Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Фантазия о специализированных ступенях
lozga
01.jpg
Современные ракеты-носители рождены для космоса. Земная атмосфера им только мешает. Она требует ставить тяжелые обтекатели на полезную нагрузку, добавлять топливо на преодоление сопротивления воздуха и парирование порывов ветра. Но земная атмосфера не обязательно должна быть помехой. Крылья могут опираться на воздух, создавая подъемную силу, а кислород для двигателей можно получать вместе с воздухом, а не везти его с собой в тяжёлых баках. Что если пофантазировать и создать концепт для выведения полезных грузов на орбиту, используя специализированные ступени?

Исток проблемы


Выход на орбиту - это, главным образом, скорость. Эксперименты по пуску вертикально вверх геофизических ракет в 40-х и 50-х не привлекали особого внимания. Ракета могла подняться на сотни километров, но через несколько десятков минут всё равно падала обратно на Землю. Информационный фурор первого спутника заключался в том, что впервые в истории человечества удалось разогнать рукотворный объект до восьми километров в секунду. Если мы говорим о скорости, то у двигателей должна быть некоторая характеристика, показывающая, насколько хорошо этот двигатель разгоняет наш аппарат. Такая характеристика называется удельным импульсом.
Удельный импульс - это количество секунд, на которое хватит одного килограмма топлива для создания двигателем тяги в 1 Ньютон. Удельный импульс измеряется в секундах или метрах в секунду.

Посмотрим диаграмму значений удельного импульса для разных типов двигателей и разных скоростей полёта:

02.png

На дозвуковых скоростях энергию топлива лучше направить в работу турбин или винтов, чем сжигать для создания реактивной тяги. Поэтому сейчас на гражданских самолётах стоят турбореактивные двигатели с высокой степенью двухконтурности и винтовентиляторные двигатели. Максимальное значение удельного импульса делает такие двигатели экономичными, но на них принципиально не получится разогнаться до больших скоростей.
В более широком диапазоне работают турбореактивные двигатели. На них можно стартовать с аэродрома и разогнаться до 2-3 М. Но за это придётся заплатить уменьшением удельного импульса, поэтому такие двигатели сейчас ставятся в основном на военные аппараты, которым не так важна топливная экономичность.
ПВРД - это прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ПВРД очень просто устроен и позволяет летать на сверхзвуковых скоростях. Одна беда - нуждается в разгонной ступени или носителе, потому что не работает при дозвуковых скоростях. ПВРД из-за своей простоты широко используется в боевых ракетах.
ГПВРД - это гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ГПВРД отличается от ПВРД тем, что в камеру сгорания воздух попадает со сверхзвуковой скоростью. Он просто устроен на картинке, но за этой простотой стоят очень сложные расчёты. ГПВРД испытываются в разных странах последние лет двадцать, но серийных аппаратов с ними пока не делали.
Ну и, наконец, ракетные двигатели на этой диаграмме показывают свою независимость от атмосферы и скорости движения.

Искушение универсальностью


А можно ли сделать универсальный аппарат, который бы смог летать в диапазоне 0-10 М? Самым близким к такому диапазону был SR-71 Blackbird, и он очень наглядно показывает сложность задачи. Для диапазона "всего лишь" 0-3,2 М понадобилось делать гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей и создавать новое топливо. Посмотрите схему работы двигателя или видео:



Наш несовершенный мир устроен так, что универсальное устройство будет дороже, сложнее, менее надежным или функционально хуже специализированных, если совмещаемые в устройстве функции не будут родственными. Легко добавить будильник в мобильный телефон - там уже есть часы, экран, клавиатура, батарея и динамик. Но создать гибрид самолёта и автомобиля, или двигатель, способный работать на стоянке, сверхзвуке и гиперзвуке гораздо сложнее.

Постановка задачи


Каких показателей мы хотим добиться, и что будет нас ограничивать?

