Крыло и космос - 5

bigdrum — 05.09.2022

Предыдущие части: 1, 2, 3, 4.

Сегодня мы отвлечемся от аэродинамики, и поговорим, к примеру... О баках! О баках горючего и окислителя Байкала (я буду использовать это имя собственное, потому что проще набирать на клавиатуре, но мы с вами помним, что Байкал - это Крыло-СВ, только в молодости). И о баках нам говорить придется, ибо "ничего не бывает просто так, и даже овцы в тулупах" (ц).



Ибо раз уж мы хорошо стартуем, надо, чтобы мы еще и хорошо летели, верно?

Говоря о том, что Байкал является самолетом, мы имеем в виду, что на него действует подъемная сила, направленная поперек продольной оси аппарата. И что на него накладываются все ограничения, накладываемые на самолеты, в том числе необходимость правильной центровки. А вспоминая, что этот аппарат пять минут назад был ракетой, нам тут же приходит на ум, что как и у всякой жидкостной ракеты, центр тяжести у него сильно "гуляет" - какая уж тут центровка?

А еще есть динамический удар...

Если вы выльете ведро воды тонкой струйкой - ны побрызжет и побрызжет. А если вы его резко вывернете - то тут уж ударит так ударит... В условиях микрогравитации вектор ускорения меняется очень сильно, и оставшееся в баках топливо может пролететь через весь бак и так лупануть по обечайке - шары вылезут даже в ЦУПе. Думаю, картинка внятна, объяснение доступно.



Еще раз. Остатки топлива и окислителя в баках, в силу большого объема и линейного размера бака, представляют опасность как в силу смещения центра тяжести аппарата, так и в силу возможности гидроудара. И с этим надо что-то делать. И с этим что-то делают...

И в системе Спейс Шаттл, и в системе Буран после выхода на орбиту происходит вакуумирование баков.

Открывается краник, и топливо с окислителем тю-тю за борт... Потому что ничего... и далее по цитате вверху.

Как только топливо из баков выброшено за борт, наша система приобретает ФИКСИРОВАННЫЙ центр тяжести, и значит - получает наконец нормальную центровку, и может функционировать, как самолет. А без слива топлива в высшей точке траектории такого не будет, и никакого самолетного возвращения не получится, а получится прекрасная катастрофа, которой сильно образуются желтые журналисты и поклонники Илона Маска...



Отлично. Гавно вопрос. Мы отделяемся от ракеты, сливаем нахрен баки, и спокойно летим вниз... Делов-то...

Но тут мы вспоминаем об одной цистерне, из которой Разрушители легенд откачали воздух...



Потому что вакуумировать баки - это хорошо, но мы же возвращаемся вниз, где есть давление атмосферы. И вакуум в баках с последующим схлопыванием - это явно не то, что мы хотим, чтобы случилось с Байкалом... Так что вопрос не гавно, и не делов-то, а весьма любопытная техническая задачка...

Ну так давайте, давайте уже про баки...



Рассмотрим бак ракеты в его функционирующем (вертикальном) состоянии:



Какие-то цвета "патриотические"... Ну и хрен с ними. Выбирайте - синенький или желтенький.

Легко видеть, что бак - это протяженная по вертикали трубень, в которой плещется. И когда ракета летит, оно потихоньку расходуется, и уровень его понижается. Но мы вернемся к трубени, и подумаем, а равны ли у нас давления в верхней и нижней частях? И правильный ответ - нет, не равны. Потому что к давлению наддува бака в верхней ступени прибавляется гидростатическое давление столба жидкости. И это гидростатическое давление зависит от силы тяжести (перегрузки), то есть, при взлете ракеты может возрастать в разы, а при трясках и вибрациях к гидростатическому давлению и давлению наддува прибавляется еще гидродинамическоий удар.

"Простая труба", ракетный бак - крайне непростая штуковина, неравнопрочная по своей длине (ну или слишком тяжелая), и к тому же - рассчитанная на избыточное давление ИЗНУТРИ, а не снаружи.

Когда американцы делали ракету Атлас, то так старались облегчить баки, что им пришлось ее держать в надутом состоянии все время.

