Máscara de Excelencia. Acerca de magia "Merlín" Say a Word

«Ningún motor - y el diseño más perfecto cualquier cohete con todo su relleno muerto» i> Glushko

En los últimos años, una empresa privada el espacio Espacio X, dirigida por Elon Musk, nunca deja de sorprender al mundo con su fantástico éxito. La característica principal de los sistemas de transporte espacial de la empresa se consideran RN serie Falcon, y, en particular, el motor Merlin 1, ya apodado "el más eficiente en el mundo».

Se crea la falsa impresión de que espacio X en un tiempo relativamente corto fue capaz de crear el motor, eclipsó desarrollos en esta área de gigantes como « Energomash » y « Rocketdyne ». En virtud de la corte en una forma popular, conoceremos el mundo moderno de los motores de cohetes y tratamos de entender que esto no es una caracterización inequívoca como su eficacia.


En 2012, el Espacio de la empresa X, pasó el último disparo de prueba en las modificaciones del motor momento Merlín 1 - D. Durante estas pruebas, la relación empuje-peso del motor se aumentó a 150 unidades, lo que le permitió nombrar Espacio X «самым eficaz en la historia ».

En el campo de motor, relación de empuje-peso se llama la relación de empuje del motor (CU) a su peso seco. En el caso de misiles LRE por lo general esta relación es el empuje del motor en vacío (en TC) dividido por su peso en seco (en toneladas).

Merlin 1D es capaz de empuje de la tierra en el 67t y 82T en vacío (Vacuum Melin 1D), con una masa de aproximadamente 600 kg. A pH 1.1 usando el Falcon 9 9 orientación general de estos motores en 600TS. El motor no tiene su propio sistema de control de vector de empuje (SWT), y la etapa del control de lanzamiento se efectúa mediante la variación de empuje en ejes opuestos, así como a un pH de 1 H (estrangulamiento para reducir el empuje y / o cámara de postcombustión para aumentar el empuje nominal).

motores Merlin 1D sobre el cohete Falcon 9 1.1 i>

La diferencia entre el empuje del motor en el suelo y en el vacío es típico, y está conectado con el deterioro del rendimiento del motor en las capas densas de la atmósfera del planeta. Atmosféricas aerodinámica de arrastre del motor se incrementa en proporción al tamaño de la tobera de escape del motor (la resistencia combinada de la presión atmosférica sólo aumenta con el cuadrado de chorro de escape). Parecería que sólo tendrá que reducir al mínimo el tamaño de la boquilla y mejorar el rendimiento del motor. Sin embargo, al aumentar la altitud resistencia atmosférica se reduce, y con ello las características del motor sobre los aumentos contrarias con el tamaño de la boquilla.

La clave aquí no es el tamaño absoluto de la boquilla, y la relación de expansión - la relación de la mayor área de sección transversal del cono de la boquilla a su área de sección transversal más pequeña. Cuanto más alto sea el valor, mayor es la eficiencia del motor en un entorno dado. Por lo tanto, el tamaño de la boquilla la gran mayoría de los motores de los vehículos de una primera fase de lanzamiento representan un compromiso para un rendimiento óptimo del motor, tanto en la atmósfera y en el vacío.

El empuje depende indirectamente del combustible utilizado, y en contraste con las características tales como el empuje y el impulso específico, no es aplicable a todo tipo de motores - sistemas de cohetes sólidos son en sí mismos motores.

La proporción más alta de empuje-peso difieren LRE se ejecuta en una mezcla de heptilo y tetróxido de dinitrógeno. Así RD 275m ("Energomash") cohete portador Proton M tiene la proporción más alta de empuje-peso en el mundo - más de 170 (187t empuje en el vacío, la masa del motor 1, 1t). Su "gran" hermano RD 270 , desarrollado a tiempo para el verano no es ur RN 700, tenía un empuje-200 unidades! Tanto más sorprendente que sea un motor de ciclo cerrado (ver. A continuación). Estas características se logran debido a que el combustible hipergólico por el cual simplifica en gran medida el diseño (y el peso) de los motores de cohetes. Al mismo tiempo, estos motores tienen un bastante altos parámetros de impulso específico (285s de RD 275m).

