A probléma sok motorral - Bernd Leitenberger blogja
Most a fenti implicit kérdésre nagyon egyszerű a válasz: Minden motor hibaforrás. A folyékony üzemanyaggal rendelkező sugárhajtású motorokra szeretnék korlátozni, mivel a szilárd tüzelőanyag-emelők általában megbízhatóbbak, legalábbis ezt mondják nekünk a hordozórakéták hamis indításának statisztikái. A folyékony motorral rendelkező motornak a mozgó alkatrészek miatt több meghibásodási lehetősége van.
Vegyünk egy példát: Két fokozatú és egy-egy motorral rendelkező rakéta, például a Delta IV, összehasonlítva egy három fokozatú és hat motorral a három szakaszban (4, 1, 1), pl. Az Ariane 1-3. Tegyük fel, hogy minden motornak 1% -os meghibásodási kockázata van. Ezenkívül vannak más alrendszerek a rakétában, például kezelőszervek, fokozatok elválasztása, tartályok, szelepek, amelyek meghibásodhatnak. mondjuk ők felelnek a hamis indítások 1% -áért.
Az egyik esetben a hamis indulás kockázata 3%, a másikban 7% - kevésnek hangzik, de abszolút értelemben ez 133% -os növekedést jelent. Ha most az első szakaszban nyolc-kilenc motorra vált, mint például a Saturn IB, az Ariane 4 vagy a Falcon 9 esetében, a kockázat még nagyobbá válik, és az N-1 esetében, összesen 44 motorral öt szakaszban, a hiba valószínűleg valószínű.
Hogyan lehet ezt ellensúlyozni?
Egyrészt természetesen a motorok műszaki tervezésével. Vagy azzal, hogy nagyon egyszerű, így a meghibásodás valószínűsége kicsi - tehát dolgozzon bevált technológiával, magas biztonsági küszöbökkel. Ilyenek például a Viking motorok: alacsony égéstér nyomással működnek, az üzemanyag hipergolikusan meggyullad (nincs szükség gyújtórendszerre), a regeneratív hűtés mellett filmhűtést is alkalmaznak.
A második lehetőség az, ha ez teljesítmény okokból nem lehetséges, a motorok alapos tesztelése az összes tervezési és rejtett hiba megtalálása érdekében. Ezt az NK-33-mal és a 43-zal, de az F-1-vel és a J-2-vel is elvégezték. Ennek növelnie kell a megbízhatóságot. Problémássá válik azonban, ha egy motor összetett, alacsony biztonsági tartalékkal rendelkezik és alig tesztelik. Ekkor elkerülhetetlen a kudarc. Tehát nem meglepő, hogy az N-1 motorok első generációjának riasztóan alacsony megbízhatósága volt.
Egy másik lehetőség az, hogy felfegyverezzük magunkat egy kudarccal szemben, amikor az már statisztikailag valószínű. Most jön a híres kulcsszó: „motor ki képes”. Egyszerű angolul: egy rakétának képesnek kell lennie arra is, hogy teljesítse küldetését, ha a motor meghibásodik. Mindig lesznek helyzetek, amelyek veszteséghez vezetnek. Ha egy motor felrobban, pontosabban a turbina/turbó szivattyú szétesik a mozgó részeivel, akkor a szilánkok valószínűleg károsítják a környező motorokat. Másrészt egyetlen kevlár borító sem segít, például az N-1-be vagy a Falcon 9-be. Az N-1-ben legalább egyik hamis indítás sem akadályozta meg őket.
De ez inkább kivétel. Gyakran előfordul, hogy a meghibásodásokat időben fel lehet deríteni, és a motort ki lehet kapcsolni, mielőtt megsérülne, legalábbis ha külön üzemanyag-vezetékekkel rendelkezik.
A felmerülő probléma a tolóerő-aszimmetria és a tolóerő-veszteség. Először is az utóbbiról: még akkor is, ha a rakéta felszállási gyorsulása olyan nagy, hogy a tolóerő elvesztése nem vezet magasságvesztéshez, mégis növeli a gravitációvesztést. Ezért ennek elnyeléséhez mindig szükség van üzemanyagtartalékra. A Saturn IB motorkihajtó képessége 1000 kg körül volt. (Nem csak ebben az esetben). Mivel a tartaléknak csak az első szakasz hibás működését kell elnyelnie, mérete független a hasznos tehertől, mivel ez alig befolyásolja a teljes súlyt. Még akkor is, ha az 1000 kg (ami a LEO hasznos terhelésének 7% -ának felel meg) még elviselhető a LEO missziókban, ezek a Hold-küldetések hasznos teherének körülbelül 20% -át teszik ki.
