novosti-kosmonavtiki-2

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » novosti-kosmonavtiki-2 » Средства выведения и другие технические вопросы. » Инженерные особенности возвращаемых ступеней РН


Инженерные особенности возвращаемых ступеней РН

Сообщений 1 страница 17 из 17

1

Настало время поговорить о возвращаемых ступенях РН без парашютной системы. Про экономность, про инженерные решения, про стабилизацию, про работу и режимы работы двигателей.
Начинаем:
https://forpost-sz.ru/a/2017-05-01/mnog … peni-raket
Караван идет
Пока другие спорят о достоинствах и недостатках возвращаемых ступеней, SpaceX продолжает накапливать уникальный опыт эксплуатации многоразовых систем. Модернизируются двигатели, совершенствуется программное обеспечение, не стоит на месте авионика. В итоге мощности ракет растут, а цена и без многоразовости остается самой выгодной на рынке.
Но даже несмотря на успешный первый опыт, Илон Маск заявляет, что Falcon 9 требует доработки. Согласно планам миллиардера, через год первые ступени можно будет использовать до 10 раз. В долгосрочной перспективе - до 100 раз.
Россия же тем временем исключила проект многоразовых первых ступеней из Федеральной космической программы. На эти цели планировалось выделить 12,5 млрд рублей. В Роскосмосе убеждены, что на данном этапе нужно удешевлять одноразовые ракеты, а не вкладывать деньги в разработку возвращаемых систем. Что окажется правильным: инвестиции или экономия - покажет время.

2

В России тоже есть изобретения в этой области:
https://yandex.ru/patents/doc/RU2609547C1_20170202
Из описания
Реферат
Группа изобретений относится к многоразовым возвращаемым ракетно-космическим системам, способным совершать пилотируемый полет в атмосфере. Способ работы возвращаемой ступени ракеты-носителя включает ее разгон на активном участке траектории при помощи ЖРД, управление при помощи рулевых камер и возвращение при помощи двух ГТД. ГТД запускают в разреженных слоях атмосферы, используя вспомогательный газогенератор для компенсации нехватки атмосферного воздуха для работы ГТД. Возвращаемая ступень ракеты-носителя содержит фюзеляж, баки окислителя и горючего, крылья и по меньшей мере один жидкостный ракетный двигатель. К фюзеляжу прикреплены два боковых блока с ГТД. В верхней части боковых блоков выполнены воздухозаборники. ГТД может содержать перед основной камерой сгорания кольцевой коллектор. Основная камера сгорания может содержать по меньшей мере одно запальное устройство. ГТД могут быть оборудованы соплом с управляемым вектором тяги. Техническим результатом группы изобретений является обеспечение повышения надежности возвращения ступеней и работоспособности ГТД на больших высотах.

3

Из справочника министерства обороны РФ:
http://dictionary.mil.ru/folder/123087/item/130058/

ВОЗВРАЩАЕМАЯ СТУПЕНЬ РН - ракетная ступень многократного использования, имеющая в своем составе технические средства, обеспечивающие (после окончания работы ракетного двигателя) ее спуск в атмосфере и мягкую посадку на поверхность Земли (сушу или воду). В общем случае полет возвращаемой ступени включает активный участок, движение с момента отделения от последней ступени до входа в плотные слои атмосферы, спуск, участок приземления и мягкую посадку.

4

"Прошерстил" доступные по электронным базам патенты раздел B64G 1-14. Ну, наши молодцы от Макеева, Хруничева и Энергии. Такие описания, такие ссылки, а результат: "...отличающиеся тем, что тросик идет снаружи.... ". И все в таком духе. Мишин молодец, один получил патент в 1997 году. Когда успел...
Так вот искал я по синонимам и "топонимы" (неправильно понимал я это слово) нашел такое : "Динамическое устройство для возвращения ступеней РН". Или более конкретно: "Посадочное устройство космического корабля". Опять же наши из Энергии.
На наиболее подходящим мне показалось описание из журнала "Все о космосе":

https://aboutspacejornal.net/2018/07/19/возможные-схемы-полёта-отделяющейся/

Попробую сам поискать в патентной библиотеке, а то все какие-то платные услуги просят... Не для того физики интернет создали, а что бы был свободный обмен информацией. Как же-с...

