Техника для вакуумно-атмосферных межпланетных пилотируемых полётов (к Венере)

[ivanij]

А "Морской дракон" подойдёт? Или здесь уже было про него?

Было чуть - чуть, на стр.27.

 Не знал... Но я на него в другой теме ссылался. Там не только википедия, много другого материала. и даже видео есть. 

[ivanij]

  Вот здесь ссылка на видео гипотетического старта "Морского дракона" с поверхности.
Человек никогда не полетит на другие планеты.

 Вообще штука перспективная, можно было бы попробовать, жаль не стали развивать это направление. Хотя могу предположить почему именно. На картинке и в анимации выглядит красиво, однако задача выравнивания этой системы при старте с воды не такая простая, ведь при погружении она будет неустойчива. Случайная нагрузка и... всё, опрокидывание. Поэтому, хоть и нет массивных стартовых ферм, но какие-то направляющие всё-таки должны быть.
 Кроме того, надо учитывать давление воды при погружении всей этой конструкции. а оно будет а) неравномерным, и б) переменным во времени. При этом такого рода конструкций коэффициент запаса прочности минимальный. так что проблем - полно. 

[Андрей 2]

Вообще штука перспективная, можно было бы попробовать, жаль не стали развивать это направление. Хотя могу предположить почему именно. На картинке и в анимации выглядит красиво, однако задача выравнивания этой системы при старте с воды не такая простая, ведь при погружении она будет неустойчива. Случайная нагрузка и... всё, опрокидывание. Поэтому, хоть и нет массивных стартовых ферм, но какие-то направляющие всё-таки должны быть.
 Кроме того, надо учитывать давление воды при погружении всей этой конструкции. а оно будет а) неравномерным, и б) переменным во времени. При этом такого рода конструкций коэффициент запаса прочности минимальный. так что проблем - полно.

Ближайшая аналогия - пуск ракеты с подводной лодки , из подводного положения :

http://www.youtube.com/watch?v=KYBjgDCJZlQ

Но там ракета выходит по направляющим из пусковой ячейки, то есть ей уже заданы начальная скорость и направление, далее после выхода из воды включает маршевый двигатель, и летит согласно начертанному в ея памяти полётному заданию.
Также возникает вопрос по поводу выхлопов от двигателей , по идее продукты горения могут образовывать пену, и привести ракету в неустойчивое состояние, что грозит сваливанием на бок со всеми вытекающими последствиями, подобные явления предположительно объясняют исчезновения кораблей в "Бермудском треугольнике ".
"Предложено несколько гипотез, объясняющих внезапную гибель судов и самолётов выбросами газа — например, в результате распада гидрата метана на дне моря. Согласно одной из таких гипотез, в воде образуются большие пузыри, насыщенные метаном, в которых плотность понижена настолько, что корабли не могут держаться на плаву и мгновенно тонут. Есть предположение, что поднявшись в воздух, метан может вызвать также крушение самолётов — например, из-за понижения плотности воздуха, которое приводит к снижению подъёмной силы и искажению показаний альтиметров. Кроме того, метан в воздухе может привести к остановке двигателей или взрыву.

Экспериментальным путём была действительно подтверждена возможность достаточно быстрого (в пределах десятков секунд) затопления судна, оказавшегося на границе выброса газа в случае, если газ выделяется одним пузырём, размер которого больше или равен длине судна[3][4][5]. Однако остаётся открытым вопрос о таких выделениях газа. Кроме того, гидрат метана находится и в других местах в мировом океане, где не было зафиксировано массовых случаев пропажи кораблей. "
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%B4%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B5%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA#%D0%92%D1%8B%D0%B1%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%8B_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B0

А также возникает вопрос о вибрациях от работы маршевого двигателя, и вероятного возникновения гидроудара с возможным разрушение баков с компонентами топлива, поскольку вибрация будет передаваться не только по корпусу ракеты, но и через воду.

[Андрей 2]

Похоже скоро привезут второй корабль и макет:

https://www.youtube.com/watch?v=5pc2z8F9Ln0

[muhserg]

На мой взгляд, если человечество действительно хочет сократить стоимость вывода грузов на орбиту, то лучше пойти совсем другим путем.

1) Берем плоскогорье в Андах (поближе к космосу) - уже километра 3.

2) Строим у подножья горы АЭС, либо тянем ЛЭП.

3) Доставляем туда огромные электрические вентиляторы с вертолетными лопастями.

4) Ставим эти вентиляторы в линию и соединяем толстым тросом длиной километров 10.

5) На земле прокладываем один рельс длиной километров 20.

6) Запитываем трос, рельс и вентиляторы от АЭС. Поднимаем вентиляторами трос на высоту от 0 до 6 км, чтобы с поверхностью Земли образовался угол, допустим в 30 градусов.

7) Берем прочную ракету с ЖРД и с тележкой на сверхпроводниках. Впереди ракеты полезный груз.

Охлаждаем тележку, заправляем ракету и разгоняем их сначала по рельсу, а потом по тросу.

9) Как трос заканчивается, тележка летит вниз, как БМД с Ил-76, и приземляется на парашютах.

10) Ракета, уже частично преодолев атмосферу и набрав тангенциальную скорость, включает свой ЖРД и классическим способом выводит полезный груз на орбиту.

11) Можно сразу пачку ракет запускать, а потом сажать конструкцию на землю до следующих пусков.

Тележку в принципе можно и по ракетному сажать, а-ля Маск.
Возможно, на тележку будет целесообразно крылья прикрутить для подъемной силы.

[Андрей 2]

О похожем способе я где-то читал, правда я бы сделал немного по-другому: жд полотно разместил бы на некоем склоне, чтобы разгонщик (тележка)  оснащённый группой ЖРД быстрее набирал скорость, далее следовал бы ровный участок, при выходе на который должны будут включиться ещё и двигатели разгоняемой ракеты, далее после ровного участка разгонщик с ракетой выходит на трамплин, где в определённый момент ракета отделяется от него , а сам разгонщик оснащённый системами мягкой посадки опускается на Землю.

[Александр Овчар]

Не знаю, но мне это категорически не нравится. Эта техническая система выглядит совсем не идеально. Начнем с тележки. Трос, рельс не нужен.

Просто длинная ВВП из бетона. Тележка с ЖРД + крыло экраноплана. Грузоподъемностью  1500 тонн. Пусть она несет на себе Большой Аппарат и разгоняет его до 2 км/с, на бетоне. Тут нет никаких существенных ограничений. Тележка с ЖРД сможет  разогнаться до 2 км/с за счет ЖРД.  По ВВП длинной 10 км. Пусть у тележки будут крылья и дополнительный ТРД. Это  экраноплан - в момент разгона тележка убирает шасси.

ПН у тележки - это двух ступенчатый космоплан. Это просто два почти одинаковых КА, каждый массой  по 700 тонн, где топлива по 550-600тонн. Матка и ее Спутник. Где топлива в матке =  600 тонн (+-) 50 тонн. Это как самолет братьев Райт - это биплан.   

Первая ступень, как 1 ступень Протона  - разгоняет сборку из 2-х космопланов до  5 км/с (с 2-х км/с после тележки.)  До высоты (условно 60 км). Здесь 2-й космоплан отделяется от матки и его задача набрать еще 3,5 км/с с выходом на НО.

Вот эта схема - это простая схема и она будет работать. 

Еще представьте себе Большой Самолет , где киль - может изменить свое положение относительно центроплана. Вверх/вниз. В момент разгона - киль опускается в положение "вниз". В момент  посадки - киль занимает положение "вверх". Просто самолет с подвижным килем (по вертикали).  Это уже  летающий космодром, так как верхняя плоскость у самолета  абсолютно ровная. Это как воздушный авианосец. У него есть палуба - и на палубу можно посадить орбитальную часть космоплана.

Тогда задача о космоплане сводится к разгону матки_авианосца до характерной 5 км/с, и старту орбитального космоплана  с палубы летающего "авианосца" с начальной скоростью 5 км/с.

Еще раз = матка_авианосец и орбитальный космоплан - образуют из себя ЛА типа биплан. Здесь подъемная сила крыла увеличена в два и даже в почти в 4 раза (за счет угла атаки верхнего крыла). Начальная масса матки в сборе - порядка 1500 тонн. Ну и что?  Матка (биплан) взлетела с ВВП за счет тяги тележки(бустера), и два крыла биплана создали подъемную силу на 1500 тонн. Это уже есть, и мы просто решаем задачу разгона матки до 5 км/с, за основу. У Матки есть 6-8 шт ТРД от ТУ-160 = они смогут разогнать  матку до 3М, и после включения ЖРД  до 5 км/с.

Космоплану останется набрать крайние 3,5 км/с

[Андрей 2]

Пусть она несет на себе Большой Аппарат и разгоняет его до 2 км/с,

 А не многовато? для безрельсовой тележки не слишком высокая скорость?

[Александр Овчар]

А не многовато? для безрельсовой тележки не слишком высокая скорость?

Многовато конечно, я считал на 3М вообще то с начальной условной 900 км/ч.

Это как вопрос - может ли условная 1 ступень  Протона, если ее положить на бок - разогнать  что то тяжелое до 2 км/с на ВВП в принципе (в горизонтальном полете, если сила тяжести уравновешена подъемной силой крыла). Это тяжелое как то очень тяжелое = масса двух космопланов. И два, тележка может потом тормозиться вторым ЖРД на ВВП, например на 10же.

Тележка как то   не особо помогает, если делать дозаправку на потолке 10 км.

[Александр Овчар]

Вспомнил! Тележка нужна только для того, что бы убрать из космоплана механизм изменения стреловидности крыла! Посмотрите на старт ТУ-160.  Геометрия крыла изменяется сразу после отрыва от ВВП. Больше этот механизм не используется.
Есть такая тема - военный планер.

Вот тут на видео на 9:56 хорошо виден взлет планера на буксире за самолетом.
https://youtu.be/rat35tRbJps?t=596

Если предельно обострить, то видится простая схема.  Тележка не нужна.

На ВВП ставим  самолет и два планера.
Ту-160 (буксир) + (гибкая сцепка)  космоплан (КП) + (жесткая сцепка/уточнить)  бустер космоплана.  (БК)

Ту-160 обеспечивает взлет сцепки и набор потолка 10 км и скорости 250 м/с (900 км/ч)
БК имеет на борту ТРД в блоке массой 50 тонн (30 тн мотора  + 20 тн керосина)

ТУ-160 модернизован = нет ПН на 45 тонн, нет стреловидности на 10 тонн и нет запаса топлива на 190 тонн, но есть  дополнительные ТРД. Это позволит удвоить тягу (уточнить)

Основная задача ТУ-160 разгон по ВВП до взлетной скорости на уровне 500 км/с. Эта скорость создаст подъемную силу на крыле космоплана, при условии, что космоплан полностью заправлен топливом (уточнить).
Итак,  допустим самолет и два планера успешно взлетели, набрали потолок 10 км и скорость 900 км/ч. Убираем самолет и включаем ЖРД на корме сцепки == включаем ЖРД бустера.

Для начала задаем исходные данные
Масса КП = 500 тонн, где корпус 50 тонн, ПН = 50 тонн и топливо 400 тонн.
Масса БК = 500 тонн, где корпус = 50 тонн, блок ТРД =50 тонн и топливо = 400 тонн

Мы видим предельно универсальный вариант, бустер это тот же космоплан, но в место ПН на 50 тонн мы установили блок воздушных моторов. Делаем расчет и смотрим что получается.

Сначала посмотрим вариант ==просто коспоплан ==
Что тут? просто сканируем массу космоплана от 500 до 2000 тонн, разумно меняем массу "железа", но ПН держим на 50 тонн. В итоге мы всегда знаем массу топлива (от 400 тонн до  1750 тонн).
Главный результат в колонке V  == КП массой 500 тонн сможет набрать всего  4667.33 м/с
До конечной скорости с учетом потерь не хватает  "всего"   3592,03 м/с

Справочно, есть расчет требуемого Удельного Импульса = видим, что КП полетит, если УИ вырастет до 5132 (вместо 2900) м/с  и видим, что с увеличением массы КП это снижается.

Эту скорость попробуем набрать за счет включения ЖРД на бустере. На ждет удача на с 1 раза.



Смотрим крайнею колонку справа. Это итоговый результат нехватки скорости после всех операций. Вот эту нехватку можно пытаться перекрыть за счет разгона на ТРД.

ТУ-160 + ТРД бустера должны  разогнать сцепку до  984 м/с или 623 м/с.  При этом масса сцепки (космоплан +бустер)
равна 1400 или 1600 тонн, при массе космоплана 500 тонн, значит масса бустера = 900-1100 тонн.
==
Вывод. Планерная схема, когда самолет-буксир выводит на потолок 10 км двух_ступенчатый космоплан и за счет ТРД разгоняет это все до 3М и когда  масса орбитальной части = 500 тонн  и масса бустера = 900 тонн == это технически допустимо и ПН на уровне 50 тонн.

Для снижения веса корпусов космоплана и бустера - можно применить взлет с пустыми баками и дозаправкой.
=
Итоги расчета : дано

• Ту-160 в облегчен, форсирован = 1 шт
• космоплан 500 тонн, корпус 50 тонн, ПН 50 тонн, топливо = 400 тонн = 1 шт
• бустер 900 тонн, корпус 60 тонн,  топливо  = 840 тонн (блок ТРД ..забыл добавить, а оно полетело)

итого схема полета

• взлет как планер на 500 км/час,
• выход на эшелон как планер = 10 км и 900 км/ч,
• разгон до 3М на ТРД самолета = до 990 м/с 
• разгон бустером до 2657 м/с  + 990 м/с  = 3642 м/с
• разгон 4667 + 2657 + 990 мс = 8310 м/с и есть запас на 250 м/с (не учтены) 

файл с расчетом во вложении.

[Александр Овчар]

Можно поиграться с удельным импульсом. Поставим 3300 м/с и сразу на 1строке 2 части (бустер и космоплан)получим вариант
разгон на ТРД до  1024 м/с
Бустер  массой 500 тонн корпус 50 тонн топливо 450 тонн = до  1972 м/с + 1024
Космоплан массой 500 тонн корпус 50 тонн ПН 50 тонн,топливо 400 тонн = до 5311 + 1972 + 1024

и опять 250 м/запасе.

Но на 2 ступени все летит уже почти в пустоте = УИ порядка 3700 м/с, считаем заново:

И это все резко меняет == на  ТРД надо разогнать сцепку всего до  381 м/с
разгон на ТРД до  381 м/с
Бустер  массой 500 тонн корпус 50 тонн топливо 450 тонн = до  1972 м/с + 381
Космоплан массой 500 тонн корпус 50 тонн ПН 50 тонн,топливо 400 тонн = до 5954 + 1972 + 1024
и опять 250 м/запасе.

==Теперь можно увеличить вес корпусов, ибо 50 тонн откровенно маловато. Файл прилагаю, все летит при:

Космоплан 500 тонн,корпус 70 тонн, ПН 50 тонн, топливо 380 тонн = 5280 м/с
Бустер 700 тонн корпус 75 тонн топливо 625 тонн = 2427 м/с
ТУ-160 = 601 м/с
и опять 250 м/с в запасе.
==
Резюме == система хорошо "настраивается"
масса аппаратов на уровне  500 и  700 тонн заправленных  и 80 тонн и 90 тонн посадочных = как то разумна.Если на ТУ-160 поставить ТД ускорители еще, то возможно это сможет разогнать планер(ы) до 4М. Тогда все становится как то проще еще.

[Александр Овчар]

Я с аэродинамическим и прочими потерями явно ошибся, на пустотном участке заложил потери аж 500 м/с.
А на участке бустера (с потолка 10 км ) всего 50 м/с. Просто исправим на 75 м/с 150 м/с соответственно, получим рабочий вариант   

Космоплан 500 тонн,корпус 70 тонн, ПН 50 тонн, топливо 380 тонн = 5280 м/с
Бустер 700 тонн корпус 75 тонн топливо 625 тонн = 2427 м/с
ТУ-160 = 276 м/с (всего!!)

