Гигантские ЖРД ракеты. Возможны или нет?

[alex_semenov]

Я понимаю, обычный корабль большой, морской, он не может оставаться целым не будучи погруженым в воду или на стапеле.
А тут то зачем? Для чего?

Я перечислил 4 (ЧЕТЫРЕ) причины. Чем вам не нравится вода? Допустим воды не будет. Тогда заправленную ракету придётся держать за "шею" все 14 000 тонн. Ну и нафик это надо? Так у ракеты будет ОДИН пояс нагрузки и динамический пояс, он ВРАЩАЕТСЯ. А так вам нужно обеспечить там ДВА пояса удержания нагрузки. Вращения (в полёте) и неподвижный (когда заправленная ракета еще в шахте). Нафик. Пускай плавает! Не жалок.
Не вижу каких-либо проблем с тем что клодец будет заполняться время от времени водой.

[alex_semenov]

Но вот на кой нужна вода при вертикальном старте... 

Я понял что вас зациклило на очевидной мысли, что раз ракеты всё равно висит в воздухе, значит все "китовые" облегчения - до задницы дрвеца. Вас прёт от осознания этой очевидности и вы тупо тут будете это повторять как попугай.
Но я вам уже назвал четыре ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ причины зачем нужна вода.

Заполнять водой колодец надо по четырём причинам.

1 - НЕЖНО держать ракету вертикально пока не взлетела. Никакие подпорки "за талию" или "шею" ее так хорошо не удержат. Да, пустую ракету можно распереть подпорками. Но когда мы будем ее заполнять, надо ее держать жидкостью с другой стороны.
2 - НЕЖНЫЙ "миномётный" старт из колодца (притом в любом случае) силой Архимеда.
3 - Стат силой Архимеда как ПРОТИВОПОЖАРНАЯ мера  и при штатном и при аварийном старте (в самом худшем случае ракета взорвётся над шахтой но не в шахте, а шахта останется целой).
4 - Борьба с шумом. Даже не заполняя колодец водой, мы вынуждены будем организовать фонтаны воды на стартовое сооружение чтобы сохранить сооружения и колодец в любом случае будет подтоплен. То есть это в любом случае мокрый док.

Любая (слышите? ЛЮБАЯ!) "водоплавающая" ракета в полёте на силу Архимеда не опирается. Она всей своей массой висит на двигателях. Но она опирает на воду при предстартовых операциях и будучи притопленной (если эта опция есть)  в момент выхода из воды.



Вот художественно показан именно архимедов выход свертяжёлой ракеты из воды не только под действием двигателей но и под действием силы Архимеда.
Ракета в норме плавает притопленная на 1/2- 2/3. Но тут она вся утоплена. То есть ее сила Архимеда уже выталкивает и только балласт не даёт всплыть. Взлёт это не только выход двигателей на полную тягу но еще и отделение балластва.

https://www.youtube.com/watch?v=faTQQ-fLFgY

В нашем же случае всё еще лучше. Намного лучше. Двигателе наверху мы их можем запустить на полную тягу не беспокоясь о массе внизу. И всё равно мы можем пользоваться Архимедовой катапультой в самом начале. Якорь тупо держит ракету за хвост в первоначальном положении не важно какая тяга ее уже тянет вверх. Ракета рвётся в небо стоя на месте, удерживаемая лишь якорем. И вот мы отпускаем якорь (это и есть момент старта)...  Ракета сразу получает импульс вертикального подъема от силы Архимеда. Как по мне это ценное подспорье на первых секундах подъема. Уже ради этого овчинка стоила бы выделки. Но есть еще 3 дополнительные причины зачем колодец заполнять водой.

[Vavanzer]

Я понимаю, обычный корабль большой, морской, он не может оставаться целым не будучи погруженым в воду или на стапеле.
А тут то зачем? Для чего?

