К вопросу о многорежимных двигателях.

Привет всем уважаемым участникам форума !
У меня скорее вопрос к специалистам, а не предложение к обсуждению, хотя как сказать.
Суть вопроса о многорежимных двигателях в следующем:
1. В одном из форумов прозвучало предложение ( в общих чертах) по решению проблемы многоразовых космических систем в следующем виде:
- космический самолет взлетает с обычного аэродрома, его двигатели работают в режиме ТРД;
- после достижения 2-3М турбину останавливаем,лопатки фиксируем и двигатель работает в режиме ПВРД;
- вышли за пределы атмосферы - внешние воздухозаборники закрываем и двигатель работает в режиме ЖРД (другой источник и объемы топлива и окислителя). Подобный подход был отвергнут участниками форума. Основная причина - что делать с лопатками турбины и компрессора? Я думаю, что лопатки турбины просто сгорят при локальном нагреве и отсутствии вращения, а без турбины компрессор не нужен ( в традиционных схемах ТРД).
2. Я думаю решение есть. Пример - ЖРД. В ЖРД окислитель подается (в основном)ТНА. Вращение ТНА никак не связано, по крайней мере механически, с выхлопом из КС. Что принципиально мешает выделить конструктивно турбину с компрессром ТРД в отдельный блок, получив при этом отдельно ПВРД и компрессор для работы в условиях низких скоростей. В этом случае переход от ТРД к ПВРД требует остановки компрессора (огромных сложностей не видно) и закрытия его воздухозаборника. Естественный вопрос - чем вращать компрессор? Вопрос простой, следовательно и ответов много( шутка):
- электромотором, с питанием от бортового ЯР;
- компрессор построить по принципу ТНА ЖРД, например.
Ну а переход от режима ПВРД к ЖРД у участников форума особых нареканий не вызвал.
3. Видите, никаких проблем (опять шутка). А если серьезно, то просьба поделиться информацией о РЕАЛЬНЫХ проектах многорежимных двигателей.

>электромотором, с питанием от бортового ЯР;

Турбина намного легче электромотора. Даже если с широкой рукой присовокупить и насосы к массе, ТНА обладает рекордным отношением масса/мощность среди мех. двигателей. Да и мегаватты потребуются...

>компрессор построить по принципу ТНА ЖРД, например

А это уже есть - турбореактивные двигатели именно такие;)


А если серьезно, пока не ясна даже концепция такого двигателя. А пока он не будет, забудьте про горизонтально взлетающие и садящиеся космолеты. Да и вертикальный старт - рулез в энергетическом плане;)

Уважаемый varban !
Некоторые пояснения:
- действительно,принцип построения системы нагнетания окислителя ТРД имеет много общего с ТНА ЖРД;
- но есть сушественная (на мой взгляд) разница, которая состоит а том, что турбина ТРД вращается и вращает компрессор под воздействием выхлопа КС (естественно не всегда, при старте ее вращает стартер),то есть нагнетательная система конструктивно объеденена с КС;
- суть (рационализаторского) предложения в конструктивном отделении системы нагнетания воздуха от остальной части двигателя, что предположительно пожволит легко ее отключить при переходе в режим ПВРД.

quote:

---

- суть (рационализаторского) предложения в конструктивном отделении системы нагнетания воздуха от остальной части двигателя

---

 

Ну, это еще итальянцы в 1940 году применили на своем Капрони-Кампини N.1 На нем поршневой двигатель "Изотто-Фраскини" мощностью 900л.с. приводил в действие трехступенчатый компрессор. Да еще и лопатки компрессора имели изменяемый шаг

wbr, muxel

Доброго времени суток!

Скажу Вам больше! Это просто ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА:
Впервые принцип конструктивно отделенного от остальной части двигателя воздушного нагнетателя был реализован аж до Первой Мировой войны румыном французского происхождения ученым и инженером Анри Коанда (на его изобретение, выставленное на одном из первых авиасалонов, проходившем - если память не изменяет - в рамках Всемирной Промышленной выставки, было много рецензий, в том числе и Эйфеля - того, который башню в Париже построил).
Идея конструкция заключалась в том, что поршневой мотор приводил в действие вентилятор, гнавший воздушный поток в кольцевой канал, в к-ром к потоку подводилась дополнительная энергия (путем сжигания энного к-ва бензина несколькими форсунками) - реализация теплового цикла Брайтона, однако!
Таким образом, спроектированная силовая установка, могла (и может по сию пору) считаться протопипом воздушно-реактивного двигателя. Отсюда вытекает и то, что Капрони-Кампини не был "первой ласточкой"...

