![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png)

Нарисованная неизвестным мне любителем схема ЖРД Raptor.
1. Raptor питается переохлаждёнными значительно ниже температуры их кипения жидкими метаном (LCH4) и кислородом (LO2). Эту пару компонентов ракетного топлива часто обозначают LO2/LCH4. В ЖРД Merlin использован охлаждённый до −7°C керосин RP-1 и переохлаждённый до −207°C кислород — LO2/RP-1.
Преимущества жидкого метана, в сравнении с керосином в ЖРД:
- Молекулярная масса продуктов горения намного меньше, чем керосина, много легчайшего водорода. Это увеличивает скорость их истечения из сопла, а значит и полезную работу массы топлива. Мера скорости истечения массы — удельный импульс двигателя (УИ).
- Меньшее содержание углерода уменьшает нагар (отложившуюся сажу) в местах горения.
- Температура кипения (−162°C) и кислорода (−183°C) близки, что позволяет хранить их рядом без существенной теплозащиты, а керосин может замёрзнуть.
- Лучше охлаждает горячие части двигателя.
- Меньше смачивает топливную систему, менее вязкий, а потому полнее расходуется, не оставляет загрязнений.
- Меньшая вязкость и переохлаждение снижают опасность кавитации в топливной системе.
- Легко испарить и так использовать для горения, смешивая газы — метан и кислород, а не капли керосина.
- Горящая смесь газов создаёт меньше биений процесса горения.
- Существенно дешевле керосина нужной чистоты, что однако почти не сказывается пока на стоимости полётов.
- Наконец, метан и кислород можно получить вне Земли, с помощью электроустановки из углекислоты и воды на месте, что имеет очевидную важность для межпланетных перелётов.
Недостатки:
- Больший размер и масса баков из-за почти вдвое меньшей плотности жидкого метана.
- Больший потребный объём перекачки, размер и мощность насоса.
- Испаряется при хранении и даже несколько ядовит. Надо охлаждать, чтобы хранить. Опасно использовать без вентиляции.
- Наконец, ракет на метане пока нет, а применение керосина проработано.
2. Для Raptor использована замкнутая схема для турбонасосов (ТНА), в которой продукты сгорания для привода турбины насосов попадают в общее сопло ЖРД.
В Merlin выхлоп привода насоса используется для наружного охлаждения сопла, что ведёт к потере вклада этой части топлива в тягу, быстрому росту расхода топлива при увеличении мощности насоса. В Raptor же охлаждение сопла совершает полезную работу — испарение топлива.
Недостаток замкнутой схемы в большей стоимости разработки и доводки такого ЖРД, его большей сложности и стоимости производства. Тем не менее, она применяется на большинстве советских ЖРД и нескольких двигателях, уже применённых в США и Японии.
3. Для Raptor использована так называемая полная газификация топлива до турбин турбонасосов (ТНА). Такой приём называют ещё «полнопоточный привод» насосов или система «газ-газ».
Пока такое решение — удел стендов и исследований. Например, во многом уникальный, но стендовый РД-270 или конкурсная программа «Integrated Powerhead Demonstrator (IPD)» ВВС США и NASA, начавшаяся в 1998 году и сведения о которой заканчиваются в 2013 году. Raptor не первый ЖРД такого облика на стенде, но вероятно станет первым полетевшим. Любопытно, что в программе IPD пыталась принять участие и фирма TRW, в которой главным конструктором отдела ЖРД работал Том Мюллер. В SpaceX он перейдёт в 2002 году.
Для Merlin же он использовал двухпоточный насос с единым приводом на жидких компонентах топлива. Решение, характерное для другой его работы в TRW — ЖРД LPCE, испытанного им на стенде с разными топливными парами кислороду, включая водород и метан.
Суть полной газификации в том, что, пройдя свой насос (по числу компонент — два ТНА), каждый жидкий компонент топлива испаряется в теплообменниках и попадает в камеры сгорания приводов насосов газообразным, где, чтобы дать энергию приводящую насосы, добавляется небольшое количество другого компонента сгорающего перед турбинами. После турбины компоненты и небольшое количество выхлопных газов попадают в единую камеру сгорания ЖРД двумя потоками.
Полная газификация, в сравнении частичным сгоранием в газогенераторах замкнутой схемы, применённой во многих советских и некоторых американских и японских двигателях, имеет ряд преимуществ:
- Безопасное разделение компонент до камеры сгорания ЖРД.
- Мощное охлаждение перед турбиной полным потоком компонента.
- Возможность менять соотношение производительности обоих насосов сложной системой управления.
