Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[Mercury127]

А как сорвется, не сладится 6-7 запусков один за другим?)

в чем проблема? запустят еще три вдогоноку...

[alex_semenov]

такой ротор  раскрутится и будет качать топливо к себе центробежной силой

не напомните, за счет чего и до какой высоты поднимается водичка под поршнем обычного всасывающего водяного насоса?

Не уж то 10 метров?
Кто бы мог подумать?
А причем тут всасывание?
Сразу вспоминается запредельно пошлый анекдот про то как зеки новичка на зоне хотели проверить не пидарок ли он? Знаете? Они предложили контрольную прокачаку. Мол ложи причендал  в тазик с водой. Мол, мы будем тебя качать по очереди, и если бульбы в тазике пойдут, то все, ты эта...  А он не будь дурак, предложил наоборот, сесть в тазик голой ж... и пусть они всасывают дуют ему в причендал по очереди , мол тоже бульбы тогда пойдут... (Интересно, полковнику Маллейну анекдот понравился бы? Если бы ему его комуняки рассказали, может он перестал бы к ним так плохо относится?)

[Андрей Астрофизический]

потому что я не верю в метод заправки у Маска. Сделает - хорошо. А как сорвется, не сладится 6-7 запусков один за другим?)

Есть обходной вариант, который Маск может использовать, если план А не сработает:
Взять пару-тройку Старшипов-танкеров, запустить на орбиту, и оставить там в качестве топливного депо. Затем остальными танкерами до-заправлять их до полной кондиции, в течение меж-синодального окна (2 года).
Уж за 2 года выполнить 6-7, да хоть 20, стартов, не вижу проблемы. Т.е. пара копится на орбите и хранится там.
Потом взлетает грузовик/пилотируемый корабль, заправляется в этом депо в один присест, и летит сразу на Луну/Марс, не ожидая никаких доп.стартов танкеров.

зы. А причем тут всасывание, я тоже не понял.

[Mercury127]

А причем тут всасывание?

да притом, что если с той стороны напора нет, сосать бесполезно. хоть центробежной силой, хоть электрической.

[Андрей Астрофизический]

если с той стороны напора нет

А разве его нет?
Давление в баках, любой РН, не равно нулю... турбокомпрессоры любого ЖРД нужны лишь для того, чтобы превысить это давление.

[Mercury127]

вот этим давлением и будем ограничваться напор на всем протяжении лопастей...
а там, где ЦБС станет заметной - будет разрыв потока.

[alex_semenov]

да притом, что если с той стороны напора нет, сосать бесполезно. хоть центробежной силой, хоть электрической.

Стоп. А как обычные компрессоры  создают давление в 100-300 атмосфер? В том же Рапторе?
Там что в топливном баке 100-300 атмосфер? Зачем тогда компрессор?
Вы, голубчик, путаете х с пальцем.
Сосать - создавать РАЗРЯЖЕНИЕ. Но с чего вы взяли что центробежный насос создает разряжение? Он "дует".  По-сути все насосы в ЖРД - центробежные. Не видел ни одного осевого... И они именно что "дуют".
Вот RS-25 (качать водрод - лучше пену ложнами носить!)



Касад центробежек! Именно центробежная сила и создает те самые 100-300 атмосферы (даже больше до 600 кажется!)

[Mercury127]

Но с чего вы взяли что центробежный насос создает разряжение? Он "дует".

а где этот ДУЮЩИЙ насос у вас будет стоять? на оси?

[alex_semenov]

а где этот ДУЮЩИЙ насос у вас будет стоять? на оси?

Вы все же пошлый анектод про зеков перечитайте.
Где тазик, где это... и кто куда дует, а кто сосет...

