да. у многих возникает такой вопрос, а какой двигатель лучше? как в принципе можно сравнить двигатели? вот например у РД-191M тяга по сведениям википедии 217,4 тонны силы на уровне моря
а вот его "главный конкурент" раптор
его тяга 269 тонн силы, ну пусть тоже над уровнем моря. какой из них лучше? перво наперво надо сравнить тяговооруженность считать будем по сухой массе.
для рд-191весит 2.3 тонны тогда 217.4/2.3 94,5 тонн силы на тонну. у раптора сухая масса 1,5 тонны тогда у раптора 269/1.5 - аж 179.3 тонны силы на тонну.
почему это важно. например раптор сможет поднять не более 269/g = 27,4 тонны т.к. тонна силы это сила которая действует на одну тонну в гравитационном поле земли. из них 1,5 тонны это сам двигатель, остальное все остальное: дополнительные агрегаты, топливо, полезная нагрузка.
т.е. если двигатель не может поднять сам себя, то неважно сколько их будет - некуда такая ракета не полетит.
т.е. это как с людьми: если в боксе фиксируется ничья, то побеждает тот, кто легче. в этом отношении раптор лучше 179.3 против 94,5.
но есть масса нюансов:
первое а какой расход топлива? на это вопрос позволяет ответить формула для удельного импульса:
I = F / dm * g
- I — удельный импульс [с],
- F — сила тяги двигателя [Н]
- dm — массовый расход топлива [кг/с],
- g — ускорение свободного падения (9.80665 м/с²).
Удельный импульс I — это время (в секундах), в течение которого 1 кг топлива создаёт тягу в 1 Ньютон. это время как правило известно и можно прикинуть расход топлива.
но тут сразу стоит оговорится: на пример в ионном двигателе разделены рабочее тело двигателя и энергия. а у ЖРД вся энергия запасена в топливе, которое и является для него и рабочим телом. т.е. УИ об эффективности двигателя говорит только для ЖРД.
т.е. для ионного двигателя может быть гигантский УИ, но это не горит о том сколько энергии для ускорения единицы топлива мы затратили. израсходовали килограмм рабочего тела, а сколько энергии потратили - может 1000 КДж, а может 1000 000 КДж.
у ЖРД всё проще. израсходовали килограмм топлива? так значит потратили теплотворную способность этого килограмма. УИ можно выражать по-разному обычно используют секунды.
из формулы следует что расход топлива будет равен dm = F / (I * g)
1 тс ≈ 9.81 кН
для Raptor: dm1 = 269 тс / (330 с * 9.81 м/с²) ≈ 0.815 кг/с на кН тяги
для РД-191М: dm2 = 217.4 / 314 ≈ 0.692 кг/с на кН тяги
умножим расход на теплотворную способность топлива. т.е. в секунду в камере сгорания выделяется энергии:
0.815 кг * 50,0 МДж/кг= 40 МДж для раптора
0.692 кг * 43,1 МДж/кг = 29 МДж для РД-191М
Raptor имеет больший массовый расход топлива на единицу тяги, чем РД-191М (0.815 > 0.692) энергии в секунду выделяется значительно больше что выражается в более высоком давлении в КС и температуре и как следствие эффективности (скорости истечения газов).
РД191(м) давление в камере сгорание среднее - где-то 26МПа у раптора давление намного больше 35 МПа. высокое давление это конечно хорошо, но материалы тоже имеют предел прочности, учитывая что они нагреваются до значительных температур. ну а второе:
двигатель Маска работает на метане. а жидкий метан имет плотность порядка 415 кг/м³. а плотность керосина 850 кг/м³ (его заливают переохлаждённым, поэтому я взял максимальную плотность) т.е для топлива Маску нужно в два раза больше места т.е. в два раза больший по объёму бак. т.е. двигатель Маска жрёт кубов в секунду топлива больше в 850/(415*dm1/dm3) т.е. где-то в 850/592 ~1.4 раза. т.е. нужен более объёмный бак.
как не трудно догадаться бак это будет больше весить. можно оценить площадь поверхности считая, что бак баки имеют одинаковую площадь основания, но имеют разную высоту. кроме того большая поверхность создаёт большее трение.
Маск понимает эту проблему и поэтому рассуждает об наддуве, чтобы можно было делать очень лёгкие баки.
ну и что сказать в заключении? какой двигатель лучше? российский или масковский? а примерно равнозначные. во-первых старшит регулярно взрывается - я считаю трубопроводы просто не выдерживают давления. а "глубокое дросселирование" в переводе с масковского на русский это попытка сбросить давление.
т.е. если процессы протекают при одинаковом объёме, а количество вещества мы уменьшаем, то падает давление, а вместе с ним и температура (см. уравнение состояния идеального газа) а вместе с ней и максимально возможный КПД системы ( см. труды дядьки Карно) читай удельный импульс.
можно конечно сказать что это сложная техника управления двигателем для посадки ступени. да, но откуда вы знаете как двигатель работает в режиме взлёта? может его тяга достигает пиковой лишь на небольшой промежуток времени, а все остальное время двигатель "глубоко задросселирован".
c другой стороны показал хорошую надёжность РД191 - не "м". вроде бы двигатель Маска отличает большая удельная тяга при большем удельном импульсе, но при этом используется топливо с очень низкой плотностью.
так что победу Маску вручить было бы крайне сомнительно, учитывая что он озадачен облегчением своих леталок. то посадочные опоры отяпает, то новый термин придумает типа "глубокое дросселирование". кроме того старшит ни разу не достиг орбиты. все это даёт основания сомневаться в заявленных цифрах. но как говорят компетентные люди: "сомнения к делу не пришьёшь".
однозначный ответ можно дать когда будет статистика полетов на РД191М и подтверждены его характеристики. пока статистики нет говорить о том что лучше, я считаю смысла не имеет, особенно если учесть практически сектантские высказывания фанатов Илона Маска.