bigdrum (bigdrum) wrote,
bigdrum
bigdrum

Category:

Немного о многоразовой космонавтике - 5

Предыдущие части: 1, 2, 3, 4.



Думал, чем продолжить, но тут мне прилетел комментарий... Прилетел слегка криво, но бог с ним. Главное, что мы имеем хороший вопрос, на который нужно дать хороший ответ. А чтобы ответ получился хорошим, нам надо популярно разобраться в кое-каких вопросах, и это займет время. Зато я смогу показать вам, что Илон Маск лжец, а вы по окончании прочтения почувствуете себя экспертами, коими не являетесь. В общем, это неплохо - может, у кого-то и интерес проснется к теме...

Основой многоразовой (?!?) системы Фалкон-Драгон является ракетный двигатель Мерлин. И пока мы с ним не познакомимся поближе, у нас не будет логического фундамента для более общих суждений. А кроме того, мы поймем, почему несмотря на гораздо большие успехи с точки зрения многоразовости (Нью Шеппард, в отличие от ступеней Маска, летал много раз), Джеффри Безос не спешит в космос (хотя может уже потихоньку прирабатывать на запусках кубсатов), и тем более - не рвется на Марс, роняя тапки. Итак, нам надо понять, что такое жидкостной ракетный двигатель...



Да, ребята, жидкостной ракетный двигатель - это печка.

Несмотря на то, что он выглядит немного иначе, в основе своей ракетный двигатель - это примитивная печка, в которой горит топливо, выделяя тепло и продукты сгорания. И подобно обычной печке, ракетный двигатель имеет ряд проблем, как-то, неполное сгорание, образование сажи, необходимость поддержания горения в более-менее стабильном режиме.



Сгорание происходит в камере сгорания. С точки зрения характеристик двигателя важнейшими параметрами камеры сгорания являются температура горения и давление. Чем выше давление и температура горения (эти параметры связаны), тем быстрее вылетают через сопло продукты реакции, создавая тягу.  Чем выше эта скорость, тем больше так называемый удельный импульс. А значит, на ту же самую массу горючего мы можем сильнее разогнать ракету. То есть, чем больше давление - тем лучше.

Но чем больше давление, тем сильнее екает селезенка, предвкушая бабах, в смысле - взрыв двигателя. Стенки камеры сгорания как бы имеют ограниченную прочность, и к тому же, испытывают сильный нагрев. Соответственно, могут не выдержать.

Одним местом, одной дырочкой, говоря по-научному - отверстием - камера сгорания открывается в сопло. В сопле происходит расширение продуктов сгорания, и давление преобразуется в скорость истечения. Поскольку размеры этой дырочки, именуемой также критическим сечением сопла, являются неизменными, и поскольку в этом самым критическом сечении сконцентрированы давление и температура, и вряд ли кто-то сможет сделать критическое сечение переменного диаметра в практически пригодной форме, и поскольку процесс горения топлива, однажды подожженного, не управляем, существует единственный способ регулировать давление в камере сгорания - подачей новых порций топлива.

Повторяю еще раз. Удельный импульс (скорость истечения) зависит от давления, а оно зависит от подачи топлива. Это значит, что если мы подаем меньше топлива, то давление меньше и меньше удельный импульс. То есть, снижая подачу топлива, мы не только тягу снижаем, но и ухудшаем характеристики двигателя, он начинает "слишком много жрать". Если обычный автомобиль имеет лучшую экономичность при определенном среднем режиме работы двигателя и передаче, то ракетный наиболее экономичен на полном газу.

Поскольку ракетный двигатель есть тепловая машина, как и двигатель внутреннего сгорания, уместна следующая аналогия. В ДВС есть клапана подачи топлива (топливовоздушной смеси). Один клапан - хорошо, но мало. Два клапана - лучше. Удается подать больше смеси и обеспечить ее равномерное воспламенение и полное сгорание. В древнем, как дерьмо мамонта, ракетном двигателе РД-107, 277 форсунок! Двести семьдесят семь.

