Как Чанчжэн-9 может стать лучше Старшипа? 3 технологических прорыва для Китайской сверхтяжёлой ракеты

Привет всем! Недавно я изучил китайскую сверхтяжёлую ракету-носитель и продумал несколько инженерных решений, которые могут довести её до уровня ускорителя Super Heavy и даже лучше! Моей целью было не просто предложить случайные идеи, а провести чёткий анализ для утверждения технологий, которые на сегодняшний день вполне реализуемы.

Безусловно, данный китайский сверхтяж просто впечатляет, но я верю, что его потенциал на этом не ограничивается. Ниже будут предложены 3 инженерных решения для лютого апгрейда.

1. Современные материалы: Полный переход на угле-композитные конструкции🚀

Проблема: Привычные для космонавтики Алюминиево-Литиевые сплавы хоть и надёжные, но не позволяют снизить сухую массу ступеней ракеты.

Решение: Изготовление баков и силовых конструкций из углеродных композитов. Материалом является углепластик на основе Эпоксидной смолы M21E (толщина ~ 4-6 мм; разработан компанией Hexcel). Он выбран потому, что его основные свойства просто впечатляют:

1. Высокая удельная прочность, или же отношение прочности к весу.

2. Стойкость к микроповреждениям, что must-have для многоразовых ступеней, находящихся под циклическими перегрузками.

3. Не становится хрупким при криогенных температурах, требуемых для жидкого водорода LH2 и жидкого кислорода LOX.

Очередная проблема: Мелкие молекулы водорода H2 с лёгкостью будут просачиваться сквозь неплотные угле-композиты.

Очередное решение: Дополнительный внутренний слой из металлической диффузионной мембраны. Её толщина будет меньше миллиметра, что не даст особого прироста к массе. Материалом является алюминиевый сплав AA 2219 (толщина ~ 1 мм). Он выбран не просто так, потому что его свойства офигенные:

1. Отличная свариваемость.

3. Высокая вязкость при криогенных температурах. Это значит, что материал не теряет своих свойств при низких температурах.

4. Низкая диффузионная проницаемость для водорода H2, так как алюминий – лучший барьер от него.

Итого: Баки имеют 2 слоя – внешний и внутренний. Внешний слой составляют угле-композиты, а внутренний – металлическая диффузионная мембрана. Это справедливо только для баков 1-ой ступени.

Ожидаемый эффект: Снижение сухой массы первой ступени на 25-30%. А это увеличивает грузоподъёмность ракеты на несколько десятков тонн (наша цель – 150 тонн на НОО).

Сложность: Строить огромные баки из угле-композитов это ОЧЕНЬ трудоёмко и дорого. Но китайские производственные мощности способны справиться с этим технологическим вызовом, а дорогие композиты себя спокойно окупят, так как мы получаем лютейший прирост к грузоподъёмности, благодаря этим нововведениям.

2. Двигательная установка: Самая мощная связка криогенного топлива💪

Схема ХРД, работающего на связке жидкий водород LH2 – жидкий кислород LOX.

Я предлагаю перейти на схему, обладающую самым высоким удельным импульсом. Использовать эту связку следует как для двигателей 1-ой ступени, так и для двигателей 2-ой ступени.

Топливо: Жидкий водород (LH2) / Жидкий кислород (LOX) на всех ступенях.

Рабочий цикл: Замкнутый цикл с дожиганием. Он позволяет достичь рекордных значений удельного импульса.

Принцип работы:

1. Вся топливная пара (LH2 и LOX) проходит через турбонасосный агрегат (ТНА).

2. Водород (LH2) после охлаждения сопел и камеры сгорания частично направляется в газогенератор, где создаёт горячий газ в реакции с кислородом (LOX).

3. Этот газ раскручивает турбину, но не сбрасывается, а инжектируется в камеру сгорания для дожигания.

Результат: Максимально возможный удельный импульс, так как мы не теряем рабочее тело и энергию.

Инновационная система охлаждения (приоритет!):

1. Регенеративное охлаждение: Прокачка водорода по сотням каналов (или же трубок) в стенке камеры сгорания и сопла Лаваля для их защиты от плавления и предварительного подогрева топлива. Водород забирает тепло, заранее подогреваясь, что повышает эффективность его последующего сгорания.

2. Завесное охлаждение: Инжекция части жидкого водорода через пористую стенку/многослойную сетку для создания защитного «холодного» слоя между газами и стенкой в критических зонах. Это повысит температуру в камере сгорания, а соответственно, и удельный импульс тоже.

