Пользователь
346,0
рейтинг
17 марта 2014 в 19:05

Незаметные сложности ракетной техники: Часть 4. Ещё про двигатели и баки


Разнообразна и неприятна дань, которую приходится платить несовершенству нашего мира разработчикам ракетной техники. Сегодня мы поговорим о том, чем приходится платить за повышение параметров жидкостных реактивных двигателей и о тех незаметных проблемах, которые ждут проектировщиков баков.

Схемы работы ЖРД


Существование разных схем, позволяет разработчикам выбрать нужную, с желаемыми достоинствами (простота использования, легкость производства, высокая тяга или высокий удельный импульс) и приемлемыми недостатками.

Вытеснительная подача


Самый простой вариант. Давление газа наддува (сначала был азот, теперь массово перешли на гелий) обеспечивает необходимые параметры давления на входе в двигатель. На вытеснительной подаче проводились первые ракетные эксперименты ГИРДа и Годдарда но она не сошла со временем со сцены. Эта схема используется в двигательных установках спутников и космических кораблей. «Союзы», «Шаттлы», «Аполлоны» использовали её. Особенно хорошо вытеснительная подача сочетается с топливной парой НДМГ/АТ из-за её самовоспламенения. Получается простой, надёжный двигатель с возможностью многократного включения.

Достоинства:
  • Простота.
  • Надежность.
  • Дешевизна.
  • Нет потери массы на турбонасосный агрегат.
  • Высокая эффективность для двигателей небольшой тяги

Недостатки:
  • Низкий удельный импульс.
  • Плохо подходит для двигателей большой тяги.

Открытая схема


Для повышения тяги, удельного импульса и мощности двигателя уже нужен был насос. Требуемые параметры могла обеспечить только турбина. В первых «настоящих» ракетах — «Фау-2», «Р-7» для привода турбины использовалось отдельное рабочее вещество — концентрированная перекись водорода, но затем перешли на сжигание небольшой доли топливных компонентов. Выхлоп газогенератора сначала просто сбрасывали в сторону, получался очень эффектный факел:

Стартует РН «Атлас». Обратите внимание на размер, мощность и цвет факела. Наглядно видно, что ТНА работает на избытке горючего, которое догорает в атмосферном воздухе.
Дренаж генераторного газа напрямую за борт выглядел расточительно, поэтому его начали направлять в закритическую часть сопла — и чуть-чуть УИ добавит, и как завеса сработает:

Классическая картинка — двигатель F-1
Впрочем, у дренажа газогенератора открытой схемы есть ещё один интересный вариант использования — как двигатель управления по крену:

Вторая ступень РН Falcon-9. Поворот выхлопного патрубка приводит к возникновению закручивающей силы, которая управляет креном ступени.
Посмотреть в динамике (с третьей минуты)

Открытая схема используется и сейчас, и вряд ли исчезнет в ближайшем будущем. За счет относительно небольшой потери УИ она позволяет сделать более мощный двигатель (F-1) или более дешевый двигатель (RS-68) или сделать возможной разработку для коллектива с ограниченными ресурсами (Merlin).

Достоинства:
  • Проще и дешевле закрытой схемы.

Недостатки:
  • Меньший удельный импульс, чем у закрытой схемы.

Закрытая схема



Логичным решением для повышения УИ двигателя явилась попытка направить выхлоп газогенератора в камеру сгорания, чтобы он сгорел в лучших для создания тяги условиях. Эта задача оказалась достаточно сложной — в камере сгорания очень большое давление, возникают дополнительные вопросы устойчивости работы двигателя, потому что добавляется ещё одна обратная связь «ТНА-камера сгорания». Двигатели закрытой схемы первым начал делать СССР — НК-15 и НК-33 ставились на тяжелую ракету Н-1, РД-253 работает на «Протоне». США достаточно поздно занялись этой схемой — первым ЖРД закрытой схемы США стал маршевый двигатель шаттла SSME, который, зато, стал первым двигателем закрытого цикла на паре кислород/водород.
Восхититься сложностью двигателя




Достоинства:
  • Наибольший УИ.

Недостатки:
  • Самая сложная и дорогая схема.

Схема с фазовым переходом



Элегантный «хак» физики ракетного двигателя — необходимость охлаждать сопло двигателя используется как источник энергии для работы турбонасосного агрегата. Схема была придумана для двигателя RL-10, который уже пятьдесят лет используется в разгонном блоке «Центавр».

