Двигатели космических ракет-носителей

Дар Ветер

Помножен на ноль
#1
Начало здесь

Что касается керосиновых или гептиловых двигателей, так это для тех, кто не может сделать нормальные твердотопливные и криогенные двигатели. Ибо здесь в целом два противоположных фактора вовлечены, с одной стороны простота конструкции, а с другой эффективность. Вот, пожалуйста, твердотопливные двигатели - проще некуда, а удельный импульс как у гептиловых. Или, наоборот, криогенные - сложные, но зато эффективные. Гептиловые вообще не в тему - эффективность как у твердотопливных, а сложность как у любого жидкостного - трубопроводы, компрессоры, насосы, разве что теплоизоляции на баках нет. А керосинки они ни рыба, ни мясо - по эффективности хуже криогенных, а по простоте сложнее твердотопливных. Поэтому-то у "Шаттлов" ускорители твердотопливные, а сами они криогенные, или "Ариан" например, тоже. "Дельта" или полностью криогенная, или криогенно-твердотопливная, в зависимости от конфигурации. Люди давно уже поняли, что смысла нет делать гептил или керосин, если умеешь нормальные РДТТ и водород/кислород.
 
#2
У мощных криодвигателей один важный недостаток - одноразовые они непрактичны. Их жалко выбрасывать. Для того, чтобы получить все преимущества криотоплива, нужны недешевые турбины, с ними движок получается over $50 млн (если это main engine с тягой 200 т). Всякие парашютные системы спасения движков как-то не прижились, экстрим это, не рискуют ударенный-затопленный движок по второму разу пользовать. На одних ускорителях не поманеврируешь при подъеме. Поэтому мы и наблюдаем варианты удешевления движка первой ступени. Или потерять немного КПД за счет сильного упрощения движка (пусть до открытого цикла), или купить у русских их дешевую керосинку. Why not?
 

Дар Ветер

Помножен на ноль
#3
У мощных криодвигателей один важный недостаток - одноразовые они непрактичны. Их жалко выбрасывать. Для того, чтобы получить все преимущества криотоплива, нужны недешевые турбины, с ними движок получается over $50 млн (если это main engine с тягой 200 т). Всякие парашютные системы спасения движков как-то не прижились, экстрим это, не рискуют ударенный-затопленный движок по второму разу пользовать. На одних ускорителях не поманеврируешь при подъеме. Поэтому мы и наблюдаем варианты удешевления движка первой ступени. Или потерять немного КПД за счет сильного упрощения движка (пусть до открытого цикла), или купить у русских их дешевую керосинку. Why not?
Но это же вопрос технологий изготовления. Чем лучше они развиты, тем дешевле изготовление. Когда-то и автомобиль был штучным чудом техники, а сейчас это повседневность. Так же и с ракетными двигателями. Загвоздка только в том, что определенная страна идет в этой области (как и в других областях) каким-то своим, особым, путем, поэтому там до сих пор и автомобили свои не могут нормальные делать, и летают на керосине и гептиле.
 

Дар Ветер

Помножен на ноль
#5
Керосин на первых ступенях рулит. Недаром SpaceX на нем сидит.
Гептил на первых ступенях рулит. Недаром "Протон" на нем сидит.
РДТТ на первых ступенях рулит. Недаром "Ариан" на нем сидит.
Водород на первых ступенях рулит. Недаром "Delta IV Heavy" на нем сидит.
 
#7
Начало здесь

Что касается керосиновых или гептиловых двигателей, так это для тех, кто не может сделать нормальные твердотопливные и криогенные двигатели. Ибо здесь в целом два противоположных фактора вовлечены, с одной стороны простота конструкции, а с другой эффективность. Вот, пожалуйста, твердотопливные двигатели - проще некуда, а удельный импульс как у гептиловых.
Гептил все таки эффективней. Не случайно Гептиловая "Синева" самая эффективная по весу (это при том, что она не имеет аэродинаического шпиля, как Трайдент).

Гептиловые вообще не в тему - эффективность как у твердотопливных, а сложность как у любого жидкостного - трубопроводы, компрессоры, насосы, разве что теплоизоляции на баках нет.
Из-за самовозгорания сами двигатели тоже проще. Кроме того, возможность неделями стоять в заправленном состоянии - большое преимущество гептила перед керосинками и водородом.

