Незаметные сложности ракетной техники: Часть 4. Ещё про двигатели и баки

Разнообразна и неприятна дань, которую приходится платить несовершенству нашего мира разработчикам ракетной техники. Сегодня мы поговорим о том, чем приходится платить за повышение параметров жидкостных реактивных двигателей и о тех незаметных проблемах, которые ждут проектировщиков баков.

Схемы работы ЖРД

Существование разных схем, позволяет разработчикам выбрать нужную, с желаемыми достоинствами (простота использования, легкость производства, высокая тяга или высокий удельный импульс) и приемлемыми недостатками.

Вытеснительная подача

Самый простой вариант. Давление газа наддува (сначала был азот, теперь массово перешли на гелий) обеспечивает необходимые параметры давления на входе в двигатель. На вытеснительной подаче проводились первые ракетные эксперименты ГИРДа и Годдарда но она не сошла со временем со сцены. Эта схема используется в двигательных установках спутников и космических кораблей. «Союзы», «Шаттлы», «Аполлоны» использовали её. Особенно хорошо вытеснительная подача сочетается с топливной парой НДМГ/АТ из-за её самовоспламенения. Получается простой, надёжный двигатель с возможностью многократного включения.

Достоинства:

• Простота.
• Надежность.
• Дешевизна.
• Нет потери массы на турбонасосный агрегат.
• Высокая эффективность для двигателей небольшой тяги

Недостатки:

• Низкий удельный импульс.
• Плохо подходит для двигателей большой тяги.

Открытая схема

Для повышения тяги, удельного импульса и мощности двигателя уже нужен был насос. Требуемые параметры могла обеспечить только турбина. В первых «настоящих» ракетах — «Фау-2», «Р-7» для привода турбины использовалось отдельное рабочее вещество — концентрированная перекись водорода, но затем перешли на сжигание небольшой доли топливных компонентов. Выхлоп газогенератора сначала просто сбрасывали в сторону, получался очень эффектный факел:


Стартует РН «Атлас». Обратите внимание на размер, мощность и цвет факела. Наглядно видно, что ТНА работает на избытке горючего, которое догорает в атмосферном воздухе.
Дренаж генераторного газа напрямую за борт выглядел расточительно, поэтому его начали направлять в закритическую часть сопла — и чуть-чуть УИ добавит, и как завеса сработает:


Классическая картинка — двигатель F-1
Впрочем, у дренажа газогенератора открытой схемы есть ещё один интересный вариант использования — как двигатель управления по крену:


Вторая ступень РН Falcon-9. Поворот выхлопного патрубка приводит к возникновению закручивающей силы, которая управляет креном ступени.
Посмотреть в динамике (с третьей минуты)
Открытая схема используется и сейчас, и вряд ли исчезнет в ближайшем будущем. За счет относительно небольшой потери УИ она позволяет сделать более мощный двигатель (F-1) или более дешевый двигатель (RS-68) или сделать возможной разработку для коллектива с ограниченными ресурсами (Merlin).

Достоинства:

• Проще и дешевле закрытой схемы.

Недостатки:

• Меньший удельный импульс, чем у закрытой схемы.

Закрытая схема

Логичным решением для повышения УИ двигателя явилась попытка направить выхлоп газогенератора в камеру сгорания, чтобы он сгорел в лучших для создания тяги условиях. Эта задача оказалась достаточно сложной — в камере сгорания очень большое давление, возникают дополнительные вопросы устойчивости работы двигателя, потому что добавляется ещё одна обратная связь «ТНА-камера сгорания». Двигатели закрытой схемы первым начал делать СССР — НК-15 и НК-33 ставились на тяжелую ракету Н-1, РД-253 работает на «Протоне». США достаточно поздно занялись этой схемой — первым ЖРД закрытой схемы США стал маршевый двигатель шаттла SSME, который, зато, стал первым двигателем закрытого цикла на паре кислород/водород.
Восхититься сложностью двигателя





Достоинства:

• Наибольший УИ.

Недостатки:

• Самая сложная и дорогая схема.

Схема с фазовым переходом

Элегантный «хак» физики ракетного двигателя — необходимость охлаждать сопло двигателя используется как источник энергии для работы турбонасосного агрегата. Схема была придумана для двигателя RL-10, который уже пятьдесят лет используется в разгонном блоке «Центавр».

Достоинства:

• Нет потерь массы на ТНА.
• Простота конструкции.
• Надежность.

Недостатки:

• Пригоден только для пары кислород-водород.
• Давление ниже, чем в схеме с ТНА, следовательно, УИ ниже.

