Протон КМ

[STEP]

Совершенствование космической техники.
ПРОТОН КИСЛОРОД-МЕТАНОВЫЙ

Называется «Кто о чем, а вшивый о бане». Почитал я тут про Протон, который намеревались снабдить водородными ступенями, и то, как все хорошо получится, и решил добавить свои размышлизмы. Размышлизмы сии касаются совершенствования нижних ступеней Протона.
Думы думают на эту тему давно. Заключаются эти думы в том, как бы перейти на кислород-керосин и двигатели НК-33. Только вот тут начинают резко увеличиваться в размерах боковые блоки. Т.е. диаметр становится около 3м и надо оснастку менять. Да еще компоненты здорово разные, один криогенный, другой нет. При параллельном расположении баков начинают играть роль различные температурные удлинения баков. В общем, тянется там много чего, проще новую РН сделать.
Вот однажды я чесал в репе и вдруг узрел, что объемные соотношения НДМГ+АТ и ЖК+Жмет не то, что бы равны, но ближе, чем у других пар. А что если залить новую пару в баки первой ступени, может что и получится. А уж когда я вычитал, что и температуры компонентов близки, тут мне захотелось это дело серьезно просчитать. И просчитал:
Первым делом я решил стараться не менять габаритов блоков. Решил полностью сохранить центральный блок первой ступени. Объем его 218м3. Объем боковых баков 150м3. Получилось, что в ЦБ можно залить 60т метана, при этом в Блоки надо залить 204т кислорода. Объем кислорода при этом составит 197м3, вместо имеющихся в наличии 150м3. Это значит, что каждую боковуху надо увеличить в объеме почти на 8м3. К сожалению добрать недостающие метры за счет конических частей не удалось, но при удлинении цилиндрической части блоков до верхнего среза ступени нужный объем получился. При этом боковухи пришлось удлинить на две стандартных секции. Сверху пришлось поставить прямые конусы. Не думаю, что они сильно повлияют на разделяемость ступеней. Далее я «залил» метан во вторую и третью ступени. Соотношение компонентов я выдерживал за счет перемещения разделяющих днищ баков. При этом я принял сухую массу ракеты равную массе обычного Протона. Расчеты показали, что несмотря на увеличение удельного импульса двигателей, масса топлива сильно уменьшается, и ПН сильно падает. Тогда я стал смотреть, как можно увеличить заливку топлива, не меняя размеров второй и третьей ступеней. Решение видно из рисунка. Я решил занять место у сухих отсеков. На второй ступени я поставил вогнутое нижнее днище, а у третьей ступени поместил двигатель в ведро (возможно сделать двигатель утопленник). Положение дел заметно улучшилось. Даже без учета возможности уменьшения массы конструкции ракеты за счет уменьшения ее стартовой массы с 690 до 481т, масса ПН для круговой орбиты 200км составила 22,8т. Расчеты с помощью собственной программы я провел давно. Недавно я попросил провести независимые расчеты Дмитрия В. Ему были даны только исходные данные по массам и двигателям. Его расчеты с помощью спредшита Ратмана очень хорошо совпали с моими. Только после этого я рассказал Дмитрию В об особенностях ракеты.
В свете предложений по переводу третьей ступени Протона на водород, что обещает дать прирост ПН под 30т, метановый вариант с третьей водородной ступенью выведет еще больше. Сразу же напрашивается и установка КВРБ. В любом случае мы имеем ракету, построенную на протоновской оснастке, экологичное и дешевое метановое топливо, стартовый комплекс с минимальной переделкой.

[Know How]

Вывешиваю картинку, сделаную Александром Шлядинским по просьбе STEP'а...

[STEP]

Александру и Know How спасибо.

[Старый]

Даже без учета возможности уменьшения массы конструкции ракеты за счет уменьшения ее стартовой массы с 690 до 481т, масса ПН для круговой орбиты 200км составила 22,8т.

Чтото я не понял? Стартовая масса уменьшается на 30% а ПН увеличивается, чтоли?

[STEP]

Именно так. Топливо полегчало (габариты ракеты я ведь оставил почти те же), но удельный импульс возрос.
При том я еще оставил массу конструкции той же, но при уменьшении массы топлива можно уменьшить и массу баков.
Кроме того, можно наверняка вафельные баки 2 и 3 ступеней заменить на гладкие, что удешевит их.

[Дмитрий В.]

Красота! :!:

[Старый]

Именно так. Топливо полегчало (габариты ракеты я ведь оставил почти те же), но удельный импульс возрос.
При том я еще оставил массу конструкции той же...

А нельзя ли привести формулы Циолковского для ступеней старого и нового вариантов?

[hcube]

Вообще говоря, раз у нас избыток кислорода по отношению к метану, то можно просто применить не 6 боковых блоков, а 8. Это уменьшит заправку каждого блока на 30% - т.е. обратно подгонит нам их длину.
Второй вариант - сделать бак топлива длинее чем нужно, а в его вершине разместить сферическую емкость для газа наддува (гелия) для всех баков - топлива и окислителя.

