Межпланетный Транспорт: двигатели и стратегии

[Андрей 2]

А жидким водородом заправится, стало быть, на ближайшей бензоколонке?

Сие продумано, придёт время покажу.
В принципе от водорода можно отказаться, детонационные двигатели на керосине приближаются по УИ к водородным , пару лет назад я считал водородный бак где должно было содержаться 5 тонн его, но он то лёгкий, один его куб весит 70кг  и того бак посчитал на 80 кубов , т.е на 5,6 тонн с небольшим запасом. Он занимает много места, плохо влияет на металлы, и требует охлаждения.

[crazy_terraformer]

Skylon, двигатель SABRE, прекулер будет использовать гелий для охлаждения воздуха, а горячий гелий после турбонасоса охлаждают жидким водородом. Керосин не подходит.

[Андрей 2]

Имел ввиду детонационный как дополнение к стандартным ЖРД на том же топливе, я не имел ввиду двигатель Скайлона.

[Александр Овчар]

Да бесполезно это объяснять.

Все понятно. Интересно подумать, нет ли в теме "космоплан" неожиданных, нестандартных технических решений.

[Александр Овчар]

Интересно подумать, нет ли в теме "космоплан" неожиданных, нестандартных технических решений.
Тема космоплан интересна тем, что в терминах ТРИЗ - это техническая  система (ТС) 5-го уровня, что требует крупного фундаментального открытия. Но если  невыходить за пределы 4 уровня - ТС может быть улучшена путем разрешения технических противоречий.

Идея буксировки планера разрешает много технических противоречий.

[Mercury127]

требует крупного фундаментального открытия

целых двух:
- анамезониума,
- унобтаниума.
теоретически, их все можно заменить одним - кокаинумом...
но практическая польза от него сомнительна, а вред - очевиден.

[alex_semenov]

Интересно все таки понять, почему запуск с поверхности Земли (Корона) оказался таким же эффективным, как и старт из тропопаузы (Макс). Если основные потери происходят во время работы 1-й ступени...

Да. Это одна из "загадок" гравитационных потерь, которая меня мучила последние сутки.
Мне даже показалось, я ее разгадал.
Мысль была проста.
Когда космоплан с баком стартует где-то на высоте 10-20 км (не выше) над Землей, половина-две трети атмасферы - уже позади.



Но мы то знаем что потери на сопротивление среды (при постепенном разгоне) - ничтожные. Порядка 1%
А что гравитация?
А гравитацию мы победили в лучшем случае на 10%. 20 км - это десятая часть от 200 км куда хочешь не хочешь аппарат надо поднять  mgh -вынь да положь! (разгон, mv²/2- отдельная история).
Как космоплан, сорвавшийся со спины носителя борется с гравитацией? Да так же как всякая ракета!



