Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[alex_semenov]

Я что-то туплю. Разве не H = 6100 * 570000 * 9,8 = 3,41e10 Дж?

Да. Спасибо.
Это я затупил. Хорошо табличку где считал не закрыл еще (я таки простые шпаргалки обычно тупо стираю, не сохраняю).
Это я княпнул мимо в попыхах.
Было так. В столбик в Excele:
8000 м/с
6100 кг
570 000 м
Я умножая 570 000*9,8*, умножил не на 6100, а на 8000. Промазал ляпая в формулу ссылку.
Конечно 15% энергии на подъем,  не 18%. Цифры близкие я не заметил подвоха.
То есть эффективность Р-7 была еще чуть меньше. 0,093, а не 0,098
Рад что "кто-то следит за доской"!


Главный вывод. Хотя я сам сторонник чистых ракет, все же ясно что крылья могут дать двойной выигрышь при выводе груза на орбиту. Именно за счет того что снижаются гравитационные потери. Ракета не висит на ракетной струе.
Это в теории.
Как на практике? Есть же реальные проекты.
Та же "Спираль", тот же МАКС Лозино-лозинского. В конце концов Скайлон.
Мы, между прочим самого красавца не проанализировали. "Спейс шаттл". Ведь наша методика теперь позволяет оценить вклад бустеров. Тупых но мощных.
В общем, праздник ума только начинается, господа офицеры!



Мене нравится такая коллизия!
Крылья, хотя я изначально был идейно против оказались уже дважды на высоте! Если кто не заметил, в случае торможения об атмосферу - тоже они в общем то нужны. Другое дело, что теория и практика... Как тонкие крылья выдержат столкновение с плазмой? Маск собирался разлагать метан....
Главный вопрос.
Ясно что для тяжелой ракеты (которая разгоняется до-о-о-о-о-лго) гравитационные потери чудовищны. Но почему именно для тяжелых ракет крылья неуместны?
Интересный вопрос?

[Mercury127]

Потому что для них первая воздушная ступень получается ещё монструознее обычной. Экономия будет отрицательной.

[alex_semenov]

Потому что для них первая воздушная ступень получается ещё монструознее обычной. Экономия будет отрицательной.

Это не ответ. Вернее это часть ответа. ПОЧЕМУ первая ступень получается монструозной?
Можно, скажем, "Скайлон" уверичить в 10 раз? Не 12 тонн на орбиту а 120! Почему бы и нет?

(кликните для показа/скрытия)

Что бы правильно задать вопрос, надо знать 2/3 ответа на него

Ну и главное "открытие дня". Крылья сами по себе ценны. Даже для ЖРД-ракеты.
То есть можно твердо разделить космопланы на два типа.
Концептуально разные.

1 Ракета с крыльями.  Она по-сути ЖРД ракета, которая за счет крыльев уменьшает гравитационные потери. Типичный пример - Скайлон и  МАКС.
2. Те самые гиперзвуковики, разгоняющиеся на ГПВРД до 10-14 махов.

И обратите внимание. Последних мы даже не видим концептов (что бы были конкретные расчетные цифры). Только принцип озвучивается. Некоторые идеи для проверки. Именно потому что там проблем как в межзвездных перелетах.

[elind]

Теперь. Самое прикольное. Если бы у всех этих ракет были бы волшебные крылья (которые ничего не весят)? То есть не было бы гравитационных потерь (или они были бы сравнимы с потерями на сопротивления атмосфере).

Крылья для такого нужны уж очень волшебные, с аэродинамическим качеством 50, как у планера.
Так-то, при реальных для сверх-гиперзвука 2-4 гравитационные потери, конечно, снизятся, но в разы, а ещё вырастут потери на лобовое сопротивление - из-за того, что космоплан дольше, с большей скоростью и в более плотных слоях атмосферы будет разгоняться.

