Проблемът с много двигатели - блогът на Bernd Leitenberger
Сега отговорът на горния неявен въпрос е много прост: Всеки двигател е източник на грешки. Искам да се огранича до реактивни двигатели с течни горива, тъй като усилвателите на твърдо гориво обикновено са по-надеждни, поне това ни казва статистиката на фалшивите стартове на ракетите носители. Двигател с течни двигатели има повече възможности за повреда поради движещите се части.
Да вземем пример: Ракета с два етапа и по един двигател, напр. Delta IV в сравнение с един с три степени и шест двигателя в трите етапа (4, 1, 1), напр. арианата 1-3. Да приемем, че всеки двигател има 1% риск от повреда. В ракетата има и други подсистеми, напр. Управление, разделяне на етапи, резервоари, клапани, които могат да се повредят. да кажем, че те са отговорни за 1% от фалстартовете.
В единия случай рискът от фалстарт е 3%, в другия 7% - звучи малко, но в абсолютно изражение това означава увеличение от 133%. Ако сега преминете към осем до девет двигателя на първия етап, както при Saturn IB, Ariane 4 или Falcon 9, рискът става още по-голям и при N-1 с общо 44 двигателя в пет етапа, отказ е доста вероятно.
Как можете да се противопоставите на това?
От една страна, разбира се, с техническия дизайн на двигателите. Или като сте много прости, така че вероятността от отказ да е малка - така че работете с доказана технология, високи прагове на безопасност. Пример са напр. двигателите на Viking: те работят с ниско налягане в горивната камера, горивото се запалва хиперголично (не се изисква запалителна система), освен регенеративно охлаждане се използва и филмово охлаждане.
Втора възможност е, ако това не е възможно поради съображения за производителност, да се тестват подробно двигателите, за да се открият всички конструктивни и скрити грешки. Това беше направено с NK-33 и 43, но също и с F-1 и J-2. Това трябва да увеличи надеждността. Проблемът обаче става, когато двигателят е сложен, с ниски резерви за безопасност и трудно тестван. Тогава провалът е неизбежен. Така че не е изненадващо, че първото поколение двигатели N-1 имаше тревожно ниска надеждност.
Друга възможност е да се въоръжите срещу неуспех, когато това вече е статистически вероятно. Сега идва известната ключова дума, „двигателна способност”. На обикновен английски: ракета също трябва да може да изпълни мисията си, ако двигателят се повреди. Винаги ще има ситуации, които водят до загуба. Ако двигател експлодира, по-точно турбината/турбопомпата с нейните движещи се части се разпада, тогава треската може да повреди околните двигатели. От друга страна, никакви покрития от кевлар, като тези, вградени в N-1 или Falcon 9, също не помагат. В N-1 поне нито един от фалстартовете не беше предотвратен.
Но това е по-скоро изключение. Достатъчно често недостатъците могат да бъдат установени своевременно и двигателят може да бъде изключен, преди да е повреден, поне ако има отделни горивни линии.
Проблемът, който възниква, е асиметрията на тягата и загубата на тяга. На първо място за последното: дори ако ракетата има толкова високо ускорение при излитане, че загубата на тягата не води до загуба на височина, тя все пак увеличава загубата на гравитация. Следователно винаги трябва да има резерв от гориво, за да се абсорбира това. За Сатурн IB с мощност на двигателя той беше около 1000 кг. (Не само в този случай). Тъй като резервът трябва само да поеме неизправност на първия етап, размерът му не зависи от полезния товар, тъй като това едва ли влияе върху общото тегло. Дори ако 1000 kg (съответстващи на 7% от полезния товар на LEO) все още могат да бъдат толерирани в LEO мисии, те съставляват около 20% от полезния товар за лунни мисии.
Втората е асиметрията на тягата. Защото сега тягата липсва в определена позиция. Без регулиране ракетата избухва в това положение. Сега всички превозвачи имат въртящи се двигатели, но това работи само под определен ъгъл, често се срещат 6-9 градуса. Ако максималното отклонение не е достатъчно за компенсация, мисията се губи. Ето пример: При Ariane V35 тягата в един от осемте двигателя е намалена с парцал в горивната линия. След 90 s двигателите достигнаха максималното си отклонение и вече не бяха в състояние да компенсират асиметричната тяга. Ракетата се завъртя и след 110 s имаше прекъсвания в конструкцията, които инициираха самоунищожението.
Следователно стандартната процедура в случай на отказ на двигател на носач с „възможност за излизане от двигателя“ е да се монтират двигателите симетрично към оста на въртене, а също и да се изключи противоположният двигател, така че Сатурн V се провежда при втория тестов полет. По този начин симетрията на тягата се запазва. Това обаче удвоява загубата на тяга и следователно високите резерви, които са необходими. С Falcon 9, като най-новият модел с тази възможност, това означава, че той все още трябва да работи със 7 двигателя. Това все още не е така при настоящите двигатели, тъй като тягата в случай на повреда веднага след излитане е твърде ниска, за да ускори ракетата допълнително. Такъв ще бъде случаят с планираното надграждане.
Удивително е, че колкото повече двигатели използва една ракета, толкова по-лесно е да амортизирате повреда. Вземете N-1 с 30 двигателя на първия етап. при всеки трети старт с 99% надеждност може да се очаква отказ. Но тягата ще намалее само с 3,3%. При изключване на противоположния двигател с 6,7%. Загубата обаче все още може да бъде поета до тази малка степен чрез завъртане на двигателите.
Въпреки това тенденцията е към двигател. Един двигател с по-голяма тяга е по-евтин за производство от няколко с по-ниска тяга, системата е по-проста и повредата е по-малка, макар и с катастрофални последици. Има малко причини да се използват много двигатели. В случай на много големи двигатели, това са високите разходи за разработка, съчетани само с няколко мисии на Луната или Марс, поради което и Ares V, и Saturn V използват пет или шест двигателя на първия етап. Друга причина може да е, че за всички етапи са необходими само няколко типа двигатели. Така че с Ariane 1-4 тип за втори етап, първи етап и бустер. N-1 има по един тип за първия и втория и друг за четвъртия и третия етап. Дори би работило само с един тип, напр. в комбинацията един двигател - четири двигателя - 16 двигателя с три степени.
Ако комбинирате възможността за излизане от двигателя с излишна тяга и изпитани двигатели, това спестява мисии. На Сатурн I + V двигателите се повредиха при три мисии и нямаше загуба. Но ако комбинирате „мързеливи“ двигатели без добро изпълнение на „способността за излизане от двигателя“, резултатът е превозвачи като N-1 - нито едно стартиране не беше успешно. Това, което в никакъв случай не може да бъде прихванато, е повреда в усилвател - те имат свои собствени резервоари за гориво без връзка с основния етап. Дори ако двигателят може да бъде изключен, горивото остава там, центърът на тежестта се променя и теглото се увеличава в края на изгарянето - много мъртва маса се носи заедно.
Ще бъде интересно къде е Falcon 9.