Достоинства:
  • Нет потерь массы на ТНА.
  • Простота конструкции.
  • Надежность.

Недостатки:
  • Пригоден только для пары кислород-водород.
  • Давление ниже, чем в схеме с ТНА, следовательно, УИ ниже.


Внутренности баков


Внутри баков ракеты-носителя тоже много интересного. Баки стоят один над другим, поэтому нужны трубопроводы подачи «верхнего» компонента, трубопроводы наддува, а также, может быть, надо решать проблему нахождения рядом компонентов топлива с разной температурой. А ещё есть проблема колебания топлива, которую тоже надо решать.

Трубопроводы компонентов


Это — бак горючего (нижний) первой ступени ракеты-носителя «Союз-2.1в». Обратите внимание на большую трубу с гофрированной оболочкой. Это — трубопровод окислителя. Поскольку окислителем является жидкий кислород, то необходимо поставить теплоизоляцию, чтобы на трубе не намерз керосин. Увы, всё это требует дополнительной массы.

А это — РН «Ангара». Выделенное желтым — трубопровод, выполняющий ту же функцию. Судя по пропорциям, это тоже трубопровод окислителя (кислородные баки больше керосиновых для пары кислород-керосин), но выведенный сбоку для упрощения и удешевления производства. С одной стороны, это неэстетично, но цифровая система управления с несимметричностью ракеты справится.

Межбаковый отсек

На второй и третьей ступенях ракеты «Сатурн-V» было применено очень красивое решение — баки кислорода и водорода имели общую стенку:

Слева — первая ступень с межбаковым отсеком, справа — вторая ступень с общей стенкой. Красный — горючее, синий — окислитель.
Трудность состояла в том, что у жидких водорода и кислорода была разница температур в 70 градусов Цельсия. Поэтому стенка состояла из двух слоёв алюминия с теплоизоляцией между ними. Эта конструкция позволила сэкономить целых 3,6 тонны на второй ступени. Что любопытно, топливный бак «Спейс-шаттла» стал в каком-то смысле шагом назад, у него был классический межбаковый отсек.

Трубопроводы наддува

Если вы развернули схему SSME выше, то увидели там выходы газифицированных водорода и кислорода. Они использовались для наддува соответствующих баков. С одной стороны, сэкономили вес на отдельных баках газа наддува, с другой стороны, получили дополнительный трубопровод:

Эта же картинка крупно.

Демпфирующие перегородки

Если вы внимательно рассматривали картинки разрезов баков, то видели кольца различной ширины и крестовины на дне баков шаттла. Это — специальные элементы для демпфирования колебаний топлива.
Крестовины на дне топливного бака шаттла служат для исключения образования воронки при опорожнении бака. Дело в том, что воронка может привести к засасыванию газообразного компонента топлива, что может вызвать проблемы в трубопроводах и двигателях.
Кольцеобразные элементы служат для демпфирования колебания топлива. Поскольку оно жидкое, то перелив топлива к одной стенке при маневре может вызвать проблемы для системы стабилизации. Перегородки могут быть очень большими, как на первой ступени «Сатурна-I»:

Или же практически отсутствовать, как на третьей ступени «Сатурна-V»:

Видео длинное, но рекомендую посмотреть — очень интересно видно поведение жидкого водорода при разгоне ракеты и в невесомости.
Общее правило таково — чем больше маневров ожидается от ступени, тем больший размер перегородок ставится. Вот, например, советский блок «Е» — третья ступень РН «Восток». Здесь перегородки размером практически во всю высоту бака, потому что блок может очень активно маневрировать, а позволять топливу плескаться нельзя:

И всё это, увы, дополнительные затраты массы.

Система опорожнения баков и синхронизации

Ещё одна проблема, которую приходится решать. Во-первых, горение каждого двигателя в чем-то уникально. Обязательно будут небольшие разбросы тяги и расхода компонентов топлива. Даже для одного двигателя надо ставить специальную систему, чтобы горючее и окислитель закончились одновременно. А если у нас несколько баков или боковых ступеней, то приходится ставить специальную систему, которая будет обеспечивать одновременное окончание компонентов в нескольких ступенях. Сейчас эта система называется ещё системой управления расходом топлива и состоит из набора датчиков уровня и цифровой ЭВМ, которая, помимо управления ракетой, решает ещё и эту задачу:

Третья ступень РН «Союз». По оси баков стоят датчики уровня для СУРТ.
Однако, даже несмотря на усилия СУРТ, у неё самой есть ограничение точности, поэтому какая-то небольшая доля топлива всё равно теряется. Её учитывают при заправке, добавляя в т.н. «гарантированный запас топлива».

