Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[библиограф]

Согласно отчётам, водород при большой температуре начинает есть карбиды. Метан прекрасен - плотность жидкого метана намного выше, хранить легче. При этом чистый метан не применим, т.к. быстро забивает реактор сажей.

Прежде, чем писать здесь вздор, почитайте старую популярную, но толковую брошюрку про ЯРД
 http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1978/6/panevin.html
Все разработанные и испытанные ЯРД использовали водород в качестве рабочего тела!
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%94-0410
https://ru.wikipedia.org/wiki/NERVA

[библиограф]

Так вот. Попадалась информация что добавление в жидкий водород Н2 НЕКОТОРОГО КОЛИЧЕСТВА метана CН4 очень благотвороно отражается на физических свойствах этой смеси. Мол, она становится вроде и даже плотней и и стабильней и температура кипения вроде выше...

Незнайка опять всё перепутал
Метан замерзает при  -182С, водород кипит при -252С, что будем делать дальше?
А наоборот, в жидком метане растворяют водород - это да, даёт важные преимущества!
И не только для ЖРД - добавление водорода в топливную смесь обычных ДВС и дизелей
очень выгодно, по многим причинам.
http://mospolytech.ru/science/autotr2009/scientific/article/s02/s02_05.pdf
Растворимость водорода изучалось очень давно.
http://elibrary.lt/resursai/Uzsienio%20leidiniai/Uspechi_Fiz_Nauk/1947/02/ufn47_02_04.pdf

[elind]

Чистые растворы достаточно стабильны (скорость разложения обычно не превышает 0,6% в год).

А какой концентрации эти растворы? Одно дело - 3% медицинский, который, действительно, без катализатора вода-водой, а другое - 80-98%, который взрывоопасен.
Главная проблема с ним в том, что он может взорваться от кавитации, которой будет предостаточно в баке стартующего супертяжа.

[библиограф]

Главная проблема с ним в том, что он может взорваться от кавитации, которой будет предостаточно в баке стартующего супертяжа.

Не срамитесь, и не пишите чушь!
Главная проблема - вы пишите о вещах, в которых не понимаете вообще ничего!
Турбонасосный агрегат двигателей РД-107 работает на 82% перекиси водорода, ничего не
взрывается
http://www.lpre.de/energomash/RD-107/index.htm

[Андрей Курилов]

Согласно отчётам, водород при большой температуре начинает есть карбиды. Метан прекрасен - плотность жидкого метана намного выше, хранить легче. При этом чистый метан не применим, т.к. быстро забивает реактор сажей.

Прежде, чем писать здесь вздор, почитайте старую популярную, но толковую брошюрку про ЯРД
 http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1978/6/panevin.html
Все разработанные и испытанные ЯРД использовали водород в качестве рабочего тела!
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%94-0410
https://ru.wikipedia.org/wiki/NERVA

Углеводороды в большей степени показаны как функциональные добавки к рабочему телу. В частности добавка гексана к водороду улучшает работу ТЯРД в ядерно-физическом отношении и увеличивает ресурс работы карбидного топлива.

https://m.traditio.wiki/%D0%A2%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D0%BE%D1%84%D0%B0%D0%B7%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C

[библиограф]

Метан прекрасен - плотность жидкого метана намного выше, хранить легче. При этом чистый метан не применим, т.к. быстро забивает реактор сажей.

Это всё отсюда - как отважные космопроходцы будут добывать метан на Титане, чтобы заправить баки планетолета с моторами на внутриатомной энергии.
Бассард Р., Де-Лауэр Р. Ракета с атомным двигателем
http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/bassard/raketa/01.html
В 50-е годы жидкий водород был ещё технической диковинкой, а жидкий
метан, аммиак, гидразин, не говоря уже об этиловом спирте - эти продукты были хорошо изучены и с ними умели обращаться.

[crazy_terraformer]

"Морской Дракон". Ещё вариант топлива..Закись азота N2O в качестве окислителя, сжиженный под давлением. В качестве наддува бака окислителя используем сжатый кислород или сухой воздух, очищенный от углекислоты.

Если мы говорим о паровом бустере для стартующей из воды супертяжелой ракеты, то это уже настолько отличается от концепции "морского дракона", что я бы не называл ее так.