Топливо находится в камере сгорания совсем малое время, и оно должно за это время перемешаться, воспламениться, сгореть, потому требуется очень сложная система подачи топлива, обеспечивающая равномерный по объему камеры процесс сгорания, без скачков давления. Потому что скачок давления в камере ракетного двигателя - это ударная волна, которая двигатель разносит на куски, делая бабах.

Ну то есть ракетный двигатель - он как газовая плита, только сложнее (в обычной конфорке тоже много дырочек)...

Теперь мы готовы к тому, чтобы поговорить о дросселировании жидкостного ракетного двигателя.

Если у вас старая газовая плита из древних советских, зажгите огонь и откройте газ на полную. Видите, горение не просто увеличилось - огонь начал прыгать. Если у вас нет старой советской газовой плиты, возьмите одноразовую зажигалку и попробуйте открыть на полную. Видите, какое неустойчивое горение? Это потому, что объем топлива не успевает перемешиваться с воздухом (окислителем), возникает неполное сгорание, которое при перемешивании продуктов с окружающим воздухом дает дополнительные очаги возгорания (детонация). Если вы приберете газ у плиты, то увидите, что достигнув определенного минимального значения, огонь резко пропадает. Это потому, что объем топлива слишком мал, чтобы в смеси с воздухом (оксилителем) давать воспламеняемую смесь. В промежуточном режиме - на грани между горением и затуханием - огонь начинает дергаться. Это потому, что скорость горения выше, чем поступление топлива. Где-то есть достаточное количество топливовоздушной смеси, она сгорает, а приток нового топлива недостаточен, и пока его не наберется достаточно - огонь не вернется. При малой подаче топлива, как и при слишком большой, горение приобретает неустойчивый характер.

Это означает, что в диапазоне конструктивно возможных объемов подачи топлива существует гораздо более узкий диапазон, в котором горение в камере сгорания является устойчивым.

Ракетный двигатель нельзя включить "на чуть-чуть", у него существует определенный диапазон режимов работы, определяемых подачей топлива, при котором горение в камере сгорания является устойчивым.

Диапазон тяги, развиваемый ракетным двигателем в допустимых режимах работы, называется глубиной дросселирования. Глубина дросселирования измеряется в процентах от полной тяги. Вне диапазона дросселирования двигатель либо тухнет, либо взрывается.



При всех прочих равных условиях чем больше ракетный двигатель - тем более высокими характеристиками он может обладать. Для полета на Луну американцы создали самый большой ракетный двигатель в мире.



У СССР не получилось создать подобный двигатель, и в ракете Н-1 Королев пытался использовать много двигателей поменьше, результат - ракета так и не полетела. Дело в том, что пакетная работа нескольких двигателей - несколько более сложная задача, чем работа одного...



Вот теперь мы можем поближе, пограмотнее, попристальнее познакомиться с ракетой Фалькон как технической системой...



Вопрос в лоб. Почему у Маска аж 9 (!) двигателей? Нет, то, что американцы пока не могут сделать чего-то современного, эдак размера РД-180 - это один момент.



Почему Маск считает, что работа с большим количеством более слабых двигателей - это хорошо? Вот давайте себе подумаем о простой вещи - транспортный габарит. Есть предельный диаметр сопла двигателя, допускающий перевозку - хоть по дороге обычной, хоть по железной, хоть авиационным способом. В этот диаметр мы можем вписать много маленьких двигателей, или один большой, который будет иметь намного лучшие показатели тяги и весового совершенства. Почему Маск считает, что маленькие двигатели на Фалкон - хорошо, если ориентация на слабые двигатели автоматически ограничивает максимальную грузоподъемность одной ступени?

А вот Безос, например, считает иначе, и после экспериментов с Нью Шеппардом занялся разработкой мощного двигателя BE-4...



Так почему аж ДЕВЯТЬ двигателей на Фалкон-9 - это хорошо, и а аж ДВАДЦАТЬ СЕМЬ двигателей на Фалкон Хеви - это тоже хорошо по мнению Маска?

Вспоминаем про понятие глубины дросселирования.

Ракета на старте - очень тяжелая хрень. Полная заправка горючим и окислителем, полезная нагрузка, вторая ступень - все это должны поднять двигатели первой ступени. Им требуется очень большая тяга, понимаете? А потом первая ступень садится ракетным образом, она больше не несет второй ступени и полезной нагрузки, топливо практически все потрачено. Во время посадки первая ступень Фалькона легкая, как пушинка, по сравнению с массой ракеты на старте.