Эпилог

Рекомендую посмотреть сериал «Moon Machines» (русская версия, английская версия). Очень хорошо и наглядно показаны сложности, которые приходится решать при проектировании космической техники.

Для навигации:
Филипп Терехов @lozga
карма
554,7
рейтинг 346,0
Пользователь
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (62)

  • +15
    Спасибо. Как всегда очень интересно!
  • 0
    Спасибо большое! Еще будет?
    • +5
      В этом цикле пока не знаю. Если наберется ещё интересных фактов, которые можно будет скомпоновать, то будет.
  • +5
    После чтения вот таких статей и понимаешь, почему полеты в космос столько чудовищно дороги. Казалось бы, за десятки-то лет стоимость должна была снизиться, ан нет, как посмотришь — есть за что платить и чему там стоить!

    Спасибо!
    • +6
      Это да. Причем, разнообразные попытки снизить эту стоимость пока не очень эффективны: посадка первых ступеней практически не использовалась, на многоразовости обожглись, воздушный старт пока тоже выглядит несерьезно.
    • +1
      А как в невесомости топливо подсасывается? Теоретически ему ничто не мешает слиться в шар в центре контейнера.
      • +2
        Зависит от ситуации, в которой надо запускать двигатель. Или очередная ступень запускается когда ещё работает предыдущая (соответственно, топливо прижато к «низу») или запускаются твёрдотопливные двигатели чтобы обеспечить прижатие, либо спользуется эластичная мембрана, на которую уже давит гелий.
        • 0
          А из чего изготовлена эластичная мембрана, способная сохранять эластичность при контакте с жидким кислородом?
          • 0
            Я предполагаю, что мембрана используется для подачи горючего/окислителя (не криогенных) в малые двигатели. Они запускаются и за счёт этого на «дно» опускается уже горючее для основных двигателей.
            Вот тут написано, что в Аполлоне в качестве таких малых двигателей использовались, в т.ч., двигатели коррекции: en.wikipedia.org/wiki/Ullage_motor
          • 0
            Еще — поверхностное гугленье показывает, что такие материалы есть (температуры вплоть до жидкого водорода). К примеру — лавсан, фторопласт, кевлар.
            • 0
              Они гибкие, но вроде ж не растягиваются.
              • 0
                Да, но думаю при соответствующей форме внутреннего объема бака и мембраны — можно обойтись без растяжения.
              • 0
                Мысль: если внутренний объем бака разделить на множество мелких секций (допустим, заполнить сотами), то можно обойтись без мембраны. Т.е. давление будет вытеснять пузыри жидкости по каждой «трубочке» по направлению к дну. Правда, полезная ёмкость бака сильно уменьшится.
                • +2
                  В формуле-1 топливные баки по схожему принципу сделаны. Но там это из-за перегрузок, вспенивания и для того, чтобы все топливо гарантированно попало из бака в двигатель.
        • 0
          Эластичная мембрана может решить большинство проблем, таких как возникновение воронки при опорожнении. Почему же до сих пор используют тяжёлые перегородки?
          • 0
            Думаю, что при перегрузках не всякая мембрана выдержит и может лопнуть.
            • 0
              А если перегрузки не позволяют использовать мембрану, то возвращаемся к вышестоящему вопросу:
              А как в невесомости топливо подсасывается? Теоретически ему ничто не мешает слиться в шар в центре контейнера.


              И на сколько я понимаю, наличие перегородок не позволит использовать мембраны.
            • 0
              Кстати, внизу в комментах уже опровергли эту идею habrahabr.ru/post/215959/#comment_7413985
    • 0
      Так ведь вроде стоимость запусков и снизилась, другое дело что инфляция путает цифры
    • +1
      | После чтения вот таких статей и понимаешь, почему полеты в космос столько чудовищно дороги.
      | Казалось бы, за десятки-то лет стоимость должна была снизиться, ан нет, как посмотришь — есть за что платить и чему там стоить!

      А вот самое интересное во всем этом — гений Королёва в СССР и фон Брауна в Германии и США. Это же все надо было сделать, все эти внутренности. Куча проблем и много замечательных инженерных решений. Именно их находки используются до сих пор. И как показало время они выбрали очень хорошие решения.

