Отиди на
Форум "Наука"

Куриозни факти от ракетната техника


Recommended Posts

  • Потребител

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.
 
  

Link to comment
Share on other sites

  • 2 месеца по късно...
  • Потребител

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.
 

Link to comment
Share on other sites

  • Потребител

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.

Link to comment
Share on other sites

Напиши мнение

Може да публикувате сега и да се регистрирате по-късно. Ако вече имате акаунт, влезте от ТУК , за да публикувате.

Guest
Напиши ново мнение...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Зареждане...

За нас

Вече 15 години "Форум Наука" е онлайн и поддържа научни, исторически и любопитни дискусии с учени, експерти, любители, учители и ученици.

 

За контакти:

×
×
  • Create New...