Гигантские ЖРД ракеты. Возможны или нет?

[alex_semenov]

Т.е нынешний техпроцесс в ЖРД вообще не отрабатывает себя полностью.

Креститесь батенька! Вот же вся картина маслом, опираясь на учебник Пёрышкина (всё примитивно просто, формула справа - для красоты, все кривые построены по формулам вверху слева, а точки нанесены на них по данным из справочников о каждом двигател):



70-80% Термический КПД (в вакууме, разумеется) - это вам не предел возможного?
Не всякий электрический аппарат обладает таким КПД как тепловая машина современного ЖРД в вакууме!
Да, можно было бы попробовать выжать еще. Но смысл? Это тоже видно на графике. Смысла давить дальше особого то и нет!
ЖРД двигатели на пике своего совершенства. Увы!
Единственное что тут можно развивать - это простота и надёжность (ресурс работы), цена. Поэтому и интересны детонационые двигатели.

[Vavanzer]

В теории в mc2. 1 кг материи  содержит максимально 9 * 1016 Дж.

  Вы кстати можете прикинуть полную хаотичную энергию вещества при его температуре. Каждой молекулы, и то сколь ее в килограмме.

Дело в том что, каждый 1К температуры - это 2,07*10-23 Джоуля на 1 молекулу. Именно молекулу. Для одноатомных веществ - на атом.
Это секрет температуры)))) Что это такое на самом деле.
И исходя из этой "константы", можно легко считать скорость молекул, и запасенную энергию в 1моль вещества, пересчитывать на килограммы, через молярную массу .

Так вот. Чем был привлекателен флюид из легких одноатомных газов? Не только текучестью при высокой плотности. А еще и скоростью молекул на единицу градуса температуры. И теплоемкостью на единицу массы и обьема.

У нас так получается, что чем тяжелее ядро атома, тем меньше его скорость при той же температуре, тк Е=mv2/2. Масса сьедает у скорости. И при этом, количество молекул в 1грамме меньше. Изза этого тяжелые элементы имеют малую удельную теплоемкость на 1кг , относительно того же водорода и гелия...
Ну и отсюда считаем все остальное.
Выгоднее всех водород и гелий.
Но, неон и аргон подкупают большей плотностью в сжатом состоянии, при сохранении инертности... Изза этого их используют в ионниках, кстати. Особенно аргон
Всякие там двухатомные газы и соединения вообще в расчет не берем, бестолковая штука, с их энергией вращения ...

[Александр Овчар]

Знач, нам нужны еще какие то источники энергии, дополнительные. И тут только 3 доступных варианта (ядерный, изотопный и солнечный), и несколько утопических (термояд, гиганские лазеры, холодный синтез, "мезонный распад" и пр фантастика!))

Не мы хотели бы летать по СС на 1 же в течении 30 суток как  вариант. Это позволит посетить край СС и вернуться на одной заправке. Нормальная задача, видим что надо увеличить энерговооруженность ракет на 5-6 порядков, относительно известных ЖРЖ.  Забыл указать, что 100 тонн ракеты везет на себе 100 тонн реагента  с расходом 50 тонн/сутки. Для 30 суточного полета потребуется 3000 тонн.   
Но реагент должен выдавать энергию на уровне 10¹² Дж/кг. Это не очень много, в атомном ядре можно такое накопить, но результат будет в жестких гамма лучах. Потребуется конвектор гамма лучей в энергию пропеллента. Это химера.

[Vavanzer]

70-80% Термический КПД (в вакууме, разумеется) - это вам не предел возможного?

В этом весь и прокол и подвох)))
При таком КПД, газ на краю сопла жрд должен выходить холодным, а не светиться так как словно газорезка работает)))) (на излучение кстати тож много там уходит, не забываем формулу N=сигмаТ^4)!
Я по своему начал считать. Полную энергию. Пользуясь законом сохранения энергии в замкнутой системе.
Могу пожже расчет проделать.
Сожгем , допустим, кислород и метан. Количество подогнано идеально, чтоб в реакцию вступили все молекулы. Выделится N-ное количество энергии, которая проявится в виде излучения и кинетической энергии молекул продуктов сгорания, то бишь Н2О и СО2.
И сколь из этой энергии будет обузданно и отправится на ровное истечение из сопла по вектору, противоположному вектоу тяги, и опрелелит наш истиный КПД двигателя.

А есть еще и КПД всей ракеты в сборе. Соотношение кинетической энергии выброшенного топлива и кинетической энергии ракеты. Там вообще веселуха. Если особенно пересчитать на энергию ПН... Сколько ей остается ...