Я перечислил 4 (ЧЕТЫРЕ) причины. Чем вам не нравится вода? Допустим воды не будет. Тогда заправленную ракету придётся держать за "шею" все 14 000 тонн. Ну и нафик это надо? Так у ракеты будет ОДИН пояс нагрузки и динамический пояс, он ВРАЩАЕТСЯ. А так вам нужно обеспечить там ДВА пояса удержания нагрузки. Вращения (в полёте) и неподвижный (когда заправленная ракета еще в шахте). Нафик. Пускай плавает! Не жалок.
Не вижу каких-либо проблем с тем что клодец будет заполняться время от времени водой.

Нет ни одной адекватной причины!)))
 Собираться все равно "на сухую" будет.
 В заправленом варианте - вся нагрузка на узел винта приходится и распределяется по длине некоей рамой.
 Взлетать тоже не пустая будет, заправленная.

 Ну разве, накрайняк, тупо для старта, вместо кронштейнов воду применять.

 А то что там у вас нарисовано, буксируемый и  потопляемый вариант, так его еще и потопить надо как то. В ходе заправки, к примеру...
 Так то и вовсе, можно за несколько точек по всей длине закреплять на вышке удерживающей. И опять никакой воды не надо))) 

 Эта концепция кое-как прокатит, если корпус ракеты будет одновременно и баком (коиостатом) и несущей силовой составляющей. Который еще надо постараться заправить по быстрому!)))

[Vavanzer]

Вот художественно показан именно архимедов выход свертяжёлой ракеты из воды не только под действием двигателей но и под действием силы Архимеда.

  Плотность обьема ракеты заправленной, интересно, сколько) ?

[MenFrame]

Мы комплементарном мыслим.

Я в принципе с самого начала рассматривал сухопутный вариант, потому почти сразу пришел к идее шахты.
После того как сделал рисунок ротора, размышлял над размещением баков. Представлял разные схемы с двумя, тремя баками. Одноразовыми и многоразовыми втягиваемыми баками. Рассматривал разные схемы втягивания. Сверху получалось слишком сложно, снизу подобно тому как тюбик зубной выдавливают, небезопасно (в складках остается топливо) Вообщем все варианты мне не нравились по тем или иным причинам. Но сегодня нащупал тот вариант который вроде не стыдно показать.

Первое что сделал изменил схему ротора как вы предлагали, лопастями вниз. Это нужно для торможения в атмосфере(воланчиком).
Второе размести бак с кислородом зразу под ротором, что бы минимизировать массу тяговых конструкций.
Третье, ПН разместил между баками, с выходом по типу шаттла через створки.

(кликните для показа/скрытия)

Четвертое, самое главное. Разместил внизу сворачиваемый(многоразовый) композитный бак с водородом.
Почему именно такое решение...
1)В схеме "ракета перевертыш" есть проблема с нагревом баков от струи двигателей. Те места бака где есть контакт с жидким водородом в безопасности, а вот те места где нет топлива,  уязвимы.
2)Бак композит из высокопрочных волокон должен быть довольно легким. Тем самым решается главная проблема кислород-водородных ракет(большой вес баков)
3)Убираемость, сворачиваемость бака должна сделать схему полной многоразовости более эффективной. Достаточно посмотреть на размер возвращаемой верхней ступени Энергия-Ураган.

(кликните для показа/скрытия)

4)Сворачиваемый бак, увеличивает готовность к повторному старту.

[Vavanzer]

2)Бак композит из высокопрочных волокон должен быть довольно легким. Тем самым решается главная проблема кислород-водородных ракет(большой вес баков)

  Почему эту технологию не применяют до сих пор? А таскаются с тяжеленными баллонами!?)
 

1)В схеме "ракета перевертыш" есть проблема с нагревом баков от струи двигателей. Те места бака где есть контакт с жидким водородом в безопасности, а вот те места где нет топлива,  уязвимы

  Там не только столбы пламени. А еще множество ударных и акустических волн. И бешеное тепловое излучение от этих самых струй)))
  В баках - вымороженые газы! Под давлением и низкими температурами...