Вплоть до серии Атлас III включительно: несущие тонкостенные (0,254—1,02 мм) топливные баки из нержавеющей аустенитной стали с минимальным использованием силового набора, при этом устойчивость и жёсткость баков, требующиеся для полёта ракеты, обеспечивались давлением газа наддува. Данное решение позволило существенно сэкономить на массе монококовой конструкции, однако оно требовало особого обращения с ракетой при изготовлении, обслуживании, транспортировке и пуске. Наддув баков азотом был необходим даже на незаправленной ракете, во избежание её разрушения под воздействием собственного веса[5].

Что мы видим? Мы видим стенку бака из листа ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ (вот она - компенсация гидростатического и гидродинамического давления), форма которой поддерживается ИЗБЫТОЧНЫМ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ. А без давления такая, с позволения сказать, ракета, под своим собственным весом превращается в комок фольги.

Возвращаемся к Байкалу.

Из-за наличия крыла, шасси, дополнительных систем мы уже имеем низкое весовое совершенство. Кроме того, конструкция ракеты рассчитана на близкие к оси векторы нагрузок, а у нас также, в силу самолетного старта, также в наличии большие поперечные усилия. И большая часть (геометрически) нашей конструкции - баки, которые и в норме-то весьма непростая штуковина, которые должны вакуумироваться, чтобы мы могли сесть, и которые нельзя вакуумировать, чтобы мы не превратились в кусок мятого металла под действием атмосферного давления...



Вот схема усилий, которые испытывает в поперечном аспекте наша ракета, когда она работает самолетом. Красное - сила тяжести, синее - подъемная сила крыла, зеленое - сила сопротивления земли, когда она стоит на шасси. А в ракетном полете у нее осевые нагрузки в сотни тонн, и нам еще нужно каким-то образом обеспечить весовое совершенство конструкции по топливу. Теперь, надеюсь, понятно, насколько баки Байкала сложны и интересны с точки зрения всей конструкции?



Ну так что нам делать? Как нам быть?

Здесь нам надо смотреть на профиль полета ракеты. Отделение боковых блоков РН Союз происходит на высоте около 46 километров. На этой же высоте отделяются ускорители в системе Спейс Шаттл и Энергия-Буран. Эту высоту, таким образом, можно считать характерной величиной. Если внимательно смотреть трансляции запуска Союза, то видно, что выходящий через дроссельный клапан бокового блока кислород образует облачко, летящее рядом с ракетой - то есть, атмосферный ветровой напор на данной высоте крайне слаб. И это открывает нам одну крайне любопытную возможность, которую я с удовольствием предлагаю (благо меня читают нужные люди) разработчикам системы Крыло-СВ.



Смотрите, что у нас есть.

В силу весового совершенства даже при максимальном дросселе двигателя у нас его тяга все равно избыточна - причем настолько, что пустой ускоритель может обогнать ракету. То есть - двигатель надо выключать, во избежание "инцестов" (ц)...



Однако на момент выключения двигателя у нас в топливных магистралях содержится топливо, находящееся под давлением наддува. А топливо в баках плещется на донышке, прямо над горловиной.

Если в момент выключения двигателя мы начнем вакуумирование баков через магистрали, таким образом, чтобы выбрасываемое топливо создавало реактивную тягу, то получаемое Байкалом ускорение будет слишком маленьким, чтобы он мог догнать вторую ступень ракеты, и столкнуться с ней, и в то же время - достаточным, чтобы из баков выбрасывалось именно жидкое топливо, а не газ наддува...

Сечете?

А когда все топливо вытекло, и по магистрали пошел газ - магистраль перекрывается, и мы получаем сухой бак с давлением наддува.



Осушение баков в условиях микрогравитации под небольшим ускорением, вызванным реактивным истечением сбрасываемых компонент топлива, плюс запирание в баках газа под давлением, создадут избыточное давление, которое повышает прочность конструкции на этапах снижения и посадки.

Вооот... Эвона оно как...

"А ты говоришь - багор зачем?" (ц)...



Вам еще интересно? Тогда до следующего раза!

.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив