Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[alex_semenov]

Тут размер - ключевой фактор. Масса пустой ракеты растет (условно) как КВАДРАТ размера, а стартовая масса как КУБ (условно) размера.

Однако тут есть нюанс. Это верно только для одноразовой ракеты, где не нужно использовать аэродинамические силы для управляемого торможения и посадки ступени. Если мы начинаем использовать аэродинамические силы - тут закон кубов-квадратов сразу меняет знак. Т.е. начинает работать не как в ракетостроение, а как в авиации. С увеличением размера масса (и соответственно нагрузки) растут как куб, а прочность конструкции только как квадрат. Т.е. массовое совершенство конструкции, способной использовать аэродинамические силы для торможения и при этом банально не развалиться в воздухе от нагрузок, будет падать при увеличение её размера. Сделать маленький самолёт всегда проще, чем большой, и это же правило будет работать и для аппарата способного к аэродинамическому торможению в атмосфере (такой аппарат по сути и является гиперзвуковым планером и для него работают те же правила и закономерности, что и в авиации).

Да, согласен. Качественно  - все верно. Но вот как это количественно выражается?

Сочетание "ракетного" и "самолётного" законов кубов и квадратов вам скорее всего даст какой-то оптимум, характеристики для которого уже будет невозможно увеличить ни масштабированием конструкции вниз (из-за роста относительного веса баков), ни в верх (из-за роста массы в следствие необходимости увеличивать прочность силовых элементов нужных, чтобы аппарат не развалился на этапе спуска при атмосферном полёте). И, кстати, совсем не факт, что характеристики которые в этом оптимуме будут достигнуты будут сколько-нибудь приемлемы для решения хоть каких-то задач.

В принципе тут надо учитывать еще типичное массовое число. 10-14...  Деленное на разность ускорений на статрте и на пике торможения.
Допустим стартует при 1.5 g, А пик торможения, допустим 4g  то есть в 2.67  раза нагрузка выше, но зато масса в 10-14 раз уже меньше (ибо ступень пуста как барабан). Итого при старте нагрузка в 3-4 раза все же больше. Но надо понимать.
1. На старте криогенника добавляет прочности конструкции, а при спуске нагрев ее снижает.
2. Стартует ракета вертикально. Это прочность башни. А тормозит...  может же тоже вертикально. Но если боком (как у Маска корабль) - то работа на излом.
Мне, кстати, попадалась концепция проекта ДЛЯ Маска, которая решена совсем не так как у Маска и в чем-то куда лучше продуманная (как мне кажется)
Она не такая большая как у Маска...



Но самое интересное в ней - она тормозит всеми ступенями вертикально. И при посадке на поверхность планеты из такого космоплана куда удобней спускаться. Выход - у самой поверхности.
Мне эта концепция "как художнику" очень нравится!

Но в любом случае, вывод.
Представим худшее.
Может статься так, что даже базовую концепцию ITS2016 года не получится посадить? Я имею в виду первую ступень как самую большую.
Но вообще говоря садить (много раз использовать) думали и обе ступени "Морского Дракона" еще в 1962-м. А там не пальцем деланные спецы это продумывали. Если команде Маска мы не верим, то тем парням, я как-то склонен доверять...

Да, вы правы. Есть такая тонкость. Но надо знать где же предел? Конкретно.

[alex_semenov]

Озон вместо кислорода кто-нибудь рассматривал?
Сжижается раньше, плотнее, имеет "лишние"140 кДж/моль на второй хим. связи - должнен кое-что дать.

Кажется на "Спирали" Лозино-Лозинского сбирались использовать либо озон, либо фтор? Не помню уже. Но экзотика адская планировалась!
Что фтор, что озон - дрянь еще та!!! Поэтому я их мог и спутать...



