Гигантские ЖРД ракеты. Возможны или нет?

[tomato]

Слышен ли с земли характерный хлопок

Хлопок слышат те кто находятся по направлению движения.

То есть никто 

[petrovich1964]

через какое время после старта и на какой высоте ракета переходит звуковой барьер?

"Поскольку температура (и, следовательно, скорость звука) уменьшается с увеличением высоты до 11 км, звук преломляется вверх, удаляясь от слушателей на земле, создавая акустическую тень на некотором расстоянии от источника[9]. Уменьшение скорости звука с высотой называется отрицательным градиентом скорости звука.Поскольку температура (и, следовательно, скорость звука) уменьшается с увеличением высоты до 11 км, звук преломляется вверх, удаляясь от слушателей на земле, создавая акустическую тень на некотором расстоянии от источника[9]. Уменьшение скорости звука с высотой называется отрицательным градиентом скорости звука."
Википедия. Скорость звука
Наверно разные ракеты взлетают с разной скоростью. Есть видео из которого можно увидеть данные по скорости Фалькон во время набора высоты.
http://www.youtube.com/watch?v=sf4qRY3h_eo#
Вы можете найти на какой высоте Фалькон перешёл звуковой барьер.

[tomato]

Все непрсто. Интересно, спасибо.

[alex_semenov]

Возник вопрос. А через какое время после старта и на какой высоте ракета переходит звуковой барьер? Слышен ли с земли характерный хлопок , или все тонет в звуке двигателей?

Точной высоты нет. Всё зависит от тяговооруженности ракеты. Насколько ее тяга превышает ее вес, то есть как быстро она ускоряется. И тут возникает интересный парадокс. Если она ускоряется медленно, она достигнет звука на большей высоте с меньшим сопротивлением и максимальный скоростьной напор (который обычно на 1.2-1.4 Маха) она пройдет мягче. Но. Так как она ДОЛЬШЕ висит на своём ракетном хвосте, она будет иметь большие гравитационные потери (которые куда больше чем все прочие, по сути это  ~90% ее потерь). Поэтому слишком медленно ускоряться не есть хорошо (если у вас нормальная ракета, а не то что я тут "проектирую"-фантазирую). Однако если вы слишком уж быстро ускоряетесь (то есть у вас очень хорошее превышение тяги над массой), то вы достигнете сверхзвука на меньшей высоте, при большей плотности и максимум аэродинамического напора у вас будет выше. Поэтому все правильные ракеты, как не парадоксально, начав взлетать резво, в какой-то момент тягу должны сбрасывать что бы "на мягких лапках" пройти точку максимального напора и уж потом, вырвавшись за атмосферу (ну почти за нее) дать газ по-полной. Так "шаттл" уходя со старта на полной тяге, а где-то на 55-60  секунде тягу своих двигателей сбрасывал почти в 0 и шёл только на бустерах (при этом его нещадно трясло именно напором воздуха). А пройдя пик (тряска успокаивалась) давал по-полной. Именно на этом "дать по полной" и шарахнул "Челенджер". Это было, как мы знаем на высоте ~70 км (все себе живо представили как долго падать с такой высоты в оторванной кабине челнока). Городская легенда. Высота была порядка 15 км. (исправлено позже)
В общем. Типичный пик аэродинамического напора 15-20 км. То есть сам сверхзвуковой барьер где то чуть ниже.  Примерно 10-15 км.
Где-то так.
Мне кажется.
 

[Алексей Николаевич.]

