Пишем и рассуждаем о физических явлениях
Ответить
Три Четыре
Участник
Баланс:294
 
Сообщения: 3
Регистрация: 01.07.2021

Реквием

Три Четыре » 13.02.2022 22:34

+
4
-
Реквием по космонавтике. Реквием – это заупокойная месса. Сейчас исполним.

А виноват Циолковский. Однажды он хорошо подумал, и написал свою главную формулу для ракеты. А потом, он вообще не подумал, и пообещал «горы хлеба и бездну могущества» тому, кто сделает такое из железа. Вот это он напрасно.

В то время об этом деле бытовали, например, такие представления.

Реквием

Это картинка из книжки 1934 года издания «Ракетный полёт в стратосфере» за авторством некоего С. Королёва, инженера. Если эту картинку увидят нормальные и неиспуганные дети, они скажут – дядя Серёжа, а вы не с той стороны нарисовали весы, или ракету надо было повернуть другим концом! Если хотели измерить силу тяги! Давайте, мы исправим.

Но уже тогда подобный способ мышления был общепринятым и обязательным к исполнению. Следовало думать, что здесь работает закон сохранения импульса. Как, например, если стукнуть картошку об луковицу, то они разлетятся в разные стороны. Здесь так же. Газ в одну сторону, ракета в другую. Всё очевидно, и вроде бы нет причин возражать. Вроде бы.

Вроде бы.

У ракетного двигателя есть самый важный показатель, и он тоже называется импульс. Или секундный импульс. Подобный по смыслу показатель можно встретить много где. К примеру, автомобилю на сто километров пути нужно десять литров бензина. Есть такой показатель и в авиации. Но только в космонавтике он имеет абсолютное значение, решающее значение, потому что ракета всё своё везёт с собой – и топливо, и бочку для топлива, и собаку Лайку, и сам двигатель.

Называется - «импульс». Единица измерения - «секунда». Случайный читатель не обязан знать или помнить почему так, поэтому стоит разобраться подробней.

От ракетного двигателя требуется, чтобы он создавал силу, и строго говоря, следовало применять «ньютон», но говорят - килограмм–сила, а чтобы не морочить самим себе головы – просто килограмм. Это удобно, так как умозрительный ньютон заменяется реально осязаемым килограммом или тонной. Тем более, что на уровне моря сила тяжести и килограмм одно и то же. Ну, почти.

Но одну и ту же силу можно создать с разным расходом топлива, и чем этот расход меньше, тем ракета взлетит выше и разгонится сильнее. Чтобы описать этот расход, нужно килограмм силы разделить на килограмм топлива, сожженный за, например, секунду. А потом, по правилам действий с натуральными дробями килограммы сокращаются, и остаётся непонятная со стороны секунда. Нужно только привыкнуть.

А вот термин «импульс» это произвол, навязанный нарочно, и на то была веская причина. Это чтобы в подсознании закрепить несомненное действие закона сохранения импульса в данном случае. Хотя, честнее было бы назвать дежурным «коэффициент полезного действия». И появился он вот каким образом. Если для описания расхода топлива вместо килограмма использовать ньютон, то после того же сокращения дроби остаются метры, делённые на секунды, совсем как размерность скорости.

Это был подарок судьбы. На радостях теоретики сделали вид что забыли, что это просто коэффициент, у которого не может быть размерности. Зато, если постараться, эти метры в секунду можно выдать за теоретическую скорость газа, который вылетает из ракеты. В свою очередь, желание изобразить импульс там, где его нет, вызвано более общими представлениями.

Эта беда имеет название – молекулярно-кинетическая теория теплоты. Изначально это были представления о том как может быть устроен газ, не более. Но именно из этих представлений выросли такие противоестественности, как «энергия» и «теплота». Которые благодаря своей размытости и неопределённости быстро стали палочкой выручалочкой во всех без исключения случаях непонимания происходящего, чем то вроде нецензурной брани для связки слов. Но здесь мы этой проблемы коснёмся вынужденно и вскользь.

Между тем, термин «секундный импульс» устоялся и мы его здесь используем.

Ещё раз – секундный импульс двигателя это самая важная величина для стрельбы по космосу. Все остальные параметры имеют исчезающе малое значение. И прежде всего не имеет ровно никакого значения тяга двигателя, она же сила.