[Vavanzer]

Но реагент должен выдавать энергию на уровне 1012 Дж/кг. Это не очень много, в атомном ядре можно такое накопить, но результат будет в жестких гамма лучах. Потребуется конвектор гамма лучей в энергию пропеллента. Это химера.

По этому можно снизить сроки до более реальных.
И сильно сэкономить на кинетической энергии. А значит и на запасенной. Тк ее зависимость от скорости квадратичная. Хотим удвоить скорость - топлива знач еще в 2 раза больше надо добавить, чем первоначальный вариант заправки. Или вчетверо более мощный источник энергии нужен.

[MenFrame]

При таком КПД, газ на краю сопла жрд должен выходить холодным,

Не должен, кпд же не 100% а 70%, остальные 30% светят как факел. А сто процентов достичь термодинамика не дает.

[MenFrame]

Количество подогнано идеально, чтоб в реакцию вступили все молекулы.

Только идеальное горение можно достичь в очень большой камере сгорания, где есть большое время на смешивание и горение. Во вторых при высоких температурах идут реакции обратные горению. Потому обычно одну компонету топлива, обычно более легкую грузят с избытком.

[alex_semenov]

При таком КПД, газ на краю сопла жрд должен выходить холодным,

Не должен, кпд же не 100% а 70%, остальные 30% светят как факел. А сто процентов достичь термодинамика не дает.

Светятся ТТРД, у которых топливо в выхлопе догорает.
А выхлоп RS-25 на шаттлах, он вообще не виден. Я рассказывал, что когда показывали старты шаттлов в 80х по телеку я думал что шаттл взлетает с выключенными двигателями. Но одних бустерах. Телевизор не показывал еле заметное пламя водородных движков на фоне пламени ТТРД.
Ну и если вы посмотрите в космосе (или разряженной среде уже) то выхлоп тупо не видно. Видно только как светится сопло и всё.

И главное. Когда струя врезается в воздух она всё равно превращает в энтропию (шум и свечение) и полезную энергию и вредную
Все 100 процентов превращаются в хаос  и тепло что так что этак (и с пользой и без пользы). При этом надо различать КПД двигателя и КПД движителя. Что бы КПД движителя был 1, нужно что бы выхлоп был со скоростью полёта ракеты. Улавливаете?
То есть полезная энергия струи еще не значит что она превратилась полностью в энергию корабля.

[Александр Овчар]

Но реагент должен выдавать энергию на уровне 1012 Дж/кг. Это не очень много, в атомном ядре можно такое накопить, но результат будет в жестких гамма лучах. Потребуется конвектор гамма лучей в энергию пропеллента. Это химера.

По этому можно снизить сроки до более реальных.
И сильно сэкономить на кинетической энергии. А значит и на запасенной. Тк ее зависимость от скорости квадратичная. Хотим удвоить скорость - топлива знач еще в 2 раза больше надо добавить, чем первоначальный вариант заправки. Или вчетверо более мощный источник энергии нужен.

Хотите летать медленно? За 10 лет до Юпитера? И два года до Марса?

[Александр Овчар]

Креститесь батенька! Вот же вся картина маслом, опираясь на учебник Пёрышкина (всё примитивно просто, формула справа - для красоты, все кривые построены по формулам вверху слева, а точки нанесены на них по данным из справочников о каждом двигател):

Давайте по узким местам ЖРД пробежим..

У меня есть талмуд РАСЧЁТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ АГРЕГАТОВ ЖРД -
https://cchgeu.ru/upload/iblock/fcc/uchebposob_raschetzhrd.pdf

По верхам пройдемся - глава 2.5 стр 67-79. Два узких места
а) камера сгорания
б) сопло
Камера  = цветом выделю

2.4 Выбор давления в камере сгорания
Величина давления в камере сгорания влияет на удельный
импульс, габариты и массу ДУ. Увеличение давления в КС
ведет к росту удельного импульса двигателя, уменьшению
линейных размеров КС и соответственно, к уменьшению мас-
сы двигателя.

Уменьшение площади критического сечения ведет к
уменьшению расхода топлива.

Но для подачи топлива в КС насосы должны создавать большие давления подачи, что требует повышения мощности турбины и расхода топлива на нее.


Уменьшение размеров КС вызывает трудности с размещением форсунок на форсуночной головке, а также может вызвать проблему охлаждения двигателя, так как растет тепло-
напряженность.



