменту окончания ВОВ у Королёва уже имелись практические разработки ракет. Трофейная V-2 дала этому мощный импульс. 

[Okub62]

Не было тогда пороха подходящего для больших ракет, вот и все дела, полагаю.

[Грехов Михаил]

Всё решает химия и термодинамика....

Чтобы получить большие параметры продуктов сгорания (температуру) надо чтобы продукты сгорания имели по возможности меньшую теплоёмкость. А окисление топлива давало бы побольше энергии.

Теплоёмкость продуктов сгорания зависит от состава продуктов сгорания. В теории известно, что чем меньше в газе атомов, тем меньше его теплоёмкость. То есть какой-нибудь бутан (14-ти атомный газ) нагреть тяжелее, чем метан допустим (5 атомный газ). В теории вообще бы получить двухатомные и трёхатомные продукты сгорания. Это первое.

Второе - Теплотворная способность топлива определяется как разница между теплом выделившимся при создании продуктов сгорания и теплом, которое потрачено на разрушение исходных веществ на атомы. Как следствие - чем более простые вещества применяются, тем потраченное тепло будет меньше (меньше связей, которые нужно нарушить).

Так уж получается, что наиболее простые молекулы встречаются в жидких видах топлива и их калорийность выше. Это первое. Они же при сгорании образуют трёхатомные газы (СО2 Н2О), теплоёмкость которых не такая большая.

[bob]

Всё решает химия и термодинамика....

Сложный вопрос, на самом деле. Дело в том, что современный ракетный "порох" - это-ж не порох в привычном смысле слова. Скорее, это термитная смесь, композит с содержанием пороха. Там алюминиевой, магниевой. и медной пудры в виде присадок больше, чем самого пороха. Поэтому средняя теплопроводность горючего материала и выделямая энергия вполне сопоставимы со сжиженными газами. Например:
"..."Электрон" - Металлизированная зажигательная смесь. Используется для снаряжения авиабомб и артиллерийских снарядов. Представляет собой горючий сплав: 90/6 магния и 10/6 алюминия. Воспламеняется при 600°С, горит ослепительно белым или голубоватым пламенем, развивая температуру 2800..."
А если ещё и циркония добавить, то ух.
http://www.uhlib.ru/voennaja_istorija/ognemetno_zazhigatelnoe_oruzhie/p12.php

Теплотворная способность топлива определяется как разница между теплом выделившимся при создании продуктов сгорания и теплом, которое потрачено на разрушение исходных веществ на атомы. Как следствие - чем более простые вещества применяются, тем потраченное тепло будет меньше (меньше связей, которые нужно нарушить).

Так уж получается, что наиболее простые молекулы встречаются в жидких видах топлива и их калорийность выше. Это первое. Они же при сгорании образуют трёхатомные газы (СО2 Н2О), теплоёмкость которых не такая большая.

Энто только с молекулярно-кинетической точки зрения. Металл является хорошей альтернативой именно в виду высокой "коллективной" его теплопроводности. Лучшие термитные смеси обеспечивают быстрое горение при температурах до 5 000 К. Это хороший эквивалент пары кислород-водород.
Поэтому мне кажется, что слабость ТТРД всё-таки больше конструктивная: топливный бак, одновременно являющийся двигателем, слишком тяжёл для обеспечения его термостойкости и прочности на разрыв. У жидкостной ракеты двигатели маленькие, а баки лёгкие, им не нужна большая прочность.

[bob]

Боб, не дезинформируй народ авиабомбами. Большинство современных маршевых РДТТ летают на смеси перхлората аммония (доброе утро, озон), алюминиевой пудры и связующего полимера.