[Андрей 2]

Так-то, при реальных для сверх-гиперзвука 2-4 гравитационные потери, конечно, снизятся, но в разы, а ещё вырастут потери на лобовое сопротивление - из-за того, что космоплан дольше, с большей скоростью и в более плотных слоях атмосферы будет разгоняться.

Значит разгонятся нужно на такой высоте, где плотность воздуха низкая.

[crazy_terraformer]

Дирижобель прикрутить изолентой. Пущай вытягивает. Или шарики— аэростаты.

Текущий рекорд высоты для многоместного пилотируемого аэростата был установлен 4 мая 1961 года: Малькольм Росс (англ. Malcolm Ross) и Виктор Пратер (англ. Victor Prather) на шаре Stratolab V стартовали с палубы корабля англ. USS Antietam в Мексиканском заливе и поднялись на высоту 34 668 м.

Текущий рекорд установил 24 октября 2014 года Алан Юстас, поднявшись на высоту около 41 421 метра в скафандре, прикреплённом к воздушному шару над американским штатом Нью-Мексико.

1 марта 1999 года Бертран Пиккар и Брайан Джонс отправились на аэростате Breitling Orbiter 3[en] из швейцарской деревни Шато-д’О (фр. Château-d'Œx) в первый беспосадочный кругосветный полёт. Они приземлились в Египте после 40 814 километров полёта спустя 19 дней, 21 час и 55 минут (средняя скорость 85,4 км/ч).

Рекорд высоты для беспилотного шара составляет 53,0 км; шар был запущен JAXA 25 мая 2002 года из префектуры Иватэ, Япония. Это самая большая высота, когда-либо достигнутая воздухоплавательным аппаратом: только ракеты, ракетные самолёты и артиллерийские снаряды могут летать выше.

Дроны-дирижабли или аэростаты вытягивают агрегат на высоту овер 30 км и отстыковываются.

[SpaceEngineer]

При этом независимо от ... они приблизительно равны 1050  м\сек.Отсюда и происходит моя любовь к ВС для РН Корона.ХС  снижается на1 км\сек.Начальная  УИ увеличивается  с 330 до 400 .на 8-10% увеличивается тяга ЖРД.

А можно просто построить большую тупую 1-ю ступень, залить в нее на те же 10-50% больше топлива, и пусть себе выводит такую же ПН, заданную по ТЗ. А потом возвращается на место старта или баржу. (Напомню, что топливо стоит порядка $200к, мелочь). А если заказчику очень надо запустить ПН потяжелее или повыше, можно ступень не возвращат, есть такая опция. Ничего не напоминает?
Никакого геморроя с крыльями, шасси, ГПВРД, горизонтальными нагрузками, безумием типа дозаправки в воздухе, которое тут недавно предлагали. Неограниченное дешёвое масштабирование вверх (ср. Фалькон-9 и Суперхэви, а потом прикинь, сколько будет стоить разработка условной Супер-Мрии).

[Mercury127]

Дроны-дирижабли или аэростаты вытягивают агрегат на высоту овер 30 км и отстыковываются.

дирижбан не обеспечит лишних 2.5 км/с в момент разделения. а так - невелика разница, стартовать ли с ум или с 30 км горы...

[elind]

Значит разгонятся нужно на такой высоте, где плотность воздуха низкая.

Чем ниже плотность воздуха, тем выше потребная площадь крыльев, которые не только лишняя масса, но и требуют недецкого охлаждения на высоких скоростях.
Причём, из-за закон квадрата-куба, для более-менее тяжёлых носителей крылья и так нужны здоровенные.