Вообще же все самые крутые концепции повышения у химии уи связаные не с повышением энергетики реакции а понижением УСРЕДНЕННОЙ молярной массы выхлопа. В этом, во всяком случае, основная фишка трехкомпонентрых ЖРД.
Я вот думаю, что скачок у РД-701 уи в первом режиме с 330 до 415 связан не столько с энергетикой водорода, сколько с тем, что в выхлопе повышается дола свободных радикалов, HO-, СО-,  уменьшается доля полноценных молекул CО₂ и Н₂О.
В общем работают оба эффекта (Даже три, у двухатомного газа теплоёмкость и адиабата не как у трехатомного). И увеличение калорийности (всего на 25% с 12.4 до 15 с чем-то МДж/кг)  и снижение средней молярной массы выхлопа (и снижение теплоёмкости газа). Даже в обычных двухкомпонентрых двигателях используют переизбыток окислителя именно для того что бы в выхлопе было побольше свободных радикалов. Это чуть-чуть но увеличивает уи.
В общем уже все перепробовали. Осталась совсем уж экзотика с металлами. Но это опять таки овчинка, которая не стоит выделки.
ЖРД по-сути блики к совершенсту. И это прекрасно.
Ну посмотрите на это чудо:



Ну разве это не своего рода "Венера Милосская" в инженерии?

Да и в ракетостроении, считай, уже вершина. Плато. Все эти ухищрения с переохлажденными компонентами (натрамбовать в объем побольше жидкости, побольше!!!) - это уже выгребание мизеров. Скребут по сусекам по-сути.

[alex_semenov]

То есть НЕ СУЩЕСТВУЕТ углепластиков, способных многократно выдерживать сильный нагрев?

Углепластик состоит из двух компонент. Углеродная нить и полимерная матрица. Углеродная нить в вакууме и инертной атмосфере имеет очень высокую жаростойкость (а вот в атмосфере кислорода или СO2, кстати, уже не очень, быстро окисляется и сгорает уже при 1000 градусов). А вот с полимерной матрицей хуже. Её термостойкость обычно не превышает 300 градусов выше которых начинается разложение полимера с необратимым изменение его свойств. Возможно, какими-то усилиями эту границу можно поднять градусов до 450 (что-нибудь среди фторсодержащих полимеров поискать), но выше получить точно нельзя, никакими усилиями.
Систему использующую аэродинамическое торможение с космическими скоростями сделать из углепластике без специальной теплозащиты точно не получится.

Хорошо. Убедили. Но поверхность, подвергающаяся нагреву - это только ЧАСТЬ всей поверхности.



Зачем весь корабль делать из ТЯЖЕЛОЙ стали?

[alex_semenov]

Немного из жизни водоплавающих.
В фильме "Ради всего человечества" показан "Морской дракон" с рядом "странностей", которые наталкивают на ряд интересных мыслей и даже открытий.
Ну во-первых в кино дракон стартует не из воды, а из-ПОД-воды.
Я понимаю что Голливуд это сделал для более зрелищного эффекта. Но это натолкнуло на мысль: а ведь действительно, что если притопить "животинку" перед тем как отпустить?
То есть, дать первичный толчок вверх еще и архимедовой силой? В этом может быть смысл!
Далее.
Обратите внимание на малые боковые двигатели:



В фильме они работают только при отрыве от поверхности, а дальше замолкают.



Но в более правильной анимации они работают все время пока ракета не станет минимум на половину легче а скорей пока не отключится первая ступень.
И это правильно. Скорей всего ракета НАСТОЛЬКО ТЯЖЕЛАЯ, что боковые двигатели не просто добавляют тяги (что они могут добавить? Да, добавляют, разумеется, но не столько ради этого они). Они просто придают конструкции ДИНАМИЧЕСКУЮ прочность (плюс они наверняка рулят). Не включись эти движки ракета после выхода из воды просто сломается под собственным весом (который из-за ускорения в 1.2-1.5 раз выше земного).
Боковые движки поддерживают тяжеленную верхнюю ступень.
То есть.
Если СУХОПУТНАЯ ракета обязана держать свой вес хотя бы на старте, то водоплавающей в покое это не обязательно. Ее аккуратно держит сила Архимеда. А когда она вышла из воды, ей придается динамическая прочность работающими боковыми двигателями. Вот главный секрет сверхтяжелой морской ракеты.
Интересная идея, не правда ли?

