Перекачка топлива.

[Бродяга]

Допустим, есть ракета, где первая и вторая ступень работают на одном топливе и запускаются одновременно на старте.

 Мы хотим организовать перекачку топлива во вторую ступень, как это надо технически реализовывать?

 Вопрос "зачем", хотелось бы не обсуждать в данном случае.

[Дмитрий В.]

Допустим, есть ракета, где первая и вторая ступень работают на одном топливе и запускаются одновременно на старте.

 Мы хотим организовать перекачку топлива во вторую ступень, как это надо технически реализовывать?

 Вопрос "зачем", хотелось бы не обсуждать в данном случае.

Два способа, как минимум:
1)"Передавливание" - подача топлива из нижней части баков 1-й ступени в верхнюю часть баков 2-й ступени за счет давления наддува и "гидростатики". Подача топлива из 1-й во 2-ю ступень прекращается автоматически когда давление "подачи" становится равным "противодавлению" в баках 2-й ступени.
2)"Перекач" - подача топлива из баков 1-й в расходный бак 2-й ступени, откуда топливо поступает в ТНА  ДУ (как вариант - подача топлива напрямую в ТНА).

Трубопроводы ступеней соединяются через разъемные соединения.

[Бродяга]

Два способа, как минимум:

Два изложенных способа понятны, а какие реальные "засады на пути"?

1)"Передавливание" - подача топлива из нижней части баков 1-й ступени в верхнюю часть баков 2-й ступени за счет давления наддува и "гидростатики". Подача топлива из 1-й во 2-ю ступень прекращается автоматически когда давление "подачи" становится равным "противодавлению" в баках 2-й ступени.

ИМХО это самое простое, но не увеличит ли это массу баков первой ступени?

2)"Перекач" - подача топлива из баков 1-й в расходный бак 2-й ступени, откуда топливо поступает в ТНА  ДУ (как вариант - подача топлива напрямую в ТНА).

ТНА не заглохнет при "переходе" с одного бака на другой?

 Перекачка в бак мне кажется наиболее оптимальным способом, если нельзя использовать "передавливание".

Трубопроводы ступеней соединяются через разъемные соединения.

Или заглушаемые разрываемые трубопроводы, это несущественно на самом деле.

[Бродяга]

Я несколько конкретизирую "задачку".

 Допустим, мы делаем водородник, который является пакетом из ДЕВЯТИ одинаковых модулей, которые Первая, Вторая и Третья ступени.

[hcube]

Ну да, проще всего просто избирательно применять наддув. Т.е. вытеснять в первую очередь топливо из нужных баков в единую магистраль. При сбросе баков - перекрывать магистрали заглушками. Разница в давлении, условно говоря, равна высоте столба жидкости на плотность на ускорение. Если кислородные баки разместить внизу, она будет в районе 2-3 атмосфер.

[Бродяга]

Ну да, проще всего просто избирательно применять наддув. Т.е. вытеснять в первую очередь топливо из нужных баков в единую магистраль. При сбросе баков - перекрывать магистрали заглушками. Разница в давлении, условно говоря, равна высоте столба жидкости на плотность на ускорение. Если кислородные баки разместить внизу, она будет в районе 2-3 атмосфер.

Вообще, "есть два варианта".

 Если первая ступень это модуль бОльшего размера, то кислород "потечёт сам", а водород можно "подкачать".

 Но мне интересен вариант когда все модули ОДИНАКОВЫЕ.

[Гусев_А]

Но мне интересен вариант когда все модули ОДИНАКОВЫЕ.

Для устройства Ангары-3, 5, 7 это наверно, единственный способ, привести схему к вменяемому виду. Или  ТриЗенит? (я угадал Ваши мысли?)

Про перетока давлением наддува из бака в бак, это наверно не лучший вариант. Нужна достаточно большая разность давлений и труба большого диаметра, т.к. ежесекундные  расходы топлива в ЖРД очень велики. Для этого стенки баков 1-й ступени нужно будет делать прочнее и толще, что добавит веса и испортит унификацию.

Прямой ввод в ТНА 2-й ступени, то же не без проблем. Перед разделение придется переключаться с внешнего бака на свой и желательно без толчка потока компонентов топлива. А для ЖРД любой толчек, это страшно, а для очень форсированных, это смерти подобно.

На мой взгляд проще всего перекачивать топливо  насосами, из внешнего бака в полный бак 2-й ступени. Привод насоса от ТНА 1-й ступени.