[Фантазер]

Цитата: Фантазер от Вчера в 14:39:45
При этом независимо от ... они приблизительно равны 1050  м\сек.Отсюда и происходит моя любовь к ВС для РН Корона.ХС  снижается на1 км\сек.Начальная  УИ увеличивается  с 330 до 400 .на 8-10% увеличивается тяга ЖРД.
А можно просто построить большую тупую 1-ю ступень, залить в нее на те же 10-50% больше топлива, и пусть себе выводит такую же ПН, заданную по ТЗ. А потом возвращается на место старта или баржу. (Напомню, что топливо стоит порядка $200к, мелочь). А если заказчику очень надо запустить ПН потяжелее или повыше, можно ступень не возвращат, есть такая опция. Ничего не напоминает?
Никакого геморроя с крыльями, шасси, ГПВРД, горизонтальными нагрузками, безумием типа дозаправки в воздухе, которое тут недавно предлагали. Неограниченное дешёвое масштабирование вверх (ср. Фалькон-9 и Суперхэви, а потом прикинь, сколько будет стоить разработка условной Супер-Мрии).

       Это типа:"А сюда мы припи....им полочку. !?Стоимость старта на Восточном для Союза 180 ярдов рублей.Старт для КОРОНы с ускорителем (1 ступенью)ЕЩЁ  дороже.При этом резко увеличивается стоимость пуска и главное  преимущество КОРОНы  как и её ВС ,возможность старта практически в любой точке Земли.Стоимость постройки СЛОНа (видимо в серии),490  млн руб."двойной Слон вряд ли потянет более 2х ярдов.Тем более ,что небольшая серия и в хорошем хозяйстве пригодится.Да и престиж не последнее дело.
    КОРОНА ВС при массе 300 т имеет Мю пн 6% ,т е  в 1,5-2 раза больше чем у любой другой РН.И при меньших размерах и массе практически равноценна Союзу-5.А в случае одноразового старта с экватора (упрощенного варианта) достижима ПН в 20 т.(см  МАКС_Т)
    Кстати мне очень не нравится "цифирь по массе РН от А Семёнова.У Маска в металле сухая масса 1 ступени 22т на 430т т топлива.Вряд-ли сухая КОРОНА потянет более 30 т,да ещё в композитах.ВС исключает взлётное устройство рассчитанное на массу 300 т ,остаётся посадочное на 40-45т.
Ну и пожалуй главное моё предложение :Вместо 6 т посадочного топлива дл многоразовой КОРОНы- ВС Добавить в её ДУ два ТРД-АЛ41 Ф-2 тягой на форсаже 18т ,общей массой 3,6 т с десятикратно меньшим расходом топлива чем у ЖРД и сотни раз большей надёжностью стабильностью работы имеющих УВТ и более значительный диапазон регулировки тяги.Уменьшив ПН до 12-15т.Это позволит пр их использовании на взлёте системы довольно значительно уменьшить  длину разбега ,тем самым увеличив количество доступных аэродромов.Производить активный ,управляемый старт РН с самолёта носителя .Совершать активный управляемый полёт РН до пуска ЖРД .В целях безопасности самолёта -носителя.Так же при  отказе ЖРД возможен слив топлива и окислителя ,с последующей вертикальной посадкой  даже с ПН на форсаже ТРД.При посадке с орбиты У РН будет управляемый активный участок полёта с такой же вертикальной посадкой.Кроме всего прочего ВС значительно уменьшит стоимость разработки РН исключив самую дорогую составляющую:создание ЖРД новой схемы.Воссоздание серийного производства ЖРД РД-0120,РД-701-704 ИМХО обойдётся на порядок дешевле  и намного быстрее. Вот такая схемка у меня для выхода на НОО

[Андрей 2]

Чем ниже плотность воздуха, тем выше потребная площадь крыльев, которые не только лишняя масса, но и требуют недецкого охлаждения на высоких скоростях.
Причём, из-за закон квадрата-куба, для более-менее тяжёлых носителей крылья и так нужны здоровенные.

Снижение подъёмной силы крыла  при снижении плотности атмосферы компенсируется повышением скорости - включением маршевых двигателей.

Что насчёт охлаждения , то ТЗП давно изобретено и успешно применяется, есть и другие меры для противодействию высоким температурам, в том числе и изменяемая площадь и геометрия крыла.