И наверх все-таки надо водород ставить. 150-тонная надкалиберная ступень с одним РД-0120 - самое оно. Получается двухступенчатая РН с ПН порядка 45 тонн - примерно треть Энергии.

[Moron]

STEP, молодец! "Весёлые картинки" одна другой краше.
Сперва "Сибирь", теперь "Протон КМ". :wink:

Забавно было бы перевести и "Союз" и "Протон" на унифицированное топливо... Интересно, а во что обойдётся "метановая" инфраструктура?

hcube
Дрейф в сторону "40-ка тонника".  :wink:

[STEP]

8 боковушек можно, но это уже другая ракета и другой стартовик.
Я не против водорода, я как раз за, но пока этот вариант не обсчитал.
Сейчас я убегаю на работу. На все вопросы отвечу вечером, задавайте. Кое на что может ответить Дмитрий В., он в курсе.

[hcube]

Ну правильно ;-) Потом последнее усилие - ставим наверх третью ступень Сибири, чтобы работала на довыведение и разгон, и имеем 20-25 тонн к Луне ;-).

И апгрейдить-то РН надо не на заданный размер - размер значения не имеет (с), а на ЗАДАННУЮ МАССУ и СТАРТОВЫЙ ГАБАРИТ.

Т.е. надо именно нарастить ЦБ в длину, можно внутрь воткнуть бак с гелием для наддува. Плюс два варианта верхней части - или метановая двухступенчатая (в качестве двигателей кстати пойдут все те же многострадальные РД-0234CH - 4 на 2 и 1 или 2 на 3 ступень) или одноступенчатая водородная - на одном РД-0120, массой 120-150 тонн, плюс еще доразгонная ступень типа третьей ступени Сибири-М2В, только с одним двигателем 11Д57 - тогда оптимальная вторая водородная ступень усохнет примерно до 100-120 тонн.

[avmich]

А какие именно ограничения и почему остаются от Протона?

Если, скажем, нужно оставить габариты всех ступеней - это одно. И тут получается незадача с облегчением ракеты - поскольку уменьшается средняя плотность топлива. И нужны дополнительные меры, которые, однако, радикальных выигрышей не дают, а только позволяют повторить результат Протона при меньшей массе топлива. Топливо, однако, по стоимости невелико, на фоне других затрат при пуске; опасность гептила тоже, конечно, кое-чего стоит. Однако наибольшие затраты сейчас на новые ракеты - в разработке, и вот тут мы получаем ту же ПН на ракете, которую надо, в значительной степени разрабатывать (движки, расчёты по конструкции...) В результате - ещё раз вопрос: зачем это надо? Выигрывать в далёкой перспективе? Мне выглядит неубедительно.

Комментарий по поводу 8 навесных баков первой ступени: старт Протона устроен так, что относительно железнодорожной ветки 3 двигателя работают справа, 3 слева - симметричный такой старт, по 3 канала выхода газов с каждой стороны. Поставим 8 баков и 8 движков - придётся старты менять. 6 движков на 8 баков... не слишком удобно.

Может быть, имеет смысл оставить диаметр блоков таким же (чтобы использовать оснастку), и интерфейс к старту такой же? Тогда можно увеличивать длину блоков. А доставлять блоки будем авиацией - сейчас это вроде бы проще, чем 20 лет назад. Тогда есть возможность, наверное, иметь ту же стартовую массу, и большую ПН, особенно с водородом.

Следующий вопрос - кто, какая фирма это будет делать? ЦиХ, вероятно. Но ЦиХ по уши занят Ангарой, да и вообще на новые проекты не слишком подъёмен. Вероятно, это чисто технические упражнения.

[hcube]

Я так понимаю, имелось в виду использовать Протон-КМ вместо Ангары. Чтобы старт не строить и казахов удовлетворить.

Вообще, я бы предложил еще идею - условно назовем ее А-6В. Берем 6 штук УРМ.  Связываем их - жестко и вплотную - в пакет. Заправочные магистрали проводим в промежуток между УРМами  На пакет устанавливаем вторую водородную ступень. Сопло двигателя проходит в зазор между УРМами, играющий роль газоотвода.  Все, волки целы, овцы сыты - 6 УРМ вплотную как раз имеют тот же диаметр что 6 двигателей Протона, плюс-минус сантиметров 30. Скорее плюс ;-). Диаметр верхней ступени тогда получается 2.9*2 = 5.8 метра - почти нужные нам 5.5.

[mihalchuk]

Где вы были раньше, STEP! Лет, эдак, 13 назад.

[Дмитрий В.]

Именно так. Топливо полегчало (габариты ракеты я ведь оставил почти те же), но удельный импульс возрос.
При том я еще оставил массу конструкции той же, но при уменьшении массы топлива можно уменьшить и массу баков.
Кроме того, можно наверняка вафельные баки 2 и 3 ступеней заменить на гладкие, что удешевит их.