[alex_semenov]

На Вашем рисунке кое-чего не хватает.  А именно баков с топливной парой, которые  должны занимать ~90% объёма, но при этом должны быть достаточно лёгкими (иначе конструкция вообще никуда не полетит). Если Вы их добавите, то и окажется, что очень компактная, но тяжёлая, ПН находится в носу, а в низу находятся гигантские, но относительно лёгкие баки, к которым будут приложена основная часть аэродинамических сил. Такое размещение массы неизбежно ведёт к возникновению сильных изгибающих напряжений в конструкции. Как их будет держать длинная пустая бочка из тонкостенной стали (да ещё с сильно уменьшившейся из-за нагрева прочностью) - не очень понятно.

Но и груз у меня на картинке - в самом низу (там открытые порты).
Так что по-середине таки!!!!

Ну давайте так.



Карго где? Более-менее по-середине. Вверху - пустота кабин, внизу - пустота баков. В общем то... центровка более-менее. Хотя конечно нагрузка на изгиб при боковом торможении ужасная. Поэтому вот такой вариант мне больше нравится:



И посадка на поверхность...



Явно лучше. Верно?
Интересно тут расположены баки:

Один внутри другого?
Сфера внутри сферы?

Все взято здесь.
https://imgur.com/a/87OOT

Вот анимация моделирования выхода этой штуки на орбиту.
http://www.youtube.com/watch?v=bvYVXoOjols#&feature=youtu.be

[Ulkolainen]

Что фтор, что озон - дрянь еще та!!! Поэтому я их мог и спутать...

При использовании фтора дрянью остаются все продукты сгорания, а после озона выхлоп практически неотличим от "обычного"(кислородного). Так что кое-какая разница есть.

Кажется на "Спирали" Лозино-Лозинского сбирались использовать либо озон, либо фтор? Не помню уже. Но экзотика адская планировалась!

Фтор, тут даже тема нашлась - https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,18011.0.html, тоже "не взлетевшая" в свое время.

[Проходящий Кот]

Поэтому я забраковал (пока) эту идею. Хотя отсутствие в системе мощных насосов очень заманчива

Люди пытающиеся запустить из акватории сверх-тяжелую ракету,банально не понимают что такое море.Они никогда не уходили из видимости побережья,-хуже водителей жабодавов.Крупа-одним словом.
Но сам проект дубовой ракеты из судовой стали хорош.Даю подсказку:надо скрестить 3-х ступенчатую перекись и РН от Rocketplane Kistler(верней способ посадки ее ступеней).

С Байкала например. Или с озера Чад.

[николай теллалов]

С Байкала

не жалко?

[Проходящий Кот]

......
Так вот, подобная же ситуация и с 7-ю подряд пусками заправщиков Маска. Вся логика аргомунтов - на плакате выше (где Маск курит сами видите что). Даже не стану повторять. Хотя 7 не 25, а вероятность сбоя порядка 2% (не 10%), но полет на Марс это все же не боевой вылет на бомбежку Рейха...
......

1 пуск из 53.
При 50 пусках 1 взорвется.
49 ---- это  7  полных марсианских корабля.
Потеря танкера при конвеерности запуска не смертельна для миссии.

[Кремальера]

Кремальере, загадками разговариваете. А открытым текстом нельзя? Ну для дебила (тогда и умный поймет).

Я вот об этом:
https://en.wikipedia.org/wiki/Rocketplane_Kistler
https://ru.wikipedia.org/wiki/K-1_(%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0)
У изделия была очень оригинальная схема возврата ступеней(причем значительная часть испытаний была успешно выполнена),парашютная,с демпфирующими боковыми мешками,причем после касания,надувались мешки только с той стороны на которую ступень ложилась.

Вы хотя бы картинку показали бы, а лучше ссылочку на ютуб дали где это чудо мелькает в кадре (там можно ссылку с привязкой по времени дать, просто правой кнопкой мыши по картинке княпнуть и выбрать из меню "ссылка с привязкой повремени").

Дык фильма,конечно.Но все же..

[AlexAV]

При использовании фтора дрянью остаются все продукты сгорания, а после озона выхлоп практически неотличим от "обычного"(кислородного).

Вопрос возможности использования озона на самом деле изучался. Главное препятствие здесь то, что жидкий озон и жидкая смесь кислород-озон при содержание озона более 24% взрывоопасна и склонна к спонтанной детонации. А использовать смеси содержащие менее 24% озона особого смысла нет, выигрыш слишком мал.