И смотрите. Если он запускается в космос по достаточно пологой, настильной дуге (скажем под углом 30 градусов к горизонту), то и проекция вектора тяги двигателей ПРОТИВ ГРАВИТАЦИИ оказывается небольшой. А это означает что даже при очень хорошей тяге аппарат поднимается при пологой траектории на высоту 200 км очень медленно и у него при такой настильной траектории выхода на орбиту будут большие гравитационные потери.
Конечно я не знаю какая у него траектория. Но ясно что настильная - очень затратна в смысле гравитационных потерь.
Ясно что крылышки аппарата такой бак не удержут в жиденькой уже атмосфере (которая быстро редеет по мере подъема) и вся конструкция после отделения - это балллистический аппарат. Не крылатый.
Я посмотрел. РД-701
Мало того что это многорежимник (то есть он, кажется, может даже плавно переходить из 1-го режима керосин-кислород во 2-й водород-кислород) он и достаточно совершенен. Тяга двух камер в первом режиме 400 тонн, во тором - 157 тонн.
Вспоминаем космоплан+пн+бак+топливо в начале весят 275 тонн.
То есть. Если бы космоплан, сразу после отделения "стал на попа",  вертикально, включил первый режим (керосин-кислород)  и начал набирать высоту (работать только на подъем) то он бы двигался с хорошим таким вертикальным ускорением 400/375=1.45. То есть почти с половиной g начал набирать высоту. Не хуже чем у "Короны". Но насколько этого ему бы хватило? Соотношение керосина и водорода в баке мы не знаем. На водороде (видимо большая часть траектории разгона, конечная) он разгоняется явно дольше. Но смотрите. Максимальной тяги не достаточно что бы даже висеть полному баку на режиме 2.
Ясно что пока бак тяжелый, работает режим 1. Облегчается - режим 2. Там масса уловок. Но в целом, как я понимаю, аппарат не очень то и выигрывает даже от своей чудовищной тяговооруженности в начале.
В общем. Я все еще не понял что там к чему.
Но мне ясно одно. Катание на горбе дозвукового носителя тут выполняет роль не столько оптимизации подъема и разгона, сколько вывода точки старта на нужный меридиан и параллель, что неоднократно ПОДЧЕРКИВАЛОСЬ как особое достоинство данной системы.
В сущности считаем.
Подняться на 200 км...



1980 м/с. Ну если вы разгоняетесь мгновенно или дистанция разгона мала (менее 10%) от самой высоты.
И смотрите. Эта скорость  - 6-7 махов (320-270 м/с скорость звука на разных высотах). Это гиперзвук.
То есть.
Что бы избавиться от гравитационных потерь вашей ракете надо НЕРАКЕТНЫМ способом разогнаться до гиперзвука. Ну хотя бы 5 махов.
При этом желательно "стать на попа", что бы вектор скорости был под максимально большим углом к  горизонту.
Именно так, видимо, и делает крылатая ракета Скайлон.



Когда она вышла на 5 махов (и видимо взяв круто вверх что бы выскочить из атмосферы сосвем) она по-сути уже победила гравитацию. Опираясть на крылья и воздушно-реактивную тягу. Очень эффективно. Почти без гравитационных потерь она уже фактически поднялась (накопила энергию для подъема) на 200 км орбиты.  Теперь ей осталось победить инерцию. И тут она переходит в ЖРД режим. Используя кислород и водород из баков. Атмосфера уже не мешает. Она по инерции "падает" на 200 км. Осталось набрать 8 км/с. И это почти идеальная ситуация для систем которые не пытаются выходить на 14-17 махов (где начинаются проблемы) но все же хотят использовать преимущество крыла и забортного окислителя. Для устранения гравитационных потерь.
Где-то так.
Я думаю.

Интересно все таки понять, почему запуск с поверхности Земли (Корона) оказался таким же эффективным, как и старт из тропопаузы (Макс). Если основные потери происходят во время работы 1-й ступени...

Что-то с вашим вопросом не так.Макс -Т  там одноступенчатая  кислородно -водородная РН  18 т  выводит на НОО  КОРОНА только 7.Ну а челнок много теряет из-з несовершенства конструкции  и материалов того времени.

Выводимая полезная нагрузка - это ОТДЕЛЬНАЯ ПЕСНЯ.
Это пока в заначке.
Главное что мы сравниваем - выводимую ПУСТУЮ массу. То есть сам аппарат плюс полезная нагрузка. Ведь выводится эта масса! И по тому сколько мы вывели этой массы, затратив столько то кг топлива (энергии) мы и определяем эффективность СХЕМЫ вывода.
И если сравнивать "Корону" с МАКС-ом то они выводят удивительно одинаковую массу имея удивительно одинаковую начальную массу и при этом одинаковый вид топлива (скорость истечения).
Более того. Я думал у МАКСА отношение тяги к начальной массе хуже. Но нет!!! Оно не хуже. Почти такое же!
Так почему МАКС не выигрывает?
А потому и не выигрывает, что по-сути это "летающий космодром". Дозвуковой воздушно-реактивный носитель ("Мрия") чуть-чуть поднимает над облаками, чуть-чуть разгоняет по скорости. Но это  -СЛЕЗЫ!
Все равно и то и то (МАКС и КОРОНА) - это одноступенчатая водородная ракета, одного класса и результаты у них по выводимой массе - одни.
Почему МАКС  выводит больше полезной нагрузки? Потому что он бак (10 тонн) отбрасывает. А "Корона" таскает его (по-сути) за собой туда-сюда. Вот вам и разница.  МАКС не полностью многоразовая система. На этом и выигрыш по ПН.

