Главные двигатели космического челнока работали около 8,5 минут при каждом запуске шаттла, но после каждого полета снимались с орбитального корабля и подвергались капитальному ремонту, при этом детали часто заменялись от двигателя к двигателю. Это ужасно по сравнению даже с самыми примитивными турбореактивными двигателями (более поздние модели Junkers Jumo 004, изготовленные из железа с алюминиевым покрытием, имели среднее время безотказной работы 5 часов как абсолютный минимум), а также со многими другими ракетными двигателями, даже многоразовыми — например, двигатель 50-минутного горения Breeze-M, многоразовый XLR99 имел среднее время безотказной работы более 1 часа, и (хотя это не совсем сравнимо из-за его радиационно-охлаждаемой природы с подачей под давлением) собственная OMS Shuttle была рассчитана на 1000 перезапусков и 15 часов . времени выполнения.
Всегда ли это удаление и капитальный ремонт были действительно необходимы? Если нет, то почему не были внесены какие-либо изменения в наземную обработку для устранения капитального ремонта на некоторых рейсах, а если да, то почему не было проведено серьезной † работы по фактическому повышению многоразового использования двигателей с учетом их назначения?
† Предположительно, улучшения ресурса были сделаны в Фазе I и Блоке IIA, но поскольку они не привели к перелету двигателя без капитального ремонта, они были объективно незначительными.
Вопросы о космических шаттлах непросты, поскольку это была длинная программа с множеством различных приводов, выходящих за рамки инженерного совершенства *, поэтому краткий ответ: «Да, при наличии денег, времени и идеального управления / направления можно было бы построить возвращаемый двигатель». Более длинный ответ является более сложным.
Полезная нагрузка космического челнока составляла около 22 тонн, каждый двигатель весил 3,5, если ваши изменения позволяют двигателю летать в 2-3 раза больше веса, вы добавляете 16,5 тонн, оставляя полезную нагрузку 5,5 тонны, и вам нужно будет летать в четыре раза чаще для того же. грузоподъемности, поэтому количество обслуживаний в год такое же или выше, и вы платите за гораздо большее количество запусков (и подвергаете экипаж большему риску).
Очевидно, что в реальном мире два запуска двигателя не увеличат его вес в два раза, поскольку многие детали являются конструкционными и «изнашиваются» не просто из-за удерживания груза, а из-за общей математики «нам нужно вывести x тонн на орбиту в год, как это сделать». Делаем ли мы это наиболее эффективно?
Весьма актуален вопрос , который говорит о том, что среди прочего сальники на насосах были ключевым элементом для обслуживания, что логично, поскольку они работают в химически агрессивной среде и подвержены механическому износу. Они также напрямую связаны с производительностью: их увеличение/утолщение/жесткость может напрямую повлиять на производительность насоса и, следовательно, на тягу, а не только на вес.
Поскольку к внутренним частям насоса в любом случае необходимо было получить доступ, увеличение срока службы других частей двигателя мало что дает, и если во время обслуживания вы обнаружите, что часть может выдержать несколько полетов, возникает вопрос: «Эй, может быть, сделать это легче и менее прочным, мы может доставить еще один кг на орбиту». При цене более 10 тысяч долларов за кг на орбиту наивная математика заключается в том, что более легкие (возможно, менее экзотические / более дешевые) детали — это хорошая сделка.
В нашей текущей временной шкале двигатели повлияли на ряд рейсов , а потеря Challenger и Колумбия поставила управление рисками под пристальным вниманием. Решение потратить больше денег, чтобы изменить что-то, что уже работало, таким образом, чтобы сократить проверки безопасности и уменьшить полезную нагрузку, было бы трудной политической рекламой, даже если бы чистая математика делала это совершенно разумным.
В другой временной шкале, когда первоначальные цели программы, заключающиеся в том, чтобы иметь возможность развернуть весь орбитальный аппарат для повторного полета, преуспели, обмен процентной долей полезной нагрузки на более длительные интервалы обслуживания двигателей имеет смысл, и именно поэтому, например, у авиалайнеров нет форсажных камер или чего-то подобного . Как только «что-то» требует интрузивной работы в каждом полете, возможность проверки всех связанных систем становится менее полезной, и обмен наземным обслуживанием на полезную нагрузку становится допустимым (по своей сути дорогостоящим) выбором .