Результат: Достижение рекордных значений удельного импульса, а это просто прекрасно в любых отношениях.

Но это приводит к ряду проблем:

1. Сложность хранения топлива и окислителя в баках. Температура кипения кислорода ~ -183°C, а водорода ~ 253°C. Нужна хорошая система отвода тепла.

2. Требуются очень прочные и тяжёлые сплавы для камеры сгорания. Это приводит к увеличению массы. Но КПД и удельный импульс данной двигательной установки окупает затраты по массе. Экономить массу будем на баках.

Решение: Использование современных материалов и сплавов для камеры сгорания. Материалы для критических элементов/зон:

1. Несущая конструкция активной зоны: Медь-Циркониевый сплав. Прочность при относительно низкой массе, а самое главное – уникальное свойство меди. Медь обладает высокой теплопроводностью, что идеально для регенеративного охлаждения.

2. Внутреннее жаропрочное покрытие активной зоны: ЖС-32. Это российский никелевый сплав, который способен выдерживать экстремальные температуры и термические удары.

3. Лопатки турбины ТНА: ЖС-36. Это тоже российский никелевый сплав, но способный выдерживать не только экстримальные температуры, но и супер-высокое давление.

4. Валы и корпуса ТНА: Титановый сплав ВТ8. Это ещё советский сплав, обладающий неадекватной (в хорошем смысле) прочностью при низком весе.

Да, я понимаю, что все эти материалы очень дорогие. Справедливо утверждать, что ракета будет очень дорогой к постройке и это сложно окупается. НО: я могу точно сказать, что это ещё как окупается. Ракета буквально становится неубиваемой, а также способной выводить рекордные грузы (по массе) на орбиту. В следующем пункте мы убьём цены запуска, опустив их в 10 раз!😀

3. Многоразовость: Оптимизированная архитектура, а не прямое копирование😉

Я предлагаю не идти по дороге SpaceX. Использование таких систем, как решётчатые рули – это риск (из-за возможного отказа систем). Использовать только основные двигатели – это тоже риск (из-за сложности посадки). Вы, конечно, можете поспорить, но пожалуйста, вчитайтесь в следующие пункты.

Концепт посадки: Гибридная система посадки (Основные двигатели + Посадочные двигатели).

1. Фаза торможения: Осуществляется с помощью работы 2-ух из 4-ёх основных двигателей. Тяга 40-50%.

2. Фаза посадки: Осуществляется с помощью специализированных посадочных двигателей. Основные двигатели отключаются. Это позволяет исключить возможность возгорания или повреждения основных двигателей.

Посадочные двигатели:

1. Тип двигателей: обычные ЖРД (жидкостные ракетные двигатели). Нам не нужна сложная система охлаждения, потому что эти двигатели будут работать каких пару десятков секунд. Плюс ко всему, они дешевле в производстве.

2. Количество и компоновка: 8 штук, равномерно расположенных по периметру 1-ой ступени. Если 1/2 из них откажут, то другие спокойно скомпенсируют их работу.

3. Топливо: те же LH2 и LOX из основных баков. Это исключает потребность в дублировании систем, что упрощает конструкцию.

Система посадочных опор:

1. Тип: Телескопические опоры с гидравлической системой амортизации. Как у SpaceX, но лушче.😏

2. Материалы: Углепластик + титановые сплавы.

3. Принцип работы: Они раскрываются при посадке в паре метров от поверхности Земли. Эти опоры берут на себя весь удар ракеты о землю и с помощью амортизации позволяют ракете плавно сесть. Они также не дают ей упасть после посадки.

4. Дополнение: Их аэродинамическое сопротивление минимально, а отсутствие сложных шарниров и приводов для раскрытия повышают надёжность.

Экономический эффект: Снижение стоимости запусков в 10-15 раз! Это позволит запускать эту РН на орбиту на постоянной основе при малейших затратах (обслуживание/ТО + топливо). Китай получит то же самое преимущество, что и SpaceX.

Итак, я не утверждаю, что все эти идеи абсолютно правильны. Если вы со мной в чём-то не согласны, то можете описать своё мнение в комментариях. Я буду рад почитать любую критику по моим идеям. ☺

Поднебесная активно развивает свои космические технологии. И это происходит очень стабильно, но, к сожалению, медленно. Но я верю, что в будущем Китай будет таким же важным игроком на космической арене, как и США.💪🇨🇳

Источник: habr.com