Средство доставки

 Многоразовый космический танкер

 Энергообменный ракетный двигатель

 Оценка массы теплообменного агрегата

 Трёхкомпонентный ЭоРД

 Сравнение с аналогом

 

      Средство доставки компонентов топлива или сырья для их производства

 

   Специализированное средство для доставки на орбиту жидких грузов имеет следующие преимущества:
- унификация параметров миссии;
- некритичность размерности;
- пониженная требуемая надёжность;
- инертность груза  к  динамическим  и статическим нагрузкам;
- высокая плотность и малая стоимость груза;
- не требуется оперативность доставки.

   Это позволяет:
- существенно снизить затраты на разработку;
- применять рискованные технологии;
- использовать нетрадиционные компоненты топлива;
- без  присущих  неудобств  применять для начального разгона первую ступень с высокой степенью многоразовости и малой амортизацией за пуск;
- снизить стоимость изготовления за счёт отказа от излишнего дублирования элементов и систем;
- снизить стоимость эксплуатации многоразовых СВ за счёт разумного ограничения межполётного обслуживания;
- снизить стоимость подготовки пуска, так как операции по предполётной подготовке и контролю полезного груза очень просты;
- разгрузить топливные баки последней ступени, поместив груз в районе хвостового отсека;
- оптимизировать траекторию выведения, уменьшить требуемый параллакс при использовании воздушного старта;
- улучшить весовые характеристики, в том числе, за счёт значительного снижения массы обтекателя и адаптера ПГ;
- отказаться от страхования груза.

   Предполагается, что использование специализированного СВ вместо СВ общего назначения позволит принципиально уменьшить стоимость доставки топлива вдвое, при этом затраты на его разработку сократятся в 3-4 раза. Опережающая разработка специализированного СВ должна обеспечить вдвое меньшую стоимость компонентов, заправленных в разгонный блок, по сравнению со стоимостью выведения груза такой же массы с помощью многоцелевой РН.
   То, что специализированное СВ существенно эффективнее многоцелевого, видно на примере сравнения ОС МАКС с аналогичными СВ разного уровня специализации:

 

	ПГ, т Н=200 (400) км	Объём отсека ПГ, куб. м	Относительная размерность
ОС МАКС, с экипажем	8.4 (7.0)	45	1
ОС МАКС, беспилотный	9.5 (8.1)	54	1
ОС, соосный к баку	11 (9.5)	54	1
Танкер с водой	12.9 (11.4)	14	0.25-0.5
МКТ	15 (13.3)	18-25	0.2-0.5

 

 

   Концепция аппарата, предназначенного для доставки жидких (плотных) грузов на низкую орбиту, должна включать следующие положения:

 

1. Использование воздушного старта с дозвукового самолёта-носителя или применение разгонщика с высокой степенью многоразовости и малой амортизацией за пуск при условии умеренных затрат на его создание.
2. Одноступенчатая схема выведения.
3. Применение трёхкомпонентной ДУ, использующей водород в качестве одного из компонентов.
4. Осесимметричная конструкция одноразовых баков, близкорасположенный к оси центр тяги ДУ.
5. Переднее расположение бака с жидким водородом.
6. Размещение ПГ между баками с топливом и двигательным отсеком.
7. Выведение с помощью маршевой ДУ на траекторию, в апогее касающуюся орбиты ОС.
8. Использование в корректирующей ДУ низкокипящих и, возможно, криогенных компонентов.
9. Применение причально-захватного устройства упрощённой конструкции и пассивных захватных приспособлений для причаливания и удержания аппарата в составе орбитального комплекса.
10. Многоразовое использование, по крайней мере, наиболее ценных элементов конструкции.
11. Возможность возвращения на Землю дорогостоящих элементов системы сближения, снимаемых с разгонных блоков в процессе их обслуживания и заправки на ОС.

   В случае применения сбрасываемого топливного бака целесообразность п.8 зависит от соотношения масс различных частей конструкции и удельных импульсов маршевой и корректирующей ДУ, п.7 и п.8 являются конкурирующими.

   Аппарат с энергообменной ДУ обладает дополнительными свойствами:
12. Использование энергии образования конденсата из компонентов топлива для повышения удельного импульса ДУ на конечном участке выведения.
13. Отсутствие отдельного отсека ПГ и использование опорожнённого бака третьего компонента для накопления конденсата.
14. Возможность дозаправки корректирующей ДУ на ОС.

   Далее такой аппарат с энергообменной ДУ называется «многоразовый космический танкер (МКТ)».

