Гигантские ЖРД ракеты. Возможны или нет?

[Mercury127]

За конусом Маха - вауум?
Нет конечно. Там воздух, который движется вслед с дозвуковой скоростью. И всё еще плотный.

В самом конусе. А непосредственно за ракетой?

[alex_semenov]

Присутствующие подозревают о существенном изменении скорости звука с увеличением высоты? Ведь подозревают?

Да, конечно. Это всегда подразумевается (хотя в беглом расчёте я это не учитывал считая скоростью звука 330 м/с)
Но на высоте 20 км скорость звука пордка 300 м/с. То есть в интересующем нас диапазоне она отличается на 10%.
А, собственно что  знание этого факта нам тут даёт?

В самом конусе. А непосредственно за ракетой?

Так ракета и находится внутри конуса и любым своим выступом создаёт еще и еще конуса. Я приводил тут фото истребителя на сверхзвуке.
Вакуум (то есть падение давления ниже чем окружающее) возникает заметно за ударной волной. См схему из примера с ударной волны ядерного взрыва. Там даже показано куда наклоняются деревья, то есть куда движется воздух (относительо земли, но у нас - всё наоборот, мы движемся вместе с острием ударной волны)

Вот хорошо видно всё в динамике:


Между прочим.  Возможно что всё что я говорю -неверно. Возможно зона разряжения следует сразу же за фронтом ударной волны (считанные метры) и тогда правы вы. В боковых окнах будет вакуум.

Во тут

Чёрным - повешенное давление, красным  - нормальное, желтым - разряжение.
Как я понимаю.

[Mercury127]

Вакуум (то есть падение давления ниже чем окружающее) возникает заметно за ударной волной.

Вот фото летящей пули.

Много ли воздуха в узком турбулентном следе за ней?
Сильно ли поможет расположенный в нем (прямо за пулей) вентилятор?
Как быстро будет проникать в этот след окружающий воздух?
Достаточно ли будет этого притока для питания вентилятора?

[alex_semenov]

Много ли воздуха в узком турбулентном следе за ней?

Да, согласен вот еще более подходящий пример:


Да, вентилятор тут в тени - ему сосать нечего.
НО... если мы поставим небольшой сверхзвуковой заборник, который будет тормозить часть обтекающего потока (то есть разгонять его до скорости пули, при этом сжимая его) и подадим ко дну пули. Там можно разместить вентилятор, который будет отталкиваться от этого заторможенного дозвукового потока.
Нет? Не заработает?

 Нам этой трубе даже не нужны физические стенки (то есть закрывать открытые окна для дозвука).

[Mercury127]

подадим ко дну пули. Там можно разместить вентилятор, который будет отталкиваться от этого заторможенного дозвукового потока.

А не проще этот газ сразу, без торможения перед вентилятором, разгона вентилятором, и сопутствующих потерь, подать прямо в сопло, или хотя бы в выхлоп?

[alex_semenov]

А не проще этот газ сразу, без торможения перед вентилятором, разгона вентилятором, и сопутствующих потерь, подать прямо в сопло, или хотя бы в выхлоп?

Может. если это можно сделать просто и изящно. Конструкция, как раз это вроде и позволяет.

[petrovich1964]

Конус маха у вас будет ПО-ЛЮБОМУ. ...То есть ракета всё равно ТЯНЕТ ЗА СОБОЙ воздух.

http://www.youtube.com/watch?v=sf4qRY3h_eo#&t=86s
давление воздуха  высота скорость Фалькон9 время

[Mercury127]

Может. если это можно сделать просто и изящно. Конструкция, как раз это вроде и позволяет.

да куда уж проще то - банальный конус вокруг юбки ракеты.

но есть нюанс... оно будет тормозить ракету, увеличив ее эффективную ширину, и, возможно, это съест весь выигрыш.

[MenFrame]

оно будет тормозить ракету, увеличив ее эффективную ширину, и, возможно, это съест весь выигрыш.

Это все галиматья. Нужна либо нормальная атмосферная ступень, либо по старинке. Давление вокруг ЖРД это как раз причина снижения его эффективности.

[Mercury127]

Это все галиматья. Нужна либо нормальная атмосферная ступень, либо по старинке. Давление вокруг ЖРД это как раз причина снижения его эффективности.

так не я же её продвигаю. это всё наш истинный мариец истовый бакардиец...

[alex_semenov]

так не я же её продвигаю. это всё наш истинный мариец истовый бакардиец...

Истинный  ЛУГОВОЙ мариец!



Нельзя путать луговых с прочими, сударь!

