Фантазия о специализированных ступенях

[lozga.livejournal.com]

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:



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:


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:



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?


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".

Comments

[fan-d-or.livejournal.com]

>> 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.

Популярное - но ошибочное мнение: МиГ-31 с ТРДД вполне успешно летает на скоростях, близких к М=3.

Работоспособность ТРД (независимо от числа контуров), определяется воздухозаборником - и вполне разумно ожидать, что в деле космического извоза ТРДД пригодится до скоростей порядка М=4.

>> 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.

Тоже неверное умозаключение - необходимость комбинированного цикла для ЛА типа SR-71 определяется единственно тем, что птичка эта должна была летать на максимале долго и далеко. В этом случае на первое место выходит низкий удельный расход топлива, которое приходится возить с собой - ради которого и приходится изголяться с переменным циклом.

Для разгона РН всё куда проще - время работы на этих режимах составляет считанные минуты. Потому то, что будет сожжено на тонну горючки больше - печалит мало.

ХИНТ: критерием применимости ВРД для атмосферных ступеней РН является превышение импульса по отношению к ЖРД - а там запас изначально в порядок величин и потому то, что непроходимо для авиации, вполне годится для космического извоза...

>> Ну и, наконец, ракетные двигатели на этой диаграмме показывают свою независимость от атмосферы и скорости движения.

Тоже неверно!
Оптимизированные для атмосферы конструкции на основе ЖРД могут быть эффективней в несколько раз, чем в вакууме.
Например, РПД - ака Ракетно-Прямоточный Двигатель.
Это конструкция, в которой ЖРД разгоняет поток и сжимает атмосферный воздух, поступающий через заборники - улучшая параметры тепловой машины.
В камеру ЖРД подаётся сладкий газ - переобогащённый топливом. Окислитель подаётся только на то, что б зажечь ЖРД и сформировать первичную струю. Не сгоревшая в ЖРД часть топлива догорает в воздушном тракте - с использованием атмосферного кислорода, что и повышает импульс.

Есть и Турбо-Ракетный Двигатель - в нем ЖРД крутит турбину, а турбина крутит компрессор, сжимающий атмосферный воздух, в котором сжигается "воздушное" топливо.

Преимущество относительно классического ТРД - развязывание турбины от основного контура, что позволяет не морочиться с высокой температурой на турбине.
В целом ТРаД проще ТРД/ТРДД+ФК. По удельному расходу классике уступает немного - но зато тянет от стартового стола до больших чисел М, будучи легче и дешевле.
Именно наличием полноценной тяги на стартовом столе существенно превосходит ПВРД - сам себя разгоняет легко и непринуждённо.

[fan-d-or.livejournal.com]

Продолжение...


>> 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.

А вот этот архаизм и вовсе по нынешним временам - нонсенс!

Идея горизонтального разгона порочна в принципе.
Самолётный взлёт с ВПП требует огромного шасси и избыточного крыла, поскольку скорость отрыва от ВПП крайне невелика.
Потому самолёт в качестве первой ступени - сам себе злобный буратино.

Эстакада - это и вовсе циолковщина (в ругательном смысле слова).

Все эти инженерные страдания начальной эры развития космонавтики связаны с тем, что мощность ТРД в эпоху прорыва на орбиту была крайне не велика и тяговооружённость в 50-е годы была крайне низкой - никто и не думал о ВРД на тот период, а Спиральку тоже заточили под убогую идею горизонтального взлёта.

В нынешнюю эпоху не составляет проблем обеспечить на ВРД тяговооружённость, обеспечивающую вертикальный влёт - традиционный для ракетной техники, что означает сохранение инфраструктуры и наработанных технологий.

Ныне есть авиационные двигатели с единичной тягой в полсотни тонн - что означает, что кластер из 6 штук поднимет мягко до нескольких километров и разгонит как минимум до трансзвуковой скорости.

Кроме того, существуют очень большие запасы для форсирования существующих двигателей - они оптимизированы под ресурс в многие тысячи лётных часов, исходя из чего установлены ограничения на температуру, обороты и прочие газодинамические параметры.
Поскольку наработка ВРД за одну миссию - десяток минут, то снизив назначенный ресурс скажем до 100 часов, мы имеем агрегат для нескольких сотен космических миссий.
Такое форсирование может увеличить экстремальную тягу, нужную в момент отрыва от стола, на 20...30% - это навскидку. А реально - и больше. Но точно тут можно узнать только после НИОКРов.

Кроме того, есть ныне забытый, но в 50-е очень широко применявшийся способ форсирования ТРД - впрыск воды!
В учебниках 50-х годов этой теме посвящалась даже не глава, а целый раздел - в четверть, а то и в треть от общего объёма учебника.