Просто не парьтесь этими гиперзвуками и всё.
Надо помнить,что первая ступень по сути, нужна для поднятия второй и всей нагрузки за пределы густой атмосферы.
И к моменту преодоления этой вязкой среды наберётся и скорость нужная для запуска второй,а если всё прокатит,то сразу космолёта.
Подняться на высоту 50 км можно и без сверхзвуков, соответственно не парясь (подобно женщинам о формах), лишними скорбными мыслями о "неправильных" пропорциях.
Сам космолёт может иметь и более правильные,если предполагается входить в атмосферу для возвращения или вообще садиться.
А если нет,(что логичнее),то зачем вообще эти острые и красивые формы?
Говорят же,"баба худая злая обычно", что и о сверхзвуковой технике применимо.
Для чего сверх и гиперзвук раньше нужен был?
Для безнаказанной доставки "почты" по адресам на планете.
В атмосфере летать и в стратосфере,и далеко,он и нужен...
Сверхтяжёлым носителям это не нужно вообще.
Их задача поднять и слегка разогнать то,что дальше и само полетит,на своих двигателях уже и со своей скоростью.
Подняли до 50 км, или чуть больше,отсоединились и сели назад...
Следует видимо уже разделить лозунг авиаторов,- "быстрее,выше,сильнее", на разные.
"Выше и сильнее".
А потом уже,"быстрее"...

[Алексей Николаевич.]

Пока печатал,уже почти то самое и написали...))))

[alex_semenov]

Слышен ли с земли характерный хлопок

Хлопок слышат те кто находятся по направлению движения.

Кстати, вопрос - интересный.
По-идее хлопок где-то должен быть слышен. Но не всем. Надо знать куда идёт ракета (направление) и где вы от нее. Она же не самолёт. Это самолёт или боевая ракета (слышал и не раз, даже по сдвоенному удару пытался понять откуда она летела в точку удара) летит на постоянном сверхзвуке и горизонтально земле. И по-сути почти все (кроме тех в кого она летит) могут слышать сверхзвуковой конус.
Но ракета во-первых разгоняется во-вторых поднимается. В итоге ее сверхзвуковой участок в атмосфере имеет ограниченную длину. И конус от нее попадает лишь в определённые места. И место старта (откуда снимают ракету как правило) в этот конус (на боковую поверхность конуса Маха, тогда слышен хлопок) тупо не попадает. Как мне кажется. Но надо рисовать. Так прямо не скажу точно.
Там что интересно? Ракета то ускоряется и конус сужается. То есть картина в итоге хитрая. Требует отдельного исследования.

[tomato]

Помню в детстве гостил на даче под Кубинкой. Там вовсю летали каждый день. И барьер переходили аккурат над поселком, причем на низкой высоте (1км приблизительно). Стекла тряслись знатно. А есть какой-то визуальный эффект при переходе? Видел в сети вроде некие воронки воздушные при переходе.. Я такого не видел, хотя смотрел в бинокль.

[petrovich1964]

Мне кажется вы что-то насчитали не так.
260 об/мин

260 об/мин, это моя опечатка, как я уже говорил. Зачем Вы берёте это значение?
260 об/мин, R=10, это линейная скорость 272 м/с. Возьмём угол наклона лопасти вентилятора в 30 градусов. Тогда скорость выхода воздуха будет 157 м/с. Что даёт тягу в 483 тонн. Овчинка выделки не стоит.

[petrovich1964]

некие воронки воздушные при переходе..

Это называется Эффект Прандтля — Глоерта Паровой конус (также известный как ромб Маха) — это видимое облако конденсированной воды, которое иногда может образовываться вокруг объекта, движущегося с высокой скоростью во влажном воздухе, например самолета, летящего на околозвуковые скорости . Когда локальное давление воздуха вокруг объекта падает, падает и температура воздуха. Если температура падает ниже температуры насыщения , образуется облако.

[alex_semenov]

Вы можете найти на какой высоте Фалькон перешёл звуковой барьер.

Интересно, что по вашему графику скорость звука с 10 км до 20 не меняется (да, так и есть, что меня как-то удивило). И именно тут где-то ракета звук и переходит. Ну может чуть ниже. Но не сильно по-идее.
Просто прикиньте. Пусть превышение тяги над весом 1.4, то есть 0.4*9,8=3,9 м/с² ускорение по траектории. Хотя ракета легчает и ускорение растёт. Ну пусть будет усреднённо 4-5 м/с². Тогда тупо 320²/2/4 = 12,8 км при  среднем ускорении 5  получается 10,2 км. Это если считать полёт только вверх. Но она уже сильно отклоняется. В общем где-то 10 км...