      Коллективы, конечно, работали, но и без этих гениальных руководителей ничего бы не вышло. Все ведь было создано «с нуля».
  • +11
    Обожаю в любой инженерной области, что насколько простым при первом приближении может быть технология, настолько комплексной она может оказаться в деталях. Атомная энергетика ведь по идее простой чайник с двумя греющимися каменюками под донышком. Микропроцессор любой — ведёрко транзисторов в ряд. И о космонавтике, фейрверки тысячелетиями запускали, а стоит углубится, вот такая прелесть.
    • +5
      Это да. Обычно начальная идея простая, а, чем больше в неё закапываешься, тем большие сложности вырастают.
  • 0
    Помнится в какой-то теме недавно задавали вопрос про сферические баки и объяснением было то, что у сферы больше объем на еденицу чего-то там.
    Но причина все же кроется в перегородке вытеснительной системы, по видимому.
    • +2
      У шара максимальный объем при фиксированной площади (или, что то же самое, минимальный вес оболочки для фиксированного объема), поэтому там, где это технологично, используются сферические баки. Но не везде геометрическая экономия веса на сферических баках выгоднее, чем выгода от более плотной компоновки или ещё каких-нибудь факторов, поэтому при необходимости используются цилиндры, торы и более сложные формы (как, например, бак горючего на последней картинке).
      • 0
        Покажите пожалуйста в таком случае баки с вытеснительной мембраной, сделанной не в виде шара.
        Почему все шарообразные топливные баки идут с мембраной, хотя тип используемых баков очень широк?
    • 0
      Сфера прочнее иной конструкции аналогичной массы.
  • 0
    Спасибо!
    А вроде мне казалось, что в некоторых ракетах, там не насос, а накачка давления в баки выхлопом шла? Или я совсем запутался уже, военка давно была…
  • +1
    А закрытых схем вроде три бывает. С дожиганием окислительного, восстановительного газов и полнопоточная. Или я о чём-то не том?
    • +1
      Верно говорите, о том, но я настолько глубоко здесь решил не погружаться.
  • +3
    Я так смотрю, все современные ракеты это — летающие баки =)
    • +1
      Из-за несовершенства топлива современные ракеты большую часть его энергии тратят на перевозку собственно топлива. Увы :)
    • +1
      Полезная нагрузка ракеты-носителя — где-то 2% от её массы. Ньютоновская физика — жестокая штука.
  • +1
    del
  • +1
    А чисто практически возможно собрать ракету, что б вывести на орбиту, например 2 кг полезного груза?
    • 0
      Почитайте про первый спутник. 83.5 кг на 215-939 км орбиту.
      А вот DIY боюсь у Вас не получится. В принципе можно залить стартовый стол, собрать фермовую конструкцию старта, десяток прототипов. Но вот после запуска такого «фейрверка» Вас очень быстро возьмут за пятую точку. :( Даже если до орбиты не долетит…
      А в плохих раскладах сработает предупреждение о незаконном пуске на территории РФ и начнется третья мировая, она же первая и последняя ядерная.
      • 0
        В космос, на суборбитальную, уже запускали самоделку. То есть, самоделка она, конечно, не из серии «я его слепила из того, что было», но, тем не менее, — любительская ракета: пруфлинк. А чтобы не настучали по пятой точке — надо предупредить соответствующие органы. В США это, насколько я знаю, не проблема. В России — кто ж его знает?
        • 0
          Как говорил Остапу Ибрагимовичу известный дворник: «Кому и 20 километров — суборбиталка». У меня к сожалению нет денюжков на водородно, кислородную систему, чтобы хотябы по экспериментировать с таким типом двигателей. Из доступных схем можно рассмотреть реактивный двигатель Вальтера. Остальное встает в нехилые бабки или несовсем DIY.
          • 0
            Остальное встает в нехилые бабки или несовсем DIY.
            — Ну а как вы хотели? Это все-таки космос.
            • 0
              Это не я хотел 2 кило на орбиту. Хотя вру. Хотелось бы но это не моя лига. У меня рекорд на водяной ракете без нагрузки 200 метров по альтиметру. Причем мнится мне что альтиметр мне наврал :)
          • 0
            Кому и 20 километров — суборбиталка
            Рекорд для amateur rocket — 115 километров. До орбитального полета, конечно, копать и копать, но тем не менее.
            • 0
              А поподробней? Кто собирал? Какой движок? Какое топливо? Что выводили? CSXT ввиду имеете?
              Если их то не та лига… У них там банда сравнимая с КБ Фон Брауна. Учитывая прошедшее время — могли бы и орбиталку сделать…
              • 0
                CSXT
                Именно их. GoFast вроде бы твердотопливный.
    • 0
      ddeville.com/derek/Qu8k.html — это один из лучших экземпляров, выполненных любителями. Ракета поднялась на 36км от поверхности, но с почти нулевой тангенциальной составляющей, то есть очень далеко от вывода на орбиту.
  • 0
    Эпилог

