виды жидкого топлива, геометрические размеры, транспортировка / Хабр

В третьей части «Незаметных сложностей ракетной техники» я бы хотел рассказать о ещё не охваченных в первой и второй частях проблемах, которые требуют решения. Эта статья посвящена развитию темы различных ограничений, которые приводят к инженерно неоптимальным решениям.

Виды жидкого топлива

После начальных экспериментов, когда ракеты летали на этиловом спирте, азотной кислоте, скипидаре и прочих веселых веществах, самыми распространенными стали три пары ракетного топлива: кислород/керосин, кислород/водород, несимметричный диметилгидразин/азотный тетраксид. Естественно, у каждого вида топлива есть свои плюсы и минусы, которые мы сейчас и рассмотрим. Однако, сначала мне хочется дать определение удельного импульса, которое так и не прозвучало всё это время:

Удельный импульс — это мера эффективности ракетного топлива. Согласно одному из определений, это количество секунд, в течение которых двигатель может развивать тягу 1 Ньютон, истратив 1 кг топлива. 3. УИ чуть ниже кислорода/керосина, очень высокая плотность, кипит при плюсовой температуре, самовоспламеняется при смешении компонентов, вроде бы мечта, а не топливо. Одна беда, НДМГ — жуткий яд. Высший класс токсичности по NFPA 704, мутаген, тератоген, канцероген. АТ тоже не подарок, но на класс опасности ниже, ядовит примерно как хлор, и растения после него хорошо растут — азотистое удобрение. К небольшим недостаткам этой топливной пары можно отнести коррозию материалов (но с этим можно бороться) и более высокую стоимость, чем у пары кислород/керосин. На ней летают «Протон», «Великий поход» китайцев и GSLV индусов. Летали «Титаны» американцев и «Ариан» европейцев, но в ракетах-носителях он постепенно будет сходить на нет. Опасность разлива сотен тонн компонентов при аварии и необходимость дезактивации участка падения отработанной ступени делает бесперспективным использование этой пары в ракетах-носителях. Но она используется в разгонных блоках и двигательных установках спутников, потому что может долго и без проблем храниться в полёте.

Геометрические размеры ступени, транспортировка

С точки зрения геометрии, максимальный объем при фиксированной площади достигается для шара. И аэродинамическое сопротивление и полная поверхность цилиндра пропорциональны квадрату радиуса, поэтому ракеты должны были бы быть достаточно невысокими и широкими. Однако, в реальности, ракеты очень тонкие и высокие. Дело в том, что увеличение диаметра увеличивает сложность изготовления и транспортировки ступени. У меня была гипотеза, что мера сложности работы со ступенью обратно пропорциональна квадрату радиуса. Я собрал данные о пусках ракет за последние двадцать лет (много пусков даст статистическую базу, а не очень большой временной диапазон не приведет к ошибке из-за изменения технологий) и построил график количества пусков в зависимости от наибольшего диаметра ступени (самого широкого бака). Что интересно, гипотеза подтвердилась:

Ещё можно вспомнить байку о том, как ширина двух древнеримских лошадей привела к ограничению полезной нагрузки «Спейс Шаттла». Это, конечно, байка, и даже отдел стандартизации NASA потрудился её опровергнуть, но общий принцип верен — задача транспортировки ставит большие проблемы для разработки ракет-носителей.

Расчеты

Я сделал документ в Google Docs. Можно посмотреть размеры ступени в зависимости от желаемой характеристической скорости, топлива и диаметра. Надеюсь, Google позволит вам скопировать данные в свой документ, чтобы поиграться с параметрами. Установленные параметры настроены на что-то похожее на универсальный блок «Дельты-IV». Обратите внимание на гораздо более высокую, чем реальная, характеристическую скорость. В реальности ещё есть потери на сопротивление воздуха, гравитацию, двигатель выдаёт меньший импульс у Земли из-за атмосферного давления и т.п.

Во втором листе документа есть данные по пускам ракет за последние двадцать лет и диаметру наибольшего бака, а также график по собранным данным.
Открыть документ

Кто как может

США повезло не только с широтой. Их космодром находится на берегу моря, и не составляет проблем привезти ступени на корабле или барже:

Слева баржа для транспортировки внешнего топливного бака «Спейс-Шаттла», по центру перевозка от причала в здание вертикальной сборки, справа транспорт «Дельта Маринер» перевозит ступени РН «Дельта-IV» и «Атлас- V»

Поэтому американцы могли возить ступени «Сатурна-V» диаметром 10,1 м и внешние топливные баки шаттлов восьмиметрового диаметра.