Миль пардон. Да, в современных смесях самого пороха уже и вообще нет. Действительно композит из термитного металла и прочей гадости, типа аммонала, и всё пластмассой укатано.
Я имел в виду, что молекулярно-кинетический подход ув. Михаила не совсем однозначен. Это именно для сжиженных топлив, чем проще их состав, тем выше энерговыделение. Металлическая горючая прослойка является вполне достойным обходным путём этого правила. Как раз в том числе и с точки зрения оптимизации теплопроводности. А вот главный конструктивный недостаток не обойдёшь: объединение двигателя и топливного бака в одном флаконе. Если бы масса конструкции РН с ЖРД и ТРД была равной, ТТРД стал бы равен ЖРД. Если не лучше.
(Если посмотреть видео про старт "Ареса", там пламя ярко-белое и дымный шлейф белый. Это алюминий и оксид алюминия, в основном. Действительно - пламенный привет экологам, тут не только доброе утро озон, но и кайф для любителей подышать ядовитыми оксидами металлов.)

[Грехов Михаил]

Металлическая горючая прослойка является вполне достойным обходным путём этого правила. Как раз в том числе и с точки зрения оптимизации теплопроводности.

1. не теплопроводности-а тепловыделения.
2. Ничего не мешает тонкодисперсный порошок алюминия добавить в жидкое топливо.
3. Есть такая универсальная характеристика двигателя, как удельный импульс.  У твёрдотопливных ускорителей Шаттла это значение  - 268 секунд в вакууме. Там уже топливо содержит алюминий. А у кислородно-водородного ЖРД - 428 сек.  У керосинового - 335 сек. Без всякого металла.

Я имел в виду, что молекулярно-кинетический подход ув. Михаила не совсем однозначен. Это именно для сжиженных топлив, чем проще их состав, тем выше энерговыделение.

Это справедливо для любых экзотермических реакций. Не зависит от типа топлива.

[Okub62]

Окись алюминия не ядовита. Обычный глинозём.

В Войну не было таких смесей, только пироксилин-нитроглицериновые (гликолевые у немцев). И там проблема великая большие шашки формовать, чтобы ни утруски, ни усадки. А то долбанёт или не даст расчётных характеристик.
Да, РДТТ остановить и регулировать нельзя - зак запалили, так и горит до выгорания, как Бог на душу положит рассчитано.

[bob]

Окись алюминия не ядовита. Обычный глинозём.

http://www.u-lekar.ru/content/view/976/
"Среди окислов металлов известны вещества совершенно нетоксичные, а бывают и сильные яды. Мало токсична, например, окись алюминия. Гораздо более ядовиты окислы ртути, таллия, свинца..."
Неправда Ваша. То, что из алюминия иногда раньше делали посуду, это ещё не значит, что он не ядовит. Просто, ввиду не очень высокой токсичности, и практически ничтожной растворимости окисла, этим пренебрегали ради простоты технологии. Из свинца тоже в древности делали водопроводы и посуду. И, вроде, ничего, никто насмерть не помер, но потом удивлялись, отчего в роду столько умственных уродов и у всех постоянная тошнота и мигрень (он очень нейротоксичен). Массовые человеческие жертвы случились, когда окись стали использовать в виде пудры как подсластитель в столовом вине (она намного слаще сахара и приятнее на вкус) и для напудривания париков. Народ постепенно дох, как и при травле мышьяком.  А глина не ядовита потому, что окисла в ней мало. Его ещё надо уметь из неё выцепить. Да и не ест никто глину, чтобы попробовать на ядовитость. 

[MARS9]

У меня две вопросы:
1. Не годиться ли твердотопливная ракета для суборбитальных полетов которые вот в наше время начинается? В этом случае большой удельный импульс не нужен, тут главное дешевизна и безопасность.
2. У многих современных РН топливо это керосин и окислитель это кислород. А нельзя ли сделать так-в качестве топлива взять твердые углеводоро́ды,  а в качестве окислителя твердый кислород. Сделаем смесь из них и поместив в ракете как это вообще делают в твердотопливных ракетах. Топливные качества этой смеси будет такая же как у жидкостных ракет (ведь и топливо и окислитель почти та же), но зато будет более простая и наверно дешевая ракета.
Такое пробовали сделать?