  • Полезная нагрузка предполагается в районе 10 тонн. Почему такая цифра? Этого хватит для того, чтобы вывести тяжелый спутник на околоземную орбиту или отправить стандартный спутник на геопереходную орбиту. Слишком маленькая полезная нагрузка очень облегчит нам задачу, но в этом случае возникнет вопрос осмысленности всей системы. Слишком большая полезная нагрузка потребует циклопических и космически дорогих конструкций.

  • Технические решения выбираются с максимальным уровнем технической готовности, в идеале, имеющие историю серийного производства. Во-первых, это гарантирует принципиальную реализуемость решения. Во-вторых, освоенные технологии должны быть дешевле.

  • При выборе технических решений также будем избегать гигантизма. Конструкции планетарного масштаба, самолёты-носители с десятками двигателей - всё это может красиво выглядеть, но нереализуемо в ближайшие десятилетия.



При создании нашего концепта будем двигаться "сверху вниз", это должно облегчить процесс принятия решений.

Верхняя ступень


Верхняя ступень будет отвечать за разгон до первой космической скорости. Очевидно, это должна быть ракетная ступень. В качестве топливной пары выберем жидкий кислород и жидкий водород. Они освоены уже давно и достаточно хорошо. Почему именно они? Для верхней ступени крайне важен удельный импульс, а из привычных нам топливных пар только кислород-водород способны дать нам удельный импульс порядка 450 с.
Забегая вперед, скажем, что начальная скорость верхней ступени будет в районе 5 М на высоте ~30 км, т.е. 1500 м/с. Примерный расчёт даёт начальную массу в районе 60-80 тонн в зависимости от массы пустой верхней ступени.

Вторая ступень


Вторая ступень выполняет функцию разгона полезной нагрузки в атмосфере. Для этого ей пригодятся небольшие крылья - они будут создавать подъёмную силу. Но какой двигатель поставить на этот аппарат? Вариант с ракетным двигателем отметаем - он не использует кислород из атмосферы и поэтому имеет слишком низкий удельный импульс. ТРД теряет эффективность после 2 М. Остаётся один вариант - ПВРД. Кроме того, что он способен работать до скоростей в районе 5 М, его простота означает сравнительно небольшую массу, что крайне положительно скажется на характеристиках нашего аппарата.
Массу аппарата на уровне концепта определить можно только очень приблизительно, потому что нет прямых образцов для сравнения. Навскидку, если сравнивать с массовым совершенством грузовых самолётов, то начальная масса двух ступеней и полезной нагрузки попадёт в диапазон 250-350 тонн. Аппарат будет, очевидно, многоразовым.

Первая ступень


Двигатель второй ступени не может работать на дозвуковых скоростях. Поэтому нужно добавить ещё одну ступень, которая разгонит наш аппарат от нуля до 1,2-1,5 М. Каким образом мы можем это сделать? Идея самолёта-носителя отметается сразу - грузовые самолёты дозвуковые, и 300 тонн не может поднять никакой серийный грузовой самолёт. Теоретически можно поставить твердотопливные ускорители размером поменьше тех, которые были на Спейс Шаттле. Но можно возродить систему, которую предполагали использовать первые теоретики ракетного движения и фантасты - старт с рампы. Построив практически обычные рельсы, можно просто и дёшево разгонять вторую ступень на ракетных санях. Можно предположить следующие плюсы:

  • Крепление ускорителей к саням должно снизить прочностные требования к второй ступени.

  • После запуска ускорители вместе с санями тормозятся и могут без проблем использоваться повторно (что сложнее обеспечить для сбрасываемых в воздухе ускорителей).

  • Небольшое и переносимое людьми ускорение в 4 g потребует всего 3 км для достижения скорости 1,2 М и 3,2 км - для 1,5 М.

  • Горизонтальный разгон не требует преодолевать притяжение земли, стартовые ускорители становятся меньше.

  • Не нужно строить дорогие и циклопические конструкции.