В просторечии часто, хотя и ошибочно, говорят «мощность». По совокупности причин нельзя сделать большой двигатель, просто увеличив его размер, равно, как нельзя его сделать произвольно маленьким, да это и не нужно. Если не хватает одной горелки – поставь две. Не хватает двух – поставь, как на ракете «Союз», двадцать, по двадцать тонн каждая. Не хватает двадцати – поставь, как на ракете Н1, тридцать, по сто пятьдесят тонн каждая. Столько, сколько надо, лишь бы тяга превысила вес ракеты. Превысила настолько, чтобы получилось желаемое ускорение. Всё равно, всё решает секундный импульс, коэффициент полезного действия. Или, по другому, секундный расход топлива.

Точное количество секунд, с которого начинается космос, сказать нельзя, так как другие причины тоже вносят свой вклад. История не любит хранить подробности мук рождения. Грубо можно предположить двести тридцать секунд у первой ступени на уровне моря. Это когда Королёвская Р-7 впервые взлетев чуть выше плотной атмосферы, разогнала до восьми километров в секунду почти пустое место – Спутник. Так начался космос, И началась космическая гонка. И не та, русско-американская, а настоящая, по существу.

Короткая, но лихорадочная, гонка за секундами.

Работа ракетного двигателя не отличается принципиально от работы паровоза. В любом случае, главное действующее лицо это газ, со своими особенностями поведения. И первое, что надо сделать, это закачать топливо в камеру сгорания. В случае паровоза мы закачиваем воду в котёл, при этом давление жидкости должно заметно превышать давление газа.
Здесь полезно вспомнить, что давление это сила, размазанная на единицу площади, для удобства счета на какой нибудь квадратик. В отличие от силы вообще.

Теоретически, можно закачивать и газ, но это в случае паровоза лишено смысла, а в случае ракеты, она с таким компрессором просто не оторвётся от земли. Потому закачивают жидкость. И вот когда возникла нужда улучшить импульс, первое, что попробовали, это закачать больше топлива, благо, это не было проблемой. Ожидалось, что повысится давление и температура, и как следствие, импульс, но для начала получилась наоборот. Избыток топлива двигатель просто выдувал несгоревшим, к тому же мешал гореть остальному. Заявили о себе особенности сгорания жидкостей. К тому же, жидкий кислород неизбежно понижал конечную температуру.

И началась работа. Перепробовали разные камеры сгорания – больше, меньше, длинней, короче. Простое увеличение размера не помогало, а местами добавляло проблем. Не спеша приходило понимание. Секунды росли медленно.

Перепробовали разные сорта керосина – в первую очередь керосина, потому что условно «гептил» хотя и был лучше пороха, вообщем, по импульсу керосину проигрывал.

Было очевидно, что если топливо распылить мельче, то будет только лучше. Начали пробовать все мыслимые конструкции форсунок. Доходило до того, что каждую форсунку проверяли на специальном стенде вручную, выбирая из большой кучи самые удачные. Каждая новая секунда была победой. Это сегодня, то что мы знаем как РД-107 показывает импульс двести шестьдесят секунд на уровне моря, до этого нужно было дорасти.

Но это был предел, перешагнуть который не давала физика горения жидкостей. И Королёв, и Глушко видели, что с таким импульсом дальний космос оставался закрытым. Королёв требовал новых секунд, а Глушко не знал, как это сделать, и каждый раз включал дурака, а именно, переводил разговор на другие виды топлива. Это сегодня известно, как, а тогда этого не знал никто.

И тогда Королёв нашёл Кузнецова.

Надо сказать, что Кузнецов был человеком второго сорта, если сравнивать с небожителями. Надзиратель за пленными немцами, конструктор, и, что хуже, человек скромный, и он просто взял, и сделал. Вероятно, он как конструктор самолётных двигателей понимал физику газа более здраво.

Стоит сказать. Впервые в мире. Впервые прикоснувшись к космической проблеме. И сразу получить окончательную конструкцию, хотя доводка продолжалась ещё долго. Многократное превышение времени работы, до сих пор непревзойдённое, многократные запуски, многократные запуски без переборки и снятия со стенда.

Теперь сначала кислород закачивался в промежуточную ёмкость, и туда же подавался керосин, но немного, раз в тридцать меньше, чем нужно для полного расходования кислорода. Это всё поджигалось, и в результате жидкий кислород превращался в газ, к тому же с высокой температурой, и тогда уже поступал в камеру сгорания. Это назвали газогенератор. Другим концом насос качал керосин, который протекал по каналам вдоль раскалённого сопла. В газ он не превращался, но в конце пути это была уже перегретая жидкость, которая, попав в камеру сгорания, а значит, в условия с меньшим давлением, спешила стать газом. И вот это подбросило импульс – на самом деле секундный расход – скачком. Триста секунд на уровне моря могли решить все задачи.

