Повлияет ли повторное использование на характеристики ракетного двигателя по сравнению с версией этого ракетного двигателя с однократным запуском?

Многоразовый двигатель в целом должен быть более прочным, но, как свидетельствует двигатель Merlin от SpaceX, в многоразовых двигателях, безусловно, достижимо высокое отношение тяги к массе.

Некоторые двигатели, такие как RS-68 , используют абляционное покрытие сопла для отвода тепла, а не активное охлаждение стенок сопла. В RS-68 он на самом деле тяжелее, чем альтернатива, что дает более низкую тяговооруженность, но намного дешевле в постройке.

Я думаю, что достаточный инженерный и производственный бюджет может преодолеть любое заданное ограничение производительности многоразовой конструкции двигателя.

Если бы вы спроектировали 2 двигателя (один многоразовый, один одноразовый) с одинаковыми тягой, удельным импульсом и давлением в камере:

многоразовый двигатель будет тяжелее, дороже или и то, и другое. Для многоразового двигателя детали должны быть рассчитаны на гораздо более длительный срок службы, чем для одноразового двигателя. Вы можете сделать это двумя способами: утяжелить деталь, чтобы обеспечить больший запас по износу, или использовать более качественные материалы, которые изнашиваются медленнее.

Многоразовый двигатель, вероятно, также будет более сложным: вы захотите спроектировать его так, чтобы он был легко доступен для осмотра и (при необходимости) замены деталей. Таким образом, у вас будут панели доступа, трубопроводы с фланцами на болтах вместо сварных швов и т. д. Возможно, вы переместите турбонасос в легкодоступное место (которое требует большего количества трубопроводов, чем обычное место наверху камеры сгорания).

Если вы хотите повысить производительность существующего движка, у вас есть всего несколько вариантов. Вы можете сделать сгорание более эффективным (маловероятно, потому что у вас уже есть эффективное сгорание для начала). Или вы можете ввести больше топлива и окислителя. При этом давление в камере сгорания увеличивается. Давление в турбонасосах и трубопроводах также увеличивается.

Эти компоненты рассчитаны на определенное давление. Этот расчетный предел немного выше нормального рабочего давления. Это предел, с которым вы можете работать.
Материалы обладают определенной прочностью на растяжение, это зависит от их температуры. В ракетном двигателе компоненты должны поддерживаться ниже температуры, при которой металл начинает размягчаться. Выше этой температуры компонент быстро разрушается.

Если вы возьмете многоразовый движок и будете использовать его в одноразовом режиме, единственный способ улучшить производительность — это использовать этот запас. Если двигатель должен работать в течение 2 минут, вы можете попробовать запустить двигатель так, чтобы компоненты достигли своей критической температуры за 2 минуты 15 секунд, когда ступень сгорела, а вторая ступень находится достаточно далеко, чтобы произошел взрыв первой ступени. не повредит вторую ступень.

Хотя это сложное предложение. Когда материал приближается к своим пределам, его поведение не является линейным. Скажем, у вас есть двигатель, который может бесконечно работать при температуре 1000 ºC. Если поднять его рабочую температуру на 5%, срок службы двигателя не упадет на 5%. Он может еще пригодиться для неограниченной работы при новой температуре или может расплавиться через 30 секунд. Это зависит от детальной конструкции двигателя и запасов, которые использовались при его проектировании.

Критические детали не изнашиваются: камера сгорания не предназначена для потери материала по мере его использования (например, абляционная футеровка). Если бы это было так, это было бы легко: просто запустите двигатель, чтобы сжечь абляционную облицовку за один раз, вместо того, чтобы продержаться 10 миссий.

То, какую производительность вы можете получить таким образом, зависит от точной конструкции двигателя: используемых материалов, запасов, использованных конструкторами. Я предполагаю, что в зрелой конструкции двигателя у вас будет очень мало запаса для работы. Слишком большой запас означает, что двигатель слишком тяжелый.

Вот документ, который дает некоторое представление о проектных решениях, которые были приняты для повторного использования SSME. Читая статью, у меня сложилось впечатление, что основные отличия заключались в самом процессе проектирования: им нужно было провести исследование, чтобы найти материалы и дизайн деталей компонентов, которые были бы долговечными. Таким образом, процесс проектирования был более дорогим, потому что им нужно было продвигать современное состояние, находя более надежные материалы и методы строительства.

Им также необходимо было спроектировать двигатель с учетом ремонтопригодности. Им нужно было обеспечить легкий доступ к быстроизнашивающимся деталям, чтобы свести к минимуму время, затрачиваемое на техническое обслуживание, они должны были предоставить инспекционные панели, создать инструменты и т. д.

