Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[alex_semenov]

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

А сами посчитать не хотите?
Я подумал, а как сделать ГРАНИЧНУЮ оценку по пробивке ракетой атмосферы?
Ракеты движется вверх с переменной скоростью. Лобовое там сопротивление. Вэ-квадрат, цэ-икс, ро... блин... А это ро- плотность меняется по бараметрическому закону...
Жуть!!!
Можно конечно промоделировать. В наше время каждый может. Но это в лоб и это без смекалки. Это кропотливо и тупо. А вот если смекалку проявить? Можно оценить границу (ну мол, затратим энергии на прохождение атмосферы не больше!)?
Ась? Какие идеи?

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

Честно говоря я не сильно погружался в тему Скайлона. У меня друг, диполмированный двигателист загорелся этой темой (я его увлек двигателями для полета в атмосфере Титана) и стал делиться найденным с юношеским восторгом. За пивом по скайпу...  И мы вместе пришли (не знаю на какой бутылке) к мысли что это наверное лучшее что они вообще могут придумать для гибридника. Умницы бриты!
На самом деле эта тема - вечная. Как ЯРД. И удивительно что кто-то ее до сих пор не забросил, а пилит и пилит.
Я же "как хужожник" понял уже давно: ЭЙ ТОВАРИЩ! ТУДА НЕ ХОДЫ! СНЕГ БАШЬКА ПОПАДЁТ!

[tydymbydym]

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

Там вообще это делают с совершенно другой целью. Чисто чтобы стоимость уменьшить, ведь первая ступень - самая большая, поэтому она не может стоить по цене ювелирного изделия (Центавр).
Забудьте про эффективности - за нее вообще никто денег не заплатит.

[tydymbydym]

Ась? Какие идеи?

Очевидно что за вычетом плотных слоев, где прочность является граничным условием, достаточно тратить на сопротивление в каждый момент времени меньше, чем mgdH

[tydymbydym]

Я же "как хужожник" понял уже давно: ЭЙ ТОВАРИЩ! ТУДА НЕ ХОДЫ! СНЕГ БАШЬКА ПОПАДЁТ!

Ну это понятно... когда у вас в голове таранные термоядерные звездолеты, то эффективность самой первой ступени - на это наплевать и растереть. Как чиновникам от космонавтики на первые ступени РН, ага 

[alex_semenov]

И так.
Ракета. Выходит на орбиту. Как оценить для нее затраты? Просто и сердито. На салфетке.
Прежде всего. Затраты на преодоление инерции. Это примитивно. эм-вэ-квадрат-на-два. скорость - первая космическая. Это самые большие затраты.
Далее. Подъем на высоту. Это тоже просто. Учебник Перышкина.  эм-жэ-ашь. Так как высота небольшая (в сравнении с радиусом земли) g - константа. 9.8
Теперь для атмосферы. Желательно так же тупо и просто. И вот что приходит в голову. Ракета будет как пуля пробивать атмосферу на сверхзвуке:



То есть она весь воздух на своем пути превратит в конус Маха, который движется со скоростью звука. То есть, очень грубо, сообщит встречной массе скорость звука. Возьмем эту скорость  по-максимому, у земли (мы же оцениваем НЕ МЕНЬШЕ ЧЕМ) 330 м/с. Осталось понять какой массе воздуха мы эту скорость сообщаем. Но это же просто. Берем радиус лба пи-эр квадрат. Получаем площадь. А далее. Мы знаем из школьного учебника что атмосферное давление на дне воздушного океана эквивалентно давлению 10 метрового водяного столба. То есть на каждый метр квадратный поверхности земли  давит 10 тонн атмосферы (и никаких бараметрических формул!).
Значит, потеря энергии ракеты, скажем, при прохождении ракеты с площадью лба в 1 м² не может быть больше чем энергия, сообщенная 10 тоннам массы воздуха скорости звука в 330 м/с. Будет даже меньше. Но не больше же.
Ну и считаем!
Возьмем ту же "Корону". Максимальный диаметр у нее 10 метров. Прекрасно!
Ракета диаметром 10 метра имеет лоб 7,85 м². Значит растолкает по пути в космос  78,2 тонны воздуха со скоростью 330 м/с (не больше), она потеряет (передаст воздуху) 4,28E+9 Дж своей кинетической энергии.
При этом. Разогнав пустую ракету в 45 тонн до 8 000 м/с вы сообщите ей  1.44E+12 Джоулей кинетической энергии. Возьмем это за 100%
Подняв на высоту 250 км вы запасете в 45 тоннах пустой ракеты 1,1E+11 Джоулей гравитационной энергии. То есть 7,6% плюс к энергии кинетической.
Тогда потери на сопротивление атмосферы не может составлять более 0,3% от кинетической энергии аппарата.
Гм... Слишком хорошо чтобы быть правдой. Что не так?

