Какие преимущества у керосин-кислород для сверхлегкой РН для кубсатов?

SSR · 08.10.2015 17:14:43

Всем привет!
Прочитал намедни новость о новой разработке - сверхлегкой ракета-носителе "Таймыр" и захотелось поглубже изучить вопрос.

Скажите пожалуйста, какие преимущества у пары горючее-окислитель "керосин-кислород" перед тем же "водород-кислород"?

То есть, если я правильно понял, то два весомых плюса:

экологично, дешево,
один топливонасос с двумя крыльчатками (т.к. плотность примерно одинакова) = меньший вес, выше надежность.

Из минусов:

более низкий удельный импульс (но все равно высокий, 3500 м/с).

Читал, что керосин-кислород активно применяется на больших ракетах, особенно в первых ступенях, но как быть со сверхлегкими РН, там ведь другая специфика?
Например, супер-сверхлегкая РН для вывода:

3 кубсатов, весом 3 кг на LEO,
маленький РБ для "дожима" до нужной высоты, например, 150 км (картографирующий кубсат),
головной обтекатель-термозащита,
катапульта для кубсатов.

Итого, пусть 15-18 кг веса.

Как вы думаете, оправдано ли для такой нагрузки использование ЖРД? Или лучше здесь применение РДТТ, т.к. не требуется ТНА и другие сложные, тяжелые комплектующие для жидкостного двигателя?

То есть, в чем вопрос - как вы считаете, вывести на LEO 15-20 кг нагрузки дешевле, эффективнее, проще сверхмалым РН с ЖРД или все-таки с РДТТ?

P.S.: Извините за, возможно, дилетантские рассуждения, может я просто что-то неправильно понял из прочитанных публикаций и Википедии.

Спасибо!

Владимир Шпирько · 09.10.2015 00:03:13

ЦитироватьSSR пишет:

Как вы думаете, оправдано ли для такой нагрузки использование ЖРД? Или лучше здесь применение РДТТ, т.к. не требуется ТНА и другие сложные, тяжелые комплектующие для жидкостного двигателя?

Еще варианты ЖРД, но с вытеснительной подачей топлива или гибридный двигатель: РДТТ+вытеснительная подача кислорода до стеохимического соотношения. Всё это дешевле чем хороший ТНА. А если надо бросить на орбиту 10 кг, по "Пегас" Вам в помощь. "Первая ступень" - это нормальный самолет перехватчик и воздушный старт - одноразовой, дешевой, двухступенчатой твердотопливной ракеты.

avmich · 09.10.2015 12:51:43

http://www.spacelin.ru/#!taymyr/c1wuk

"В качестве горючего используется керосин, а окислителя — концентрированная перекись водорода. Данному топливу не нужно оборудование, выдерживающее сверхнизкие температуры (как при заправке жидким кислородом, например), и оно не ядовито (в отличие от азотной кислоты, тетраоксида азота и несиметричного диметилгидразина).

В основе проекта — оптимизация по критерию стоимости разработки и создания, а также по стоимости пуска и окупаемости ракеты-носителя, а не по увеличению доли полезной нагрузки, как это традиционно было принято в отрасли."

Перекисные технологии традиционно относятся к категории дешёвых. Классический пример - британская космическая программа, потратившая всего 9 миллионов фунтов стерлингов на разработку, производство и запуск четырёх ракет Блэк Эрроу, одна из которых успешно вывела на орбиту спутник Просперо. Первые две ступени ракеты работали на перекиси и керосине.

Alex_II · 09.10.2015 07:49:55

ЦитироватьВладимир Шпирько пишет:
одноразовой, дешевой, двухступенчатойтвердотопливной ракеты.

Одноразовой - это верно. Но вот дешевых твердотопливных ракет - не бывает... А конкретно у Пегаса - чуть ли не самая дорогая цена за килограмм ПН на орбите...

SSR · 09.10.2015 05:39:01

Владимир,avmich, Alex_II, большое спасибо за ответы!