Нет, это я в свою дуду... Варианты модификации большого тупого ракетоносителя:
1) Уменьшаем толщину телоизоляции баков, так как компоненты кипят при более высоких температурах. Снижение массы конструкции.
2) Используем монотопливо. Поэтому используется один бак с пропеллентом на ступень.....

[alex_semenov]

Все разработанные и испытанные ЯРД использовали водород в качестве рабочего тела!

Ясно почему. Потому что твердофазный  ЯРД -  идейно от рождения ерудна система (поэтому Иевлев еще с 50-х мечтал о газофазном ЯРД считая твердофазный ЯРД промежуточной неинтересной целью). Все преимущество твердофазного ЯРД перед ЖРД в молярной массе рабочего тела. Только и всего. Можно сказать что твердофазный ЯРД толком не может воспользоваться всей силой атома в силу термических барьеров.
И водород - это то что обеспечивает хоть ну какое-то преимущество (двукратное по удельному импульсу)!
Однако...
В самом начале (в конце 50-х) всерьез рассматривались проекты ракет c ядерным двигателем именно на аммиаке.
Вот проект РН "Восток" с ЯРД на аммиаке на второй ступени:



Более того.
Нашел еще интересную тонкость...



Вот тут:

Все, кто побывал на «Дискавери», соглашались, что особого воображения на это не требуется. В конце концов пришлось стравить воздух за борт. К счастью, в запасных емкостях оказалось его достаточно.
Очень приятный сюрприз таили в себе топливные баки: там сохранилось примерно девяносто процентов топлива, взятого на обратный путь. Аммиак, выбранный рабочей жидкостью вместо водорода, оправдал оказанное доверие. Конечно, водород эффективнее, но он испарился бы в космос годы назад, несмотря даже на холод за бортом. А вот аммиак почти весь остался в жидком состоянии; его вполне хватит для возвращения на околоземную орбиту. Или, по крайней мере, на окололунную.

То есть, оаказыется есть конкретный ответ на вопрос что за хрень - двигатель "Дискавери".



Это 100% термический ЯРД (вот почему нет радиаторов!) на ... аммиаке!

Незнайка опять всё перепутал
Метан замерзает при  -182С, водород кипит при -252С, что будем делать дальше?

А я не знаю что ли об этой разнице?
В чем и суть вопроса!
Но где-то я краем услышал что все же как-то метаном "загущают" или "стабилизируют" жидкий водород.
Хотя теперь... не уверен. Может речь шла вообще о водородном льде?
Кстати, не факт что ШУГА из твердого метана и жидкого водорода не ведет себя как-то специфически заманчиво (хорошо).
То есть, то что у них разная температура замерзания ни о чем не говорит.
Мало ли веществ с разными температурами плавления/замерзания прекрасно смешиваются?

А наоборот, в жидком метане растворяют водород - это да, даёт важные преимущества!

Да ясный пень. Поэтому и пропорция в водородных  ЖРД водород-кислород  не 1 к 8 (по норме) а  1 к 5, 1 к 6. Водорода избыток. Дабы "разбавить" среднюю молярную массу выхлопа и увеличить удельный импульс. Известный прием.
Но говоря о метане в водороде (очень небольшом проценте) все же видимо речь идет только об  улучшении механизма хранения этой "дряни" - водорода.

В 50-е годы жидкий водород был ещё технической диковинкой, а жидкий
метан, аммиак, гидразин, не говоря уже об этиловом спирте - эти продукты были хорошо изучены и с ними умели обращаться.

Особенно спирт. Уж как с ним умели обращаться!

Турбонасосный агрегат двигателей РД-107 работает на 82% перекиси водорода, ничего не взрывается

Это тяжелое наследие от поверженных нибелунгов. Как и команда "ключ на старт!"
Значение еще имеет и объем жидкости, с которым вы оперируете. В РД-107 это очень небольшой объём. Даже для такой небольшой ракеты.

[Mercury127]

Ы... Не я один последние два дня думаю об аммиаке...

[Андрей Астрофизический]

Метан замерзает при  -182С, водород кипит при -252С, что будем делать дальше?

А растворы металлов в ртути, неожиданно могут иметь температуры затвердевания/плавления, кипения, отличающиеся от таковых у чистой ртути, чистого растворенного металла.
Может быть раствор водород-метан, аналогичные свойства имеет? И при добавке некой порции метана, получается некий компот, способный быть жидким выше -252С, и не содержать в себе твердофазные фракции.
Я не знаю, но думается мне, справочных данных по только лишь чистому водороду и чистому метану, тут недостаточно. Раствор и его свойства надо смотреть.