  в начало 

 

     Многоразовый космический танкер

 

   В общем случае МКТ имеет в своём составе:

- трёхкомпонентный энергообменный ракетный двигатель (ЭоРД);
- бак жидкого водорода;
- бак жидкого кислорода;
- бак двойного использования, в начале полёта содержащий углеводородное горючее, а на завершающем участке выведения являющийся накопителем конденсата.

   Циклограмма работы ЭоРД включает три режима:

1. Трёхкомпонентный (начальный). Ему соответствует максимальная плотность топлива и минимальный удельный импульс тяги. Расходуется топливо из всех трёх баков.
2. Двухкомпонентный (промежуточный). Двигатель работает в режиме кислородно-водородного ЖРД замкнутой схемы, плотность топлива уменьшена, удельный импульс тяги – увеличен. Расходуется топливо из кислородного и водородного баков, бак двойного использования – пуст.
3. Энергообменный (конечный). Ему соответствует минимальная плотность топлива и максимальный удельный импульс тяги. Расходуется топливо из кислородного и водородного баков, образующийся конденсат сливается в бак двойного использования.

   Возможны различные варианты МКТ - как полностью многоразовый, так и использующий одноразовые баки. Ниже рассматривается наиболее изученный базовый вариант, в котором аппарат имеет одноразовый двухсекционный внешний топливный  бак (ВТБ), содержащий баки жидкого водорода и жидкого кислорода.

 

 

   МКТ представляет собой орбитальный аппарат, включающий бак двойного использования и трёхкомпонентный ЭоРД. Он должен иметь аэродинамическое качество и средства управления полётом в атмосфере, обеспечивающие достаточно комфортное возвращение с орбиты и посадку в заданном районе с высокой точностью. Предположительно, будет использоваться аппарат самолётного типа, а посадка – осуществляться на аэродромную взлётно-посадочную полосу. МКТ должен быть приспособлен для частого использования – не менее 20-50 пусков в год.
   Некритичность размерности позволяет создать МКТ с относительно небольшой стартовой массой, что, в свою очередь, даёт возможность использовать разгонщик, обладающий высокой степенью многоразовости и малой амортизацией за пуск. Предлагается для этой цели использовать дозвуковой самолёт-носитель (СН), в качестве которого рассматривается модификация АН-124. Помимо специальных приспособлений для крепления МКТ на верхней части фюзеляжа и оборудования обеспечения запуска, СН должен иметь двойное вертикальное хвостовое оперение, разнесённое на безопасное расстояние от его плоскости симметрии. Тип СН (АН-124) определяет максимальную массу МКТ+ВТБ - 140 т и массу ПГ на базовой орбите (Н=200 км, i=51°) - 5-7 т. Старт с СН осуществляется на «горке» в режиме отрицательной перегрузки.
   Однако, если масштабный эффект снижения эффективности не будет чрезмерно велик, имеет смысл рассмотреть ракетный блок МКТ+ВТБ вдвое меньшей массы – 70 т, способный вывести до 2,5-3 т ПГ. Тогда в режиме интенсивной эксплуатации МКТ сможет обеспечить водой ОЗК, оснащённый солнечными батареями мощностью всего 100 кВт (85 т воды и около 30 пусков в год). Для блока такой массы целесообразно разработать специальный СН, приспособленный для отделения МКТ в режиме кабрирования и обеспечивающий на 3-5 км бòльшую высоту старта. При этом для СН увеличится безопасность при разделении, уменьшится воздействие от струи двигателя МКТ. Для самого МКТ это приведёт к увеличению массы ПГ по следующим причинам:

- уменьшатся потери из-за увеличения траекторного угла;
- уменьшатся потери на перерасширения в сопле, либо будет использоваться сопло с большей степенью расширения;
- уменьшатся аэродинамические потери и максимальный скоростной напор;
- проявится собственно эффект более высокого старта.

  в начало 

 

        Энергообменный ракетный двигатель

 

   ЭоРД представляет собой жидкостный ракетный двигатель, имеющий в топливных трактах высокого давления теплообменники, в которых компоненты топлива нагреваются встречным потоком рабочего тела, состоящего из газообразных продуктов химических реакций между этими компонентами, охлаждаемых в теплообменнике компонентами топлива до состояния конденсата. Из набора возможных химических компонентов для камеры сгорания и рабочего тела берётся за основу сочетание жидкий кислород - жидкий водород, как наиболее эффективное и обладающее достаточным хладоресурсом.
   Рабочее тело теплообменника представляет собой продукты сгорания кислорода и водорода с минимальным избытком последнего, т.е. перегретую пароводородную смесь. В теплообменнике происходит охлаждение продуктов сгорания с последующей конденсацией воды. Вода подаётся из двигателя в бак двойного использования, являющийся элементом орбитального аппарата. Температура конденсата должна быть ниже температуры кипения воды в баке (при давлении не выше 2-3 атмосфер) в течение всего времени работы двигателя, за исключением допустимых выбросов на переходных режимах. Предполагается, что удастся достичь средней температуры конденсата 50°С.