Так что имеем простую линейку: твердотопливный (самый простой и малоэффективный) -> гептил (посложней и эффективней) -> керосин (еще сложней и эффективней) -> водород (самый дорогой и самый эффективный). Кроме этого у каждого дополнительные недостатки:

1) твердотопливный практически неуправяем по тяге и неотключаем.
2) гептил токсичен и взрывоопасен.
3) керосин и особенно водород, как уже говорилось, нужно заправлять прямо перед стартом, захолаживать баки, а при отложении старта повторять все заного.
4) водород имеет очень низкую плотность, поэтому ему нужны большие баки, что особенно ощутимо для первой ступени.

Так что однозначного преимущества не имеет ни одна система. Поэтому все они используются до сих пор, в том числе и на новых ракетах.

Мое мнение такое: легкие носители (до 1-2 т) лучше всего твердотопливные. Средние носители (до 10 т) лучше всего гептиловые или керосиновые. Тяжелые носители - керосин или твердотопливные бустеры в первой ступени и водород во второй и третьей.

Чисто водородная в сейчас АФАИР только "Дельты 4" и она не самая успешная по критерию стоимость/эффективность.
 
#8
При сгорании гептил + окислитель что образуется? Навскидку не нашел.
На чем работают БР других стран, кроме ТТ?
Кто еще пускает ракеты на гептиле, кроме РФ?
 
#9
При сгорании гептил + окислитель что образуется? Навскидку не нашел.
На чем работают БР других стран, кроме ТТ?
Кто еще пускает ракеты на гептиле, кроме РФ?
1) Азот, углекислый газ и вода. C2H8N2 + 2N2O4 = 3N2 + 2CO2 + 4H2O.
2) Фау работали на спирте. Титан-1 и Атласы на керосине из-за длительной подготовки их быстро списали, Титан-2 на аэрозине (смесь гептила и гидразина).
3) Гептил используют китайцы (Лонг Марч с 1 по 4), индусы (PSLV, GSLV), аэрозин использовался в Титанах (кроме первого), Атлас-2 и Арианах с 1 по 4.
 

Дар Ветер

Помножен на ноль
#10
Гептил все таки эффективней. Не случайно Гептиловая "Синева" самая эффективная по весу (это при том, что она не имеет аэродинаического шпиля, как Трайдент).
Ну да, немного эффективнее, чем ТТ.
Из-за самовозгорания сами двигатели тоже проще.
Ну да, немного проще, чем керосиновые.
Кроме того, возможность неделями стоять в заправленном состоянии - большое преимущество гептила перед керосинками и водородом.
Для ракет-носителей это не сильно важно.
Так что имеем простую линейку: твердотопливный (самый простой и малоэффективный) -> гептил (посложней и эффективней) -> керосин (еще сложней и эффективней) -> водород (самый дорогой и самый эффективный). Кроме этого у каждого дополнительные недостатки:

1) твердотопливный практически неуправяем по тяге и неотключаем.
2) гептил токсичен и взрывоопасен.
3) керосин и особенно водород, как уже говорилось, нужно заправлять прямо перед стартом, захолаживать баки, а при отложении старта повторять все заного.
4) водород имеет очень низкую плотность, поэтому ему нужны большие баки, что особенно ощутимо для первой ступени.

Так что однозначного преимущества не имеет ни одна система. Поэтому все они используются до сих пор, в том числе и на новых ракетах.

Мое мнение такое: легкие носители (до 1-2 т) лучше всего твердотопливные. Средние носители (до 10 т) лучше всего гептиловые или керосиновые. Тяжелые носители - керосин или твердотопливные бустеры в первой ступени и водород во второй и третьей.
Вы забываете одну вещь - РДТТ можно сделать ооооочень мощный довольно задешево (в том числе в смысле простоты устройства). Именно поэтому на "Шаттле" два бустера, а на "Энергии" - четыре. Поэтому, если у вас тяжелая ракета-носитель и вы готовы пожертвовать эффективностью в счет простоты, то лучший вариант первой ступени это как раз РДТТ. А если не хотите жертвовать эффективностью, то водород вам в руки, он даст максимальную забрасываемую массу.
Чисто водородная в сейчас АФАИР только "Дельты 4" и она не самая успешная по критерию стоимость/эффективность.
Для тяжелой ракеты-носителя критерий стоимость/эффективность не так уж важен, поскольку ее козырь - забрасываемая масса. Вы же не будете тяжелый спутник распиливать на половинки и запускать по частям, следовательно, у вас не будет иного выбора, кроме тяжелого носителя, и вы все равно заплатите сколько спросят. Именно поэтому, например, "Saturn V" неособенно эффективен в пересчете на удельные единицы, но это никого не парит, ибо столько ПН закинуть на орбиту больше не может ни одна ракета.
 