Главный двигатель Orbiter — это первый большой жидкостный ракетный двигатель, разработанный специально для длительного срока службы. Двигатель способен выполнить 100 пусков или 7,5 часов работы между капитальными ремонтами. ... Для выполнения этого требования к длительному сроку службы потребовались определенные изменения в более ранних конструкциях двигателей. Однако в каждом случае вес изменения конструкции оценивался с точки зрения его влияния на грузоподъемность орбитального корабля. Некоторыми из систем и компонентов двигателя, рассчитанных на длительный срок службы, являются система горячего газа, турбомашины и седла клапанов.

Все уплотнения турбонасосов работают с положительным зазором для предотвращения износа и обеспечения длительного срока службы. Низкие нагрузки на подшипники обеспечиваются системой уравновешивающих поршней внутри турбонасоса, которая снижает осевые нагрузки на вал. Срок службы подшипников турбонасоса определяется усталостью при контакте качения, которая зависит от скорости и нагрузки. ... Использование расплавленных в вакууме материалов еще больше увеличивает срок службы, поэтому средний прогнозируемый срок службы подшипника примерно в 65 раз превышает срок службы B.

Выдвижное уплотнение для шаровых клапанов топлива является уникальной особенностью двигателя, добавленной специально для обеспечения длительного срока службы и возможности повторного использования.

Автоматическая проверка, оперативный контроль утечек через фланцы и автоматическое обнаружение утечек седла топливного клапана заменили ручные методы проверки утечек и функциональные методы, использовавшиеся в предыдущих системах двигателей. Методы контроля срока службы внутреннего осмотра, контрольно-измерительных приборов и проверки герметичности дренажной системы стали результатом анализа ремонтопригодности, проведенного на ранней стадии проектирования. Поскольку корректирующее обслуживание представляет собой крупнейшую разовую затрату ресурсов во время оборотного цикла SSME, на ранней стадии проектирования особое внимание уделялось доступности оборудования и управлению им. Эта концепция технического обслуживания приводит к тому, что цикл технического обслуживания трех основных двигателей орбитального корабля требует в среднем 25 часов из 160-часового оборота орбитального корабля.

были приложены значительные усилия для обеспечения полной возможности внутренней инспекции. Эти усилия определили требования, выбранное оборудование, запланированное использование и спроектированные порты доступа.

SSME был испытан при мощности не менее 111% от номинальной. Для полета 109% было максимумом.

Дальнейшее чтение:

В этом документе обобщаются изменения, внесенные в SSME за время существования программы. В несколько этапов они сократили количество компонентов и время, необходимое для их изготовления.

Еще одна вещь, на которую стоит обратить внимание, — это RS-25E, одноразовый вариант SSME, который планируется использовать для SLS. Хотя, насколько я знаю, они не планируют никакого увеличения производительности для этого, только снижение себестоимости производства.

Набор данных ракетных двигателей, предназначенных для повторного использования, возможно, три или четыре?

• SSME, как уже упоминали другие.
• Мерлин из SpaceX
• BE-3 от Blue Origin
• двигатель Х-15
• RL-10, который повторно использовался в DC-X.

Практически любой другой двигатель был разработан с расчетом на расходуемый материал. Но редко в прямом смысле, что было бы удешевлением и группировкой их.

SSME считается очень высокопроизводительным и очень дорогим. Многие будут оспаривать, что он даже был разработан для повторного использования, основываясь на его фактической истории.

Информация от двигателя Merlin заключается в том, что одна и та же базовая конструкция использовалась как для повторного использования, так и для одноразового использования. Помимо необходимости иметь возможность запуска с воздуха (чего не хватает SSME, и некоторые первоначальные конструкции Constellation рассматривались), кажется, не было многого, что нужно было изменить.

Очевидно, что если вы используете абляционную конструкцию сопла, это не имеет особого смысла в мире повторного использования.

Что касается производительности, SpaceX никогда не указывала на какие-либо штрафы за повторное использование двигателя Merlin. Так было задумано с самого начала. Вы хотите иметь возможность тестировать свой двигатель снова и снова перед полетом, поэтому в значительной степени требуется хотя бы какой-то базовый, предельный уровень повторного использования.

SSME были испытаны перед запуском, а затем подготовлены к запуску, более тщательно, чем, скажем, для Merlin.

Некоторые жидкие ускорители проходят испытания на огнестойкость, поэтому даже одноразовые ускорители должны быть пригодны для повторного использования для выполнения этой задачи.

Таким образом, на каком-то уровне двигатели на жидком топливе обычно строятся для минимального повторного использования. (Очевидно добротные двигатели, не очень).