Где у вас "столб" в 10 метров? Насос у вас где? Если насос ВВЕХУ (10 метров, верней 10*300=3000 метров) то он сосущий. А если насос внизу то то он качающий наверх. Он создает столб снизу вверх.  ВОТ И ВСЯ РАЗНИЦА. И теперь смотрите. Где вы создаете "столб" высотой в 10*300 метров? На входе в камеру сгорания.  То есть вы ДУЕТЕ в нее. Насос у вас ВСЕГДА "внизу". А сосете (любой насос и дует и сосет одновременно, вопрос с какой стороны) вы из бака. Да, там надо чуть-чуть тоже поднадуть. Но это уже другая история.
А природа насоса роли вообще не играет. Суть с какой стороны от насоса вы подключились.

[Mercury127]

Где вы создаете "столб" высотой в 10*300 метров? На входе в камеру сгорания.

а НЕПРЕРЫВНОСТЬ этого столба кто будет обеспечивать?

[Андрей Астрофизический]

НЕПРЕРЫВНОСТЬ

Непрерывность ЭТОГО столба (на отрезке между насосом и камерой сгорания) именно наддутым давлением и обеспечивается. В чем вопрос-то?)
А про магистраль между баками и насосом, Семенов анекдот в тему привел. И там тоже все нормально.

[Mercury127]

В чем вопрос-то?)

если труба постоянного сечения, то для обеспечения непрерывного течения жидкости по ней необходимо избыточное давление на входе относительно выхода.
в противном случае давление в неподвижной трубе упадет до входного на всем протяжении трубы, а если она вращается вокруг входного конца - то начиная с определенной скорости вращения - до нуля, и в потоке жидкости возникнет разрыв.

[crazy_terraformer]

Сделает - хорошо. А как сорвется, не сладится 6-7 запусков один за другим?)

Про топливное депо на НОО уже говорилось. Можно вместо массы полезной нагрузки и теплозащиты удлинить баки у танкера  и добавить криогенную систему охлаждения и дополнительные солнечные батареи, доставить ещё баки...

[alex_semenov]

Mercury127, признайтесь что вы запутались.
 
Не будте пидо...ом в плохом смысле этого слова!
Любой насос одновременно и сосет и качает. ЛЮБОЙ. Вопрос, куда вы к нему подключились. С какой стороны.
Бессмысленно сосать с давление 200 атм, из колодца глубиной 20 метров. Ибо подача "непрерывного столба" осуществляется атмосферным давлением в 1 атм и у вас столб разорвался. Он поднялся на 10 метров и все... Вакуум. Как в барометре. Бесполезно сосать. Хот 2000 атм...
Да, но камера сгорания в ротоне находится с качающей (дующей) стороны "насоса"! Не сосущей. Насос тут - по-сути длинный канал от оси к ободу.



Я понимаю в чем ошиблась ваша интуиция. Сосущий насос "на даче" - всегда на верху. А качающий - внизу (в колодце). Тут как бы камеры сгорания -  тоже "наверху" длинной трубы. И они как бы сосут... Разумеется они сосут центробежной силой. Но с другой стороны они же  и качают! "Разницы нет" В конце концов тут вообще нет столба атмосферного давления. Вернее он есть но к создавваемому  насосом давлению - никаким боком. Ибо колесо то лежит горизонтально! Перпендикулярно и гравитации и силе инерции (при ускорении пепелаца).

[alex_semenov]

Есть обходной вариант, который Маск может использовать, если план А не сработает:
Взять пару-тройку Старшипов-танкеров, запустить на орбиту, и оставить там в качестве топливного депо. Затем остальными танкерами до-заправлять их до полной кондиции, в течение меж-синодального окна (2 года).
Уж за 2 года выполнить 6-7, да хоть 20, стартов, не вижу проблемы. Т.е. пара копится на орбите и хранится там.
Потом взлетает грузовик/пилотируемый корабль, заправляется в этом депо в один присест, и летит сразу на Луну/Марс, не ожидая никаких доп.стартов танкеров.

Да. Эта мысль приходит перовй. Обходной вариант есть. Для депо тупо можно использовать один из кораблей. В беспилотном варианте. Может даже в пилотируемом как гигантскую посещаемую станцию.
На первых порах скорей всего так и поступят. Будет "имитационный" полет к Марсу по орбите Земли... Обязательно.
Но это уже ЭРЗАЦ.
Изначальная красота идеи Маска, что у вас нет никакой промежуточной инфраструктуры на орбите. Все - на поверхности планет.