У европейцев космодром Куру тоже находится у самого берега, что опять позволяет использовать большие ступени — 5,4 м у «Ариан-5»:

Ну а у нас ситуация гораздо сложнее. Первую ступень Н-1 диаметром 17 метров сваривали уже на Байконуре, центральный блок «Энергии» возили на самолёте. Диаметр «Протона» фактически 4,1 м, боковые баки первой ступени присоединяются уже при сборке ракеты на Байконуре. И, по слухам в Интернете, при транспортировке блоков ракеты приходится перекрывать встречное движение по железной дороге. Вот он — тайный враг отечественной космонавтики — железнодорожный габарит:

Уже на вагонах «Ангары» с диаметром 2,9 м ясно виден индекс негабаритности — по ширине он почти предельный (5 из 6):

Железнодорожный транспорт для нас пока остается единственно доступным. Возить на самолёте дорого, да и ограничение размера присутствует. Новые специальные самолёты будут стоить сильно дороже. Собирать на месте очень дорого — надо новый завод строить. По рекам транспортировать тоже не получается — будут нужны специальные баржи для рек и корабли для движения по Северному морскому пути. Учитывая, что сейчас в «Роскосмосе» есть некоторое шевеление по поводу разработки сверхтяжелой ракеты, становится очень любопытно, какие геометрические параметры там выберут, и как её будут транспортировать?

Компоновка

Времена, когда денег в космос вливали много, и можно было строить такой инженерно-красивый «Сатурн-V», увы прошли. Теперь во всем мире мода на «летающие заборы» из универсальных модулей, которые должны быть удобными и дешевыми:

Слева направо: «Дельта-IV», «Атлас-V», «Фалкон-9», «Ангара»

При массовом производстве такие УРМ должны получаться дешевыми. Есть любопытный ролик, пусть и несколько из будущего, потому что в нём используется сварка трением, которую пока не освоили:

Кстати, сравните с предыдущим видео, построенный цех вполне узнаваем. Ещё на цех и оборудование можно посмотреть тут и тут.

Стартовые сооружения

Меня очень занимал вопрос, чем была вызвана такая странная компоновка у «Ангары» версии 1995 года?

Не нужно думать, что эту схему делали дилетанты или «враги народа». Представьте, что на дворе первая половина девяностых. На Байконуре раздрай, Казахстан, ставший независимым, может устроить проблемы с использованием космодрома. «Протон» надо чем-то заменять. Но денег у государства ни на что нет, и масштабные проекты однозначно не получатся. А на космодроме «Плесецк» есть почти достроенный старт для РН «Зенит». «Зенит» выводит на орбиту почти четырнадцать тонн. Если сделать новую ракету в размерности «Зенита», привесив дополнительные баки, то полезную нагрузку можно увеличить. Так и появилась эта странная конструкция.

Этот же фактор уже готового стартового сооружения пророчит хорошее будущее «Союзу-2.1в». Старты для обычных «Союзов» есть на Байконуре, Плесецке, Куру (но туда вряд ли пустят — конкуренция «Веге»), строится старт на «Восточном».

Кстати, идею параллельного расположения баков реализовали ещё в «Протоне». На первой ступени стоит один бак окислителя диаметром 4,1 м. и шесть баков горючего, на которых стоят двигатели. Получилось даже изящно — на дно бака окислителя выведены коммуникации, что сделало ненужной отдельную кабель-мачту. А первая ступень стала заметно короче, что полезно для уменьшения изгибающих нагрузок и упрощает работу с ракетой в целом. Что любопытно, эту идею и сейчас не хотят забывать — вот, например, картинка неких эскизов из доклада от ноября 2013 года:

вторая слева ракета — параллельно расположенные баки на первой ступени, третья слева — боковые и центральный баки для разных компонентов

Деньги

Это ограничение фактически разлито по всем остальным, потому что любое инженерное решение имеет свою цену. Для наглядности — некрасивые ракеты на КДПВ в большинстве своем стали такими некрасивыми из-за того, что использовались уже готовые блоки разных диаметров, и увеличение диаметра спутников привело к необходимости создания надкалиберных обтекателей.

Первая слева ракета — «Тор — Эйбл». На уже существующую баллистическую ракету «Тор» поставили ступень «Эйбл», которую сделали для ракеты «Авангард».