Таким образом, может оказаться, что вопрос несколько спорный, поскольку любой двигатель, который проходит огневые испытания или приемочные испытания двигателя, вероятно, будет близок к повторному использованию для начала, даже если он используется как одноразовый.

Я думаю, вы задаете неправильный вопрос. Многоразовые двигатели, безусловно, будут иметь худшие характеристики, чем одноразовые, по крайней мере, для данной стоимости/массы/размера/TWR/и т. д. Только подумайте, насколько дешевы и просты модельные ракетные двигатели. Это не что иное, как взрывчатка в картонной тубе, и я не могу представить, как можно было придумать подобную многоразовую систему, не идя на большие жертвы.

Реальный вопрос о возможности повторного использования заключается в следующем: «Как восстанавливается повторно используемый двигатель/транспортное средство?» Рассмотрим, как восстанавливаются SRB из космического шаттла - приводняясь и буксируясь обратно. Это упрощает приземление, так как все, что вам нужно, это парашюты, чтобы замедлить падение, но создает проблему соленой воды. Оказывается, купание ваших SRB в агрессивном океане вредно для них.

Теперь подумайте о посадке на землю в стиле SpaceX или Blue Origin. Это намного сложнее из-за необходимости шасси, наведения и дополнительного топлива для мягкой земли, но я приземлился на своей ракете в относительно первозданном состоянии. Двигатели не разъедаются соленой водой и не нуждаются в такой же интенсивной очистке и ремонте. Это означает меньшую стоимость.

Так что дело не столько в двигателе, сколько в том, как его вернуть.

Я не думаю, что это очень полезный вопрос. Многие двигатели более ограничены суммой денег, которую компания готова инвестировать как в разработку, так и в стоимость производства двигателей. Оба типа двигателей могли бы быть более производительными, если бы производители были готовы вкладывать гораздо больше денег в исследования и разработки и/или в затраты на производство двигателей. Если я интерпретирую ваш вопрос как неявное «при условии, что затраты на НИОКР и производство аналогичны», это затруднит ответ. Причины разработки двигателя и, следовательно, бюджет никогда не бывают одинаковыми.

Некоторые примеры:

• Как упоминал @Russell, RS-68 был разработан с абляционным покрытием сопла вместо охлаждения сопла топливом или изготовления сопла из более термостойкого материала для снижения стоимости, хотя это снизило производительность.

• Почти все существующие ракетные двигатели, построенные в США, до недавнего времени использовали цикл газогенератора, который проще, но менее эффективен, чем циклы ступенчатого сгорания. В СССР действительно были разработаны двигатели внутреннего сгорания с высоким содержанием кислорода, и они имели гораздо более высокие характеристики, чем сопоставимые двигатели американского производства.

• В настоящее время SpaceX является первой компанией, разрабатывающей полнопоточный двигатель внутреннего сгорания (Raptor), который теоретически является наиболее эффективным циклом. Только потому, что они стремятся сделать ракеты многоразовыми, есть смысл инвестировать в такой продвинутый цикл. С ракетой одноразового использования дешевле просто сделать ваш двигатель и ракету немного больше, чем вкладывать все эти деньги в лучший цикл.

• Единственной многоразовой системой до ракет SpaceX был Space Shuttle, но бюджет его разработки определялся политическими интересами. Стоимость разработки была основной причиной , по которой он остановился на твердотопливных ускорителях: высокая тяга, более дешевая разработка и «многоразовое использование», но извлечение и ремонт SRB было так же дорого, как просто создание новых.

• США много инвестировали в ракетные технологии на жидком водороде. Это более эффективно для траекторий с высокой энергией (т.е. межпланетных запусков). Для запусков на околоземную орбиту также может быть некоторое преимущество в производительности в зависимости от того, как вы определяете «производительность», но это не дешевле. Новые космические компании мало инвестируют в водород, а Россия вообще никогда не строила двигатели на водородном топливе. Но ULA и ESA продолжают использовать его, потому что технология уже существует, и у них есть опыт работы с ней.

Если бы кто-то захотел построить наиболее производительный (обычный) ракетный двигатель, многоразовый или нет, где производительность измеряется удельным импульсом и тягой, а деньги не имели значения, вы, вероятно, выбрали бы полнопоточный водородно-кислородный двигатель с многоступенчатым сгоранием. но такого двигателя и планов по созданию такого двигателя не существует.

Определение «производительности» также не ясно. Если «производительность» означает только тягу, вы всегда можете построить более мощные двигатели существующих циклов или твердотопливную ракету. Если «производительность» означает только удельный импульс, вам нужно взглянуть на ионные двигатели и другие типы двигателей с электрическим приводом, но у них очень низкая тяга. Теоретически лучшим был бы двигатель, испускающий фотоны из-за их импульса, то есть лампа.