Выбирая давление в камере сгорания, необходимо учитывать, что выигрыш в увеличении удельного импульса, уменьшения габаритов и массы ДУ может быть потерян из-за увеличения расхода топлива на турбину и увеличения массы ТНА. В зависимости от схемы ЖРД и системы подачи топлива, существуют рекомендации на величину давления в камере
сгорания [3,6].


Давление в камере сгорания ( кР ) оказывает существен-
ное влияние на параметры двигателя. С ростом давления в ка-
мере значительно возрастают температура в камере сгорания (
кТ ). При constРа  увеличивается степень расширения в
сопла

Мне кажется, что  ваша картинка и комент про предел на рабочее давление в камере (не более 300 ат) = отражает букет технических противоречий.  А так как источник энергии есть банально горячий газ -продукт горения- то все грустно. Хотелось бы высокое давление  в камере сгорания, но не проходит по режиму горения.
==
Выше задан вопрос - что если еще на космодроме, потратить кучу Дж и закачать в газовый цилиндр газ под давлением 1 млн атмосфер. Т.е мы уходим от физики горения, все накладные расходы по созданию запаса энергии прошли на космодроме.  И надо просто открыть клапан.

В терминах цитаты - у нас нет на борту ракеты

а) турбонасоса
б) расхода топлива на ТТН
в) камеры сгорания вообще нет

Остается только сопло. Задача сводится к физике - что бы молекулы газа вылетели из зоны высокого давления на скорости 10 000 м/с. Как пробка из бутылки вылетает.   А не как факел газовой горелки .

Верно ?

[Vavanzer]

А сто процентов достичь термодинамика не дает.

  Она дает.
Если в космосе лопнуть воздушный шарик, то газ расширившись рримет температуру близкую к абсолютному нулю, по при этом молекулы будут лететь в разные стороны со своей среднеквадратичной скоростью. КПД получается 100%)))

 Т е, если мы оставим 1степень свободы, каким то образом, например электромагнитным полем, то получим под 100% кпд.

А выхлоп RS-25 на шаттлах, он вообще не виден

Потому что водород так горит. Метан тож горит синим прозрачным пламенем. А вот пропан-бутан уже желтит, и керосин и бензин тоже. Углерод желтизку придает, частички "копоти" перегретые. Эт еще в школе на химии проходили)))
И, при этом, пламя бензиновой горелки (паяльной лампы советской) оно тож прозрачное, голубоватое, и жарит только в путь. Железо хорошо гнуть было с помошью нее)))

Эт ладно. Вы расходящиеся потоки от дэракетнвх движков в стратосфере видели когда нибудь? Там такая "медуза" получается, фееричная...
Блин, [----] ракетостроители тут собрались!

[Vavanzer]

предел на рабочее давление в камере (не более 300 ат)

Предел этот материалами обеспечен. Которые не могут держать прочность при температурах высоких и таком давлении. И сохранять адекватную толщину, а значит и массу. Я как то этим моментом заинтересовался, пробежался по современным достижениям. В 2015-16м году этими идеями горел))) В итоге, чет там до 500атм еще ничо. А под 1000атм уже все разваливается, нужны вот эти все каскады, "матрешки" то есть...

Задача сводится к физике - что бы молекулы газа вылетели из зоны высокого давления на скорости 10 000 м/с.

Беспонтовая там энергия. Тк уже не газ, а флюид. Почти что жижа. У нее коэфициент сжатия на порядки меньше, и запасенная энергия так себе. Не малая, хватит чтоб приличный взрыв устроить, но в давлениях и температурах , которые материалы способны выдерживать.
Там еще энергия кулоновского отталкивания начинает роль играть. В флюидах. Вот оно самое, то что их отличает от жидкостей и газов. На нее вся надежда была. Но я так и не дожал эту тему.
Вообще, мало инфы по этой теме оогда довелось найти в открытой сети. По свойствам флюидов в высоких давлениях, особенно по инертным газам толком мало всплывало. Всякая там шихта типа СО2 и воды везде лезла...

[Vavanzer]

Хотите летать медленно? За 10 лет до Юпитера? И два года до Марса?

Избавляйтесь от мышления крайностей!
Я не говорил, что полетим со скоростью лунных ракет! Это даже не обсуждается! Речь о любом адекватном и реальном увеличении скорости полетов по Солнечной Системе. Пусть даже на тот же Марс не за 100 дней, а хотяб за 20-30. Это уже хорошо. До Юпитера месяца 3-4.
Хотяб таких результатов добиться бы.