[Андрей 2]

А что за картинка? не открывается.

[tydymbydym]

Тогда потери на сопротивление атмосферы не может составлять более 0,3% от кинетической энергии аппарата.

Всё так
Я уже сегодня писал в ответ (простите, не помню кому) что для упрощенных вычислений аэродинамические потери - 400 м/с
Это 1/20 от орбитальной и 1/400 если брать затраченную энергию, необходимую для достижения орбитальной скорости. 1/400 = 0.25%

[alex_semenov]

Всё так
Я уже сегодня писал в ответ (простите, не помню кому) что для упрощенных вычислений аэродинамические потери - 400 м/с
Это 1/20 от орбитальной и 1/400 если брать затраченную энергию, необходимую для достижения орбитальной скорости. 1/400 = 0.25%

Но назад, при вхоже в атмосферу этот расчет не годится.



По нему получается, что мы никакой аппарат не можем в атмосфере затормозить, пока он не впилится в поверхность. Но в чем разница уходящей из атмосферы ракеты и входящей в нее?

[tydymbydym]

Но назад, при вхоже в атмосферу этот расчет не годится.

О!!! Буду думать, ибо на первый взгляд задача не симметричная, что противоречит логике

UPD: Впрочем, почти сразу становится понятно, что дело в угле входа в атмосферу. Если он далек от нормали, то и масса атмосферного столба может быть сильно выше тех самых 10 тонн на метр

[alex_semenov]

Но назад, при вхоже в атмосферу этот расчет не годится.

О!!! Буду думать, ибо на первый взгляд задача не симметричная, что противоречит логике
UPD: Впрочем, почти сразу становится понятно, что дело в угле входа в атмосферу. Если он далек от нормали, то и масса атмосферного столба может быть сильно выше тех самых 10 тонн на метр

Допустим. Давайте пересчитаем. Пусть та же "Корона" с 45 тоннам и миделем 10 метров пытается слить трением об атмосферу свою отрибальную энергию. Это  1,50E+12 Дж. То есть передать некой массе воздуха m скорость 330 м/с. Какая это масса? m = 2E/c² с- скорост звука. Я получил 28471 тонн. То есть, условно (счичая что бараметрический профиль сохраняется) дистанция торможения должна быть в 28471/10 раз длиннее. То есть не 250 км, а ... 711 777 км.
Это сколько оборотов по экватору?
Не получается...
Идея что конус Маха расталкивает воздух перед лбом со скоростью звука, видимо есть хорошим ПРИБЛИЖЕНИЕМ только когда скорость расталкивающего лба действительно близка к звуку. Ну чуть больше его. Например до 5 махов. До того самого гиперзвука. Но чем быстрей - тем хуже эта грубая модель работает.
Однако, когда мы прошиваем атмосферу снизу вверх, то большая часть взятой нами массы (бараметрическая формула!) в 10 тонн оказывает сопротивление именно на дозвуке (модель переоценивает сопротивление) и свергзвуке. Мы ведь идя снизу пока мы не набрали хорошую скорость. И неправильность модели на больших скоростях компенсируется экспоненциальным падением доли оставшейся массы сопротивляющегося воздуха. То есть как оценка по максимуму она корректна.  Но в обратном направлении - все не так. Тело на большой скорости влетает во все более плотную и плотную среду.  Тут для простоты лучше предположить что мы при прохождении атмосферы сверху вниз сообщаем этому слою в  10 тонн свою скорость движения. Скорость звука - это минимум что мы сообщаем. Наша скорость - максимум что сообщаем. Сообщаем и увлекаем за собой (как бы). Хотя на самом деле эта масса расступается вокруг нас, разумеется. То есть надо считать неупругое соударение с 10-ю тоннами воздуха на метр квадратный при скорости 8 км/с.
Тогда "Корона" падающая вертикально вниз (ну предположим для начала) массой в 45 тонн и миделем в 7,85 м², пролетев 250 км  до поверхности Земли столкнется с 78,5 т  неподвижного воздуха. При таком неупругом столкновении скорость "сцепки" упадет до 36% от начальной (закон сохранения импульса)... 2,9 км/с. Гм... Многовато как на мою интуицию....
А вот теперь пустим траекторию по касательной в атмосфере. В 10 раз длинней путь (2500 км), допустим теперь всего встретилось 100 тонн на м², получаем для "Короны"... скорость в конце... 436 м/с. Еще чуть чуть и мы прошли звуковой барьер! Мы почти дома!!!!