Вторая — «Таурус». Под ступени ракеты «Пегас» воздушного старта поставили ступень с МБР «MX»

Третья — «Ариан-4». К сожалению, прямых предков я не нашёл, откуда она такая некрасивая появилась — неясно.

Четвертая — «Ариан-6». Переход на новые твердотопливные блоки, а верхняя ступень остается с «Ариан-5», поэтому она большего диаметра.

Пятая — «Ангара» версии 1995 года. О ней я уже говорил.

P.S. Из четырех последних статей две были написаны фактически по вашим заявкам. У меня есть список интересных тем, по которым можно сделать статьи, и он ещё далеко не исчерпан, но мне хочется узнать — есть ли какие-то темы, на которые вы хотели бы прочитать научно-популярную статью о космонавтике? Предлагайте свои пожелания в комментариях, если они меня заинтересуют, то я их поставлю в свою очередь статей.

Иран хочет приобрести у Китая и России топливо для своих ракет

Иран ведет тайные переговоры с Россией и Китаем о поставках топлива для своих баллистических ракет. Об этом пишет Politico со ссылкой на дипломатические источники.

Если Тегеран, Москва и Пекин договорятся о подобного рода поставках, это станет прямым нарушением санкций Совбеза ООН против Ирана. В обмен ИРИ может помочь Москве пополнить израсходованный запас ракет для их использования в конфликте с Украиной, отмечают собеседники издания.

По данным Politico, иранские власти провели переговоры с представителями российского государственного производителя химикатов FKP Anozit с тем, чтобы фирма поставила Ирану перхлорат аммония (AP) — это основной ингредиент твердого топлива, используемого для ракет.

По словам собеседников издания, в Пекине переговоры о приобретении AP вел иранский дипломат Саджад Ахадзаде, выступающий «консультантом по технологиям» Тегерана в КНР.

В соответствии с резолюцией ООН 2231, принятой в 2015 году, странам запрещено поставлять Ирану перхлорат аммония без одобрения Совета Безопасности ООН.

Ракеты могут использоваться в боях против Украины

Точное количество перхлората аммония, которое Иран стремится закупить, неясно, отмечает Politico.

По оценке опрошенных изданием дипломатов, этого количества будет достаточно для создания тысяч ракет, в том числе это ракеты Zolfaghar с дальностью полета 700 км. Их использует не только Иран, но и его прокси на Ближнем Востоке. По словам дипломатов, говоривших с Politico на условиях анонимности, если сделка состоится, некоторые из этих ракет могут быть развернуты и против Украины.

Собеседники издания также допускают, что Пекин может закулисно помогать Москве в ее конфликте с Украиной, поставляя перхлорат аммония Ирану. По мнению западных аналитиков, КНР, возможно, рассматривает возможность нарушения санкций ООН, чтобы помочь России в военных действиях.

«Иран все больше опирается на твердотопливные баллистические ракеты в своей стратегии безопасности», — цитирует Politico Бехнама Бен Талеблу, старшего научного сотрудника Фонда защиты демократии. — Поэтому значение ингредиентов для твердотопливных ракет, таких как перхлорат аммония, для режима будет только расти».

Военные союзники

Киев обвиняет Иран в поставках России дронов-камикадзе Shaheed, которые российские военные использовали для нанесения ударов по украинским целям. Иранская сторона признавала, что поставила Москве «ограниченную партию» дронов «до войны».

Как ранее писал TRT на русском, РФ помогает Ирану в области цифровых технологий, оборудования для наблюдения и фотосъемки, подслушивающих устройств и детекторов лжи. Об этом со ссылкой на источники сообщает The Wall Street Journal (WSJ).

В октябре 2022 года появлялись и сообщения о том, что Иран готовится передать России свои ракетные системы, однако военные аналитики пока не фиксировали их использование на поле боя.

В ноябре 2022 года CNN со ссылкой на заявления американской разведки сообщал, что Иран обращался к России за помощью в приобретении дополнительных ядерных материалов и в изготовлении ядерного топлива. Сырье может помочь Ирану привести в действие ядерные реакторы и потенциально еще больше сократить так называемое «время прорыва» для создания ядерного оружия.

TRT Russian

Университет ракетного топлива — Максимизируйте возможности вашего дуэта провидцев и интеграторов.

Мы помогаем предприимчивым провидцам и интеграторам™ получать от своего бизнеса больше того, что они хотят, вдохновляя интеграторов совершенствовать свое мастерство, максимизировать свои отношения V/I и общаться с сообществом единомышленников.

