Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[alex_semenov]

А если таки учитывать, что реально делать многоразовую АКС в расчете на 10 полетов для фактически "авиационного типа изделия" никто никогда не буде

Та куда вы нафик денитесь, "с подводной лодки" то-ащ полковник?
У нас же все ходы записаны!
Вот:
Колумбия †   28
Челленджер †   10
Дискавери   39
Атлантис   33
Индевор   25

Кстати их же чинили между...  И двигатели меняли. И самый рекордный двигатель RS-25, знаете сколько рекордных полетов совершил? Аж 19!!!

Ну у М-19 практически нет крыльев - это все-таки "несущий корпус" большей частью

Не виляйте товарищь офицер! Шасси имеются? Полоса для посадки предусмотрена? Все! Крылья!


Ps
Мои выше оценки сравнения энергозатрат Скайлона и Короны почти в 5 раз меня самого смутили.



Ну 2 ну 3...  Но 5!!! Я вот что думаю. А все ли заправленное в Скайлон топливо, топливо, в смысле горючее? Может из 222 тонн что-то кислород?
Ну он же только, скажем 2/3 скорости набирает в атмосфере. А 1/3 доразгоняетя как ракета все равно! И окислитель  для этого доразгона он возможно с собой берет? Хотя при его движках-детандерах, я бы так не делелал. Я бы уже на пол пути начал бы часть жидкого кислорода в движках из атмосферы отводить и запасать на доразгон. Хотя, возможно это и не имеет смысл?

[tydymbydym]

Если сравнивать чисто по спаленному водороду 222 тонны у воздушно-космической системы против 35 тонн у чисто ракетной

Не должно такого быть. В обратное соотношение я бы поверил легко, а тут УИ раз в 10-20 выше, и расход горючего в 6 раз выше. Это противоинтуитивно.

Полез проверять и вижу что "The Skylon concept weighs 275 metric tons at launch carrying 66 metric tons of liquid hydrogen and 150 metric tons of liquid oxygen". Алекс, откуда вы там 222 водорода взяли? Меня, собственно, это и смутило - размеры тогда у конструкции должны были быть побольше чем бак Шаттла или Блок Ц. Вместе взятые.

[tydymbydym]

Не должно такого быть

И даже с моей поправкой по массе водорода - ЖРД тратит его вдвое меньше, против ВРД. Всё равно выходит что не стоит оно того. В принципе, тут есть объяснение - Скайлон наружный воздух до 5М использует, т.е. не слишком большая первая ступень фактически. Зато тащит с собой все навороты типа теплообменника и крыльев.
Всё это еще раз иллюстрирует, что соотношение скоростей ступеней должна соответствовать соотношению УИ их двигателей для полного счастья, даже если эти ступени не разделяются в полете. Не должна ступень с УИ в десять раз большим, чем у ВРД давать 20% от общей скорости

[alex_semenov]

Если сравнивать чисто по спаленному водороду 222 тонны у воздушно-космической системы против 35 тонн у чисто ракетной

Не должно такого быть. В обратное соотношение я бы поверил легко, а тут УИ раз в 10-20 выше, и расход горючего в 6 раз выше. Это противоинтуитивно.

Полез проверять и вижу что "The Skylon concept weighs 275 metric tons at launch carrying 66 metric tons of liquid hydrogen and 150 metric tons of liquid oxygen". Алекс, откуда вы там 222 водорода взяли? Меня, собственно, это и смутило - размеры тогда у конструкции должны были быть побольше чем бак Шаттла или Блок Ц. Вместе взятые.

Я честно прочел это после того как отписался выше...
Меня тоже это смутило.
Да. Все верно. Откуда 222? Я все топливо (что залито на земле и сгорело в полете) посчитал водородом. У вас же 66+150 = 216 тонны!

Да, так все получается интуитивно правильно. 66 тонн против 35.  Если точней:
66/53 =1.24 тонны водорода/тонну сухой массы у космоплана "Скайлон"
35/45 = 0.78 тонны водорода/ тонну сухой массы у космолета "Корона"
Отношение космоплан к космолету 1.6
Вот это расово правильное число!
Это очень правильная расплата за излишнее трение о воздуха! Правильней и быть не может!

[tydymbydym]

Это очень правильная расплата за трение воздуха! Правильней и быть не может!

Формально правильно, а по существу издевательство. См. мой предыдущий пост. Скайлон фактически не использует воздух, за что и поплатился в этом сравнении

[Mercury127]

Ну он же только, скажем 2/3 скорости набирает в атмосфере. А 1/3 доразгоняетя как ракета все равно!

