Конструкция топливных баков

7В закладки
Падающая ступень Space Shuttle.
Credit: ototelegraf

Была ли вера в многоразовость раньше?

В 1968 году помощник директора NASA Джордж Мюллер объявил, что направлением американской астронавтики станут многоразовые транспортные космические корабли с небольшой стоимостью запуска — до $10 млн.
 12 апреля 1981 года на орбиту вышел первый многоразовый космический корабль «Space Shuttle». После возвращения с орбиты Шаттл вновь полетел уже в ноябре став первым повторно используемом аппаратом. Инженеры со всего мира убедились,что многоразовое использование ракет возможно уже сейчас.

Первая посадка Шаттла «Колумбия»
Credit: nasa

К сожалению Шаттл показал себя с плохой черты повторного использования на тот момент. Зачастую обслуживание все равно уходило за рамки ожидаемого и вообще с экономической точки зрения Шаттлы были невероятно невыгодные. Двигатели, корпус, электроника — все это изнашивалось намного быстрее чем входило в планы Nasa. Вера в многоразовость Шаттлов остывала намного быстрее, чем росла их цена за полет. 8 июля 2011 года «Атлантис» совершил свой последний полет и эра космических «самолетов» завершилась.

Space shuttle Atlantis
Credit: NASA

В чем дороговизна ступени ?

Первое и самое элементарное — размер. Топливный бак занимает 60% от всей длинны ракеты и это только первая ступень! Не смотря на классификацию ракет, (среднего класса или сверхтяжелого) бак будет все равно самой длинной её частью.

Второе — электроника и двигатели. Двигатели выполняют важнейшую функцию вывода ракеты на орбиту. Тем самым, теряя топливный бак — вы теряете еще десяток миллион долларов за двигатели. К примеру на ракете «Atlas V» один двигатель РД-180 стоит — 13 млн $.

Слева на право: Saturn V, Space Shuttle, Falcon Heavy, Space launch system.
Credit: shazoo

Из чего делают топливный бак?

Бак SLS
Credit: NASA
  •  Алюминиево-литиевой сплав (FALCON 9). Литий хороший вариант для прочности конструкции и для уменьшения веса ракеты.
  • Алюминиевый сплав (Союз-2). Дешевый материал проверенный временем.
  • Шаттлы тоже делались из алюминиево-литиевого сплава, но вместо этого он ещё покрывался термозащитной оболочкой из напылённой пены толщиной 2.5 см .
  • SpaceX на данный момент собирают ракету Starship, у которой баки и ступень изготовлены из нержавеющей стали.
Прототип топливного бака Starship на испытаниях
Credit: reactor

Внутренности топливного бака

Для примера разберем топливный бак ракеты Saturn V.
Извиняюсь за кривую работу в Paint)

Красным кружком обозначен — бак с керосином
Зеленым квадратом обозначен — бак с жидким кислородом

Так же между зеленым и красным стоит меж. баковый отсек, для укрепления конструкции. Всем известно, (кто следит за ракетами) что Сатурн 5 была очень прожорливая ракета, точнее её двигатели F-1. Для этого требовался очень большой топливный бак, а за ним еще 2 ступени + лунный модуль.
В баке с кислородом (зеленый квадрат) видны белые баллоны, они использовались для поддержки давления в баке. Для этого используется жидкий гелий и в сегодняшний день на Falcon 9. И в Falcon 9 и в Saturn V баки с гелием находятся в баке с кислородом из-за одинаковой температуры. Газообразный гелий = -268 г.ц, а Жидкий кислород = -183г.ц (данные Википедия).
Теперь возьмем область «красного круга» и посмотрим на ещё интересные детали.

Бак с керосином

Красным подчёркиванием я выделил трубы по которым жидкий кислород попадает в камеру сгорания, проходя через бак с керосином.
Такую же конструкцию можно встретить на протопите Starship (только там используется одна такая труба)

Труба от бака с жидким кислородом Starship
Credit: vk.com/albums-41152133

Вернемся к баку с керосином 1 ступени Сатурна 5. По всем бакам видны металлические решетки. Они нужны по многим пунктам

  1. Сохранение прочной конструкции
  2. Равномерная подача топлива в камеру сгорания
  3. Укрепление бака
Метановый бак слева и кислородный справа
Credit: Neopork

Конструкция топливного бака Starship немного легче, чем у Saturn V. Так же по словам Илона Маска в будущем маленький бак в самом верху головного обтекателя будет перенесен в другое место. Так что за счет тестов и испытаний возможны доработки и изменения в конструкции. Конструкция изменялась уже не раз, проходя через испытания приходилось менять от крышки бака (она была непрочная и не выдержала давление) до материала для строительства. Изначально конструкция должна была быть из углепластика, но после всех тестов оказалось что это не лучший вариант для баков.

Первые прототипы баков Starship (тогда еще ITS)
Credit: kosmonavtiki

Будет ли уменьшение топливных баков не жертвуя мощностью?

Согласно закону сохранению энергии построить компактные топливные баки не удастся (если вы собрались лететь на большие расстояния с Земли). Но возможны и альтернативные методы решения этой задачи. К примеру ионные двигатели или двигатели с гиганским удельным импульсом (УИ). Так же имеются разработки и с магнитодинамическими двигателями, но на данный момент это остается только на бумаге.

Иллюстрация работы ионного двигателя.
Ионный двигатель имеет большой Delta V, но не владеет большой мощностью.
Credit: orion

Спасибо за прочтение моего материала)

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

34
Войдите, чтобы видеть ещё 21 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Сергей Королёв
Вечность назад

> Для этого используется жидкий гелий и в сегодняшний день на Falcon 9. И в Falcon 9 и в Saturn V баки с гелием находятся в баке с кислородом из-за одинаковой температуры. Жидкий гелий = -268 г.ц, а Жидкий кислород = -183г.ц (данные Википедия). Кхм... Как можно говорить "из-за одинаковой температуры", а потом лично же указывать очень сильно разную температуру?.. Используют для этого газообразный гелий, а не жидкий. Баллоны с гелием под давлением. Его из баллонов выпускают в баки по мере расхода топлива чтобы поддерживать там высокое давление.

Дмитрий Олегович
Вечность назад

А где про стрингерные, вафельные, гладкие, геодезические баки? У фалькона 9 круто сделано, снизу стрингеры, сверху гладкие, и все это из алюминий-литиевого сплава.

Дейв Боумэн
Вечность назад

Сначала грубо правду-матку: Современные желторотые писаки похоже прогуливали русский и литературу в школе. Читаю 3-ю статью и негодую по поводу сырости материала. Лень перечитать написанное собой-же? Стыдно должно быть такое публиковать. Оформление как для училки в школе! Сделать как попало и приносить за это извинения! Такое непростительно! Запомните автор! Теперь выдохнули, зализали раны и прислушались: Не жалейте сил и времени на допиливание мелочей. Закиньте свою картинку в редактор побогаче на инструменты и эффекты. Сделайте вкусно! Ну пожалуйста! Вы-же можете! Пусть ваши мысли и суждения спорны, но подайте их как произведение искусства и продукт творчества, а не как почеркашку на мятой салфетке из придорожного фастфуда. Не надо торопиться. Мы подождём. Я хочу читать и погружаться в создаваемый вами мир ваших мыслей. Я хочу кайфовать! Пы.Сы.: Я всё-равно буду кушать ваш кактус. Хоть ради свежих мыслей и инфы. Но если это из кактуса станет изысканным блюдом, буду смаковать естессссно!

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.