RD 275m, modificación rusa de la base de la RD Soviética 253 para la serie RN protones (masa de carga útil se incrementa a 750 kg) i>


Impulsión específica (a veces conocido como el empuje específico) expresa el tiempo durante el cual el motor desarrolla empuje en un newton (1N = 1kg / 0, 102), utilizando 1 kg de combustible. Cuanto mayor sea la interfaz de usuario cuanto menor sea el motor requiere combustible mensaje de carga útil cierta cantidad de movimiento. Por el contrario, de empuje, este valor y los ingenieros a menudo se toman como un índice de eficiencia del motor.

Mr H h5> modernos motores de hidrógeno son los más eficientes entre todos los tipos de motores utilizados. El mayor valor de la interfaz de usuario RD poseído Soviética 0120 (455S en el vacío y la tracción en 200ts). Los valores más altos de la interfaz de usuario El nivel del mar tiene RS 68 (365s y 295ts empuje) de Rocketdyne, utilizado en sólo plenamente cohete de hidrógeno Delta motor cohete 4. hidrógeno del mundo al mismo tiempo tener los valores más bajos de la relación empuje-peso (en el rango de 50 a 75 unidades), que se ignora debido a la alta oportunidades de energía estos LRE. Esto permite que más que compensan los "extra" varias toneladas de motor, en comparación con el resto de la relación peso-empuje alta LRE.
Sin embargo, el alto precio del motor de cohete de hidrógeno (alrededor de $ 20 millones para RS 68) todavía hace uso de los ingenieros en las primeras etapas de las compensaciones, a menudo con LRE queroseno.

Mesa Transparente influir en el grado de expansión de la eficiencia de los motores criogénicos en diferentes ambientes i>

De izquierda a derecha: RS 68, Vulcain, RS 25, RD 0120 i>

El campeón en un sentido estricto. H5> El impulso específico más alto a nivel del mar (311 segundos) de queroseno LRE haber RD 171 RD 180 (una versión reducida con ½ RD 171 con un empuje de 384ts) y RD 191 (simplificada a ¼ versión del RD 171 con un empuje de 196ts) ONG "Energomash". Relación empuje-peso de estos motores no exceda de 90 unidades. En el contexto de estas obras maestras del pensamiento técnico, eficiencia Merlin 1D parece bastante modesta (285 segundos), aunque dominada por la relación empuje-peso de LRE queroseno.

RD 171/180/191 i>

La lista de los más famosos LRE Energomash i>

Tal diferencia en las características relacionadas con diferente enfoque de diseño en el diseño de motores:

- LRE "familia" RD 170/171 están diseñadas usando un ciclo cerrado - para inicializar la presión de funcionamiento del motor se suministra a los gases del gasificador de los cuales son impulsados ​​por la turbina, que gira bombea el combustible y el oxidante. Combustible entrante toma parte en el enfriamiento de la boquilla y más en la cámara de combustión, la otra parte va a la operación de mantenimiento del gasificador con un oxidante, y luego después de la salida de gas de la mezcla de turbina entra en la cámara de combustión. El círculo vicioso conjunto se repite hasta que todo el combustible en los tanques. En esta cámara de combustión en el ciclo de combustión por etapas sustancialmente menos de ciclo de gas-generador. Como habrá adivinado que proporciona altos valores de presión en la cámara de combustión (por lo general 200 atmósferas o más) y un mayor grado de expansión de la tobera del motor, lo que permite LRE proporcionan alta eficiencia (impulso específico) en la atmósfera del planeta.

Desventajas - alta carga en el motor de turbina, el relativamente alto coste y la complejidad de tales motores.