И еще...
А если завтра - война?



В космосе.
Думали?

Ладно, что ваш запас топлива - на глазах у противника годами болтается.
Грех не уничтожить...
Поэтому все надо делать быстро.. Сутки и ... вы уже уходите от планеты... Верно? Военные такую идею поддержат (а где военные - там и бабки!). Военный вариант межпланетного транспорта (если и когда) - именно такой.
Но вот еще в чем засада.
Представьте на секунду что мир уже сорвался к крупномасштабным военным действиям в космосе и успокоился.
Чем все закончится?
На орбите вокруг земли будут летать миллионы осколков разрушенных гражданских и военных спутников.
Чем выше орбита, тем КВАДРАТИЧНО  ниже будет плотность этих осколков.
То есть низкие орбиты все будут "заминированы". И только на самых высоких можно будет безопасно долго находится (что и хорошо).
Кроме...
Кроме совсем низких орбит. Где сильно чувствуется сопротивление воздуха и любые попавшие сюда осколки быстро тормозятся и сходят с орбиты. Верно? Эти орбиты тоже останутся безопасными. Не заминированными.
Это где-то 200-250 км.
Вот эти орбиты и останутся доступными для любых стартующих с Земли аппаратов для операций заправки. Не важно куда стартующих. На геостационар (высокие орбиты где осколки не страшны уже) к Луне, Марсу...
Но чем эти орбиты плохи?
Даже 350-400 км орбиты уже заметно тормозят любое крупное сооружение.



На совсем низких, свободных от мусора-осколков, орбитах вы сможете оставаться совсем недолго (даже имея подходящую небольшую площадь миделя). Ну там неделю-две... Не более.
Годами там болтаться конечно тоже можно. Но тогда нужно либо тратить топливо, либо все время работать ионниками... В общем хреновая идея. Дополнительные расходы.
В конце концов.
Третий класс носителей в 1000 тонн нужны не только для того что бы заправлять межпланетные корабли одним махом (два пуска, тяжелый беспилотник-танкер из воды и средний пилотируемый космолет с суши, встреча на орбите и пошли к планете-цели). Они нужны будут и для массы других задач. Но для тяжеловозов нужна гарантированная БАЗОВАЯ задача. Ради вспомогательных (редких) задач их бессмысленно создавать. И как раз заправка космолетов в духе Маска  - как раз такая гарантированная базовая задача для тяжеловозов.
Даже если никакой войны нет.
Как не верти, но без сверхтяжелых носителей (махом выводящих 1000 тонн) вы всерьез в космосе нигде не закрепитесь.

[alex_semenov]

Тысяча чертей! Клянусь именем Тома Кленски, который отвалил похоронил часть своих гонораров за свои ТЕХНОТРИЛЛЕРЫ на этот пепелац! Я  не понимаю как его роторный насос должен был работать!!! В смысле создавать ДОСТАТОЧНОЕ давление.



Хорошо. Я лоханулся раньше с радиусом. Он не в знаменателе в итоге а в числителе.



То есть большой диаметр это не плохо. Это - хорошо.
Но все равно. За кратное увеличение давление диаметром мы расплачиваемся квадратичным падением оборотов компрессора.
Это допустимо?
Я посмотрел. Радиус этой "тарелки" - З метра.  Это и есть радиус вращение.
Вращаться она должна в итоге со скоростью 720 оборотов в минуту. То есть всего 12 оборотов в секунду.
С какой скоростью будет вращаться эквивалентный нормальный центробежный компрессор в нормальном двигателе, создающий необходимое далвение в камере сгорания?
Пусть нормальный радиус центробежного насоса.. эм... пусть 10 см.