5

Теперь о посадке.Я бы конечно предпочел самолетную, но чего нет ,того нет .Для ракетной посадки как известно нужны двигатели малой тяги,тк столь значительно дефорсировать ЖРД да еще и с вакуумным соплом не получится.Как быть!?Оказывается не так уж и сложно.А поставим ка мы на РН два ТРД.Вроде как утяжеляем РН да и какой смысл возить их туда сюда?Обычный ТРД практически без переделок будет также хорошо работать с атмосфере этана,если "топливом" будет жидкий кислород! Если взять например ТРД АЛ-41Ф,тягой 18 т на форсаже то он почти подходит для посадки.Итак берем два ТРД.У них управляемый вектор тяги,это еще и рулевые двигатели.И Выбрасываем ТНА, точнее турбоагрегаты.Теперь НА будут крутить ТРД.На выводе ТРД работают на этане из баков с дожиганием в форсажной камере.Управляемый (относительно)полет и посадка на атмосферном кислороде и этане(или водороде) .Напомню ТРД гораздо надежнее ЖРД.  Из темы о КОРОНЕ.ПМСМ простенько и со вкусом.

6

Юрий, ну предложения по этому есть (см. второй пост в теме). Но..., накладно, имея ЖРД еще и ТРД таскать. А капризов сколько у ТРД? А с какой высоты ТРД будет запускаться? Выгода сомнительная, учитывая даже разработку Як-141. Не экономично. Вот чертеж из вышеуказанного патента:
http://s3.uploads.ru/t/aIzmv.jpg

А это схема спасения ступеней по высоте, скорости, дальности (источник указан выше):
http://s7.uploads.ru/t/zI5rs.png

Отредактировано Сергей Подкорытов (23.04.2019 17:00:18)

7

Нет, а что там у инженеров SpaceX в хвостовой части:
http://s8.uploads.ru/t/r7130.jpg

http://s8.uploads.ru/t/tFmai.jpg

Заметили фотографа..., а вот на первом снимке что у монтажников за пневмоблок?

Отредактировано Сергей Подкорытов (23.04.2019 17:19:08)

8

Сергей Подкорытов написал(а):

Юрий, ну предложения по этому есть (см. второй пост в теме). Но..., накладно, имея ЖРД еще и ТРД таскать. А капризов сколько у ТРД? А с какой высоты ТРД будет запускаться? Выгода сомнительная, учитывая даже разработку Як-141. Не экономично. Вот чертеж из вышеуказанного патента:

Сергей видимо ты не понял,что сказано в этом сообщении,похоже оно слишком короткое.Это весьма хитрое использоване ТРД.Изменение касается КС и форсажной камеры в них ставится два комплекта форсунок.больше никаких переделок не требуется.При старте вместо воздуха к воздушный тракт подается газифицированный этан,а через форсунки жидкий кислород поддерживающий горение.После турбины избыток этана сжигается в ФК.То есть из ТРД получается полноценный (по качествам )ЖРД малой тяги дополняющий основные ЖРД и благодаря УВТ служащий ещё и рулевым двигателем .После разгона он может запускаться на любой другой стадии полета(торможение ступени.управление.При посадке открывается воздушный тракт и после короткого перерыва  через второй комплект форсунок в КС  и ФК подается этан служащий уже топливом ТРД.

9

Юрий - сложно. Посмотри по высотам, посмотри, где первый раз надо включить "обратную" тягу. Ну как при  обратном полете забирать воздух из атмосферы для ТРД. Проще надо. Кстати вроде нашел описание и автора устройства для динамической посадки Орла 9:
https://space.stackexchange.com/questio … -well?rq=1

Вот этот инженер видимо принимал участие в разработке Steve Jurvetson:
http://s5.uploads.ru/t/5pGW9.jpg

Судя по старым твитам многие высказывали сомнение, что без аэродинамических плоскостей можно посадить ступень.
А вот посадили!

