Мой постоянный читатель и подписчик, Виктор Лактюхин, регулярно мне ставит в укор, что я не могу просто так "пройти мимо" и не пнуть лишний раз "немогликов" за низкий уровень знаний - как технических, так и более общих, академических.
Увы, признаю, да, это так. Кто "громче всех кричит" из "немогликов" - тем более он "тупой". Ему бы помалкивать, да подтягивать уровень знаний - но на этого ему мозгов не хватает... Не только что бы подтягивать уровень, но даже и для того, что бы просто помолчать...
Но сегодня "главный герой" из противоположенного лагеря, из "могликов". Персонаж с ником Владимир Ф.
В комментариях к статье
Аполлон-11 на пленке Фила Полейши
он на полном серьезе утверждает, что для РД-180 характеристика удельный импульс в вакууме - не применима. Вот так! Одним росчерком пера, или скорее несколькими нажатиями кнопок Владимир Ф переписал всю основу ракетной техники...
Причем - на справедливо и корректно сделанные замечания "сей персонаж" стал отвечать оскорблениями. Такова натура настоящего "моглика", тут уж ничего не поделаешь...
По делу...
Двигатель РД-180 был разработан на базе РД-170/171 специально для американцев, для их РН Атлас (в очередной модификации)
От РД-170 - камера сгорания со всеми процессами - победить колебания давления самых разных частот в процессе горения топлива, не дать уйти в резонанс и уничтожить двигатель - та еще задача. И эта задача усложняется с ростом давления и увеличения размеров КС. Глушко и "сотоварищи", несмотря на опыт и знания, не смогли реализовать большую КС и сделать "700-тонник" в однокамерном варианте - разделили на 4 маленьких. А американцам - по оф версии - эта задача оказалась "по зубам" на Ф-1, только вот повторить свой результат больше так и не смогли. Для Артемиды делали какое то "извращение" в виде СЛС, но со временем сами поняли, что за "пургу" несут. Илон Маск так вообще воспользовался опытом специалистов СССР и пошел по пути Н-1..
Отвлеклись... От 170-го - КС, а вот ТНА - свой, ибо меньшего размера и больших оборотов.
К основам работы РД
В КС насосы подают под высоким давлением компоненты топлива. Давление это - выше чем в КС. В КС происходит горение, температура достигает значительных величин, объем продуктов сгорания сильно увеличивается, в сравнении с объемом подаваемых компонентов (но давление не увеличивается) и эти продукты сгорания истекают наружу через сопло. Ускоряются/разгоняются в дозвуковой суживающейся части сопла (в абсолютной величине эта скорость много больше скорости звука в воздухе на уровне земли), а затем в расширяющейся сверхзвуковой.
Достигнутая скорость истечения - один из самых важных параметров двигателя, или даже самый важный. Так как в формуле Ньютона о сохранении импульса
m1v1=m2v2
системы v2 есть скорость истечения газов, то чем она выше, тем меньше нужно топлива для достижения ракетой той же скорости, или тем большей скорости ракета достигнет при одном и том же запасе топлива.
Эта скорость и есть удельный импульс, выражаемый в м/с.
Будучи разделенным на ускорение свободного падения на уровне земли (м/с**2) удельный импульс получает размерность секунды. В литературе, справочниках используются обе размерности, но м/с проще для понимания неспециалистами.
На срезе сопла поток газов (продуктов сгорания) имеет некоторое полное давление, которое складывается из статического давления и динамического.
Для работы двигателя ТОЛЬКО В ВАКУУМЕ это полное давление может быть сколь угодно низким - ничто не мешает истеканию струи газов. Показательный пример - двигатель КК Аполлон
Ну очень большое сопло... Все - в погоне за удельным импульсом. Но тут есть некоторые подводные камни - размер сопла - это дополнительная масса, и она может быть не скомпенсирована увеличением удельного импульса. Вообще любопытно было бы проанализировать со всех сторон этот двигатель - все ли с ним так "гладко" как в официальной версии и расчетах?
Для работы в атмосфере все гораздо хуже (для двигателя и для его удельного импульса) - есть противодавление. Равное 1 атм на уровне моря - 1 кг/см2. И для того, что бы газы истекали из реактивного двигателя, полное давление на срезе сопла должно быть много больше этой величины.
Двигатели первой ступени имеют сопло со сравнительно небольшой степенью расширения (площадь среза сопла к площади критического - самого узкого - сечения).
Но с постоянным противодавлением двигатель работает только на стенде. Уже на высоте 10 км от полного противодавления на уровне моря остается только треть. А на 30 км - только "следы" противодавления.
Поэтому один и тот же двигатель - к примеру РД-107 - у земли имеет одну скорость истечения, а по мере подъема на высоту, если не меняются настройки/регулировки/управление эта скорость постепенно увеличивается, достигая максимума в вакуум.
Так как окончание работы двигателя первой ступени практически у всех РН происходит на высоте в несколько десятков км, то он последовательно проходит атмосферный участок, "полуатмосферный" участок и вакуумный.
Двигатель второй ступени, в случае тандемной компоновки, запускается на большой высоте, где противодавление отсутствует, поэтому может иметь сопло с большой степенью расширения и более высоки удельный импульс.
Именно поэтому - тандем, это хорошо.
Пакетная компоновка и иже с ними - те же мощные водородники - находятся в весьма сложных условиях. Нужно хорошо работать у земли, с полным противодавлением, и намного дольше, чем двигатели первой ступени в вакууме. Приходится идти на компромиссы - плохо и там и там. У земли струя на выходе из сопла несколько перерасширена, а на высоте - сильно недорасширена. Компромисс...
Но на эти компромиссы часто приходится идти потому, что запуск на высоте - для всех двигателей весьма сложен. И наибольшая сложность - у мощных водородников.
Именно потому РН Энергия
имеет пакетную компоновку и запуск водородников у земли (хотя есть и другие причины), как и все другие РН с мощными водородниками. Не умеют сейчас запускать их на высоте - когда то умели (у Сатурн-5) но с тех пор как то разучились.
Возвращаясь к РД-180.
Что американцы заказали - то бывшие советские специалисты и разработали. А именно - двигатель первой+второй ступени.
Первой - потому, что запускается у земли, второй - временем работы перекрывает положенное для второй ступени.
Вот схема РН Атлас
В полной конфигурации - это обычная трехступенчатая ракета с запуском второй ступени у земли. Со всеми особенностями и "прелестями".
По отношению тяга к массе двигателя (тяговооруженность) - это типичный представитель двигателей второй ступени, который "заставили" работать у земли.
Нашу Ангара-5 тоже нельзя назвать совершенством
Пакет и запуск второй ступени у земли можно простить королевской "семерке", превратившейся в Союз - времена тогда были такие и того самого времени для отработки и "вылизывания" просто не было.
Но сейчас, спустя столько лет развития делать такое...