А вот Скайлон - другое дело. Он благодаря чудо-двигателям и крылышкам, избавлен от гравитационных потерь по-сути. И за счет этой эффективности будучи полностью многоразовой водородной ЖРД-ракетой, имея ту же массу что и остальные кандидаты (Корона, МАКС) он выводит в 2 раза больше при той же стартовой массе.
Я не уверен что тут все верно.
Но это лучшее к чему я на сегодня пришел.

[SpaceEngineer]

Кстати, подумалось тут: а зачем непременно возиться с волшебными ГПВРД двигателями у самолёта-разгонщика? Почему бы не сделать его чисто ракетным. Его задача - разогнаться до 1.5-2 км/с и отделить ракетоплан. После этого можно сбрасывать скорость и возвращаться на космодром. Нужны два типа двигателей - ТРД для старта/возвращения, и ракетный для разгона. Или же овчинка не стоит выделки, и проще сделать классическую ракетную ступень типа Фалькон-1? (Хотя это сейчас кажется, что так можно, в 70-80х никто и подумать не мог, что первую ступень можно так возвращать, вот и возились с самолётами).

[gans2]

Нужны два типа двигателей

Вот-вот догадаются про ТРД с водобустируемой тягой . Стартовать вертикально на ТРД не пробовали ровно потому, что турбина была неэффективна на первых. А сейчасм просто никому не интересно.

[SpaceEngineer]

То есть. Если бы космоплан, сразу после отделения "стал на попа",  вертикально, включил первый режим (керосин-кислород)  и начал набирать высоту (работать только на подъем) то он бы двигался с хорошим таким вертикальным ускорением 400/375=1.45. То есть почти с половиной g начал набирать высоту. Не хуже чем у "Короны".

А может быть у него такой профиль полёта и предполагался? Может "Мрия" взять круто вверх, под углом градусов 45, перед отделением?
Есть ещё вариант стартовтаь не вверх, а вниз. Разменивая потенциальную энергию на кинетическую, падая на 2-5 км, заодно выполняя микро-манёвр Оберта (о чём тут упоминали уже, ведь на 20 км нас бесплатно доставил самолёт). Только насколько ощутимый профит это даст? Ракетоплан полностью заправлен, тяжёлый, может это и имеет смысл.

Примерно так стартует Spaceship Two, падая вниз. В этом видео сказано, что после отделения и падения с высоты 16,7 км (55000 футов) он достиг 0,85 маха больше ли это, чем может дать сам самолёт-разгонщик?
https://youtu.be/fXcmzmWXZmw?t=72

[crazy_terraformer]

Кстати, подумалось тут: а зачем непременно возиться с волшебными ГПВРД двигателями у самолёта-разгонщика? Почему бы не сделать его чисто ракетным. Его задача - разогнаться до 1.5-2 км/с и отделить ракетоплан. После этого можно сбрасывать скорость и возвращаться на космодром. Нужны два типа двигателей - ТРД для старта/возвращения, и ракетный для разгона.

Самолёт с твердотопливными ракетными ускорителями, в случае проблем отстреливаемых.

[Mercury127]

Правильно! Браво! Молодцы!
Верной дорогой идёте, товарищи!
Осталось выкинуть крылья...