Кроме того, обращение со смесями, содержащими даже менее 24% озона, оказывается достаточно сложным в плане обеспечения безопасности. Жидкий озон имеет меньшее давление насыщенных паров, чем жидкий кислород в результате чего при испарение смеси озон-кислород концентрация озона в них растёт вплоть до уровней, когда становится возможна спонтанная детонация смеси.

Из-за сравнительно малого выигрыша при использование смесей с взрывобезопасными концентраций озона, сложностью обращения с ними и высокой стоимости производства озона они и не получили сколько-нибудь значимого применения в ракетной техники. 

[BlackMokona]

И я не удивлюсь, если он мстит за опущенную родину! 

Ни разу не отметил чтобы он хоть раз её где вспоминал. Канаду вспоминает нередко , а он там всего немного прожил.

[crazy_terraformer]

Но тогда задача Маска удваивается (если не возводится в квадрат). Мало создать принципиально новый многоразовый комплекс (круче чем шаттл в разы!) надо в 10 (Десять, Карл!!!) раз поднять его надежность по сравнению с типичной АМЕРИКАНСКОЙ (а у них самая высокая надежность пусков) ракетой-носителем.
Но можно ли этого добиться без революционно-прорывных технологий? Я сильно сомневаюсь и меня в моих сомнениях не разубедили.

А пусть шесть заправщиков идут лесом. Главное — это безаварийные выводы и посадки корабля с экипажем.
Шесть заправщиков — многоразовые, с каждым полётом идёт амортизация, имеется страховка. Машины можно заменить, а гибель людей может поставить крест на полёты на долгие годы.

Орбитальная ракета будующего -это грузовая платформа из Завета Чужого.Нагрузка распирается талрепами на деке,движки на вывесных консолях,и полетели на орбиту.И все это в одну ступень,естественно.

Не знаю. Не видел Завет Чужого. Не смотрю бодягу про "Чужого" уже лет надцать... Вы хотя бы картинку показали бы, а лучше ссылочку на ютуб дали где это чудо мелькает в кадре (там можно ссылку с привязкой по времени дать, просто правой кнопкой мыши по картинке княпнуть и выбрать из меню "ссылка с привязкой повремени").

Это настоящий киноляп. Герои сами говорят, что эта штука не предназначена для полёта в атмосфере, но один раз можно.
Прямоугольный кирпич — открытая палуба для перевозки грузов и техники,на палубе герметичная рубка со шлюзом, на выносных консолях в поворачивающихся ЕМНИП гондолах ракетные двигатели.
Эта штука может использоваться, по логике, только на безатмосферных телах или для освобождения трюма корабля в космосе с какой-то целью.

Да и не будет никогда материалов существенно превосходящих по механическим и теплофизическим свойством те, которые есть сейчас. Они просто невозможны физически. Для этого какая-то другая таблица Менделеева нужна с какой-то другой квантовой механикой. Видимо из параллельной вселенной. А в наше из материалов уже выжато всё что можно. Всё давно упирается в фундаментальные ограничения.

Может что-то стабильное ниже сиборгия будет подходящим мателиалом, и тогда фабрика элементов с Острова Стабильности на Луне или Меркурии будет  именно тем, что доктор прописал. ..

[Инопланетянин]

И я не удивлюсь, если он мстит за опущенную родину!

Может быть. Или просто не испытывает моральных терзаний, мошенничая с американцами.

Смыться на Марс из этого дерьмового мира - это ОБРАЗ победы... Не думаете?

Нет, скорее бабла заработать.

С Байкала

не жалко?

Мне было бы жалко.

[дерево]

Но давайте поищем в этой концепции недостатки. Ну не может быть одной большой бочки меда без пикантной ложечки дегтя...

Конечно они есть — расстояние от Солнца, после некоторого без сомнения ядерный становится лучше, а вот точное значение уже очень сложная задача. По моим прикидкам до Марса или немного дальше точно лучше Солнечный, а за Ураном — ядерный.