На высоту 20 км такой корабль выйдет на скорости в 2М и включит маршевые двигатели, разгонится и выйдет на "ракетный угол".  Перехватчик МИГ-31 выходит на такую высоту не прибегая к чему-либо экзотическому :

http://www.youtube.com/watch?v=IPjnvrJIRBM#

[crazy_terraformer]

Дроны-дирижабли или аэростаты вытягивают агрегат на высоту овер 30 км и отстыковываются.

дирижбан не обеспечит лишних 2.5 км/с в момент разделения. а так - невелика разница, стартовать ли с ум или с 30 км горы...

Рекорды с людьми: парный -34,668 км; одиночный — 41,421 км. А разница есть:стартуем с горизонтали — миминимум гравитационных потерь, да и аэродинамические меньше будут.

[Mercury127]

А эти люди весили по 2000 тонн?

[ziggyStardust]

Снижение подъёмной силы крыла  при снижении плотности атмосферы компенсируется повышением скорости - включением маршевых двигателей.

А вообще выгираш тогда точно будет(по сравнению с ракетой)? Чем обусловленный?

P.S.: ...орбитальный, межпланетный транспорт - нет более "толковых" концепций чем ионолет. Все эти человеко-часы потраченные на расчеты акустически-нагрузочных воздействий на скелет крупного планера в гиперзвуковом полете это конечно весело для распила. Можно много НИИ наоткрывать - даже не хуже чем теромоядерный синтез, точно сначала падишах, потом осел, а потраченных средств "зачинщикам" еще и на внуков хватит. Но вот стОит ли изначально усложнять задачу...

[alex_semenov]

Крылья для такого нужны уж очень волшебные, с аэродинамическим качеством 50, как у планера.

Такие?

Так-то, при реальных для сверх-гиперзвука 2-4 гравитационные потери, конечно, снизятся, но в разы, а ещё вырастут потери на лобовое сопротивление - из-за того, что космоплан дольше, с большей скоростью и в более плотных слоях атмосферы будет разгоняться.

Ну потери на сопротивление, как мы прикинули, составляют порядка 1%...
Правда, если вы все это проходите по касательной и дистанция в 10 раз больше (вместо 200 км 2000 км пути через атмосферу), то у вас лобовые потери (если прикидывать очень грубо, в лоб) составят ну 10%...
Я о ракетах с крыльями.
...
Но что смущает?
Вот я посмотрел параметры ВКС МАКС...
Гм... Я просто НЕ ВИЖУ выигрыша от снижения гравитационных потерь!
Масса второй ступени (то есть комоплан с баком): 275 т.



Это почти как у "Короны". Но "Корона" стартует вертикально и от поверхности земли, а эта ракета уже поднята достаточно высоко (как минимум пол атмасферы уже позади) и главное - она стартует по очень навесной баллистической траетории. То есть двигатели у нее не направлены к Земле (ну 30 градусов, не более). То есть система почти всю свою энергию и топливо/ракетную массу тратит на разгон, преодоление инерции (и преодоление сопротивления воздуха).
И что мы видим?
Выводимая на орбиту в итоге масс: сам космоплан -  26,9 тонн, груз - 8,2 тонны (мы выводим на НОО 200 км). В сумме 35,1 тонны. Ну топливный бак 10 тонн... 45,1 тонны в сумме (если бак тоже на орбите).
Да, но "Корона", стартуя с поверхности при той же примерно массе 290 тонн будет выводить на ту же орбиту в сумме те же 45 тонн (это аппарат плюс груз).
Топливо у них одинаковые (жидкий кислород и водород). Так в чем выигрыш крыльев у МАКС-а?
Ничего не понимаю!
Никакого выигрыша! Абсолютно!
 

Значит разгонятся нужно на такой высоте, где плотность воздуха низкая.