El esquema por etapas del ciclo de combustión aproximado en el ejemplo de Rusia RD 191 y NC 33 1 - El generador de gas; 2 - turbina; 3 - Suministro de combustible (queroseno); 4 - Presentación de un oxidante (oxígeno); 5 - La bomba de combustible; 6 - Bomba oxidante; 7 - Retirada de los inyectores de combustible para la refrigeración; 8 - Retracción combustor de la turbina de combustible gasificador / oxidante; 9 - Transferencia de generador de gas oxidante i>

- Familia LRE Merlín y RD 107/108 (RN Unión) son representantes típicos de los motores de ciclo abierto. El fluido de trabajo del motor de turbina (procedente del gasificador), no se ha cerrado a la cámara de combustión, y se emite al ambiente externo, junto con una parte del combustible está participando sólo parcialmente en la creación de un empuje adicional. Para compensar la pérdida de eficiencia es posible aumentar la presión en el gasificador, el aumento de la eficiencia de la turbina y, consecuentemente, la presión en la cámara de combustión (que es de aproximadamente 100 atmósferas). Motores de este esquema es más fácil,, ciclo de combustión por etapas más fácil y más barato seguro.

Entre las deficiencias hay que señalar la boquilla baja expansión del motor y los valores correspondientemente más pequeñas de impulso específico en el trabajo en la atmósfera del planeta (263 / 257s para RD 107/108 y 255s a RS 27A).

Los motores de ciclo abierto del esquema en el ejemplo de la LRE F 1 y Merlín 1D. 1 - Suministro de tanques de combustible y oxidante; 2 - El generador de gas; 3 - Bomba oxidante (oxígeno); 4 - Bomba de combustible (queroseno); 5 - Turbina; 6 - conducto de oxidante a alta presión; Combustible de alta presión de conducto - 7; 8a - Sistema de combustible de la boquilla de refrigeración; 8b - conductor de calor gasificador de gas; 9 - mezcla gasificador de escape (Merlin 1D) / generador de gas de ventilación para enfriar el cabezal de la boquilla (F 1); 10 - Extensión de la Lanza i>

Comparando el motor de la primera etapa, debe tenerse en cuenta que la relación de empuje-peso del motor no está directamente relacionada con la relación de empuje-peso de todas las etapas. Al igual empuje motores de cohetes serán de importancia decisiva no su relación empuje-peso comparativo, es decir, el impulso específico. Como hemos dicho, cuanto mayor sea el valor, menos combustible se utiliza para dispersar el peso específico LRE y, por lo tanto, mayor es el empuje del cohete-etapa.

So-RN empuje Falcon 9 1.1 es 1, 2 (Rod cohetes 600TS / peso 503t) y Zenit cohete con RD 171 2 1 5 (masa 720t / 470t Varilla del cohete) con una capacidad de carga similares a LEO 13T.

Para la comprensión de este enfoque diseñadores nacionales deben tener en cuenta la ubicación geográfica de las características específicas de los centros espaciales rusos y estadounidenses. Este último es el sur, tienen un 15% mayor ventaja de la energía gracias a la contribución de la rotación de la Tierra (adicional ~ 200 m / s). Por lo tanto, una alta relación de empuje-peso es común para los cohetes rusos (1, 5-1, 7 para LV Energía y H1, 1 en contra, 1 para el Saturn 5). Y como hemos aprendido, el motor de cohete de empuje-derecha no tiene ningún valor para esta clave.

Motor de queroseno Sin embargo, en la Unión Soviética estaba todavía creado combina alta relación empuje-peso y alto impulso específico. LRE NC 33 de OKB Kuznetsov, creado sobre la base de NK motor de cohete de la luna 15 H 1, con una relación empuje-peso de 136 (171ts / 1, 25t), tenía un impulso específico en los 297s (al nivel del mar). Modificación moderna del motor utilizado en RN Anateres, una empresa privada Orbital Sciences (AJ26). Modificación rusa de NK 33-1 PH se utiliza en la Soyuz 2, 1B, en el inicio de empuje en la 185ts al impulso específico a 305c! La versión básica del Código Fiscal de los 33, el motor se caracteriza principalmente por la presencia del control del vector de empuje (UHT).