Отредактировано Сергей Подкорытов (24.04.2019 08:10:33)

10

Сергей Подкорытов написал(а):

Юрий - сложно. Посмотри по высотам, посмотри, где первый раз надо включить "обратную" тягу. Ну как при  обратном полете забирать воздух из атмосферы для ТРД. Проще надо.

Проще не бывает!Запускать его можно на любой высоте(в режиме ЖРД)КОРОНА в отличие от Сокола летит не .опой,а носом вперед,торможение пассивное, абляционное покрытие и посадка через горку,по вертикали.

11

темников юрий написал(а):

КОРОНА в отличие от Сокола летит не .опой,а носом вперед,торможение пассивное,

Какое в этом случае у нее торможение? Как у снаряда из пушки?

темников юрий написал(а):

абляционное покрытие

Это сколько же тонн оно будет весить то для такой площади? И его после каждого полета обновлять?

темников юрий написал(а):

посадка через горку,по вертикали.

"Горку"-разворот она за счет чего делать будет? Крыльев нет, аэрорулей нет...

12

persey4ik написал(а):

Какое в этом случае у нее торможение? Как у снаряда из пушки?

persey4ik написал(а):

Это сколько же тонн оно будет весить то для такой площади? И его после каждого полета обновлять?[/qu
"Горку"-разворот она за счет чего делать будет? Крыльев нет, аэрорулей нет...

Корона, это конус с диаметром основания 9 м и массой при посадке 30-35т (ПМСМ),вполне достаточно из-за низкой плотности для аэродинамического торможения.2.У них хитрая  идея из трёх "тупеющих кпереди конусов.Абляционная защита только на верхнем,остальное в аэродинамической тени.Шапку можно снять и поставить новую,старую в ремонт.Система задумана как блочная,с быстрой заменой блоков.3.В их предложении это многокамерный  аэроспайк управление разнотягом..У меня,аэроспайка пока нет,два РД-0120плюс два-три ТРД АЛ-31Ф с УВТдля управления вектором полёта.Проект(Макеевцев) выдержал  проверку в ЦНИИМАШе.

Отредактировано темников юрий (26.04.2019 10:48:36)

13

Нам нужен воздушный старт.
Но не на высоте 10км и не на скорости 0.8 маха, надо повыше.

В чем суть воздушного старта, мы переводим часть системы вывода из одноразового применения в регулярное.

Сейчас у нас есть "воздушный" старт одноступа весом 100 тонн+ПН на высоте 70км, и скорости 1600-2300 метров в секунду.
Потом одноступ улетает в даль, а носитель "воздушного" старта летит сажаться или на баржу в океане или на землю.

даже в этом случае цена высока, потому что мы теряем наш одноступ полностью и на его 100 тонн веса, у нас тонн 5 полезного груза.

можно поднять высоту и скорость разделения еще больше в последнем запуске тройного воздушного старта разделение было на высоте 100км,  и скорости 2980 метров в секунду.
а три модуля воздушного старта разлетелись на посадку кто куда.

вероятно это предел параметров разделения, выше и быстрее будет большой нагрузкой при посадке нашей многоразовой части.

как тогда увеличивать выводимый груз ?
только увеличивая размер многоразовой "воздушной" части.

если помечтать то у нас ультимативная "воздушная" часть, весом тонн 3000
что бы детали все прочные, что бы не фольга, а жесть, что бы двигатели не на последнем пределе, и что бы запасные были.
и пусть эта махина садится туда откуда прилетела, ну или по трассе запуска на площадку.
пусть она выводит на наши 100км и 3000м\с тонн 300. 
из которых тонн 30 полезная нагрузка на НОО, остальные 270 тонн как то распределены между 1) топливом для вывода 2) топливом для торможения 3) сухой массы включая защиту при спуске.

в итоге обе части многоразовые.
первая "воздушная" 100км и 3000м\с совсем многоразовая
вторая одноступ возвращаемый - частично многоразовая - осмотр, замена теплозащиты.