A második a tolóerő-aszimmetria. Mert most egy bizonyos helyzetben hiányzik a tolóerő. Szabályozás nélkül a rakéta ebbe a helyzetbe tör. Most minden hordozónak van forgatható motorja, de ez csak egy bizonyos szögben működik, 6-9 fok gyakori. Ha a maximális eltérítés nem elegendő a kompenzációhoz, a küldetés elvész. Íme egy példa: Az Ariane V35-zel a nyolc motor egyikében a tolóerőt egy üzemanyag-vezetékben lévő rongy csökkentette. 90 másodperc elteltével a motorok elérték a legnagyobb lehajlást, és már nem voltak képesek kompenzálni az aszimmetrikus tolóerőt. A rakéta megpördült, és 110 másodperc múlva olyan törések voltak a szerkezetben, amelyek elindították az önpusztítást.
A szokásos eljárás a motor meghibásodása esetén a "motor kioltási képességével" rendelkező hordozón a motorok szimmetrikus elhelyezése a forgástengelyre és az ellenkező motor kikapcsolása, így a Saturn V a második próbarepülésen történik. A tolószimmetria így megmarad. Ez azonban megduplázza a tolóerő elvesztését és ezért a szükséges magas tartalékokat is. A Falcon 9, mint a legújabb, ezzel a képességgel rendelkező modell azt jelenti, hogy továbbra is 7 motorral kell működnie. A jelenlegi motoroknál ez még nem áll fenn, mivel a lendület a felszállás után közvetlenül meghibásodás esetén túl alacsony ahhoz, hogy tovább gyorsítsa a rakétát. Ez a tervezett frissítés esetében is így lesz.
Elképesztő, hogy minél több motort használ egy rakéta, annál könnyebb csillapítani a hibát. Vegyük az N-1-et 30 motorral az első szakaszban. minden harmadik induláskor hiba várható 99% -os megbízhatósággal. De a tolóerő csak 3,3% -kal csökken. Az ellenkező motor leállításával 6,7% -kal. A veszteséget azonban még mindig enyhén el lehetne fedezni a motorok forgatásával.
Ennek ellenére a tendencia a motor felé mutat. Egy nagyobb tolóerővel rendelkező motor olcsóbb előállítása, mint több alacsonyabb tolóerővel, a rendszer egyszerűbb és a meghibásodás kevésbé valószínű, bár katasztrofális következményekkel jár. Kevés oka van a sok motor használatának. Nagyon nagy motorok esetében ez a magas fejlesztési költség, csak néhány hold- vagy Mars-misszióra történő telepítéssel párosulva, ezért az Ares V és a Saturn V egyaránt öt vagy hat motort használ az első szakaszban. Egy másik ok az lehet, hogy csak néhány típusú motorra van szükség minden szakaszban. Tehát az Ariane 1-4 típusával a második szakasz, az első szakasz és az emlékeztető. Az N-1-nek van egy típusa az első és a második, a másik pedig a negyedik és a harmadik szakasz számára. Akár csak egy típussal is működne, például egy motor - négy motor - 16 motor kombinációjával, három fokozatban.
Ha kombinálja a motor kiesési képességét a túlzott tolóerővel és a bevált motorokkal, ez megmenti a küldetéseket. A Saturn I + V-n a motorok három küldetésen kudarcot vallottak, veszteség nem volt. De ha a „lusta” motorokat úgy kombinálja, hogy a „motor-out képesség” nem valósul meg megfelelően, az eredmény olyan hordozók lesz, mint az N-1 - egyetlen indítás sem volt sikeres. Amit semmiképp sem lehet feltartóztatni, az az emlékeztető meghibásodása - ezek saját üzemanyagtartályokkal rendelkeznek, a fő színpadhoz való csatlakozás nélkül. Még akkor is, ha egy motort le lehet kapcsolni, az üzemanyag ott marad, a súlypont megváltozik és a súly az égés végén növekszik - sok holt tömeget hordoznak.
Érdekes lesz, hol a Falcon 9.