En el futuro, NC 33-1 plan para usar a altas altitudes extensión de la boquilla retráctil, mejora significativamente el rendimiento del motor.

NK 33-1 con la cabeza de la boquilla. A la derecha, la gráfica de aumentar el rendimiento con boquilla LRE cabeza i>

Precio de la cuestión. H5> hay duda de que uno de los principales "características" de cualquier tipo de tecnología es su costo. Debido a la gran diferencia en las especificaciones de los motores, sería preferible para comparar su variable de precio relativo. En este caso, este valor es aproximadamente la relación de los precios a la LRE su vara ($ / tonelada).

Impresiones "Energomash" que muestra la LRE esquema de precios y su participación en el precio de todo el refuerzo i>




Obviamente que los aumentos de precios en proporción a la complejidad del motor y su eficiencia.
Así RS 68 de pie en el Delta 4 cohete, la NASA costo de 60 000 $ / tonelada de tracción (20 millones $).

Queroseno LRE con un gran atractivo, pero inferior Pulsos específicas RD 180 (PH Atlas 5) gestiona nominalmente la NASA de la mitad del precio - 30 000 $ / tonelada ($ 11 millones).

RD 191 de pie en los "brazos" Angara de cohetes, en los precios relativos se considera uno de los más caros en el mundo queroseno LRE - 36 000 $ / tonelada (250 millones de rublos).

Para la comparación, el costo de RD 171 sobre la base de los cuales RD 180/191, se encuentra dentro de 22.000 $ / ton ($ 13-15 million). Esta variación se debe en parte al hecho de que las dos últimas motor diseñado para el mercado interno de los Estados Unidos, en particular para el cohete Atlas 5 (RD 180 como el principal motor de la unidad central, y RD motor 191 de los bloques laterales). Sin embargo, el RD 191 se dejó sin reclamar en los EE.UU., incluso después de la creación de un presupuesto de RD 193 (la versión sin UHT).

La mayor parte del motor de ciclo cerrado "barato" puede ser considerado como el LRE NC 33-1. Sujeto a restaurar la modificación de precio de producción NK 33-1 para el nuevo "Soyuz 2-3" puede equivaler a 25 000 $ / tonelada (4, $ 5 millones). Oficialmente NC 33-1 se utilizará hasta el agotamiento de las existencias de la antigua CN 33 y sustituirá en RD 193
.
Merlin 1D con un precio de 15 000 $ / tonelada (~ $ 1 millón), muy bien, "unido" en el mercado interno de los motores de misiles estadounidenses. Después del cierre del programa Apolo, la mitad de un siglo Estados Unidos se han centrado en el desarrollo de la criogénica (hidrógeno), tóxicos (heptil) y motores de cohetes sólidos. Las implicaciones de este enfoque y que estamos viendo hoy en día - por delante de Rusia en el marco del desarrollo y el funcionamiento del motor de cohete de combustible líquido criogénico y TRD, EE.UU. se queda atrás en el desarrollo de la ya queroseno LRE
.
Incluso con el desarrollo en los EE.UU. propia LRE queroseno, es dudoso que sean capaces de competir en precio y el grado de perfección con motores rusos y más aún con el Espacio de creación "presupuesto" X. Por lo tanto, Elon Musk y compañía tienen todas las razones para mirar con optimismo al futuro de su desarrollos. El desarrollo es un gran éxito, fiable y prometedor, que no es necesariamente "probarse" epítetos polémicos largo merecido otra desarrolladores talentosos < / a>.

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RD 170/171 , RD 180 , RD 191 , Carolina del Norte 33 , NC 33-1 , RD 253/275 , < a href = "http://www.lpre.de/energomash/RD-107/"> RD 107/108
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Fuente: habrahabr.ru/post/236761/