Упс! STEP, а у Протона разве на 2 и 3 ступени баки вафельные? Мне что!то казалось всегда, что они гладкие, подкрепленные шпангоутами.... Кто может уточнить?

[mihalchuk]

hcube:

Вообще, я бы предложил еще идею - условно назовем ее А-6В. Берем 6 штук УРМ. Связываем их - жестко и вплотную - в пакет. Заправочные магистрали проводим в промежуток между УРМами На пакет устанавливаем вторую водородную ступень. Сопло двигателя проходит в зазор между УРМами, играющий роль газоотвода. Все, волки целы, овцы сыты - 6 УРМ вплотную как раз имеют тот же диаметр что 6 двигателей Протона, плюс-минус сантиметров 30. Скорее плюс . Диаметр верхней ступени тогда получается 2.9*2 = 5.8 метра - почти нужные нам 5.5.

Вот неудачный, но хороший пример (или - наоборот?). Как я понял, зазор будет один, т. е. центрального блока не будет. На такую конструкцию потребуеося довольно много арматуры, чтобы сделать её жёсткой.
А если:
Берем 7 штук УРМ. Связываем их - жестко и вплотную - в пакет. Заправочные магистрали проводим в промежуток между УРМами.
Боковые УРМ переделываём в однобаковые, вводим систему разделения, центральный УРМ наращиваем. Верхней ступени не надо.
Получаем 40-тонник (А7) за моим авторством схемы.
Кстати, названия А4, А7 были введены и использовались в ООО "Энергообменные технологии" в 1998-2002 гг специально, чтобы оригинальные схемы не путать с названиями модификаций Ангары.

Позже: Эка, занесло! Из уважения к автору прошу эту тему здесь не развивать.

[Дмитрий В.]

Именно так. Топливо полегчало (габариты ракеты я ведь оставил почти те же), но удельный импульс возрос.
При том я еще оставил массу конструкции той же, но при уменьшении массы топлива можно уменьшить и массу баков.
Кроме того, можно наверняка вафельные баки 2 и 3 ступеней заменить на гладкие, что удешевит их.

Упс! STEP, а у Протона разве на 2 и 3 ступени баки вафельные? Мне что!то казалось всегда, что они гладкие, подкрепленные шпангоутами.... Кто может уточнить?

Н-да, почитал Гудилина... Действительно-баки вафельные, что вообще немного странно: уровень сжимающих нагрузок на баки верхних ступеней относительно невелик.

[hcube]

Не-а, А-7 не получится. У Протона как раз там система заправки и электромагистрали, AFAIK. Т.е. запускаемый на земле 7й двигатель по центру ему по любому не грозит, а когда РН уже взлетела он тем более не нужен. А без него лучше взять 6 УРМ в пакете и ПОВЕРХ них вторую (и третью, если понадобится) ступень.

И почему мощные связи-то нужны? Нужно два силовых пояса - по 2 треугольника каждый. А дальше вся нагрузка по оси УРМ идет. Т.е. надо только принять меры чтобы УРМ не сложились в более компактную форму, и все, силовые нагрузки там невелики.

[mihalchuk]

hcube:

Не-а, А-7 не получится. У Протона как раз там система заправки и электромагистрали, AFAIK. Т.е. запускаемый на земле 7й двигатель по центру ему по любому не грозит, а когда РН уже взлетела он тем более не нужен. А без него лучше взять 6 УРМ в пакете и ПОВЕРХ них вторую (и третью, если понадобится) ступень.

Да, действительно, без переделки СС ничего не получится.

И почему мощные связи-то нужны? Нужно два силовых пояса - по 2 треугольника каждый. А дальше вся нагрузка по оси УРМ идет. Т.е. надо только принять меры чтобы УРМ не сложились в более компактную форму, и все, силовые нагрузки там невелики.

Как же - вся по оси. Осевые нагрузки действительно не страшны, но ко всем остальным такая конструкция будет более податлива: к изгибающим, поперечным сжимающим, крутящим. Амплитуда быстропеременных отклонений будет выше, а взаимное влияние конструкций блоков - сложнее. Поэтому связи должны быть жёстче, либо длиннее и их будет больше.

[STEP]

Именно так. Топливо полегчало (габариты ракеты я ведь оставил почти те же), но удельный импульс возрос.
При том я еще оставил массу конструкции той же, но при уменьшении массы топлива можно уменьшить и массу баков.
Кроме того, можно наверняка вафельные баки 2 и 3 ступеней заменить на гладкие, что удешевит их.

Упс! STEP, а у Протона разве на 2 и 3 ступени баки вафельные? Мне что!то казалось всегда, что они гладкие, подкрепленные шпангоутами.... Кто может уточнить?

Н-да, почитал Гудилина... Действительно-баки вафельные, что вообще немного странно: уровень сжимающих нагрузок на баки верхних ступеней относительно невелик.

Более того, во 2 и 3 ступенях вафельные только нижние баки, а верхние гладкие.