 Самое угарное, а смысл сворачивать баки? Как будто это что-то даст!))) Не проще ли их тогда скидывать на парашутах!?) Хоть цельнометаллические, хоть тряпошные!?) На кой их таскать с собой на орбиту и потом обратно) ? Многоступенчатость не просто же появидась, а как раз для того чтоб лишнюю массу отработавших баков и ненужные двигатели не таскать... Иначе никакой ПН вообще не получается!

[alex_semenov]

Я в принципе с самого начала рассматривал сухопутный вариант, потому почти сразу пришел к идее шахты.

Да, идея шахтного запуска при размещении двигателей наверху напрашивается как бы сама собой.

Четвертое, самое главное. Разместил внизу сворачиваемый(многоразовый) композитный бак с водородом.

Не знаю как сворачиваемость, но вот композит- интересная идея именно в смысле стойкости к звуковому разрушению.

[Vavanzer]

Да, идея шахтного запуска при размещении двигателей наверху напрашивается как бы сама собой.

  А при нижнем расположении уже нельзя чтоли))
 
 Кстати не учли кое чего. Если при нижних движках запуск из шахты прокатывает, потому что газоотведение работает нормально, трубы являются продолжением шахты. При верхнем не прокатит скорее всего. Пламя ударится об площадку вокруг, и в тч и в ракету отразится. Если шахта широкая, то туда внутрь между ракетой полетит и жечь ее будет!))

  Для начала бы вообще расчитали интенсивность излучения от пламени около стенок ракеты!)) Может быть там и вообще не прокатит никак.  И не поможет то что как фейрверк крутящийся пламя будет разлетаться!)) И никакой толком тяги и не будет, давить тупо на стенки движков в бок, центробежные силы.

[MenFrame]

   Попробуем посчитать ротор при внеатмосферной работе. Вернее какую центробежную силу мы можем получить, достигнув необходимого давления топлива в роторе. В современных двигателях давление в камере сгорания достигает 30 Мпа. Предположим нам нужно давление в два раза больше на входе 60 Мпа. У нас топливная пара кислород - водород с соотношением 1 к 6. Плотность жидкого водорода 0,07 кг/л, а жидкого кислорода 1,141 кг/л. Соответственно объем одного килограмма водорода 14,28 литров, а килограмм кислорода 0,87 литра, шесть литров 5,25. Общая плотность смеси (14.28 +5,25)/7=2,79л/кг или 0,35 кг/л.
     Ротор у нас имеет радиус 40 метров, в нем давление растет от нуля на оси, до максимума на конце ротора, что эквивалентно столбу жидкости в 20 метров с ускорением как на конце ротора по всей длине столба. Таким образом нам нужно понять какое ускорение нам нужно что бы получить давление 60 Мпа, в столбе жидкости 20 м при плотности 0,35 кг/л. Получается  8571.43 метра секунда в квадрате. Зная центробежное ускорение посчитаем скорость конца ротора, получаем 585.52 м/с или 2106 км/ч. Нехилый вертолетик.
  Теперь посчитаем силу, для этого нам нужно знать массу двигателей. Водородники, самые лучшие обладают тяговооруженностью 1:60. Допустим вес ракеты в снаряженном состоянии 5000 тонн. Тогда только для компенсации этой массы нужно 83 тонны двигателей.  Для ускорения увеличим в полтора, получим 125 тонн. К тому же, у нас не просто двигатели, а двигатели объединенные в крыло что еще увеличит массу допусти на 20%. По итогу 150 тонн.
  Тогда центробежная сила на радиусе 40 метров скорости 585.52 м/с при массе в 150 тонн равна 1283,34 Мн. Что эквивалентно весу 131 000 тонну. Какой то нехилый запас получается 1 к 26, а нам нужно 1 к 2 или 1 к 3.
То есть в большом роторе, благодаря которому достигается удаленность двигателей от ракеты на безопасное расстояние, больших давлений топлива при разумных центробежных нагрузках просто не достичь.

