Problema cu multe motoare - blogul lui Bernd Leitenberger
Răspunsul la întrebarea implicită de mai sus este destul de simplu: fiecare motor este o sursă de eroare. Vreau să mă limitez la motoarele cu reacție cu combustibili lichizi, deoarece amplificatoarele de combustibil solid sunt, în general, mai fiabile, cel puțin asta ne spun statisticile privind pornirile false ale vehiculelor de lansare. Un motor cu motoare lichide are mai multe posibilități de avarie datorită pieselor în mișcare.
Să luăm un exemplu: o rachetă cu două trepte și câte un motor, de ex. Delta IV comparativ cu unul cu trei trepte și șase motoare în cele trei trepte (4, 1, 1), de ex. Ariane 1-3. Să presupunem că fiecare motor are un risc de avarie de 1%. Există și alte subsisteme în rachetă de ex. Control, separare etapă, rezervoare, supape care se pot defecta. să spunem că sunt responsabili pentru 1% din pornirile false.
Într-un caz, riscul unui început fals este de 3%, în celălalt 7% - sună puțin, dar în termeni absoluți înseamnă o creștere de 133%. Dacă treceți acum la opt până la nouă motoare în prima etapă, ca și în cazul Saturn IB, Ariane 4 sau Falcon 9, riscul devine și mai mare și eșecul este destul de probabil cu N-1 cu un total de 44 de motoare în cinci etape.
Cum poți contracara acest lucru?
Pe de o parte, desigur, cu designul tehnic al motoarelor. Fie fiind foarte simplu, astfel încât probabilitatea unei defecțiuni este mică - deci funcționați cu tehnologie dovedită, cu praguri de siguranță ridicate. Un exemplu sunt de ex. Motoarele Viking: funcționează cu o presiune scăzută a camerei de ardere, combustibilul se aprinde hipergologic (nu este necesar un sistem de aprindere), pe lângă răcirea regenerativă, se folosește și răcirea peliculei.
O a doua posibilitate este, dacă acest lucru nu este posibil din motive de performanță, să testați extensiv motoarele pentru a găsi toate erorile de proiectare și erorile ascunse. Acest lucru a fost făcut cu NK-33 și 43, dar și cu F-1 și J-2. Acest lucru ar trebui să crească fiabilitatea. Cu toate acestea, devine problematic atunci când un motor este complex, cu rezerve de siguranță reduse și greu testat. Atunci un eșec este inevitabil. Așadar, nu este surprinzător faptul că prima generație de motoare N-1 a avut o fiabilitate alarmant de scăzută.
O altă posibilitate este să te înarmezi împotriva unui eșec atunci când este deja statistic probabil. Acum vine faimosul cuvânt cheie „motor out capability”. Într-o engleză simplă: o rachetă ar trebui să-și poată finaliza misiunea dacă un motor nu funcționează. Vor exista întotdeauna situații care duc la pierderi. Dacă un motor explodează, mai exact turbina/pompa turbo cu părțile sale mobile se dezintegrează, atunci așchii ar putea deteriora motoarele din jur. Pe de altă parte, nicio acoperire din Kevlar, precum cele încorporate în N-1 sau Falcon 9, nu ajută. În N-1, cel puțin niciunul dintre pornirile false nu a fost prevenit.
Dar aceasta este mai degrabă excepția. Destul de des, defecțiunile pot fi detectate în timp util și un motor poate fi oprit înainte de a fi deteriorat, cel puțin dacă are conducte de combustibil separate.
Problema care apare este asimetria tracțiunii și pierderea tracțiunii. În primul rând despre aceasta din urmă: chiar dacă racheta are o accelerație la decolare atât de mare încât pierderea impulsului nu duce la pierderea altitudinii, crește totuși pierderea de greutate. Prin urmare, trebuie să existe întotdeauna o rezervă de combustibil disponibilă pentru a face față acestui lucru. Pentru modelul Saturn IB cu capacitate de oprire a motorului, acesta era de aproximativ 1.000 kg. (Nu doar în acest caz). Deoarece rezerva ar trebui să absoarbă doar o defecțiune a primei etape, dimensiunea sa este independentă de sarcina utilă, deoarece aceasta afectează cu greu greutatea totală. Fie ca cei 1.000 de kg (care corespund la 7% din sarcina utilă LEO) să fie încă tolerabili pentru misiunile LEO, acestea reprezintă aproximativ 20% din sarcina utilă pentru misiunile lunare.
