Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Незаметные сложности ракетной техники: Часть 4. Ещё про двигатели и баки
lozga
01
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

02
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

03
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:
04
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:
05
Классическая картинка - двигатель F-1
Впрочем, у дренажа газогенератора открытой схемы есть ещё один интересный вариант использования - как двигатель управления по крену:
06
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


07
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]
15
16


Достоинства:

  • Наибольший УИ.


Недостатки:

  • Самая сложная и дорогая схема.


Схема с фазовым переходом


08
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

09
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.
10
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:
11
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:
12
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:
13
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:
14
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: серия постов по тегу "незаметные сложности ракетной техники"

промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

?

Log in

No account? Create an account