[Инопланетянин]

Она дает.
Если в космосе лопнуть воздушный шарик, то газ расширившись рримет температуру близкую к абсолютному нулю, по при этом молекулы будут лететь в разные стороны со своей среднеквадратичной скоростью. КПД получается 100%)))

КПД - это коэффициент полезного действия. Если вы попробуете не просто бестолково шарик уничтожать, а извлечь из его энергии какую-то пользу, то увидите, что всю энергию на пользу обратить не получится. Термодинамика, безжалостная, ты, сyка.

[Vavanzer]

КПД - это коэффициент полезного действия. Если вы попробуете не просто бестолково шарик уничтожать, а извлечь из его энергии какую-то пользу, то увидите, что всю энергию на пользу обратить не получится. Термодинамика, безжалостная, ты, сyка.

Я и показал, что существует 100% КПД.
А теперь задачка, используя свойство упругих столкновений, все молекулы выкинуть в олном направлении, или оч узкий конус хотябы. Чтоб 95%+ КПД получить.
Если получится, то можно мастерить тепловые движки интересные. Микроволновкой подогревать газы до бешеных значений.

[Инопланетянин]

Я и показал, что существует 100% КПД.

Не-а. Что полезного в разлёте газа во все стороны? Вы попробуйте оболочку шара разогнать на этом её газе в какую-либо сторону.

А теперь задачка, используя свойство упругих столкновений, все молекулы выкинуть в олном направлении, или оч узкий конус хотябы. Чтоб 95%+ КПД получить.
Если получится

А если нет?

[MenFrame]

Я и показал, что существует 100% КПД.

Вы показали сугубо низкий уровень школьных знаний. КПД близким к 100% возможен при условии бесконечно маломощной тепловой машины. То есть бесполезной.
https://elementy.ru/novosti_nauki/164948/Dokazana_universalnost_formuly_dlya_maksimalnogo_KPD_realnoy_teplovoy_mashiny

[Александр Овчар]

Микроволновкой подогревать газы до бешеных значений.

Не газы, а тонкие зеркала_"пули" в СВЧ резонаторе . Этакий RF_gun , где силы рад_давления в стволе больше на 10 порядков и на тонкую пластину-пулю давят мега_силы рад_давления. Если длина ствола больше длины микроволн на несколько порядков.


Пример статьи
Лазерное ускорение тонких мишеней
https://cyberleninka.ru/article/n/lazernoe-uskorenie-tonkih-misheney/viewer

Только я не понял почему авторы не учитывают термин добротность и резонансы 

[Алексей Николаевич.]

Он взорвется,

Рванёт,сто процентов. И сильно...
Ибо на килограмм,бешеная энергия выделится. Больше чем любая взрывчатка.

[alex_semenov]

Ну что? Нагулялись в долине дурных идей (страны не выученных уроков)?
Возвращаемся к ЖРД-ракетам?


Вот тут Конаныхин (почитающий Глушко и недолюбливающий Королёва) пытается вскрыть (расследовать) суть конфликта Королёва и Глушко вокруг топливной пары.

Причина главного конфликта советского космоса_ Королёв против Глушко. Лунная гонка IV

По его мнению, это была кровная обида на Коралёва за плохо поставленную техзадачу на двигатель РД-111 для баллистической ракеты Р-9.
Мол, Королёв не предупредил двигателиста-подрядчика, что кислород у него будет переохлаждённый. Возможно изначально не планировалось, а потом только к нему пришли, а смежника забыли в запарке предупредить об изменении условий. В итоге, кислород-керосиновый двигатель НАСТРОЕННЫЙ (как камертон) на кислород-керосиновую пару в смысле отсутствия визга, на реальных ракетах Р-9 начал взрыватья. Так как с переохлаждённым кислородом опять возник визг. Какие там были в итоге дебаты и перетягивания канатов, кто кого как обвинял - это оставим в стороне. Двигатель в итоге довели под переохлаждённый кислород. Ложечки нашлись, но осадочек остался. Именно после этого Глушко, затаив обиду на Королёва, и  сказал, что больше двигатели на кислород-керосиновые  компоненты он Королёву делать не будет. Хватит, мол, уже есть печальный опыт!
Разумеется, это был только повод, спустить с цепи давно копившуюся вражду-конфликт между людьми. И тем не менее...

А что? Вполне себе стройная, логичная байка хорошо связывающая конфликт, визг и кислород-керосиновую топливную пару.