Самым известным полигоном, использующим ракетные сани, является полигон на базе Холломан, где длина рельсов уже перевалила за 15 км, а максимальная достигнутая скорость - 8,5 М:

03.jpg
Четырёхступенчатые ракетные сани, достигшие скорости 8,5 М в 2003 году

Аналоги


Человечество отличается хитростью и изобретательностью, поэтому стоит поискать уже придуманные подобные схемы. В 2010 году NASA проводило исследования этой же идеи на более продвинутых технологиях. Вместо ракетных саней предлагалось использовать электромагнитную или газовую катапульту, а вместо ПВРД поставить ГПВРД, которые бы смогли разогнать вторую ступень до вдвое большей скорости - 10 М. Была даже сооружена модель системы:

04.jpg

Команда разработчиков предложила десятилетний план осуществления проекта. Жаль, новостей позже 2010 года найти не удалось. Вряд ли проект активно разрабатывается.

Также, родственными будут концепции:
StarTram, предполагающий разгон полезной нагрузки на маглеве до скоростей в районе первой космической.
Maglifter, идея 1994 года, также предлагающая использовать маглев для замены обычной первой ступени ракеты-носителя.

Заключение


Предложенная схема может иметь следующие достоинства:

  • Высокий уровень технической готовности компонентов, технологии освоены и недороги.

  • Простота обеспечения многоразовости первой и второй ступеней.

  • Удельный импульс второй ступени выше, чем у ракетных ступеней.

  • Реализация новых технологий может повысить общую эффективность системы. Например, если удастся создать гибрид ПВРД/ГПВРД, то скорость отделения третьей ступени и зону повышенного удельного импульса можно серьезно увеличить.

  • Стартовое сооружение универсально - по одним и тем же рельсам можно запускать стандартные и облегченные ступени.



Идей облегчения доступа в космос много, кто знает, может быть, в будущем космолёты будут стартовать с рамп, как это придумывали век назад?

05.jpg
Фильм "Космический рейс", 1935 г. Если не смотрели - рекомендую, как-никак К.Э. Циолковский - научный консультант

По тегу "Облегчение доступа в космос" другие публикации этой тематики - грустная история экономической неудачи Спейс Шаттла, идеи воздушного старта, "одной ступенью на орбиту", "большого глупого носителя".

Интересно? Подписывайтесь на обновления.

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…

  • 1
Интересно, может ли так быть, что ракетое лобби аэрокосмических фирм гнобит такие проекты? Нет ли у них интереса не менять отработанный способ? Технологии отработаны, стоимость высокая, осваивают деньги на новые ракеты. А с новым способом неизвесто что будет, неизвестно кто получит заказы и т.д

Вряд ли. Я склонен соглашаться с афоризмом "миром правит не тайная ложа, а явная лажа".

Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal волжского региона. Подробнее о рейтинге читайте в Справке.

Привет, добавил в друзья и надеюсь на взаимность!
Пишу, читаю, комментирую!
Не спамер, не дурачок :о)

Есть ещё один концепт, который так и не реализовался: пепелац ракета Roton. Правда он должен был решить проблему многоразовости ступени, а не оптимизировать выведение на орбиту. Но всё-равно интересен своей необычностью;))
http://nero-schwarz.livejournal.com/10793.html

Edited at 2015-04-29 11:28 (UTC)

Известная штука, но вот не взлетела.

Разгонная ступень на рельсах -чушь и тупик.

Картинок нет

- Ядро системы (основной модуль) - крылатая ступень (челнок). За основу мы взяли шаттло-бурановскую аэродинамику (как проверенную на практике), но уменьшенную по размерам.

- Вместо закрытого грузового отсека, открытая сверху "корзина" - в неё устанавливаются нужные модули, обладающие собственной теплозащитой на наружных поверхностях.

