О том почему Raptor не правильный выбор для SpaceX Starship-Super Heavy

2В закладки

Раптор (SpaceX Raptor) – жидкостный ракетный двигатель вызывающий восхищение у каждого человека, который интересуется развитием космонавтики и ракетной техники, ведь в Рапторе реализована самая сложная пневмогидравлическая схема(ПГС) среди ЖРД с полным дожиганием — full-flow staged combustion или газ-газ.

Вообще для конструкторской школы США, до недавнего времени было не характерно создание ЖРД с дожиганием, то есть ЖРД закрытого цикла. За всю историю. в США было создано только два ЖРД закрытого цикла которые летали в космос — это RS-25 и RL-10, оба использовали водород в качестве горючего, и использовали схему с дожиганием восстановительного генаторного газа(ДВГГ).

ЖРД H-1, 8 таких стояло на первой ступени РН Saturn 1B
RS-27A, летал на Дельте-2, Атласе 2 в составе MA-5A, ни чем не отличающиеся потомки H-1, надежные, простые как дубина, с «дубовыми» характеристиками.

Возникают вопросы, почему SpaceX не стала делать Раптор по открытой схеме, а также была ли такая острая необходимость для SpaceX создавать ЖРД по столь сложной ПГС, как газ-газ? Возможно подошла бы схема с дожиганием только восстановительного газа(ДВГГ) или с дожиганием только окислительного газа(ДОГГ), характерная для советской конструкторской школы?

РД-180 «that engine design is brilliant»

Как было уже сказано в США обычно проектировали ЖРД без дожигания генераторного газа, то есть открытого цикла, они имеют меньший удельный импульс по сравнению с ЖРД с дожиганием генераторного газа. Главное достоинство схем без дожигания заключается в обеспечении высоких давлений в камере при относительно умеренных напорах насосов и параметров других агрегатов питания, что повышает надежность, облегчает автономную отработку агрегатов. В общем ЖРД получается легче и проще, вспомним Мерлин с его простой схемой и уже легендарным TWR. Но по какой-то причине Илон Маск не стал разрабатывать метановый Раптор по открытой схеме, а взялся за сверхсложную – газ-газ. Чтобы разобраться в чем причина достаточно взглянуть на ниже приведенную таблицу, в ней сравниваются метановые ЖРД с дожиганием окислительного или восстановительного газа, и без дожигания. У всех приведённых ЖРД на метан-кислороде одинаковое давление в КС, и тяга, так же приведен ЖРД на паре керосин-кислород:

Смотрим на таблицу, на крайний правый столбец и видим, что метановый Раптор сделанный по хваленной открытой схеме получает ISP 307/337 сек. для версии на уровне моря, для сравнения земной Раптор на газ-газе имеет ISP 330/356 сек, разница в у.и. 6-7%, кто-то скажет, по думаешь всего 6% выиграем на Thrust-to-weight ratio! И еще же давление в ГГ у открытой схемы всего лишь 185 кгс/см3, практически такое же как КС, температура газа в ГГ 950К, однако газ восстановительный, т.е. с избытком топлива, что благоприятно для достижения высокой живучести трактов (в принципе можно исключить возгорания). Все это делает ее самой надежной схемой, ЖРД получается малым по массе и простым в производстве.

Однако переход на двигатели без дожигания как видно из таблицы, потребует снижения соотношения компонентов смеси с 3,5: 1 до 3:1, что приведет к снижению плотности топлива примерно на 10%, а это в свою очередь приведет к увеличению объема и массы всей системы.

Таким образом при уменьшении у.и. на 6-7% и при соотношении компонентов топлив в открытой схеме 3:1, перевод системы Старшип/Суперхэви на метановый Раптор открытого цикла увеличивает массу системы в целом на 40-50%!(необходимо ведь еще и тягу увеличить) В этой версии, из-за более низкого у.и. в вакуумных Рапторах, требуется на 20-30% больше полетов заправщиков для дозаправки на орбите. Здесь даже хваленная характеристика TWR не поможет. В общем открытая схема явно не подходит, не по характеристикам, не по деньгам.

Кстати Blue Origin так же не стали делать BE-4 по открытой схеме, из-за меньшего удельного импульса и худшего соотношения компонентов топлив.

BE-4 от Blue Origin с относительно низким давлением 13,4 МПа возможно будет действительно многоразовым ЖРД

К счастью по мимо схемы без дожигания, есть схемы с дожиганием генераторного газа. Впервые схема с дожиганием окислительного генераторного газ была реализована в Советском Союзе, в ЖРД 11д33.

11д33 первый ЖРД закрытой схемы

У данной схемы есть существенный минус, газогенератор, турбина ТНА, газоходы работают в окислительной среде, по сути в горячей газообразной кислоте. В такой среде горят практически все известные материалы, кроме жаропрочных суперсплавов, хотя, и они не всегда могут выдержать условия горячей окислительной среды, малейшая царапина, стружка или даже пятна от пальцев, возгорание окислительного тракта вам обеспечено. Взгляните на температуру в ГГ в схеме ДОГГ 791К, у Раптора в ГГ температура еще больше, Маск говорил о цифре 811К! и это при сверхвысоких давлениях в ГГ и на турбине ~ 400-450 бар. Все это делает схему с ДОГГ не слишком надежной, тем более для ЖРД многоразового использования, а при давлении в камере сгорания 30 МПа как у Раптора она вовсе не подходит. В более выгодном положении ЖРД BE-4 с его 13,4 Мпа в КС. В Blue Origin сразу поняли, хочешь многоразовый ЖРД, снижай давление в камере сгорания.

Маску необходим в первую очередь надежный, а затем уже компактный, высокоэффективный, многоразовый ЖРД (нежелательно чтобы Суперхэви взорвался на сотой секунде полета). Добиться высокой надежности от высоконапряженного, многоразового Раптора, построенного по схеме газ-газ, в котором имеется высокотемпературный окислительный тракт практически невозможно, крайне высока вероятность возгорания.

Надежность этого чудо двигателя вызывает сомнения

Как показывают расчетно-теоретические, экспериментальные и проектные исследования, ресурс работы турбомашин в определяющей степени зависит от уровня их энергонапряженности. Важнейшую роль в ограничении кратности использования ЖРД имеет циклическая усталость материала. Известно, что при многоцикловом нагружении предельное количество циклов (соответственно и время работы) элемента конструкции зависит, в частности, от уровня динамических напряжений в степенной зависимости. Поэтому снижение энергонапряженности в 2 раза позволяет в принципе увеличить продолжительность работы ЖРД более чем на порядок.

Одним из возможных путей решения поставленной задачи является разработка ЖРД по схеме с восстановительным газогенератором. Для данной схемы характерна достаточно высокая вероятность неинтенсивного развития аварийных процессов (период развития которых превышает 0,1…0,5 с).  Посмотрим на таблицу, температура восстановительного газа ГГ 871К, давление в КС 210 кгс\см2, при этом удельный импульс всего лишь на 1% меньше удельного импульса Раптора! Учитывая, что ЖРД по схеме ДВГГ должен иметь характеристику Thrust-to-weight ratio лучше, чем у Раптора на газ-газе, ввиду отсутствия турбины на кислом газе, уменьшение удельного импульса на 1%, практически никак не скажется на характеристиках системы Суперхэви\Старшип. Так стоило ли Маску лезть в схему газ-газ, при этом задирая давление до 30 Мпа, делая двигатель крайне высоконапряженным? Ответ, думаю становится очевиден — нет. Начал бы делать Маск свой метановый многоразовый двигатель по схеме с ДВГГ, двигатель давно уже был бы готов, а так судя недавним сообщениям самого Маска, Раптор может работать при давлении в КС 30 Мпа лишь 90 секунд, что очевидно крайне мало. Ответить на вопрос зачем Маск полез в схему газ-газ, можно почитав его твиттер, а именно где упоминается РД-180 и советские ЖРД, в этих твиттах Маск «поёт хвалебные дифирамбы» конструкциям данных изделий. В общем он просто хочет переплюнуть советскую конструкторскую школу, по всей видимости его задевало, что в США таких высокоэффективных ЖРД первой ступени не было. Как говорится у богатых свои причуды.

