Дёшево в космос

[Pribavkin]

https://www.popmech.ru/technologies/news-653973-roskosmos-pridumal-strannyy-sposob-zapuskat-sputniki-iz-pushki/
«Роскосмос» придумал странный способ запускать спутники. Из пушки
16.12.2020  Александр Пономарёв
Специалисты головного института «Роскосмоса» ЦНИИмаш предложили запускать на орбиту Земли малые спутники снарядами-носителями из электромагнитных пушек.

Из пушки – на орбиту!
Как сообщает РИА Новости со ссылкой на материалы журнала «Вестник НПО имени Лавочкина», специалисты подмосковного Центрального научно-исследовательского института машиностроения придумали довольно неординарный способ запуска спутников на орбиту. «На наш взгляд, время от времени целесообразно оценивать старые идеи доступа в околоземное космическое пространство с точки зрения современных технологических возможностей. К одной из таких идей относится создание наземных систем динамического ускорения массы. Впервые эта идея была высказана Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну» в 1865 году», — говорится в докладе.

То, что тогда было фантастикой, может получиться сейчас, когда стали доступны новые технологии и материалы, уверяют учёные, рассуждая о новых способах запуска спутников на орбиту. «Космическую пушку выгодно отличает от других способов неракетного доступа в космос то, что она является в принципе реализуемой уже на современном техническом уровне», — отмечается в документе. Недостатком таких пушек учёные выделяют запредельные перегрузки при запуске спутников: от 2000 до 20 000 g, а преимуществом по сравнению с традиционными космическими ракетами-носителями указываются низкая стоимость выведения и высокая оперативность запуска.

Одним из вариантов запуска спутников назван линейный рельсотрон, представляющий собой пусковой ствол и электростанцию мощностью десять мегаватт. Пусковой ствол — это вакуумная труба с рельсовым разгонным устройством и снарядом-носителем со спутником. Располагаться он должен на горе высотой два-три километра. Ещё один вариант – кольцевой ускоритель массы. Это кольцевая разгонная вакуумная труба диаметром несколько километров, размещённая на склоне горы, с выпускными стволами, через которые снаряд-носитель со спутником запускается в космос. В отличие от рельсотрона, он не требует высокой мощности: 20-мегаваттный двигатель способен разгонять массу от 2000 килограммов до девяти км/с всего за один час.

[Pribavkin]

В этой теме я доказал простую и понятную мысль:
если в горячую выхлопную струю распылять воду -
вода испарится: увеличит массу и объём (скорость) струи,
тесмпература струи станет меньше, а тяга - увеличится ...
Т.е. - можно сэкономить на  керосине и кислороде.
Жаль, что это никто не понял.

Я то понял. Только ведь вода тоже что-то весит и надо расходовать топливо и окислитель.
Я предлагаю такую версию этой идеи Мастерова.
Воду надо использовать только на начальном этапе старта ракеты, когда она похожа на бульдозер с ракетным двигателем.
Посмотрим на Сатурн-5. На кинокадрах мы видим, то Сатурн-5 поднимается медленно - до высоту стартовой башни, которая имеет высоту около 100 метров, ракета летит почти 10 сек.
За это время ракета расходует почти 120 тонн топлива и окислителя! Причём прирост скорости мизерный.
Поэтому этот этап я и называю бульдозером на ракетном двигателе.
Сбросив 120 тонн, Сатурн-5 становится легче и дальнейший подъём реализуется уже быстрее.
Но до высоты 100 м можно поднять и обеспечить ту же скорость другими техническими средствами - тогда 120 тонн топлива и окислителя можно не заливать и старт ракету будет уже резвее.
Вот и можно рядом со стартом поставит башню высотой, например, 300 м и опустить с неё шланг с водой и эту воду впрыскивать в ракетный двигатель по идее Мастерова.
Когда ракета поднимется до высоты 600 м - шланг отцепляется.
Естественно, таким же способом и по соседним шлангам можно подавать также керосин и кислород.
Шланг для подачи воды можно разместить по соседству с керосиновым шлангом.
То есть это будет принадлежность не ракеты, а стартового хозяйства.
Чтобы не нагружать ракету весом шлангов - их можно вывесить с помощью аэростата.
То есть получится, что даже аэростат будет малость помогать ракете, чтобы та зря не расходовала топливо и окислитель.
Возможно и такое развитие этой идеи.
Стратосферные аэростаты разместить на высоте 30 км, а трос от ракеты перекинут через блоки, который на аэростатах.
Другой конец троса привязан к противовесу - достаточно сбросить тот груз и он попрёт ракету на верхотуру, причём ракете даже двигатель можно не включать.
Конечно, большую скорость тут не разовьёшь, но она для ракеты будет даром, то есть конструкцию можно не менять.
В зависимости от массы ракеты - можно разместить несколько аэростатов и спустить несколько тросов с противовесами..
Эту разновидность воздушного старта можно назвать аэростатным.
Аэростатный старт принципиально является многоразовым. Чтобы стартануть новой ракете (причём ракета может быть любого типа) - достаточно поднять противовесы. А для старта достаточно сбросить эти противовесы.
 Когда противовесы обеспечат максимальную скорость ракете, то можно включить двигатели привода блоков
- это намного увеличит скорость подъёма ракеты. К тому же ракета будет уже в менее плотных слоях атмосферы и сопротивление её ускоренному движению будет меньше.