Насколько я понимаю, лучшее решение - прямое преобразование энергии солнца в движение рабочего тела (через электричество - это потери).
Но тогда лушчее рабочее тело - водород (с минимальным мю-молярной массой).
А так как это малая тяга (по-сути) то возникает проблема хранения водорода на протяжении всего периода разгона.
Но что хорошо - топливо на обратный путь можно набрать у Сатурна.

Эти вопросы почти не зависят от источника тепла, ядерный или солнечный.

Вся сложность космической энергетической установки как раз в радиаторе.

Согласен, и ещё наверно масса тепловой машины. Если масса печи составляет меньшую долю, то правильный выбор печки даст лишь десяток...два процентов? Зачем же тогда из-за них (если они конечно будут) возится на первом проекте со сложным в разных отношениях реактором?

Просто как кипятильник реактор имеет гигантскую плотность мощности. У БН-800, скажем, 430 кВт/л. С учётом что этот литр весит килограмм 8 - около 54 кВт/кг тепловой мощности.  И это обычный энергетический реактор, а не какое-то специальное изделие служащее для достижения экстремальных параметров. Если специально задаться целью - снять до 200 кВт/кг тепловой мощности с АЗ можно в общем достаточно легко. Проблема начинается далее - как эту тепловую мощность преобразовать в электричество.

Вес зеркал корректно сравнивать только с весом АЗ реактора, а не всей энергетической установки. Если зеркала весят 0.15 кг/м2, то на орбите Земли солнечная установка даст плотность тепловой мощности порядка 9 кВт тепла на килограмм.

Сравнивать не с АЗ, а со всем реактором, в котором большая удельная мощность снимается кипящей водой под большим давлением, которое требует тяжеленный корпус с верхним блоком и внутренностями на пол тысячи тонн, сокращая удельную тепловую мощность до ~5 кВт/кг.

Алекс, насколько я понимаю, речь идет о прямом тепловом преобразовании солнечной энергии в движение рабочего тела.

Конкретно на тех рисунках да. Но я пишу о том, что при любом двигателе (хоть прямогрейка водорода, хоть ТЭС+радиаторы+ионник) ядерная и солнечная установки отличаются лишь нагревателем, имея почти одинаковые остальные составляющие. Но солнечная масштабируемая! Позволяя создавать маломощные тестовые образцы, а не сразу мегаватт строить.

[AlexAV]

Сравнивать не с АЗ, а со всем реактором, в котором большая удельная мощность снимается кипящей водой под большим давлением, которое требует тяжеленный корпус с верхним блоком и внутренностями на пол тысячи тонн, сокращая удельную тепловую мощность до ~5 кВт/кг.

БН-800 - охлаждается натрием. Там давление в АЗ 1 атм. И, соответственно, тяжёлого корпуса нет. Вообще при использование в качестве теплоносителя жидкого металла (натрия, эвтектики висмут-свинец, свинца) давление в первом контуре может быть низким и вес может быть незначительным. В этом случае плотность мощности АЗ будет достаточно близка к плотности мощности реактора.

Хотя для достижения рекордных параметров не реактора, а энергетической установки в целом - лучше конечно брать одноконтурный реактор с АЗ под давлением. В этом случае, конечно, формальная плотность тепловой мощности реактора уменьшается (из-за веса корпуса), но так как мы убираем теплообменник между теплоносителем первого контура и собственно рабочим телом тепловой машины - мы в целом выиграем.

Если смотреть в каком направление стоит искать энергетическую установку с максимальной удельной мощностью - думаю что-то в области одноконтурного реактора с ртутным теплоносителем. Что-то вроде 800 градусов/10.7 МПа в АЗ - 250 градусов/10 кПа на последней ступени турбины. Тут конечно очень много нерешённых материаловедческих проблем, но и плюсов видно тоже много.

P.S. У солнечно-термальной установки удельная тепловая мощность, кстати тоже не равна отношению мощности к весу зеркал. Там есть ещё один элемент, кстати тоже довольно тяжёлый - теплообменник, где солнечная энергия передаётся теплоносителю первого контура. Кстати этот теплообменник по плотности мощности будет гарантированного проигрывать АЗ реактора с тем же теплоносителем. В солнечной устаноке нагрев теплоносителя идёт только от внешней поверхности, а в реакторе - по всему объёму АЗ, что куда эффективнее.   