    Рекомендую посмотреть сериал «Moon Machines» (русская версия, английская версия). Очень хорошо и наглядно показаны сложности, которые приходится решать при проектировании космической техники.


    На 17:53 говорят, что серфингисты оказали огромную помощь лунной программе. Кто-нибудь понял, какую именно? В Рунете не нашёл других упоминаний.
    • 0
      Кажется, речь шла о теплоизоляции для баков, имеющей небольшой вес (точно не помню, впрочем).
    • +2
      За что люблю эту серию — за замечательный ненавязчивый юмор, и эта история — одна из лучших. В вольном пересказе: «Для бака жидкого водорода мы использовали сотовую теплоизоляцию, и в первое время у нас с ней были проблемы. Мы работали в Южной Калифорнии, в городе, где было много серферов, и случайно узнали, что они делают доски из такого же материала, как и наша сотовая теплоизоляция. Ну мы и начали в итоге их нанимать. Они были классные ребята, но с одним недостатком — в сезон серфинга было много прогулов, приходилось с этим бороться. Но в итоге они очень помогли лунной программе своим уникальным опытом работы с материалом».
  • 0
    Очень интересно! Я еще знаю, что в некоторых типах баков, где слив топлива происходит в нижней части бака в центре, используют воронкогаситель, для исключения образования топливной воронки внутри бака и, как следствие, последующего двухфазного течения жидкостно-газовой смеси.
    • +1
      Упс, ссори пропустил абзац…
  • 0
    У меня наивное предположение: а почему бы не сделать бак цилиндрической формы с поршнем внутри? Газ будет давить на одну сторону, а с противоположной не будет ни плеска ни пузырей.
    • +3
      Герметизировать такой разделитель нереально. Все криогенные компоненты парят и текут, так что все, что есть с одной стороны, будет и с другой.
      • 0
        Если вопрос в том чтобы сократить потери, то 100 % герметизация как бы и не нужна, хватит и 90 %. Но есть и более серьезные ограничения этой схемы.
    • 0
      Такой бак должен иметь плоские стенки, что недопустимо.
      • 0
        Плоские это цилиндрические?
        • 0
          Нет, именно ровными, без выступов, а срез бака может быть и шестиугольным и овальным. Но в баках находятся трубы, демпферы и еще много разных конструктивных элементов, которые будут мешать движению поршня.
          • 0
            дык лепить их снаружи тогда…
    • 0
      Кажется, в Юном Технике было озвучено развитие этой идеи: Двигатели выносятся на нос ракеты, на подобие кавитатора торпеды Шквал или на выносных штангах; Бак делается с подвижным дном, как тюбик зубной пасты, то есть он все время заполнен «под пробку», а остающиеся свободные стенки предлагалось срезать горелкой.
      Плюсы: 1) при должной прочности конструкции такую ракету можно ставить на землю, а значит и появляется возможность плавной посадки
      2) улучшение характеристик, за счет сбрасывания ненужной массы на ходу
      Минусы: существенно усложняет конструкцию бака за счет дополнительной теплоизоляции и организации подвижного дна
  • 0
    Как решают проблему повторного запуска ЖРД, связанную с разлетанием компонентов топлива по внутренностям бака после остановки, т.е. фактически в невесомости? Как заставить топливо и окислитель собраться возле слива? Вопрос возник после того, как заметил «капли» топлива свободно плавающие по баку в конце 9ой минуты видео про внутренности Сатурн-V.
    • +1
      Ставятся небольшие двигатели осаждения, которые дают небольшую тягу, чтобы топливо осело на дно.
    • 0
  • +1
    Расскажите, пожалуйста, как-нибудь еще и про наземные сооружения. Там ведь тоже, наверняка, масса незаметных сложностей?

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.