Глубина дросселирования жидкостного ракетного двигателя ограничена, и нельзя дросселировать мощный двигатель, поднимающий ракету целиком в космос, так, чтобы он опустил легкую опустевшую первую ступень на землю.

Именно потому, и только потому, что Маск хочет по-ракетному сажать первую ступень, ему необходимо при посадке часть двигателей отключить вообще, а оставшиеся дросселировать на пределе допустимого. Из девяти двигателей, работающих на старте, при посадке на Фалкон-9 работают только три. Если бы у Маска был хороший, мощный двигатель, надежный, с великолепными параметрами - он все равно не смог бы с его помощью посадить ракету. Потому что слишком большая глубина дросселирования нужна, чтобы в одной конструкции совместить мощь, нужную для вывода на орбиту, с немощью, достаточной для посадки...

На первой ступени Фальконов всегда будут множество двигателей, потому что задача глубокого дросселирования Маском на самом деле не решена ни разу, и именно эта причина, а не надежность, является настоящей.

Маск соврал - он не из-за соображений надежности девять Мерлинов втулил на Фалькон, а потому что тягой манипулировать не умеет в нужных пределах.

И кстати, это не его вина - в настолько широких пределах дросселировать ЖРД не умеет никто в мире, такие дела...



А почему уверен Безос, почему он делает хороший мощный двигатель? Я так мыслю, ребята, что пока Маск потрясает планов громадьем, и весьма успешно (не отнять) делает хорошую мину при неважной игре - Безос сделает таки себе хороший мощный мотор. И поставит на первую ступень. А для посадки использует пару легких двигателей от Нью Шеппард, которые доказали свою надежность в многоразовом режиме, обладают достаточной тягой, дросселируются и запускаются даже во встречном потоке воздуха, и могут быть компактно размещены по бокам сопла основного двигателя. И вот это будет реально технически обосновано, рационально и оптимизировано под характеристики, необходимые для носителя...

Вот так мы спокойно, с технической точки зрения разоблачили совершенно незаметную для широкой публики ложь Илона Маска. Не надежности для, а безнадежности потому что... Вы довольны? Я сегодня добрый. Давайте разоблачим еще одну ложь Илона Маска.



Все помнят сентябрь 2016 и феерическое гониво имени нашего фигуранта?



Ребята, Илон Маск обещал начать колонизацию Марса в 2022 году... Я задаюсь вопросом - и вы задаетесь этим же вопросом вместе со мной - а есть ли у Илона Маска ракетный двигатель для такого чудо-корабля?

Конкуренты Илона Маска - Блю Ориджин и УЛА - делают мощный двигатель, а вот про работы Маска в данном направлении никто не слышал...

Сейчас нам с вами потребуется еще немного теории ракетных двигателей, вдобавок к вышесказанному.

Ракетное топливо бывает разное. Разные могут быть химические реакции, понимаете? Можно жечь в двигателе керосин и кислород, как Маск. А можно гептил и амил, как в советской ракете Протон. При этом каждая пара горючее-окислитель дает свою теплоту сгорания, образует свое количество продуктов сгорания. Это значит, что конкретный двигатель может быть сделан только и исключительно под конкретную пару горючее-окислитель. Двигатель, работающий на керосине, никогда не сможет работать на гептиле, понимаете?

Это как "копейку" солярой заправить - вроде и с заправки жидкость, и в бак льется, а вот ехать не выйдет...

Каждое горючее и каждый окислитель могут храниться при определенных условиях. Жидкий кислород хранится недолго. Потому что испаряется. В долгом полете на Марс - до Марса он тупо не долетит. Потому все межпланетные аппараты, а также околоземные спутники, месяцами и годами болтающиеся в космосе, заливают высококипящими топливами. Как правило, это гептил и амил. Но есть и варианты. Но это точно не жидкий кислород и тем более не жидкий водород.