Уточните свою роль

ФОРМУЛА РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

В любом предпринимательском бизнесе есть два различных типа лидеров: провидцы и интеграторы. Визионеры видят будущее. Интеграторы делают это возможным. Эти две роли очень разные, но когда они хорошо работают вместе, получается то, что мы называем ракетным топливом, и оно может поднять ваш бизнес на новые высоты.

Провидец

Провидец видит будущее бизнеса. Это страстные, генерирующие идеи, масштабные мыслители, которые вдохновляют успех бизнеса.

Если вы провидец, вы изобретаете творческие решения больших проблем, преуспеваете в крупных внешних отношениях и отстаиваете видение компании.

Интегратор

Интеграторы делают это возможным. Они — постоянная сила, превращающая видения в реальность.

Если вы интегратор, вы организуете и расставляете приоритеты идей своего провидца и воплощаете лучшие из них в жизнь. Вы ясно видите мечту и заставляете всех сосредоточиться на ее достижении.

Где вы находитесь в спектре Visionary/Integrator™?

Узнайте, являетесь ли вы интегратором, и сделайте следующий шаг к присоединению к сообществу мастеров.

Пройти оценку

ВЫПОЛНИТЕ СВОЮ РОЛЬ ИНТЕГРАТОРА

Великий бизнес начинается с видения и движется вперед благодаря целенаправленному и последовательному осуществлению. Узнайте, как объединить эти сильные стороны, чтобы вы могли лучше вести бизнес и вести лучшую жизнь — с увлеченным сообществом за вами.

СКАЧАТЬ НАБОР ДЛЯ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Сообщество + обучение

СООБЩЕСТВО:

EOS INTEGRATOR MASTERY FORUM™

Integrator Mastery Forum — это наше сообщество №1 по ракетному топливу и обучающая программа для интеграторов. Люди из этой поддерживающей группы сверстников хотят помочь вам укрепить отношения с вашим провидцем и стать искусным интегратором во всех отношениях.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О ФОРУМЕ MASTERY

Обучение:

EOS INTEGRATOR MASTERCLASS™

Мастер-класс для интеграторов — это ворота на форум Integrator Mastery Forum. Как выпускник, вы узнаете, как лучше интегрировать процессы, повысить эффективность и влияние вашей организации, а также улучшить межведомственное взаимодействие.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О МАСТЕР-КЛАССЕ

Силовой процесс Visionary/Integrator

Доведите до максимума ваши отношения между визионером и интегратором, следуя процессу «Энергия ракетного топлива». С самого начала своего пути до присоединения к сообществу мастеров на форуме Integrator Mastery Forum вы можете получить больше того, что вы хотите от своего бизнеса и вашего партнерства с помощью этого проверенного процесса.

ОДНА НЕОБХОДИМАЯ КОМБИНАЦИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ БОЛЬШОГО БИЗНЕСА

Основанная на книге Джино Викмана и Марка Винтерса « Rocket Fuel », Rocket Fuel University® использует Entrepreneurial Operating System® и ее простые проверенные инструменты, чтобы помочь предпринимателям как вы продвигаете их бизнес к новым высотам.

Джино Викман

Марк Уинтерс

Скачать бесплатную главу Rocket Fuel

Отзывы

«На самом деле не имеет значения, занимаетесь ли вы интеграцией уже много лет или только начали; класс невероятно мощный, и у него есть чему поучиться».

Rich Lane

Nspire2Gro Inc.

«Мастер-класс для интеграторов предоставил мне инструменты, необходимые мне для того, чтобы найти общий язык и добиться согласованности с моим Visionary».

Тони Беднар

KeyStone Search

«Моей ключевой мыслью в рамках этого занятия было наблюдение за сеансом IDS в действии и наблюдение за тем, как мы отметили 22 проблемы в списке проблем. Это придало мне уверенности и, безусловно, вдохновило меня вернуться и реализовать».

Джефф Мерфи

Bayside Sod

«Я получил полную ясность относительно того, какими должны быть отношения между Интегратором и Провидцем, и ключевое слово — доверие. ”

Калпана Сачитханандхам

Дайспот

Оценка кристаллизатора | Ракетное топливо сейчас

1Я прекрасно беру идеи и эффективно реализую планы, чтобы воплотить их в жизнь.

1
2
3
4
5

2Я постоянно генерирую новые идеи. Я никогда не иссякаю.