Из неприятного было повышение давления в камере сгорания, сто пятьдесят килограмм на сантиметр, то есть в два – три раза больше чем при горении жидкостей. Но это была неизбежная плата за импульс.

И вот этого небожители не простили Кузнецову никогда. Что бы принизить чужое достижение, они стали говорить – двигатель с дожиганием генераторного газа – что воспринималось, как будто дожигают непонятную ерунду, или совсем уже бессмысленное – замкнутого цикла. Немногие причастные могли сообразить, что имелся в виду кислород, который по пути из газогенератора в камеру сгорания между делом крутил насос. Ну а убийство двигателя – это история хорошо известная.

Следующим снова был Глушко. Он решил сделать тоже самое, только лучше. И это были ещё десять лет работы. Судьба этого нового двигателя много раз висела на волоске. Всякий раз не было уверенности, что очередная возникшая проблема вообще имеет реальное техническое решение. Напряглась вся страна. И РД-170 появился. И хотя он добавил к кузнецовскому импульсу сомнительные единицы секунд, давление в камере сгорания подскочило до двухсот шестидесяти килограмм и конструкция стала предельно напряжённая.

Зато советская пропаганда сделала эту цифру предметом гордости советской космонавтики.

Всё.

Конец гонки. С того времени речь идёт только о косметике. Да, люди создают всё более грандиозные мосты, небоскрёбы, плотины, морские суда, туннели – но здесь предел. Мы пока ещё наращиваем частоты радиосвязи и частоты включения-выключения транзисторов, а здесь – предел. И вот почему.

Ракетный двигатель работает так же, как паровоз. Газ, как и положено, давит во все стороны и в том числе на днище поршня. Поршень перемещается. В ракете газ так же давит во все стороны, в том числе на огневое днище. Ракета перемещается. Давление, сила, тяга, это одно и тоже, только разными буквами. «Сила» создаёт «ускорение», и так далее.

Но вот под забором валяется кислородный баллон, и в нем давление двести килограмм на сантиметр, и огромная сила с тягой, если посчитать все сантиметры, но он никуда не летит, и всем понятно почему. А потому, что у него с двух сторон днища. А вот если одно днище отломать, он очень даже полетит. Ракетный двигатель это просто бочка, у которой только одно днище, только и всего. И в этой бочке нужно создать давление.

Это делается при помощи сопла. Но этим словом часто называют что попало, и даже дырку в самолёте, что вносит путаницу, и мешает пониманию, а всё для придания значительности и важности. Только все самолётные двигатели работают на дозвуковых скоростях газа, и без необходимости ускорения газа, потому сопло там не нужно, так что у самолёта это в лучшем случае выхлопная труба.

Именно скорость звука в физике газа имеет принципиальное значение. И решающее значение для космической техники.
Скорость звука в газах не зависит от давления. Вообще не зависит.

Скорость звука зависит, например, от молекулярной массы, чем меньше масса, тем выше скорость. Но сильнее всего она зависит от температуры.

И здесь вновь возникает молекулярно-кинетическая теория. С точки зрения этой модели такое просто невозможно, и никак не объяснимо. Хуже того, невозможно само существование «звука», тем более объяснение его свойств. Что бы вообще не промолчать, приходится находить такие слова, как феномен, парадокс – но лучше всего просто промолчать. Кошка сдохла, хвост облез – кто промолвит, тот и съест.

У этой задачи есть решение, но Реквием не подходящее место для такого рассказа.

Итак, сопло. Это просто расширяющаяся труба, раструб, проходя через который газ ускоряется. В идеальной модели, газ находясь в камере сгорания, имеет нулевую скорость, затем, проходя сопло, он ускоряется, а, достигнув среза сопла, газ должен набрать скорость звука для данной температуры. При такой скорости относительно ракеты газ давит вперёд, по ходу движения, давит вбок, но не давит назад. Так конструктивно решается бочка с одним днищем, и под давлением. Успевай только закачивать жидкое топливо.

Это идеальный случай, к этому стремятся, но так получается не всегда. Если например, газ не успеет достичь скорости звука к срезу, то он уже никогда её не достигнет. Потому что ускорялся он только проходя сопло, а дальше он будет только замедляться. А , значит , давление на огневое днище будет снижено некоторым противодавлением, появится полупрозрачное второе дно бочки. В этом случае принято говорить – недорасширение. Падает тяга, но главное – импульс.
Обратный случай это перерасширение, когда газ достигает скорости звука раньше среза сопла. Давление в этом случае не падает, но из за перерасхода топлива опять же, падает импульс.