Давайте подумаем, какие двигатели нужны Маску на второй ступени марсианского корабля. Ребята, учитывая выкаченную Маском маляву - это мощные двигатели на гептил-амиловом топливе. Такие двигатели сейчас умеет делать только Россия, в которой с таким топливом работать можно, еще недавно их могло делать КБ Южное на Украине. Ну и сейчас с ними работает Северная Корея, да...



В силу токсичности гептил-амилового ракетного топлива даже производство его на Западе свернуто, по крайней мере в Европе - оно покупается у России (возможно, у Украины тоже, но у нас тут черт ногу сломит). В США возможно еще нет, учитывая большой сегмент производства спутников, да и гептил является промежуточным продуктом в химической промышленности - но об объемах в многие сотни тонн в сжатые сроки речь точно не идет. Если наши и русские не продадут - придется Маску и двигатели, и топливо покупать в Северной Корее...

Не, Ким Чен Ын на самом деле человек неглупый и с хорошим, хоть и своеобразным, чувством юмора - для освоения Марса гептильчику он точно продаст по сходной цене.



Сведения о том, что Маск работает над двигателями с высококипящими компонентами, отсутствуют - а это очень специфический продукт, который к тому же, должен опираться на определенную поддержку со стороны химического производства. Снижение производства, и даже полные попытки запрета гептила на Западе по соображениям экологии говорят о том, что никакого Марса не то, что не будет - его даже теоретически не может быть. Есть еще бороводородные топлива, и они даже очень интересные, но тут вот какой момент... Дело в том, что лучше пить гептил, чем нюхать пентаборан, ребята, такая это чудовищная мерзость, эти бороводороды.

И пока весь мир аплодировал гению, открывшему человечеству дорогу к планетам Солнечной системы, я, открыв рот поражался, как легко, оказывается, массе народу лапшу на уши вешать, когда ты - Илон Маск...

Отсутствие ракетного топлива и отсутствие двигателя под это топливо автоматически превращают замечательную презентацию Илона Маска в то, чем она и является на самом деле - в лапшу на уши. И я еще молчу про остальные аспекты, связанные с обитаемостью в корабле и прочим...



Не надо мне возражать, Илон Маск, не надо. У нас тут, раз пошла такая пьянка, еще кое-что есть... Речь у нас пойдет о Фалкон Хеви, о "революции в космонавтике", "самой потрясающей ракете в мире"...



Мдям... Ох уж эти мне красные машинки, понимаете ли...

Итак, ракета-носитель Фалкон Хеви комплектуется на первой ступени из трех возвращаемых первых ступеней Фалкон-9. Вторая ступень - это обычная невозвращаемая вторая ступень Фалкон-9. Утверждается, что в таком варианте можно при желании из регулярного коммерческого носителя собирать тяжелый. Схема выглядит дешевой, рациональной и привлекательной. Та-да-ммммм...

На самом деле, как всегда, все немного не так. С точки зрения формулы Циолковского оптимальным будет режим, при котором центральный блок первой ступени будет являться одновременно второй ступенью, а вторая ступень, установленная на центральном блоке - будет исполнять функцию третьей. Такова специфика космонавтики - все приходится делать через задницу... В принципе в этой схеме нет ничего криминального - королёвская ракета Р-7 (она же РН Союз) тоже работает таким образом. В чем прикол?

Совокупная мощь всех трех блоков нужна, чтобы оторвать ракету от земли. Но в полете топливо расходуется, ракета легчает, и вот уже, не успели боковые блоки доработать до конца - как можно обойтись и без них. При этом центральный блок дополнительно доразгонит ракету, улучшив ее характеристики по выведению нагрузки. Маск изначально хотел использовать этот вариант, предполагая перекачку топлива между блоками в полете, но в силу технической сложности был вынужден отказаться от перекачки. Потому, чтобы реализовать козырный план по доразгону, он поступил несколько анекдотично. Мы уже помним, что лучший режим работы для двигателя - это когда он на полном газу, верно? На старте двигатели боковых блоков работают на полную мощность, чтобы посильнее разогнать ракету перед разделением, а центральный блок дросселируется, чтобы в нем осталось немного топлива для доразгона.

Я же говорю, в космонавтике многие вещи происходят немного неочевидным образом.



