ЖРД , новые концепции

Сопла с внешнем расширением здесь уже не раз и не два обсуждались, поищи плиз, много информации выкладывали.

>есть ли какие экзотические новинки в этой области , что-нить нетрадиционное ?

Ну кольцевые сопла наверное еще? Тарельчатые... Но я бы не назвал это "нынешней экзотикой", я бы сказал что этому всему добру лет так уже за 30.

bruder> ведь существует куча способов ускорения газового потока - помимо обычного геометрического расширения , можно использовать подвод/отвод тепла,

Отводом тепла поток тормозится, а подводом ускоряется, это верно. Загвоздка в том, что уж очень скорости велики - километры в секунду. Если у нас даже 10 метровое сопло, то время пребывания в нем меньше 5 милисекунд. Не очень-то нагреешь.
> совершение работы газом/над газом в до- и закритическом сечениях

Ракетный двигатель есть самое эффективное устройство для преобразования химической энергии в механической. (с) мой, топики "Космические энергоустановки" и "Атомный ракетный двигатель"

> если газ горяч (типа плазма)- то тут сразу вылазют электромагнитные методы.

Есть, ускоритель называется. Вот только тяга у них пока существенно ниже тяги даже ракетомодельного двигателя

Если серьезно, есть целый класс электроракетных двигателей - ищите в космофоруме.

> неужели за 50 лет не было придумано ничего круче сопла лаваля ?

Я поставлю иначе вопрос. Неужели за 100 лет не было придумано ничего круче водорода в качестве рабочего тела?
А сопло им. тов. Лаваля очень даже и к ЯРД применимо. Именно сопла Лаваля стояли на двух известных образцах ядерных ракетных двигателей.

А не придумано ничего круче, потому что сверхзвуковое сопло есть форма выражения закона течения газового потока.
Другими словами, пока не зашли за ограничения закона, такое решение наилучшее.

varban>Я поставлю иначе вопрос. Неужели за 100 лет не было придумано ничего круче водорода в качестве рабочего тела?

Как не было придуманно!? А протоны? А электроны? Афотоны, черт побери!?

расчисщаю счас потихоньку Тимната. Одновременно почитываю и зародился вопросик -КАК перевести ТЯГУ в кВТ?

Ник
P.S. 140 кг ПНД свез в гараж. Лежит- что делать пока не знаю

varban>Но в таком случае - тоже просто. Берем суммарную теплоту сгорания компонентов и делим на время работы. В этом исчислений тепловая мощцность ГРАДовского движка составляет 20.5 kg (топлива) х 3.56 kJ/kg (теплота сгорания) / 2 s (время работы) = 36.5 kW тепловая мощность
varban>Цифра не впечатляет... она, кстати будет та же самая, независимо от того, в каких условиях сгорело топливо.

Очень впечатляет!!! ты наверное ошибся, проверь по книжкам, энергоёмкость современных NiMH аккумуляторов 100 Втч/кг что соответствует 360 КДж/кг, неужели плотность запсённой энергии в аккумуляторе больше чем в порохе? да и всего у тебя получается полная энергия заряда 73КДж

varban>Другое дело, что прямое преобразование части этой тепловой энергии в механическом движении продуктов сгорания дает приличные результаты - ракета начальной массы ~60 kg и конечной 40 kg за две секунды ускоряется до ~ 900 m/s.

А вот энергия 40 кг болванки летящий со скоростью 900 м/с равна мv2/2=40*900*900/2=16 МДж прямо вечный двигатель какой-то.

VovaKur>Очень впечатляет!!! ты наверное ошибся, проверь по книжкам, энергоёмкость современных NiMH аккумуляторов 100 Втч/кг что соответствует 360 КДж/кг, неужели плотность запсённой энергии в аккумуляторе больше чем в порохе? да и всего у тебя получается полная энергия заряда 73КДж

Ну да, и меня - тоже. По книжкам смотреть нечего, я эти цифры наизусть знаю. А порядки перепутал. И немало - в 1000 раз Пошел править постинг, спасибо за замечание !

VovaKur>А вот энергия 40 кг болванки летящий со скоростью 900 м/с равна мv2/2=40*900*900/2=16 МДж прямо вечный двигатель какой-то.