Это значит что наше колесо имеет радиус в 30 раз больший. Значит нормальный насос будет вращаться со скоростью в корень из 30 большей.
Это в 5.5 раза всего лишь быстрей. То есть не 760 об/минуту а 3 950 об/миуту. Как обычный асинхронный электродвигатель (почти).
4 тысячи оборотов в минуту, этого достаточно что бы создать давление в сотню атмасфер?
Ничего не понимаю!
 
Кто нибудь, поднимите мне веки!
Подскажите где быстро посмотреть с какой типичной скоростью вращаются типичные компрессоры в ЖРД двигателях?!

[crazy_terraformer]

И еще...
А если завтра - война?
В космосе.
Думали?

А то! Вы — коммунист?

[-Asket-]

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ПРИВОДА ДЛЯ НАСОСОВ ЖРД РАЗГОННЫХ БЛОКОВ
Целью работы является проведения анализа перспектив использования электродвигателя в качестве привода для основных насосов ЖРД разгонных блоков. Основными преимуществами электродвигателя в сравнении с турбоприводом работающем на продуктах сгорания газогенератора является: упрощение принципиальной схемы ЖРД, простота регулировки оборотов насосов и режима ЖРД по тяге, упрощение запуска и многократность включений и т. д. Основными недостатками является больший вес, меньшая частота вращения и источник питания большой емкости и как следствие большой массы. Вероятность использования электродвигателя для привода насосов ЖРД описана еще в [1], но на тот момент отсутствовали источники электропитания приемлемой мощности и массы.
Объективно на данный момент не представляется использование электродвигателей для основных насосов ТНА в ЖРД с тягой свыше 20-30 кН. Так же не стоит рассматривать такую возможность для двигателей, работающих по закрытому циклу, с дожиганием генераторного газа. Однако есть ряд двигателей: С5.66, 11Д425 (более не используются) и С5.92 и 14Д30 которые на данный момент активно используются. Данные двигатели имеют тягу на уровне 4-20 кН, при этом работают по открытому циклу и используются в качестве маршевых на разгонных блоках (РБ). Следует отметить, что рассматривать использование электродвигателя только в рамках ЖРД как отдельной единицы не имеет смысла по причине большой массы.
В качестве объекта для расчетов и дальнейшего анализа использовался двигатель 14Д30. Двигатель работает по открытому циклу с турбонасосной системой подачи компонентов топлива с тягой в пустоте (19.63 кН), удельным импульсом тяги 3 255 м/с, число включений в полете – до 10 раз [2; 3], суммарное время работы двигателя составляет 3 200 с. Двигатель 14Д30 – маршевый двигатель разгонного блока «Бриз-М», который используется на ракета-носителе (РН) «Протон-М» и обеспечивает выведение космических аппаратов на низкие, средние, высокие орбиты и геостационарные орбиты. Масса РБ составляет порядка 22,5 тонны, из них порядка 20 тонн составляют компоненты топлива [2].
Для достижения поставленной цели необходимо рассчитать и дать оценку эффективности использования компонентов топлива всего РБ с учетом общей массы и времени активного использования. Для выполнения данной задачи была разработана методика расчета энергомассывых характеристик электронасосного агрегата (ЭНА) в сравнении с суммарной массой компонентов топлива затраченных на привод турбины ТНА. При расчете методика опирается на параметры насосов и турбины ТНА и термодинамические характеристики продуктов сгорания: температура, газовая постоянная, коэффициент адиабаты.