Хреновая модель. Но уже ближе к реальности. "Неупругость" столкновения и проявляется  в виде той самой светящейся плазмы.
Где-то так, наверное.

[tydymbydym]

Однако, когда мы прошиваем атмосферу снизу вверх, то большая часть взятой нами массы (бараметрическая формула!) в 10 тонн оказывает сопротивление именно на свергзвуке, пока мы не набрали хорошую скорость

Хм... интересная мысль. Но никаких 10 тонн на метр при скорости 8 км/с точно нет. Там вообще начинает, как я понимаю, другое работать. Чуть ли не высвечивание излучением энергии при торможении.

[SpaceEngineer]

По нему получается, что мы никакой аппарат не можем в атмосфере затормозить, пока он не впилится в поверхность. Но в чем разница уходящей из атмосферы ракеты и входящей в нее?

Стартует ракета вертикально и прошивает атмосферу быстро. Почти всю - на дозвуке. Львиную долю скорости набирает уже в почти вакууме.
При аэродинамическом торможении же врывается в атмосферу во-первых почти горизонтально, во-вторых сразу на бешеной скорости. Ро-вэ-квадрат, хотя для гиперзвука формула сложнее. Плюс площадь, которой тормозим, это не площадь ракеты, а площадь ионизационного кокона (грубо).

[alex_semenov]

Мне показалось (совесть проснулась?), что я что-то забыл и вернулся:

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

Скайлон, к стыдыу - единсвтенный известный мне более-менее ПОСЧИТАННЫЙ и далеко продвинутый проект, который можно было выставить на сравнение с "Короной".

В целом, я согласен.
То что он должен разгоняться лишь до 5-6 махов (выходит на гиперзвук) с внешним источником кислорода - это по-сути делает его больше ракетой чем космопланом. И  сравнение с чистой ракетой было наверное  некорретным. То есть наше соревнование мало что показало. Хотя тот же M-19 на  Скайлон концептуально вроде тоже ж похож! Нет?
Там тоже нету гиперзвукового контура. Это такая атомная ракета, надутая водородом и поднимаемая в воздух сверхзвуковыми движками с полосы... Почти как Скайлон. Но у Скайлона основная работа по разгону- ЖРД, а у М-19 - ЯРД.
Хорошо.
Давайте организуем честное соревнование.
Второй раунд.
У вас есть пример ПРОЕКТА  гиперзвуковика-грузовика для космоса, что бы там была честная оценка масс всего и  который хотя бы половину скорости набирал на забортном потоке? Там 12-15 Махов? Вряд ли все 25 можно... Хотя если есть и такой - тем лучше же!!!