[alex_semenov]

Таким образом нам нужно понять какое ускорение нам нужно что бы получить давление 60 Мпа,

Зачем вас 60 МПа если в камере 30 МПа?



ро-плотность перекачиваемой жидкости (кг/м3).
v - линейная скорость (м/с)
w - угловая скорость (рад/с)
n - частота оборотов (1/с)
R - радиус вращения (м)
P  - давление (Па).


Пусть нам нужно создать давление столба усреднённой жидкости 400 Атм. То есть 40 МПа. Тогда при R=20 м и плотности жидкости 350 кг/м³, мы получаем число оборотов ...  менее 3,8 об/с!!!
Линейная скорость это корень квадратный....

(2*пи()*N*R)^1/2 = 22 м/с. Смешная скорость!

Даже приняв давление 600 атм (как у вас) я получаю... 4,7 оборота и 24,2 м/с - линейная скорость на концах ротора.
Кто не прав в своих расчётах?
У меня - слишком хорошо чтобы быть правдой.
Давайте проверять!
 

[MenFrame]

Зачем вас 60 МПа если в камере 30 МПа?

Это я условно взял с запасом. На рубашки охлаждения, генерацию электричества.

[Алексей Николаевич.]

А зачем вообще двигатели, если тот огроменный пропеллер можно раскрутить ещё на старте и далее по инерции будет вертеться?
Как раз хватит подлететь на 50 км.
И его сделать нарочно массивнее чем надо, для накопления энергии.
А на посадке он раскрутится от потока воздуха как в автожирах.
Так же поработать можно над дизайном ещё.
Может всё же делать в виде огромного колеса с лопастями и его полностью раскручивать.
Набрав энергию оно взлетит без двигателей.
А далее из "ступицы" стартует сразу вторая ступень на высотах 50 км.
Та же, уже без нагрузки, сядет сама.

[alex_semenov]

Это я условно взял с запасом. На рубашки охлаждения, генерацию электричества.

ПОРОК, родовой, неустранимый порок всех ЖРД закрытого цикла в том, что вы обязаны создать давление в контуре циркулирующих компонентов минимум в ДВА РАЗА БОЛЬШЕ чем в камере сгорания.
И дело не в сопротивлении рубашки. Дело в том, что вам нужно хотя бы двукратная разность давлений ПЕРЕД турбиной ТНА и за ней. Но давление ЗА турбиной ТНА - это давление в камере сгорания. То есть 300 атм. Значит перед турбиной в газогенераторе вы должны держать давление под 600 атм а в магистрали (которая подаёт в газогенератор компоненты) еще больше (иначе они не будут поступать).
Так и получается.
То есть. ~600 атм в магистрали при ~300 атм в камере сгорания - это ПОРОК классического ЖРД. Это явно ИЗБЫТОЧНОЕ давление и напряжение на узлы двигателя. И отсуюда такая "капризность".
У нашего чудо-двигателя такого нет.
Поэтому вам нужно в камеру жидкость подавать чуть выше чем в самой камере сгорания. И это - плюс. Это всё битва за ресурс. Заставить ЖРД ратобать тысчи часов на отказ, а не вшиве несколкьо часов от силы (55 - часов мировой рекорд движков шаттла).

Такого нет и у ЖРД открытого цикла. Посмотрите под каким давлением там подаются комоненты в сравнении с давлением в камере сгорания.
Ну вот ТНА Рд-107



9-8 МПа - давление компонентов на выходе. А в камере сгорания? 6 МПа....
Вопросы?
 

Но ЖРД открытого цикла более 100 атм в камере сгорания создать не могут (могут, но это глупо, расход топилва через НТА будет бездарным и бесполезным).

