bigdrum (bigdrum) wrote,
bigdrum
bigdrum

Category:

Маленькая, но ощутимая разница, или немного о ракетных двигателях

Тут очередной пуск Булавы вовсю обсуждают, вставлю и я пять копеек.

До сих пор все ракеты для РПКСН были жидкостными на высококипящих компонентах капсулированными. Булава - первая с твердотопливным двигателем. Можно, конечно, сослаться на то, что ракеты с ЖРД отрабатывались десятилетиями, и поначалу тоже было не очень. Но ракеты с ТТРД у них летают нормально. И это обидно для коллектива.

Поскольку Булава - тема секретная и я не в курсе, все сказанное полностью высасывается из пальца прямо вот сейчас в реальном масштабе времени. Из всего, что мне известно, известно только то, что на Булаве стоит ТТРД, и с ней в шахту устанавливается ТПК.

Аминь!

Итак, в чем существенная разница между ЖРД и ТТРД?

ЖРД - компактная штуковина такая. Камера сгорания маленькая, сопло тоже маленькое, топливо поступает и смешивается прямо в камере посредством системы форсунок. Если какие-то проблемы с составом смеси - не страшно, можно просто выправить пропорцию, и двигатель сам придет в норму. Ну если конечно раньше не взорвется, да... Лишнее топливо или окислитель из камеры просто выдует новой порцией компонент топлива.

ТТРД - это такая монолитная охрененного размера хреновина. Все топливо с окислителем в виде профилированной топливной шашки уже находится в камере сгорания, которая, собственно, и есть одновременно двигатель и бак. Соответственно, любые проблемы с шашкой, как например трещины, неравномерность состава, колебания плотности - делают горение ненормальным. И главное - с этим уже ничего не сделать, понимаете? Ну то есть емнет обязательно.

Камера сгорания и сопло ЖРД охлаждаются потоком топлива, текущим по рубашке охлаждения. Именно поэтому двигатель не раскаляется добела, не теряет конструкционную прочность и не разваливается в процессе работы. Как нетрудно понять, в ЖРД из высокотемпературных сплавов состоит только камера сгорания и сопло. Уже наружная обшивка рубашки не обязана быть адамантиевой - поток топлива, охлаждающий двигатель, уносит все тепло с собой в камеру сгорания.

В ТТРД нет потока топлива, который будет охлаждать стенки. Да и сам размер стенок камеры сгорания - а это в точности вся ракета - как бы намекает о бесполезности данного занятия. Вместе с тем корпус ТТРД выполняется из вполне обычных не сильно термоустойчивых материалов. Как же он, сука, не сгорает?



Все очень просто. В ТТРД роль теплоизолятора исполняет сама топливная шашка. Будучи специальным образом профилированной, она устроена таким образом, чтобы гореть изнутри наружу, при этом само тело шашки, то есть само горючее - отсекает поток тепла от тела пламени к стенкам двигателя. И только когда топливная шашка догорает до конца - стенки двигателя испытывают температурное воздействие. Каковое, как нетрудно понять, в силу полного выгорания топлива - уже слабое, хилое и недолгое. И по причине прекращения работы двигателя - никому не интересное.

Температурный режим ЖРД определяется потоком топлива, окислителя и температурой пламени. Это - динамическое тепловое равновесие в компактном конструктивно объеме, причем интенсивность процессов выделения и поглощения тепла таковы, что внешние воздействия, например нагрев лучами Солнца, никого не волнуют совершенно, ибо исчезающе малы. Потому что прогрев от горения топлива и охлаждение потоком того же топлива моментально нивелируют градусы разницы. В силу этого геометрия ЖРД не зависит, спустя очень короткое время после включения, от температурных факторов окружающей среды.

Температурный режим ТТРД определяется исключительно теплопроводностью шашки, каковая теплопроводность по вполне понятным причинам делается исключительно низкой, чем ниже - тем лучше. Мне кажется, что теплопроводность топливной шашки должна быть даже ниже, чем у газобетона. Ну никому ведь не нужно, чтобы шашка прогревалась и вспыхивала по объему тела, верно? Ничего, кроме большого и красивого фейерверка, это за собой не повлечет... В силу этого геометрия ТТРД находится в сильной зависимости от температурных факторов окружающей среды, понимаете меня?

Если Солнце нагрело один бок ракеты, а тень остудила другой, и ракета изогнулась, то даже после включения двигателя температурная разница между одним и другим боком ракеты сохранится, пока двигатель не будет выработан до конца и стенки не нагреются от остаточных газов. При этом - камера сгорания у ТТРД огромная, и влияние коэффициента температурного расширения на геометрию двигателя максимальное. В отличие от ЖРД, где камера сгорания маленькая и в процессе работы очень быстро приходит в температурное равновесие.

Кстати, это одна из причин того, почему я смеюсь над твердотопливными двигателями в космонавтике в качестве основных для какой-либо ступени. Ускорители - ради бога, но упаси боже ставить на основу!

Знаете, как я реагировал на носитель проекта Констеллейшн Арес-1, где на первой ступени стоял ТТРД? Вот так:



Так нет, доблестные проектировщики нихера ни о чем не думали...