"The vehicle design is for a hydrogen-fuelled aircraft that would take off from a purpose-built runway, and accelerate to Mach 5.4 at 26 kilometres"
5,5 махов = 1600 м/с = 1/5 от орбитальной... а дальше все равно извольте пешком, по ракетному.
проблема в том. что на разгон 1 кг чего либо от 1600 до 8000 надо затратить в 16 раз больше энергии, чем от 0 до 1600.

[tydymbydym]

а дальше все равно извольте пешком, по ракетному.

Думаю, что если провести маленькую хирургическую операцию на Скайлоне и удалить ему первичные самолетные признаки, то от этого его грузоподъемность только выиграет. Раз уж он этими признаками не пользуется практически...

[Mercury127]

А если ещё и убрать переусложненные многогибридные движки и поставить пару rs-25...

[tydymbydym]

А если ещё и убрать переусложненные многогибридные движки и поставить пару rs-25...

Правильно! Потому что преимуществом надо пользоваться под угрозой утери последнего. А если им пользоваться как англичане со своим Скайлоном... сами не летают и другим не дают 

[alex_semenov]

Формально правильно, а по существу издевательство. См. мой предыдущий пост. Скайлон фактически не использует воздух, за что и поплатился в этом сравнении

Ну почему же? Космоплан выводит почти в 2 раз большую полезную нагрузку! 12 тонн против 7 у "Короны" при одинаковой по-сути "мокрой" массе да и "сухой" почти одинаковой! То есть все-таки НЕКОТОРЫЙ выигрыш забортный кислород и рабочее тело дают. Близкий к 2. По массе. Ну как и говорили срванивая 4% "сатурна" с 8% у атомного чудо-космоплана. Хотя   этап разгона в атмосфере - с гулькин нос по сравнению с разгоном до орбитальной.  Что такое 5 М, когда орбитальная скорость 25 М? Пятая часть.
А что вы предлагаете?
Ну в смысле улучшить эффективность "первой ступени" на "Скайлоне"? Или даже на ракете вообще?
Я тут как-то считал эффективрость Р-7.
Я получил  12-15% (надо пересчитать точней).
Вообще ракета, которая разгоняется "в вакууме" может даже при фиксированной скорости истечения (но оптимизированной) иметь ~65% эффективности как движитель.



При этом сам двигатель обычно 70-75%. То есть общая эффективность  привода 0.65*0.75 может быть 48-49%
Конечно, если вы используете правильно переменный импульс (равный мгновенной скорости ракеты), то вот ее эффективность от массового числа Z:



При разумном массовом числе 9 вы можете В ИДЕАЛЕ получить 90% эффективности движителя. То есть при 75% эффективности двигателя вы можете выжать (варьируя скорость истечения по скорости полета) 67% эффективности.
Но это все без затрат на атмосферу и ГЛАВНОЕ- без затрат на борьбу с гравитацией.
Давайте прикинем для "Короны" ее эффективность.



Она выходит на НОО 250 км и приобретает скорость 8 000 м/с.
Ее сухая масса (с полезной нагрузкой) 45 000 кг. То есть работа подъема mgh =45 000 * 250 000 * 9,8 =1,10E+11 Дж
Полезная работа по разгону до первой космической 45 000 * 8000²/2 =1,44E+12 Дж  (в 14 раз больше чем работа подъема на высоту! Борьба с инерцией основной вид борьбы в ракете. Не с гравитацией и не с сопротивлением атмосферы!)
В сумме 1,55E+12 Дж
Теперь считаем энергию сожженного водорода. Это просто. Теплота сгорания водорода (тупо по памяти) 141 МДж/кг умножаем на 35 тонн. Получаем 4,935E+12 Дж.
Гм... Делим полезную на запасенную в водороде...
Я получаю.. 31,40% Пи()? В смысле не может быть такой хорошей реальностью!
Хотя почему? В 2 раза лучше чем у Р-7. Это путь в 70 лет...
Но если у "Короны" это так, то что вы собираетесь еще какими-то ухищрениями выжимать? Если даже без гравитации и воздуха вы больше 50-67% КПД привода получить не можете! Вы дошли до половины теоретического предела (для постоянного уи даже дальше)!
Побойтесь бога! Это очень хороший результат!
Обычно норма 15-10% общей эффективности привода-преобразования! Выше - это уже сверх дорогие, рекордные системы!
И бог такую шельму-фраера метит! В смысле наказывает некими сверхзатратами.
Скупой платит дважды!

Кстати, надо заняться подсчетом кпд ракеты при подъеме на высоту... Что там творится? Это возможно самая большая "утечка"...
Разложить таки все по полочкам... Раз уж зацепился...