Тут:

Зависимость удельного импульса Iу ЖРД от давления рк в камере сгорания: 1 — ЖРД с дожиганием; 2 — ЖРД без дожигания; а — потери на привод турбонасосного агрегата (сплошные участки кривых соответствуют используемым давлениям)


В том то и прелесть идеи ротоного ЖРД что (как я утверждаю) по своим параметрам он эквивалентен ЖРД закрытого цикла, а по сложности и надёжности - к двигателю без дожигания, с открытым циклом.

[Vavanzer]

То есть в большом роторе, благодаря которому достигается удаленность двигателей от ракеты на безопасное расстояние, больших давлений топлива при разумных центробежных нагрузках просто не достичь.

+++. Я тож больше года назад просчитывал эту идею. Тут же в теме. Там даже вместе с другими считали.
  Началось все с маленького ротора, у которого ускорение на разрыв было больше чем возможности материалов. Но потом подкрутили идею на более "лайтовый" вариант. Чет вроде в рамки разумного вписалось.
 Чуть погодя кто то поднял вопрос о разности плотностей жидких газов. Тоже пошла полемика. Разная плотность (жидкие кистррод и метан), разное давление в "столбе"... Причем, несовместимое сочетание. Увеличим обороты чтоб метан давил нормально, получим бешеное давление кислорода... Редуктор давления нужен сложный или решурировка подачи. Ну и к магистрали требования сумамшедшие. ..
Тогда недодумались, что можно взять газ попроще, пропан, бутан и тп... Но эт ладно.

 Далее. Тема с подшипником, который расчитан на ьакие нагрузки. Это вообще первое, что я поднимал в этой тематике. Нужен подпятник типа как от турбины Саяно-шушенской ГЭС, который весит какие то там сотни тонн))) От этого оппоненты сьюлили как смогли! Увильнули в философию абстракций))))
  Про "эффект вертолета" стоит ли вообще упоминать, то что ракету будет крутить в противоположную сторону отн. ротора, а это и увеличение относительной частоты оборотов, и нагрузки на стенки баков топливных ..
 
 И по и тогу , компактный ТНВД , точнее ТНА, по ракетному, выходит гораздо выгоднее, почему , собственно, их и используют, с тех пор как вытеснительный метод перестал удовлетворять потребностям "народного ракетного хозяйства" !

Зачем вас 60 МПа если в камере 30 МПа?

Зачем топливный насос в бензиновых ДВС с прямым впрыском ставят аж на 150-200 атмосфер, в то время когда степень сжатия всего то 13-15 , т.е давление когда  поршень в верхней мертвой точке, 13-15 атм?  Для того, наверное, чтобы передавить давление в камере сгорания! И обеспечить необходимое распыление и количество подачи через форсунки!

  У топливного насоса прямой подачи давление в любом случае должно быть гораздо больше, чем давление в камере сгорания.
 Это как в термодинамике. От горячего к холодному энергия идет. Тут же, топливо и окислитель из системы с большим давлением перетекает в чистему с меньшим давлением. И скорость подачи, (массовый расход) , зависит от разницы давлений.
   Если у вас в работяющей камере сгорания РД 250 атмосфер, то не прокатит снизить давление в подающей системе , чтоб к приперу 251 атм было в ней, а в камере сгорания оставалось так же 250 атм. При небольшой разнице давления топливо просто не будет успевать нагнетаться в камеру сгорания, чтоб поддерживать рабочее давление в 250 атмосфер!
 .  Вроде проще некуда обьяснил!))

[Vavanzer]

Зачем вас 60 МПа если в камере 30 МПа?

Это я условно взял с запасом. На рубашки охлаждения, генерацию электричества.

Не скромничай))) Нагнетание топлива в больших количествах при больших давлениях  в камере сгорания , ольшом массовом расходе и сопротивлении топливопроводящей магистрали и системы впрыска  требует большой перепад давлений))) 

[Vavanzer]

А зачем вообще двигатели, если тот огроменный пропеллер можно раскрутить ещё на старте и далее по инерции будет вертеться?
Как раз хватит подлететь на 50 км.