Насколько я понимаю, британцы тоже не идиоты. Они давно эту тему курят. Скайлон - ИТОГ этого процесса.
И если вы поднимете КНИЖКИ на эту тему (где не только надежды но и анализ проблем) из далеких 1960-х, конца 60-х, то вы увидите там этих же британцев (ройлс-ройсы всякие!), которые уже тогда прекрасно понимали, что надо иметь как минимум ТРИ разных по-сути двигателя:

1 Взлетный (типа ТРД от 0 до 1 Маха)
2 Сверхзвуковой (до 5 махов)
3 Гиперзвуковой (выше 5 до 25 - орбита).
4. Может статься что до 25 нельзя. Скажем, только до 15, тогда нужен четвертый - ЖРД!


И это очень РАНЗНЫЕ двигатели. Нести помимо крыльев еще и три-четыре разных типа двигателей (на одной ступени!) - очень дорого. Не стоит овчинка выделки. Это поняли еще тогда. Это был вердикт. Приговор мечте.
Хорошо, сказали те же британцы. Именно они с конца 60-х и вцепились в тему. Остальные забросили ее.
Они сказали: мы будем делать ГИБРИДНЫЙ двигатель.
Что-то подобное первыми сделали американцы на SR-71:



Там разгон только до 3 махов. Но и с этим намучились  более чем! Топливо уже не успевало сгореть. Это проблема всех гипер-пупер.
Я когда слышу что топливо не успевает сгореть прям слышу запах керосина... Дело в том, что я впервые об этой проблеме узнал в 1986-м, разглядывая препарированные прямоточники выставленные во втором корпусе ХАИ, в учебном классе двигателей, а там как раз стоял этот вечный керосиновый запах. Второй факультет (двигателистов) так и называли: "керосинщики". Именно за этот запах.

Британцы единственные, которые сказали что они СОВМЕСТЯТ все двигатели в одном (или хотя бы в двух).
Это стало идеей фикс.
И вот за несколько десятилетий "крутежа" они  в конце концов ВЫКРУТИЛИ это чудо с теплообменником:



Я так понимаю, что ничего лучшего до 5 махов придумать просто нельзя. Джентльмены все  мыслимые подходы перебрали. И раз к этому пришли - значит это вершина.
Я честно, не думал что они всего до пяти махов разогнались.
Просто тупо не посмотрел.
Я думал, что они ну почти все 25 набирают, ну 15-20 так (не зря с массой топлива лоханулся назвав все 222 тонны водородом). Но да. 1000 С на входе это уже при 5 Мах. А дальше температура вообще будет как на солнце. Плазма! Я вспомнил, что переход от сверхзвука к гипер в том и состоит, что "останавливать" (переводить на дозвук) гиперзвуковой поток нельзя. Надо сжигать на сверхзвуке. И тут уже даже водород не успевает сгореть. В чем и корень зла.
Тут нужно действительно переходить к чему-то ну совсем уж иному. Вокруг чего сейчас опять и поднялся интерес после "Авангарда" (который вообще то планер вроде!).
Но вот смотрите.
Раз британцы решили, что им ДЕШЕВЛЕ остальные 20 махов набрать на чистой ракете (благо у их ВРД по-сути "в зад" вставлен чисто ЖРД), то наверное они это решение не просто так выбрали для Скайлона.
Как вы думаете?
Это наверное результат многолетних раздумий и метаний?
Они наверняка  пытались поставить там ДВА двигателя! Скажем эту "Саблю" до 5 М и гиперзвуковик до, скажем 17 М (а потом в той же "Сабле" задействовать ЖРД).
Но видимо, решили, что так - дороже выйдет. Лучше уж дорагонятся чистой ракетой. 
Я не утверждаю. Я предполагаю.
И посмотрите опять на МАКС... Это чистая ракета. Чище не бывает. Мрия - лишь извозчик. Она там выигрывает не столько дутые проценты, сколько для того что бы доставить ЖРД-ракетоплан в удобную точку старта (параллель, меридиан). Что бы не ждать пока Земля вращаясь, совместитилась с нужной орбитой.