По перекись водорода/керосин нашел такую цитату:

Код Выделить

Третье – в качестве горючего в ракете будет использоваться керосин, а в качестве окислительной смеси — концентрированная перекись водорода. Этому типу топлива не нужно оборудование, выдерживающее сверхнизкие температуры, как при заправке жидким кислородом, и оно не ядовито, в отличие от азотной кислоты, тетраоксида азота и несимметричного диметилгидразина.

Получается, для дешевого, сверхлегкого РН пара "перекись водорода/керосин" и использование вытеснительной схемы (минус ТНА, плюс электрозажигание) - это оптимальный путь?

Спасибо!

Старый · 09.10.2015 08:48:08

ЦитироватьSSR пишет:
это оптимальный путь?

Если критерием оптимальности считать минимум затрат на разработку то да.

Morin · 09.10.2015 20:16:39

ЦитироватьSSR пишет:
Владимир, avmich , Alex_II , большое спасибо за ответы!

По перекись водорода/керосин нашел такую цитату:
Код Выделить Развернуть
Третье – в качестве горючего в ракете будет использоваться керосин, а в качестве окислительной смеси — концентрированная перекись водорода. Этому типу топлива не нужно оборудование, выдерживающее сверхнизкие температуры, как при заправке жидким кислородом, и оно не ядовито, в отличие от азотной кислоты, тетраоксида азота и несимметричного диметилгидразина. Получается, для дешевого, сверхлегкого РН пара "перекись водорода/керосин" и использование вытеснительной схемы (минус ТНА, плюс электрозажигание) - это оптимальный путь?

Спасибо!

Перекись водорода - крайне опасный в эксплуатации компонент. Требует при хранении термостатирования, крайне чувствителен к всевозможным (особенно органическим) загрязнениям. Требует бережной перевозки. В общем, то еще удовольствие. Для дилетантов и пофигистов - почти гарантированная катстрофа с тяжелыми последствиями. Низкий удельный импульс по сравнению с парой Керосин - кислород.

silentpom · 09.10.2015 18:51:04

про перикись - посмотрите на старенькую английскую блэк эрроу

Старый · 09.10.2015 22:14:17

ЦитироватьMorin пишет: Для дилетантов и пофигистов - почти гарантированная катстрофа с тяжелыми последствиями.

В чём катастрофа то выразится? Что при неправильном обращении перекись незаметно разложится и они заправят ракету водой?

avmich · 10.10.2015 09:55:51

ЦитироватьSSR пишет:
Получается, для дешевого, сверхлегкого РН пара "перекись водорода/керосин" и использование вытеснительной схемы (минус ТНА, плюс электрозажигание) - это оптимальный путь?

Перекись не требует электрозажигания - я даже не уверен, что электрозажигание будет работать

. Перекись предварительно - до контакта с топливом - разлагается на катализаторе, это экзотермическая реакция, получается горячий водяной пар и кислород. Температура у, скажем, разложенной 85% перекиси доходит до 600 С. При добавлении углеводородов в такой парогаз - в котором много кислорода - углеводород вспыхивает без дополнительных мер. Так работал движок Гамма на Блэк Эрроу.

Альтернативно использовались варианты, когда в топливо - керосин, например - примешивали катализатор. Но при предразложении перекиси свойства рабочего процесса в камере сгорания обычно лучше. Хотя есть и минусы предразложения - например, нужен катализатор, это деньги, масса, необходимости замены при многоразовом использовании...

Оптимальный ли это путь - зависит от критериев. На мой взгляд, перекись для "малых проектов" в целом обладает преимуществом

.

ЦитироватьMorin пишет:
Перекись водорода - крайне опасный в эксплуатации компонент. Требует при хранении термостатирования, крайне чувствителен к всевозможным (особенно органическим) загрязнениям. Требует бережной перевозки. В общем, то еще удовольствие. Для дилетантов и пофигистов - почти гарантированная катстрофа с тяжелыми последствиями. Низкий удельный импульс по сравнению с парой Керосин - кислород.

