Почему русские используют эти межкаскадные обтекатели в виде забора?

Когда мы смотрим на различные российские ракеты, мы часто видим металлическую конструкцию, похожую на садовую ограду, разделяющую некоторые ступени. Насколько мне известно, только семейство R7 (Восток, Восток, Союз) и N1 используют (использовали) его, но больше никто.

Все другие известные мне ракеты используют цельный обтекатель для разделения ступеней. Так почему же российские инженеры выбрали (и сохранили) это решение, а никто другой? Кроме того, что они очень легкие, есть ли у этих "заборов" какие-то еще преимущества?

Вот несколько изображений, чтобы показать, о чем я говорю:

Союз во время сборки( источник )

N1( источник )

IIRC Proton также использует эту конструкцию. На "Союзах" двигатель разгонного блока зажигается перед отделением, это возможно только с этими решетчатыми конструкциями.
Титан II не был таким сетчатым, но имел большие заметные дыры в промежуточной ступени. В этой статье они описываются как вентиляционные отверстия, обеспечивающие зажигание второй ступени перед разделением. popsci.com/…
Используется во многих автомобилях ранних стадий: Wac Corporal, Aerobee, Nike Ajax и т. д.

Ответы (1)

Все дело в незаполненном топливном баке. Законы движения Ньютона означают, что когда ракета больше не стреляет и не прилагается никакая сила, ракета не получает ускорения. Он продолжается с той же скоростью (если принять идеальную модель). Топливо в баках уходит в свободное падение, как это делают астронавты, когда выходят на орбиту. Вы видели, как эти мягкие игрушки плавают по кабине, когда двигатели «Союза» отключаются.

Топливо также ведет себя как пассажир в автомобиле, когда вы резко тормозите. Вместо того, чтобы откидываться назад при ускорении, они летят в другую сторону, к лобовому стеклу. Поэтому мы используем ремни безопасности. То же самое и с топливом в этих огромных баках. Это идет свист; прямо на другой конец бака, на самое дальнее расстояние от ракетного двигателя. Проблема в том, что вы хотите, чтобы это было со стороны ракетного двигателя. Если топливо находится не на «дне» бака, насосы крутятся на пустом месте и могут сгореть, когда нечего будет всасывать.

Есть два решения этой проблемы. У некоторых судов есть двигатели с незаполненным объемом, которые представляют собой небольшие двигатели, иногда просто реактивные двигатели или выпуск сжатого газа. Вы можете увидеть их во многих видео других крафтов, в которых нет этой сетки. (Не путать с выхлопным соплом насоса, но это совсем другое дело!) Часто оно выглядит как небольшая выхлопная труба рядом с двигателем. Иногда они могут быть просто небольшим двигателем на твердом топливе, очень похожим на фейерверк. Их единственная функция - перекачивать (расплескивать) топливо к насосам. Насосы включаются, а затем двигатель загорается. свист; стартует ракета. Теперь все это выплескивание топлива может вызвать проблемы с устойчивостью корабля, поэтому они конструируют бак со специальными перегородками против выплескивания.

Здесь мы можем увидеть различные особенности второй ступени Saturn V:

Источник НАСА

Источник: https://www.hq.nasa.gov/pao/History/SP-4204/images/m406b.jpg

Если вы хотите избежать лишней сложности, управления, топлива, механизмов и просто массы и денег в вашей ракете, вы можете сделать это по-русски. Просто включите следующую ступень, пока предыдущая все еще прикладывает силу. Нет необходимости в негабаритном оборудовании. Тем не менее, вам нужно куда-то идти, чтобы все эти горячие выхлопные газы (и их сила) уходили. Самый простой способ - сделать небольшой промежуток между этапами, чтобы потом было меньше баба-бум. У этого также есть приятное преимущество, заключающееся в том, что завершенный этап отодвигается от корабля и возвращается к планете, что обычно вам и нужно. Это может сделать ракету выше, но снизит массу и сложность, что обычно и требуется.

Интересно. Но мне интересно: не создает ли это проблему синхронизации? Например, вы не хотите запускать двигатель второй ступени, а затем двигатель первой ступени продолжает работать в течение более длительного времени, заставляя вторую ступень постоянно стрелять по баку первой ступени. И если это не проблема, мне интересно, почему этот дизайн не используется чаще, если он уменьшает массу и сложность.
А, этот связанный вопрос и ответы на него дают больше контекста. Таким образом, есть временное окно (Союз: две секунды), но это все же менее сложно, чем использование двигателей с незаполненным пространством. Но изоляция, необходимая для предыдущей ступени, может фактически компенсировать прирост массы за счет легкой в ​​остальном конструкции разделения ступеней, а также может немного увеличить сопротивление.
@DarkDust Хороший вопрос. Я думаю, что лучший способ рассматривать эти довольно сложные компромиссы состоит в том, что иногда дизайнеры находят оптимум, а иногда нет. Иногда проектное решение достигается давлением графика, корыстными интересами (политикой) или просто использованием того, что сработало в прошлый раз или в ходе наземных испытаний. На этом фоне фактические факты не должны складываться в связный план!
Вы можете добавить, что это будет называться «горячая постановка» (постановка, пока стадия ниже все еще подключена).
Просто как дополнение: не только русские так делают; Американский Титан II делает то же самое, у него есть видимые отверстия примерно на полпути к стопке . Вот статья.
Я предлагаю вам уточнить вашу аналогию с «ремнем безопасности» при описании потребности в незаполненном объеме: отключение тяги НЕ похоже на применение тормозов. Это как поставить машину на "нейтралку". В этот момент единственная сила (кроме гравитации), приложенная к кораблю, — это атмосферное трение. Я не уверен насчет N1, но на «Союзе» такая постановка происходит только выше 100 км, намного позже Max Q. В этот момент атмосферное трение должно придавать только небольшое ускорение кораблю.