После появления многоразовых ракет-носителей космос становится гораздо доступнее. Но главная мечта энтузиастов по прежнему остается неосуществимой. Хотели ли вы хоть раз иметь собственный, припаркованный на лужайке дома, космический корабль? Чтобы на нем, по велению пятки левой ноги, можно было бы слетать на орбиту, размять мышцы в невесомости, полюбоваться видами космоса и Земли, может даже посетить какой-нибудь космический
Для начала нужно выяснить характеристическую скорость (далее ?V), необходимую космолету для выхода на орбиту Земли. Сразу упростим себе задачу и предположим, что мы живем во Флориде и летим строго по восточному направлению на круговую орбиту высотой 200x200 км. Тогда потребная ?V составит 9,4 км/с. Эта цифра включает в себя как набор необходимых 7,8 км/с орбитальной скорости, так и преодоление аэродинамических, гравитационных потерь, потерь на управление и, что будет особенно удобно при дальнейших расчетах, потерь на противодавление (ракетные двигатели на уровне моря работают менее эффективно, чем в вакууме).
Какие двигатели установить на наш космолет? Рассмотрим единственные освоенные на данный момент средства вывода на орбиту — химические ракетные двигатели. Стартующий с земли водород-кислородный двигатель RS-68A имеет удельный импульс в вакууме (далее просто у.и.) в 409 секунд. Но давление в камере сгорания у него далеко не рекордное. Подняв его до 200 атм. и выше, вполне возможно получить у.и. 430 с. (RS-25 и РД-0120 имеют у.и. 453-455 с., но они заточены скорее под вакуум и потери на противодавление у них будут больше). По формуле Циолковского выходит, что одноступенчатой ракете с таким двигателем для выхода на орбиту нужно иметь соотношение масс 10 к 1, т.е. на каждый 1 кг сухой массы корабля, включая груз, должно приходиться 9 кг водород-кислородного горючего. Сложно, но не невозможно, учитывая недавний прогресс в композитных баках для криогенного топлива. Но есть одна мааленькая проблема. Плотность топливной пары водород-кислород очень низкая — всего 0,3155 г/см3. При таком раскладе размер космолета будет просто огромен, на заднем дворе дома его не припаркуешь. Но какой размер будет оптимален?
Отмененный проект одноступенчатого космолета VentureStar должен был выводить 20 тонн на низкую орбиту, почти на треть меньше чем Шаттл, при сопоставимых размерах
Чтобы упростить все дальнейшие расчеты, давайте представим что космолет должен быть в размерах орбитера системы Спейс-шаттл. Да, орбитер несколько великоват для личного транспорта и может перевозить 7-8, а не одного человека, но в компании друзей и родственников летать в космос всяко веселее, да и размеры вполне стандартны для бизнес джетов. Так как груз нам везти не нужно, только экипаж, то заполним весь его грузовой отсек объемом 300 м3 ракетным топливом и посмотрим, сможет ли он выйти на орбиту.
На данном снимке можно хорошо оценить размеры орбитера — большой, но не огромный
Масса орбитера без груза, но с горючим для маневровых двигателей составляет примерно 90 тонн. При заполнении водород-кислородной парой выходит 94,65 тонн топлива на борту. При у.и. в 430 с. получаем по формуле м/с. Для выхода на орбиту нужно более чем в 3 раза больше! Может попробуем более плотное топливо? Пара керосин-кислород при плотности 1,036 г/см3 и у.и. 337 с. (как у семейства РД-170/180/190) даст м/с, пара НДМГ-АТ при плотности 1,185 г/см3 и у.и. 318 с. (как у РД-264) даст м/с. Все еще недобор ?V почти в два раза!
Но есть ли на свете топливная пара с гораздо большей плотностью и лучшим у.и.? Есть, и она называется фтор-гидразин — плотность 1,314 г/см3 при у.и. в целых 402 с.! Заполняем ей орбитер шаттла и получаем м/c! Увы, все равно недобор на целую треть. Так неужели компактный орбитальный космолет невозможен и первоначальный ответ был верен?
Фтор-аммиачный РД-301 никогда не летал, но доказал на испытаниях, что ракетные двигатели с фторным окислителем возможны
К счастью в предыдущих расчетах есть одно допущение — масса орбитера в 90 тонн. Но на дворе далеко не 1970-е, можно заменить алюминий на углепластик, уменьшить размер крыльев, так как нам не нужен горизонтальный маневр на 2000 км, а бортовой компьютер Спейс шаттла сейчас вполне уместится в кармане штанов, если не в наручных часах. После применений всех вышеперечисленных модификаций уменьшаем массу орбитера вдвое, до 45 тонн. Это вполне выполнимо, для сомневающихся стоит вспомнить, что спроектированная в 2010-х двухступенчатая керосиновая ракета Falcon 9FT имеет вдвое меньшую сухую массу на единицу массы топлива, чем спроектированная в 1970-х двухступенчатая керосиновая ракета Зенит. Пересчитываем и получаем м/с, что смело округляем до 9 км/с. Недобор всего в 400 м/c!
Но как известно «почти» не считается. Как нам добрать необходимые 400 м/с? Можно вспомнить, что на шаттле есть маневровые двигатели с у.и. в 316 с. и ?V 300 м/с, но этого все равно недостаточно, да и маневрировать в космосе нужно. Но эти 300 м/с приводятся для шаттла с 29,5 тоннами в грузовом отсеке! Без них будет как раз 400 м/c — можно выйти на орбиту, но без запаса для маневров. Заменяем двигатели маневрирования на мини версии маршевых фтор-гидразиновых с тем же у.и. и, вуаля, получаем 500 м/c — и на орбиту вышли и 100 м/с на маневрирование осталось.
Никогда не говори
В итоге всех этих длинных расчетов можно практически наверняка сказать, что с точки зрения физики компактный орбитальный космоплан ВОЗМОЖЕН! Другое дело, что с точки зрения разработки и эксплуатации фтор-гидразиновый двигатель будет сущим кошмаром, как и с точки зрения экологии, но это выходит за рамки вопроса о физической осуществимости, которую я хотел продемонстрировать в рамках данной статьи.
Комментарии (93)
Whisky667
21.04.2018 04:57Не совсем понял, в чем цель статьи.