[alex_semenov]

Кстати, подумалось тут: а зачем непременно возиться с волшебными ГПВРД двигателями у самолёта-разгонщика? Почему бы не сделать его чисто ракетным. Его задача - разогнаться до 1.5-2 км/с и отделить ракетоплан. После этого можно сбрасывать скорость и возвращаться на космодром.

Допустим. Как я понимаю первая ступень у вас -крылатый ракетоплан. И он вообще разгоняясь на крыльях до 1.5-2 км/с горизонтально.
Если вертикально, то нафик ему крылья, верно?
Ясно что не совсем горизонтально. Он все-таки поднимается там до 30 км...  Но все равно на крыльях и значит у него не так направлен вектор той самой скорости 1.5-2 км/с. По касательнй к гравитации.
В чем отличие чудо-движков Скайлона (как я думаю)? То что до 5 махов он разгоняется не просто за счет забортной рабочей массы (но даже топливо он расходует в 1/8, а окислитель - из воздуха) но будучи "в потоке" и эти 5 махов не столько инерция, сколько баланс  сопротивляющейся среде и тяги (не уверен но похоже так). То есть это все еще самолет:



И ему то повернуть на горку (загнуть вектор в 5 махов вверх, "к орбитальным 200 км" именно сделать "горку") как раз не проблема. ГПВРД движек это только и сможет сделать. А когда ГПВРД-движок с высотой захлебнулся (пропала среда сопротивления и поступления рабочей массы с кислородом) система подает кислород и водород из баков и Скайлон пошел бороться теперь уже только с силой инерции  как чистая ракета. В вакууме и невесомости (на баллистической горке). Но вертикальные 2000 м/с (что бы допрыгнуть до орбиты) он набрал именно как самолет. Расходуя только топливо (которое 1/8 от окислителя, а окислитель 1/5 от рабочей массы, что проходит через движок).

Нужны два типа двигателей - ТРД для старта/возвращения, и ракетный для разгона. Или же овчинка не стоит выделки, и проще сделать классическую ракетную ступень типа Фалькон-1? (Хотя это сейчас кажется, что так можно, в 70-80х никто и подумать не мог, что первую ступень можно так возвращать, вот и возились с самолётами).

Что бы понять что лучше, что хуже нам нужно хорошо понять теорию гравитационных потерь.
Я понимаю, что люди где надо ее понимают. Но вот даже в мурзилках по ракетам не сильно это все найдешь.
Так что бы было на пальцах разложено ясно и понятно.
Я как-то не очень раньше за это цеплялся. Звездолетчикам это не надо! Но вот теперь понял - туплю и не вижу "картину маслом"
А зря. Задача занимательная. Может немало позабавить и удивить!

[alex_semenov]

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 - собственного 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.

Сражался вчера с этой формулой.
И понял что я - идиот. И формула... неправильная...

Первое. История с плененным Чанга-чгуком который на третьи сутки обнаружил что у сарая нет стены - ВЕЧНАЯ!
Почему никто надомной не поиздевался?
Подумайте.
Ракета, которая поднимается вертикально вверх с ПОСТОЯННЫМ ускорением.... Это же КИНЕМАТИЧЕСКАЯ задача! Из Перышкина!
Никакой сложной динамики в ней нет! Масс, сила меняющая ускорение...  Только тупое:




Здесь a -  то самое "собственное" ускорение ракеты (вне гравитации). И:



Это тот самый коэффициент в формуле выше у Зигеля. Но что получается, формула считает ракету с переменным ускорением (что меня интересует прежде всего)? И что есть тогда в формуле "собственное ускорение"? Может ускорение ПУСТОЙ ракеты, без топлива?
Я с дуру построил разностную модель. Ну по сути поставил эксперимент. Лабораторную работу. Добился для классической ф Ц в ней 1% ошибки (что бы убедится что модель верная). И начал экспериментировать с   формулой Зигеля. И начальное ускорение и конечное и усредненное - не работает!!!! Не сходится модель с формулой!
Описка в формуле?
Наборщики- кретины что-то перепутали?
 