Из этих учебников следует, что на 30% можно форсировать любой ТРД - причём, без потери ресурса!
Дело в том, что впрыск воды понижает температуры и снижает нагрузку на турбину и другие элементы.

Платой за форсаж является увеличение расхода суммы топливо+вода - потому летать далеко на этом не получится. А вот оторвать Б-52 или МиГ-15 от земли - очень даже легко и непринуждённо.

Для нашего ракетного дела это очень в кассу - всё равно импульс водо-форсированного ТРД остаётся много лучшим, чем импульс ЖРД, а уж тем паче РДТТ, используемых в качестве бустеров для повышения тяговооружённости ракеты на стартовом столе.

Так штааа...

ХИНТ: во времена ФИДО я двинул идею применения ВРД в качестве бустеров - и с Олегом Лазутченко мы посчитали вариант модернизации Р-7 при помощи ВРД.
Смешно - но наши художества даже попали в серьёзный источник - мы очень смеялись, увидев там в таблице Р-7ВРД.

Собственно, по этому слову - "Р-7ВРД" можно нагуглить прошлые фидошные баталии. Если кому это интересно...

[iv-an-ru.livejournal.com]

ЕМНИП, у больших буржуйских самолётных движков запас по мощности нынче очень мал: +4% к чрезвычайной мощности уже дадут помпаж. Следствие погони за топливной экономичностью. У наших, хуже считанных, вилка от чрезвычайной до помпажа +10%.

[fan-d-or.livejournal.com]

Помпаж есть результат несоответствия пропускной способности газовоздушного тракта требуемому значению - пересчитать и оптимизировать под другую задачу не есть проблема.

В авиации размеры и конструкция ГВТ лимитированы общей конструкцией самолёта - потому их вылизывают под предел, пытаясь получить максимальную весовую отдачу.

При использовании ВРД в атмосферной ступени космической РН всё выглядит конструктивно по иному - включая запасы устойчивости...

[iv-an-ru.livejournal.com]

Разумеется, не проблема. Но это значит, что вы или берёте серийный двигатель и не пытаетесь "подшаманить", или строите новый, пересчитывая весь тракт фактически с ноля.

[fan-d-or.livejournal.com]

Серийный двигатель подшаманивается под нужные кондиции на счёт раз - именно этим я занимался десяток лет в бытность работы в ОКБ МиГ...

Причём, подшаманивание - это обычная практика эволюции авиадвигателей в исполнении производителя оных: берётся серийный двигатель для одного проекта и подшаманивается для другого - иногда до офигения отличающегося.

Вот примерчик:

Д-30КУ — двухконтурный турбореактивный двигатель (Ил-62М);
Д-30КУ-154 — двухконтурный турбореактивный двигатель (Ту-154М);
Д-30КП — двухконтурный турбореактивный двигатель (Ил-76 и самолёты на его базе);
Д-30Ф6 — двухконтурный турбореактивный двигатель (МиГ-31).

А вот когда создаётся концептуально новый двигатель и в базисные параметры закладываются совсем другие соотношения - результат оказывается ещё более принципиально отличающийся по сути.

А что касается запаса газодинамической устойчивости - то это уж и вовсе непрезентабельный параметр - потому, что это по сути косметическая характеристика, важная для сертификации, но на практике нестабильная и зависящая от миллиона обстоятельств, вплоть до смены номиналов резисторов в коробке двигательной автоматики. (Было в моей практике и такое - целый НИР выполнили, что б найти причину ухудшения параметров).

[iv-an-ru.livejournal.com]

Хорошо живёте. В энергетике турбина для нашего климата и к точно такому же котлу и генератору турбина для тропиков --- "две большие разницы", в тропики будет полностью новый расчёт и запросто все колёса другие. Совпадут только установочные размеры, фундаментные болты и моторчик для проворачивания вала при остывании.

[fan-d-or.livejournal.com]

Каждая отрасль инженерной практики имеет свои особенности - неочевидные со стороны.

[Артем Камбуров (from livejournal.com)]

>>В нынешнюю эпоху не составляет проблем обеспечить на ВРД тяговооружённость, обеспечивающую вертикальный влёт - традиционный для ракетной техники, что означает сохранение инфраструктуры и наработанных технологий.

Составит и очень много проблем. Двигатель с тягой в пол сотни тонн во взлётном режиме сам весит где-то под 10т и кластер не решает основную проблему - многоразовость ступени. На крыльях горизонтально два двигателя тягой с тягой 50т запросто поднимут и разгонят аппарат весом в 500т при том, что для вертикального подъёма надо таких двигателей десяток.