[elind]

Главная проблема - вы пишите о вещах, в которых не понимаете вообще ничего!

Ну, я не знаю многого, но не сказал бы, что вообще ничего. Был такой опыт - в ультразвуковой кавитатор наливалась перекись, и, при его включении, "вскипала", в отличие от воды, т. е., от кавитации начиналось бурное выделение кислорода - и это притом, что перекись была не бог весть какой концентрации. А 80% вполне могла и долбануть в тех же условиях.
Чего я не знаю, так это почему в ракетном двигателе такого не происходит, и могу только предполагать.
Первый вариант - в опыте действовал какой-то другой механизм (но какой, если основным фактором и там и там будет кавитация?).
Второй вариант - бак с перекисью "вывешивается", чтобы сократить акустические воздействия. Но вы можете подвесить только небольшой вспомогательный бак. Вернее как, вы можете "подвесить" и основной бак бустера, но тогда требуемая масса конструкции возрастает в несколько раз - вместо одного несущего бака будет "висящий" бак (примерно той же массы) плюс несущая конструкция минимум вдвое тяжелее (потому что не может воспользоваться внутренним давлением для поддержки) плюс система подвеса и гашения акустических нагрузок. Выйдет не ракета, а натуральный паровоз.
Третий вариант - добавка ингибиторов. Большой вопрос, поможет ли это при усиленных в разы акустических нагрузок (а, как правило, чем больше двигатель, тем создаваемые им вибрации сильнее), и точно помешает "полноте сгорания" - если ингибиторы будут слишком эффективными, то поступающая в двигатель перекись просто не успеет полностью разложиться (в турбину ТНА она поступала, хорошо погуляв в парогенераторе). Т. е., ракетное топливо - Безопасно, Удобно, Эффективно - выбирайте не больше двух.Я бы не мучился с высококонцентрированной перекисью, а взял бы пергидроль 30%, и догревал бы его сжиганием спирта, или вообще водорода, испаряющегося из второй ступени.

[Андрей Курилов]

Метан замерзает при  -182С, водород кипит при -252С, что будем делать дальше?

А растворы металлов в ртути, неожиданно могут иметь температуры затвердевания/плавления, кипения, отличающиеся от таковых у чистой ртути, чистого растворенного металла.
Может быть раствор водород-метан, аналогичные свойства имеет? И при добавке некой порции метана, получается некий компот, способный быть жидким выше -252С, и не содержать в себе твердофазные фракции.
Я не знаю, но думается мне, справочных данных по только лишь чистому водороду и чистому метану, тут недостаточно. Раствор и его свойства надо смотреть.

Спросил химика, говорит, чуда не будет, метан и водород - неполярные молекулы, никаких тебе водородных связей. В общем растворимость на уровне долей процента, подтверждается гуглением - наса исследовал тему для выяснения применимости водорода для вытеснения жидкого метана в баках.

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19680020605/downloads/19680020605.pdf

[crazy_terraformer]

Ы... Не я один последние два дня думаю об аммиаке...

Ага, закись азота и аммиак.
Закись азота, наддув баков сжатым кислородом. Аммиак, водородом или метаном.
2NH3+3N2O—> 4N2+3H2O

[AlexAV]

га, закись азота и аммиак.

Если задача стоит сделать максимально простую и дешевую ракету (хоть и без рекордных характеристик), то тогда лучше пропан - закись. У пары пропан-закись и энергетика лучше, чем у пары аммиак-закись, и по физическим свойствам пропан также ничем не хуже аммиака. И, главное, аммиак куда токсичнее пропана, а соответственно требует куда более сложных (а значит и дорогих) мер безопасности при работе с ним в большом объёме.

[tydymbydym]

Я понимал что это связано с ПОВОРОТОМ вектора тяги, но я не мог понять почему эта потеря сопостовима с остальными?

Опять же, не совсем и не только. Это если шарашить в зенит на 200 км сначала, то потери на управление будет сопоставимы... наверное. Не считал такой вариант, за его странностью. А в обычной жизни потери на управление - это отклонение вектора тяги, связанные именно с тем, чтобы траекторию "загнуть". Поэтому - косинус на угол... копейки, короче говоря, не стоящие внимания

[tydymbydym]

Она очень нестабильная.

