![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
jr0.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ruОригинал взят у ![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
jr0 в Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей
Именно пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.
Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты. Это предыстория очерка.
2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса. В эксперименте он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.
(В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Разработки пороховых ракет запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостях.
Озарения в разных странах меня не волнуют здесь. Важна дорога к успеху и влиятельные попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.)
3. Ключевым недостатком пороховых двигателей являлась тогда скорость горения заряда.
В 1926 два американских химика разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт получили вонючее вещество, которое не смогли удалить никаким растворителем. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего открытия в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.
Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.
4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Потому новая исследовательская группа в 1926 была создана не под его руководством, а возглавил ее фон Карман - американский аэродинамик - чистый теоретик из Австро-Венгрии, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик Прандтля. Todor von Kármán, 1881-1963.
При Калтехе фон Карман создал и возглавил лабораторию: The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Как видно из названия, на деньги из единственного источника - фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Тогда деньжищи! Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. Пятнадцать лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.
5. В 1939 GALCIT получил от Национальной академии наук США (есть есть такая) заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов. Тогда стали строить огромные самолеты, а вот аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). "Естественно", GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, а фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.
В том же году развернули постройку нескольких образцов: пороховой, ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя. Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться.
После начала войны Годдарда призвали и дали звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает. А это избыток прочности и огромные ускорения. Внедрили битумные составы - асфальты, смешанные с окислителем - перхлоратом калия. Они горят медленнее, держат форму, но раскалываются. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе, тщательно разрабатывая форму каналов горения. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, ведь большие разрушаются, а разрушившись быстрее горят, отчего крошатся вовсе.
Но это после войны. А за время ее главное достижение - пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горит 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, скажем, в большой авиационной НУР Tiny Tim (1944) и как первая ступень исследовательской высотной ракеты WAC Corporal (1945).
На асфальтах еще в 1941 испытали ускоритель для взлета, который горел 5 с. Это успех!
6. Но только в 1946 GALCIT совместно с фирмой Thiokol создает двигатель для ракеты воздух-воздух AAM Falcon. Первый успешный РДТТ на современном по сути смесевом топливе! Теперь его можно увеличивать в десятки раз по диаметру и в сотню по длине и времени горения, не меняя способ, а только оттачивая.
Вот ступени быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:
Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.
Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout - самая летавшая американская ракета, из наиболее надежных.
Надо бы закончить на Trident-II - 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB успешно отработали 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как последняя ступень космических современных носителей.
Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952, погиб при взрыве домашней лаборатории во время ее перевозки в Месксику!).
И для сравнения летопись достижений последователей:
- В СССР разработку смесевых РДТТ начали в 1959. 1962 - первые испытания РТ-1, закончившиеся неудачно. На вооружение попала РТ-2, первый пуск в 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Не все.
- Во Франции начали в 1962. Испытания c 1966 - S112 (S-2). Это основа их надежных Ariane и, конечно, лодочных МБР.
- В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей для Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно фирма Avio из Италии предлагает самые совершенные ускорители для Vega и будущей Ariane 6.
- В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семества Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на Lambda-4S (см. Во Франции), а в 1970 - удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай тогда: с МБР). Теперь производят ступени на основе технологии Castor - сильно и взаимно связаны с США. Семейства твердотопливных ракет там называют греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), а теперь твердотопливный легкий носитель Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что по крайней мере в десять раз лучше, чем предыдущее достижение. Это как в кино о Бонде, прямо. Хотят такое внедрить на новой H-III. Почти все их носители имеют твердотопливные ступени.
Этот очерк без выводов. О том как было и с датами.
jr0 в Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей
- Эскизы многоступенчатых пороховых ракет Kazimierz Siemenovwicz из Речи Посполитой, опубликованные в 1650 в Амстердаме.
Именно пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.
Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты. Это предыстория очерка.
2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса. В эксперименте он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.
(В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Разработки пороховых ракет запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостях.
Озарения в разных странах меня не волнуют здесь. Важна дорога к успеху и влиятельные попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.)
3. Ключевым недостатком пороховых двигателей являлась тогда скорость горения заряда.
В 1926 два американских химика разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт получили вонючее вещество, которое не смогли удалить никаким растворителем. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего открытия в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.
Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.
4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Потому новая исследовательская группа в 1926 была создана не под его руководством, а возглавил ее фон Карман - американский аэродинамик - чистый теоретик из Австро-Венгрии, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик Прандтля. Todor von Kármán, 1881-1963.
При Калтехе фон Карман создал и возглавил лабораторию: The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Как видно из названия, на деньги из единственного источника - фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Тогда деньжищи! Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. Пятнадцать лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.
5. В 1939 GALCIT получил от Национальной академии наук США (есть есть такая) заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов. Тогда стали строить огромные самолеты, а вот аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). "Естественно", GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, а фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.
В том же году развернули постройку нескольких образцов: пороховой, ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя. Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться.