оно будет тормозить ракету, увеличив ее эффективную ширину, и, возможно, это съест весь выигрыш.

Это все галиматья. Нужна либо нормальная атмосферная ступень, либо по старинке. Давление вокруг ЖРД это как раз причина снижения его эффективности.

Не факт. Некое атмосферное давление на срезе сопла - это "децелы" падения эффективности ЖРД (из-за снижения уи). Ну десяток процентов-максимум. А размен тяги на скорость (при той же мощности) тут могут быть разы (ну 1.5-2 раза). То есть овчинка очень даже может стоит выделки, пока вокруг ракеты есть хоть какая-то атмосфера.

но есть нюанс... оно будет тормозить ракету, увеличив ее эффективную ширину, и, возможно, это съест весь выигрыш.

Опять же вопрос в соотношниях. Если прирост тяги будет выше роста торможения из-за сверхзвукового воздухозаборника то выгода есть.
Про ширину. Уже в начале было сказано, что большие ракет могут быть "толстыми".

[petrovich1964]

мы поставим небольшой сверхзвуковой заборник, который будет тормозить часть обтекающего потока (то есть разгонять его до скорости пули, при этом сжимая его) и подадим ко дну пули. Там можно разместить вентилятор, который будет отталкиваться от этого заторможенного дозвукового потока.

Дано:  R вентилятора 20 м (?), угол наклона лопасти 5* (ctg=11)
Требуется разогнать воздух до скорости 300 м/с
Значит на вентилятора линейная скорость участка лопасти должна быть  3 429 м/с, чтобы этот участок разгонял воздух до скорости 300 м/с. И этот участок будет не с края, ибо тогда вся остальная лопасть не даёт нужной скорости воздуха. Если это середина лопасти, то края должны иметь линейную скорость 6 858 м/с.
Насколько я помню это будет тот обод с РЖД на которые опирается вся ракета (1000 т).

[alex_semenov]

Требуется разогнать воздух до скорости 300 м/с

Кто такие условия поставил?
Почему воздух надо разгонять до 300 м/с?

Мы уже договорились что вентирятор работает на дозвуке.



По мере наростания скорости и при переходе через звуковой барьер гибридная двигательная установка ракеты переходит на сверхзвуковой режим (пока есть воздушный набор) и вентилятор (оказавшись в аэродинамичесой тени ) переходит просто в холостой режим маховика, компенсирующий момент вращения турбины. Кстати, вентилятор должен быть явно легче турбины и его момент инерции явно меньше, значит скорость его вращения должна быть больше, что отдельная головная боль с трансмиссией в осевом узле.

И еще по условию ракета 6000 тонн.

* * * *

Новости бакардийской космонавтики.

Добавлен сверхзвуковой воздухозаборник.
Трехрежимный дизайн ракеты. Дозвуковй, Сверзвуково, Безатмосферный (обычная ракета).



Только сейчас, нарисовав форму сверхзвукового воздухозаборника, предполагая его жесткой, неподвижной полой конструкцией, я понял что если эту конструкцию сделать подвижной, то вообще получится шикарно (если это будет иметь смысл). Можно слегка меня угол "заслонок"  открывать дозвуковой взодухозаборник на вентилятор или закрывать дозвуковой и открывать сверхзвуковой канал "в обход".
Пом-моему пока получается очень изящное решение.
Но даже неподвижный вариант, по-моему рулит очень хорошо.

[petrovich1964]

Кто такие условия поставил? Почему воздух надо разгонять до 300 м/с?

Вы.

мы поставим небольшой сверхзвуковой заборник

Ну давайте посчитаем по новому.

вентирятор работает на дозвуке.

Минута полёта ракеты идёт на дозвуке. На 38 секунде полёта скорость уже 200 м/с. Значит отбрасывать воздух вниз надо с большей скоростью, чтобы получить хоть что-то. m1V1=m2V2 При массе ракеты 6000 тонн, с какой скоростью надо отбрасывать тонну воздуха чтобы ракета прибавила скорость на один метр в секунду? Какой для этого нужен диаметр вентилятора?

[alex_semenov]

Минута полёта ракеты идёт на дозвуке. На 38 секунде полёта скорость уже 200 м/с. Значит отбрасывать воздух вниз надо с большей скоростью, чтобы получить хоть что-то.

Перво.
Вы берёте ДИНАМИКУ отычной ракеты. Которая поднимается ТОЛЬКО на ЖРД. То есть БЫСТРО расходует топливо, верней ракетную массу (окислитель и топливо). Я выше в прикидке (конечно же придётся всё переделать и пересчитать, это - первый подход) показал что моя ракета расходует чуть ли не в два раза меньше топлива в секунду при ТОЙ ЖЕ суммарной тяге (в атмосфере). То есть она легчает в два раза медненней  и поднимается чуть медленней чем обычная ракета.
Но всё равно минута полёта - это примерно то что мы и пытаемся выиграть 100 секунд - условно. Дальше она уже выскакивает в вакуум по-сути и становится обычной ракетой.

И еще. Вентилятор лишь ПОМОГАЕТ "висеть" ракете. Понимаете? Не  подвешивает все 6000 тонн. Я заложил тягу в 0.6 от массы, но возможно я перестарался. Поэтому получил такую хорошую приёмистость на старте. 1.4
Но вентилятор - лишь ЧАСТЬ дивжителя.
Это надо учесть.
И ему не обязательно всё время выдвать пиковую тягу.
Да, я посчитал что вентилятор будет такую разгрузку давать все 100 с. На самом деле всё будет сложней. Во-первых, если на старте он даст тягу в 3 600 тонн (висение) то по мере того, как скорость будет нарастать, плотность воздуха перед вентилятором (дозвуковой воздухозаборник разменивает скорость на давление, то есть вентилятор не встречает поток скоростью полёта!) будет нарастать. И тяга вентилятора расти. Но где-то на 500 -700 км/ч, вентилятор таки да, начнёт сталкиваться с проблемой которую вы тут описываете. То есть тянуть он начнёт хуже (хотя типичные вентиляторы в аэробусах рассчитаны на оптимум 800-900 км/ч на высоте как раз нашей, 15-20 км). По мере приближения к звуковому барьеру наша ракета (а она ракета, ибо ускоряется на ЖРД, которым воздух- препятствие)  всё меньше и меньше полагается на вентилятор и тут возник вопрос утилизации напора воздуха пока он есть ТРЕТЬЕЙ подсистемой. Уже сверхзвукового напора, когда ракета пройдёт хлопок и начнёт разгоняться уже к вожделенным 500 м/с (по котрой мы и считали выигрышь в массе ракеты).  Я нарисовал сверхзвуковой заборник для совсем другого тракта, который ЗАМЕНИТ теперь вентилятор (тот  остался не у дел).
На сверхзвуке боковые окна (как правильно до меня тут кое-кто достучался, докричался) перестают работать. То есть для вентилятора они закрываются сами собой. Но зато начинает работать сверзвуковой заборник (я показал его). И вот тут начитается интересное...
Мы хотим разбавить выхлоп роторного ЖРД предварительно сжатым (заторможенным) сверхзвуковым напором в кольцевом воздухозаборнике (добавить ему импульс разменивая скорость на секундный расход массы). И тут что интересно? Мне только что мой кум (который закончил ХАИ который я не закончил) что интересное показал?
Двухконтурный ВРД, где добиваются максимального смешения потоков двух контуров...



И вот смотрите теперь все внимательно на  ту "корону" в самом конце двигателя. Хитрая форма такая зачем? Что бы обеспечить максимальное смешение потоков в контурах. То есть выхлоп с турбин (горячий) с холодным контуром вокруг.
Видите? Для этого такая реборчатая конструкция. "Корона".
Ну а теперь вспомните что такое наша (бакардийский) роторный ЖРД? Все его более 100 камер сгорания и корона из сопел? Это такая же красивая корона, но она еще и вращается! То есть перемешивание будет идеальным.
Поэтому после 250 м/с до 500 м/с мы наверняка получим хороший прирост тяги (удельного импульса по-сути) за счёт этого третьего пока не учтённого контура (вентилятор может отдыхать вернее хранить момент инерции противовращения турбины, зачем он изначально и предполагался как прежде всего ПРОТИВОМАХОВИК жрд-турбите). И значит не менее 10% мы таки получим экономии топлива до 500 м/с - точно!
И этот выигрыш стоит свеч.
Так как роторный ЖРД уже обещает нам бонус в виде надёжности и многоразовости лучшей чем у классических высокоимпульсных ЖРД  (то есть, если бы мы не мудрили с напором и вентилятором, то всё равно был бы смысл это всё делать).

[petrovich1964]

если на старте он даст тягу в 3 600 тонн (висение)

Вы уж извините меня недоучку, я воспользовался интернеткалькулятором здесь
Площадь поперечного сечения - 1 256 м^2 (диаметр винта 20 м)
плотность воздуха взял в 1,225 кг
скорость выхода 215 м/с
скорость ракеты 0 м/с
тяга 3536 тонн

Угол наклона лопасти винта 5* (взял у вертолёта Ми8) cot 11,43 значит линейная скорость лопасти должна быть 2 457 м/с. (Тут я не знаю как считать дальше, ведь скорость участка лопасти зависит от радиуса. Ближе к оси скорость меньше, у края больше.) Остановимся на 2,5 км/с. Винт будет держать ракету на собственной оси? ЛОЛ! или на ободе? Как ракета будет опираться на обод?

[alex_semenov]

если на старте он даст тягу в 3 600 тонн (висение)

Вы уж извините меня недоучку, я воспользовался интернеткалькулятором здесь
Площадь поперечного сечения - 1 256 м^2 (диаметр винта 20 м)
плотность воздуха взял в 1,225 кг
скорость выхода 215 м/с
скорость ракеты 0 м/с
тяга 3536 тонн

Угол наклона лопасти винта 5* (взял у вертолёта Ми8) cot 11,43 значит линейная скорость лопасти должна быть 2 457 м/с. (Тут я не знаю как считать дальше, ведь скорость участка лопасти зависит от радиуса. Ближе к оси скорость меньше, у края больше.) Остановимся на 2,5 км/с.

Честно? Я не посчитал скорость потока (за вентилятором). Тупо. Я тупо посчитал  мощность на висение:



И вы правы. Видимо  так в итоге  и получится (надо самому сесть и посчитать). 2,5 км/с хотя бы на концах лопастей. Я и предполагал, что вентилятор будет вращаться где-то в два раза быстрей чем сам реактивный ротор (в противоположную сторону) ибо вентилятор как минимум в два раза должен иметь меньший момент инерции (а раз он еще и маховик противовращения, то чтобы впитать обратный момент ему придётся в два раза быстрей вращаться). А для ротора я насчитал линейную скорость аж 1033,3 м/с .
То есть примерно так и получается. Вентилятор должен двигаться с 7,5 маха и это - не дело. Это гиперзвук. Это барьер здравого, за который я (ой! нечаянно!) выскочил.

Винт будет держать ракету на собственной оси? ЛОЛ! или на ободе? Как ракета будет опираться на обод?

На ободе предполагается подшипник скольжения. Возможно даже газовая левитация (там не более 100 атм давление получается). При этом 3-4 маха я допускаю. А вот выше 5-и...
Вся ракета опирается на кольцевой упорный подшипник. На него же собирается и вся тяга (ну почти вся).



Почему я изначально вцепился в 6000 тонн?
Я хотел найти "границы возможного". И как метко заметил его высочество принц Флоризель (до того как это сказал Артур Кларк) для этого надо отважится на невозможное.
Да, ясно что даже вращение  роторного ЖРД в схеме - завышена. 5 ГВт на вентилятор (при том что насосы требуют в 10 раз меньше) - это тоже слишком большая нагрузка).
Ясно, что если мы хотим выйти на нечто реальное, вентилятор надо считать с учётом набегающего (дозвукового) потока.
На самом деле на старте нам не хватало что бы оторваться от старта (6000 т  ракету ЖРД тягой в 5000 тс) ~ 1000 тонн тяги. То есть СТАТИЧЕСКУЮ тягу вентилятора можно уменьшить в 3 раза. Значит мощность на вентилятор можно понизить в 5,2 раза. Тяга это скорость на массу. В 3 раза снизить тягу, в 3 раза снизить подсчитанную вами скорость. Это уже - разумно.
То есть.
Да, спасибо, хороший аргумент. Бакардийская космическая наука учтёт.

[Фантазер]

Вы уж извините меня недоучку, я воспользовался интернеткалькулятором здесь
Площадь поперечного сечения - 1 256 м^2 (диаметр винта 20 м)
плотность воздуха взял в 1,225 кг
скорость выхода 215 м/с
скорость ракеты 0 м/с
тяга 3536 тонн

Привирает ваш электронный абак!Площадь-то меньше 400 м/кв будет.
Ведь предупреждал Алекса об иллюзиях.

[alex_semenov]

Привирает ваш электронный абак!Площадь-то меньше 400 м/кв будет.
Ведь предупреждал Алекса об иллюзиях.

Так, придётся, вижу самому считать вентилятор...

[petrovich1964]

Привирает ваш электронный абак!Площадь-то меньше 400 м/кв будет.

Ваша правда. Туплю по детски. 314,15 м^2 при радиусе 10 м   
при скорости выхода в 215 м/с тяга будет всего 906 тонн.
калькулятор

ps
При скорости ракеты 100 м/с тяга упадёт до 710 тонн