У нас теперь есть перевод "Зажигания!", поэтому мы можем говорить не "крайне опасный компонент", а "компонент опаснее чем альтернативы". А в этом смысле перекись - как раз относительно безопасный компонент.

Термостатирование - перекись неплохо хранится при комнатной температуре, а концентрированная перекись и вовсе замерзает ненамного ниже нуля (зависит от концентрации). Температуру, конечно, нужно контролировать - но, например, в лаборатории для этого может хватить обычного холодильника.

Крайне чувствителен к загрязнениям - ну, не настолько чувствителен, как, скажем, некоторые соединения хлора, фтора и кислорода

. Правда, перекись распадается сама, а там риск скорее для контейнера. Тем не менее, перекись с 40-х годов заправляется в полевых условиях в аппараты; уровень необходимой чистоты, на мой взгляд, достаточно доступный.

Бережная перевозка - в каком смысле? Не расплескать? Есть такое; можно перевозить в негерметичных закрытых контейнерах - если расплёскивается немного, то разлагается снаружи на воду и кислород, к чему нужно быть готовым; но тут именно "немного". Тряска? Какие ещё проблемы при перевозке?

Ракетчики использовали перекись с ранних времён - конечно, не без проблем, но в целом, беспроблемных ракетных компонентов не бывает, поскольку всегда нужно иметь большую запасённую химическую энергию. Поэтому я бы не сказал, что перекись существенно более опасна, чем другие альтернативы - опять же, см. "Зажигание!", http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum9/topic13513/?PAGEN_1=13 .

Низкий удельный импульс - опять же, по сравнению с чем. У кислород-керосина он ниже, чем у водорода, а у перекиси-керосина - выше, чем у твёрдотопливных смесей. И все эти варианты использовались успешно для выведения спутников. УИ ниже сравнительно ненамного - при этом выше плотность, что вполне полезно.

Итого - перекись вполне, на мой взгляд, конкурентоспособный окислитель для недорогих проектов.

Петр Зайцев · 10.10.2015 09:24:54

Цитироватьavmich пишет:

Итого - перекись вполне, на мой взгляд, конкурентоспособный окислитель для недорогих проектов.

Но ведь всё-таки была известная катастрофа "Союза" в Плесецке в 86-м что ли, которую сначала пытались списать на утечку кислорода, но потом доказали, что виновато было саморазложение перекиси.

avmich · 10.10.2015 11:53:27

ЦитироватьПетр Зайцев пишет:
Цитироватьavmich пишет:

Итого - перекись вполне, на мой взгляд, конкурентоспособный окислитель для недорогих проектов.
Но ведь всё-таки была известная катастрофа "Союза" в Плесецке в 86-м что ли, которую сначала пытались списать на утечку кислорода, но потом доказали, что виновато было саморазложение перекиси.

Поэтому я и пишу -

Цитироватьavmich пишет:
в целом, беспроблемных ракетных компонентов не бывает, поскольку всегда нужно иметь большую запасённую химическую энергию

Катастрофы могут быть с любыми ракетными топливами. Перекись имеет свой набор опасностей - например, её пары при определённом давлении и температуре могут и взорваться. Но это не значит, что перекись - всегда - опаснее альтернатив.

avmich · 10.10.2015 11:56:08

По-моему, катастрофа в Плесецке произошла после "рацпредложения" добавить в припой для баков перекиси свинец - потому что чистое олово, которое там использовалось, на морозе меняло аллотропную модификацию. С выращиванием "усов" и соответствующими проблемами. Хотя точно историю эту не помню. Однако идея добавить свинец - немедленно выглядит очень подозрительной для любого, знакомого с базовыми химическими свойствами перекиси, вернее, её катализа. Тот, кто её предложил, видимо, этого не знал

.

Знание - сила.

freinir · 10.10.2015 07:49:44

Цитироватьavmich пишет:
Хотя есть и минусы предразложения - например, нужен катализатор, это деньги, масса, необходимости замены при многоразовом использовании...