А вот к.п.д. пушки я правильно считанул, потому что в уме прининул, а не пользовался пошлым куркулятором. Кстати, мощность пушечки я тоже в 3 порядка занизил.

Nick_Crak>Как не было придуманно!? А протоны? А электроны? А фотоны, черт побери!?

Пока только до ионов дошли

Nick_Crak>расчисщаю счас потихоньку Тимната. Одновременно почитываю и зародился вопросик -КАК перевести ТЯГУ в кВТ?

А никак. Не переводится. Зависит от условиях использования. В случае ракеты есть работа ускорения, поделив на времени можно получить какую-то мощность. Правда, что считать ускоренной массой? Только ПН? Или и отброшенные ступени?

А в случае огневых испытаний двигателя работа равна нулю. Если не считать сотрясение и нагрев окружающей среды.

Но в таком случае - тоже просто. Берем суммарную теплоту сгорания компонентов и делим на время работы. В этом исчислений тепловая мощность ГРАДовского движка составляет 20.5 kg (топлива) х 3.56 MJ/kg (теплота сгорания) / 2 s (время работы) = 36.5 MW тепловая мощность
Цифра не впечатляет... а должна бы, если я ее занизил на три порядка в первой редакции постинга... она, кстати будет та же самая, независимо от того, в каких условиях сгорело топливо.

Другое дело, что прямое преобразование части этой тепловой энергии в механическом движении продуктов сгорания дает приличные результаты - ракета начальной массы ~60 kg и конечной 40 kg за две секунды ускоряется до ~ 900 m/s.

И если пошли такие сравнения, уместно вспомнить 130 миллиметровую М46. У нее снаряд массой 33 килограмм ускоряется до тех же 900 m/s при помощи ~ 13 килограмм пороха более низкой энергетикой (3.20 МJ/kg). Поскольку время выстрела порядка сотой доли секунды, то и мощность прямо-таки устрашающая - более 4 гигаватт.
В данном случае вычислить к.п.д. очень просто (поскольку снаряд не изменяет массу в полете); он порядка двигателя внутреннего сгорания - 30%.
Но в конце-то концов, пушка и есть двигатель внутренного сгорания

На этих скоростях к.п.д. ракетного двигателя будет заметно ниже.
Если возмем скорость побольше, порядка 2000 m/s, то механический к.п.д. у РД будет выше. А дальше пороховая пушка пассует - упремся в скорость звука.

Nick_Crak>P.S. 140 кг ПНД свез в гараж. Лежит- что делать пока не знаю А что так рано затарился? Переходи в модельном, там обсудим.

bruder>почитал ваши баталии по поводу энергоустановок и ЭРД - впечатляет , но по-моему скромному имхо истина is out there ((С) Mulder)

В одну упряжку впрячь не можно коня и трепетную лань...
Тем более, что сравнение должно быть битюг/гепард. Или битюг затопчет, или гепард скушает, если их заставить совместно работать. Скорее битюг.

> Что же получается - ЭРД с чудоимпульсами и лилипутской тягой с одной стороны и ЖРД (РДТТ) с многотонными тягами и скромными импульсами с другой - так давайте сгибридим их . Как я понял чем больше уи - тем меньше тяга

Не совсем правильно - это валидно для ЭРД. Для РД на химическом топливе с точностью до наоборот - максимальный импульс достижим в крупных двигателях, поскольку тепловые потери меньше. Правда, там разница-то всего пару процентов, если сравнивать двигатели со 100 килограммовыми и 500 тонными зарядами.

> так может существует такой смешанный электромагнитно-газодинамический способ ускорения продуктов сгорания ,при котором разумный проигрыш в тяге компесируется выигрышем в уи ?