С уважением!

С использованием ТРД для космических аппаратов есть вот какая проблема: они намного тяжелее. Для ЖРД отношение тяга/вес около 75 вполне реально, для ТРД 10 более характерно. Сколько будет весить комбинация с ядерным реактором и электромоторчиком --- я и думать боюсь. А для многоразового корабля на химическом топливе отношение масса ракеты/сухая масса должна быть не хуже 10. В случае вертикального старта масса ТРД съедает все, не оставляя ничего на баки и полезную нагрузку. В случае горизонтального старта --- много времени придется провести в атмосфере, преодолевая сопротивление воздуха. И вообще, прямоточных реактивных двигателей сверхзвукового сгорания не существует, если не считать очень опытных образцов.

Вот статья про прямоточники, имхо хорошая: Чистая сила.

[Редактировалось varban (08-11-2000 в 01:27).]

Вот статья про прямоточники, имхо хорошая: Чистая сила.

[Редактировалось varban (08-11-2000 в 01:27).]

Статья действительно интересна !
Коротко и доступно.
Думаю, очень интересный вопрос поставил AGoldin.
Попробую его несколько расширить и уточнить.
Проводились когда нибудь сравнительные исследования эффективности ЖРД и многорежимных двигателей (хоть по каким либо критериям ) или нет? Может не стоит и "огород городить", а развивать технологии ЖРД ( если теоретически доказана невозможность выигрыша многорежимников)?
Если у кого есть данные, буду очень благодарен.

Но! Вопрос на засыпку: что весит больше --- ТРД+ramjet+scramjet (или универсальный двигатель) или кислород, который он экономит? Про то, что больше стоит, я согласен не спрашивать

Кислород, конечно, весит больше. Это масса топлива, умноженная на 3-4 для углеводородного топлива и на 8 для водородного. Плюс баки для его хранения, сопутствующее утяжеление конструкции и прочее.

Что касается многорежимности, то, IMHO, этот вопрос неактуален сейчас. Даже разгоняемый твердотопливными ускорителями а-ля "Шаттл" носитель с ГПВРД был бы скачком вперед. Актуален вопрос, а можно ли его вообще построить, этот ГПВРД.

На сколько я понимаю, суть проблемы состоит в том, что никакое горючее, кроме водорода, попросту не горит в сверхзвуковом потоке из-за плохого смешивания с окислителем. Водород из-за его малой молекулярной массы быстро диффундирует в поток окислителя и горит, но размер баков для него "съедает" все преимущества перед обыкновенным керосиновым ЖРД.

Так вот вопросы, некоторые из которых я уже задавал по этому поводу. Можно ли повысить плотность жидкого водорода, или, точнее, топлива для ГПВРД? Пробовали ли сжигать в сверхзвуковом потоке метан? Гидразин? Пробовали ли использовать многокомпонентное топливо (сначала водородные форсунки, а далее впрыскивается керосин (метан, что еще) в нагретый водородом воздух, так что испарение капелек, да и сама реакция, происходит быстрее. Катализаторы? Реакция ведь никаким законам не противоречит, с точки зрения dG и прочего, просто кинетика неудачная, значит возможен катализ. Первое, что в голову приходит - свободные радикалы, хотя бы типа CO или NO, или добавки, легко их образующие. Или ионизирующие электронные пучки у форсунки? Или сильная радиация?

[Редактировалось k_gornik (08-11-2000 в 20:02).]

Да, вопросы серьезные. Может и повторяться будем, не упомнишь:( - факи надо делать, факи!

Насчет жидкого водорода - собака не растворяет толком ни одно из топлив - я даже данные не нашел - из за низкой температуры, наверное. Ведь почти все твердеет - тот же метан. По сути, попытка повысить плотность водорода - двухтопливные двигатели - см. ранные рокитдайновские и РД-701.

Насчет сверхзвукового горения - не слышал, что кроме водорода еще что-то пробовали, но тут имхо не в диффузии дело только. Ведь перемешивание идет в турболентном потоке... или я не прав?

Насчет катализаторов - они используются в однокомпонентных ЖРД, скажем у шатла того же (не в маршевых!). В РДТТ тоже катализаторы сильно популярны, практически ни одно топливо без них не делают, без значение, смесевое или баллистит. Вот только они работают в конденсированной фазе, а какая к-фаза у ЖРД? Разве что только свободные радикалы - это верно. Но не СО, скорее NO или даже что-то типа галогенидов...

Спасибо за ссылку! Хорошая статья.