1
2
3
4
5

3Я умею быстро выявлять и формулировать проблемы, узкие места, разъединения, препятствия и барьеры.

1
2
3
4
5

4Я великий лидер. Люди склонны следовать за мной.

1
2
3
4
5

5Я склонен браться за самые большие и сложные проблемы и творчески решать их.

1
2
3
4
5

6Меня обвиняют в том, что я пессимист и «черный покер».

1
2
3
4
5

7Я отлично умею управлять людьми.

1
2
3
4
5

8Я настроен очень оптимистично.

1
2
3
4
5

9Моя естественная перспектива ориентирована на вещи, которые являются внутренними для компании – приведение дома в порядок/приведение в порядок корабля.

1
2
3
4
5

10Я создатель и сторонник концепции компании.

1
2
3
4
5

11Моя естественная перспектива ориентирована на то, что является внешним по отношению к компании – общая картина или футуристическое мышление.

1
2
3
4
5

12Я хорошо умею (и получаю от этого удовольствие) получить представление о компании, а затем превратить его во что-то реальное.

1
2
3
4
5

13Иногда мне трудно воплотить свое видение в нечто, понятное другим. Кажется, они этого не понимают.

1
2
3
4
5

14Я действительно хорошо умею преобразовывать чье-то видение в то, что другие могут понять и принять, закладывая прочную основу для реализации.

1
2
3
4
5

15В конце концов у меня появляется «правильная» идея, и я это знаю. Это может быть связано с наличием большого количества различных идей или с небольшим числом, к которому я сильно отношусь.

1
2
3
4
5

16Я отлично умею выбирать, какие варианты являются наилучшими приоритетами для организации.

1
2
3
4
5

17Я признаю необходимость операционной политики, структур и повторяемости, чтобы воплотить видение в реальность. Я могу определить значимые правила и внедрить их, не замедляя работу и повышая эффективность.

1
2
3
4
5

18У меня нет терпения внедрять операционную политику, структуру и системы воспроизводимости.

1
2
3
4
5

19Я, естественно, думаю о настоящем, о том, что должно произойти сейчас, и о том, как сохранить все в соответствии с видением будущего.

1
2
3
4
5

20Я, естественно, думаю о будущем отрасли, о нашем продукте или нашей услуге, о том, что будет дальше, и о том, как мы можем наилучшим образом позиционировать компанию, чтобы воспользоваться этим.

1
2
3
4
5

21 Я от природы проницателен, умею дедуктивно рассуждать и очень новаторски придумываю способы сделать идеи больше и лучше.

1
2
3
4
5

22Мне комфортно и нести ответственность, и привлекать к ответственности других. Я вижу ценность в создании инфраструктуры для подотчетности во всей организации, и мне удобно ее внедрять.

1
2
3
4
5

23Я обладаю аналитическим складом ума от природы, обладаю навыками дедуктивного мышления и умею применять решения.

1
2
3
4
5

24Мне не нравится, когда меня привлекают к ответственности или мне говорят, что делать. Мне сложно установить подлинную ответственность в моей компании.

1
2
3
4
5

25Я принимаю и получаю удовольствие от выполнения и предоставления результатов P&L.

1
2
3
4
5

26Я принимаю и получаю удовольствие от роли лидера, управления и подотчетности руководящего состава компании.

1
2
3
4
5

27Я принимаю и получаю удовольствие от роли эффективного объединения всех основных функций организации.

1
2
3
4
5

28Я принимаю и получаю удовольствие от решения самых больших проблем, с которыми сталкивается компания.

1
2
3
4
5

29Я принимаю и получаю удовольствие от того, что являюсь двигателем новых прорывных идей – искрой, которая их запускает.

1
2
3
4
5

30Я принимаю и получаю удовольствие от роли ответственного за несколько крупных ключевых стратегических отношений (поставщик, клиент, банковское дело, отрасль).

1
2
3
4
5

31Я принимаю и получаю удовольствие от роли эффективного решения межфункциональных проблем, обеспечивая их гармоничную интеграцию и координацию.

1
2
3
4
5

32Я принимаю и получаю удовольствие от роли обеспечения соблюдения основных процессов и операционной системы организации.

1
2
3
4
5

33Я принимаю и получаю удовольствие от роли продавца и заключения крупных сделок.

1
2
3
4
5

34Я принимаю и получаю удовольствие от роли обеспечения соответствия организации основным ценностям компании.