__
* оглядываясь вокруг в 2019 году, кажется, что ответ на вопрос «как улучшить двигатели шаттлов» заключается в том, чтобы не отправлять их на орбиту и удалить экипаж .
SSME — исключительно сложный двигатель, производящий очень большую тягу при компактном размере. Это работает гораздо ближе к пределам возможного, чем любая из ваших точек сравнения. Во многом это было результатом очень амбициозной спецификации; чтобы достичь требуемой тяговооруженности и высокого удельного импульса, он должен был работать очень близко к своим механическим пределам, тогда как менее амбициозные двигатели могут работать с меньшими нагрузками. Представьте себе два одинаковых автомобильных двигателя, один из которых работает со скоростью 3000 об/мин, а другой — с 6000 об/мин. Один из них определенно выиграет гонку, но потом вам захочется осмотреть двигатель.
Согласно Википедии:
поскольку НАСА было заинтересовано в продвижении современного уровня техники всеми способами, они решили выбрать гораздо более продвинутую конструкцию [для SSME], чтобы «форсировать развитие технологии ракетных двигателей».
Оглядываясь назад, НАСА, возможно, зашло слишком далеко с этой стратегией; Разработка SSME была сложной и дорогой, и, как вы заметили, двигатель требовал большего обслуживания, чем идеально для многоразовой пусковой установки. К сожалению, размер, масса и тяга двигателей были зафиксированы в спецификации до того, как стало известно, насколько сложно будет их построить и эксплуатировать. Менее «современная» конструкция двигателя сильно уменьшила бы полезную нагрузку шаттла.
В какой-то альтернативной вселенной НАСА каким-то образом получило бюджет на разработку космического корабля, не уступая требованиям ВВС; у этого есть меньший грузовой отсек и короткие крылья, как у X-37 , и, возможно, он использовал бы более простой двигатель, который не требовал такого большого обслуживания между полетами.
Это ужас по сравнению даже с самыми примитивными ТРД
Самые мощные современные ТРДД с большой степенью двухконтурности семейства GE90 развивают тягу около 500 кН от двигателя массой 8,7 тонны; SSME производит 1890 кН на уровне моря от 3,5-тонного двигателя. Роторы GE90s работают со скоростью 2355 об/мин и 9332 об/мин; SSME имеет четыре турбонасоса; самые медленные обороты при 5150 об/мин и самые быстрые при более чем 35000 об/мин — почти 600 оборотов в секунду.
двигатель Бриз-М горит 50 минут
Тяга ССМЭ в 100 раз превышает тягу двигателя Бриз-М . У него гораздо больше нагрева, с которым нужно бороться. В течение 8,5-минутного горения он перемещает через свои насосы примерно в 10 раз больше массы, чем Бриз при 50-минутном горении. Двигатель Бриз-М имеет тяговооруженность около 27:1; SSME около 73:1.
(хотя на самом деле это несопоставимо из-за его системы радиационного охлаждения с подачей под давлением) собственная OMS Shuttle была рассчитана на 1000 перезапусков и 15 часов работы.
OMS использует удивительно простой движок . Никакого регенеративного охлаждения, никаких помп, как вы заметили; пока камера остается неповрежденной, единственными проблемами являются клапаны, которые работают при относительно низком давлении. Я не знаю, сколько работы было проделано над ними между рейсами; вероятно, можно было бы каждый раз заменять клапаны совершенно новыми за небольшую часть стоимости осмотров / капитальных ремонтов SSME.
многоразовый XLR99 имел MTBO> 1 часа
Опять же, довольно скромный двигатель, которому не нужно было приближаться к производительности SSME.
Всегда ли это удаление и капитальный ремонт были действительно необходимы?
Этого я на самом деле не знаю.
ооо