[октоген]

Перекачка водорода по разъемным соединениям фантастический геморрой и не оправдает себя финансово. Каждый разъем будет целым шедевром и общее падение надежности  вместе с ростом массы из-за разъемов и трубопроводов съедят все пряники.

Представляю как будет ржать Старый:) , прочитав про 9 одинаковых водородных блоков с перекачкой.


Даже для пары керосин-кислород пряники от перелива неочевидны. Думаю что при рассмотрении конструктивных схем Ангары перелив рассматривали.

[Бродяга]

Перекачка водорода по разъемным соединениям фантастический геморрой и не оправдает себя финансово. Каждый разъем будет целым шедевром и общее падение надежности  вместе с ростом массы из-за разъемов и трубопроводов съедят все пряники.

На Шаттле оно реализовано и "как-то претензий к работе не было".

Представляю как будет ржать Старый:) , прочитав про 9 одинаковых водородных блоков с перекачкой.

Старый "это делает" независимо от происходящего, у Старого "судьба такой". :lol:

Даже для пары керосин-кислород пряники от перелива неочевидны. Думаю что при рассмотрении конструктивных схем Ангары перелив рассматривали.

"Керосин вообще не нужен".

[Бродяга]

Но мне интересен вариант когда все модули ОДИНАКОВЫЕ.

Для устройства Ангары-3, 5, 7 это наверно, единственный способ, привести схему к вменяемому виду. Или  ТриЗенит? (я угадал Ваши мысли?)

Нет, меня интересует исключительно водородник из 6 или из 9 модулей.

 Два варианта модулей с одним РД-0120 и двумя РД-0120 соответственно.

Про перетока давлением наддува из бака в бак, это наверно не лучший вариант. Нужна достаточно большая разность давлений и труба большого диаметра, т.к. ежесекундные  расходы топлива в ЖРД очень велики. Для этого стенки баков 1-й ступени нужно будет делать прочнее и толще, что добавит веса и испортит унификацию.

Вот я и хочу услышать оценку именно этих факторов.

Прямой ввод в ТНА 2-й ступени, то же не без проблем. Перед разделение придется переключаться с внешнего бака на свой и желательно без толчка потока компонентов топлива. А для ЖРД любой толчек, это страшно, а для очень форсированных, это смерти подобно.

Совершенно верно, я тоже об этом подумал.

На мой взгляд проще всего перекачивать топливо  насосами, из внешнего бака в полный бак 2-й ступени. Привод насоса от ТНА 1-й ступени.

А кислород, который сверху как будем перекачивать?

[Бродяга]

Ну да, проще всего просто избирательно применять наддув. Т.е. вытеснять в первую очередь топливо из нужных баков в единую магистраль. При сбросе баков - перекрывать магистрали заглушками. Разница в давлении, условно говоря, равна высоте столба жидкости на плотность на ускорение. Если кислородные баки разместить внизу, она будет в районе 2-3 атмосфер.

Выше был задан вполне естественный вопрос, а именно, — какой нам нужен диаметр трубопровода, чтобы пользоваться наддувом при достаточно небольшом повышении давления в баке?

 И не надо кислород вниз пихать, по крайней мере на первой ступени, это усложнит всё остальное.

[mihalchuk]

Ну да, проще всего просто избирательно применять наддув. Т.е. вытеснять в первую очередь топливо из нужных баков в единую магистраль. При сбросе баков - перекрывать магистрали заглушками. Разница в давлении, условно говоря, равна высоте столба жидкости на плотность на ускорение. Если кислородные баки разместить внизу, она будет в районе 2-3 атмосфер.

Вообще, "есть два варианта".

 Если первая ступень это модуль бОльшего размера, то кислород "потечёт сам", а водород можно "подкачать".

 Но мне интересен вариант когда все модули ОДИНАКОВЫЕ.

То есть, одинаковые все девять? Это как? :roll:
Предлагаю сделать, как здесь:
http://www.energoobmen.ru/texriad.htm
Тогда нужен центральный двухбаковый блок и восемь однобаковых блоков одинакового размера. Из них два - кислородные и шесть - водородных. Водородные блоки отстёгивать попарно, последние - вместе с кислородными. В центральном блоке сделать кислородный бак внизу. Задача принципиально решается передавливанием, но зависит от размерности ракеты, точнее - от высоты жидкостного столба. Водород - лёгкий, и сравнительно просто передавливается. С кислородом - несколько сложнее. Не нужно пытаться использовать возможности системы перелива на 100%. Внешний кислород можно пустить в обход бака, сделать узел смешения с двухпозиционным клапаном, пустить топливо из собственного бака в подмес стороннему топливу, подаваемому в собственный двигатель (до 10% подмеса). В режиме передавливания никакого подмеса не будет, затем будет подтравливание собственного топлива во внешнее, затем - переключение на собственное топливо. На последней ступени к моменту отделения боковых блоков бак кислорода в центральном будет процентов на 5 (не более) пуст.
Какие сложности?
1. Технические: скачки давления в системе, особенно - кратковременные падения давления, а также - закипание жидкости в магистралях. ИМХО, проблема решаема технически.
2. Человеческие: паталогическая боязнь делать что-либо действительно новое в ракетной технике (технический консерватизм).
Если займётесь такой ракетой всерьёз, то есть патент:
http://www.energoobmen.ru/temy.htm
В-общем, всё технически решаемо, нужно желание, пожкреплённое соответствующим финансированием. И всё будет.