Как децкая игрушка. Винт на палочке, которую раскручивают ладонями, резким движением))))
   Ща Семенов изобретет)))) Еще атгмную бомбу на хвост прикрутит))) чтоб уж наверняка полетело)))

   Я , было дело лет 5-6 назад заморочился расчетом системы на основе потенциального давления газа в баллоне... Впечатляли детские воспоминания о том как баллоны от дихлофоса и пены взрывались в кострах, и летали по баллистической траектории...
  И. Вся загвоздка в том, что не получается при нынешних материалах , да еще и без подогрева , обеспечить давление воздушного шарика, лнтящего за счет выброшеного воздуха...
 То же самое и с ротором. Массу надо бешеную и скорость. Хотя, можно как-нибудь заморочиться, посчитать, хотяб для себя даже.

  Скоро тут уже накопится материала для издания что-то вроде "занимательная физика" )))) Только по звездолетной теме. Разоблачение мифов, легенд, и бестолковых надежд.

[alex_semenov]

Не скромничай))) Нагнетание топлива в больших количествах при больших давлениях  в камере сгорания , ольшом массовом расходе и сопротивлении топливопроводящей магистрали и системы впрыска  требует большой перепад давлений

Ну розумный, аж страшно!!!! (с) "За двумя зайцами"

https://www.youtube.com/watch?v=GHY5rQp7L2g

[MenFrame]

Тогда при R=20 м

Я брал радиус 40м...
20 Метров, это уполовиненный радиус...для расчета

Ротор у нас имеет радиус 40 метров, в нем давление растет от нуля на оси, до максимума на конце ротора, что эквивалентно столбу жидкости в 20 метров с ускорением как на конце ротора по всей длине столба.

менее 3,8 об/с!!!

У меня получилось 2,33 об/с

(2*пи()*N*R)1/2 = 22 м/с. Смешная скорость!

40 * 2 * 3.14 * 2.33 = 585 м/с
У меня совсем не смешная. Где то множитель потеряли.

[alex_semenov]

менее 3,8 об/с!!!

У меня получилось 2,33 об/с

Ну не суть. 20-40 метров. Порядок будет один. У нас близкий порядок по оборотам, но почему у вас такая большая скорость концов?
Значит я что-то в попыхах "на салфетке" насчитал неверно?

Вот это - правильно?



А, всё. Понял. Я квадраты неправильно сократил в уме... Блин... Я извлекаю корень из правой части, хотя надо было квадраты тупо сократить.
То есть при 400 атм давление столба кольцо ротора у меня должны двигаться со скоростью  478 м/с... Да, это сверхзвук...
Гм... Почти 1.45 маха... Да, шумноватый получается "пропеллер". Хотя где вы видели тихий ЖРД?


Хотя тут кое-что надо уточнить. Мы очень неправильно усредняем плотности компонентов, как мне кажется.
Если мы посчитаем давление ПО ОТДЕЛЬНЫМ КОМПОНЕНТАМ - то это будет куда правильней.
И да, мы видим что разность плотностей топлива и окислителя - это огромная проблема.
И ее надо решать.

И еще. Ваша ссылка на давление столба жидкости. Она тут НЕ КАТИТ, кажется. Формула:



Годится если g - константа. Не меряется с высотой. Но в центробежном колесе это не так. Наверху - невесомость, внизу - максимальная сила тяжести.
Улавливаете?
Да при g = const всё верно:



Но вот что получается на колесе:



Правильно? Проверяйте.
Это очень важно. Это - основа основ. От этого строится всё остальное.

[Vavanzer]

Ну розумный, аж страшно!!!! (с) "За двумя зайцами"

За тремя, между прочим. Можно и четвертого добавить))) Лучшее распыление , перемешивание. Ну и еще фактор доп давления стартового...