Но! Вопрос на засыпку: что весит больше --- ТРД+ramjet+scramjet (или универсальный двигатель) или кислород, который он экономит? Про то, что больше стоит, я согласен не спрашивать

Просьба учесть, что scramjet должен набирать скорость в менее экономном режиме, чем ЖРД --- ему нужен воздух, а значит этот воздух надо распихивать.

Быть может, выигрыш и возможен. Но не очевиден.

Меня, наверное, опять в сторону уносит. Но просто хотелось заметить, что ЖРД, несмотря на кажущуюся неэффективность --- жутко эффективная и продвинутая вещь. И гораздо проще многих потенциальных заменителей. Увы.



[Редактировалось AGoldin (08-11-2000 в 02:38).]

Как я понял одна из проблем создания многорежимного двигателя - куда девать турбину и компрессор на скоростях больше M3? Если вал между турбиной и компрессором сделать разьемным то колеса можно развернуть внутри движка на 90 гр т.ч. колесо можно спрятать в горизонтальный контейнер внутри двигателя. Проблема однако с многоступенчатыми турбинами.
А как насчет плоских турбин. Т.е. ось турбины вертикальна (перпендикулярно набегающему потоку)и работает только половина лопаток ( остальные в
тени). Как у колесных пароходов. Ну недостаток очевиден - малая производительность. Но плюсы тоже есть - очень простая конструкция многорежимного движка - все можно сделать заслонками даже изменение геометрии сопла и КЗ- все ведь плоское. Малый К лоб сопр. двигателя - S невелика. Удобно размещается в крыле. Такую турбину можно на ходу закрыть заслонками без особых понимаешь турбулентностей. Как закрывать обычную турбину без резких (и опасных) движений - не представляю. А производительность можно увеличит скоростью вращения и формой лопаток Серповидных при виде сверку и с увеличением поверхности к концам. Т.ч. за счет простоты конструкции может и выигрыш в эффективности получится.
Прошу мэтров простить за возможно очевидную глупость - но ЯК 141 вообще подъёмные движки поперек корпуса возит и до сверхзвука разгоняется. Вопрос в том какой этап работы двигателя сэкономит больше (наверно самый длительный) т.е. гиперзвук. И потери при разгоне до 3М существенно меньше чем от несовершенного - т.е. цилиндрического прямоточника.

В основном ответ AGoldin'у, но и реплика тоже.

>Вопрос на засыпку: что весит больше --- ТРД+ramjet+scramjet (или универсальный двигатель)
>или кислород, который он экономит? Про то, что больше стоит, я согласен не спрашивать
>Быть может, выигрыш и возможен. Но не очевиден.
Берём вопрос. Не отвечая на него, пишем фразу, подразумевающую, что ответ ясен любому дураку. И укрепляем псевдофакт ссылкой на стоимость. В чистом виде приём из жёлтой прессы.

Удельный импульс ВРД намного больше (от 5 до 50 раз для разных типов ВРД), чем у ЖРД. Конкурентом ВРД может быть только ЯРД, но экологичность его применения в атмосфере существенно сомнительнее, чем экология ВРД.

Двигатель - тип - удельный импульс
РД-170 - ЖРД - 3031 м/с
РД-0410 - ЯРД - 8920 м/с
РД-012У - СПВРД - 15 300 м/с
Д-30Ф6 - ТРДДФ - 18 500 м/с
Д-18Т - ТРД - 102 350 м/с
(примечание: для ЖРД импульс указан для поверхности Земли, в пустоте он составит 3306 м/с).

kost
=Как я понял одна из проблем создания многорежимного двигателя - куда девать
турбину и компрессор на скоростях больше M3?=

В ранней версии "Хотола" предполагалось размещать ТРД над ПВРД внутри фюзеляжа, там можно было заслонкой направлять воздух из входного тракта ПВРД в ТРД при наборе скорости.
Но на РН с вертикальным стартом (думается, и на носителях с горизональным стартом тоже) многорежимник невыгоден - зачем возить турбину и компрессор на орбиту. ИМНО, проще отстреливать ТРДД после того, как включится ПВРД-ступень, и спасать их (парашют, тормозной РД, надувные баги).

[Редактировалось Waldi (09-11-2000 в 10:36).]

Олегу Лазутченко:

Вы правы, я не совсем убедительно написал то, что хотел.