 :!: Утяжеление баков компенсируется отсутствием в боковых блоках межбакового отсека, верхнего и нижнего днищ, внутреннего или наружного трубопровода из верхнего бака. А центральный блок, да, получится несколько тяжелее.

[Гусев_А]

А кислород, который сверху как будем перекачивать?

А что нет трубопровода с верхнего бака к двигателю?

При этом абсолютно не важно какой компонент топлива поместим вверх.

[mihalchuk]

А кислород, который сверху как будем перекачивать?

А что нет трубопровода с верхнего бака к двигателю?

При этом абсолютно не важно какой компонент топлива поместим вверх.

Важно! См. выше.

[Бродяга]

То есть, одинаковые все девять? Это как? :roll:
 ...

Очень просто.

 Они ещё будут и ВСЕ МНОГОРАЗОВЫЕ.

[Бродяга]

А кислород, который сверху как будем перекачивать?

А что нет трубопровода с верхнего бака к двигателю?

При этом абсолютно не важно какой компонент топлива поместим вверх.

Вы собираетесь гнать кислород сперва сверху вниз, а потом ещё и снизу вверх?

 "Это некрасиво".

[mihalchuk]

То есть, одинаковые все девять? Это как? :roll:
 ...

Очень просто.

 Они ещё будут и ВСЕ МНОГОРАЗОВЫЕ.

Ну, это вообще супер!

[Бродяга]

То есть, одинаковые все девять? Это как? :roll:
 ...

Очень просто.

 Они ещё будут и ВСЕ МНОГОРАЗОВЫЕ.

Ну, это вообще супер!

Одинаковые базовые модули, которые оснащаются системами спасения в зависимости от ступени на которой они работают.

 Грубо говоря, баки и двигатель одинаковые, всё остальное навешивается "по потребности".

 Если модулей 9, то соотношение ХС ступеней близко к оптимальному когда первая ступень это "6 боковушек", вторая это "2 боковушки" и третья это оставшийся модуль.

[октоген]

Автор, а задавались ли вы мыслью что шаттл некоммерческий носитель? И перелив там намного проще чем у вас  с 6 или 9 блоками.

[hcube]

Выше был задан вполне естественный вопрос, а именно, — какой нам нужен диаметр трубопровода, чтобы пользоваться наддувом при достаточно небольшом повышении давления в баке?

Ну, я так понимаю, что трение в трубе пропорционально ее площади и квадрату скорости, а скорость обратно пропорциональна сечению. Т.е. трение пропорционально R^1 * 1/(R^2)^2. Т.е. при росте диаметра трение падает как 3 степень диаметра. Лично мое мнение, что трубопровода в 5% от диаметра бака будет более чем достаточно. При этом клапаны там просто односторонние лепестковые достаточны, в точках разрыва трубопроводов. Плюс управляемые вентили на баки наддува.

И не надо кислород вниз пихать, по крайней мере на первой ступени, это усложнит всё остальное.

Водород в 6 раз легче кислорода. Вертикальный размер ступени одинаков. Т.е. если кислород внизу - то давление наддува нужно в 6 раз ниже, и примерно одинаковое и для кислорода и для водорода. Если мы хотим 'пережать' 20-метровый столб водорода на 3  G - нам надо (30 * 0.07 * 20)/10 = 4.2 атмосферы. Ну, порядок тот, во всяком случае. Если же кислород наверху - то надо давление наддува уже не 4, а 25 атмосфер, что НЕСКОЛЬКО утяжеляет бак :-).

Причем более прочные и тяжелые будут баки 1 и 2 ступеней. Точнее, посколько бак ЦБ воспринимает нагрузку от всех двигателей, то его избыточная прочность как раз на это уйдет, так что можно все делать одинаковыми.