После начала войны Годдарда призвали и дали звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает. А это избыток прочности и огромные ускорения. Внедрили битумные составы - асфальты, смешанные с окислителем - перхлоратом калия. Они горят медленнее, держат форму, но раскалываются. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе, тщательно разрабатывая форму каналов горения. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, ведь большие разрушаются, а разрушившись быстрее горят, отчего крошатся вовсе.
Но это после войны. А за время ее главное достижение - пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горит 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, скажем, в большой авиационной НУР Tiny Tim (1944) и как первая ступень исследовательской высотной ракеты WAC Corporal (1945).
На асфальтах еще в 1941 испытали ускоритель для взлета, который горел 5 с. Это успех!
6. Но только в 1946 GALCIT совместно с фирмой Thiokol создает двигатель для ракеты воздух-воздух AAM Falcon. Первый успешный РДТТ на современном по сути смесевом топливе! Теперь его можно увеличивать в десятки раз по диаметру и в сотню по длине и времени горения, не меняя способ, а только оттачивая.
Вот ступени быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:
1) 1949, Hughes AAM-A-2 Falcon (семейство развилось в Phoenix).
2) 1951, Redstone Arsenal M31 Honest John (на вооружении в США до 1982).
3) 1955, Lockheed X-17 (первая многоступенчатая такая ракета и прообраз Polaris).
4) 1958, Lockheed UGM-27 Polaris A-1 (семейство развивалось до Trident-1). Опыт с работой ускорителя JATO под водой провели еще в 1943.
5) 1961, Boeing LGM-30 Minuteman-1 (семейство до сих пор на вооружении).
6) 1960, NACA Langley center Scout X-1 (это Castor, в основе, - первая ступень Polaris; универсальная ступень многих космических ракет-носителей по сию пору).
Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.
Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout - самая летавшая американская ракета, из наиболее надежных.
Надо бы закончить на Trident-II - 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB успешно отработали 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как последняя ступень космических современных носителей.
Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952, погиб при взрыве домашней лаборатории во время ее перевозки в Месксику!).
* * * *
И для сравнения летопись достижений последователей:
- В СССР разработку смесевых РДТТ начали в 1959. 1962 - первые испытания РТ-1, закончившиеся неудачно. На вооружение попала РТ-2, первый пуск в 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Не все.
- Во Франции начали в 1962. Испытания c 1966 - S112 (S-2). Это основа их надежных Ariane и, конечно, лодочных МБР.
- В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей для Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно фирма Avio из Италии предлагает самые совершенные ускорители для Vega и будущей Ariane 6.
- В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семества Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на Lambda-4S (см. Во Франции), а в 1970 - удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай тогда: с МБР). Теперь производят ступени на основе технологии Castor - сильно и взаимно связаны с США. Семейства твердотопливных ракет там называют греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), а теперь твердотопливный легкий носитель Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что по крайней мере в десять раз лучше, чем предыдущее достижение. Это как в кино о Бонде, прямо. Хотят такое внедрить на новой H-III. Почти все их носители имеют твердотопливные ступени.
Этот очерк без выводов. О том как было и с датами.
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2015-01-07 10:59 am (UTC)http://www.google.ru/webhp?q=твердотопливный+перегородка+заряда
В другом порядке мне не любопытно.
no subject
Date: 2015-01-07 11:39 am (UTC)При этом эта схема сопряжена с опасностью прогара перегородки, и наличием трубки для пропуска газа из верхнего блока к соплу.
Если да, то вопрос: зачем? Почему тупо не сделать стартовый бустер, и маршевый блок, в отдельных корпусах?
Обнаружил статью, которую читал ранее, размещу ссылку, может кто наткнётся.
Несколько слов о твердотопливных ракетах
http://geektimes.ru/post/209242/
no subject
Date: 2015-01-07 11:57 am (UTC)Надо, скажем, покинуть пусковую трубу, но не опалить площадку или стреляющего - делают хитро. Или делают много много ступеней, даже одинаковых. Благо двигатель дешевый.
Есть выбор решений. Нет догм, о которых и тут много понаписали.
no subject
Date: 2015-01-07 01:01 pm (UTC)Давайте синхронизируем объект обсуждения.
Про перегородки нагуглить удалось в общем то два предмета.
1. Перегородки для разделения топлива на отсеки, с раздельным воспламенением, и истечением через одно сопло.
2. Два изолированных тандемных отсека с топливом (стартовый и маршевый), на каждый отсек свои сопла, отдельное воспламенение. Из верхнего блока к соплам газ проходит по каналам.
К первому вопросов нет, всё понятно.
Ко второму куча вопросов, прямо таки сомнения в том, что это используется.
no subject
Date: 2015-01-07 01:17 pm (UTC)no subject
Date: 2015-01-07 01:27 pm (UTC)В уточнение моего коммента выше:
Первое - похоже на вашу первую картинку, я и говорю, по этому вопросов нет, там всё понятно зачем и как.