[fan-d-or.livejournal.com]

Вы б всё ж в класс по изучению матчасти б заглянули б...

[Артем Камбуров (from livejournal.com)]

Конкретнее, пли-из. Желательно с цифрами. Может я до сих пор не разглядел чудо-двигателей...

[lozga.livejournal.com]

МиГ-31 и SR-71 умеют три Маха. Но не пять, и много груза не поднимут. ТРД на 4 маха исторических примеров не имеет, может его и можно построить, но на мой взгляд слишком сложный двигатель получится.

Насколько я помню, SR-71 приходилось постоянно нырять вниз для дозаправки, так что концепция максимальной топливной эффективности не кажется мне главной. А вот уметь создавать тягу на 3М - это проблема.

Про РПД и ТРаД почитаю, спасибо.

Форсирование ТРД, как мне кажется, вряд ли поможет - нам же скорость нужна, с тягой проблем нет.

Я думал про наклонную эстакаду, но это вообще ад получается. Горизонтальная по крайней мере технически проще. С шасси проблем нет - взлетаем с телеги, садимся на простые выдвижные лыжи. С крылом тоже проблем не будет - вспомните, какое маленькое крыло было на F-104. А тут мы взлетаем сразу на 1,5 М.

[fan-d-or.livejournal.com]

>> ТРД на 4 маха исторических примеров не имеет, может его и можно построить, но на мой взгляд слишком сложный двигатель получится.

Не было в эксплуатации самолётов со скоростью М=4.

Но вполне жизнеспособные проекты были - к примеру, у тех же микояновцев в 90-е годы был в проработке проект ударного самолёта с крейсерской скоростью больше 4000 км/ч.

Ну, и Валькирию и Сотку забывать не следует.

А уж то, что на стендах и в лабораториях - это отдельная тема.

Повторю ещё раз, что не следует смешивать максимально достижимое число М и самолёт/двигатель с такой крейсерской скоростью и заданной дальностью полёта.

>> Насколько я помню, SR-71 приходилось постоянно нырять вниз для дозаправки, так что концепция максимальной топливной эффективности не кажется мне главной. А вот уметь создавать тягу на 3М - это проблема.

С точностью до наоборот - БлэкБёрд взлетал пустым, заправлялся над аэродромом базирования и дальше пилил через СССР, где ему дозаправку никто не обещал.

Проблема не в тяге - проблема именно в низкой общей эффективности ЛА, не представляющего интереса с точки зрения транспортной задачи на заданную дальность.

При разгоне РН вопрос дальности вообще не стоит и потому АВИАЦИОННЫЕ критерии эффективности неприемлемы...

>> Форсирование ТРД, как мне кажется, вряд ли поможет - нам же скорость нужна, с тягой проблем нет.

Критическим моментом является отрыв от стартового стола, для чего нужна тяговооружённость не менее 1.2 - а на самом деле и побольше, с учётом гарантии безопасности при возможном частичном отказе ДУ.
Разгоняться до нужной скорости на большой дистанции, находясь в воздухе - проблема гораздо меньшая.

ХИНТ: тяга ТРД Р15-300 с эжекторным соплом на микояновском же Е-152 составляла более 17 тонн на режиме максимальной скорости и высоты, при том, что стартовая тяга не намного превышала 10 тонн...

>> С крылом тоже проблем не будет - вспомните, какое маленькое крыло было на F-104. А тут мы взлетаем сразу на 1,5 М.

Хе-хе...

Мне довелось поработать на ракетной дорожке в Фаустово (НИАИ) - что происходит при сходе телеги с рельсов, выглядит очень весело.

При том, что скорости там были вовсе не сверхзвуковые - то есть, энергетика процесса на порядки меньше.
Куда отправится сверхзвуковая телега, если ей не понравится состояние пути - я помыслить боюсь...

[lozga.livejournal.com]

Проекты не считаются. Валькирия и сотка - те же 3М, увы и ах.

Взлетал пустым, заправлялся, прыгал вверх, заправлялся, и т.д.
Supersonic flights generally lasted no more than 90 minutes before the pilot had to find a tanker (http://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_SR-71_Blackbird#Fuel)

Ну оторвались вы от стартового стола, отлично. Но если у вас на 3,5 М расплавится двигатель, 5 М вы никак не достигнете, как бы вы двигатель не форсировали.

Да, в случае схода с рельсов будет большой бадабум. Но это не отменяет успешного опыта эксплуатации десятилетиями.