- Уменьшение взаимовлияния потоков компонент через единый привод насоса, включая с трудом устранимое высокочастотное.
- Сжигание газов в приводе насосов относительно проще, чем капель жидкости.
- Независимая система управления насосами улучшает управление тягой и соотношением компонент для меняющихся обстоятельств.
- Мощность насоса не связана с прямыми потерями, а потому возможно увеличение давления, которое ведёт, прежде всего, к росту тяги без увеличения двигателя и связанных с ним конструкций ракеты.
- Устранение кавитации после насоса, где компоненты ещё жидкие.
Есть, конечно, и недостатки. Главные:
- Дороговизна отработки и изготовления сложной системы управления подачей компонент.
- Дороговизна отработки и изготовления горячей части ТНА кислорода (камера сгорания и турбина), где на неё воздействует кислород и продукты горения («кислый газ») при очень высоком давлении;
- Возможность появления нагара (сажи) в горячей части ТНА метана, из-за углерода в его составе.
4. Наконец, величина давления в камере сгорания ЖРД Raptor. В 2018 году руководство SpaceX объявило о достижении давления порядка 250 атм, как цель указывают 300 атм и даже 350 атм после крупных доработок.
Для сравнения, Merlin 1D+ — более 100 атм, пресловутый Энергомаш РД-180 — более 250 атм, метановый Blue Origin BE-4 по проекту — более 130 атм. Недостатки высокого давления очевидны:
- Снижение надёжности, особенно насоса кислорода.
- Повышение цены.
- Рост тяги при почти том же размере ЖРД, исключая сопло, почти той же массе двигателя и конструкций ракеты с ним связанных.
no subject
Date: 2018-12-19 03:07 am (UTC)no subject
Date: 2018-12-19 11:19 am (UTC)Впрочем, в США любопытных и не состоявшихся проектов тоже много. Бывает, как с Merlin (LCPE) и Raptor (IPD), вообще - метан, они выстреливают через десятки лет. Но вспомните хотя бы клиновозлушник, F-1 и M-1. Видимо, именно так со стороны выглядят развитые школы ракетостроения. Двигатель здесь, за редким исключением, часть проекта ракеты. И, как видим, вовсе не самая важная, хотя такой вывод необычен. Дело, может быть, в одноразовости, вот и решения трудно понять.
Рад, что понравился.
no subject
Date: 2018-12-19 11:25 am (UTC)Тут две трубы, опоясывающие под камерой сгорания и верхнюю часть сопла. Думаю, это теплообменники. Диаметр труб к выходу увеличен. Но могут быть неожиданности.
no subject
Date: 2018-12-20 12:50 am (UTC)Нет, уж любому-то двигателю теплообмен с топливом не надь. Одноразовики - дело такое, простое как палка.
no subject
Date: 2018-12-19 10:56 am (UTC)После турбины компоненты и небольшое количество образовавшихся выхлопных газов. Опять же не обязательно, но мне было бы яснее.
Полная газификация, в сравнении частичным сгоранием ... Имеется ввиду полная газификация именно перед насосом? В альтернативной схеме тоже происходит полная газификация, но за счет частичного сгорания уже после насоса, или полной газификации не происходит вовсе?
2. Мощное охлаждение сопла? перед турбиной
Стоит ли к РД-180 добавлять эпитет пресловутый?
no subject
Date: 2018-12-19 11:31 am (UTC)РД-180 не пресловутый? В вики эпитеты применяются и, вроде, уместны. Он именно тот самый, о чем все говорят, а не 11Д123 какой, который и не запомнить. Звезда. Хотел подчеркнуть тем, кто не твердо помнит.
no subject
Date: 2018-12-19 12:52 pm (UTC)Это имелось в виду? Или нейтральное "широко-известный"?
no subject
Date: 2018-12-19 04:04 pm (UTC)Популяризаторам стоит помнить, что никто не обязан запоминать циферки какие-то. ВАЗ-210993, вот это марка, вызывающая доверие. Энергомашевцы, уверен, сами не знают, где у них РД-193, а где РД-151, а это один и тот же проект.
no subject
Date: 2018-12-19 05:03 pm (UTC)no subject
Date: 2018-12-20 12:42 am (UTC)По этому изображению можно поползать. Но управление - это именно то, во что они хотят поиграть. Тем более что программное управление - сильнейшая сторона всех проектов Маска.
no subject
Date: 2018-12-21 08:53 pm (UTC)no subject
Date: 2018-12-19 09:09 pm (UTC)no subject
Date: 2018-12-19 11:22 pm (UTC)