 

   На рисунке представлена простейшая (демонстрационная) схема энергообменной ракетной двигательной установки, имеющей теплообменник-конденсатор только в тракте горючего. Цифрами обозначены: 1 - бак горючего; 2 - насос горючего высокого давления; 3 - магистраль горючего высокого давления; 4 - бак окислителя; 5 - насос окислителя высокого давления; 6 - магистраль окислителя высокого давления; 7 - теплообменный агрегат; 8 - турбина; 9 - камера сгорания; 10 - рубашка охлаждения камеры сгорания и сопла; 11 - химический реактор (газогенератор); 12 - магистраль конденсата; 13 – бак-накопитель конденсата; 14 - отводящий трубопровод; 15 - понижающий дроссель на магистрали конденсата; 16 - реактивная струя; 17 – магистраль наддува водородного бака; 18 - осушитель.

   Жидкий водород из бака горючего 1 поступает в насос высокого давления горючего 2, после чего подаётся в магистраль горючего высокого давления 3. Одновременно жидкий кислород из бака окислителя 4 поступает в насос высокого давления окислителя 5, после чего подаётся в магистраль окислителя высокого давления 6. Горючее по тракту высокого давления 3 подаётся в теплообменный агрегат 7, в котором нагревается. Нагретый компонент вращает турбину 8 ТНА, находящуюся на общем валу с насосами 2 и 5, после чего сбрасывается в камеру сгорания 9. Часть горючего из тракта высокого давления 3 проходит через рубашку охлаждения камеры сгорания и сопла 10 и поступает в газогенератор 11. Часть окислителя из магистрали высокого давления 6 подаётся в камеру сгорания 9, другая (меньшая) часть - в газогенератор 11. Образующийся в последнем перегретый пар проходит через теплообменник-конденсатор теплообменного агрегата 7, где охлаждается и конденсируется. Образующаяся вода по магистрали конденсата 12 подаётся в бак-накопитель конденсата 13. Излишки пара, конденсата, а также газообразные примеси из теплообменника-конденсатора теплообменного агрегата 7 сбрасываются в магистраль горючего 3 после турбины 8, что способствует стабилизации процесса теплообмена. Высокое давление в охлаждаемом контуре теплообменного агрегата 7 поддерживается понижающим дросселем 15, установленным на магистрали конденсата 12. Водород, выделяющийся из конденсата в процессе дросселирования, смешивается с газом наддува и вытесняется водой из бака-накопителя по магистрали 17 в бак жидкого водорода 1, поддерживая в нём давление наддува. По пути эта смесь проходит через осушитель 18, что позволяет избежать образования в жидком водороде твёрдых кристалликов льда.

   В действительности ЭоРД может содержать как более одного турбонасосного, так и более одного теплообменного агрегата, а также иметь другую схему топливных магистралей. Кроме того, возможно использование теплообменного агрегата в сверхкритическом режиме (при давлении водяного пара выше критического), при котором не будет явления конденсации, а вода будет образовываться из охлаждённых продуктов газогенератора после их декомпрессирования.

  в начало 

 

      Оценка массы теплообменного агрегата

 

   Прежде, чем взяться за разработку ЭоРД, следует попытаться определить, возможно ли принципиально создать теплообменник с такой малой массой, которая не обесценит идею МКТ. Для этого с использованием теории подобия [ ссылка ] была проведена оценка массы теплообменных ячеек. Эта же теория используется для расчёта охлаждаемых камер сгорания ЖРД, в обоих случаях процессы теплообмена принципиально не отличаются.

   Так как выбор материала стенок теплообменника представляет собой сложную задачу, для упрощения был взят условный материал со свойствами железа (к-т теплопроводности   29 Дж/(с^.м^.град), предел прочности   20 кгс/мм² =2^.10⁸ Н/м² при t=800°С). Теплообменник считался тонкостенным (характерный поперечный размер каналов >> толщины стенок), а нагрев водорода происходил от жидкого состояния. Результаты оценки приведены ниже:

 

Начальные условия для контура водорода:

плотность водорода на входе в трубки - 20 кг/м³;
давление - 250 атм.;
температура газа на входе - 300°К;
скоростной напор - 0,4 МПа;
скорость течения - 200 м/с.

