Problém mnohých motorov - blog Bernda Leitenbergera
Odpoveď na implicitnú otázku je celkom jednoduchá: Každý motor je zdrojom chýb. Chcem sa obmedziť na prúdové motory na kvapalné palivá, pretože posilňovače tuhého paliva sú všeobecne spoľahlivejšie, aspoň to nám hovoria štatistiky nesprávnych štartov nosných rakiet. Motor s kvapalinovými motormi má viac možností poruchy v dôsledku pohyblivých častí.
Uveďme si príklad: Raketa s dvoma stupňami a po jednom motore, napríklad Delta IV, v porovnaní s raketou s tromi stupňami a šiestimi motormi v troch stupňoch (4, 1, 1), napríklad Ariane 1-3. Povedzme, že každý motor má 1% riziko poruchy. Okrem toho v rakete sú aj ďalšie subsystémy, napríklad ovládacie prvky, oddelenie stupňov, nádrže, ventily, ktoré môžu zlyhať. povedzme, že sú zodpovední za 1% nesprávnych štartov.
V jednom prípade je riziko nesprávneho začiatku 3%, v druhom 7% - znie to ako málo, ale v absolútnom vyjadrení to znamená nárast o 133%. Ak teraz v prvom stupni prepnete na osem až deväť motorov, ako je to v prípade Saturn IB, Ariane 4 alebo Falcon 9, riziko sa ešte zvyšuje a pravdepodobnosť poruchy je celkom pravdepodobná pri N-1 s celkovým počtom 44 motorov v piatich stupňoch.
Ako tomu môžete čeliť?
Na jednej strane samozrejme s technickým prevedením motorov. Buď tým, že sú veľmi jednoduché, takže pravdepodobnosť poruchy je malá - pracujte preto s osvedčenou technológiou a vysokými bezpečnostnými prahmi. Príkladom sú napríklad vikingské motory: pracujú s nízkym tlakom v spaľovacej komore, palivo sa hypergolicky zapáli (nie je potrebný žiadny systém zapaľovania), okrem regeneratívneho chladenia sa používa aj chladenie filmu.
Druhou možnosťou je, ak to nie je možné z výkonových dôvodov, podrobne otestovať motory, aby sa našli všetky chyby návrhu a skryté chyby. To sa stalo s NK-33 a 43, ale aj s F-1 a J-2. To by malo zvýšiť spoľahlivosť. Problematickým sa to však stáva, keď je motor zložitý, s malými bezpečnostnými rezervami a ťažko testovaný. Potom je zlyhanie nevyhnutné. Nie je teda prekvapením, že prvá generácia motorov N-1 mala až alarmujúco nízku spoľahlivosť.
Ďalšou možnosťou je vyzbrojiť sa proti zlyhaniu, keď je to už štatisticky pravdepodobné. Teraz prichádza slávne kľúčové slovo „engine out capability“. V jednoduchej angličtine: raketa by mala byť schopná splniť svoju misiu aj v prípade zlyhania motora. Vždy budú existovať situácie, ktoré vedú k strate. Ak exploduje motor, presnejšie sa rozpadne turbína/turbočerpadlo s pohyblivými časťami, potom sú triesky pravdepodobne poškodené okolité motory. Na druhej strane, nepomáhajú ani žiadne kevlarové kryty, ako napríklad kryty zabudované do N-1 alebo Falcon 9. V N-1 sa nezabránilo prinajmenšom žiadnemu z nesprávnych štartov.
Ale to je skôr výnimka. Poruchy možno často zistiť včas a motor je možné pred poškodením vypnúť, aspoň ak má samostatné palivové potrubie.
Vznikajúcim problémom je asymetria ťahu a strata ťahu. Najskôr o druhom: aj keď má raketa také vysoké vzletové zrýchlenie, že strata ťahu nevedie k strate nadmorskej výšky, stále zvyšuje stratu gravitácie. Z tohto dôvodu musí byť vždy k dispozícii rezerva paliva. U modelu Saturn IB s možnosťou výstupu z motora to bolo okolo 1 000 kg. (Nielen v tomto prípade). Pretože rezerva má absorbovať iba poruchu prvého stupňa, jej veľkosť nezávisí od užitočného zaťaženia, pretože to ťažko ovplyvní celkovú hmotnosť. Aj keď je 1 000 kg (čo zodpovedá 7% užitočného zaťaženia LEO) v misiách LEO stále tolerovateľným, tvoria asi 20% užitočného zaťaženia pri mesačných misiách.