Пока неизвестен, поскольку газ - электронейтральный, а плазма не терпит больших концентрации и не течет по законам газодинамики. Для нее собственная динамика есть, правда, я с физикой плазмы ни капельки не знаком Другое дело, что плазмообразующие топлива существуют (я их даже пытался отрабатывать), но их применяют как раз для обратной задачи - получить электричество торможением потока в магнитном поле, а не разгонять пропусканием тока через продуктов сгорания.
Во избежания заявки на изобретение, скажу, что речь идет о килоамперах даже в случае небольших двигателей.
Даже если принять полную обратимость процесса, откуда на борту ЛА такая мощность возмется? И уж если есть лишняя моща, то лучше ее потихонечку пустить на ЭРД, чем тратить ее в считанные секунды на ускорение малоскоростного потока продуктов сгорания. Ну ускорим мы с 2000 m/s (а больше плазмообразующие топлива и не дают - слышком тяжелые продукты сгорания) даже в два раза - получим 4000 m/s водородно-кислородного двигателя. Чьи продукты горения почти строго электронейтральные - там плазмой и не пахнет. А нейтральны они из-за малой молекулярной (и атомной) массы - там водород с кислородом, которых заметно труднее ионизировать, чем цезий (плазмообразуюшие топлива) с ксеоном (ЭРД).

А можно вопрос? Почему как сопла - так сразу Лаваля? То есть, известно, что он их придумал для паротурбин... но идея, как я понимаю, применительно к ракетам - максимально ускорить газ, поэтому сначала труба, по которой газ идет, сужается - и газ ускоряется - потом, в самом узком сечении, газ достигает звуковой скорости, после чего для дальнейшего ускорения трубу надо расширять (почему?) - так? Единственный ли это способ ускорения газа? И еще - как считают оптимальный профиль классического ракетного сопла?

avmich>А можно вопрос? Почему как сопла - так сразу Лаваля?
Потому что от законов течения сверхзвукового газа никуда не уйдешь . Кстати, современные сопла не совсем Лаваля .
avmich> То есть, известно, что он их придумал для паротурбин... но идея, как я понимаю, применительно к ракетам - максимально ускорить газ, поэтому сначала труба, по которой газ идет, сужается - и газ ускоряется - потом, в самом узком сечении, газ достигает звуковой скорости, после чего для дальнейшего ускорения трубу надо расширять (почему?) - так?
Абсолютно верно.
avmich>Единственный ли это способ ускорения газа? И еще - как считают оптимальный профиль классического ракетного сопла?
Ооохххх... Саое обидное ж учили ведь, даже "метод характеристик" название помню. А суть, увы . Тем более что считал уже на компе и строил в АКАДе по полученным точкам. Вобщем так. Реальные сопла являются оптимизированными и укороченными. Почему так. Классическое сопло Лаваля для расширения от Рк до Ра будет слишком длинным. Это и лишний вес и увеличение потерь на трение газа о стенки сопла. Поэтому сопло профилируют. Полученное сопло к тому же еще и укорачивают, т.к. совсем уж последние сечения дают мизерный прирост по Iуд. но повышают массу и потери.
Приблизительно так.
Говорить о том "есть ли сопла круче" не совсем правильно . Вот скажем с точки зрения газодинамики и габаритов сопло внешнего расширения лучше классического. Но с другой стороны оно усложняет ПГС и площадь охлаждаемой поверхности у такого сопла больше чем у классики.

Когда мой отец учился (это в конце пятидесятых - начала шестидесятых), сопло Лаваля считалось только сопло, состоящееся из конической сужающейся входной части и конической расширяющейся выходной, сопряженные коротким циллиндром. Именно это предложил инж. Лаваль. Когда я учился, соплом Лаваля называли уже и плоские сопловые профили лопаточных машин.
А сверхзвуковые сопла, о которых говорит Сережа, называли профиллированными (на сленге - рюмочки).

Но это вопрос терминологии. Я пару раз искал названия в стандартах (писал официальные документы), но там такая путаница, что я плюнул на них и писал, как я считал правильным. И называл просто соплом

Спасибо за ответы. То, что считают по харасктеристикам - как я понимаю, это просто "промышленныи" способ расчета, когда важно не вывести формулу, а для конкретного двигателя результат получить. А есть ли не-емпирические способы вывода?

avmich>Спасибо за ответы. То, что считают по харасктеристикам - как я понимаю, это просто "промышленныи" способ расчета, когда важно не вывести формулу, а для конкретного двигателя результат получить. А есть ли не-емпирические способы вывода?
Ты не правильно понял. Это не эмпирический способ. Это строгий математический расчет газодинамики сопла с учетом особенностей сверхзвукового течения. Вот не помню подробностей :(, но строятся скачки уплотнения и по ним уже само сопло. А вот оптимизация и укорачивание это как раз уже эмпирика. Но в основе лежит идеальный профиль сопла.

avmich>>Спасибо за ответы.
Господа, но ведь топик то назван -"ЖРД, НОВЫЕ концепции", а не "СоплА и ВСЕ ВСЕ ВСЕ"
Почему ни слова о:
1.Ионизированных и атомарных топливах
2.Новейших ТНА
3.ГРД
4.Криотехнологии
5.Новейшие топлива и окислители (соединения фтора, метан,СПГ и т.д.)
Нет?