#11
Ну да, немного эффективнее, чем ТТ.
Довольно существенно.
Для ракет-носителей это не сильно важно.
Процесс запуска сильно осложняется. Надо следить за льдом, изолируещей пеной (напомню, что именно она стала причиной катастрофы Колумбии), малейшая задержка приводит к геморрою.

Поэтому, если у вас тяжелая ракета-носитель и вы готовы пожертвовать эффективностью в счет простоты, то лучший вариант первой ступени это как раз РДТТ. А если не хотите жертвовать эффективностью, то водород вам в руки, он даст максимальную забрасываемую массу.
Ну РДТТ и водород - два экстрима, а гептил и керосин - промежуточные варианты. :) Водород не выгоден в первой ступени. Самая мощная РН - Сатурн 5 имела керосиновую первую ступень, водородная ступень аналогичной мощности была бы с Эмпайр Стейт Билдинг. Поэтому если мы не хотим жертвовать эффективностью, то для первой ступени выберем керосин. Кроме того, керосин самый безопасный на сегоднешний день.
 
#12
Гептил используют китайцы (Лонг Марч с 1 по 4), индусы (PSLV, GSLV), аэрозин использовался в Титанах (кроме первого), Атлас-2 и Арианах с 1 по 4.
Т.е. получается, что кроме РФ, Китая и Индии в данное время никто его не использует?
Кстати, ынха там на чем летать пыталась? Тоже поди гептильчик.

Кстати, у него есть еще один злой нюанс. Топливо некапсулировано и поэтому при плановой замене через несколько лет должно вернуться на завод для регенерации. Но возвращается довольно немного от общего объема, раньше, по крайней мере, его складировали прямо в частях, заливали в отработанные шахты, итп.

И по эффективности, для вояк ТТ предпочтительней при прочих равных, просто у СССР не вышло с ТТ-ракетой.
 

Дар Ветер

Помножен на ноль
#13
Ну РДТТ и водород - два экстрима, а гептил и керосин - промежуточные варианты. :) Водород не выгоден в первой ступени. Самая мощная РН - Сатурн 5 имела керосиновую первую ступень, водородная ступень аналогичной мощности была бы с Эмпайр Стейт Билдинг. Поэтому если мы не хотим жертвовать эффективностью, то для первой ступени выберем керосин. Кроме того, керосин самый безопасный на сегоднешний день.
Когда делали "Сатурн", я подозреваю, что просто не умели делать нормальные твердотопливные ускорители. Мне кажется, если бы на то время уже существовали SSSRB, их бы прицепили к "Сатурну", и он бы стал раза в полтора меньше по размерам. А безопасность керосина вы как считаете? Если по статистике, то лидер по безопасности, мне кажется, как раз SSSRB - одна авария на 135 запусков.
 
#14
Но это же вопрос технологий изготовления. Чем лучше они развиты, тем дешевле изготовление. Когда-то и автомобиль был штучным чудом техники, а сейчас это повседневность. Так же и с ракетными двигателями.
Не станут ЖРД ширпотребом. Есть только один способ "удешевления" - по аналогии с Советами, развести Пентагон на штук пятьсот ЖРД, складировать их в запасы, выждать лет двадцать, и выкупить движки взад по бросовой цене (типо гарантия заканчивается). После чего лет на десять коммерческий рынок ваш :).
Гептил все таки эффективней. Не случайно Гептиловая "Синева" самая эффективная по весу (это при том, что она не имеет аэродинаического шпиля, как Трайдент).
Не нужно сравнивать твердотопливный Трайдент с жидкостной Синевой. Для военных целей необслуживаемые твердотопливные ракеты по-определению выигрывают у жидкостных.
Довольно существенно.
Импульс в числах:
  • РДТТ SSSRB ~270 с
  • ЖРД гептил RD-253 ~285 с
Т.е. гептил всего на 5% эффективнее, согласитесь, это не очень существенно. А если учесть геморрой при облуживания гептиловой ракеты, то прав lappalainen, это не эффективность, все много проще, у СССР не вышло с ТТ-ракетой, подводники мучились с тем, что было.
Из-за самовозгорания сами двигатели тоже проще.
Конечно гептиловый движок проще криодвигателя, но не могу сказать, что РД-253 совсем прост, это таки закрытый цикл со всеми положенными турбинами. Когда халявные военные запасы движков у России закончились, цена запуска у Протона резко возросла до $110 млн.
Тяжелые носители - керосин или твердотопливные бустеры в первой ступени и водород во второй и третьей.
Согласен с тем, что водород будет основным топливом для второй и третьей ступеней. В первой будут конкурировать две схемы - водород+бустер и керосин (возможно также с бустерами).
Чисто водородная в сейчас АФАИР только "Дельты 4" и она не самая успешная по критерию стоимость/эффективность.
Ариан-5 ECA также пользует водород в первой ступени (+ ТТУ) и вполне успешен коммерчески.
 