Druhým je asymetria ťahu. Pretože teraz ťah v určitej polohe chýba. Bez regulácie raketa vybuchne do tejto polohy. Teraz majú všetci dopravcovia otočné motory, ale funguje to iba pod určitým uhlom, bežne je to 6 - 9 stupňov. Ak na kompenzáciu nestačí maximálny priehyb, misia sa stratí. Tu je príklad: S Ariane V35 bol ťah jedného z ôsmich motorov znížený handrou v palivovom potrubí. Po 90 s dosiahli motory maximálnu výchylku a už nedokázali vyrovnať asymetrický ťah. Raketa sa roztočila a po 110 s došlo k zlomom v štruktúre, ktoré iniciovali sebadeštrukciu.
Štandardným postupom v prípade poruchy motora na nosiči s „možnosťou vypnutia motora“ je preto inštalácia motorov bodovo symetricky k osi otáčania a tiež vypnutie opačného motora, takže pri druhom skúšobnom lete dôjde k Saturn V. Symetria ťahu sa tým zachová. To však tiež zdvojnásobuje stratu ťahu, a preto sú potrebné vysoké rezervy. U modelu Falcon 9 ako najnovšieho modelu s touto funkciou to znamená, že by mal stále pracovať so 7 motormi. To zatiaľ nie je prípad súčasných motorov, pretože ťah v prípade poruchy bezprostredne po štarte je príliš nízky na to, aby raketa ďalej akcelerovala. To bude prípad plánovanej aktualizácie.
Je prekvapujúce, že čím viac motorov raketa použije, tým ľahšie sa dá zmierniť porucha. V prvej fáze si vezmite N-1 s 30 motormi. zlyhanie by sa dalo očakávať pri každom treťom štarte s 99% spoľahlivosťou. Ťah by sa ale znížil iba o 3,3%. Pri vypnutí opačného motora o 6,7%. Stratu však bolo možné v tejto malej miere absorbovať natáčaním motorov.
Trend je napriek tomu smerom k motoru. Jeden motor s vyšším ťahom je lacnejší z výroby ako niekoľko motorov s nižším ťahom, systém je jednoduchší a porucha je menej pravdepodobná, aj keď s katastrofickými následkami. Existuje veľa dôvodov na použitie mnohých motorov. V prípade veľmi veľkých motorov sú to vysoké náklady na vývoj spojené s iba niekoľkými misiami na Mesiaci alebo Marse, a preto Ares V aj Saturn V používajú v prvej fáze päť alebo šesť motorov. Ďalším dôvodom môže byť, že pre všetky stupne je potrebných iba niekoľko typov motorov. Takže s Ariane 1-4 typ pre druhý stupeň, prvý stupeň a posilňovač. N-1 má po jednom type pre prvý a druhý a druhý pre štvrtý a tretí stupeň. Fungovalo by to dokonca iba s jedným typom, napríklad s kombináciou jedného motora - štyroch motorov - 16 motorov s tromi stupňami.
Ak skombinujete schopnosť výstupu z motora s nadmerným ťahom a osvedčenými a osvedčenými motormi, šetrí to misie. Na Saturne I + V zlyhali motory pri troch misiách a nedošlo k žiadnej strate. Ale ak skombinujete „lenivé“ motory bez dobrej implementácie „schopnosti výstupu“, výsledkom budú nosiče ako N-1 - žiadny štart nebol úspešný. V žiadnom prípade nie je možné zachytiť poruchu v posilňovači - tieto majú vlastné palivové nádrže bez pripojenia k hlavnému pódiu. Aj keď je možné motor vypnúť, palivo tam zostane, zmení sa ťažisko a na konci popálenia sa zvýši hmotnosť - unáša sa veľa mŕtvej hmoty.
Bude zaujímavé, kde je Falcon 9.