रॉकेट प्रौद्योगिकी की अदृश्य कठिनाइयाँ: भाग 4. इंजन और टैंक के बारे में अधिक

श्रद्धांजलि के लिए हमारी दुनिया की अपूर्णता को श्रद्धांजलि अर्पित की जाती है जो विविध और अप्रिय है। आज हम इस बारे में बात करेंगे कि आपको तरल-प्रणोदक इंजनों के प्रदर्शन और टैंक डिजाइनरों की प्रतीक्षा करने वाली समस्याओं के बारे में क्या भुगतान करना है।

LRE ऑपरेशन योजनाएं

विभिन्न योजनाओं का अस्तित्व डेवलपर्स को वांछित लाभ (उपयोग में आसानी, उत्पादन में आसानी, उच्च कर्षण या उच्च विशिष्ट आवेग) और स्वीकार्य नुकसान के साथ सही का चयन करने की अनुमति देता है।

विस्थापन फ़ीड

सबसे आसान विकल्प। बूस्ट गैस का दबाव (पहले वहां नाइट्रोजन था, अब बड़े पैमाने पर हीलियम में बदल गया है) इंजन इनलेट पर आवश्यक दबाव पैरामीटर प्रदान करता है। GIRD और गोडार्ड के पहले रॉकेट प्रयोगों को विस्थापन फ़ीड पर किया गया था, लेकिन इसने समय के साथ दृश्य को नहीं छोड़ा। इस योजना का उपयोग उपग्रहों और अंतरिक्ष यान के प्रणोदन प्रणाली में किया जाता है। यूनियनों, शुटल्स, अपोलो ने इसका इस्तेमाल किया। विशेष रूप से अच्छा विस्थापन प्रवाह UDMH / AT फ्यूल पेयर के साथ संयुक्त होने के कारण इसके आटोमिनेशन के कारण होता है। यह कई समावेश की संभावना के साथ एक सरल, विश्वसनीय इंजन निकला।

लाभ:

• सादगी।
• विश्वसनीयता।
• घटियापन।
• टर्बोपम्प पर कोई जन हानि नहीं।
• कम जोर इंजन के लिए उच्च प्रदर्शन

नुकसान:

• कम विशिष्ट आवेग।
• पूरी तरह से थ्रस्टर्स के लिए अनुकूल है।

खुला सर्किट

कर्षण को बढ़ाने के लिए, विशिष्ट आवेग और इंजन की शक्ति, एक पंप पहले से ही आवश्यक था। केवल टरबाइन आवश्यक पैरामीटर प्रदान कर सकता है। पहले "वास्तविक" मिसाइलों - "वी -2", "आर -7" में टरबाइन - केंद्रित हाइड्रोजन पेरोक्साइड को चलाने के लिए एक अलग कार्यशील पदार्थ का उपयोग किया गया था, लेकिन फिर उन्होंने ईंधन घटकों के एक छोटे से हिस्से को जलाने के लिए स्विच किया। सबसे पहले, गैस जनरेटर निकास केवल किनारे पर डंप किया गया था, एक बहुत ही शानदार मशाल प्राप्त की गई थी:

एटलस लॉन्च व्हीकल लॉन्च किया। टार्च के आकार, शक्ति और रंग पर ध्यान दें। यह स्पष्ट रूप से देखा जाता है कि TNA अतिरिक्त ईंधन पर काम करता है जो हवा में जलता है।
सीधे ओवरबोर्ड में जेनरेटर गैस की निकासी बेकार लग रही थी, इसलिए इसे नोजल के सुपरक्रिटिकल हिस्से में भेजा जाने लगा - और इसमें थोड़ा सा UI जोड़ा जाएगा, और पर्दा कैसे काम करेगा:

क्लासिक तस्वीर - एफ -1 इंजन
हालांकि, एक खुले सर्किट गैस जनरेटर के जल निकासी का एक और दिलचस्प उपयोग मामला है - एक रोल कंट्रोल इंजन के रूप में:

फाल्कन -9 लॉन्च वाहन का दूसरा चरण। निकास पाइप का घुमाव एक घुमा बल की ओर जाता है जो मंच के रोल को नियंत्रित करता है।

अब एक ओपन सर्किट का उपयोग किया जा रहा है, और निकट भविष्य में गायब होने की संभावना नहीं है। एमआई के अपेक्षाकृत छोटे नुकसान के कारण, यह आपको अधिक शक्तिशाली इंजन ( एफ -1 ) या एक सस्ता इंजन ( आरएस -68 ) बनाने या सीमित संसाधनों ( मर्लिन ) के साथ एक टीम के लिए विकास संभव बनाने की अनुमति देता है।

लाभ:

• बंद सर्किट की तुलना में सरल और सस्ता।

नुकसान:

• बंद सर्किट की तुलना में कम विशिष्ट आवेग।

बंद सर्किट

इंजन के एसआई को बढ़ाने का तार्किक समाधान दहन कक्ष में गैस जनरेटर निकास को निर्देशित करने का एक प्रयास था ताकि यह कर्षण बनाने के लिए सबसे अच्छी परिस्थितियों में जल जाए। यह कार्य काफी कठिन था - दहन कक्ष में बहुत अधिक दबाव होता है, इंजन की स्थिरता के बारे में अतिरिक्त प्रश्न उठते हैं, क्योंकि एक और प्रतिक्रिया "टीएनए-दहन कक्ष" को जोड़ा जाता है। बंद सर्किट के इंजन USSR द्वारा बनाए गए पहले थे - एनके -15 और एनके -33 को भारी एन -1 रॉकेट, आरडी -253 प्रोटॉन पर काम करता है। संयुक्त राज्य अमेरिका ने इस सर्किट को काफी देर से उठाया - अमेरिका बंद सर्किट में पहला रॉकेट इंजन एसएसएमई मार्चिंग शटल इंजन था, जो हालांकि, ऑक्सीजन / हाइड्रोजन जोड़ी पर पहला बंद-चक्र इंजन बन गया।


लाभ:

• सबसे बड़ा आई.ए.

नुकसान:

• सबसे जटिल और महंगी योजना।

चरण संक्रमण सर्किट

रॉकेट इंजन भौतिकी का एक सुरुचिपूर्ण "हैक" - एक टर्बंप के संचालन के लिए इंजन नोजल को ठंडा करने की आवश्यकता को ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है। सर्किट का आविष्कार आरएल -10 इंजन के लिए किया गया था, जिसका उपयोग पचास वर्षों के लिए सेंटूर एक्सेलरेशन यूनिट में किया गया है।

लाभ:

• TNA पर कोई जन हानि नहीं।
• डिजाइन की सादगी।
• विश्वसनीयता।

नुकसान:

• केवल ऑक्सीजन-हाइड्रोजन जोड़े के लिए उपयुक्त है।
• टीएनए के साथ सर्किट की तुलना में दबाव कम है, इसलिए, यूआई कम है।

टैंक का आग्रह है

लॉन्च वाहन के टैंकों के अंदर भी कई दिलचस्प चीजें हैं। टैंक एक के ऊपर एक हैं, इसलिए, "ऊपरी" घटक की आपूर्ति के लिए पाइपलाइन, बूस्ट पाइपलाइन की आवश्यकता है, और यह भी, शायद, विभिन्न तापमानों के साथ पास के ईंधन घटकों को खोजने की समस्या को हल करना आवश्यक है। और ईंधन के उतार-चढ़ाव की समस्या भी है, जिस पर भी ध्यान देने की जरूरत है।

पाइपिंग घटक

यह सोयूज-2.1 वी लॉन्च वाहन के पहले चरण का ईंधन टैंक (निचला) है। बड़े नालीदार पाइप पर ध्यान दें। यह एक ऑक्सीडाइजर कंडक्ट है। चूंकि ऑक्सीकरण एजेंट तरल ऑक्सीजन है, इसलिए थर्मल इन्सुलेशन डालना आवश्यक है, ताकि पाइप पर केरोसिन जम न जाए। काश, यह सब अतिरिक्त द्रव्यमान की आवश्यकता होती है।

और यह अंगारा लॉन्च वाहन है। पीले रंग में हाइलाइटेड - एक पाइपलाइन जो एक ही कार्य करता है। अनुपातों को देखते हुए, यह एक ऑक्सीडाइज़र पाइपलाइन (ऑक्सीजन टैंक, ऑक्सीजन-केरोसीन जोड़ी के लिए मिट्टी के तेल से बड़े होते हैं) है, लेकिन उत्पादन की लागत को सरल और कम करने के लिए पक्ष से निकाला जाता है। एक ओर, यह अस्वाभाविक है, लेकिन डिजिटल नियंत्रण प्रणाली मिसाइल विषमता का सामना करेगी।

अंतर-टैंक डिब्बे

सैटर्न-वी रॉकेट के दूसरे और तीसरे चरण में, एक बहुत ही सुंदर समाधान लागू किया गया था - ऑक्सीजन और हाइड्रोजन टैंक में एक आम दीवार थी:

बाईं ओर एक अंतर-टैंक डिब्बे के साथ पहला चरण है, दाईं ओर एक आम दीवार के साथ दूसरा चरण है। लाल ईंधन है, नीला एक ऑक्सीकरण एजेंट है।
कठिनाई यह थी कि तरल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का तापमान 70 डिग्री सेल्सियस का अंतर था। इसलिए, दीवार में उनके बीच थर्मल इन्सुलेशन के साथ एल्यूमीनियम की दो परतें शामिल थीं। इस डिजाइन ने दूसरे चरण में 3.6 टन की बचत की। उत्सुकता से, स्पेस शटल का ईंधन टैंक, एक अर्थ में, एक कदम पीछे था, इसमें एक क्लासिक इंटर-टैंक कम्पार्टमेंट था।