Вот попытка изложить то же самое несколько более продуманно:

Удельный импульс, разумеется, у ТРД гораздо выше. Благодаря чему для достижения той же характерной скорости, казалось бы, нужно гораздо меньшее отношение стартовой массы к конечной массе. Но так как ТРД гораздо тяжелее, достичь того же отножения будет очень непросто. К тому же scramjet, как заметили, не переносит плотного углеводородного топлива (керосин), а баки для водорода тяжелее. Известно, что отношения масс М0/М1 = 10 для ракеты на ЖРД достичь можно. Можно ли достичь отношения масс, скажем, около 3х дла самолета с scramjet --- пока еще большой вопрос.

Более того, характерная скорость для выхода на орбиту для самолета, использующего воздух выше, так как ему надо разгоняться там, где еще есть воздух, а значит и его сопротивление.

Кстати, начиная эдак с М3 до М28-М30 (большая часть набора скорости) компрессор вообще мертвый вес.

Впрочем, для спецов на этом форуме все эти замечания очевидны, я лиш хотел, чтобы их прокомментировали.

Я не эксперт, поэтому табуретки, пожалуйста, бросайте нежно. Увы, на этой неделе у меня не так много свободного времени, чтобы искать цифирки в литературе для подкрепления своих (возможно необоснованных) сомнений по поводу целесообразности работы над scramjet и т.д. для выхода на орбиту в ближайшем будущем (лет эдак на 50 с учетом того, что прогресс в этой области не очень быстрый).

И, кстати, зачем оптимизировать отношение стартовой массы к конечной? Не лучше ли оптимизировать стоимость? Какая разница, что ракета на ЖРД будет весить в 3 раза больше, чем Ту-2000 или что там сейчас в фаворе, если стоимость разработки ракеты будет в десятки раз ниже, а стоимость запуска — меньше в разы? Вариант, мне кажется, вполне возможный. Т.е., мне кажется, scramjet правильное решение для оптимизации неправильной переменной (массы вместо стоимости).

2AGoldin:
>Но так как ТРД гораздо тяжелее, достичь того же отножения будет очень непросто.
А зачем это, интересно, нужно именно то же соотношение? Если удельный импульс (далее УИ) ТРД больше, чем у ЖРД, в пять раз, соответственно, для набора такой же характеристической скорости массовое совершенство может быть хуже в exp(5)=148 раз. Я думаю, это достаточный простор для конструкторской мысли, даже если перейти на применение чугуна и бетона.
Наглядный пример.
Одноступенчатая РН, сухая масса 10т, масса топлива 100т, УИ=3200м/с.
ХС=3200*ln((100+10)/10)=7673м/с.
Одноступенчатый ВКС, сухая масса 100т, масса топлива 100т, УИ=15 000м/с.
ХС=15000*ln((100+100)/100)=10397м/с.

>И, кстати, зачем оптимизировать отношение стартовой массы к конечной?
>Не лучше ли оптимизировать стоимость?
Это если из Москвы смотреть, причём по телевизору. А если посмотреть с завода, с Байконура, из КБ, то станет заметно вот что:
1. Технологические ограничения (стометровый бак, наверное, в сто раз нежнее и хитрее десятиметрового).
2. Транспорт. Чем и как тащить всё это с завода на старт?
3. Аварии (цитата с "Бурана": "..."Энергия-Буран" в заправленном состоянии штука весьма опасная. В случае взрыва пакета ЭТО количество смеси водород-кислород дает такой фронт взрывной волны, что в радиусе 8 км - лопается все живое. Как помидор об землю с девятого этажа...")
4. Несгоревшие ступени и невыработанные остатки топлива в них.

Э?

Но так как ТРД гораздо тяжелее, достичь того же отножения будет очень непросто.


ТРД конечно тяжлее, но разница в массе
ТРД и ЖРД с лихвой покрывается выигрышем
за счет отсутсвия запаса окислителя.
Естественно только в атмосфре

>Одноступенчатая РН, сухая масса 10т, масса топлива 100т, УИ=3200м/с.
>ХС=3200*ln((100+10)/10)=7673м/с.
Одноступенчатый ВКС, сухая >масса 100т, масса топлива 100т, УИ=15 000м/с.
>ХС=15000*ln((100+100)/100)=10397м/с.


С этим, конечно, не поспоришь --- я никогда и не сомневался (хотя, конечно, не очень внятно написал). Но есть ли где-нибудь хотя бы в проэкте воздушно-реактивный двигатель с удельным импульсом
15000 м/с на скорости эдак М15-20? А толку от высокого удельного импульса на М0.8-М0.9 не так много. Да и даже если допустить, что такой двигатель построен, он, пожалуй, будет подороже стометрового бака (хотя и десятиметрового диаметра бак --- задачка не позавидуешь, тривиальных задач в этой области нет. Точнее, они все (тривиальные) уже решены .