SSTO без ВРД создать можно, это давно всем известно, и приблизительно ясно, какие будут характеристики у железки. Проблема только в эффективности, поэтому до сих пор ничего и не взлетело, и копают в сторону воздушного старта и экзотических двигателей (а не просто обычного ракетного на более эффективной топливной паре). Не понимаю, почему в статье как панацея приводится именно фтор.
EmDrive Автор
21.04.2018 13:17+1Композитный SSTO теперь, в 2010-х годах, можно создать без проблем — только не все еще это осознали. А вот создать компактный, не больше бизнес джета, SSTO по-прежнему огромная проблема — в данной статье как раз делается попытка ее решить.
Eklykti
21.04.2018 15:54Только двухступенчатая система (Falcon / BFR) всё равно получается эффективнее, потому что на суборбитальную ступень нужно меньше теплозащиты, а тяжёлые двигатели для старта с поверхности не нужно вытаскивать на орбиту.
EmDrive Автор
21.04.2018 16:55Не спорю, но двухступенчатая схема предполагает достаточно дорогое и сложное стартовое сооружение, которое смогут позволить себе только очень богатые люди. Для старта же одноступенчатого космолета достаточно небольшой рампы и посадить его можно будет в обычном аэропорту. После перевозки на обычном грузовике ставим его, с помощью небольшого крана, обратно на рампу и ждем следующего полета.
loki6412
21.04.2018 22:27Экономия на спичках. Учитывая, что вы ваш космолет собрались делать из углепластика, использую экзотические фтор-гидразиновые движки… Которые еще нужно адаптировать под конкретную задачу… Такой космолет не будет стоить дешевле авиалайнера.«Самый маленький самолет Boeing модификации 737-700 обойдется в $80,6 млн. по ценам 2015 года.» Следовательно затрату на инфраструктуру по сравнению с ценой будут смешные. А самое интересное в этой схеме… Выйти на орбиту, это хорошо, но нужно еще иметь топливо, чтобы погасить скорость для возврата.
EmDrive Автор
21.04.2018 22:35Как бы в проекте сама собой подразумевается полная многоразовость, так что даже огромную цену за челнок можно отбить, совершая множество полетов. Естественно позволить себе это смогут только богатые люди. Если же создавать космолет для бедных, придется волей-неволей изобретать «магические» с сегодняшней точки зрения технологии, по сравнению с которыми освоение фтора покажется сущим пустяком:)) Про возврат с орбиты я уже написал ниже.
Whisky667
21.04.2018 22:43+1Шаттл был многоразовым. Помогло? С учетом того, что по бустерам (официальных цифр до сих пор нету, кстати) выходили в 0. Многоразовость != нулевые затраты на межполётное обслуживание, напомню, у Space-X сейчас цель, к которой они упорно стремятся — именно сокращение времени и материальных затрат на это самое обслуживание, как-то медленно двигаются, внезапно. Может, не всё так просто?
Можно сделать возвращаемую SSTO-систему на пару человек, сомнений нет. Только это будет очень дорого, далеко за гранью рациональности. Ну и по размерам, приведенным в статье, у меня огромные сомнения. Тот же МАКС, в котором использовались обожаемые автором двигатели с фтором, использовал воздушный старт и сбрасываемый топливный бак. Сбрасываемым его сделали в первую очередь из-за того, что для возврата с орбиты пришлось бы его усиливать, вписывать в корабль, использовать гораздо больше теплозащиты. В итоге масса корабля сильно увеличивается, нужны двигатели с большей тягой/расходом топлива, нужно больше топлива…EmDrive Автор
21.04.2018 22:58На МАКСе не планировали использовать фтор — там был керосиновый двигатель, который в процессе полета плавно становился водородным. Придумано это было с единственной целью — уменьшить размер корабля. С этой же целью я выбрал фтор в качестве окислителя — не потому что я его «люблю», а потому что только с ним получается сократить размер челнока и отказаться от сбрасываемых баков или каких-либо других элементов. Естественно многоразовость с фтором проблематична, но это уже инженерная, а не физическая проблема.
Whisky667
21.04.2018 23:11Да, с МАКС перепутал, действительно.
>получается сократить размер челнока и отказаться от сбрасываемых баков или каких-либо других элементов.
Такие утверждения нужно обосновывать. Пока даже по приведенному и очень упрощенному варианту с Шаттлом огромные вопросы.
Вы считали массу и дельту МАКС с набортным баком и всеми сопутствующими переделками? Не думаю. Зато я уверен, что этим занимались люди, которые готовили проект, и отделяемый бак там не просто так появился.
>Естественно многоразовость с фтором проблематична, но это уже инженерная, а не физическая проблема.
Теоретически можно использовать карманный фонарик в качестве двигателя для межзвездного зонда. Практически — никто не будет заниматься такой ахинеей. Улавливаете?EmDrive Автор
21.04.2018 23:50Во времена разработки МАКСа еще не умели делать углепластиковые баки для криогенных топлив, тем более для жидкого водорода. Если пересчитать с использованием современных материалов, то от сбрасываемого бака наверняка можно отказаться.
Межзвездный зонд это как раз таки проблема физики — нужен двигатель и с огромной тягой и с огромным у.и., чтобы проект не вышел за пределы продолжительности жизни тех, кто его запускает. Существует очень мало лазеек, чтобы создать такой двигатель.Whisky667
22.04.2018 00:00+1Пересчитайте, если вдруг у вас есть все необходимые данные и знания для этого. Пока выходит так, что средняя плотность какого-нибудь девайса из углепластика менее чем в 2 раза меньше, чем у алюминиевых сплавов. И там еще есть ограничения по структуре, прочность углепластиков очень зависит от того, какие нагрузки и как прилагаются, с металлами проще.
Во времена разработки МАКСа еще не умели делать углепластиковые баки для криогенных топлив, тем более для жидкого водорода
Так и сейчас всё в стадии эспериментов как бы. Даже в небольших баках углепластик используется только для усиления конструкции.
Не надо кидаться пустыми заявлениями, приводя реальность к желаемому.
loki6412
22.04.2018 02:46+1Многоразовость не всегда дает экономию. По крайней мере все компоненты делать многоразовыми не целесообразно. В вашей схеме не хватает дешевых твердотопливных бустеров, или как вариант относительно не дорогого сбрасываемого топливного бака. Опять же двухступенчатая схема на много эффективней. Про дорогую стартовую площадку — она и в вашем варианте потребуется. Вы собираетесь заливать токсичное топливо просто на лужайке? Даже если отказаться от него и использовать жидкий кислород и не токсичную пару… В ракету заливают жидкий кислород практически до самого старта, так как он имеет свойство очень быстро испарятся… Следовательно потребуется мини завод для постоянного производства этого самого жидкого кислорода. Сколько он будет стоить?
Whisky667
21.04.2018 21:38Очень вольный подход к цифрам (по мановению руки орбитер стал в 2 раза легче, появились баки в каргобее при этом), и, эээ, растяжимое понятие о компактности. И самое обычное, безмерно упрощенное rocket equation, без даже приблизительного рассчета всяких сопутствующих потерь. Посчитайте исключительно по нем те же Аполлоны, даже лунный модуль, т.е. без атмосферы — цифры не сойдутся, получится больше дельты. Пару лет назад проверял с рассчетами в maple на данных из selected mission weights, цифры, если не изменяет память, расходились на пару сотен м/с.
Вот тут например очень упрощенный рассчет потерь на гравитацию, при этом внутри еще две функции, g в зависимости от расстояния от центра планеты и, главное, угол между вектором тяги двигателя и местным вектором гравитации (Федосьев В. И., Синярев Г. Б., Введение в ракетную технику, если я не напутал свои старые записи):
А атмосферые потери, значительные, вообще до сих пор считают на симуляциях, насколько мне известно, когда ищут оптимальную траекторию. Там очень сложный матан.
Топливо, которое сможет утащить шаттл без внешнего бака не считал сам, лень.
Самое близкое, что было — МАКС, но там воздушный старт (впрочем, на маленькой скорости), были вопросы с двигателями, и сам проект далеко не ушел, вполне возможно, что в процессе вскрылось бы еще проблемы.
Проблема таких систем, в целом, в том, что получается огромный носитель при смешной ПН, а если еще и хотим возвращаться с орбиты, а не с суборбиталки, получается совсем уж неприлично всё. И при уменьшении размеров носителя масса пн должна уменьшаться еще быстрее (есть такая зависимость, эмпирическое правило, если угодно, см. сверхлегкие носители например).EmDrive Автор
21.04.2018 22:49Перечитайте статью, все потери уже учитываются в цифре 9,4 км/с. Если отклонение и будет, то вряд-ли превысит пару сотен м/с, «дожать» которые относительно легко — тирания ракетного уравнения действует в обе стороны! Про облегчение орбитера тоже все расписано в статье — на мой взгляд это вполне реально.
Whisky667
21.04.2018 22:54+1Нет, это вы перечитайте комментарий.
Если отклонение и будет, то вряд-ли превысит пару сотен м/с, «дожать» которые относительно легко
Угу, так же как и уменьшить массу орбитера в 2 раза. Повторюсь: очень вольный подход к цифрам. Про атмосферу вообще ничего не сказано почему-то. Из таких «мелочей» в итоге набегают цифры, заставляющие сильно изменять железо.
smer44
21.04.2018 05:20по слухам, ЯПВРД тестировали используя заменитель на электроэнергии, сколько в него можно впихнуть?
мне с дивана кажется что дело в цене и в желании а не в физической возможности корабля, если бы в эти технологии человечество вкладывало бабла не меньше чем в футболы и олимпиады сделали бы давно
artskep
21.04.2018 06:45+3и, вуаля, получаем 500 м/c — и на орбиту вышли и 100 м/с на маневрирование осталось
Это, конечно, великолепно. А сойти с орбиты как? Ждать пока само упадет? :-)EmDrive Автор
21.04.2018 12:55+1Шаттлу нужно было затратить 90 м/с для схода с орбиты, правда непонятно с какой высоты. С 200x200 км может быть понадобится меньше, но в любом случае обеспечить орбитер лишними сотнями м/с гораздо легче, чем единицами км/с.
silveruser
21.04.2018 08:05+4Я порекомендую автору данной фантазии поднакопить денюжек, и съездить на экскурсию на мыс Канаверал, в Кеннеди Спейс Сентер, и своими глазками посмотреть (правда, придется «экстра» доплатить), что из себя представляет стартовый комплекс Space Shuttle. После этого, думаю, безудержная фантазия автора с наивными детскими подсчётами «не хватает 500 м/сек» и «запустить на бэкярде», обуздается автоматически ;)
P.S. Nothing personal ;)
P.P.S. У нас, в Штатах, есть популярная (в узких кругах) поговорка «It's not a rocket science!», вы наверняка ее слышали, но, видимо, не задумывались, почему и отчего она возникла, и что же такого «сложного» в этой «rocket science»? ;)EmDrive Автор
21.04.2018 13:02Данная статья родилась как мысленный эксперимент «Можно ли на нынешних технологиях слетать в космос так, как это показывают в sci-fi» и не пытается обосновать «надежность»,«простоту эксплуатации» или там «экономическую целесообразность» предлагаемой системы.
AlexanderS
21.04.2018 14:02Не обязательно в Штаты ехать. Можно съездить на экскурсию по запуску Союзов — там тоже всё вполне смотрится своими глазами. Провести аналогию для орбитра больших трудов не составит.
EmDrive Автор
21.04.2018 16:42+1Союзы не очень удачная аналогия с их устаревшими стартовыми столами и процедурами запуска — тогда уж лучше посмотреть на запуски Falcon'ов. Но я вообще против сравнений с чьим-либо опытом — так как люди склонны ошибаться, а их знания устаревать. Лучше мыслить из первых принципов, чтобы понять что возможно, а что нет.
saag
21.04.2018 08:08Помнится с советское время была статья в журнале «Наука и жизнь» об эксперименте по получению металлического водорода В экспериментальном плане первый успех, связанный с водородом, был достигнут, когда в феврале 1975 года группа ученых под руководством Леонида Верещагина из Института физики высоких давлений СССР получил водород в металлическом состоянии. При температуре 4,2 К (температура кипения гелия) в тонком слое водорода, подвергнутым с помощью алмазных наковален давлению около 300 ГПа, ученые наблюдали уменьшение электрического сопротивления водорода в несколько миллионов раз, что служило свидетельством перехода в металлическое состояние.
Интересно как будет вести себя топливная пара кислород — металлический водород?
Nuwen
21.04.2018 09:02+1Атомарный водород можно и не сжигать — при переходе в молекулярную форму высвободится в 20 раз больше энергии чем при сжигании.
sergku1213
21.04.2018 09:35+2По мотивам этого сообщения о металлическом водорода у нас в институте бытовала байка-присказка: металлический водород нашли/открыли во время субботника в Институте — нашли баллон с надписью «водород», постучали — звук металлический. Вуаля!
kauri_39
21.04.2018 08:11EmDrive сегодня
Увидел это рядом с названием темы и подумал, что статья об использовании двигателей EmDrive в ракетах для граждан. А это ник автора статьи. Интересно, что нового пишут об исследованиях "невозможного двигателя"?EmDrive Автор
21.04.2018 13:36-1Думаю вопрос с EmDrive можно раз и навсегда закрыть за 10000000$. Выделить 5000000$, чтобы спроектировать и построить ведро, пригодное для эксплуатации в космосе и еще за 5000000$ заказать ракету Electron. Но зачем, как говорится, тратить 10 лямов на науку, когда можно спустить на яхты и любовниц?:))
EmDrive Автор
21.04.2018 16:34Похоже не все поняли сарказм в последнем предложении:)) Конечно на науку нужно тратить в разы больше, чем те крохи, что выделяют на нее сейчас.
smer44
21.04.2018 17:24достаточно было вместе с Теслой массой в тонну или сколько там, вывести ещё и несколько килограмм этого чудаведра
Akon32
21.04.2018 19:27Нового? Вроде бы ~год назад слышал, что в последних экспериментах было показано, что "тяга" регистрировалась из-за нагрева измеряющих приборов ЭМИ.
unxed
22.04.2018 03:03lenta.ru/news/2018/01/16/emdrive
lenta.ru/news/2018/04/09/emdrive
например
То есть можно уверенно утверждать, что как средство получения прибыли эта штука точно работает :)
Но авторитетность источника, ну, вы понимаете :) глубже не гуглил.
dfgwer
21.04.2018 11:13+1Ютуб. Single-Stage to Orbit в Kerbal Space Program, с модами Real Solar System и Realism Overhaul. Человек сделавший его утверждает что все детали реальные и уже используемые, без SABRE и фтора.
dfgwer
21.04.2018 11:26+1Стартовая масса 1900т, полезная нагрузка 20т.
Наиболее спорно выглядящая деталь, тепловой щит, хотя в таких массах и размерах наверно можно что-то сделать. Ну и посадка вышла чуть более жесткой чем допустимо для выживания двигателей, но это мелочи. Парашюты тоже сомнительные, похоже стандартные парашюты КСП.
Это единственное видео на трубе, с таким сочетанием модов, где летает ССТО.Whisky667
21.04.2018 21:47Бред. Ок, сделать большую SSTO не проблема, даже запас по дельте заложить для деорбита и может быть посадки можно. Но нагрузка получится смешная.
А вот надувные хитшилды, все концепты, предполагали очень большую площадь при очень небольшой массе СА, т.е. он бы просто не успевал перегреться, и большие нагрузки испытывал бы недолго.
Если делать — только с «классической» теплозащитой, как у концептов из 90-х и корабля из мультиков Маска (у которого, разумеется, две ступени, и даже при этом огромные топливные баки).
Eklykti
21.04.2018 16:03Только его разработка даже в KSP "took forever", а в реальности оно загнётся на стадии эскизов.
Wizard_of_light
21.04.2018 12:53Надо просто на Луну перебираться жить, там с этим проще. 1700 м/с — и привет лунному орбитальному отелю. Или 2500 м/с+ 3 дня + атмосферное торможение — и привет земному орбитальному отелю :)
landingtxt
21.04.2018 13:20Думаю космические бизнес-джеты будут утроены по принципу ракет от Blue Origin. Корабль будет делиться на 2 части: разгонную ступень, садящуюся самостоятельно на место старта, и орбитер. Нет никакого смысла тащить с собой первую ступень на орбиту.
AntoBro
21.04.2018 15:54EmDrive->
Но давление в камере сгорания у него далеко не рекордное. Подняв его до 200 атм. и выше, вполне возможно получить у.и. 430 с. (RS-25 и РД-0120 имеют у.и. 453-455 с., но они заточены скорее под вакуум и потери на противодавление у них будут больше)
?
1.RS-68A в отличие от RS-25(SSME) или РД-0120, представляет собой двигатель открытого цикла без дожигания генераторного газа с двумя независимыми турбинами.
Вы не сможете повышать давление в КС конкретно для этого ЖРД вот «просто так».
Нет там «запаса». Давление в нём проектное много меньше чем в РД по закрытой схеме.
Придётся всю группу ТНА и арматуру переделывать, и саму камеру. А это масса.
2.Вам не много даст повышение давления в КС (для пары Н2+О2), а будет стоить дорого и «тяжело»
Зависимость расчетного удельного импульса для топлива Н2—О2 от давления в камере
Стехиометрия и характер дают больше
… но реализация(стоимость)
Жидкий водород обычно применяется на верхних ступенях крупных ракет, где его применение особенно выгодно из-за высокого удельного импульса. Низкая плотность, являющаяся недостатком водорода, мало сказывается на общей эффективности ракетной системы в том случае, если водород применять для верхних ступеней.
Расчёты для одноступечатой ракеты (что бы достичь 1 КС на одной ступени), для химических двигателях… ну они вообще вряд ли полезны
не бывает баков с нулевой массой: на каждый килограмм дополнительного топлива необходимо примерно 100 грамм «железа» или композита.
из этой
таблички видно,
что гравитационные потери это основной вред «одноступенности».
F=G* m1*m2/r^2
И «взлететь» на одной ступени (используя химический РД) можно только так:
— после сжигания 1 кг топлива нужно выкидывать те 100 грамм бака, которые его содержали
Но технически это (сброс массы тары, после освобождения тары от компонентов топлива) неосуществимо…EmDrive Автор
21.04.2018 16:26RS-68 я упомянул только потому, что не знаю других водород-кислородных двигателей предназначенных для первых ступеней. RS-25 и РД-0120 хоть и запускались с земли, но фактически были двигателями второй ступени с перерасширенными соплами и напрямую сравнивать их вакуумный у.и. с РД-170 и РД-264 было бы неправильно. Естественно гипотетический водородник на вакуумный у.и. 430 с. был бы двигателем закрытого цикла или открытого цикла с клиновоздушным соплом, но его я не упомянул из-за «сырости» данной технологии.
Что касается экономики, то естественно эксплуатация аппарата, каждый запуск которого был бы экологической катастрофой, не была бы дешевой. В статье только говорится о теоретической осуществимости компактного одноступенчатого космолета на существующих технологиях и ничего больше.
А вот по массе баков вы почему-то не упомянули, что она сильно зависит от плотности топлива и у.и. Таким образом чтобы максимально облегчить баки нужно выбрать топливо и с хорошей плотностью, и с хорошим у.и. Самое подходящее, что я нашел, это топливная пара фтор-гидразин. Буду рад, если вы предложите лучший вариант.AntoBro
21.04.2018 17:09RS-68 я упомянул только потому, что не знаю других водород-кислородных двигателей предназначенных для первых ступеней.
Маршевый двигатель Mitsubishi LE-7 японской H-II (H2)( на видео LE-7A, автор ролика ошибся, назвав его LE-5B-2)
egigd
22.04.2018 06:13Ну это как прилететь на титан и не использовать углеводороды и метан его атмосферы, а тащить с собой керосин/гидразин…
Абсолютно уверен, что именно так не один десяток лет делать и будут.AntoBro
22.04.2018 19:08Абсолютно уверен, что именно так не один десяток лет делать и будут.
-с начала… нужно долететь
-если ничего не изменится(по РД), уверяю вас так и будет
ЗЫ.
Можно ли запрыгнуть в свой космический корабль и покинуть Землю?
можно.
2х ступенчатая система.
1ая ступень «арендная»- аэроступень (20 км, 2500 км/ч), возвращаемая.
2ая ступень, челнок, с комбинированной ДУ( О2 на «халяву»Ю только уо не использует)
Проект Rascal от DARPA — воздушный старт по заявке US Air Force
jrthwk
21.04.2018 17:17>Чтобы упростить все дальнейшие расчеты, давайте представим что космолет должен быть в размерах орбитера системы Спейс-шаттл.
Вот сама такая постановка вопроса уже вызывает недоумение.
«Давайте представим что для поездки на дачу к бабушке нам обязательно нужен БЕЛАЗ...»EmDrive Автор
21.04.2018 18:07Спейс-шаттл удобен, так как по нему есть огромное количество информации и у него огромный грузовой отсек. Вы всегда можете отмасштабировать систему в меньшую или большую сторону — главная цель была доказать осуществимость концепции как таковой. Да и челнок без огромного бака и ускорителей видится логичным следующим шагом в развитии космических технологий.
Sun-ami
21.04.2018 21:48Если уж рассматривать реализуемость персонального космического корабля чисто теоретически — почему бы не рассмотреть вариант корабля с жидким водородом в качестве рабочего тела с множеством наземных лазеров в качестве источника энергии?
EmDrive Автор
21.04.2018 22:20По этой концепции удельный импульс получается в районе 900 с., но плотность жидкого водорода составляет смехотворные 0,07 г/см3. Таким образом в грузовой отсек 45 тонного шаттла влезет всего 21 тонна водорода, а его ?V=900*9,81*ln(66/45)=3380 м/с. Чтобы выйти на орбиту придется сильно раздувать челнок в размерах, чего в данной статье я и хотел избежать. Те же самые расчеты относятся и к тепловому ЯРД — даже если их низкая тяга к весу будет преодолена, все равно компактный космолет с ними не получится.
Sun-ami
21.04.2018 23:14+1Но почему бы не подвесить к шаттлу внешний бак с водородом — ведь шаттл на это рассчитан? Пустой бак будет очень лёгким, его можно аккуратно приземлить при помощи управляемого парашюта, и использовать повторно, при условии, что в грузовом отсеке шаттла также будет водород, который даст нам дополнительные ?V=3380 м/с, а бак будет аэродинамически гасить скорость 4,3 км/с. И для персональных полётов нужен шаттл скромных размеров, соответственно, и бак тоже не будет таким гигантским.
EmDrive Автор
21.04.2018 23:34Согласен, но «отделяемые баки», «самолет-разгонщик» или там «первая ступень-ускоритель» все же несколько отходят от концепции космолета «как в sci-fi», поэтому я максимально усложнил задачу.
Tyrauriel
22.04.2018 02:59ИМХО, только в фантастике и только с термоядерной горелкой. В плотных слоях атмосферы выступает как грелка для прямоточного двигателя с воздухом в роли рабочего тела. На высоте 40 километров реактор открывается и выпускается уже термоядерный факел.
Tyrauriel
22.04.2018 03:35Оффтоп.
Зачем набирать первую и вторую космическую если цель состоит не в выходе на орбиту а отлететь туда где гравитация уже не достает?
egigd
22.04.2018 06:49Криогенная первая ступень Ариан-5 «Evolution» весит 189 тонн заправленная, 14 тонн пустая, и при этом имеет удельный импульс 431,2 с (4,23 км/с).
Не сложно подсчитать, что deltaV у неё 11 км/с!
Если добавить к ней 7 т полезной нагрузки, она всё равно выйдет на орбиту.
Правда есть проблема: тяга её двигателя меньше стартового веса… В норме используются твёрдотопливные ускорители, что нас не устраивает. Но можно ещё пару Vulcain 2 впихнуть. Это добавит 3,4 т к сухой массе, снизив полезную нагрузку до 3,6 т.
Итого получаем, что SSTO вполне реально сделать при 100% использовании серийных компонентов.
Только вот добавление боковых ускорителей и второй ступени повышает цену раза так в полтора, а грузоподъёмность — в шесть…Whisky667
22.04.2018 07:54Проблема в том, что у автора ракета буквально летит в пустоте. Гравипотери с сопротивлением атмосферы не учитываются, не говоря уже о куче менее сущетвенных вещей.
Считал для лунных миссий пару лет назад, просто чтобы проверить, ибо на Луне нет атмосферы, и доступны очень точные данные по массе взлетного модуля на поверхности и на орбите, и даже угол между вектором тяги и вектором гравитации на разных участках полета гуглится (такую информацию редко выкладывают).
За кофе накидал приблизительные значения для SSTO автора.egigd
22.04.2018 08:10Если «Гравипотери с сопротивлением атмосферы не учитываются», то deltaV 7,9 км/с. А у автора — 9,4 км/с, что вполне соответствует deltaV как раз таки с учётом гравитационных и аэродинамических потерь.
Whisky667
22.04.2018 07:48Почему автор не прав, и его сферическая ракета летит в пустоте. Ссылка на упомянутый выше учебник там есть.
Попробуем провести быстрые рассчеты. Затраты на управление считать не будем, они будут минимальны, а с аэродинамическими все непросто, тоже выкинем, т.к. очень сложная математика, зависит от аэродинамики носителя, скорости (если вдруг у нас на старте слишком большое ускорение, то в плотных слоях мы потеряем очень много), и еще кучи факторов, о которых я даже не подозреваю, считается через симуляцию, когда ищут оптимальную траекторию. Они существенны, но основная часть — именно гравитационные потери. Для нас главное, что никакой помощи при подъеме SSTO такой схемы атмосфера не окажет, и будет только мешать.
Мне, к сожалению, не удалось найти точный профиль вывода Шаттла, с углами, так что придется задавать функцию «на глаз». А ведь в реальности все не ограничивается 90 градусами, и есть всякие интересные штуки, вроде shuttle roll maneuver (что важно, учитывая расположение двигателей). Принимаем 8982 м/с идеальной дельты, которые получил автор, за истину, хотя, повторюсь, очень оптимистичная оценка.
Задаем функцию.
egigd
22.04.2018 08:13С какого потолка вы взяли 8982? o_O
У автора deltaV 9400 — 1400 = 8000 м/с. Это даже чуть выше орбитальной скорости на высоте 200 км, но с учётом аэродинамических потерь получаем как раз примерно её.
Whisky667
22.04.2018 08:24Дико извиняюсь, считал для t=440 секунд, подставляя в старый воркшит для лунного модуля.
Получилось 1689 м/с для 500 секунд.
Whisky667
22.04.2018 08:10С учетом таких гравипотерь посмотрим на реальные скорости на разных орбитах.
8900-1400 — около 7500 м/с. Это орбита 200х200 в лучшем случае. Без аэродинамических потерь и всяких «мелочей». Даже если мы доберем 400 м/с, как это делает автор, вряд ли удастся компенсировать такие значения. В статье взяты очень средние значения потерь на выводе, их не считали, и получили то, что хотел увидеть.
А ведь в реальности и профиль вывода сложнее, и ракета вряд ли бы получилось такой совершенной.egigd
22.04.2018 08:14А 8900 откуда?..
Whisky667
22.04.2018 08:15Из статьи же. У него очень совершенная ракета и взяты (из статьи на вики, видимо) минимально возможные, оторванные от конкретного корабля значения потерь.
egigd
22.04.2018 08:30Вы её вообще как читали?.. Вот прямо в самом начале статьи:
предположим, что мы живем во Флориде и летим строго по восточному направлению на круговую орбиту высотой 200x200 км. Тогда потребная ?V составит 9,4 км/с. Эта цифра включает в себя как набор необходимых 7,8 км/с орбитальной скорости, так и преодоление аэродинамических, гравитационных потерь, потерь на управление и, что будет особенно удобно при дальнейших расчетах, потерь на противодавление (ракетные двигатели на уровне моря работают менее эффективно, чем в вакууме)
Дополню за автора: а ещё она включает 0,4 км/с скорости вращения Земли, так что в отсутствии гравитационных и прочих потерь ракета разогналась бы до 9,8 км/с, но эти потери «съедают» 2 км/с, остаётся как раз орбитальная скорость на высоте 200 км — 7,8 км/с.Whisky667
22.04.2018 08:39Только с гравитацией, все значения автора.
egigd
22.04.2018 10:03Вы насчитали 7,3 км/с конечной скорости при deltaV без потерь 8985 м/с.
А у автора на 400 м/с больше!
Как нам добрать необходимые 400 м/с? Можно вспомнить, что на шаттле есть маневровые двигатели с у.и. в 316 с. и ?V 300 м/с, но этого все равно недостаточно, да и маневрировать в космосе нужно. Но эти 300 м/с приводятся для шаттла с 29,5 тоннами в грузовом отсеке! Без них будет как раз 400 м/c — можно выйти на орбиту
Более того, ещё 400 м/с даёт вращение Земли, которое вы почему-то в упор не замечаете даже после того, как я вам на него прямо указал.
Итого получаем 8,1 км/с конечной скорости, если считать только гравитационные потери. А нам достаточно 7,8 км/с, т.е. ещё есть 300 м/с запаса на аэродинамические и прочие потери.Whisky667
22.04.2018 10:35Получилась цифа, едва-едва позволяющая выйти на очень низкую орбиту. Почему я считаю, что этого решительно недостаточно, и автор подогнал результат под желаемый?
1. Самое главное — масса. Сухая меньше в 2 раза. Это нереальное значение, никакое уменьшение крыльев не поможет. Возьмем для примера Дримлайнер: около 40% композитов позволили сэкономить 20% массы самолёта. Давайте будем отталкиваться именно от этой доли композитов в конструкции, т.к. сделать всё из них просто невозможно, есть двигатели, определенные части планера, оборудование, да что угодно. Пусть будет 50%, получаем 67.5 тонн, что уже само по себе ставит крест на хитром плане.
2. Баки. Больших композитных баков не существует, всё что есть до сих пор в разработке. VentureStar передает привет. И, самое главное, почему-то весь объем грузового отсека заполнен топливом, чего просто не может быть, никак, есть сами баки, есть простарнство между ними, даже если делать общую стенку, не получится столько увезти.
3. Никаким образом не затронута тема двигателей, эффективность которых будет «гулять» в зависимости от высоты, и довольно значительно. Снова обращаемся к VentureStar и его решениям. С обычным «с полки» ничего не получится. Кстати, у автора этот самый двигатель очень эффективный.
Вывод: автор сгладил углы, чтобы получить то, что хотел получить, да еще и потери на выводе взял с потолка. Дельты не хватит.
P.S: откопался график с приблизительными углами на времени:
egigd
22.04.2018 10:40Что автор написал антинаучную фантастику — это никто не спорит.
Но это никак не отменяет того факта, что опровергая его, вы сами не удосужились даже внимательно прочесть написанное им (считаете, что автор получил deltaV 8982 м/с, в упор не замечая, что он пишет про 9,4 км/с), а расчёты сделали столь же плохо (считаете одни факторы до долей метра в секунду, и при этом просто забываете про сотни метров в секунду от других факторов).Whisky667
22.04.2018 10:54Только вращение земли забыл. Дельта от OMS (мини-версии фтор-гидразиновых, однако, вот так вот легко и просто) это в итоге просто смешно, на фоне нарисованных характеристик, даже если она будет больше 300m/s.
считаете одни факторы до долей метра в секунду
Совсем другой порядок цифр же, позволяющий утвреждать, что не взлетит.egigd
22.04.2018 11:06В каком месте порядок цифр другой?.. В ваших расчётах получается, что недостаёт всего нескольких сотен метров в секунду. Как раз тех, что от вращения Земли и от системы орбитального маневрирования.
Сделайте свои расчёты для реального Шаттла — и он у вас точно также «не взлетит», т.к. без вращения Земли и системы орбитального маневрирования (она включалась сразу после выключения маршевых двигателей для довыведения корабля) у него тоже не хватает скорости для орбитального полёта.
Вот если бы вы подсчитали, какую реальную минимальную массу может иметь Шаттл, сделанный с широким применением композитов, и оказалось, что это далеко не 45 тонн — тогда да, вы точными расчётами опровергли бы автора. Но вы в своих расчётах принимаете как данность все его утверждения!Whisky667
22.04.2018 11:26Перечитайте.
Цифра даже со значениями автора получилась «впритык» и для очень низкой орбиты, как только посчитали реальные потери на выводе. И все начало рассыпаться.
Сделайте свои расчёты для реального Шаттла — и он у вас точно также «не взлетит»
Бгг, у Шаттла, в отличие от, все зависит от нагрузки и высоты орбиты. Импульс на скругление всегда будет выдавать OMS, просто из-за ограничений на дросселирование SSME, но он может быть разным. У автора же пустой корабль, со всегда одинаковой взлетной массой едва дотягивает до орбиты, даже если топлива оставить только на спуск.
Вот если бы вы подсчитали, какую реальную минимальную массу может иметь Шаттл, сделанный с широким применением композитов,
Для этого нужен штат инженеров с документацией (что не мешает автору просто сказать, что он будет в 2 раза легче), придется пересчитывать весь корабль. Остается только экстраполировать реальные конструкции, даже предназначенные для меньших перегрузок.
В каком месте порядок цифр другой?
Как только мы начнем заменять старательно подогнанные автором цифры на что-то хотя бы немного реалистичное, будут уже тысячи м/с. Например с сухой массой 67 тонн лишимся 1.5 км/с.egigd
22.04.2018 13:09Цифра даже со значениями автора получилась «впритык» и для очень низкой орбиты, как только посчитали реальные потери на выводе
Так цифра и должна быть впритык для очень низкой орбиты! Автор же и закладывал высоту 200 км — меньше некуда.
У автора же пустой корабль, со всегда одинаковой взлетной массой едва дотягивает до орбиты
У автора корабль не для вывода грузов на орбиту, а для баловства богатых бизнесменов. А от того взлётная масса его меняется в диапазоне ±30 кг, в зависимости от того, насколько плотное брюхо отрастил данный конкретный владелец корабля.
Как только мы начнем заменять старательно подогнанные автором цифры на что-то хотя бы немного реалистичное, будут уже тысячи м/с
Совершенно верно. А вы с чего начали?.. Цитирую вас, если уже забыли:
«С учетом таких гравипотерь посмотрим на реальные скорости на разных орбитах.
8900-1400 — около 7500 м/с. Это орбита 200х200 в лучшем случае. Без аэродинамических потерь и всяких «мелочей». Даже если мы доберем 400 м/с, как это делает автор, вряд ли удастся компенсировать такие значения. В статье взяты очень средние значения потерь на выводе, их не считали, и получили то, что хотел увидеть.
А ведь в реальности и профиль вывода сложнее, и ракета вряд ли бы получилось такой совершенной.»
Причём с какого потолка вы взяли 8900 до сих пор остаётся загадкой.
Ollrite888
22.04.2018 12:54Ещё в 90х годах проводили работы по гиперзвуковому двигателю. Сейчас, похоже, уже есть какие-то прототипы гиперзвуковых двигателей на боевых ракетах. Недолго осталось ждать когда гиперзвуковые двигатели будут ставить на самолёты, а там уже и до космических ракет «рукой подать». Как только это произойдёт, одноступенчатый многоразовый ракета-носитель с комбинированной силовой установкой будет реализован!!!
Комбинированная силовая установка — это ракетный + гиперзвуковые реактивные двигатели (окислитель воздух).Eklykti
22.04.2018 17:50Двухступенчатый (1 ступень с гпврд, 2 с обычным ЖРД) всё равно выведет больше.
К тому же у 2хступенчатой остаётся шанс совершить RTLS ABORT и сохранить 2 ступень и полезную нагрузку в случае отказа двигателей первой.
Ollrite888
22.04.2018 18:09Согласен, уже такой проект предлагался: «МАКС 2000» Лозино-Лозинского, только носитель был дозвуковой самолёт «Мрия» (Ан-225). Но, и у ЖРД сильно ограничен рабочий ресурс из-за «уноса» конструктивного вещества из критического сечения двигателя реактивной струёй.
Вообще, сейчас ещё наши технологии не готовы к использованию многоразовых ракет-носителей без текущего ремонта многократно! Вот и Илон Маск, что-то боится продолжать запуски б/ушных 1 ступеней своего Фэлкона 9. Было использование только 2 раза, как мне помнится, 1 ступеней Фэлкона 9.Eklykti
22.04.2018 18:24Старые пока летают по 2 раза, Block 5 обещают до 10, как реально получится — скоро увидим.
Ollrite888
22.04.2018 13:07Забыл добавить небольшое уточнение: при условии старта по самолётному!
Как только это произойдёт, одноступенчатый многоразовый ракета-носитель с комбинированной силовой установкой будет реализован!!!