При расчете массы ЭНА методика опирается на КПД элементов системы: электродвигателя, инвертора, мультипликатора-редуктора; удельную плотность энергии (УПЭ) элемента электрического питания. По предварительной оценке КДП привода ЭНА может достигать 82 %, что существенно выше показателя для осевых высокоперепадных одноступенчатых газовых турбин.
Основными проблемами при использовании ЭНА является большая масса электродвигателя и низкая удельная плотность энергии (УПЭ) в элементах питания. На данный момент существуют коммерческие образцы элементов питания с удельной плотностью энергии 350 Вт·ч/кг, в частности образцы предложенные компанией «Envia». Компания «Envia» занимается перспективными разработками в этой области и заявляет, что разработает коммерческие образцы с УПЭ 420 Вт·ч/кг к 2021 году [4]. На уровне опытных образцов существуют российские разработки с использованием положительного электрода на основе феррофосфата лития, допированного никелем, и отрицательного электрода на основе титаната лития, допированного галлием с УПЭ 800 Вт·ч/кг [5].
С помощью разработанной методики можно оценить изменение массы системы ЭНА в зависимости от УПЭ используемых элементов питания. В результате УПЭ продуктов сгорания газогенератора с учетом КПД и заданного перепада давления на турбине составила 293 (Вт·ч/кг), а суммарная масса компонентов топлива для привода турбины ТНА 604 кг за 3 200 с, при этом начальная масса турбо привода и газогенератора не учитывалась. В случае использования ЭНА начальная масса системы с учетом двигателя [6], инвертора [7], мультипликатора составит по предварительной оценке 100 кг. А масса всей системы ЭНА с учетом массы источника питания на требуемое время работы составит 789 кг при использовании элементов питания с УПЭ 300 Вт·ч/кг. А при использовании элементов питания с УПЭ 400 Вт·ч/кг, масса всей системы составит уже 609 кг. Существенное преимущество в массе ЭНА достигается при использовании элементов питания с УПЭ 500 Вт ч/кг и составляет уже 502 кг против 604 кг у ТНА.
В результате расчетов можно сделать вывод, что отсутствие коммерческих элементов электропитания повышенной УПЭ (500 Вт·ч/кг) не позволяют рассматривать электродвигатель в качестве привода для основных насосов ЖРД 14Д30. Однако данное направление остается перспективным, поскольку УПЭ элементов питания со временем будет увеличиваться. Анализ показал, что даже плотность в 500 Вт·ч/кг не является предельной, например для литий-серного источника питания теоретический максимум плотности энергии составляет 2 600–2 900 Вт·ч/кг [8; 9].
Также следует отметить, что использование ЭНА остается перспективным для бустерных насосных агрегатов ЖРД с тягой до 60 кН, где энергетика процессов существенно ниже, чем в основных насосах ТНА.
https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-perspektiv-ispolzovaniya-elektrodvigatelya-v-kachestve-privoda-dlya-nasosov-zhrd-razgonnyh-blokov/viewer