То есть и тут сказала: ДА НУ ЕЕ НАФИК ЭТУ ЗАБОРТНУЮ "ШАРУ". ДОРОЖЕ ВЫХОДИТ!
Видите?
Не пальцем деланные люди, кстати. Лозино-лозинского команда!
Они собаку как британцы на этом сожрали.
Хотя я не утверждаю что тема закрыта.
Если вы предложите так же продуманный проект но с гиперзвуковым двигателем, то милости прошу. Давайте их сравнивать.
Что-то в духе:



Я смотрю пока мы тему не исчерпаем, от этой идеи мы не уйдем.
Идея фикс очень крепкая у народа!
"Интуиция"!

[Mercury127]

Это наверное результат многолетних раздумий и метаний?

нет, это просто упоротость. и у них, и у нас.
есть крутые авиаинженерные школы, которым после массового распространения ракет стало нечего делать.
но летать то охота! а на покой уходить, наоборот, неохота!
вот и делают, как умеют, авиаинженерно, потому что больше никак не умеют.
они не идиоты - просто упоротые.
брать с них пример "деды боги не могли ошибаться!" - ну, не знаю...
меня такая квазирелигиозная аргументация уже не прошибает. тем более на научном форуме.
старый стал, наверное...

[alex_semenov]

И после этого меня обвиняют в том что я верю в рептилоидов с Нибиру?
В теорию заговора международных банкиров (которые по самой своей сути бизнеса - глобалисты и тайнократы, заговорщики!) никто верить не хочет.
Нет! Это - глупость!!! Они не такие!!! Они невинны...
А то что группы инженеров, инженерные школы устраивают антипрогрессистский заговор, топя целые направления развития технологий,  притом не сговариваясь но повсюду, глобально - в это мы верим с легкость!!!
 
Вы батенька или трусы оденьте тогда, или крестик снимите!
Так все таки есть научная контрреволюция на местах?
А в верхах почему нет?
 

Кстати. Вот статья попалась на тему...
https://scfh.ru/papers/iz-atmosfery-v-kosmos-vozdushno-kosmicheskiy-samolet-transport-budushchego/
С картинками...



Пока не прочел. Но, мне кажется, там как-то мало цифр...

[crazy_terraformer]

То есть, условно (счичая что бараметрический профиль сохраняется) дистанция торможения должна быть в 28471/10 раз длиннее. То есть не 250 км, а ... 711 777 км.
Это сколько оборотов по экватору?
Не получается...

17,7 с копейками

40 075.017 км — длина экватора
711 777/40 075.017≈17.7611154≈17.761

[Mercury127]

Если бы эти инженеры занялись пропульсивной посадкой 50 лет назад - проблемы возвращения ступеней сейчас бы не существовало.
Но поскольку до Маска основным заказчиком и потребителем ракетной техники везде были военные и немного политики, которым возвращение степеней и прочая экономия чуть более чем полностью до лампочки - имеем то, что имеем.

[Андрей Астрофизический]

Там нужен "русский сплав". Без него (если просто прочесть статью)  - НИКАК контур окислителя не газифицировать.
Ведь ЛЕГЕНДА уверяет что только русские умеют делать такой сплав и газифицировато окислительный контур.
Поэтому РД-180 у них и покупают до сих пор.
Но как секрет русских переоткрыла молодая команда Маска?
За одну ночь?

Вы эт самое... попробуйте читать не только ВЖР-ориентированный контент.

Двигатель РД-180 Энергомаш создавал специально для РН "Атлас IIAR".Энергомаш сам выдвинул предложение,в соответствии с которым разработка,изготовление опытных образцов,испытания и сертификация проводились СОВМЕСТНО с Pratt&Whitney.5 июня 1996 г НПО "Энергомаш" и фирма "Pratt&Whitney" подписали контракт о совместной разработке и изготовлении опытных образцов, испытании и сертификации этого двигателя.А 4 декабря 2002 г (согласно лицензионному соглашению) был произведен экспорт полного комплекта технической документации на двигатель РД-180.
После изучения этой документации Американской стороной самостоятельно были изготовлены камера сгорания и газогенератор(самые напряженные элементы двигателя).