в этой фантазии самое интересно что человечество уже может сделать это.
но первоначальные вложения будут гигантскими, и нужна такая система только на большой поток грузов.

гениальность Маска не в том что он "как то сделал" частичную многоразовость
а в том как он ее сделал.

он взял уже существующую первую ступень, и путем косметических изменений, типа ножек, мухобоек и софта компа сделал ее "воздушным" стартом
с параметрами до которых любым самолетам никогда не добраться.
70км и 2000 м\с как никак.

При этом эту же ступень можно использовать и в одноразовом варианте, в процессе тренировок ступень продолжала выводить грузы на орбиту.
И только потом он стал делать BFR

А другие пока делают какие то уникальные самолеты годами, и эти самолеты весьма кривые, и в лучшем случае увезут ракету на высоту 10км и скорость 250 м\с
ха ха ха

Крылатые первые ступени вариант уже лучше, но тоже убогий.
Складные не особо прочные, плюс точка отказа
Не складные будут тормозить на этапе вывода.
Сами крылья весьма не хило весят, требуется упрочнение ступени в месте крепления крыльев.
Для шасси надо опять вес.
На высоте 100км от крыльев толку не особо, на большой скорости их будет отрывать, то есть тормозить двигателем все равно надо.
Ступень с крыльями и без это две совсем разные ступени, просто взять первую ступень Союз-5 и крылья прибить не выйдет, в отличии от мухобоек и ножек.
Понизить высоту разделения, что бы крылья работали сразу же, без двигателя ? Потери на одноразовом участке возрастут. Придется делать не одно ступ, а 2 ступени.

Итого.
Хотим большой поток без экзотики типа лифта, эм катапульты ?
Строим большую пребольшую ракету.
Первая ступень ультимативно надежная и тяжелая.  Выводит вторую на параметры 100км и 3 км\сек.
Садиться на своих двигателях и топливе, желательно в место старта.
Вторая ступень тяжелая из за защитных покрытий, выводит ПН на НОО.
Далее тормозит двигателями до каких то разумных параметров типа 120 км и 4км\сек и начинает об воздух тормозится и на посадку,
где периодически притормаживает двигателями..

Обновление покрытия, состыковка 1 и 2 ступеней, заправка и новый цикл.

Отредактировано horror_customs (26.04.2019 14:18:26)

14

Я когда просматривал патенты в области динамически возвращаемых ступеней РН - обратил внимание,  что большое количество патентов получено одним изобретателем. Как выяснилось только в области ракетостроения у него 200 изобретений не старше 4 лет. И вспомнил я, что в СССР на авторские было правило предоставления модели или образца изобретения. Посмотрел правила подачи заявок в РФ и вот выжимка из них:

2.2.1. Предложения, которые не считаются изобретениями согласно  пункту 2 статьи 4 Закона.

Не считаются изобретениями, в частности:
.....
решения, касающиеся только внешнего вида изделий и направленные на удовлетворение эстетических потребностей;
.......
......
решения, заключающиеся только в представлении информации.
Положения данного пункта исключают возможность отнесения перечисленных объектов к изобретениям только в случае, если заявка на изобретение касается указанных объектов как таковых.

Но это не очень внимательный взгляд, но в правилах я не вижу предоставление полезной модели или образца?!
Так вот этот товарищ работает поверенным в конторе по оформлению изобретений. Шут его знает, может и правда должен быть явочный порядок подачи, но могу сказать когда оформляли заявки в патентном отдели у двигателиста Микулина (ММЗ "Союз") и проводили поиск, то в последнюю очередь лезли в вывезенные в 1945 году патенты из Германии и чаще все находили ближайшие. Я кстати, тоже разок согрешил с заявкой на блок микродвигателей СПК - уж такую формулу придумал, что через месяц положительное решение пришло. А в общем то заявка шла на компоновку.
Мое мнение патент надо получать на промышленный образец.