И в результате мы видим, что медленнее нельзя, а быстрее нет смысла. То, что называют « закон сохранения импульса» - или «чем быстрее, тем лучше» в данном случае совсем не причём. Действует другой механизм. Именно здесь физика газа ставит принципиальный предел ракетным двигателям. И этот предел достигнут. Остаётся маленький теоретический резерв повышения температуры, но это не принципиально.

Здесь можно вспомнить расхожую, но бессмысленную фразу «раскалённый газ, вылетая через сопло, ускоряется, и тем самым создаёт реактивную силу». Это пустышка, псевдообъяснение. Потому что и сила оказывается самая обыкновенная, активная, и вообще всё в порядке.

Так что термин «импульс» лучше не употреблять. Правильней сказать – секундный расход – секундный расход топлива на единицу тяги. Экономичность. КПД.

Повторимся, тяга ракетного двигателя для космоса не имеет никакого значения, так как общая тяга ракеты решается простым увеличением количества двигателей. Значение имеет единственно секундный расход.

Но так было у нас – а ведь земля большая, где бы узнать какие успехи у других? Просто интересно, на чём, например, Новая Зеландия возит образцы грунта с астероидов? А Япония с комет? На чём американцы разгоняются до шестнадцати километров в секунду? А все остальные? Ведь не может такого быть, что бы всё это было гнусным виртуальным цирком.

В конце концов, космические снимки земли, глобальная навигация, связь через геостационар сомнений не вызывают.

Достоверной информации. по параметрам двигателей, естественно, не найти, а рекламные не нужны даром. Тогда от безысходности заглянем в википедию (прости, Господи), в надежде, что если там цифры и исказят, то только в свою пользу. Нам интересны, конечно, самые эффективные, газовые двигатели, с дожиганием. Построим их по росту.

Самый плохой двигатель, это РД 253 и его семейство. Это то, на чём летает Протон. Работает на гептиле, секундный расход – двести восемьдесят. При этом газовый гептил оказывается лучше жидкого керосина, у которого двести шестьдесят секунд.

Следующий Николай Кузнецов 33, триста секунд, на котором ничего не летает.

За ним идёт РД 170, на котором тоже ничего не летает – триста пять секунд Правда, один из его наследников приспособили под себя американцы.

Все эти цифры для уровня моря, где ракета делает самую неблагодарную и сложную работу. Первые километры в секунду, первые десятки километров плотного газа. Если, к тем же двигателям приделать сопло подлиннее, то в вакууме они покажут цифры, примерно, на десять процентов больше. Отсюда необходимость быстрее избавиться от первой ступени.

И оказывается, это всё. Больше на земле ничего нет. Есть, правда один такой у Америки, превосходящий, разумеется, всех по всем параметрам. Но, если прочесть внизу мелким шрифтом, оказывается, он есть только на бумаге, что, впрочем не помешало назначить первое испытание через несколько лет. Но потом замечаешь крупными буквами «илон маск», (прости, Господи), и становится ясно, что его гарантировано никогда не будет.

Но этому человечеству повезло, потому что у него есть водородные двигатели. С импульсом четыреста пятьдесят секунд. Надо всё остальное просто выбросить, и летать только на водороде. И кое кто об этом догадался.

Правда, всякий раз, когда стартуют различные водородники, мы наблюдаем на удивление одно и тоже. Ракета, с фантастическим импульсом, а точнее с секундным расходом, и с такой же фантастической тягой для одной горелки, не в состоянии оторваться от земли. А чтобы оторваться от земли и скрыться с глаз, ей обязательно нужна помощь пороховых двигателей, то есть самых неэффективных. И эти, самые неэффективные, как только начинают работать, легко отрывают от земли и сами себя, и огромную бочку с водородом. Так легко, как будто это просто пустая бочка. Это потому, что цифра четыреста пятьдесят чисто теоретическая, то есть посчитанная теоретиками на бумажке. Сколько там на самом деле – чуть-чуть секрет . Всё это, конечно при условии, что работающие водородные двигатели вообще есть. Потому, что неработающие есть точно.

Во всяком случае, водородные двигатели, даже неработающие, необходимы для поддержания иллюзии прогресса. А для заброски на низкие орбиты небольших грузов хватает жидкого керосина, который у американцев есть.