Вопрос о плотности воздуха - фигня вопрос. Мы это уже выяснили.  Главное - избежать (минимизировать) гравитационные потери. МАКС это делает, в принципе, идеальным образом. Тягач-самолет поднимает заправленную ракету за  самые плотные слои атмосферы и по-сути создает условия для того, что бы ракета сразу начала разгон по касательной к поверхности земли. Конечно она начнет сразу же падать. И поэтому ракета "выстреливается" не по касательной к поверхности а под некоторым углом. Где то 15-25 градусов (на глаз) и синус угла - это все-таки плата гравитации. Все таки 10-20 км не 200 км. И туда все равно подниматься. Но она (гравитационные потери) явно меньше чем у ракеты, которая ме-е-е-е-е-дленно отрывается от стартового стола вертикально и которая в этот момент почти всю свою мощь тратит на гравитационные потери!
Тут все это исключено.
Но почему результат не впечатляет?
Возможно пепелац "Корона" неправильно посчитан? Уж больно хорошие параметры!

[Mercury127]

Но она (гравитационные потери) явно меньше чем у ракеты, которая ме-е-е-е-е-дленно отрывается от стартового стола вертикально и которая в этот момент почти всю свою мощь тратит на гравитационные потери!
Тут все это исключено.
Но почему результат не впечатляет?

потому что нормальная ракета и так поднимает за пределы плотных слоев много больше 275 тонн.
а игрушечные ракеты, в ПН которых нужно высчитывать каждый кг массы (не дай бох приделать шляпку к вибратору Инсайта, за которую его можно было бы переставить в другое место) - уже всем надоели.
а если мы захотим поднять самолетом хотя бы 1500 тонн - СуперМрия будет весить не меньше, и это без топлива.

[alex_semenov]

Еще.
В книге Ю. Зигеля "Занимательная космонавтика" нашел вот такую версию ф. Циолковского:

В реальных условиях, например, при запуске космических ракет, на летящую ракету, кроме сил тяги, действует, конечно, и другие силы, например притяжение Земли, сопротивление воздуха. Если учитывать только земное тяготение, отвлекаясь от всех иных воздействий, то скорость ракеты v при вертикальном подъеме можно найти по знаменитой формуле Циолковского



где с- скорость истечения рабочего тела; M₀ - начальная масса ракеты; M- ее масса в данный момент; a - собственное ускорение ракеты; g - ускорение силы тяжести, равное  9,8 м/сек². Величину M₀/M называют числом Циолковского.

Эта формула - почти все что нам надо для оценки в чистом виде гравитационных потерь для вертикально поднимающеся ракеты. Одно смущает - постоянство а - собстввенного ускорения ракеты. Если у вас тяга двигателей не меняется (вы их не отключаете) у вас собственное ускорение меняется из-за того что у вас уменьшается масса ракеты.
Одно хорошо. Это линейная зависимость. То есть масса ракеты уменьшается линейно по закону y=kx, а значит так же линейно растет и собственное ускорение. А значит, в принципе (но я тут не уверен) можно попробовать усреднить ускорение.
Если так, то просто давайте прикинем.
Ракета имеет превышение тяги наб массой в 1.25 раза.
Допустим M₀/M = 4. Скорость истечения 2500 м/с.
Какую скорость она разовьет взлетая вертикально?
Если ускорение не меняется (a/g = 1,25) то конечная скорость 2668 м/с. Без влияния гравитации эта ракета разогналась бы до 3466 м/с. Соотношение квадратов этих скоростей (то есть энергий приобретенных обеими ракетами) дает 0,59. То есть гравитационная потеря 40%.
Если массовое число 12 и скорость истечения 3500, то мы уже теряем половину скорости (гравпотери ~75%)
Но данный расчет не учитывает рост ускорения по мене облегчения ракеты.
И я не уверен пока что тут можно применить усреднение.
Надо кое-что проверить...

а если мы захотим поднять самолетом хотя бы 1500 тонн - СуперМрия будет весить не меньше, и это без топлива.

А причем тут украинская мечта?
Она в моем расчете вообще отсутствует. Она сделала свое дело, подняла аппарат массой в 275 тон куда надо и отпустила его в свободный полет в очень выгодных для аппарата условиях. И он этими условиями... не сильно и воспользовался, получается.
То есть все равно непонятно!
 