Но кстати. Смотрите. При истечении 4500 м/с (водородный двигател) и орбитальной 8000 м/с. отношение первой ко второй u/v = 0,5625
Это очень близко к ОПТИМУМУ для ракеты с постоянной скоростью истечения (см правый график вверху) 0,62...
По-сути глупо желать чего-то лучшего.

[tydymbydym]

Ну почему же? Космоплан выводит почти в 2 раз большую полезную нагрузку! 12 тонн против 7 у "Короны" при одинаковой по-сути "мокрой" массе да и "сухой" почти одинаковой!

И тратит горючего тоже примерно вдвое больше. Так что на единицу ПН особой выгоды не показал аппарат. Если же берем в расчет полную массу, которой придается орбитальная скорость, то у "крылышек" даже существенный проигрыш.

Конечно, если вы используете правильно переменный импульс

Для доорбитальных аппаратов этот вариант не применим - это не VASIMR.
Тут всё определяется скоростью воздушного потока

[tydymbydym]

Кстати, надо заняться подсчетом кпд ракеты при подъеме на высоту... Что там творится? Это возможно самая большая "утечка"...

Предлагаете устраивать орбитальные запуски на высоту 10 км, чтобы лишнюю работу против гравитации не совершать?

[Андрей 2]

Это зависит от точки зрения. Они были слишком умными, использовали ненормально высокий коэффициент новизны - тут тебе и реактор и теплообменники для использования воздуха в качестве рабочего тела и одноступенчатая многоразовость. Слишком умные... наверное хотели страну разорить за два-три десятка лет разработки

   " Несмотря на фантастические характеристики будущего ВКС, достижение последних было обосновано расчетными исследованиями и имеющимся уровнем развития отечественной промышленности».
    В частности, технические возможности осуществления проекта были обусловлены последними достижениями науки и техники того времени, среди которых было:
        наличие надежных теоретических и экспериментальных методов исследований вопросов гиперзвуковой аэродинамики и силовой установки;
        появлением новых конструкционных материалов с заданными механическими свойствами;
        прогрессом в области космических полетов и пилотируемой космонавтики;
        разработкой концепции входа КЛА в земную атмосферу при больших углах атаки (a=60°);
        созданием высокотемпературных компактных ядерных реакторов с высокими удельными показателями;
        достигнутыми успехами в разработке и создании экспериментальных моделей ГПВРД со сверхзвуковым горением и опытных ЯРД для летательных аппаратов; большим прогрессом в развитии криогенной техники;
        опытом разработки и реализации крупномасштабных авиационных и космических программ."

 https://testpilot.ru/russia/myasishchev/m/19/

Разорить Союз такими кораблями? Ну разве что их вместо легковушек выпускать для населения... И продавать по цене тех же легковушек. Между бюджетами СССР и нынешней РФ разница очень большая.
"

[alex_semenov]

Для доорбитальных аппаратов этот вариант не применим

Применим. Еще как применим!!!

Поверьте мне. Звездолетчику, который "летал" даже на термоядерных таранных межзвездниках (и въехал как это вообще работает!)



Мгновенная эффективность ЛЮБОЙ ракеты равна 1 если мгновенная скорость истечения равна мгновенной скорости полета.



Rocket vehicle mechanical efficiency as a function of vehicle instantaneous speed divided by effective exhaust speed. These percentages need to be multiplied by internal engine efficiency to get overall efficiency.

Это не достижимо но к этому стремятся:



Но суть не в этом.
Допустим вы используете забортную рабочую массу когда разгоняетесь в атмосфере и очень эффективно (у вас движитель с эффективностью близкой к 1). Но если вы разгоняетесь на этом эффекте лишь до 5М и это только пятая часть всей скорости (и 25-я часть энергозатрат), то это воздушная эффективность не играет большой роли в общем итоге.
Все равно. Пусть вы ухитрились все 25 махов (вторая космическая) набрать в потоке с эффективностью двиЖителя 1 (лучше же не бывает?). Все равно у вас остается эффективность двиГателя. 75% - очень высокий показатель как для любой тепловой машины.  Вряд ли мыслимы тут подвижки.
Я к тому, что если "Корона" имеет суммарную эффективность в 31,4%, то глупо пытаться добиться чего-то большего.
Почему "Скайлон" отстает?
Потому и отстает, что тянет за собой НЕНУЖНУЮ массу на орбиту. Все эти чудо-теплообменники, чудо-контуры-детандеры, регулируемые гиперзвуковые воздухозаборники, крылья, шасси... На 4/5 набираемой скорости это все равно БАЛЛАСТ.
"Корона" же (концептуально) проста и примитивна как ступа бабы Яги.