Исходные параметры теплообменника:

толщина стенки h=0,4 мм;
температура стенки - 500°К;
характерный поперечный размер ячеек  - 2 мм;
время работы - 563 с.

Результаты расчёта:

тепловой поток - 16,4 МВт/м²;
площадь  поверхности  теплообменника на 1 т конденсата - 1,63 м²;
масса ячеек на 1 т конденсата - 5,07 кг;
разность температур на внутренней и внешней поверхностях - 113°.

Если ячейки устроены в виде трубок круглого сечения, то:

расход газа через одну трубку - 0,0126 кг/с;
длина трубки - 3,51 м;
масса трубки - 21,5 г;
потеря давления  ~ 47 атм.;
запас прочности при t=800°С  - 400%.

Параметры теплообменника при массе ПГ 7,5 т:

скорость производства конденсата - 13,32 кг/с;
выход энергии на килограмм производимой воды - 15 МДж;
общий тепловой поток через теплообменник - 200 МВт;
общее проходное сечение для водорода - 0,0032 м²;
общее количество трубок - 1004 шт.;
общая масса трубок - 38 кг;
общее проходное сечение для теплоносителя - не более 0,001 м²;
масса оболочки из прочной стали – 15 кг;
общая масса без концевых элементов - 53 кг;
общая масса на 1 т ПГ без концевых элементов – 7,1 кг.

В расчётах параметров МКТ учитывался общий прирост массы двигателя из-за наличия теплообменного агрегата 33,3 кг на тонну конденсата, что при массе ПГ 7,5 т составляет 250 кг. При соотношении компонентов в камере сгорания 5 прирост энтальпии топлива составит 2.645 МДж/кг, а температура нагретого водорода – около 1100°К.

 

   Оценка показала, что принципиальных препятствий для создания ЭоРД нет. Могут возникнуть замечания к условиям оценки. Не учтены многие факторы, действующие как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения массы теплообменника. Но расчётный прирост массы двигателя выбран с достаточным запасом, чтобы имелась уверенность в успешном решении задачи. В целом же создание теплообменного агрегата с приемлемыми массовыми и энергетическими характеристиками – сложная инженерная и технологическая задача.

  подробнее 

  в начало 

 

                               Трёхкомпонентный ЭоРД

 

   Если сравнивать с аналогичным СВ, оснащённым «традиционным» ЖРД и доставляющим воду, то применение ЭоРД в чистом виде может дать не более 12-15% прироста массы ПГ, а этого недостаточно, чтобы связываться с новой технологией. Для практического использования интересен трёхкомпонентный ЭоРД. Применение третьего, плотного компонента позволит в значительной мере скомпенсировать уменьшение плотности топлива, соответствующее оптимальному энергообменному режиму. Компенсация достигается увеличением доли трёхкомпонентного участка в циклограмме работы двигателя по сравнению с оптимальной долей для простого трёхкомпонентного ЖРД. Трёхкомпонентный ЭоРД в общем случае имеет три последовательных режима работы:

1. Трёхкомпонентный режим.
2. Режим кислородно-водородного ЖРД.
3. Энергообменный режим.

   При переходе к каждому следующему режиму уменьшается плотность топлива и возрастает удельный импульс. Дополнительно появится возможность использовать для сбора конденсата освободившийся бак третьего компонента. Трёхкомпонентный ЭоРД способен обеспечить 25% и более прироста массы ПГ.

   При разработке схемы ЭоРД за аналог следует выбрать трёхкомпонентный двигатель РД-704, разрабатывавшийся в рамках проекта Многоцелевой авиакосмической системы (МАКС). Этот ЖРД имеет два режима работы:
- трёхкомпонентный (используются керосин, водород(ж) и кислород(ж));
- кислородно-водородный.