Art3
22.04.2018 13:27Думал, в статье будет раскрыт в том числе и вопрос, через сколько инстанций надо пройти, что бы согласовать свой "вылет". Представьте, вот вы в тихую собрали ракету, сели и стартанули. Через сколько прилетит "ответочка"? Или уже недогонит? Какие
страшныеглаза будут у военных, когда они увидят на своих радарах НЛО?
Ollrite888
22.04.2018 17:52Art3: «Какие страшные глаза будут у военных, когда они увидят на своих радарах НЛО?»
Да, это большая проблема не только у военных, но и у МЧС, а также может быть у всей страны!
Поэтому, полёты в космос, в принципе, не могут быть переданы частнику без контроля соответствующих органов!
Mesklin
22.04.2018 21:40Тогда уж проще реализовать DH-1 — две ступени, первая садиться на место старта, вторая рядом попозже (стартовая масса комплекса 140 т). Две тонны полезной нагрузки, проектная стоимость агрегата 100-150 млн. баксов. Топливо — жидкий метан и кислород на первой степени + жидкий водород+кислород на второй.
Самое то для мажоров
VaalKIA
Если использовать атмосферу на начальных этапах полёта, в качестве окислителя, думается мне, что расчёты можно будет пересмотреть, проект такого двигателя уже разрабатывается (честно не помню ссылок недавно совсем была новость о частной компании забугорной которая получила финансирование).
VaalKIA
Вот ссылка Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE)
Whisky667
SABRE. Ракетный двигатель, к которому прикручен компрессор и монструозный радиатор для охлаждения атмосферного воздуха (не сжижения). Часть полёта именно он используется как окислитель. Там какие-то совсем уж фантастические заявления и цифры на тему скорости этого самого охлаждения. Очень интересно будет посмотреть на прототип, надеюсь, у них всё получится. Мне с дивана кажется, что двигатель очень сложный в плане рассчета всяческой термодинамики, чуть перегрел — эффективность падает или вообще нет горения, переохладил — тонкие каналы радиатора (которые еще и должны пропускать через себя такой огромный поток без существенного снижения скорости каким-то образом) забились льдом из атмосферы. А ведь еще и взлетать (т.е. разгоняться с 0) с этим всем нужно своими силами.
speakingfish
На данный момент в Колорадо они готовят высокотемпературный продувочный стенд для тестов пре-кулера. Задача стенда — подавать разогретый до 1000 градусов воздух на пре-кулер, создавая условия возникающие при полёте на 5 махах. Пре-кулер ранее тестировался, но не в таких условиях.
www.reactionengines.co.uk/reaction-engines-begins-construction-high-temperature-airflow-test-facility-colorado
EmDrive Автор
При написании данной статьи я сознательно избегал технологий, несуществующих на данный момент — «Ядерный РД с хорошей тягой к массе», «РД на топливной паре литий-водород-фтор», «Гиперзвуковой многорежимный ВРД» и т.д. По сравнению с вышеперечисленным РД на топливной паре фтор-гидразин (возможно с заменой на монометилгидразин) смотрится вполне реалистично при нынешнем «пещерном» уровне космических технологий.
mikeee1
Да уж, предствил во что превратится двор от фтор-аммиачных выхлопов )))
x67
Да и вообще, будущее скорее за двухступенчатой схемой, где первая автоматическая ступень с огромными крыльями и более эффективными ТРДД поднимает челнок до ~20 км и разгоняет до 0,9М ( +- те самые 300 м/с dV), после чего отстыковывается и спокойно садится на ближайший аэродром.
А если извратиться и продумать трехступенчатую схему, где вторая ступень будет с ГПВРД, разгоняющими челнок до 4М на высоте 40-50-70 км, уух.
Areso
Тема с Мрией и ее зарубежными аналогами не взлетела, разве нет? Из современных участников у нас разве что SpaceShipTwo припоминается с носителем на крыльях и аэродромом.
tractus_lepus
Ещё есть Stratolaunch Systems с их гигантским двухфюзеляжным самолетом, скоро, кстати, он полететь должен.
x67
Мрия не взлетела. Но то проблема не космоса, а Украины в первую очередь и России во вторую.
У капиталистов же все ок. Стратолаунч был запущен в 2017 году, к 2020 планируется коммерческое применение. И поводов сомневаться в нем пока нет.
Мрию жалко, но что поделать, если политиков мало интересует технологический прогресс. Сами их терпим — сами и виноваты (если что, я тут про вину общества в целом и никоем образом не пытаюсь задеть ваши чувства).
Nordosten
Будущее за двухступенчатой системой, но с бескрылой первой ступенью. Лучше сажать на двигателях первую ступень. Крылья на первой ступени плохо масштабируется и для полета на МКС придется лепить очередной шаттл.
x67
Почему лучше?
Что значит «плохо масштабируются»?
Шаттл зачем? чем это обосновано.
Бескрылая система не позволит использовать преимущества атмосферы, поэтому больше работы должны совершить двигатели, а значит они должны быть сильно мощнее и топлива должно быть сильно больше. Причем навряд ли при бескрылой системе получится использовать ТРДД, поэтому и эффективность таких двигателей будет хуже
На мой взгляд, крылья отлично масштабируются, только инженерам и инвесторам присущ консерватизм, никто до этого ничего больше мрии и стратолаунча не собирал, поэтому страшно быть первыми, отсюда фокус смещен в сторону более класических решений. Но со временем это пройдет, надеюсь. Стратолаунч запустят, кто-то захочет такой же самолетик, только еще больше и постепенно дорастем до гигантских ступеней) Современные материалы должны позволить
Второй ступенью может быть не шаттл. Тут вопрос в том, целесообразно ли ее возвращать. Если целесообразно, то будут проектировтаь что-то шаттлоподобное. Не обязательно это будет полная копия Бурана или Space Shuttle, но общие черты будут. И в этом нет ничего плохого. Неудачи SH — только его неудачи. Новые современные (а особенно коммерческие, распил он, знаете ли и в африке распил) системы будут надежнее, легче, проще и дешевле. И естественно они будут спроектированы под конкретные задачи, а значит будут выполнять свои задачи эффективнее, в отличие от многоцелевого space shuttle, который и орбитальный угонщик и бомбардировщик и техник и грузовик и маршрутчик и швец и жнец и на дуде игрец.