बूस्ट पाइप

यदि आपने ऊपर SSME स्कीम की तैनाती की है, तो आपने देखा कि वहाँ हाइड्रोजन और ऑक्सीजन बाहर निकलते हैं। उनका उपयोग संबंधित टैंकों को बढ़ावा देने के लिए किया गया था। एक ओर, उन्होंने व्यक्तिगत बूस्ट गैस टैंकों पर वजन बचाया, दूसरी ओर, उन्हें एक अतिरिक्त पाइपलाइन प्राप्त हुई:

वही चित्र बड़ा है।

भिगोना विभाजन

यदि आपने टैंक अनुभागों के चित्रों की सावधानीपूर्वक जांच की, तो आपने शटल टैंकों के निचले भाग में विभिन्न चौड़ाई और क्रॉस के छल्ले देखे। ये ईंधन के कंपन को कम करने के लिए विशेष तत्व हैं।
शटल के ईंधन टैंक के नीचे स्थित क्रॉस का उपयोग टैंक के खाली होने पर फ़नल के गठन को रोकने के लिए किया जाता है। तथ्य यह है कि फ़नल ईंधन के गैसीय घटक के चूषण को जन्म दे सकता है, जिससे पाइपलाइन और इंजन में समस्या हो सकती है।
रिंग के आकार के तत्वों का उपयोग ईंधन के कंपन को नम करने के लिए किया जाता है। चूंकि यह तरल है, एक पैंतरेबाज़ी के दौरान एक दीवार पर ईंधन भर जाने से स्थिरीकरण प्रणाली के लिए समस्याएं पैदा हो सकती हैं। विभाजन बहुत बड़े हो सकते हैं, जैसा कि शनि I के पहले चरण में है:

या व्यावहारिक रूप से अनुपस्थित रहें, जैसा कि शनि V के तीसरे चरण में है:

वीडियो लंबा है, लेकिन मैं इसे देखने की सलाह देता हूं - एक रॉकेट के त्वरण के दौरान और शून्य गुरुत्वाकर्षण में तरल हाइड्रोजन का व्यवहार बहुत दिलचस्प है।
सामान्य नियम यह है कि एक कदम से जितनी अधिक युद्धाभ्यास की उम्मीद की जाती है, विभाजन का आकार उतना ही बड़ा होता है। उदाहरण के लिए, सोवियत ब्लॉक "ई" वोस्तोक लॉन्च वाहन का तीसरा चरण है। यहां विभाजन टैंक की लगभग पूरी ऊंचाई है, क्योंकि इकाई बहुत सक्रिय रूप से पैंतरेबाज़ी कर सकती है, और आप ईंधन को विभाजित नहीं कर सकते हैं:

और यह सब, अफसोस, द्रव्यमान की अतिरिक्त लागत।

टैंक खाली करना और तुल्यकालन प्रणाली

एक और समस्या जिसका समाधान किया जाना है। सबसे पहले, प्रत्येक इंजन का दहन कुछ अनूठा है। कर्षण और ईंधन घटक की खपत में निश्चित रूप से छोटे बदलाव होंगे। यहां तक ​​कि एक इंजन के लिए, एक विशेष प्रणाली स्थापित करना आवश्यक है ताकि ईंधन और ऑक्सीडाइज़र एक साथ समाप्त हो। और अगर हमारे पास कई टैंक या साइड स्टेप्स हैं, तो हमें एक विशेष सिस्टम स्थापित करना होगा जो कई चरणों में एक साथ घटकों के पूरा होने को सुनिश्चित करेगा। अब इस प्रणाली को ईंधन खपत नियंत्रण प्रणाली भी कहा जाता है और इसमें समतल सेंसर और डिजिटल कंप्यूटर का एक सेट होता है, जो रॉकेट नियंत्रण के अलावा, इस समस्या का हल भी करता है:

सोयुज लॉन्च वाहन का तीसरा चरण। टैंकों की धुरी के साथ SURT के लिए स्तर सेंसर हैं।
हालांकि, SURT के प्रयासों के बावजूद, वह स्वयं सटीकता की सीमा रखती है, इसलिए ईंधन का कुछ छोटा अंश अभी भी खो गया है। ईंधन भरने पर ध्यान दिया जाता है, तथाकथित को जोड़ते हुए। "ईंधन की आपूर्ति की गारंटी।"

उपसंहार

मैं "मून मशीनें" ( रूसी संस्करण , अंग्रेजी संस्करण ) श्रृंखला देखने की सलाह देता हूं। बहुत अच्छी तरह से और स्पष्ट रूप से उन कठिनाइयों को दिखाया गया है जिन्हें अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी के डिजाइन में हल किया जाना है।

नेविगेशन के लिए:

• चक्र का पहला लेख।
• दूसरा लेख ठोस ईंधन इंजन है।
• तीसरा लेख तरल ईंधन, ज्यामितीय आयाम, परिवहन के प्रकार हैं।