Каковы проблемы Falcon 9 «полная тяга» (v1.2) с уплотненным топливом?

SpaceX объявила об обновлении своей ракеты Falcon 9, достигнув большей тяги, насколько я могу судить, с теми же ракетными двигателями (по крайней мере, они, по-видимому, до сих пор называют двигатели «Merlin 1D»). См. этот вопрос , на который не было однозначного ответа об изменениях двигателя. Это изменение увеличивает тягу Merlin 1D со 147 тыс. фунтов на уровне моря до 170 тыс. фунтов, что на 15,6% больше.

Увеличение тяги, по-видимому, связано с переходом на использование предельно охлажденного топлива (керосин РП-1) и кислорода. Не просто жидкая, а чуть выше температуры, при которой она замерзнет. Это увеличивает плотность топлива, предположительно позволяя содержать больше массы топлива в баках и увеличивая скорость потока (масса в единицу времени) через турбонасосы и сопла ракеты.

У меня вопрос, почему они делают это только сейчас? Увеличение тяги на 15% от тех же двигателей и увеличенный запас топлива (хотя это также увеличивает стартовую массу) кажутся весьма желательными изменениями. Каковы риски этого подхода, которые привели к тому, что он не использовался ранее?

Несколько догадок:

  • Является ли изменение температуры топлива достаточным для значительного увеличения риска отказов компонентов, которые должны работать с криогенными жидкостями?
  • Значительно ли сложнее построить пригодные для космических кораблей резервуары, в которых может храниться почти замороженный O2 (и RP-1) вместо «просто» жидкого O2?
  • Представляет ли увеличение массового/временного расхода через двигатели больший риск для двигателей (при условии, что это действительно происходит)? Если да, то означает ли тот факт, что двигатели могут его выдержать, они были перестроены для старой плотности топлива? (Merlin 1D уже имел самый высокий показатель T/WR среди всех серийных ракетных двигателей на жидком топливе.)
  • Существуют ли другие изменения, необходимые для поддержки этого обновления, и были ли эти изменения сложными или очень дорогостоящими?

Хотя я, очевидно, надеюсь получить как можно более полную картину, не стесняйтесь публиковать частичные ответы (т. е. то, что вам известно, что представляет серьезную проблему) в виде ответов, а не комментариев.

Я не эксперт в этом вопросе, но я читал в нескольких документах, обсуждающих плотность топлива, что предотвращение блокирования потока слякотью при температуре, близкой к температуре замерзания, является довольно сложной задачей. RP-1 — это, по сути, жидкий парафин, поэтому я понимаю, что это будет очень сложно сделать, и что вам потребуется определенный уровень уверенности в системе и в том, что она может справиться с этим, прежде чем вы захотите попробовать. Может быть, это похоже на производство хорошего вина, и таким уровням оптимизации просто нужно время, чтобы созреть?
О да, я понимаю, что это было бы огромной проблемой, если бы существовал риск затвердевания топлива в любой точке системы. Предотвратить это (или, возможно, справиться с определенным количеством этого?) было бы важно, хотя я не знаю, насколько сложно было бы достаточно точно контролировать температуру и давление, чтобы избежать этого риска.
У меня нет полной картины, поэтому публикую в качестве комментария... В этой статье подразумевается, что просто производить вещество значительно сложнее (требуются новые средства), чем обычное топливо. Однако это в основном сосредоточено на LH2. ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20000033847.pdf

Ответы (5)

Утверждается, что Merlin 1D все это время мог работать на уровне Falcon 9 1.1 Full Thurst. Однако для их первоначального использования на Falcon 9 1.1 ранее они были сертифицированы только для 85% проектного максимума.

Таким образом, эта эволюция предназначена только для запуска их на полных настройках. Если я правильно понимаю, то уплотненное топливо и окислитель нужны не для получения дополнительной тяги, а для того, чтобы воспользоваться ею, с минимальными растяжениями бака.

Сообщается, что нынешний первый этап находится на самом пределе простых автомобильных перевозок в системе межштатных автомагистралей США. Они должны иметь возможность законно и безопасно вести его из Хоторна, Калифорния, в МакГрегор, Техас, и из любого из них в Кейп-Каневерал, Флорида. Основываясь на этих дорогах, они не хотят растягивать первый этап намного дальше, чтобы не выйти за эти пределы.