Да вы чо? Для перекиси высокой степени очистки - 0.6% в год. И союзы на ней летали (ОК всмысле) и РН Союз на ней летает вот уже 100500 лет. И особых проблем нет. Да даже блондинки - и то с ней проблем не имеют особых

[AlexAV]

Да вы чо? Для перекиси высокой степени очистки - 0.6% в год.

Перекись с концентрацией выше 85% может детонировать. При концентрации ниже 94%  (но больше 85%) - это сравнительно малочувствительное взрывчатое вещество... но нитрат аммония ещё менее чувствительный, но вот недавно в Ливане порт с удобрениями таки внезапно испарился. Т.е. даже малочувствительное взрывчатое вещество, если его собрать много в одном месте, может представлять серьезную опасность (и уж тем более перекись, которая может детонировать просто от того, что бак в которую её заливают был чем-то загрязнен).

А шесть тысяч тонн концентрированной перекиси в одном баке, если оно всё же взорвется, по разрушительности будет сравнимо с небольшой атомной бомбой с соответствующим ущербом для инфраструктуры космодрома. Собственно одно это позволяет относиться к перекиси, как окислителю первой ступени сверхтяжелого носителя, с некоторым скепсисом.

[alex_semenov]

Я понимал что это связано с ПОВОРОТОМ вектора тяги, но я не мог понять почему эта потеря сопостовима с остальными?

Опять же, не совсем и не только. Это если шарашить в зенит на 200 км сначала, то потери на управление будет сопоставимы... наверное.

Да подобная "траектория" лишь способ рассуждений.
То есть логического разделения (вычленения) в траектории компонетов потерь.
Ладно. Оставим этот вопрос.
Я понял, что объяснить на словах это немыслимо.

Не считал такой вариант, за его странностью. А в обычной жизни потери на управление - это отклонение вектора тяги, связанные именно с тем, чтобы траекторию "загнуть". Поэтому - косинус на угол... копейки, короче говоря, не стоящие внимания

Нет разницы загнули вы одним рывком (как в примере Elend-a) или постепенно. Это значительные потери!
И кстати. Вот тут есть некая "официальная" сводка по потерям "Сатурн-5" при выведении. Правда тут нет отдельно выведения на орбиту. Но все равно. Есть разбивка по ступеням. И видно что потери управления - значительны.

Да вы чо? Для перекиси высокой степени очистки - 0.6% в год. И союзы на ней летали (ОК всмысле) и РН Союз на ней летает вот уже 100500 лет. И особых проблем нет. Да даже блондинки - и то с ней проблем не имеют особых

Еще раз. Размер - имеет значение.

[tydymbydym]

но нитрат аммония ещё менее чувствительный, но вот недавно в Ливане порт с удобрениями таки внезапно испарился

Alex, это низко. В Ливане там чуть не автогеном по этим мешкам с удобрениями хреначили. А на старте должен быть порядок. Желательно фашистский... во избежание. Но, в целом, конечно согласен, любое монотопливо - это бомба. Собственно, почти любая бомба - это монотопливо. Другое дело что при соблюдении условий многие в-ва достаточно флегматичны по природе своей.
Я в детстве когда читал учебники по химии, то принимал за данность взрывоопасность фтора, к примеру. Пока не понял (несколько позже) что сам по себе фтор взрываться принципиально не может и вся его взрывоопасность - она видимо от несоблюдения технологии хранения и транспортировки

[tydymbydym]

Нет разницы загнули вы одним рывком (как в примере Elend-a) или постепенно. Это значительные потери!

Я подумаю над этим. Скорее да, нежели нет, но вообще-то потери на управление - это все-таки в первую очередь потери по повышенное сопротивление от органов управление или от того что вектор тяги направлен мимо вектора движение. Там вообще, метров 50 чтоли, их особо даже и не учитывают при прикидках на пальцах.

UPD: А вот то что "загнули одним рывком" - это всё в гравитационным. Вот им действительно нет разницы как происходить - сразу или по частям, хотя интуиция подсказывает, что лучше бы начинать свободно падать повыше, там где гравитация уже меньше... но думаю что врёт интуиция и интегрально тож на тож и выйдет