Посадка Falcon-9: взгляд специалиста

[zelenyikot]

Click to view

Сегодняшний гость блога - инженер-ракетостроитель Павел Пушкин. По моей просьбе он прокомментировал недавнюю посадку первой ступени ракеты Falcon-9, и дал экспертную оценку состоянию вернувшейся ракеты, по опубликованным снимкам.

Comments

[3seemingmonkeys]

а какие отличия метана от керосина при использовании в кач-ве топлива?

[zelenyikot]

Метан дает меньше энергии, но не оставляет сажи.
Ну и в космосе его добыть проще чем керосин, это если мы захотим в межпланетный круиз отправиться.

[vitus_wagner]

Меньше энергии на что - на литр, на килограмм, на килограмм общего веса конструкции ракеты (с учетом большего объема бака)?

Так-то по справочнику у метана 50МДж/кг, а у керосина 41.

Умножаем на взятую из того же справочника плотность 0.415 у метана, 0.8 у керосина, получаем что у метана 20.8МДж/л, а у керосина 32.6.

[rezkiy]

метану понадобился на примерно треть больше окислителя на ту же массу горючего.

[vitus_wagner]

Все равно на килограмм у метана+кислород получается чуточку больше
чем у керосина + кислород.

Метан - получается 10МДж/кг 50/(1+4). Керосин 9.6 = 40.8(1+3.23) (цифру 3.23 я взял из книги Жидкостные ракетные двигатели Авторы: Г.Б. Синярев,М.В. Добровольский)

Водород
13.3 = 120(1+8)

[rezkiy]

>> (1+4)

:-)

Это не ДВС, уравнения из учебника химии не работают.

https://www.google.com/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#safe=off&q=rp1+lox+ratio

https://www.google.com/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#safe=off&q=methane+lox+ratio

[rezkiy]

но! http://settlement.arc.nasa.gov/Nowicki/SPBI1LF.HTM

У керосина удельный импульс действительно хуже.

[vitus_wagner]

Что-то нет у меня уверенности что при таком fuel to oxydizer ratio обойдется без сажи.

[frs_vetlana]

С соотношением КРТ не все так однозначно. Например у РД-192.2 при давлении в камере 200 атм соотношение 3,5. У РД-192.3 давление 250 атм, а соотношение 3,0. От конструкции двигателя многое зависит.
,

[vitus_wagner]

Зависит, конечно многое. Но очевидно. что если соотношение окислителя к топливу меньше стехиометрического, топливо будет сгорать не до конца. Соответственно, если в топливе есть углерод, недоокисляться будет именно он и в камере сгорания будет образовываться сажа. Вот будет она оседать на стенки или вся улетит - это от конструкции зависит. Хотя, конечно, может там углерод в виде CO улетать будет.

[frs_vetlana]

Трудно сказать, что вообще имеется в виду под этим отношением. Соотношение расходов КРТ на входе в двигатель? Соотношение в общем в КС? Соотношение в зоне горения, не считая пристеночного слоя? И главное, для какого именно двигателя?
Там и С, и СО будет. Но можно действительно сделать так, чтобы сажа не оседала на стенках.

[siron_nsk]

Вот такой уровень комментаторов нам нужен в ЖЖ!

[jr0]

Удельный импульс, он же удельный расход топлива, зависит от температуры сгорания и молекулярной массы выбрасываемых газов. Не так важно, сколько сгорело. Не так плохо, сколько водорода или даже углерода. А вот кислород тяжелый.

Потому предпочитают называть и горючее и окислитель, да и обсуждают электрические двигатели вместе с ЖРД и прочим.

[vitus_wagner]

Углерод плох тем, что будучи крайне тугоплавким веществом, может осаждаться на стенках камеры сгорания. Что мы и наблюдаем на фотографиях.

Решить эту проблему мог бы избыток окислителя, чтобы весь углерод в топливе окислился хотя бы до CO (благо оксиды углерода газообразны). Но при увеличении отношения окислителю к топливу падают характеристики двигателя. Возможно - по названной вами причине (кислород тяжелый), возможно по каким-то ещё.

А электрические и прочие нехимические двигатели пока что для целей вывода нагрузок на орбиту - фантастика. Единственный относительно реальным проектом был гурколет с твердофазным ЯРД. Но это было тогда, А сейчас при попытке использовать ЯРД в атмосфере Земли зеленые сожрут живьем.

[frs_vetlana]

А может и не осаждаться. Сами же написали "Решить эту проблему мог бы избыток окислителя". "Кислый" пристеночный слой к тому же понизит температуру внутренней стенки камеры двигателя.

[valerij_56]

Здесь есть детали.

Первая состоит в том, что в выхлопе ракетного двигателя на углеводном топливе (а это и керосин, и метан) довольно много окиси углерода. Это одновременно несколько снижает температуру в камере сгорания и значительно снижает среднюю молекулярную массу, а следовательно повышает удельный импульс двигателя.

Вторая состоит в том, что сажа в керосине образует нагар, который прилипает к стенкам и значительно ухудшает теплопередачу. Керосин при большой температуре разует трудносмываемую плёнку на стенках. Всё это ухудшает охлаждение и может вызвать прогар стенки камеры сгорания. Сажа в метане образует мелкую графитовую пыль, которая легко выдувается потоком газа.

Третья деталь состоит в том, что, в двигателях на керосине, для избежания образования сажи приходится использовать для привода турбонасоса горячий генераторный газ с избытком кислорода. В такой атмосфере многие материалы (например, сталь) очень хорошо горят...