[tomato]

некие воронки воздушные при переходе..

Это называется Эффект Прандтля — Глоерта Паровой конус (также известный как ромб Маха) — это видимое облако конденсированной воды, которое иногда может образовываться вокруг объекта, движущегося с высокой скоростью во влажном воздухе, например самолета, летящего на околозвуковые скорости . Когда локальное давление воздуха вокруг объекта падает, падает и температура воздуха. Если температура падает ниже температуры насыщения , образуется облако.

Ну, то есть такой эффект виден далеко не всегда?  Зависит от влажности воздуха?

[alex_semenov]

260 об/мин, это моя опечатка, как я уже говорил. Зачем Вы берёте это значение?
260 об/мин, R=10, это линейная скорость 272 м/с. Возьмём угол наклона лопасти вентилятора в 30 градусов. Тогда скорость выхода воздуха будет 157 м/с. Что даёт тягу в 483 тонн. Овчинка выделки не стоит.

Не путайде вентилятор с ротором. Ротор вращается отдельно и у него почти вся масса на ободе. И скорость вращения ротора определяется именно давлением, которое центробежная сила создаёт в камерах сгорания (сейчас у меня их 72). И значит вентилятор, который создает момент противовращения, будучи и легче и сплошным телом (с меньшим моментом инерции даже при той же масса, а масса будет меньше) должен вращаться быстрей в несколько раз.
Это раз.
Два. Я же сказал, что если за вентилятором поставить ДОзвуковое сужающееся сопло, то скорость отбрасывания потока от вентилятора возрастёт. Так и делать на всех этих джетах-арбузах.
Главное. Три. Ясно уже (и от части вашими стараниями), что на одном вентиляторе мы много не выиграем и далеко не улетим. Вентилятор нужен только в самом начале. Ну и как маховик постоянно. Если мы начали мудрить с гибридной тяговой системой использующей воздух, то с набором сколько-нибудь сокрости, надо использовать именно напор воздуха для увеличения тяги основных ЖРД.
Я прикинул. Лоб диаметром 23 метра, на скорости  281 м/с (первые данные в той таблице) при плотности за бортом в 0.3 атм (уже высота 8 км) черпает (расталкивает) за секунду более 61 тонны воздуха! Это при том что в ЖРД каждую секунду сгорает 10 тонн топлива и окислителя у нашей суперракеты. То есть разбавив сгоревшие 10 тонн частью этого набегающего (скажем 20 тоннами) мы можем очень сильно увеличить удельный импулсь наших ЖРД пока они пробиваются через атмосферу. Если хотя бы 1.5 раза - это уже будет очень круто.  Мы могли бы полностью устранить гравитационные потери. А это 1 км/с по-сути.

[alex_semenov]

Ну, то есть такой эффект виден далеко не всегда?  Зависит от влажности воздуха?

Да. Посмотрите взрыв трёх тысят тонн селитры на складе в Бейруте. Там такой эффект был. Ударная волна взрыва очень зрелещно разошлась быстрой бело-мутной сферой пара именно такого конденсата.



При этом сверхзвук тут не обязателен.
Большинство фото, где самолёт создаёт такой конус - самолёты еще на дозвуке. Но близко к звуку. И подписи к фото (мол это переход через сверхзвук) - неверные.

[Klapaucius]

А пройдя пик (тряска успокаивалась) давал по-полной. Именно на этом "дать по полной" и шарахнул "Челенджер". Это было, как мы знаем на высоте ~70 км (все себе живо представили как долго падать с такой высоты в оторванной кабине челнока).

Там было километров десять. 60+ это Колумбия в 2003м при посадке.И в KSP поиграйтесь, хотя параметры планеты сильно другие (там одноступенчатый космосамолёт проканывает, я сам разные строил). В симуляторе Орбитер я как-то американский челнок вручную запускал раз 20, с Земли, ни разу не получилось на орбиту выйти. Был режим с бесконечным топливом, так он уже в атмосфере всегда падал.

[Алексей Николаевич.]

