Куриозни факти от ракетната техника

[Exhemus]

Ние сме добре информирани за всички клюки около ракетите и космическите кораби, но малко информация има за техническите подробности, които не са видни от бегъл поглед. Много бъдещи и изпечени инженери си задават въпроса:  Как е устроено това и защо? Те сигурно знаят за общите принципи, според които е построена ракетната техника - физически, химически и конструктивни. 
Обаче именно тънкостите са куриозното. Те именно изцеждат до последна капка всичко, което позволява природата. Ракетната техника съдържа на пръв поглед стандартни технически възли, но фактически те хич не са стандартни и понякога са точно обратното, на това което очакваме.

Ще заппочна със метановите двигатели, заради последните клюки, макар, че ми се щеше да ги оставя за по-нататък, понеже са нещо сложно.
Състезателите са Спейс Х и Блу Орижин

Ето достъпните технически данни:

Raptor 

Status    Under development
Liquid-fuel engine
Propellant    Liquid oxygen / liquid methane
Mixture ratio    3.55 (78% O2, 22% CH4)
Cycle    Full-flow staged combustion
Pumps    2 turbopumps
Configuration
Chamber    1
Nozzle ratio    40 (sea-level), >150 (vacuum)
Performance
Thrust    90–225 tf (0.88–2.21 MN)[3][4]
Throttle range    40–100%[3]
Thrust-to-weight ratio    
200, sea-level, goal[5]
<120, vacuum[6]
Chamber pressure    
300 bar (4,400 psi)[7][8]
330 bar (4,800 psi),[4] ~7 s test
Isp (vac.)    378 s (3.71 km/s)[9]
Isp (SL)    330 s (3.2 km/s)

BE-4
Propellant    Liquid oxygen / Liquefied natural gas
Under development
Performance
Thrust (SL)    2.4 MN (240 tf; 540,000 lbf)
Chamber pressure    134 bar (1,940 psi; 13.4 MPa)

Тук ще добавя, че BE-4 работи с богата на кислород смес
Mixture ratio  >4 (точната стойност не е дадена), докато при 
Раптор  Mixture ratio 3.55. Точното стехиометрично съотношение
при метан е 4 (тегловно)
Тук трябва да отговоря на резонния въпрос - защо се ползва нестехиометрично съотношение? Защо трябва да се носи празно тегло (гориво или окислител), които така и няма да добавят енергия. Няма ли това значително да влоши параметрите на ракетата?
Оказва се, че няма! 
Първо - макс. температура в двигателя спада значително (при совалката от 2600 С спада на 2200 С)
Второ - подобрява се адиабатния коефициент капа. Това значи, че при даден лимит на разширение на газовете /това е отношението на площта на гърлото към тази на изхода на двигателя/ ще се извлече максимална енергия като скорост на газовете (останалата просто им вдига температурата)

  Защо при нестехиометрично съотношение се вдига капа-та? Защото триатомната вода, бидейки
  изходен продукт има ниско капа = 1.38, докато двуатомните кислород и водород(от метана) имат
  капа = 1.42-1.43 .  Разликата изглежда малка, но във формулите за ефективност капа е във  степенния показател.

 Двата двигателя се различават, ако сте забелязали, по това, че БЕ-4 използва повече кислород,
докато Раптора - повече гориво. Ако при Раптора се получава доста водород при разложението на метана, то той ще спечели до 0.01-0.02 макс. по-голямо капа. Не ми се вижда чак толкоз много?
Обаче, при БЕ-4 има едно съществено предимство, благодарение на което дължината на ркетата може да се скъси до 1/3. Това е, че плътността на метана е 0.4-0.5 кг/л, докато на кислорода е 1.43 кг/л. Съотношение в полза на метана иска огромен резервоар. Оттук БЕ-4 печели сериозно от спестяване на общо тегло на ракетата. Раптора, освен това, ще страда от образуването на нагар, който всеки път трябва внимателно да се изчегъртва (нали ще е многоразов?) Друг проблем при него може да е водородната крехкост на металите.
 
 Друга разлика е, че Раптора работи с макс. налягане 300-330 атм.,докато БЕ-4 със 134 атм.
 Естествено това ще даде доста по-добър КПД на Раптора, но вдигането на такова налягане
 създава сериозни проблеми с турбопомпата, особено за метана. Кавитация и кипене вътре в помпата може да докарат срив в налягането и въобще тоя възел притежава изначална ненадеждност, при тези зададени параметри. Помпата няма да издържа на многоразовост, а разглобяването и проверките може да сведат на нищо ползата с подарък ненадеждност.
 
  

[Exhemus]

Ракетите са по-тънки от черупка на яйце

За пример може да вземем външния резрвоар на совалката:
Empty weight:  26,500 kg
Gross liftoff weight: 760,000 kg

При тегло 26 тона повърхността на всички обшивки е ~ 1400 кв.м

Обшивките обикновено се изготвят от листове алуминий-литиева сплав с дебелина ~5сm, като по-голямата част от материала се отфрезова за да се получи решетчата сгруктура. 
Пита се - колко материал остава за самата плоскост?
Ако проемем грубо, че това е половината тегло излиза:

  САМО 3 мм дебелина на стените.

 При това положение резервоарите едва ли ще издържат 4 атм., като работното налягане може да достигне 2.5 атм.
 Запасът по якост е нищожен, което значи абсолютно прецизна изработка и контрол до милиметър на заваръчните шевове.
 