   Не вызывает сомнения, что во всех типах трёхкомпонентных двигателей (включая ЭоРД) третий компонент не будет использоваться для охлаждения КС. Тогда есть возможность дополнительно повысить эффективность СВ, заменив керосин более энергонасыщенным компонентом. Из-за соображений безопасности этот способ неприемлем для многоцелевой системы, но пригоден для специализированного средства, доставляющего недорогие грузы. Рассматривая химические реакции, можно заметить, что некоторые из них дают большой выход энергии, но, тем не менее, не используются в ракетной технике. Например, существует совокупная реакция, по приросту энтальпии конкурирующая с реакцией горения:

 

 С₂H₂ + 3H₂ = 2СH₄ + 11760 кДж/кг

 

Сравним с:

 

 С₂H₂  + 4О₂= 2СО₂  + H₂О + 11760 кДж/кг

 

    Весьма важным обстоятельством является то, что в первой реакции отсутствует явный окислитель, а её продукт представляет собой превосходное горючее. Конечно, реальный эффект взаимодействия ацетилена с водородом будет сильно искажён побочными продуктами - углеводородами различного строения, но реакция стехиометрического горения этих веществ даст однозначный энергетический выход. Для жидких компонентов:

 

 С₂H₂ + 3H₂ + 4О₂= 2СО₂  + 4H₂О + 11685 кДж/кг, ρ=0,67 г/см³

 

или

 

 С₂H₂ + 3H₂ + 3О₂= 2СО  + 4H₂О + 10880 кДж/кг, ρ=0,60 г/см³

 

Это ненамного меньше, чем в реакции горения кислородно-водородого топлива (~12600 кДж/кг, нестехиометрическое соотношение компонентов), но плотность топлива вдвое больше. К сожалению, чистый жидкий ацетилен нестабилен, взрывается и потому не может применяться в ЖРД. По-видимому, столь заметный эффект, какой мог бы дать ацетилен, реально недостижим, но небесперспективен поиск других компонентов или смесей с приемлемыми эксплуатационными свойствами.

   Существует множество энергонасыщенных углеводородных соединений, применимость каждого из них зависит не только от их физико-химических свойств, но и от схемы двигателя и её конкретного конструктивного воплощения. В таблице приведены данные по некоторым химическим соединениям, которые могут использоваться в трёхкомпонентном ЖРД, в чистом виде или в смеси с более инертными соединениями.

 

Компонент	Химическая формула	Температура Плавления,°К	Температура кипения, °К	Теплота образования, кДж/кг	Энергия продук-тов полного гидрирования, кДж/кг
Метан	СH4	90,7	111,7	-4666	0
Ацетилен	С2H2	192,4	-	8708	11760
Этилен	С2H4	103,7	169,4	1864	6295
Циклопропан	С3H6	273,5	283,0	1266	5772
Метилацетилен	С3H4	170,4	249,9	4629	8519
Пропадиен	С3H4	136,9	238,6	4799	8660
Циклобутан	С4H8	182,8	286,1	506	5108
Диметилацетилен	С4H6	240,9	300,4	2707	6966
1,2-бутадиен	С4H6	137,0	284,0	3001	7195
1,3-бутадиен	С4H6	164,2	268,7	2037	6383
Винилацетилен	С4H4	135,2	278,7	5853	9422
Бутадиин	С4H2	236,8	283,4	9451	12039
Бензол	С6H6	278,7	353,3	1062	5542
Керосин	СH1,843	210	420	-1728	3171

 

   Как правило, наиболее энергонасыщенные углеводороды имеют в своём составе меньшую долю водорода, им соответствует меньшая плотность трёхкомпонентного топлива. Такие соединения, как циклопропан и циклобутан экзотичны и требуют создания специального производства, некоторые из других являются промежуточными продуктами химических производств и доступны. Бензол, метилацетилен и диметилацетилен в своё время изучались, как ракетные горючие. Бензол даёт устойчивые смеси с четырёхосновными углеводородами, и может добавляться в них для стабилизации и улучшения эксплуатационных свойств.
   Все указанные соединения, за исключением метана, существенно дороже керосина. Стоимость как их самих, так и технологии обращения с ними, может уменьшить эффективность их применения - на один килограмм прироста массы ПН потребуется от 20 до 100 кг углеводородов.
   Энергонасыщенные горючие могут с успехом применяться и в грузовом СВ, не использующем ЭоРД. Однако, оптимальное горючее, используемое в качестве третьего компонента, в этом случае может быть и иным. Это будет зависеть от объёма бака третьего компонента – он по-разному влияет на эффективность аппарата с ЭоРД и аппарата обычной схемы.