Так а нафига замена катализатора?

НИИзнайка · 10.10.2015 06:36:28

А при перекиси можно в керосин пентаборану добавить, ну немного. И самовоспламенение будет, и УИ возрастет, ну это на потом перспектива

avmich · 10.10.2015 19:52:05

Цитироватьfreinir пишет:
Цитироватьavmich пишет:
Хотя есть и минусы предразложения - например, нужен катализатор, это деньги, масса, необходимости замены при многоразовом использовании...
Так а нафига замена катализатора?

Катализатор, бывает, портится тем или иным способом.

Старый · 10.10.2015 11:19:48

ЦитироватьНИИзнайка пишет:
А при перекиси можно в керосин пентаборану добавить, ну немного. И самовоспламенение будет, и УИ возрастет, ну это на потом перспектива

Педивикия:

ЦитироватьПары чрезвычайно токсичны при вдыхании, попадании на кожу, слизистые оболочки, в глаза и пищеварительный тракт. К поражениям внутренних органов пентабораном относятся поражения печени, почек и нервной системы. Ранние симптомы слабого отравления могут проявиться через 48 часов. Попадание пентаборана на кожу по внешнему виду схоже с симптомами обморожения. Кроме общей токсичности, это вещество поражает нервную систему и обладает нервно-паралитическим действием, которое по силе сравнимо с боевыми отравляющими веществами.

Старый · 10.10.2015 11:30:09

ЦитироватьПетр Зайцев пишет:
Цитироватьavmich пишет:

Итого - перекись вполне, на мой взгляд, конкурентоспособный окислитель для недорогих проектов.
Но ведь всё-таки была известная катастрофа "Союза" в Плесецке в 86-м что ли, которую сначала пытались списать на утечку кислорода, но потом доказали, что виновато было саморазложение перекиси.

Если нарушить всё и вся то можно взорвать что угодно.

Alex_II · 10.10.2015 13:23:11

ЦитироватьСтарый пишет:
Если нарушить всё и вся то можно взорвать что угодно.

Даже завод по производству дрожжей...

Morin · 10.10.2015 21:23:22

ЦитироватьСтарый пишет:
ЦитироватьMorin пишет: Для дилетантов и пофигистов - почти гарантированная катстрофа с тяжелыми последствиями.
В чём катастрофа то выразится? Что при неправильном обращении перекись незаметно разложится и они заправят ракету водой?

Взорвется. При нагреве выше ЕМНИП 35 гр. начинается саморазложением с лавинообразным ростом температуры и последующим взрывом. При контакте с органикой - взрыв. При контакте с соединениями тяжелых металлов - взрыв. Все это относится к перекиси высокой концентрации - 85%. в ракетных войсках при тренировочных занятиях запрещается использовать боевую перекись, только пергидроль - 30%-ю перекись. Боевая хранится в отдельных боксах с постоянным контролем температуры и используется только при реальных пусках. При концентрации выше 85% практически не хранится. В общем, кто служил в РВСН с перекисью, знают, что это за "прелесть". Есть один плюс: для промывки емкостей под перекись выдается спирт.
Удельный импульс с керосином у земли - 220 с, в вакууме 250. Что не удивительно, в сущности перекись это вода с прилепленным атомом водорода. Окислителем является только этот атом остальное - балласт, т.е. из 34 кг перекиси окислителем является только 16 кг, остальное вода. Отсюда и высокая, относительно, плотность. Долейте в керосин воды и у него будет приличная плотность.
Насчет катастрофы с Союзом: если верить Чертоку, то замену припоя провели технологи, об особенностях этого припоя в контакте с перекисью никто не знал. Стартовый расчет вообще был не виноват.
К стати, почему-то при хранении перекиси жестко контролировался не только перегрев, что понятно, но и охлаждение. Диапазон был ЕМНИП : 25-30 гр. Почему? - до сих пор не понимаю.