 Съвременните ракети не могат да издържат собственото си тегло и трябва да бъдат предварително надути с налягане 1.5 -2.5 атм и до последно трябва да има непрекъснат мениджмънт на това налягане.
 Видяхте Мъск като не ги разбираше тия работи, как му се спихваха старшиповете?
 
  Водородният резервоар, който е отдолу трябва да понесе и теглoто на кислорода отгоре ~550 тона + макс. динамично натоварване ~100 тона и всичко това умножено по максималното ускорение, което не би трябвало да надвишава 1.5 g. 

  Акълът ми не побира как може това да е възможно? Даже доста леко дадох
полвината тегло за обшивката. А то има още укрепващи и поемащи точковите товари структури,
тръбопроводи, анти-плискащи решетки и външната изолационна пяна. 
  
  За твърдогоривните бустери директно е дадено: 13 мм дебелина на стените специална стомана.
  
 Интересна е втората степен на Атлас - Центавър, която е с дебелина на стените 0.57 мм стомана!! Много е интересно как са надени листовете, защото тез дето са заваряли могат да кажат колко е терсене такъв тънък лист.
  
  Ракетата SLS копира голяма част от технологиите на совалката, но при нея няма как теглото да не е двойно по-голямо, защото отгоре ще стоят горните степени + полезния товар - около 400 тона. Хубавото е, че товарът е по-равномерно разпределен.
 

[Реконструктор]

Работата е там, че точно налягането вътре ги прави доста по-здрави. Резервоара се прави с отчитане на налягането, което има доста сериозен принос в товароносимостта на конструкцията. За да не бъда голословен, ето малко сметки:

https://books.google.bg/books?id=nwFPDwAAQBAJ&lpg=PA1&hl=bg&pg=PA80#v=onepage&q&f=false

Имаме 2 мм стени от дуралуминий и 2 бара налягане вътре. Под "критическая сжимающая нагрузка" (т.е. параметъра Рн) разбирай масата, която ти трябва да сложиш отгоре на резервоара за да го сгънеш/деформираш. При 2 бара налягане Рн = 98 т. При липса на налягане Рн = 31.5 т. Тоест налягането увеличава товароносимостта повече от тройно.

[Exhemus]

В тази връзка да спомена куриозната ракета Атлас, която има изкючително дълъг живот от 1958 до днес.

Конфигурацията Atlas D     1962г.  се води  ракета   с 1.5 степени?  Това ще го обясня сега:

Обикновено когато една степен приключи, тя отпада цяла - двигатели, резервоари - т.е. всичко.

При Атлас отпадат само 2та стартови двигателя заедно с малко поддържаща структура. Затова се смята, че отпада 1/2 степен.

Тези двигатели се захранват от основните резервоари на ракетата. Нагоре тя продължава с един двигател, който е даже по-малък.

Защо се постъпва така? Защо да се карат в космоса полупразни резервоари?

Защото тази ракета е единствена от иновационния балонен тип. Частично това ще се повтори чак при Фалкон9.

При Атлас, обаче, нещата са стигнали до крайност - ракетата не е в състояние да издържи собственото си тегло даже когато е празна. Затова още във фабриката се надува с 0.35 атм Азот, а при полет трябва да поддържа едно по-голямо налягане.

Какво се постига с това? -  самата ракета няма и 5% от стартовата маса/без полезния товар/. След като се изхвърлят двата двигателя, остават 2%. При това положение, решението съсъ пълна 1ва степен/със собствени резервоари/ плюс присъединителни структури, би тежало повече  

Фалкън9 празен може да издържа себе си. Налягане му е нужно, само когато е пълен.

Дали Starship повтаря тая концепция или тая на Фалкън 9 /полу/ не е ясно? Можем да гадаем за това от момента, когато Мъск втаса за резервоари от тънки стоманени листове и започна да си играе. Тогава една от играчките му колапсира, заради неразбиране мениджмънта на налягането. От там току се разбра, че е усвоил/присвоил/ балонната концепция? Друго нещо, което подсказва, че е така, беше транспортирането на колосалния бустер върху автомобилна платформа във вертикално положение. Автомобилните гуми поддават доста и нормална ракета би се гътнала от раз. Обаче този балонен бустер има съсредоточена маса само на дъното си - това са двигателите. Така че, представлява една гигантска неваляшка  

  

 

 

 

[Exhemus]

Цък: Изключително интересен филм за тези, които си задават въпроси как и защо се прави това или онова в ракетната техника. 

Тур из фабриката на УЛА за ракети в Дакатър, който наднича почти във всяка тънкост на правенето!

В  тази фабрика се правят ракетите: Атлас, Делта4, Центавър и новата Вулкан.

Ще видите как от Алуминиевите листове се отфрезова структура, при която се махат 2/3 от метала, но остава 75% от здравината,

как листовете се оксидират и галванизират за издържливост на корозия, после как се огъват ръчно, защото роботите го правят по-зле от лелките на това работно място. Листовете се заваряват да образуват варел  после се заваряват полусферичните шапки. Всичко това чрез фрикционна заварка, която не достига точката на топене и така се запазвала структурата на метала. (заваръчните глави бяха единственото ноу-хау, което се криеше от камерата)

На 40 минута ще видите полуготова шапка от стоманен лист за Центавър-горна степен и ще се уверите, че е истина по-горе споменатата дебелина на листа 0,57 мм - той просто потъва като го натиснеш с пръст     Центавъра стои разпънат на специален стенд, докато не стане готов да се надуе с налягане, защото е готов да се намачка. Всъщност той е една огромна торба