  в начало 

 

    Сравнение МКТ с аппаратом, использующим трёхкомпонентный ЖРД

 

   В таблице приведены результаты оценки характеристик 4-х специализированных аппаратов для доставки воды на низкую орбиту, один из них, принятый за аналог, везёт воду с Земли в отдельном баке. Все аппараты используют трёхкомпонентное топливо ж. кислород - ж. водород - керосин, последовательность расположения баков с компонентами одинакова. Все аппараты имеют орбитальный многоразовый блок и одноразовый ВТБ. Коэффициент прироста массы двигателя, оснащённого теплообменным агрегатом, составляет 0,033 кг/кг конденсата, коэффициент массы конструкции и остатков компонентов – 40,8 кг/м³. Температура водорода на выходе из теплообменника составит около 1100 °К. В таблице показаны:

 

1. Аналог – аппарат, использующий трёхкомпонентный ЖРД типа РД-701.
2. МКТ(1). Соответствует максимальной массе ПГ, имеет протяжённый двухкомпонентный (промежуточный) участок работы ЭоРД.
3. МКТ(2). За счёт наращивания трёхкомпонентного участка двухкомпонентный уменьшается до технологического минимума, при этом масса ПГ снижается незначительно, а объём ВТБ уменьшается существенно – более чем на 8%.
4. МКТ(3). Трёхкомпонентный участок наращивается и вытесняет энергообменный настолько, что масса ПГ уравнивается с аналогом. МКТ имеет минимальные габариты, преимущество ЭоРД реализуется в увеличении массы конструкции, что способствует улучшению эксплуатационных свойств, повышению ресурса многоразовых элементов и уменьшению затрат на создание аппарата.

 

	Аналог	МКТ(1)	МКТ(2)	МКТ(3)
Тип ЖРД	РД-704	ЭоРД	ЭоРД	ЭоРД
Стартовая масса, т	137,5	137,5	137,5	137,5
Масса ПГ, т	5,50	6,78	6,70	5,50
Удельный импульс, Н·с/кг:
1-й режим	4067	4067	4067	4067
2-й режим	4508	4508	4508	4508
3-й режим	-	4874	4874	4874
Параметры 3-го режима:
соотношение продуктов сгорания	-	4,544	4,544	4,544
соотношение компонентов в КС	-	4,50	4,50	4,50
Масса топлива, т	118,2	123,3	123,7	122,9
в том числе:
керосина	10,3	9,4	11,6	12,4
водорода	9,8	11,7	10,2	9,4
кислорода	98,1	102,2	101,9	101,1
Объём топлива в ВТБ, куб. м	236,3	254,1	232,9	221,5
Объём бака ПГ, куб. м	5,5	11,4	14,2	15,2
Расход топлива, т, всего	118,2	116,5	117,0	117,4
1-й режим	75,1	68,2	84,6	90,4
2-й режим	43,1	17,5	2,0	2,0
3-й режим	-	30,8	30,4	25,0
Масса конструкции, т	13,800	14,200	13,800	14,600
в том числе:
масса ВТБ, т	5,790	5,790	5,300	5,040
масса бака ПГ, т	0,135	0,280	0.345	0,370
прирост массы ЖРД, т	-	0,226	0,223	0,183
остальная масса ОС, т	7,875	7,904	7,932	9,007

 

   Из таблицы хорошо видно, что использование третьего компонента позволяет в значительной мере компенсировать увеличение объёма баков из-за уменьшения плотности топлива при работе двигателя в энергообменном режиме.
   ВТБ МКТ при равном объёме будет легче и дешевле в изготовлении, чем у аналога, так как он состоит из двух топливных баков вместо трёх, и, следовательно:
- имеет меньшую площадь поверхности баков;
- один межбаковый отсек вместо двух;
- отсутствует топливопровод третьего компонента с разъёмом, общая длина топливопроводов меньше;
- центр масс топлива смещён назад, в результате чего средняя нагрузка на баки понижена.
   Использование аппарата, оснащённого ЭоРД, даёт возможность повысить массу доставляемой воды максимум на 23%. При этом возрастает масса конструкции возвращаемого аппарата (прирост массы даёт внутренний бак большего объёма и более тяжёлый ЖРД). Может показаться, что рост остальной массы МКТ(1) и МКТ(2) недостаточен для обеспечения теплозащитой прироста массы двигателя и внутреннего бака. Но здесь следует учесть, что у МКТ меньше общая и сухая масса корректирующее-тормозной ДУ из-за возможности её дозаправки на ОС, что для аналога не имеет смысла. Данные таблицы соответствуют выведению на НКО, но МКТ имеет особенность траектории выведения. Если аналог выводится на НКО и затем совершает двухимпульсный межорбитальный перелёт к ОС, то для МКТ выгоднее растянуть конечный участок выведения так, чтобы апогей переходной орбиты касался орбиты ОС. Если пересчитать характеристики аппаратов на ОС, то МКТ не только не будет иметь дефицит массы, но и обеспечит ещё бòльшую массу ПГ относительно аналога.