[Мастеров АВ]

В этой теме я доказал простую и понятную мысль:
если в горячую выхлопную струю распылять воду -
вода испарится: увеличит массу и объём (скорость) струи,
тесмпература струи станет меньше, а тяга - увеличится ...
Т.е. - можно сэкономить на  керосине и кислороде.
Жаль, что это никто не понял.

Я то понял. Только ведь вода тоже что-то весит и надо расходовать топливо и окислитель.

Да. Это - так.
И когда я рассказал об этом сыну, он тут же обратил внимание на то же,
что меня весьма удивило: мой сын (к сожалению) от физики очень далёк.

Вода не позволит сэкономить вес,
но позволит экономить топливо,
уменьшив температуру реактивной струи
и (тем самым) увеличив КПД использования топлива.

Это нехорошо, что реактивная струя горячая.

Это касается не только ракетных двигателей,
но и двигателей самолётов.

[Мастеров АВ]

Каким должен быть двигатель самолёта ?

Турбовинтовентиляторный двигатель


https://youtu.be/Mo9fdbcev70

Турбовинтовентиляторный двигатель показал очень высокую экономию топлива,
но в нём есть недостаток присущий всем реактивным двигателям: горячая реактивная струя,
которая уносит энергию сгорания топлива, и эта энергия не участвует в создании тяги.

Чтобы сэкономить топливо, в камеру Bypass следует впрыскивать воду,
при этом водой следует охлаждать лопатки вентилятора на выходе КС,
что позволит повысить температуру в КС, давление и КПД двигателя (ещё и этим).
При этом лопатку следует охлаждать (преимущественно) с одной стороны -
из-за разности температур будет создаваться дополнительная разность давлений,
которая увеличит крутящий момент..

Вода испарится, объём увеличится, мощность двигателя возрастёт.

Такой двигатель (с впрыском воды, при доработке) может работать
в режиме "турбо", необходимом при взлёте.

[Pribavkin]

Вода не позволит сэкономить вес,
но позволит экономить топливо,
уменьшив температуру реактивной струи
и (тем самым) увеличив КПД использования топлива.

Это нехорошо, что реактивная струя горячая.

Это касается не только ракетных двигателей,
но и двигателей самолётов.

Вот тут есть один спорный момент.
Высокая температура газа в ракетном сопле нужна для того, чтобы увеличить скорость истечения газа - это увеличивает тягу.
Но за пределами сопла температуру желательно снизить, так как жалко, что бесполезно уносится энергия.
Но вот насколько охлаждение газа за пределами сопла увеличит тягу - это можно узнать только из экспериментов.
Тут возможен такой эффект - если мы водой снизим температуру за пределами сопла, то плотность здесь увеличится - тогда выхлопные газы будут как бы наталкиваться на некую преграду и тогда давление на сопло немного увеличится.
Но, повторяю, - здесь нужны эксперименты. Воду можно подавать из кромки сопла, а также подавать струёй из кромок в центр факела. Оптимальные углы подачи воды тоже надо подбирать экспериментально.
Хотя можно попробовать рассчитать математически. Я больше верю опытам.