Зы. Ясно что крылья, если и имеет смысл, то применять для так называемых "малых" или "средних" ракет-носителей-космолетов-космопланов.  То есть, выводящих на орбиту до 10-20 тонн. Не более. Для тяжелых они неприемлемы. Но в любом случае надо разобраться с вопросом гравитационных потерь при старте со дна гравитационной ямы.
Это же пол пути к планетам по-сути. И оставлять неясным этот вопрос нельзя.

[Mercury127]

А причем тут украинская мечта?

она такая же украинская, как я - Тарас Бульба...
советская это мечта, советская.

[Mercury127]

Она сделала свое дело, подняла аппарат массой в 275 тон куда надо и отпустила его в свободный полет в очень выгодных для аппарата условиях. И он этими условиями... не сильно и воспользоваля, получается.

а может? ему все равно надо разгоняться до 8000. и тут предварительный разгон до 2500 мало помогает, разве что тем, что, начинайся разгон с 0 - аппарат скорее всего вообще бы не вышел на орбиту.

[alex_semenov]

А причем тут украинская мечта?

она такая же украинская, как я - Тарас Бульба...
советская это мечта, советская.

Это была ирония. Само. Не хватало тут хохлосрача...

Я вот что скажу. Говоря вообще о носителях.
Как вы яхту назовете, так она и поплывет.
В общепринятой классификации ракетыносители делятся по массе выводимой нагрузки:

Легкие    500 кг - 5 тонн
Средние   5-20 тонн
Тяжелые  20-100 тонн
Сверхтяжелые сывше 100 т.

Плохая классификация. Омерзительная. Она как бы говорит: нормальная ракета это от пол тонны до 100.
А что выше - это уже некий изврат.
Мы как бы боимся даже помыслить о большем... Как у себя украли...



То есть вся наша цивилизация даже в такого рода классификаторах "обрезала себе крылья".
Я бы считал (для начала) так:

Легкая ракета  до 10 тонн (20 тонн)
Средняя  от 10 до 100 тонн  (200 тонн)
Тяжелая от 200 до 1000 тонн.

И посмотрите, как сразу у нас "выпростают крылья"! Верно?

Если же без лишней иронии, то моя классификация не просто делит ракеты по выводимой массе. Она их делит и по КОНЦЕПТУАЛЬНОМУ решению на классы.
Так только "легкие" ракеты в моей классификации могут иметь крылья. Средние и тяжелые однозначно - "башни".
При этом ракеты "тяжелые" - это вообще класс монстров о которых мы только мечтали. Но практики обращения с ними у нас тупо нет. Даже идеи для них так и остались достаточно сырыми.
То что пытается делать Маск - это все же средний класс. О тяжелых (1000 тонн одним махом!) мы до сих пор даже не мечтаем.
Но без них никакого "выхода из колыбели" быть не может.
Идея таскать "кубики" в час по чайной ложке (при этом выиграть на массовости запусков) - древняя и на мой взгляд глубоко концептуально кривая. Тупиковая. Хотя масса народу выросли на этой фигне и до сих пор ею страдают...

Кстати, мои сомнения по поводу многоразовости космолета Маска именно в том, что я вполне допускаю массовость запуска легких (в моей классификации) ракет но уже со средними (в которых работает Маск) будут сложности. О тяжелый, ясное дело, говорить как о "массовых" не приходится.
По-идее, частота запусков носителей обратно пропорциональна их грухоподъемности.
То есть мы запускаем 100 по 10 тонн (часто и многоразово) мы пускаем 10 по 100 тонн (средний темп) и мы пускаем одну по 1000 тонн. Это по очень большим праздникам, типа.
Достоинство в одном -недостатки в другом. И хороший БИОЦИНОЗ (техноциноз) должен иметь весь СПЕКТР решений. Тогда система будет процветать.