  в начало 

 

      Оценка характеристик теплообменника

 

   Проведём оценку параметров элементов теплообменника, используя теорию подобия [напр., Кудрявцев В.М. и др. Основы теории и расчёта жидкостных ракетных двигателей. М.:Высш.шк.,1993]. Теплоотдача от стенки в охлаждающую жидкость определяется формулой:

                  q_ж=a_ж(Т_ст.ж-Т_ж),

где q_ж - воспринимаемый конвективный удельный тепловой поток, a_ж - к-т теплоотдачи. Последний входит в число Нуссельта, являющееся критерием подобия:

           Nu=a_жd/l,

где l - к-т теплопроводности жидкости, d - характерный линейный размер, в трубчатом теплообменнике d=d_г=4F/P - гидравлический диаметр, где F - площадь поперечного сечения канала, P - полный смоченный периметр; т.е. d - внутренний диаметр трубки.

   Nu является функцией двух других критериев подобия:

          Re=rWd/m=md/Fm и Pr=mC_p/l,

где r, m, C_p - плотность, вязкость, теплоёмкость жидкости или газа; m - секундный массовый расход, W - скорость потока. 

   Для жидкостей чаще используют экспериментально полученную зависимость Нуссельта-Крауссольда:

          Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4

Однако в рассматриваемом случае бòльшую часть энергии водород принимает в газообразном состоянии, а параметры газодинамического потока значительно зависят от температуры. Более близкой к действительности является формула, учитывающая влияние температуры:

          Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4(Т_г/Т_ст)^0.55

   Подставив в уравнение формулы безразмерных параметров, найдём из него к-т теплоотдачи от стенки в рабочее тело:

          a_г=0.023(rW)^0.8K/d^0.2(Т_г/Т_ст)^0.55

Тогда удельный тепловой поток будет равен:

          q_г=0.023(rW)^0.8(K/d^0.2)(Т_ст-Т_г)(Т_г/Т_ст)^0.55,

или

          q_г=0.023(2pr)^0.4(K/d^0.2)(Т_ст-Т_г)(Т_г/Т_ст)^0.55,

где K=C_p^0.4l^0.6/m^0.4, p=rW²/2 - скоростной напор. Для газообразного водорода K=1792.

    Тепловой поток через стенку:

          Q=2S∆Тl_ст/h,

где S, l_ст и h - площадь поверхности, коэффициент теплопроводности материала и толщина стенки, ∆Т - перепад температур на стенке.

    Потери давления на стенке трубы определяются формулой:

          ∆P=l_трpL/d,

где  l_тр -  к-т трения,  l_тр=0.0032+0.221/Re^0.237,  если  Re=10⁵.. .10⁸,  L - длина трубы.

 

    Из когда-либо разрабатывавшихся СВ к МКТ наиболее близок ОС МАКС (НПО «Молния»), выберем его в качестве аналога. Тогда при равных стартовых массах МКТ сможет доставить на НКО до 15 и более т воды. Так как наши расчёты показательны, далее рассмотрим случай высокопроизводительного теплообменника. Для этого выберем циклограмму, по которой МКТ за 563 секунды полёта в режиме накопления конденсата набирает 15000 кг воды, при этом скорость её производства составляет 26.64 кг/с. Наименьший тепловой поток через теплообменник Q=400 МВт реализуется в случае производства воды из жидких компонентов, при этом выход энергии составит 15 МДж на килограмм производимой воды.

    Пусть основу теплообменника составляют трубки круглого сечения из материала, имеющего свойства железа (l_ст=29 Дж/(с^.м^.град), предел прочности s₀=20 кгс/мм² =2^.10⁸ Н/м² при t=800°С), в которых происходит нагрев рабочего тела - водорода. Выберем внутренний диаметр трубок d=2 мм и будем считать их тонкостенными (d»h). Плотность водорода на входе в трубки примем 20 кг/м³, что соответствует давлению 250 атм при 300°К. Температуру газа на входе в трубки примем Т_г=300°К, температуру стенки Т_ст=500°К. Скоростной напор p примем 0.4 МПа, что соответствует W=200 м/с.

    При этих значениях обеспечивается четырёхкратный запас прочности трубок при t=800°С, а тепловой поток составит q=16.4 МВт/м².

    Тогда  площадь  поверхности  теплообменника S=Q/q=24.4 м². При толщине стенок h=0.4 мм общая масса трубок составит 76 кг, при этом разность температур на их поверхностях - внутренней и внешней - достигнет 113°.