Таким образом, если вы увеличиваете тягу, вы увеличиваете поток через двигатель, а это означает, что вы быстрее расходуете топливо/окислитель и быстрее проходите через бак, а это означает, что вы не можете тягать так долго. Уплотнение помогает, но упаковывает больше в место того же размера.

Вероятно, есть много проблем с охлаждением топлива, но, по крайней мере, одна из них заключается в том, что у вас меньше времени на площадке от заправки до запуска, прежде чем топливо и окислитель прогреются слишком сильно, чтобы получить необходимые характеристики от транспортного средства.

Требуется довольно дорогое оборудование, довольно близкое к месту запуска (таким образом, его необходимо укрепить, чтобы выдержать запуски), чтобы охладить топливо и окислитель. (Проводить изолированные трубы сложно, но выполнимо, как обнаружило НАСА с линиями LH2 для Сатурна V).

Ваше утверждение о том, что увеличение тяги вызвано не уплотненным винтом, а скорее изменениями в настройках двигателя, совпадает с тем, что сказал мне друг-фанбой SpaceX. И это также имеет смысл для меня. Но мой друг не смог найти никаких ссылок на это утверждение, у вас есть? (Не сложно, просто хотелось бы их прочитать).

Сегодня вечером мы увидели один из основных недостатков использования конденсированного топлива. Во-первых, LOX и RP-1 не загружаются до последней минуты (-10:00), чтобы греться по минимуму. Думаю, это привело к сегодняшней чистке. (Я предполагаю, что они были готовы тянуть шлангокабель, а LOX не был полностью загружен.) Еще один большой недостаток, который мы видим, заключается в том, что после загрузки LOX/RP-1, если есть какая-либо задержка при запуске, они должны быть выгружается и перезагружается перед новой попыткой, что занимает слишком много времени для большинства окон запуска. Вот почему, когда остановка в -1:40, они чистят весь запуск, что мы видели сегодня вечером.

Интересно, что, согласно странице веб-трансляции запуска SES-9 в Livestream , вчерашний запуск отменили, потому что топливо было недостаточно холодным:

Запуск обновления (25 февраля 2016 г.):

Falcon 9 остается в рабочем состоянии в преддверии миссии SpaceX и SES по доставке спутника SES-9 на геостационарную переходную орбиту. Из соображений предосторожности команда решила отложить запуск на сегодня, чтобы убедиться, что температура жидкого кислорода как можно ниже, чтобы максимизировать производительность транспортного средства. SpaceX теперь планирует запустить SES-9 завтра, в четверг, 25 февраля, в 18:46 по восточному времени.

Вероятно, во многих случаях это не является серьезной проблемой, но иногда скраб может быть большой проблемой для графика и стоимости.

Спасибо за правку, а то уже два раза почистили. Поскольку SpaceX пытается снизить затраты, это должно быть довольно большим успехом, если он продолжит в том же духе. Тем не менее, они все еще находятся на ранней стадии обучения, поэтому, надеюсь, они исправят ошибки. Тем не менее, загрузка и запуск за 30 минут — это очень спортивно. И что, сначала будут грузить космонавтов, а потом топливо? Выглядит как-то рискованно.

Причиной увеличения плотности топлива также может быть максимальное ускорение в начале полета. Время, которое ракета проводит на малой скорости, очень расточительно расходует топливо и ухудшает соотношение полезной нагрузки и веса ракеты. По этой причине тяжелые ракеты имеют два и более дополнительных ускорителя, улучшающих разгон на первом этапе полета. Повышение мощности за счет использования уплотненного топлива помогает и в основном полезно вначале, когда ракета наиболее тяжелая.

Вы не хотите нести больше топлива, чем вам нужно, потому что это просто лишний вес.

Однако для приземления на землю требуется дополнительное топливо (ступень должна лететь обратно), и поэтому им пришлось еще больше охладить топливо, чтобы они могли поместить больше его в бак.

Что касается тяги, я думаю, что Geoffc прав, и они просто запускают двигатель на более высоких оборотах. Вероятно, они должны были сделать это, чтобы иметь возможность нести дополнительный вес топлива.

Каковы проблемы Falcon 9 «полная тяга» (v1.2) с уплотненным топливом?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v