#15
Т.е. получается, что кроме РФ, Китая и Индии в данное время никто его не использует?
Выходит, что так. Но не известно, почему на Западе от гептила отказались - эффективность или экология.

Кстати, ынха там на чем летать пыталась? Тоже поди гептильчик.
Там явно не креоген. Так что либо гептил, либо просто керосин с азотной кислотой в качестве окислителя как в Скаде.

Кстати, у него есть еще один злой нюанс. Топливо некапсулировано и поэтому при плановой замене через несколько лет должно вернуться на завод для регенерации.
Для РН это не актуально.

И по эффективности, для вояк ТТ предпочтительней при прочих равных, просто у СССР не вышло с ТТ-ракетой.
Само собой.

Когда делали "Сатурн", я подозреваю, что просто не умели делать нормальные твердотопливные ускорители. Мне кажется, если бы на то время уже существовали SSSRB, их бы прицепили к "Сатурну", и он бы стал раза в полтора меньше по размерам.
Сейчас SSSRB и прочие твердотопливные ускорители уже есть, но самая ходовая ракета - керосиновый Атлас и планируют делать керосиновые Фалконы.

А безопасность керосина вы как считаете? Если по статистике, то лидер по безопасности, мне кажется, как раз SSSRB - одна авария на 135 запусков.
Ну, Союз на запуске ни один не был потерян. тфу тфу.
 
#17
Не нужно сравнивать твердотопливный Трайдент с жидкостной Синевой. Для военных целей необслуживаемые твердотопливные ракеты по-определению выигрывают у жидкостных.
Я говорил только о весовой эффективности.

Импульс в числах:
  • РДТТ SSSRB ~270 с
  • ЖРД гептил RD-253 ~285 с
Т.е. гептил всего на 5% эффективнее, согласитесь, это не очень существенно.
Здесь не учитывается масса пустого бустера. Пустой бустер шаттла весит 91 тонну. Тонкостенный гептиловый намного легче.

Синева в полтора раза легче Традент 2, а забрасываемый вес практически равен. При этом у Трайдента 2 есть шпиль, существенно уменьшающий сопротивление, тогда как Синева тупо только за счет движка. Так что эффективность будет намного больше 5%.

А если учесть геморрой при облуживания гептиловой ракеты, то прав lappalainen, это не эффективность, все много проще, у СССР не вышло с ТТ-ракетой, подводники мучились с тем, что было.
Никто не спорит, что для военных лучше ТТ.


Ариан-5 ECA также пользует водород в первой ступени (+ ТТУ) и вполне успешен коммерчески.
У Ариана еще очень мощные ТТ бустеры. Чисто на водороде летает только Дельта 4.

Если вы про РН Союз, то не падал только Союз-ФГ. Другие версии увы падали, и старенький Союз-У, и новый Союз-2.
С людьми ни одного сбоя РН не было.
 
#18
Здесь не учитывается масса пустого бустера. Пустой бустер шаттла весит 91 тонну. Тонкостенный гептиловый намного легче... Так что эффективность будет намного больше 5%.
Согласен, сравнил пустой вес к топливу в обеих системах, в гептиле еще ~6% эффективности приходит от меньшей массы. Итого +11% в сравнении с ТТ. Заодно оценка и для остальных систем:
efficiency.png
 

Дар Ветер

Помножен на ноль
#19
С людьми ни одного сбоя РН не было.
А почему считаем "только с людьми"? Предлагаю считать "только с Байконура", тогда у SSSRB вообще ни одной аварии. Ну и плюс вы забываете следующие аварии с людьми на борту:

1. "Союз-18-1" с Лазаревым и Макаровым.
2. "Союз-Т10-А" с Титовым и Стрекаловым.

Да и вообще, если вы посмотрите вот сюда, для вас будет сюрпризом, сколько у "Союзов (и всяких прочих "Протонов") было аварийных пусков. Прочувствуете, так сказать, масштаб :D
 
#20
....
Американцы вообще очень долгое время использовали не более 50-60 атм :) Собственно поэтому у многих возникают серьезные сомнения по поводу заявленных храктеристик двигателя F-1, он серьезно выбивается из ряда именно по давлению в камере сгорания, не характерной для американской космонавтики того времени. А если давление преувеличено, то реальная (а не заявленная) тяга F-1 не могла обеспечить полет на Луну.
Ну что, Ваз, опять за своё? Троллить пока не надоело?