Ник

avmich>>>Спасибо за ответы.
Nick_Crak>Господа, но ведь топик то назван -"ЖРД, НОВЫЕ концепции", а не "СоплА и ВСЕ ВСЕ ВСЕ"
Nick_Crak>Почему ни слова о:
Nick_Crak>1.Ионизированных и атомарных топливах
Nick_Crak>2.Новейших ТНА
Nick_Crak>3.ГРД
Nick_Crak>4.Криотехнологии
Nick_Crak>5.Новейшие топлива и окислители (соединения фтора, метан,СПГ и т.д.)
Nick_Crak>Нет?
Ой в дургих топиках столько раз это все муссировали, что....
А еще придет Старый и тогда вааще такое начнется ...

bruder>Знаете , я тут 2 дня изучал архивы форума ,но так и не нашел ничего про топлива с свободными радикалами и прочим суперэнергосодержанием .

Вот кое-что из суперэкзотики:

твёрдое топливо на основе метастабильного гелия ( He IV-A ), удельный импульс около 22000 м/с при 50% концентрации He*.
Двигатель на таком топливе будет иметь импульс сравнимый с электрореактивными двигателями и высокую тягу, характерную для химических. При наличии такого топлива можно будет поворачивать орбиту на 180 градусов...





METASTABLE HELIUM

There are many examples of metastable or long-lived excited states in
nature. For example, diamonds are thermodynamically unstable with respect to
conversion to graphite; in this sense, diamonds are metastable although they
have a vanishingly small rate of conversion to graphite. For metastable
helium, the lowest triplet state of helium corresponds to a configuration in
which there is one electron each in the 1s and 2s atomic orbitals with both
electrons having parallel spins (triplet spin state). This configuration is
both orbital angular momentum and spin angular momentum "forbidden" to
transfer to the ground state configuration and is thus metastable. (The
ground state configuration consists of two electrons with opposite spins in
the 1s orbitals; the opposite or antiparallel spins form a singlet spin
state. The electron in the 2s orbital is "forbidden" to go to the 1s
orbital; likewise the electron spin is "forbidden" from going from the
triplet to singlet spin state.)
Unfortunately, almost any perturbations to the atoms, such as those caused
by collisions, trapping in matrixes, molecule formation, etc., result in a
weakening of the forbiddenness of transition, and thus a shorter lifetime.
As is the case with atomic hydrogen, the electron spins could be "locked" in
their spin orientation by application of an external magnetic filed. By
forcing the electron spins to remain parallel, transitions to the ground
state can be inhibited, thus increasing the lifetime of the triplet species.
For this reason, methods aimed at spin-alignment of the triplet state have
been pursued to increase the lifetime and concentration of the excited
species. Finally, note that isolation in a solid matrix is not necessarily
advantageous as it was with atomic hydrogen. This is due to the fact that
parallel spins must be maintained on the same atom rather than on separate
atoms. Also, the close proximity of atoms in a solid or liquid matrix (or
during intermolecular collisions) strongly perturbs the atoms and shortens
the lifetime by reducing the "forbidden" nature of the transition.

Metastable electronically-excited triplet helium (He*) can release 114
kcal/g when the atom returns to its ground (unexcited) electronic state
(He). This is over twice the energy available with atomic hydrogen and
results in an ideal Isp of about 3150 lbf-s/lbm. Recent theoretical models
have suggested that it may be possible to form a room temperature molecular
solid containing diatomic molecules made from one excited and one ground
state helium atom (He2*).