Продолжаем. Вопрос теплового равновесия ракетной конструкции, таким образом, для ТТРД решается гораздо сложнее, чем для ЖРД. И для ЖРД есть еще одна причина, которая упрощает вопрос теплового равновесия.

Жидкое топливо и окислитель обладают таким свойством, как тепловая конвекция. Благодаря этому явлению топливо и окислитель делают баки ракеты - то есть ее тело - крайне теплопроводным. Если вы начнете охлаждать или нагревать кусочек ракеты, вся ракета начнет охлаждаться или нагреваться, понимаете? (Да, это не строго так, но здесь ограничение непринципиально, дальше будет ясно, почему). А с ТТРД этого не произойдет. Ракету начнет выгибать, понимаете?

Далее. Ракета в РПКСН находится в шахте. У капсулированных ракет шахта мокрая. Судя по тому, что Булава находится в ТПК, я лично подозреваю, что шахта сухая. Что это нам дает?

Большой промежуток между капсулированной ракетой и стенкой шахты нам дает большую массу воды. Она обладает большой теплоемкостью, она там как то движется при заполнении, перемешивается и все такое. Сама капсулированная ракета тоже имеет теплоемкость, все-таки жидкое топливо и окислитель теплоемки. И наконец, высокая теплопроводность конструктива стенок ракеты. Все вместе приводит к тому, что при заполнении шахты отсутствуют зоны с отклонением температуры от средней.

Маленький промежуток между ТПК и Булавой затрудняет перемешивание забортной воды. Малая теплоемкость композитного корпуса ракеты, плюс малая теплопроводность, а значит, слабый температурный обмен - создают зоны, в которых температура корпуса отличается от средней. Значит, композитный корпус, как всякий композит, обладающий значительным коэффициентом температурного расширения, испытывает деформацию.

Более того, если отверстие, через которое поступает вода, одно, и находится, например, сбоку ракеты - именно тут и будет зона наибольшего термического влияния. А с противоположной стороны - наименьшего.

Если мы посмотрим на Тополь или Ярс, которые тоже находятся в ТПК, то увидим удивительную вещь. ТПК Тополя или Ярса обладают теплоизоляцией, и изнутри - металлические. Следовательно, потоки тепла от наружных источников рассеиваются по площади. Более того, воздух обладает низкой теплопроводностью, и потому ракета в ТПК Тополя или Ярса охлаждается равномерно по объему, и так же нагревается. Более того, ракета Тополя или Ярса всегда находится в температурном равновесии (более-менее с поправкой на время суток) с окружающей средой. А вода при заполнении ТПК Булавы обладает высокой теплоемкостью, теплопроводностью, и поступает точечно, благодаря чему температурное воздействие локально и максимально. И даже открытие крышки шахты не сильно улучшает ситуацию, поскольку водяная рубашка между ракетой и ТПК тонкая, и в ней затруднено движение воды. Ну а пока ракета пролетает 10-15 метров толщи воды - это секунды, понимаете?

Логичное для сухопутного варианта решение защитить ракету от факторов внешней среды в случае морского старта играет злую шутку. Ракету не надо защищать, ей надо дать приспособиться, иначе при выстреле неравномерно напряженный корпус может повредить шашку, например, испытать неупругую деформацию или еще что...

А так ракета хорошая. С поверхности-то нормально уходит...

Логическим путем возможные варианты решения:

1. Убрать ТПК (хотя это уже вряд ли).
2. Изменить конструкцию шпигатов. Они должны быть множественные и распределены равномерно по корпусу.
3. После заполнения ТПК принудительно прокачать два-три объема для достижения температурного равновесия.
4. В районах БД держать ТПК мокрым, прокачивая забортной водой для поддержания температуры запуска. Но это уже требует, чтобы конструкция ракеты была устойчива к длительному воздействию забортной воды. Ну или прокачивать забортной водой либо охлаждать/нагревать стенки ТПК специально, чтобы внутри него была температура, равная забортной в течении длительного времени. Чтобы ракета обвыклась.

В общем, где-то так.

И да, напоминаю - все это высосано из пальца, в морду автора не бить...

Tags: Мысли дилетанта, Неоднозначное, Се ля ви..., Тема прибоянилась
Subscribe

  • О Чаусе

    У Шария уже цикл целый, многосерийный, по поводу приключений беглого похищенного СБУ судь Чауса. Я же решил наконец посмотреть, что за судья…

  • Опаньки!

    Это что же получается, нас ждет новый "Константин"? Круто! Первый "Константин" породил охрененнейший фильм-переделку,…

  • Наука интегрирована в российский сегмент

    Отлично. Новый многофункциональный лабораторный модуль "Наука" интегрирован в состав российского сегмента МКС. Об этом сообщил глава…

promo bigdrum февраль 17, 2019 22:31 6
Buy for 10 tokens
На мейл-ру пролетела очередная "желтая" новость, коих не счесть. Касательно контактов с инопланетянами. В силу чего, втыкая по причине небольшой эмоциональной раздолбанности, я вот тут вдруг решил взять и откомментировать это дело. Да, ребята! МЫ БУДЕМ ГОВОРИТЬ ОБ НЛО, ПРИШЕЛЬЦАХ…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 2 comments