- Модули такие: бак (топливо+окислитель), контейнер для ПН (в том числе с большими створками - для экспорта/импорта ПН на орбите), обитаемый отсек - для пилотируемых миссий.

- силовая установка (ЖРД) - тоже модульная, сменная, на разные мощности.

- ОМ (птичка) беспилотный.

- стартовая конфигурация состоит из двух ОМ, поднятых в вертикальное положение и состыкованных нижней плоской поверхностью (с достаточной щелью между модулями).

- бустерные ВРД двумя пачками размещаются в пространстве между консолями крыльев.

- пространство между фюзеляжами представляет собой облицованный теплозащитой тракт гиперзвукового ВРД.

- гиперзвуковой ВРД без технического риска: фактически ЖРД с дожиганием избыточного топлива в межкорпусном канале. На старте он работает, как эжекторный ЖРД и имеет эффективность в 2 раза повышенную относительно чистого ЖРД. На сверхзвуке сжатие осуществляется в воздухозаборнике и КПД существенно возрастает.

- тяга маршевого ЖРД/ВРД не велика и тяговооруженность меньше единицы, но это не имеет значения, поскольку стартовый отрыв от стола осуществляется при помощи бустерных ВРД, которые потом сбрасываются.

- ОМ в паре имеют разное функциональное назначение - один несёт ПН и выполняет орбитальную миссию, второй несёт бак с горючим/окислителем и возвращает этот бак обратно целым, не выходя на орбиту.

- конструкция ОМ едина - функциональное различие достигается лишь сменой целевых модулей (бак или же грузовая/пассажирская капсула) + силовая установка (на вспомогательной ступени ЖРД мощней, а на орбитальной - слабей, поскольку оптимизирована для орбитальных манёвров)


Технология формирования носителя требует создания цепочки старто-посадочных площадок, поскольку сажать отдельные компоненты системы приходится на удалении в несколько тысяч км от старта. Возить всё обратно на старт - терять экономическую эффективность. Потому выгодней искать коммерческий груз в зоне посадки и гнать компоненты вокруг шарика, разобщив их на самостоятельные коммерческие единицы. То есть, некий подрядчик, везущий генеральный груз, берёт в аренду
нужные компоненты на ближайшем космодроме...

Значит, складывается рынок, во многом подобный рынку авиаизвоза - кто-то специализируется на бустерах, кто-то на разгонных ступенях. Есть крупные извозчики с парком своих орбиталок и разгонников, но есть место и мелким - с одной ступенью, сдаваемой в аренду.
Это означает реальную конкуренцию и многократное снижение стоимости доставки на орбиту.

Кроме того, орбитальные операции не ограничивают целевую функцию - система становится экономически выгодной для суборбитальных перевозок! За час - к антиподам, вместо полусуток на нынешних трансзвуковых лайнерах...



Старая тема, еще в универе любили пофантазировать об этом))
Но сейчас понимаю что очевидного одного пути не существует, дьявол кроется в мелочах. Вот в частности по этой концепции, вторая и третья ступень - полностью за, но на счет разгона до 1,5 М горизонтально... меня терзают смутные сомнения. может проще одноразовые ЖРДшные бустеры, к примеру на вытеснительной схеме, для максимального упрощения и удешевления. Пусть будет меньше удельный импульс на первой ступени, и она не спасаемая, но ее сделать максимально дешевой, в ущерб конструктивному совершенству. Может вообще однокомпонентной, к примеру на смеси ОТТО, которую используют в натовских тепловых торпедах (смесь на основе нитроэтана, окиси этилена и тп), может с небольшой добавкой АТ, для оптимальной стехиометрии. То есть сделать по сути функциональный аналог подвесных топливных баков в авиации, парашютное приземление, для возможности повторного использования если не сильно побились, а вот дальше, полностью возвратные ступени, высокого совершенства и стоимости, но с высокой надежностью. Первая ступень до 4-6 М, вторую до 12-14. Вторая с небольшими крыльями или вообще чисто маневровые плоскости для направления в зону приземления, а там уже и вертолетом можно ловить (по идее Ми26 должно хватить). Ну и ракетно-космический самолет массой в 10 тонн с ПН (до 5-6 тонн).
И во всей этой схеме первая ступень годная на несколько запусков, изначально дешевая и простая, и по настоящему многоразовая третья ступень (то есть заложить конструктивно упрощение техобслуживания между полетами), которая для вывода расходует только топливо.
И вертикальный старт по обычной схеме, бустеры первой ступени в габаритах для транспортировке по ЖД