Таки да. Но что они могли перепутать? И кажется я нашел ответ (почти сам):



Наборщики почему-то загнали коэффициент (a-g)/a в степень!
И если так, то формула у Зигеля это таки динамика ракеты с постоянным ускорением (то есть расход  рабочей массы меняется по логарифмическому закону). И ускорение здесь неизменное... И это действительно очень тупой перенос кинематики на механику. Любой дурак выведет (я например)!
И кстати.
Это не совсем бесполезная для нас формула. Это второе мое "открытие" вчера (что у сарая нет еще одной стенки!)
Ракета поднимающаяся против силы тяжести с постоянным ускорением совсем не бесполезная абстракция (мол где вы такую ракету видели?).
Да есть два случая когда вертикальное ускорение ракеты (тела переменной массы) постоянно.
Первый - ракета летит строго вверх и при этом по логарифмическому закону снижает (дросселирует) тягу (уменьшает расход массы, так как скорость истечения у нее по условию постоянно).
Но не обязательно только так. Тяга у ракеты с постоянным вертикальным ускорением может оставаться постоянной но...
Ракета медленно меняет вектор тяги так, что вертикальная составляющая растущего ускорения (тяга постоянна но масса то постоянно уменьшается) остается постоянной.
И это похоже на случай классического вывода ракеты на орбиту. 
То есть, ракета с переменным ускорением (в напраслении местной вертикали, что и важно для расчета гравитационных потерь) поднимается только в начале. Ее ускорение растет из-за того что она облегчается (и формулы для такой динамики у нас до сих пор нет). На коротком вертикальном участке. До, скажем 20 км. Но дальше (почти всё остальное время) она начинает "заваливаться" на горизонталь, и теперь она может сохранять вертикальное ускорение постоянным, ну, а потом даже начать снижать до нуля (когда вертикальная скорость уже под 2000 км/с и больше расти не должна). Без дросселирования. Просто изменением наклона вектора тяги. Ноль вертикальной тяги -  это значит  что ракета легла совсем горизонтально к местной гравитационной вертикали и теперь она только разгонятся до 1-й космической.

[crazy_terraformer]

Правильно! Браво! Молодцы!
Верной дорогой идёте, товарищи!
Осталось выкинуть крылья...

Таки самолёт возращается с твердотопливными ускорителями обратно на стартовый аэродром или аэродром предприятия, где тестируют, ремонтируют и заправляют эти ускорители.

[Андрей 2]

Да, носитель выходит на некоторый угол, если в симуляции всё правильно:

http://www.youtube.com/watch?v=ywbfCBxZ2uA&t=195s

И показан переход на 2-й режим (водород-кислород).

[Фантазер]

Александр  Анатольевич ну куда вы все время торопитесь?Во первых гравпотери это не совсем то,о чём вы думаете.Это безвозвратные потери именно на поддержание РН в гравполе земли.Кстати не будет никакой свечки при старте РН .Вы просто забыли вычесть ускорение свободного падения.А потому Сою набирает скорость с начальным ускорением 3м\сек2 ,Корона 4 м\сек2.Чем выше ускорение тем меньше гравпотери.Противоракета стартует с ускорением 90 ж.А самое главное на что вы не обратили внимание это уменьшение веса  с увеличением скорости полёта как горизонтального так и вертикального.Т е при 8 км\сек РН ничего не весит. т о ускорение свободного падения  для неё равно 0.Скорости подьёма и орбитальная складываются векторально и ХС для выхода на НОО где- 9100 м\сек.

[alex_semenov]

Александр  Анатольевич ну куда вы все время торопитесь?Во первых гравпотери это не совсем то,о чём вы думаете.

То есть совсем?!
 

Это безвозвратные потери именно на поддержание РН в гравполе земли.