Al doilea este asimetria tracțiunii. Pentru că acum tracțiunea lipsește într-o anumită poziție. Fără reglementare, racheta izbucnește în această poziție. Acum, toți transportatorii au motoare rotative, dar acest lucru funcționează doar într-un anumit unghi, 6-9 grade sunt comune. Dacă o deviere maximă nu este suficientă pentru a compensa, misiunea se pierde. Iată un exemplu: cu Ariane V35, tracțiunea la unul dintre cele opt motoare a fost redusă de o cârpă într-o conductă de combustibil. După 90 s, motoarele au atins deviația maximă și nu au mai putut compensa forța asimetrică. Racheta s-a învârtit și după 110 secunde s-au produs pauze în structura care a inițiat autodistrugerea.
Procedura standard în cazul unei defecțiuni a motorului pe un suport cu „capacitate de oprire a motorului” este, prin urmare, instalarea motoarelor punct-simetric față de axa de rotație și, de asemenea, oprirea motorului opus, astfel încât Saturn V are loc la cel de-al doilea zbor de încercare. Simetria tracțiunii este astfel păstrată. Cu toate acestea, acest lucru dublează și pierderea impulsului și, prin urmare, rezervele mari care sunt necesare. Cu Falcon 9, ca cel mai nou model cu această capacitate, aceasta înseamnă că ar trebui să funcționeze în continuare cu 7 motoare. Acest lucru nu este încă cazul motoarelor actuale, deoarece tracțiunea în caz de defecțiune imediat după decolare este prea mică pentru a accelera racheta în continuare. Acesta va fi cazul actualizării planificate.
În mod uimitor, cu cât o rachetă folosește mai multe motoare, cu atât este mai ușor să amortizezi o defecțiune. Luați N-1 cu 30 de motoare în prima etapă. un eșec ar fi de așteptat la fiecare al treilea start cu o fiabilitate de 99%. Dar impulsul ar scădea doar cu 3,3%. Cu oprirea motorului opus cu 6,7%. Cu toate acestea, pierderea ar putea fi în continuare absorbită în această mică măsură prin pivotarea motoarelor.
Cu toate acestea, tendința este spre un motor. Un motor cu tracțiune mai mare este mai ieftin de produs decât mai multe cu tracțiune mai mică, sistemul este mai simplu și eșecul este mai puțin probabil, deși cu consecințe catastrofale. Există puține motive pentru a folosi multe motoare. În cazul motoarelor foarte mari, sunt costurile ridicate de dezvoltare, împreună cu doar câteva implementări pentru misiuni lunare sau Marte, motiv pentru care atât Ares V, cât și Saturn V folosesc cinci sau șase motoare în prima etapă. Un alt motiv poate fi faptul că sunt necesare doar câteva tipuri de motoare pentru toate etapele. Deci, cu Ariane 1-4 un tip pentru etapa a doua, prima etapă și rapel. N-1 are câte un tip pentru prima și a doua și o alta pentru a patra și a treia etapă. Ar funcționa chiar și cu un singur tip, de ex. în combinație un motor - patru motoare - 16 motoare cu trei trepte.
Dacă combinați capacitatea de ieșire a motorului cu excesul de tracțiune și motoarele încercate, acesta economisește misiuni. Pe Saturn I + V, motoarele au eșuat în trei misiuni și nu a existat nicio pierdere. Dar dacă combinați motoare „leneșe” fără o implementare bună a „capacității motor-out”, rezultatul este purtători precum N-1 - nicio pornire nu a avut succes. Ceea ce nu poate fi interceptat în niciun caz este o defecțiune la un servomotor - acestea au propriile rezervoare de combustibil fără o conexiune la etapa principală. Chiar dacă un motor poate fi oprit, rămâne combustibil acolo, centrul de greutate se schimbă și greutatea la sfârșitul arderii crește - se transportă o mulțime de masă moartă.
Va fi interesant unde se află Falcon 9.