15

темников юрий написал(а):

У них хитрая  идея из трёх "тупеющих кпереди конусов.Абляционная защита только на верхнем,остальное в аэродинамической тени.

Опа. Из Короны "Елку" сделали. ))) Имхо, тормозится надо раньше и большей площадью - то есть боком. Торможение эффективней. И естественно современной многоразовой керамической защитой. Как шаттл. Но шаттлу нужен специфический аэродром, а надо в идеале на любое ровное место.
==========================================
horror_customs Со всем согласен. Также рассуждал.

16

Ну, посмотрел патент у серьезных людей из промышленности и вот старая ссылка:
https://aboutspacejornal.net/рн-falcon-9/

Для тех кто ленится кликнуть:

1.Импульс перехода на обратный курс При возврате к месту запуска на посадочную площадку, вскоре после расстыковки ступень использует продолжительное (~40 с) включение трёх двигателей для изменения направления своего движения на противоположное, выполняя сложную петлю с пи́ковой высотой около 200 км, при максимальном отдалении от стартовой площадки до 100 км в горизонтальном направлении.
     В случае посадки на плавающую платформу после запуска на низкую околоземную орбиту, ступень по инерции продолжает движение по баллистической траектории приблизительно до высоты 140 км. При приближении к апогею производится торможение тремя двигателями для сброса горизонтальной скорости и задания направления к платформе, находящейся приблизительно в 300 км от места запуска. Длительность работы двигателей составляет около 30–40 секунд.
     При запуске спутника на геопереходную орбиту первая ступень работает дольше, используя больше топлива для набора более высокой скорости до расстыковки, резерв оставшегося топлива ограничен и не позволяет выполнить сброс горизонтальной скорости. После расстыковки ступень двигается по баллистической траектории (без торможения) по направлению к платформе, расположенной в 660 км от места запуска.

2. Импульс вхождения в атмосферу.
В процессе подготовки к вхождению в плотные слои атмосферы первая ступень осуществляет торможение путём включения трёх двигателей на высоте около 70 км, что обеспечивает вход в плотные слои атмосферы на приемлемой скорости. В случае запуска на геопереходную орбиту, в связи с отсутствием предыдущего манёвра торможения, скорость ступени при вхождении в атмосферу вдвое (2 км/с против 1 км/с), а тепловая нагрузка в 8 раз больше соответствующих значений при запуске на низкую околоземную орбиту. Нижняя часть первой ступени и посадочные стойки выполнены с использованием термостойких материалов, позволяющих выдержать высокую температуру, до которой нагреваются элементы ступени при входе в атмосферу и движении в ней.Продолжительность работы двигателей также разнится в зависимости от наличия достаточного резерва топлива: от более продолжительного (25–30 с) при запусках на НОО до короткого (15–17 с) для миссий на ГПО.На этом же этапе раскрываются и начинают свою работу решетчатые рули для контроля рыскания, тангажа и вращения. На высоте около 40 км двигатели выключаются и ступень продолжает падение до достижения конечной скорости, а решетчатые рули продолжают работать до самой посадки.
http://s5.uploads.ru/t/jibMk.jpg

    3.При достаточном резерве топлива включение одного, центрального, двигателя происходит за 30 секунд до посадки и ступень замедляется, обеспечивая мягкую посадку по схеме, отработанной в рамках проекта Grasshopper. Посадочные опоры откидываются за несколько секунд до касания посадочной площадки.

Дополнение от 29.04.19
Маск не перестает удивлять. Учитывая сложность транспортировки к побережью 2 ступени он хочет, чтобы 2-ю ступень дозаправили на корабле-платформе и запустили до точки старта.
За такое уже Нобелевскую надо давать, если сделают.

Отредактировано Сергей Подкорытов (29.04.2019 20:25:36)

17

Посмотрел "Космическую среду" № 300, впечатлился разработкой возвращаемой ступени РН "Амур":
https://www.youtube.com/watch?v=Kgv_H2Rd44E


Вы здесь » novosti-kosmonavtiki-2 » Средства выведения и другие технические вопросы. » Инженерные особенности возвращаемых ступеней РН