и опять 250 м/с в запасе.
==
Красиво то, что требования к ТУ-160  в части  разгона на ТРД легко уходят в область 300 м/с и даже, если увеличивать массу бустера до 900 тонн, то ускорение на ТРД становится не нужным. И более того,  массу ПН можно увеличить легко за счет модернизации участка ТРД на ТУ-160

[Александр Овчар]

и просто посмотрим тяжелый корпус:

Космоплан  500 тонн
УИ = 3700 м/с,   корпус 100 т, ПН 50 т, топливо 350 т = скорость 4457  м/с

Бустер  900 тонн
УИ = 3300 м/с, корпус 140 т, топливо 760 т = скорость =2583 м/с
ТУ-160 = скорость = 946 м/с.
(и 250 м/с в запасе)

[Андрей 2]

Спасибо за большой объём проделанной работы, а у вас есть расчёт для космолёта - крылатого корабля не нуждающегося в носителе? Расчёт типа того что есть на стр.28?

[muhserg]

Не совсем, в тему космолетов, но по тематике вывода на орбиту.
Уже есть работающий прототип.

https://youtu.be/tzc6loHEdAs

[Александр Овчар]

У меня был вопрос о массе корпуса космолета или самолета. Прочитал целый список литературы, провел анализ. Детали не важны - вот результат. Там есть специальная терминология, назову проще = коэффициент массы корпуса где все учтено, кроме полной массы топлива и массы полезной нагрузки. В ТТХ самолетов  это описано, есть взлетная масса, есть масса топлива, есть коммерческая загрузка.  Итак - это коэффициент К.

Для гражданских самолетов к = 0,40. Хотя в учебниках видят К= 0,25 как хороший уровень развития техники.

Для грузовых (АН-124) там что запредельно низкое, я даже не понял как это все крутится. Видел цифру = массу чистого железа всего на  25 тонн, мой расчет дает 90 т для Ан-225 и 60 т для Ан-125 и К= 0,15.
Это как то очень низко, в А-380 К= 0,4

Очень плохой К для Бурана и Шаттла = 0,71 В самом деле = взлетная масса  Бурана 105 т, ПН 30 т, корпус = 75 т.   И К = 75/105 = 0,71.

А Скайлон смело заложил К=0,15.  Они сообщили ТТХ : Взлетный вес 345 т, топливо 277 т, ПН 15т и сухой вес 53 т
К = 53 / 345 = 0.15.

Оказывается это смелые люди, они решили что у Скайлона низкий баллистический коэффициент, и цитата

Из-за того, что в аппарате используется топливо с низкой плотностью в виде жидкого водорода , требуется большой объем, чтобы содержать достаточно энергии для достижения орбиты. Пропеллент предназначен для поддержания низкого давления, чтобы минимизировать напряжение;

Большое и легкое транспортное средство имеет преимущество при входе в атмосферу по сравнению с другими транспортными средствами из-за низкого баллистического коэффициента . [69] Из-за низкого баллистического коэффициента Skylon будет замедляться на больших высотах, где воздух тоньше; как следствие, температура обшивки транспортного средства будет достигать только 830 ° C (1520 ° F). [70] [71] Напротив, меньший по размерам космический шаттл нагрелся до 1730 ° C (3140 ° F) на передней кромке., и поэтому использовала чрезвычайно термостойкую, но хрупкую систему тепловой защиты из кремнезема . Конструкция Skylon не требует такого подхода, вместо этого используется гораздо более тонкая, но прочная армированная керамическая оболочка; [13] однако из-за турбулентного обтекания крыльев при входе в атмосферу некоторые секции транспортного средства должны быть оснащены активными системами охлаждения. [36] [68]

Ну вы видите на картинках, что 53 тонн  пустого Сакйлона  = это как пуля, что заполнена воздухом и она будет тормозиться более плавно. А Буран/Шаттл падает как кирпич и тормозит брюхом.
Короче я решил выбрать К= 0,20, так как все таки ПН заложена на 50 тонн. 
Для орбитального самолета, где есть две "сигары" для хранения топлива  (что кардинально отличает космоплан от Бурана/Шаттла), что на самом деле может войти в атмосферу с низким баллистическим коэффициентом, этого может хватить).