[Мастеров АВ]

Вода не позволит сэкономить вес,
но позволит экономить топливо,
уменьшив температуру реактивной струи
и (тем самым) увеличив КПД использования топлива.

Это нехорошо, что реактивная струя горячая.

Это касается не только ракетных двигателей,
но и двигателей самолётов.

Вот тут есть один спорный момент.

В ТЭЦ турбину крутит водяной пар,
а не горячие продукты сгорания природного газа.

Подумай - почему ?

Подсказка: Плотность воды: 1000 000 грамм на метр³,
а плотность пара из твоего чайника на плите в 1700 раз меньше.
Т.е., вода (испарившись) увеличивается в объёме в 1700 раз.

Мощность реактивного двигателя (ракетного или самолётного): \(=P\frac{dV}{dt}\).

Испаряя воду в реактивной струе, мы увеличиваем её массу и объём (а значит: не только скорость, но и импульс).

И ещё... Горячая реактивная струя уносить с собой тепловую энергию,
которая должна была совершить работу, но - не совершила.

[Pribavkin]

В ТЭЦ турбину крутит водяной пар,
а не горячие продукты сгорания природного газа.

Подумай - почему ?

Это в паровых турбинах крутит пар.
А в газотурбинных установках крутит газ.
Почему-то в газотурбинных двигателях самолётов для увеличения тяги не используют впрыск воды.
Хотя в самолётах это довольно просто реализовать.

[Мастеров АВ]

Это в паровых турбинах крутит пар.

Ну-так я и спрашиваю:
почему в ТЭС турбины крутит пар,
а не продукты сгорания ?

На самом деле в современных ТЭС
сначала - газовая турбина...
паровая - потом.

Нуу... Прямо как в двигателе самолёта,
что я предлагаю.

[Мастеров АВ]

Давайте будем посчитать тяну реактивного двигателяН
\(F=v\frac{dm}{dt}F=\frac{1}{S}\frac{dV}{dt}\frac{dm}{dt}=\frac{\rho}{S}\left(\frac{dV}{dt}\right)^2\)
\(\frac{dm}{dt}\) - расход топлива и воды
\(v\) - скорость реактивной струи
\(S\) - Площадь сечения сопла
\(\rho\) - плотность газопаровой смеси реактивной струи
\(\frac{dV}{dt}\) - сгорая (топливо) и испаряясь (вода) увеличивается в объёме.

[mven]

\(v\) - скорость реактивной струи
\(\frac{dV}{dt}\) - сгорая (топливо) и испаряясь (вода) увеличивается в объёме.
[/size]

...испаряясь вода охлаждает струю, падает скорость истечения и именно эту скорость, упавшую после впрыска воды и надо учитывать. Подозреваю что выйдет из этого - пшик. 

[Мастеров АВ]

...испаряясь вода охлаждает струю, падает скорость истечения и именно эту скорость, упавшую после впрыска воды и надо учитывать. Подозреваю что выйдет из этого - пшик. 

Так оно и есть, но: вода остужает горячий газ в разы (в разы и уменьшается объём газа)
но вода (испаряясь) увеличивается в объёме в 1700 раз.

При этом вода утилизирует тепло, которое
струя унесла бы в атмосферу, и которое
работу не совершило бы.

И я думаю, что ракеты будут летать на метане (природном газе).
Это дешевле, а эффект - тот же.

[Мастеров АВ]

При этом вода утилизирует тепло, которое
струя унесла бы в атмосферу, и которое
работу не совершило бы.

Но тяга двигателя от скорости зависит квадратно, а от массы прямолинейно...

Так ведь вода увеличивает и массу, и - объём, а от объёма (за единицу времени)
тяга тоже зависит квадратично.
(формулы я писал выше)

[Мастеров АВ]

Получается что водой надо охлаждать сопло снаружи, вместо керосина и полученную струю пара выводить отдельно от струи газа...