>> меня терзают смутные сомнения. может проще одноразовые ЖРДшные бустеры, к примеру на вытеснительной схеме, для максимального упрощения и удешевления. Пусть будет меньше удельный импульс на первой ступени, и она не спасаемая, но ее сделать максимально дешевой, в ущерб конструктивному совершенству.

Существует проблема, обозначаемая термином "гравитационная яма" - именно грав-яма является причиной столь невыгодного соотношения взлётной массы и полезной нагрузки.
Нам нужна горизонтальная скорость - а мы тупо гробим энергетику на удержании огромных масс в подвешенном состоянии.

Именно поэтому низкоэффективные двигатели оказываются невостребованными от слова "совсем". И в конце концов турбонасос нынче не тайна за семью печатями - и стоит не фатально в общем балансе расходов на запуск.

\\Жаль, новостей позже 2010 года найти не удалось. Вряд ли проект активно разрабатывается.\\
Это вы батенька напрасно на такой минорной ноте закончили. Перед ВОВ из мировой печати исчезли все сообщения по теме связаной с исследованием урана.

Это же гражданская технология, нет смысла скрывать. С другой стороны идут новости про успешные испытания гиперзвуковой боевой ракеты у нас. Лет через 20 технология станет доступна и для гражданского космоса.

(Анонимно)
>Удельный импульс - это количество секунд, на которое хватит одного килограмма топлива для создания двигателем тяги в 1 Ньютон.

а не в 10 Ньютонов, то есть 1 кгс?

(без темы) (Анонимно) Развернуть
(Анонимно)
1. ПВРД очень просто устроен и позволяет летать на сверхзвуковых скоростях. Одна беда - нуждается в разгонной ступени или носителе, потому что не работает при дозвуковых скоростях.

2. ГПВРД отличается от ПВРД тем, что в камеру сгорания воздух попадает со сверхзвуковой скоростью.

Так чем же они отличаются? :)

отличаются разной геометрией КС
если-бы все было так просто, уже сплошь и рядом летали гиперзвуковые, как минимум ракеты класса "воздух-воздух"

чтобы раскочегарить ПВРД >0.8M
Для космических аспектов, дело за "мелочью" - построить разгонную вертикальную рампу км 8-10 с магнитно-воздушный подвесом , разгон линейно-асинхронным электродвигателем
Итого - полностью возвращаемая 1ступень
"тележка" после разгона, тормозится реверсным переключением обмотки
ее вес, на порядки, меньше стартового веса бустера

пере размеренная, раз в 15
по типу Телерадиомачты 1963года KVLY-TV г. Бланшар, Северная Дакота, США. Высота — 628,8 метра
Масса 392,1 т (мачта), ощутимо легче небоскреба "Бурж-Халифа"
4,1 т антенна
Из какого алюминий-графенового композита, была-бы раза в 3 легче

2ступень сверхзвуковой/гиперзвуковой бустер
многоразовый сотни полетов, если не больше
конус большого удлинения, а-ля пере размеренный "Скайлон"

ОС - тоже,
Реально колониальный транспорт, для вывода ПН для снабжения колоний на Марсе, к примеру

Но вместо этого... ФАБ-500 из тропосферы/стратосферы по школам и госпиталям...

Edited at 2016-12-19 21:36 (UTC)

  • 1
?

Log in

No account? Create an account