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

-1
Войдите, чтобы видеть ещё 115 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Сергей Королёв
Вечность назад

> Вообще для конструкторской школы США, до не давнего времени было не характерно создание ЖРД с дожиганием Ну ни хрена же у автора "недавнее время", 1962 год... Ну и да, полёты шаттлов видимо тоже что то малозначимое и "нехарактерное" для США... > разница в у.и. 6-7%, кто-то скажет, по думаешь всего 6% выиграем на Thrust-to-weight ratio! И еще же давление в ГГ у открытой схемы всего лишь 185 кгс/см3, практически такое же как КС, температура газа в ГГ 950К, однако газ восстановительный, т.е. с избытком топлива, что благоприятно для достижения высокой живучести трактов (в принципе можно исключить возгорания). Все это делает ее самой надежной схемой, ЖРД получается малым по массе и простым в производстве. Глупые - глупые советские инженеры, не спросили автора поста и вместо этого сделали х**ню какую то... Вот спросили бы - так советские двигатели были бы куда надёжнее на отказ и к тому же более эффективными. Глядишь и Н-1 полетела бы... > Добиться высокой надежности от высоконапряженного, многоразового Раптора, построенного по схеме газ-газ, в котором имеется высокотемпературный окислительный тракт практически невозможно, крайне высока вероятность возгорания. Да кто вообще такие эти SpaceX? ЧТо они понимают в двигателях, спёрли у НАСА сами не поняли что и теперь паяют под руководством фигляра... > Так стоило ли Маску лезть в схему газ-газ, при этом задирая давление до 30 Мпа, делая двигатель крайне высоконапряженным? Ответ, думаю становится очевиден — нет Ну наконец то этот южноафриканский жулик раскрыт! Вот чувствовали что он не знает что делает, чувствовали что просто везёт стервецу - и наконец то доказательства! Вот теперь то заживём... PS: Шутки шутками, но мне действительно интересно чем руководствуется человек, пишущий пост об "они там все тупые и делают не так, общеизвестно же что лучше ровно наоборот". Если общеизвестно - то, наверное, есть примеры многоразовых двигателей, сделанных по "правильной" схеме? Потому как пока это выглядит как опирающееся на неизвестного происхождения таблицу утверждение из разряда "повторные пуски первых ступеней станут окупаемыми через 100 пусков, то есть никогда"...

Дейв Боумэн
Вечность назад

1. Навряд ли у Илон Эрролович занялся космонавтикой чтобы "переплюнуть советскую конструкторскую школу", так как американская конструкторская школа, отправившая людей на Луну, давно это сделала. 2. Выбор конструкции двигателя для Starship обусловлен посадкой, дозаправкой и взлётом с поверхности Марса. Ничего подобного Blue Origin не планирует. Поэтому выбор системы стоит рассматривать в контексте полёта к Марсу. 3. Я плохо понимаю почему имея столь разнообразный зоопарк движков, научную, испытательную и производственную базы, Россия не может сделать свой многоразовый супертяж для снабжения американской лунной базы?

Космическая Альпака
Вечность назад

"Так стоило ли Маску лезть в схему газ-газ, при этом задирая давление до 30 Мпа, делая двигатель крайне высоконапряженным? Ответ, думаю становится очевиден — нет." Двигатель использует схему с полной газификацией компонентов по двум причинам: 1. На Starship не будет гелия для наддува баков, так как гелий на Марсе добыть сложновато. Приходится использовать автогенный наддув и если использовать двигатель с окислительным газогенератором(РД 170, РД180 и тд.) то газом из газогенератора нельзя наддувать топливный бак. Тоже самое с SSME только наоборот, нельзя наддувать окислитель. 2. Два отдельных ТНА не так критичны к уплотнителям, даже если окислительныйгаз проникнет в окислитель ничего не произойдёт. Почитайте про SSME, там чтобы снизить риск протечки востановительного газа в насос окислителя приходилось подавать к валу гелий под давлением больше чем в газогенераторе.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.