По проекту ракеты она должна состоять из блоков Фалькон ФТ Блок 5. Для первого старта Маск выбрал на боковые блоки ступени Блок 4, на центральный блок - ступень Блок 3. Вот смотрите. Вы делаете дома из монолитного бетона. Вам надо построить один объект, чтобы соблазнить заказчика на застройку микрорайона. И вы строите дом из кирпича, а фундамент для него - из деревянных бревен. Где логика?

Перед стартом Маск неоднократно говорил, что не исключена авария. Дескать, носитель уникальный, вступаем в мир неизвестного, ставим смелый эксперимент и вообще - можно делать ставки, бахнет или нет. Если бы Спейс Шаттл запускали в полет с такими анонсами...

Рассуждая логично, нужно вот о чем подумать. Совместная работа трех блоков в режиме одного тяжелого носителя - это не только механическая связь между тремя ступенями, это еще и синхроннность работы двигателей, и совместная работа систем. Это совершенно особый режим работы, как Маск говорит, авионики, а по-русски - бортовой электроники. И было бы кранйне логично на самом деле тестировать в полете именно те системы тех ступеней, из которых в будущем и будет состоять ракета, верно? То есть - собрать первый Хеви из ступеней Фалкон ФТ Блок 5, ибо их, летавших, уже скопилось. Почему на боковые блоки были пущены ступени Блок 4, а на центральный блок - вообще ступень Блок 3?

Практическая ценность от данного эксперимента, конечно, ненулевая, но в случае работы со штатными комплектующими она была бы выше.

Теперь давайте посмотрим вот на что. Два боковых блока, отработав, приземлились на посадочных площадках. На земле. Центральный блок, доразогнав ракету, как и предполагалось программой работы, полетел к плавучей платформе. Но не смог приземлиться (об этом отдельно). Маск заявил, что неприземление центрального блока является неудачей, объяснил его исчерпанием розжигового топлива в баках центрального блока. Кроме того, родстер Маска не вышел на запланированную орбиту. Так что, эксперимент провалился? Если вы верите Маску, то считаете, что да, это неудачный пуск, он сам об этом сказал, но - пуск великий, новая веха и начало не менее новой эры. А мы Маску не верим, и потому сейчас совместим все неувязки.

Опять немного теории ракетных двигателей - нам нужно познакомиться с ракетной зажигалкой. По ссылке - великолепнейшая статья о системах зажигания ракетных двигателей. Нужно пересилить себя и прочитать. Но если не можете - все же объясню вкратце.



Некоторые пары горючее-окислитель, например гептил-амил, самовоспламеняются, и для запуска ракетного двигателя достаточно их просто подать в камеру сгорания. А некоторые, например керосин-кислород, требуют источника открытого огня. Чтобы многократно запустить ракетный двигатель, необходимо, если его пара горючее-окислитель несамовоспламеняющаяся, приделать к ракетному двигателю зажигалку. В качестве наиболее часто встречающегося - в силу простоты и надежности - варианта зажигалки используется штифтовая форсунка с парой гептил-амил, располагающаяся в центре камеры сгорания. Эта зажигалка поджигает пару керосин-кислород и горит все время работы двигателя. Поскольку ракета Фалькон 9 является ракетой с многократным включением двигателей, каждый двигатель снабжен такой зажигалкой.

В свою очередь, это означает, что в каждой ступени Фалкона помимо керосина и кислорода, присутствуют также баки с гептилом и амилом, каковые компоненты необходимы для работы двигателей.

Лирическое отступление: при всей своей склонности к дешевым салонным эффектам и пустому гону, рассчитанному на лохов, Илон Маск все же не дурак - все форсунки Мерлина являются штифтовыми, это чертовски дорого, но так же чертовски классно!

Так вот. Я встаю в пользу обвинителя в суде и задаю вопрос - случайно ли сдохла зажигалка в центральном блоке Фалкон Хэви?



Намек номер один - на центральный блок Маск поставил самую старую железяку из завалавшихся в закромах. Намек номер два - мы с вами уже выше знаем, что центральный блок Фалкон Хэви дросселируется для экономии топлива. Ну?