А для бустера - где нет задач прочности на спуске с орбиту можно назначить смело К= 0.15, имхо, даже нагло. Тут нет транспортного отсека = это просто прочная бочка крыльями. Но ясно, что аварийная посадка прерванного взлета с полной загрузкой вызывает вопросы.
==В итоге расчет показал возможный конфиг
Космоплан  500 тонн к = 0,2
УИ = 3700 м/с,   корпус 100 т, ПН 50 т, топливо 350 т = скорость 4454  м/с

Бустер  900 тонн к = 0,15
УИ = 3300 м/с, корпус 135 т, топливо 765 т = скорость =2608 м/с
ТУ-160  скорость = 920 м/с.

или более практично
Бустер  1100 тонн
УИ = 3300 м/с, корпус 165 т, топливо 935 т = скорость =2897 м/с
ТУ-160  скорость = 632 м/с = 1,9 М
(и 250 м/с в запасе)
==Остается вопрос по движкам, уточнить аэродинамические потери для бустера и орбитального и понять какие  ТТх могут быть у самолета-буксира, и вообще - реально ли хотя бы  "перейти звуковой барьер с прицепом".Условно, на ТУ-160 можно поставить 10 моторов с суммарной тягой 250 000 кгс на форсаже общим весом всего 40 тонн == как раз вместо его штатной ПН на 45 тонн. И на корме бустера = тоже можно поставить 4 мотора от ТУ-160 общим весом 15 т всего.

==смотрим сразу хорошие варианты  и добавим аэродинамических потерь до 400 м/с и перейдем
на RS-25 с его УИ 4430 м/с и 3590 и четко попадаем в яблочко=

Космоплан  500 тонн к = 0,2
УИ = 4430 м/с,   корпус 100 т, ПН 50 т, топливо 350 т = скорость 5334  м/с

Бустер  700 тонн к = 0,15
УИ = 3590 м/с, корпус 105 т + 50 т ТРД , топливо 545 т = скорость = 2173 м/с
ТУ-160 + ТРД бустера + 400 м/с потери   скорость = 728 м/с  = 2,2 М

Бустер  900 тонн к = 0,15
УИ = 3590 м/с, корпус 135 т + 50 т ТРД , топливо 715 т = скорость = 2566 м/с
ТУ-160 + ТРД бустера + 400 м/с потери   скорость всего  = 335 м/с  = 1.01 М


 

[Александр Овчар]

Спасибо за большой объём проделанной работы, а у вас есть расчёт для космолёта - крылатого корабля не нуждающегося в носителе? Расчёт типа того что есть на стр.28?

Вот расчет = на 20 стр и ниже - все летает на одном "крыле".

и см также мануал на Скайлон
https://web.archive.org/web/20160418035934/http://www.reactionengines.co.uk/tech_docs/SKYLON_User_Manual_rev1-1.pdf
стр 13 рис 4 - виден угол атаки .
Это на тему какая тяга нужна бандуре на 2000 тонн весом что бы
а) взлететь на ТРД
б) горизонт лететь на ТРД на простой крейсерской 900 км/с
в) лететь (долго) на ЖРД с углом атаки 45 град используя подъемную силу крыла для уменьшения тяги

[Андрей 2]

Очень плохой К для Бурана и Шаттла

Ну корабли такого типа тоже имеют право на жизнь, многоразовые, вместительные аппараты, кто-нибудь кроме Шаттла мог проводить ремонт орбитального аппарата, или доставить его на Землю? Только подобные корабли могут выполнять указанные действия, тем более что ничего другого, равноценного им попросту нет.

[Александр Овчар]

Очень плохой К для Бурана и Шаттла

Ну корабли такого типа тоже имеют право на жизнь, многоразовые, вместительные аппараты, кто-нибудь кроме Шаттла мог проводить ремонт орбитального аппарата, или доставить его на Землю? Только подобные корабли могут выполнять указанные действия, тем более что ничего другого, равноценного им попросту нет.

Я поставил оценку "плохо" для космолета. Космолет с таким прочным корпусом не взлетит и не полетит на известных моторах. Только как челнок = верхом на носителе.

А вот на буксире и с бустером - это кажется может взлететь. Во всяком случае им уже  хватает  топлива по прямым расчетам.

[Андрей 2]

Только как челнок = верхом на носителе.

Да, на многоразовом носителе, и тогда все будут сыты и счастливы!