И вот, не успели мы до конца переварить лунный спектакль, а уже пора браться за Марс, за Юпитер с Сатурном, а до этого за Нептун с Плутоном, а до этого за челноки с телескопами, даже руки опускаются. А тут ещё китайцы спешат повторить все эти подвиги в карикатурном виде. И не вчера космос превратился в арену для виртуальных достижений. А когда?

А по времени похоже, смерть Королёва и Гагарина. Вполне вероятно, убийство.

Вот показательно. У американцев на руках есть работающие образцы двигателей, есть деньги купить чертежи, а своего двигателя нет. А нет школы – того, что появляется с трудностями, с настоящим риском и полной неизвестностью впереди. Школа самолётных двигателей есть, а ракетных – нет.

И сейчас у нас есть два космоса. В реальном есть геостационарное кольцо из ретрансляторов и наблюдателей, это что бы вдруг не прозевать начало третьей мировой войны, ниже него клубок навигационных спутников, и непосредственно над землёй куча вообще не пойми чего. Большинство из этого имеет утилитарное назначение. К тому же большей частью это уже по разным причинам просто космический мусор.

И есть сказочный цирк, в котором и полёты на край солнечной системы, с одной стороны, и слабоумное подбрасывание бочки на десять километров, с последующим разбиванием ее об землю. Потому что, если тебе нечем забросить на самую низкую орбиту больше десяти тонн, значит нужно нарисовать это в телевизоре. В итоге, люди употребляют космос в виде «илона маска» и космических туристов, в виде Леонова и Терешковой (прости, Господи)

Может там и были какие реальные достижения, только как теперь в этом признаешься. Сказать, что именно вот это правда, а всё остальное фальшивка?

И вот один из инструментов отсортировать чистых от нечистых это секундный расход топлива, потому что небесная механика принимает к расчёту только секундный расход и ничего больше. Между тем, многое из нарисованного могло быть реальностью, ведь возможности нашей, теперь уже древней техники так и не были использованы. За всё это время мы так и не придумали зачем. С точки зрения того, что сегодня называется наукой спрашивать у природы нечего. А ракета, на сегодня, ничем не заменимый инструмент познания прежде всего.

Прошло сто лет, и мы стали подозревать, что не нужны нам «горы хлеба». И «бездны могущества» тоже не надо. А что нам надо?

… и всё таки, ведущая домой, дорога оказалась слишком длинной...


Реквием
Поделиться:

newfiz
Участник
Баланс:646
 
Сообщения: 53
Регистрация: 06.04.2021

Re: Реквием

newfiz » 14.02.2022 10:27

+
8
-
Уважаемый Три Четыре!
Прекрасный исторический обзор, благодарю!
Видно, что Вы - очень узкий специалист, по импульсу
реактивного двигателя. Но не вдаётесь в детали того, как
эти двигатели работают.
Ну, что за дела:
"Скорость звука в газах не зависит от давления.
Вообще не зависит."
"...молекулярно-кинетическая теория. С точки зрения этой
модели... невозможно само существование «звука» "
Странно, но многие не понимают, как в газе передвигаются
области сгущений-разрежений. Вы, говоря о соплах, даже
не упомянули про шедевр - сопло Лаваля, в котором поток,
достигнув скорости звука, далее ускоряется в РАСШИРЯЮЩЕМСЯ
раструбе.
И выводы Ваши удручают. Фейков в космонавтике много,
особенно у наших "партнёров". Но Вы, насколько понял,
утверждаете, что дальше геостационарной орбиты, ничего
не летало? Не было нашего Лунохода на Луне? Знаете,
доступен архив сделанных им чёрно-белых телекадров.
На них хорошо видны "странности" лунного освещения.
В земных условиях их невозможно сбацать - не говоря
уже о том, чтобы их предвидеть.
Не летали автоматы на Венеру и Марс? Конечно, американские
выставочные "марсоходы" ЕЗДИЮТ где-то по пустыне Невады.
Но наш-то модуль честно сел на Марс - а там бушевала
обычная песчаная буря, так что он недолго продержался.
Чтобы долететь до Венеры или Марса, требуется пересечь
границу области земного тяготения (на радиусе около
900 тыс. км), имея скорость три-четыре километра в секунду -
с выходом на гомановский полуэллипс. Насколько понимаю,
возможности двигателей это вполне позволяют.

Ответить
   ПОМОЩЬ по форуму!