    Расход газа через одну трубку составит m=rWF=0.0126 кг/с, а общий расход 25.2 кг/с, что соответствует приросту энтальпии топлива 2.645 МДж/кг при соотношении компонентов 5 (один из расчётных вариантов ЭоРД). Тогда общее количество трубок будет N=2008 шт, длина каждой из них L=3.51 м, масса - 21.5 г, а их общее проходное сечение F_сум=0.0063 м². При течении газа в трубке реализуется Re=4^.10⁶, а потери давления на теплообменнике в тракте водорода составят ~ 47 атм, что приемлемо.

    Текущий в обратном направлении теплоноситель имеет расход ~ 1.06 кг/кг водорода, что соответствует 1 молю воды на 8.5 молей водорода. Понятно, что общее сечение теплообменника F_т не будет существенно превышать F_сум. Приняв F_т=0.01 м², найдём диаметр D=11.3 см. Давление водорода на входе в трубки - 250 атм, на выходе - около 200 атм. Давление теплоносителя целесообразно сделать меньше, тогда в случае разрушения трубки её осколки и теплоноситель не попадут в топливный тракт. Для расчёта оболочки примем P_т=2^.10⁷ Па (~200 атм). Тогда, с учётом пятикратного запаса прочности, толщина стенки оболочки H должна составить H=5^.P_тD/(2s₀), а её масса - m_об=p/4((D+H)²-D²)Lr_ст, где r_ст - плотность материала стенки. Так как нет серьёзных препятствий организации охлаждения наружной оболочки теплообменника, то для её изготовления можно использовать прочную сталь с r_ст=7800 кг/м³ и s₀=100 кгс/мм² =10⁹ Н/м². Тогда H=0.57 см, m_об=28.2 кг, а общая масса теплообменника m_т≈105 кг, что далеко не является чрезмерным. Можно ожидать, что при таких весовых характеристиках основной вклад в прирост массы ЭоРД дадут не сами ячейки теплообменника, а вспомогательные элементы конструкции. Далее при оценке эффективности МКТ выбран расчётный прирост массы двигателя в 500 кг при рассматриваемой мощности конденсатора, или 33.3 кг на тонну конденсата.

    Приведённые расчёты, по-видимому, нельзя напрямую переносить на реальное изделие, так как в большом диапазоне изменения температуры скажется нелинейная температурная зависимость термодинамических параметров. С другой стороны, имеются дополнительные возможности улучшения массового совершенства теплообменника. Так, принудительная интенсификация теплообмена позволит сократить длину трубок до двух раз, а низкотемпературная часть теплообменника может иметь более тонкие стенки быть выполнена с использованием материала с более высокой теплопроводностью, например, меди или серебра.

    Следует отметить, что при изменении размерности ЭоРД структура теплообменника масштабироваться не будет. Геометрические параметры трубок - длина, диаметр проходного сечения и толщина стенок сохранятся, изменится только их количество.

    Оценка параметров теплообменника показала, что вопрос о его массовом совершенстве является прежде всего вопросом инженерного и технологического искусства, заключающегося главным образом в подборе или разработке материалов с наилучшими свойствами и создании наиболее мелкой структуры ячеек. Общая задача сведётся к поиску компромисса между стремлением к увеличению мощности теплообменного агрегата и ростом его массы. Интенсификация теплообмена позволит повысить энтальпию продуктов в камере сгорания и заметно увеличить удельный импульс, что, в свою очередь, позволит уменьшить отношение начальной и конечной массы аппарата на участке накопления конденсата. Из формулы Циолковского следует, что такая тенденция должна привести к увеличению полной массы аппарата на орбите. С другой стороны, при увеличении температуры нагрева газа существенно нелинейно возрастает масса теплообменного агрегата. Причина - с ростом температуры уменьшается теплопроводность и прочность металлов, что требует увеличения площади теплообменной поверхности и толщины стенок. Задача нагрева водорода до ~800 °К решается легко и безболезненно для массы конструкции, но этого недостаточно для аппарата, основным назначением которого является доставка на орбиту воды. Нагрев водорода до ~1100 °К и кислорода до ~800 °К соответствует такому назначению, в ракетном двигателестроении есть опыт работы с материалами в указанных средах при соответствующих температурах. При увеличении температуры нагреваемого водорода до ~1400 °К и более для высокотемпературной части теплообменника потребуются тяжёлые тугоплавкие металлы и специальные сплавы.

  возврат