This solid, denoted He IV-A, could be used in solid propellant rockets; the
Isp would be about 2200 lbf-s/lbm corresponding to a 50% concentration of
He*. This is an Isp characteristic of electric propulsion systems and yet a
metastable helium rocket wuld have the advantage of high thrust and high
Isp. Finally, when compared to the atomic hydrogen propellant, the higher
Isp and higher density of a solid metastable helium propellant would
minimize the density-Isp and mass fraction difficulties encountered with an
atomic hydrogen rocket.

[ слишком длинный топик - автонарезка ]

Metastable helium can be produced by several methods. Absorption of photons
(laser) or particle bombardment (electrons, radiation, "hot" atoms) can be
used to excite the atom to its metastable state. Once formed and stored, the
metastable can be triggered to return to the ground state for propulsion use
by simply heating (analogous to the H/H2 rocket) or by exciting to a
short-lived state with photons. The propellant can be "burned" as a solid
propellant, or possibly melted and rapidly pumped as a liquid, if the
metastable is found to have a lifetime on the order of seconds in a liquid
medium.

In many ways, it is easier to produce a metastable than free radical;
however, there appears to be a fundamental limit to how long the metastable
can be stored, due to its finite radiative lifetime (2.3 hours for He*).
Matrix-isolation storage at low temperatures (<4 K) is used experimentally.
However, crystal lattice vibrations (present even at 0 K) cause collisional
perturbations that shorten the radiative lifetime (e.g., 100 s in superfluid
helium). It thus appears that, barring some breakthrough of a very
fundamental nature, the barriers to storing metastables for any length of
time will preclude their use as a practical propellant.

Research on stabilization of metastable helium has been conducted under the
supervision of J. S. Zmuidzinas of the Jet Propulsion Laboratory, and was
funded by the Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) and the Air
Force Astronautics Laboratory (now AF Phillips Lab, Edwards AFB). This
research consisted of theoretical work and proof-of-concept experiments
designed to determine the feasibility of using circularly polarized laser
light to spin-align and thus stabilize He*. The theoretical model predicted
that at high concentrations, He* should form a new state of helium (He IV-A)
consisting of long-range spin-aligned He2* molecules. This material would be
a stable (8 year lifetime), moderate density (0.3 g/cm3), solid compound
(melting point of 600 K).

The research program was terminated before any significant experimental
results could be obtained. The termination was based on the recommendation
of a peer-review panel, convened by the Air Force, which found that the
proposed stabilization method was not valid. However, the review panel did
not contain members versed in the particular fields of solid state physics
important to this problem; thus, although it is highly probable that
stabilization of metastable helium is not feasible, the issue has not been
conclusively resolved.

Produce He* In-Situ in a Solid Matrix
Photons (UV Laser)
Particle Bombardment (Electrons, Hot Atoms, Radiation)

Trigger Return to Ground State
Heat Matrix to Permit Collisional Quenching
Excite to a State with Short Radiative Lifetime and Absorb Emitted Photon
Use as a Solid or Liquid Propellant

Storage of He* Severely Limited by Radiative Lifetime (2.3 hours)

Proposed Stabilization With Circularly Polarized Light
Form New State (He IV-A) at High Concentrations
Stable Solid (MP = 600 K)
Not Demonstrated in Air Force Funded Research

Я уже пришёл. Никкрэк, опять вы общественность возбуждаете? А по поводу метастабильного гелия надо добиться, чтоб НАСА выделило на это побольше финансирования. Пусть им тоже будет плохо.

Все же Старый вы меня поражаете своим техническим пессимизмом. Вы наверное слабо себе представляете сколько проблем пораждаеться уменьшением топографических норм в производстве микросхем, но поверьте мне - дофига!

Вот если бы вы рулили этой областью - то мы бы (ну не мы бы ) никогда не достигли не то что там 0,13 мкм, но даже 5 мкм пожалуй.

Старый>Я уже пришёл. Никкрэк, опять Вы общественность возбуждаете? А по поводу метастабильного гелия надо добиться, чтоб НАСА выделило на это побольше финансирования. Пусть им тоже будет плохо.
Конечно ВОЗБУЖДАЮ А иначе болото и скука.

Да Старый, пора на ты переходить(тем более , что ты не видишь семантической разницы между Вы и вы )
По моему метастабильный гелий взлетит в космос уже после ТЯРД

Ник