В обсуждении иногда забывают,что именно в данном рассматриваемом случае,вращение большого кольца,это часть двигателя.
Оно нужно для упрощения насосных систем ЖРД.
То есть,оно будет и так и так.
И грешно не превратить это в некоторую пользу ,спицы сделав лопастями.
Конечно,если не делать именно такой ЖРД, то и лопасти и прочее можно не рассматривать...
Но раз уж делаем,почему бы и нет?

[alex_semenov]

Там было километров десять.

Вы уверены? Мне мой склероз подсказывает именно цифру 70 км... Хотя могу и ошибаться. Но я застал все события горячими (я как раз был в санчасти с желтухой, вернее после в армии). И все обсуждали эти 70 км. Ибо быстро нашли кабину и обнаружили что кто-то из членов экипажа использовал дыхательные маски, то есть они остались живы после взрыва и падали в этой кабине достаточно долго пока не шмякнулись об воду со всей дури.

Да. Вы ближе к истине.

Разрушение началось на 73,162 секунды полёта на высоте около 15 километров

Про 70 км - старая городская легенда.
Народ тупо спутал секунды с километрами высоты... Я думаю. И с 70 км падать ужасней.
Ну в сущности всё сходится. У Маллейна в "Верхом на ракете" сказано что у них бахнуло сразу же как они дали "по газам" пройдя точку максимального аэродинамического напора. Ну вот 15 км. Так и есть.

[petrovich1964]

То есть разбавив сгоревшие 10 тонн частью этого набегающего (скажем 20 тоннами) мы можем очень сильно увеличить удельный импулсь наших ЖРД пока они пробиваются через атмосферу. Если хотя бы 1.5 раза - это уже будет очень круто.

Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя.
https://habr.com/ru/articles/455774/

ps
"Нулевая" (воздушная) ступень для подъёма на 30(?) км первой ступени сверхтяжёлой ракеты (любой ракеты, взлетающий космодром  ) и не надо изобретать самолёт воздушный старт.

[alex_semenov]

На самом деле двухконтурник двухконтурнику рознь. Есть разные двухконтурные двигатели.
Но мой кум, который дипломированный авиадвигателист и который тоже не мог поверить в идею с вентилятором привёл в пример Д-18
Мол, у него почти вся тяга - вентилятор. Тяга 23,4 тонны. Ну пусть вентилятор 18 тонн.
Диаметр  2 Метра. Меряем площадь. 3,14 м² Тяга с метра квадратного вентилятора 5,96 тонны.
Если очень условно (конечно же) перенести это на внтилятор диаметром 20 метров, то получим тягу в 1872 тонны.
Хорошо бы было бы если бы это была правда.

Но вентилятор - ладно. Я говорю об еще одном, в моей конструкции внешнем воздушно-реактивном контуре где набегающий поток (дозвуковой и сверхзвуковой) смешивается с выхлопом ЖРД. Смешиванию должно хорошо помогать именно вращение ЖРД-камер. Как мне думается... Да, на дозвуке у ПВРД тяга никакая. Но на дозвуке у нас есть вентилятор. По мере того как тяга вентилятора будет падать, будет нарастать поток воздуха, обтекающего наш "кирпич" и это будет 10 тонн, 20 тонн, 30 тонн воздуха в секунду заглатываемых воздухозаборником у основания... Если это грамотно подмешать в выхлоп ЖРД, мы могли бы им заметно добавить тяги. Хотя тут может быть чёрт в деталях. Не уверен что получится.
Да, ЖРД при этом потеряют собственную тягу (так как давление на срезе сопла будет куда выше чем атмосферное) но в сумме выигрыш должен быть (мы меняем скорость истечения на массу). И если даже получится добавить 1.25 это будет ну очень круто!

[Klapaucius]

Но мой кум, который дипломированный авиадвигателист и который тоже не мог поверить в идею с вентилятором привёл в пример Д-18

Эх,а я всё же за возрождение дирижаблестроения! В том числе и для космонавтики. Ну хотя бы для туристов вместо самолётов.