В ракетном двигателе - да,может быть, хотя...

В КС РД давление должна создавать инерция газов реактивной струи,
а не препятствие на пути этой струи, каковым является сопло Лаваля.

А в двигателе самолёта я бы охлаждал лопасти крыльчатки после (и до) камеры сгорания.

Передняя крыльчатка в ТРД выполняет роль компрессора,
который сжимает (а значит - нагревает) воздух.

Если сжимаемый воздух охлаждать, то его можно
до больших плотностей, а значит в нм можно будет сжечь
больше топлива, больше будет увеличение объёма...

[Мастеров АВ]

Тот "абажур", что стоит после сопла Лаваля...
вообще какая-то хрень, непонятно - зачем ?

Если бы он мог создать тягу...
то он должен быть очень и очень прочным,
иначе его просто разорвёт или сомнёт.

[Мастеров АВ]

У Вас в формуле посчитана та же скорость истечения через (задницу)т.е. массовый расход. При впрыске воды она не вырастает - а падает, струя охладившись не истечёт из сопла с той же скоростью, что не даст такого расхода.
 Да и вообще, математически эффект от впрыска воды Вы не просчитаете, надо сначала "пальцем тыкать" делать эксперимент и он сразу покажет огромную разницу между мат. абстракцией и реальностью.

Вода утилизирует тепло реактивной струи, которое выбрасывается.
За счёт Этого тепла испаряется и
увеличивает объём, массу и скорость
реактивной струи.

Что ещё непонятно ?

[Pribavkin]

На самом деле в современных ТЭС
сначала - газовая турбина...
паровая - потом.

А вот этот аргумент уже погорячее!
Во всяком случае при разговоре с чиновниками, которые распоряжаются деньгами.
Ну, например, когда им письма придётся писать.
У нас ведь спецы деньгами не распоряжаются, так как, если им и доверят такую функцию, то они все деньги распределят себе.

[Мастеров АВ]

На самом деле в современных ТЭС
сначала - газовая турбина...
паровая - потом.

А вот этот аргумент уже погорячее!
Во всяком случае при разговоре с чиновниками, которые распоряжаются деньгами.
Ну, например, когда им письма придётся писать.
У нас ведь спецы деньгами не распоряжаются, так как, если им и доверят такую функцию, то они все деньги распределят себе.

[Мастеров АВ]

В этой схеме газовая турбина создаёт давление в паровой турбине,
а впрыск воды увеличивает объём газов для паровой турбины,
нуу... ии... вода охлаждает крыльчатку газовой турбины,
что позволяет увеличить давление в камере сгорания и
снизить требования к свойствам (термическим и механическим)
материалов крыльчатки (сделает их много дешевле).

ЗАМЕЧУ: Стоимость одной лопасти крыльчатки газовой турбины
соизмерима со стоимостью автомобиля.

Дороговизна лопастей крыльчатки является следствием
экстремальных (тепловых и механических) условий,
в которых работает газовая турбина.

[Мастеров АВ]

Я бы к этой схеме добавил ещё один контур:
за паровым поставил бы фреоновый.

Обратите внимание на то, что пар (93^оС)
выбрасывется на улицу.

Фреоновый контур мог бы работать
на разности температур
с окружающей средой.
(зимой, в северных широтах,
это было бы весьма экономично)

Если зимой замораживать озеро,
то и летом можно сэкономить.

[Pribavkin]

Тот "абажур", что стоит после сопла Лаваля...
вообще какая-то хрень, непонятно - зачем ?

Если бы он мог создать тягу...
то он должен быть очень и очень прочным,
иначе его просто разорвёт или сомнёт.

У меня родился один вариант реализации идеи Мастерова,
который наверняка может дать хороший эффект по увеличению тяги ракетного двигателя.
Но мне надо дождаться, пока Мастеров на свою идею подаст заявку на патент.
Дело в том, что сейчас все заявки публикуются (публикуется только формула изобретения).
Тогда я его заявку включу в текст своего описания изобретения в качестве прототипа.
Я предлагаю Мастерову не тянуть, а сейчас написать текст своей заявки и послать его в Патентное ведомство.