[alex_semenov]

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ПРИВОДА ДЛЯ НАСОСОВ ЖРД РАЗГОННЫХ БЛОКОВ

Спасибо. Что хочется отметить.
500 ват*час/кг. Это считается вполне достигнутая уже емкость аккумуляторов (и далеко не предел).
Так вот. Это 1.8 МДж/кг.
Напомню что тротиловый эквивалент 4.2 МД/кг.  Заряженный аккумулятор это взрывчатка с энергетикой 43% от обычного тола.
В сущности такие аккумуляторы, наверное, уже могли бы потягаться с плотностью эрергии в каком-нибудь слабом топливе. С той же перекисью водорода. Видимо поэтому тема электронасосов для жрд стала актуальной. Батарейки таки приблизились к энергоемкости хреновеньких монотоплив.
Учитывая более высокий кпд электромоторов, все очевидно.

***

О частоте врашения насосов. На RS-25 (водородный многоразовый движок шаттла) на самом деле  аж четыре компрессора. Перед каждым основным насосом стоит бустерный насос.
Так вот.

Бустерный ТНА горючего состоит из осевого насоса и двухступенчатой осевой турбины, приводимой в действие газообразным водородом. Он поднимает давление горючего от 0,2 до 1,9 MПa. После этого водород поступает к основному ТНА. Турбина бустерного ТНА водорода вращается с частотой 16 188 об/мин.
...
Основной ТНА горючего состоит из трёхступенчатого центробежного насоса, приводимого в действие двухступенчатой турбиной. Насос поднимает давление жидкого водорода с 1,9 до 45 MПa. Частота вращения ротора ТНА – 35 358 об/мин.
...
Бустерный ТНА окислителя состоит из осевого насоса и многоступенчатой осевой гидравлической турбины. Давление компонента повышается от 0,7 до 2,9 MПa. Частота вращения турбины ротора бустерного ТНА составляет примерно 5 148 об/мин.
...
Основной ТНА окислителя состоит из двух одноступенчатых центробежных насосов – основного насоса, обеспечивающего подачу кислорода в камеру сгорания двигателя, и подкачивающего насоса газогенератора. Оба насоса установлены на одном валу и приводятся в действие двухступенчатой турбиной. Основной насос поднимает давление окислителя от 2,9 до 30 MПa и имеет частоту вращения 28122 об/мин.

То есть  эквивалентная "частота вращения"  роторного центробежного насоса в Ротане эквивалентна лишь бустрерным насосам в нормальном водородном ЖРД.
Для создания полноценного давления нужна частота  вращения в 10 раз большая.
Что меня и удивляет в конструкции странного двигателя.

И еще.
Крутящий момент. Он будет? По идее да. И тогда как его компенсировать по выключению (или пуску если многократно пускать двигатель в полете)?
Сюда же. Пока не забыл. Интересная мысль. Я уже где-то тут рассказывал что по-началу у ранних довоенных прожектов ракетопланов (до фон-Брауна и его ракет) была неразрешенная проблема стабилизации ракеты в полете. И нередко в качестве ее решения рассматривался силовой гироскоп. Гирадин. Вот тут например:

Так вот. Удивительно, что никто не предложил еще в те годы подобную конструкцию "карусельного" ракетного двигателя который бы не просто качал бы себе топливо вращаясь,  но еще и стабилизировал бы ракету в вертикальном положении без особых активных усилий (минимизируя необходимые рулевые усилия). Сейчас этот бонус не актуален. Но тогда изобретатель мог бы просто сходить с ума от гениальности своего изобретения. Мол, он нашел единственно верное, идеальное решение ракетного прибора для исследования мирового пространства!!!


Ps
Вот тут написано. про наш славный РД-108:

Мощность ТНА - 4.400 л.с.
Частота вращения турбины - 7.800 об/мин
Частота вращения насосов - 7.800 об/мин

То есть, В ПРИНЦИПЕ, средненький по характеристикам ЖРД (с параметрами РД-108 или лучше если питать метаном) можно было бы сделать и без электрической трансмиссии.  Только используя центробежную силу.
Но если мы хотим сделать чудо-пепелац, то нужна все-таки электрическая (и возможно сверхпроводниковая) трансмиссия.
Все-таки Том Кленси не зря тратил свои деньги на это чудо техники...
Я верил и верю в техническое чутье этого ярого антисоветчика!

[alex_semenov]

Шо?
И ни одной реплики?
Тогда вот вам еще "на сон грядущий" немного ретрофутуризма с космопанком (тоска по несбывшемуся).
Нашел тут.

Обнаружил случайно на днях бумажную фотку проекта прикольной ракеты для ВДНХ от 1959-го от Борецкого, Кликса и Розенблюма. Вроде нигде раньше такой не встречал. Отсканировал, почистил. Было бы круто, если бы этот вариант сейчас сделали, им же всё-равно на что деньги тратить.

Прикольно. На ВДНХ в конце 1950-х на пике космической эйфории планировался такой вот монумент-символ эпохи.
Высотой в 134 метра!
Обратите внимание на смотровую площадку на верху.
Очень похоже на ресторан "Седьмое небо" на Останкинской башне. Нет?
Возможно отсюда идея и была почерпнута в итоге?

Но что я хочу сказать "в тему". В НАЧАЛЕ (до разгула научной контрреволюции) люди мыслили большими ракетами...
Потому уже (1967-й) на ВДНХ привезли  настоящий "Восток" (после показа в Ле-Бурже).
Это тоже круто. Но... Уже явно калибр поменьше...