Дело в том, что горючее и окислитель подаются в ракетный двигатель через ТНА - турбонасосный агрегат - который и регулирует подачу. А зажигалка, во-первых, питается от отдельных баков, и во-вторых, работает в одном режиме. То есть, при нормальном запуске ракеты Фалкон 9, когда все двигатели "жгут нипадецки", работая в оптимальном для себя режиме на полной тяге, топливо расходуется быстро. Но в составе центрального блока Фалкон Хэви двигатели дросселируются, расход топлива меньше, оно расходуется дольше. А зажигалка как горела - так и горит...

Маск изначально знал, что зажигалки не хватит на посадку, это рассчитывается. Маск специально поставил на центральный блок самую старую ступень, какую мог найти - ее не жалко. Маск специально нагнетал интригу с возможной неудачей запуска, заявляя, что в космонавтике все бывает. Маск специально признал утопление центрального блока неудачей. И Маск же специально всему миру сообщил об исчерпании запального топлива.

Зачем?

Звезды до тех пор звезды, пока на них обращают внимание. Именно потому они влипают в различные истории, фотографируются в различных пикантных видах, скандалят и творят всякое непотребство. Маск ведет себя как звезда. Он позволяет себе технически некорректные заявления, он будоражит, он заводит толпу, вешает лапшу на уши лохам. Единственное, чего он еще не делал - не напивался, не снимался неглиже и его не ловили с наркотиками. Эксплуатация популярности - это способ Маска привлечь инвестиции, подогреть интерес к своей компании, оттеснить конкурентов, и именно поэтому любое заявление Маска нужно делить на десять, а то и вовсе множить на ноль.

Как личность, мне лично Илон Маск глубоко несимпатичен вот этим своим бессовестным фиглярством.

С другой стороны, за Маском стоят действительно серьезные инженеры, которые могут воплотить в жизнь весьма сложные решения. Изучение этих решений, со всеми их плюсами и минусами - гораздо интереснее той лапши, которую мегатоннами производит Илон. И хотя с точки зрения техники решения эти не столь однозначны, но одного отнять нельзя - они интересны. И да - Фалкон летает, и Драгон тоже.

Но где-то спокойно работает Джеффри Безос, парень спокойный, неразговорчивый и скромный, и у него будет то, чего нет у Маска - мощный двигатель. И это не менее интересно, а возможно, и более интересно, чем Маск. Потому что Безос смотрит на Маска, анализирует, и избегает ошибок. И рано или поздно он выкатит свой пепелац...

И да. Нужно кое-что еще сказать, чтобы окончательно сдуть истерично-восторженный флер с вполне реального технического проекта (я про Фалкон-Драгон, кто не понял). Во второй половине 60-х годов (защита эскизного проекта в 1966 году) по теме "Алмаз" (военная орбитальная станция) был начат разработкой корабль ТКС. Проектом корабля предусматривалось многократное использование возвращаемой капсулы. В процессе выполненных работ (пилотируемых пусков не было) ТКС доставлял на орбитальные станции по четыре тонны за раз - это больше, чем везет Драгон. А две возвращаемые капсулы совершили повторные полеты (то есть Драгоны Маска с ними только-только сравнялись). Только вот все это многоразовое безобразие с повторными пусками случилось в СССР в конце семидесятых - то есть тридцать лет назад, когда мальчик Илон еще в штанишки писял.

Так что дважды летавший в космос многоразовый аппарат капсульного типа первым тоже не Илон сделал, понимаете?

Tags: Автостоп и дальнобой в космосе
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Вызов. Пресс-конференция.

    Ну... Сбои в трансляции, конечно - не уровень ТАСС. И не уровень Звездного городка тоже. Напоминало ДОС-атаку, кстати. Если бы точно знать какой…

  • Реклама

    Я писал в цикле про "Вызов", в комментариях, что в реалити-шоу должны быть еще серии. Так вот - вышла седьмая и ожидается восьмая. :)…

  • Синемафилическое

    Мне порекомендовали фильм "Холоп" (2002) режиссера Клима Шипенко. Ну как бы референс на сейчас снимаемый фильм "вызов".…

promo bigdrum february 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 

  • 1 comment