Странное определение. Формула у вас есть опеределяющая гравитационные потери?
Формула!!!

Кстати не будет никакой свечки при старте РН .Вы просто забыли вычесть ускорение свободного падения.

Пардон, голубчик! Но вы НАГЛО ВРЕТЕ!!!
Как же забыл?
a-g
Посмотрите выше. Там везде это вычитание фигурирует!

А потому Сою набирает скорость с начальным ускорением 3м\сек2 ,Корона 4 м\сек2.Чем выше ускорение тем меньше гравпотери.Противоракета стартует с ускорением 90 ж.А самое главное на что вы не обратили внимание это уменьшение веса  с увеличением скорости полёта как горизонтального так и вертикального.Т е при 8 км\сек РН ничего не весит. т о ускорение свободного падения  для неё равно 0.Скорости подьёма и орбитальная складываются векторально и ХС для выхода на НОО где- 9100 м\сек.

Понимаете. Цифры я и сам могу где угодно нарыть.
Вы мне ТЕОРИЮ дайте!
А умничать на словах и бросаться нарытыми цифрами - любой может.
У вас есть АНАЛИТИКА, показывающая от чего вообще у любого аппарата (крылатого, бескрылого) как меняются гравпотери?
Нет? Свободны! В смысле учить жизни и понимать высокий полет ракет!
 

Да, носитель выходит на некоторый угол, если в симуляции всё правильно:

http://www.youtube.com/watch?v=ywbfCBxZ2uA&t=195s

И показан переход на 2-й режим (водород-кислород).

Вау! Классная симуляция. Не видел!
Музычка в духе: "какую страну проср... и!"  Нет?
 
Судя по качеству - супостаты делали? Я к авторам зашел. Там много такого.
Вот, кстати,  еще прикольней и злободневней:

http://www.youtube.com/watch?v=DBL_UJyN88Y#&list=PLXhTIuSAy5EUbMTEOhncvTN420OPf1IXf

Пепелац эцелопа! Не иначе!

А по поводу модели. Да, если так то я 100% прав.  Моя "недоношенная" теория гравпотерь в модели налицо. Он выходит по-сути на вертикаль. Разгоняется вверх, а потом опять ложиться и включает водород... То есть по S-образной кривой идет. Все верно! Иначе и быть не может.
Никаких настильных траекторий (как я в начале подумал). Балавство это и расход народного керосина с водородом!

[Фантазер]

Самолёт с твердотопливными ракетными ускорителями, в случае проблем отстреливаемых.

Ничего не даст кроме гемора.Слишком малы УИ и энергетика.,А потом это уже не космоплан.Я когда-то на НК предлагал сбрасываемые  сверхзвуковые (гипер?)воздушно-реактивные двигатели на твёрдом топливе типа углерод-алюминий с добавкой перхлоратов для лучшего горения и увеличения тяги.Засмеяли!Но это ближе к теме космолёта.

[alex_semenov]

Ничего не даст кроме гемора.Слишком малы УИ и энергетика.,А потом это уже не космоплан.Я когда-то на НК предлагал сбрасываемые  сверхзвуковые (гипер?)воздушно-реактивные двигатели на твёрдом топливе типа углерод-алюминий с добавкой перхлоратов для лучшего горения.Засмеяли!Но это ближе к теме космолёта.

А вот моя теория (которую вы забраковали) говорит обратное. Как раз в начале нужен БУСТЕР. Тупой и мощный. И высокий уи ему НАФИК не нужен.
Да вы и посмотрите на это чудо:



Вы хотите сказать его идиоты проектировали?
Задумка (концепция) - идиотская (как и высадка на Луну американцев ради флага. Вся американская космическая программ - концептуальное кю. Наша - еще хуже.  Хотя есть светлые пятна. Редкие...). Но это не значит что реализация идиотской концепции не может быть гениальной с чисто инженерно-научной точки зрения.