[Андрей 2]

Ну в общем крылья, К СОЖАЛЕНИЮ, не так уж и хороши оказываются даже при выходе на орбиту Земли

Главное преимущество крылатого - ему проще удержаться в воздухе, а ракете приходиться "газовать" изо всех сил, чтобы не грохнутся на Землю, вот главная разница между этими видами техники.
Да, и ещё: космолёт стартующий без носителя, за счёт собственных двигателей, ничего не отбрасывает (ступени там, и прочее барахло) а значит нет необходимости в "полях падения", если кто не в курсе что это такое, то скажу так: это такие места, где на голову может упасть с неба здоровенная штуковина, стоящая бешеных денег, но от этого  не ставшая менее опасной для людей и природы.

[alex_semenov]

Главное преимущество крылатого - ему проще удержаться в воздухе, а ракете приходиться "газовать" изо всех сил, чтобы не грохнутся на Землю, вот главная разница между этими видами техники.
Да, и ещё: космолёт стартующий без носителя, за счёт собственных двигателей, ничего не отбрасывает (ступени там, и прочее барахло) а значит нет необходимости в "полях падения", если кто не в курсе что это такое, то скажу так: это такие места, где на голову может упасть с неба здоровенная штуковина, стоящая бешеных денег, но от этого  не ставшая менее опасной для людей и природы.

Андрей. "Корона" все равно лучше. Она тоже не отбрасывает ничего кроме выхолпа в виде водяного пара. Но она еще и резину не жгёт при посадке. И "вертолетный" пяточек для ее посадки - вертолетный. Куда меньше чем у любого самолета там бетона. Одни выгоды!!!
Не работают ваши аргументы. Все как один. Я понимаю что вам нравятся крылатые машины. Но всему свое место.

[alex_semenov]

Кстати. Фанатикам забортной ракетной массы.
Я бы к этому графику присмотрелся.



Над ним нужно очень долго медитировать.
Смотрите. Считается что система, которая черпает ракетную массу снаружи может приблизится к эффективности 1 как двиЖитель. И мол, ракетам с бортовым запасом массы это и не снилось.
Но посмотрите. Ничего подобного. Даже с массовым числом 9, вы могли бы варьируя импульс получить эффективность ракетного движителе всего на 10% ниже чем у идеального движителя, черпающего ракетную массу снаружи.
Другое дело, что у ВРД,  переменность тяги (нарастание скорости истечения по мере роста скорости полета) происходит "сам собой", а в ракете добиться такой переменности - головная боль, на которую никто из ракетчиков и не пытается заморочиться. Ну да, ставят на первую ступень твердотопливные "тупые" бустиры. Вот и всё приближение к идеалу.
У них столько прочих критериев оптимизации (например бюджетных затрат), что этот - да гори он пропадом!

Ps
Кстати. Слона не заметили. Главная сложность у идеальной ракеты с бортовым запасом массы. Что бы выйти на орбиту Земли с эффективнстью движителя 1 она должна уметь выбрасывать на последних секундах разгона рабочую массу со скоростью полета. То есть 8 км/с. А химия на такое не способна.
Но и у водорода с постоянной тягой в идеале возможно порядка 60%. При том что по второму началу термодинамики мы расплачиваемся эффективностью не выше 75%, так стоит ли "попу рвать за вымпел ударницы соцтруда"?
Хотя...
Тут надо еще думать. Все-таки что то тут не совсем так...

[Андрей 2]

Андрей. "Корона" все равно лучше.

А я против неё ничего особо и не имею, у неё будет своя ниша - замена Союзов и Протонов, и далее Ангары, а что насчёт пяточка, то крылатый тоже так может.

https://www.youtube.com/watch?v=p0t2guap6uo

И здесь не страшно что на бок упадёт, практически исключено, плюс низкая критичность к качеству поверхности, ямы и колдобины ему не страшны.

[Андрей 2]

Ракета сразу уходит вверх и борется только с инерцией и гравитацией.

Это если она с Луны стартует , где нет атмосферы, то да.
Хитрите, товарищ.

[tydymbydym]

Это не достижимо но к этому стремятся:

Ну да, единственное чего недостает пепелацам типа Скайлона - так это редукторного турбофана

Применим. Еще как применим!!!

Только на низких скоростях, там где к потоку можно примешивать некоторое количество воздуха. Где-то начиная с М=10 по естественным причинам пепелац начнет быть быстрее даже неразбавленного выхлопа и с этим уже ничего не сделаешь, если не догревать реактором. А если есть реактор, то камера сгорания становится лишней на этом празднике жизни.

Алекс, я вообще удивлен что вы так легко взяли и проглотили несовершенство Скайлона. Конструктивное, не концептуальное. То, что он использует единственный годный к использованию внешний ресурс всего на 20%. При том что законы физики не запрещают ГПВРД, к примеру