И даже отношение масс m0/m1=2 может показаться нетривиальным с учетом того, что топливо --- водород (плотность --- 70кг/кубометр, а водороду в отличие от кислорода еще и теплоизоляция нужна), а динамические нагрузки --- высокие ( Ведь разгоняемся в атмосфере, в отличие от ракет, которые поднимаются повыше вертикально и только там начинаят разгон, благодаря чему момент максимальных нагрузок наступает неподалеку от M1-M1.1, далее аэродинамические нагрузки падают.)

И в связи с плотностья водорода раз в десять хуже, чем у керосина --- еще и гигантским лобовым сечением.

Такие у меня сомнения. В общем, мне было бы очень странно, если бы кто-то пообещал разработать орбитальный самолет менее чем миллиардов за 50-100 (по мериканским ценам, в России, разумеется, это было бы подешевле).

Я это, собственоо, провоцирую --- надеюсь, что кто-нибудь скажет "есть такаю партия" (тьфу ты, есть такой двигатель!) и продемонстрирует мне рабочий scramjet с тягой тонн 200, массой не более тонн 20-30 и удельным импульсом 15000м/с на скорости М=20.0. Тогда я с радостью признаю себя идиотом. А пока я готов признать себя лишь воинствующим чайником. В связи с чем и прошу снисхождения у уважаемой публики.

3. Аварии (цитата с "Бурана": "..."Энергия-Буран" в заправленном состоянии штука весьма опасная. В случае взрыва пакета ЭТО количество смеси водород-кислород дает такой фронт взрывной волны, что в радиусе 8 км - лопается все живое. Как помидор об землю с девятого этажа...")

Режимщик, он, конечно, непосредственный участник событий, но знаток техники, думаю, весьма посредственный - это не единственный его ляп )
Что в курилке от таких же как он услышал, то и рассказал.

(Для справки: катапультирующие кресла должны были удалять космонавта где-то на полкилометра от старта, но никак не на 8 км)

=катапультирующие кресла должны были удалять космонавта где-то на полкилометра от старта=

Там же вроде спассистема в виде туннеля, по которому на собственной заднице скользить надо, вроде бобслея, или я чего путаю.

В.В.Заболотский, когда мы с ним говорили о Буране, говорил типа "за время развития взрыва катапультируемое кресло должно удалить астронавта на расстояние не менее 400 метров от комплекса" - минимально безопасный радиус.

Вообще, там хитрее. Если нештатная ситуация развивается до отрыва, то спасаются прыгая в специальную трубу-шахту, с закруглением внизу по принципу надывных пасательных труб на самолётах, а там небольшая комната с входами в индивидуальные спасательные бункеры.

Катапультруемые же кресла работают уже после старта. Хотя для пилотов риск достточно велик - рукоятка управления истребительного типа слишком велика и при неудачном её отстреле могла нанести серьёзнейшие повреждения между ногами.

Напомню, что Виктор Васильевич - член "Бураноской" команды, готовился к полётам в команде Волка.

Asteroid>(Для справки: катапультирующие кресла должны были удалять космонавта где-то на полкилометра от старта, но никак не на 8 км)

Ага, точно.
Если прикинуть, там не более 2 kt топливо, а его тротиловый эквивалент меньше единицы - так что если планируется подрыв такого колличества топлива, я бы спокойно встал не в 8 km, а ближе - интересно же;)

>... чайником...

Как я имел случай заявить, ракетные хакеры;) в КБ сидят, а не в инете:(
Все мы тут такие - кто чайник, кто самовар...

>... воинствующим чайником...

Гм, местами хорошо бывает. Иначе на ком лезвие точить;)

>Фигушки. Любишь критиканствовать - люби и аргументы приводить. Числа и расчёты на бочку.

Ужасть! А интуиция? А если потрепаться хочеться;)
Хотя правильно, так нас!
imho самое главное все-таки - умение признавать свою неправоту... это уже серьезно.
Ну и конечно же:
нести факел знаний в интересующиеся массы и бороться с поднимающим голову мракобесием

varban:
>нести факел знаний в интересующиеся массы и бороться с поднимающим голову мракобесием
Вот именно. Причём нести факел знаний в том числе принудительно, примерно как из пожарного гидранта

А если серьёзно, то уж очень утомляет спор, когда одна сторона (в данном случае - Я, Любимый и Неповторимый ))) и аргументы приводит, и численные расчёты, и ссылки, а вторая поплёвывает на эти самый аргументы с высокой колокольни, а на просьбу или требование выставить свои расчёты, отвечает "а мне вот так кажется, и всё".