Внутренности баков

Внутри баков ракеты-носителя тоже много интересного. Баки стоят один над другим, поэтому нужны трубопроводы подачи «верхнего» компонента, трубопроводы наддува, а также, может быть, надо решать проблему нахождения рядом компонентов топлива с разной температурой. А ещё есть проблема колебания топлива, которую тоже надо решать.

Трубопроводы компонентов

Это — бак горючего (нижний) первой ступени ракеты-носителя «Сою-2.1в». Обратите внимание на большую трубу с гофрированной оболочкой. Это — трубопровод окислителя. Поскольку окислителем является жидкий кислород, то необходимо поставить теплоизоляцию, чтобы на трубе не намерз керосин. Увы, всё это требует дополнительной массы.


А это — РН «Ангара». Выделенное желтым — трубопровод, выполняющий ту же функцию. Судя по пропорциям, это тоже трубопровод окислителя (кислородные баки больше керосиновых для пары кислород-керосин), но выведенный сбоку для упрощения и удешевления производства. С одной стороны, это неэстетично, но цифровая система управления с несимметричностью ракеты справится.

Межбаковый отсек

На второй и третьей ступенях ракеты «Сатурн-V» было применено очень красивое решение — баки кислорода и водорода имели общую стенку:


Слева — первая ступень с межбаковым отсеком, справа — вторая ступень с общей стенкой. Красный — горючее, синий — окислитель.
Трудность состояла в том, что у жидких водорода и кислорода была разница температур в 70 градусов Цельсия. Поэтому стенка состояла из двух слоёв алюминия с теплоизоляцией между ними. Эта конструкция позволила сэкономить целых 3,6 тонны на второй ступени. Что любопытно, топливный бак «Спейс-шаттла» стал в каком-то смысле шагом назад, у него был классический межбаковый отсек.

Трубопроводы наддува

Если вы развернули схему SSME выше, то увидели там выходы газифицированных водорода и кислорода. Они использовались для наддува соответствующих баков. С одной стороны, сэкономили вес на отдельных баках газа наддува, с другой стороны, получили дополнительный трубопровод:


Эта же картинка крупно.

Демпфирующие перегородки

Если вы внимательно рассматривали картинки разрезов баков, то видели кольца различной ширины и крестовины на дне баков шаттла. Это — специальные элементы для демпфирования колебаний топлива.
Крестовины на дне топливного бака шаттла служат для исключения образования воронки при опорожнении бака. Дело в том, что воронка может привести к засасыванию газообразного компонента топлива, что может вызвать проблемы в трубопроводах и двигателях.
Кольцеобразные элементы служат для демпфирования колебания топлива. Поскольку оно жидкое, то перелив топлива к одной стенке при маневре может вызвать проблемы для системы стабилизации. Перегородки могут быть очень большими, как на первой ступени «Сатурна-I»:

Или же практически отсутствовать, как на третьей ступени «Сатурна-V»:

Видео длинное, но рекомендую посмотреть — очень интересно видно поведение жидкого водорода при разгоне ракеты и в невесомости.
Общее правило таково — чем больше маневров ожидается от ступени, тем больший размер перегородок ставится. Вот, например, советский блок «Е» — третья ступень РН «Восток». Здесь перегородки размером практически во всю высоту бака, потому что блок может очень активно маневрировать, а позволять топливу плескаться нельзя:


И всё это, увы, дополнительные затраты массы.

Система опорожнения баков и синхронизации

Ещё одна проблема, которую приходится решать. Во-первых, горение каждого двигателя в чем-то уникально. Обязательно будут небольшие разбросы тяги и расхода компонентов топлива. Даже для одного двигателя надо ставить специальную систему, чтобы горючее и окислитель закончились одновременно. А если у нас несколько баков или боковых ступеней, то приходится ставить специальную систему, которая будет обеспечивать одновременное окончание компонентов в нескольких ступенях. Сейчас эта система называется ещё системой управления расходом топлива и состоит из набора датчиков уровня и цифровой ЭВМ, которая, помимо управления ракетой, решает ещё и эту задачу:


Третья ступень РН «Союз». По оси баков стоят датчики уровня для СУРТ.
Однако, даже несмотря на усилия СУРТ, у неё самой есть ограничение точности, поэтому какая-то небольшая доля топлива всё равно теряется. Её учитывают при заправке, добавляя в т.н. «гарантированный запас топлива».

Эпилог

Рекомендую посмотреть сериал «Moon Machines» (русская версия, английская версия). Очень хорошо и наглядно показаны сложности, которые приходится решать при проектировании космической техники.

Для навигации:

• Первая статья цикла.
• Вторая статья — твердотопливные двигатели.
• Третья статья — виды жидкого топлива, геометрические размеры, транспортировка.

Источник: habrahabr.ru/post/215959/