Давно вам ответили жеж.
Вот там и тогда, "секрет русского чудо-сплава" и был передан. А SpaceX на тот момент еще даже в проекте не было.
Отчего тогда же, американце не начали сами такие же двигатели клепать? А оно им не надо, РД-180 произведенный в России, им дешевле обойдется, чем воспроизводить такое же на своей территории руками своих рабочих.
А что Маск? Он просто оказался тем парнем, которого РД-180 не устроили. Он затеял свое. Ну и да, видимо сведения о сплавах, используемых в РД-180, ему передали. Как вполне законно купленные американской стороной, а почему нет-то? Пускай делает, что ему нравится.
Нет оснований раздувать из этого какую-то великую тайну. Американцы купили сплав в комплекте с РД-180, "чтоб было, авось пригодится". Появился Маск - ему и пригодилось. Вот и все, собственно.

[alex_semenov]

Если бы эти инженеры занялись пропульсивной посадкой 50 лет назад - проблемы возвращения ступеней сейчас бы не существовало.
Но поскольку до Маска основным заказчиком и потребителем ракетной техники везде были военные и немного политики, которым возвращение степеней и прочая экономия чуть более чем полностью до лампочки - имеем то, что имеем.

Но полноценного ВКС (воздушно-космического самолета) с разгогогом до 17 махов на забортном окислители МЫ ТАК И НЕ ИМЕЕМ. Не смотря на то что киборги заполонили военные оккупировали....

Статью прочитал. Не смотря на всю кондовость стиля (картинки конечно разбавили, но осоадочек остался).


 
Главная цифра. Даже в чудо-варианте 70% массы будет ТОПЛИВО. Или я что-то не понял? Кстати выводимая масса составит 3-5%. Это неотличимо от обычной ракеты. Та же опрорная для сравнения  "Корона" при стартовой массе 290 тонн должна выводить полезной нагрузки 7 тонн. Это... 2.4 процента. Почти 3!
Так же сказано что конструкция (то есть сухая масса) должна составлять 30% от стартовой массы (типа не больше). В сверхоблегченной "Короне" это число 15,5%
То есть ВКС выигрывает перед чистой ракетой по-сути в 2 раза.
Это такой "как надо". Не Скайлон (ракета прикинувшаяся самолетом).
Однако.
Что за это придется заплатить?
Ну из статьи я понял - конь не валялся. Обещания. Идеи (которые надо проверять) обнадеживающие эффекты (что-то с СВЧ подогревом).
Но главная засада.
Даже не сжигание водорода. Кстати водород вроде все же гореть успевает. Главная засада температура в камере сгорания  2500 - 2700 °K.
Вы не можете ее поднять выше. А при очень больших скоростях даже уже сжатый поток воздуха уже имеет близкую температуру. Некуда уже сжиганием топлива повышать температуру! Сгорит все нафик! Поэтому придумывает такие вот хитроватые поэтапные (или там пульсирующие) режимы сгорания...



ШОБ НЕ ПЕРЕГРЕЛОСЬ!!!
В общем, моя интуиция меня не обманывает. Тема ВКС - тема "снег башЬка попадет!" и предпосылок для прорыва я просто тут пока не особо вижу...
Тут нет заговора. Банкиры - эти козни лепят. Римский клуб организовывают. Это - да. А инженеры тупо упираются в стены неразрешимых проблем.
И главное тут препятствие. За что сражаться?
Была бы цель какая высокая? Но даже если чудо-самолет на 14 махах или 17 полетит, какой итог? Двукратная экономия стартового веса (кстати Скайлон ведь показывает именно это! Без всяких 14 махов на ВРД! Так может британские ученые не так просты как кажутся?). Но сухая конструкция в те же 2 раза получается все же тяжелей!

[Андрей Астрофизический]

Я конечно могу задать этот вопрос в "храме святого Маска", но боюсь меня там

Вы ТАМ могли прочитать вот этот ответ. По существу.
А так, я вам его сюда процитировал... 
Читайте, читайте про Маска там. Не обязательно писать, хотя вопрос ваш про сплавы, хороший. Дельный.
Жалко что вы проглядели ответ по существу, данный на него в тот же день, и пошли строчить страницы...