Проблема багатьох двигунів - блог Бернда Лайтенбергера
Відповідь на вищезазначене неявне запитання досить проста: кожна машина є джерелом помилок. Я хочу обмежитися реактивними двигунами з рідким паливом, оскільки підсилювачі твердого палива, як правило, надійніші, принаймні так говорить нам статистика помилкових пусків ракет. Двигун з рідкими двигунами має більше можливостей виходу з ладу через рухомі частини.
Візьмемо приклад: Ракета з двома ступенями та одним двигуном кожна, наприклад, Delta IV, порівняно з ракетою з трьома ступенями та шістьма двигунами у трьох ступенях (4, 1, 1), наприклад Ariane 1-3. Припустимо, кожен двигун має 1% ризику відмови. Крім того, в ракеті є інші підсистеми, наприклад, елементи управління, поділ ступенів, резервуари, клапани, які можуть вийти з ладу. припустимо, вони відповідають за 1% фальстартів.
В одному випадку ризик помилкового старту становить 3%, в іншому 7% - звучить мало, але в абсолютному вираженні це означає збільшення на 133%. Якщо тепер ви перейдете на вісім-дев'ять двигунів на першій стадії, як у випадку з Сатурном IB, Ariane 4 або Falcon 9, ризик стає ще більшим, а при N-1 із загальною кількістю двигунів 44 у п'ять ступенів цілком імовірна поломка.
Як можна протистояти цьому?
З одного боку, звичайно, з технічним дизайном двигунів. Або, будучи дуже простим, так що ймовірність поломки невелика - тому працюйте із перевіреною технологією, високими порогами безпеки. Прикладом можуть служити, наприклад, двигуни Viking: вони працюють з низьким тиском у камері згоряння, паливо запалюється гіперголічно (система запалювання не потрібна), крім регенеративного охолодження також використовується плівкове охолодження.
Другою можливістю є, якщо це неможливо з міркувань продуктивності, широко перевірити двигуни, щоб знайти всі конструктивні та приховані помилки. Це було зроблено з NK-33 та 43, а також з F-1 та J-2. Це повинно підвищити надійність. Однак це стає проблематичним, коли двигун складний, з низькими запасами безпеки і майже не випробуваний. Тоді невдача неминуча. Тож не дивно, що перше покоління двигунів N-1 мало вражаюче низьку надійність.
Інша можливість - озброїтися проти невдачі, коли вона вже є статистично ймовірною. Тепер з’являється відоме ключове слово, «можливість вимкнути двигун». Простою англійською мовою: ракета також повинна мати змогу виконати свою місію, якщо двигун виходить з ладу. Завжди будуть ситуації, що призводять до втрат. Якщо двигун вибухне, точніше турбінний/турбонасос з його рухомими частинами розпадається, то осколки, ймовірно, можуть пошкодити навколишні двигуни. З іншого боку, жодні кевларові чохли, такі як вбудовані в N-1 або Falcon 9, також не допомагають. У N-1 принаймні жоден з фальстартів не заважав їм.
Але це радше виняток. Досить часто неполадки можна виявити вчасно, а двигун можна вимкнути до пошкодження, принаймні, якщо він має окремі паливні лінії.
Проблема, яка виникає, полягає в асиметрії тяги та втраті тяги. Перш за все про останнє: навіть якщо ракета має настільки високе злітне прискорення, що втрата тяги не призводить до втрати висоти, вона все одно збільшує втрату сили тяжіння. Тому завжди повинен бути доступний запас палива, щоб впоратися з цим. Для Сатурна IB з потужністю двигуна він становив близько 1000 кг. (Не тільки в цьому випадку). Оскільки резерв повинен усунути лише несправність першого ступеня, його розмір не залежить від корисного навантаження, оскільки це навряд чи впливає на загальну вагу. Навіть якщо 1000 кг (що відповідає 7% корисного навантаження LEO) все ще можна терпіти в місіях LEO, вони складають близько 20% корисного навантаження для місячних місій.
Другий - асиметрія тяги. Тому що зараз тяга відсутня в певному положенні. Без регулювання ракета виривається в це положення. Зараз у всіх перевізників є поворотні двигуни, але це працює лише під певним кутом, часто зустрічається 6-9 градусів. Якщо максимального відхилення недостатньо для компенсації, місія втрачається. Ось приклад: з Ariane V35 тяга в одному з восьми двигунів була зменшена ганчіркою в паливній магістралі. Через 90 с двигуни досягли максимального прогину і вже не могли компенсувати асиметричну тягу. Ракета закрутилася і через 110 с відбулися обриви конструкції, які ініціювали саморуйнування.
Таким чином, стандартною процедурою у випадку відмови двигуна на носії з "можливістю виходу двигуна" є встановлення двигунів симетрично до осі обертання, а також вимкнення протилежного двигуна, тому Сатурн V має місце під час другого випробувального польоту. Таким чином, симетрія тяги зберігається. Однак це також подвоює втрату тяги і, отже, високі резерви, які необхідні. З Falcon 9, як найновіша модель з цією можливістю, це означає, що вона все одно повинна працювати з 7 двигунами. Поки що це не стосується нинішніх двигунів, оскільки тяга у випадку поломки відразу після зльоту занадто низька для подальшого прискорення ракети. Це буде у випадку із запланованим оновленням.
На диво, чим більше двигунів використовує ракета, тим легше пом'якшити несправність. Візьміть N-1 з 30 двигунами на першому етапі. невдача очікується при кожному третьому запуску з надійністю 99%. Але тяга зменшиться лише на 3,3%. При відключенні протилежного двигуна на 6,7%. Однак втрати все ще могли бути компенсовані до такої незначної міри, обертаючи двигуни.
Тим не менше, тенденція йде до двигуна. Один двигун з більшою тягою дешевший у виробництві, ніж кілька з меншою тягою, система простіша і відмова менш вірогідна, хоча і з катастрофічними наслідками. Є мало причин використовувати багато двигунів. У випадку з дуже великими двигунами, високі витрати на розробку поєднуються лише з кількома розгортаннями для місячних або Марсових місій, саме тому як Ares V, так і Saturn V використовують п'ять або шість двигунів на першій стадії. Іншою причиною може бути те, що для всіх ступенів потрібно лише кілька типів двигунів. Так з Ariane 1-4 тип для другого ступеня, першого ступеня та підсилювача. N-1 має по одному типу для першого та другого, а інший для четвертого та третього етапів. Це може працювати навіть лише з одним типом, наприклад, комбінація одного двигуна - чотирьох двигунів - 16 двигунів з трьома ступенями.
Поєднуючи потужність двигуна з надмірною тягою та випробуваними двигунами, це економить місії. На Сатурні I + V двигуни виходили з ладу протягом трьох місій, і втрат не було. Але якщо ви поєднуєте «ледачі» двигуни з поганою реалізацією «можливості вимкнення двигуна», результатом є носії, як N-1 - жоден запуск не був успішним. У будь-якому випадку не можна перехопити несправність підсилювача - вони мають власні паливні баки без підключення до основної ступіні. Навіть якщо двигун можна вимкнути, паливо залишається там, центр ваги змінюється, а вага збільшується в кінці опіку - багато мертвої маси переноситься.
Буде цікаво, де знаходиться Falcon 9.