Второе - примерно как тут: http://bankpatentov.ru/node/124997 с разными вариациями касательно расположения частей. Тут я в сомнениях относительно "зачем?" и "так делают, или это полёт мыслей?".
no subject
Date: 2015-01-07 01:31 pm (UTC)"Двухрежимный РДТТ" - для великого гугля.
no subject
Date: 2015-01-07 02:17 pm (UTC)У меня есть некий глобальный вопрос. У меня сложилось такое мнение:
1. Твердотопливная система в общем проще и надёжнее чем жидкотопливная, безопаснее при использовании, и собранная по отлаженным технологиям, в общем даёт стабильный результат.
2. Первые эксперименты с ракетами разработчики начинают именно на твёрдом топливе.
3. Единственное достоинство у ЖРД перед РДТТ - это больший удельный импульс.
Так вот у меня вопрос. Ладно там вторая ступень, её может лучше на ЖРД делать. Но ведь первая ступень в принципе должна просто давать мощно тягу, без манёвров тягой. РДТТ сюда подходит идеально. Как так получилось исторически, что сюда часто ставят ЖРД?
Ну тоесть я понимаю что сейчас ставят что есть, но как к этому пришли? Где была развилка, что выбирали между ЖРД и РДТТ, и выбрали ЖРД? Раньше я думал, что была проблема в рулении, но оказалось что есть технологии изменения вектора. Есть технологии профилирования тяги, всё как будто есть. Так в чём затык нерешимый оказался?
no subject
Date: 2015-01-07 08:26 pm (UTC)Я не хотел бы пока светить тут оценками. Мне достаточно показать, что мир сложнее общеизвестных схем, другой.
И трудно в таких вопросах рассуждать на пальцах. Есть разные плодотворные подходы. Мне нужны примеры, их не так много: Taurus, Athena, Ares, Vega, Epsilon, ну и ракеты поменьше и значительно старее. Очень много неудач. Очевидна сложная доводка. Возможно, чуть подправить замысел труднее. Тяжелая ракета вовсе одна - Ares. Зато очень много модульных проектов с твердыми ступенями.
И еще, это военная оберегаемая технология. Раз технология эта не повторена некоторыми не последними странами - это имело смысл. Возможно, ATK не дают разгуляться. Хотя, заметьте, ATK Castor не монополист в США, есть и P&W Orbus.
no subject
Date: 2015-01-07 08:56 pm (UTC)Начинали все (в далёкие годы) с твёрдого топлива, но большие по размерам и мощности ступени на жидком топливе получились быстрее и проще, чем на твёрдом, и поэтому в СССР космическая программа реализовалась на жидком топливе, а РДТТ зачахла.
> а СССР и Франция слизывали как смогли и подолгу. Первые опыты создания носителей, кстати, почти везде - на основе ЖРД.
Значит технологии ракет на основе твёрдого топлива сложнее, чем жидкого? Это интересная информация. А в чём там основная сложность? В смысле там сложность в топливе, в рассчётах режима горения/истекания, либо какие то сложные материалы/сплавы требуются? Буквально пару слов, если не трудно.
no subject
Date: 2015-01-07 09:08 pm (UTC)И теперь первые баллистические ракеты стран, которые хотят пугать далекие страны, - на НДМГ. Связано это не только с тем, что технология Scud СССР отдал Северной Корее и Китаю. А и с относительной простотой достижения показателей "выше, дальше, сильнее".
Твердотопливники задержались сначала. Часто как раз из-за того что деньги отданы на ЖРД. Так было в Германии, США, СССР, Британии, Японии и Франции. Да везде. РДТТ - второе поколение военных двигателей после НДМГ. Когда нужна система вооружения, а не пугалка.
И только третье поколение: это собственно космические движки. Водородники, сегментные РДТТ, электрические движки, метан и всякое такое все. Это жыр.
no subject
Date: 2015-01-07 09:56 pm (UTC)Большое спасибо за информацию в мою копилку.
no subject
Date: 2015-01-07 11:59 am (UTC)Приводите свои доводы, тогда будет "пара слов".
no subject
Date: 2015-01-07 01:13 pm (UTC)Из той статьи я почерпнул общее строение твердотопливных систем, основные плюсы и минусы, и прочее. Я не являюсь профессионалом, моя профессиональная область деятельности далека от ракетостроения, а для общего развития конкретики мне показалось достаточно.
no subject
Date: 2015-01-07 01:25 pm (UTC)Общее развитие это хорошо. Не вижу повода оправдываться.
Строго говоря, тягой твердотопливника можно управлять. Например, выпускными окнами на сопле. Но для ракеты, как правило, чем больше скорости, тем лучше. Избыток скорости после первой ступени обычно есть куда деть.
Впрочем, последние твердотопливные ступени при первых жидкостных - не редкость. Этому причины есть, но моя цель пока: познакомить с фактами, которые даже и известны, но в упор не замечаются.
no subject
Date: 2015-01-07 06:37 pm (UTC)http://engineering-ru.livejournal.com/261817.html
no subject
Date: 2015-01-07 07:07 pm (UTC)