[AlexAV]

Зачем же тогда из-за них (если они конечно будут) возится на первом проекте со сложным в разных отношениях реактором?

С реактором нужно возиться скорее не в плане достижения рекордных удельных параметров тепловой мощности (тут Вы правы, незачем это, на ней в общей массе энергоустановки много не выиграешь), а в плане выбора такого типа теплоносителя и его параметров, который бы позволил бы уменьшить массу турбины и теплообменника, а так же по возможности исключил бы необходимость лишних теплообменников в системе (они тоже тяжёлые).

Т.е. система должна быть одноконтурной, теплоноситель в реакторе должен быть жидким (газоохлаждаемая АЗ имеет низкую плотность мощности, газ - теплоноситель плохой, кстати к теплообменнику солнечно-термальной установки это тоже относится), теплоноситель должен иметь с одной стороны достаточно низкую температуру кипения, чтобы при допустимых с точки зрения материалов температурах давать пар с высокими параметрами, но с другой стороны - достаточно высокую, чтобы температура холодильника была достаточно высокой для эффективного охлаждения излучением (при этом для капельных поднимать её выше 250 градусов смысла нет, в капельном холодильнике всё равно нет разумной альтернативы органическим жидкостям с низким давлением паров (прежде всего вакуумным силиконовым маслам), а они всё равно температуры сильно больше 250 градусов не держат).  Как-то так.

Под требования явно хорошо подходит ртуть. У неё по сути только одна проблема (хотя и очень серьёзная) - она очень агрессивна к стандартным конструкционным материалам. Стали и большинство конструкционных сплавов при высокой температуре съедает очень быстро. Тут требуется большая работа по поиску подходящих материалов. И, возможно, даже переход к неметаллическим конструкционным материалам (скажем оксидным керамикам на основе ZrO2,  Al2O3, магний-алюминиевой шпинели, которые к ртути абсолютно устойчивы), из которых пока необходимые механизмы делать не умеют (и, кстати, если бы научились - это было бы полезно не только в космосе, но и на Земле, скажем керамика на основе магний-алюминиевой шпинели имеет превосходные нейтронофизические свойства, очень высокую радиационную стойкость, превосходную жаростойкость и абсолютную устойчивость в плане коррозии к тому же жидкому свинцу или воздуху, если бы этот материал научились использовать как конструкционный материал реакторов - это многое дало бы и обычной атомной энергетике).

P.S. Всё сказанное в равной мере относится и к солнечно-термальной установке. Способ нагрева там другой, но теплофизические проблемы в общем схожи.

[loky1109]

Так вот, подобная же ситуация и с 7-ю подряд пусками заправщиков Маска.

А нафига 7 подряд безаварийно? Ну гребанётся один. Досадно, расход денег, но страшного ничего - запустят запасной.

[Андрей Астрофизический]

Но и груз у меня на картинке - в самом низу (там открытые порты).
Так что по-середине таки!!!!

Ну давайте так.

Карго где? Более-менее по-середине. Вверху - пустота кабин, внизу - пустота баков. В общем то... центровка более-менее.

Вы если бы следили за новостями из Техаса, были бы в курсе, что уже давно придумано размещение доп.баков в носу корабля. В том числе как инструмент регулирования центровки. На посадку он идет хоть и с полупустыми баками, но не совсем пустой - на посадку что-то оставить надо. Гоняя эти остатки в верхние баки, полагаю вполне можно добиться нормальной центровки.

[drzerg]

Кто то может на пальцах показать в чем Профит ротационной детонации для ракетных движков? Из того что я понял это: из за больших пиковых давлений во фронте можно получить более полное сгорание? (Это все?) Из за того что пиковая температура только во фронте можно экономить на охлаждении.

В то же время среднее давление и температуры в КС куда меньше пикового поэтому непонятно откуда возьмётся больший УИ. Даже если фронт касается нижним краем сопла то все равно давление в среднем а значит скорость истечения будет ниже. Продукты сгорания будут вылетать и за волной. С меньшими скоростями. При этом Камера сгорания должна выдерживать пиковое давление.