「ミサイル技術の知覚できない複雑さ」の第3部では、対処する必要がある第1部と第2部でまだカバーされていない問題についてお話したいと思います。 この記事は、最適でないエンジニアリングソリューションにつながるさまざまな制約の開発に専念しています。
液体燃料の種類
最初の実験の後、ロケットがエタノール、硝酸、テレビン油、およびその他の楽しい物質で飛行すると、3つの最も一般的なロケット燃料のペアは、酸素/灯油、酸素/水素、非対称ジメチルヒドラジン/四酸化窒素になりました。 当然、各タイプの燃料にはそれぞれ長所と短所があります。 ただし、最初は特定の衝動の定義を示したいと思います。
特定の運動量は、ロケット燃料の有効性の尺度です。 1つの定義によれば、これは、エンジンが1ニュートンの推力を発生し、1 kgの燃料を消費できる秒数です。 特定の運動量は、秒またはメートル/秒で測定されます。 MD 1 s = 9.8066 m / s
酸素/灯油 。 真空中の358 c、平均密度（エンジン運転の比率での混合密度）1,036 g / cm ^ 3。 最も人気のある燃料であり、最も使いやすく、最もマスターされています。 2つの主な欠点があります-最高のUIではなく、酸素が液体の形でタンクに貯蔵されるという事実です。 断熱材は打ち上げ用の乗り物にも搭載されていない場合があり、起動時に空気から凍った氷がそこから美しく落ちます。 しかし、ブロックを加速するには断熱が必要であり、追加の質量が必要です。 また、軌道補正のために液体酸素を数ヶ月間保存することはできません。 好奇心physical盛な物理的ハックがあります-過冷却酸素、すなわち 沸点以下の温度の酸素。 少し密度が高いので、同じタンクに収まりやすく、給油時に活発に沸騰しません。 このペアは、ソユーズ、ゼニット、アトラス、ファルコンなど、最新の打ち上げロケットを多数飛行します。
酸素/水素 。 UI 455秒間のボイド、平均密度0.3155 g / cm ^ 3。 最大のIAですが、重大な欠陥があります。 液体水素は酸素よりもはるかに多くの問題を引き起こします。 まず、酸素/水素ペアの密度が低いため、タンクは同じ直径の他の燃料ペアのタンクよりも2〜3倍高くなります。 第二に、そうでなければ液体水素が活発に蒸発するので、タンクは断熱材で行われなければなりません。 断熱材を使用しても、タンクを空にし、液体水素をほぼ最初まで供給する必要があります。 蒸発した水素は、空気との混合物が爆発性であるため、排出する必要があります。 これらのコンポーネントを使用した加速ブロックは数分間機能し、数時間にわたって存続し、単一コピーで作成され、はるかに高価であったブロックの長期にわたる変更が必要です。 シャトルとエネルギーはこのペア、アメリカ人のデルタ、ヨーロッパ人のアリアン-5、日本のフライのH-IIに乗っていました。
UDMH / AT 空隙内のDI 344秒、平均密度1.185 g / cm ^ 3。 UIは酸素/灯油よりもわずかに低く、非常に高密度で、正の温度で沸騰し、成分が混合されると自己発火し、燃料ではなく夢のようです。 1つの問題は、UDMHがひどい毒だということです。 NFPA 704、変異原性物質、催奇形性物質、発がん性物質による最高毒性クラス。 ATも贈り物ではありませんが、危険度クラスが低く、塩素のような有毒であり、植物はその後によく成長します-窒素肥料。 この燃料ペアの軽微な欠点には、材料の腐食（これに対抗できる）と、酸素/灯油のペアよりも高いコストが含まれます。 その上を飛ぶのは、中国人とGSLVインディアンの「プロトン」、「大キャンペーン」です。 アメリカ人の「タイタン」とヨーロッパ人の「アリアン」は飛びましたが、打ち上げロケットでは徐々に無意味になります。 事故の際に数百トンのコンポーネントがこぼれる危険性と使用済みステージのドロップセクションを非アクティブ化する必要があるため、このペアを打ち上げロケットで使用することは期待できません。 しかし、それはブースターユニットと衛星の推進システムで使用されます。なぜなら、飛行中に問題なく保管できるからです。
ステップの幾何学的な寸法、輸送
ジオメトリに関しては、ボールの固定領域の最大体積が達成されます。 空力抵抗と円柱の全表面は、半径の2乗に比例するため、ロケットは非常に低く幅が広い必要があります。 しかし、実際には、ロケットは非常に薄くて背が高いです。 実際、直径を大きくすると、ステージの製造と輸送の複雑さが増します。 私は、ステップでの作業の難易度の尺度が半径の二乗に反比例するという仮説を立てました。 過去20年間のミサイル発射に関するデータを収集しました（多くの発射は統計的基礎を提供し、非常に長い時間範囲では技術の変更によるエラーにつながることはありません）。ステージの最大直径（最も広いタンク）に応じて発射の数をプロットしました。 興味深いことに、仮説が確認されました：
また、古代ローマの2頭の馬の幅がスペースシャトルのペイロードの制限にどのようにつながったかについて、自転車を思い出すことができます。 もちろん、これは自転車であり、NASAの標準化部門でさえ反論することに苦労しましたが、一般的な原則は正しいです-輸送の問題は打ち上げロケットの開発に大きな問題をもたらします。
計算
Googleドキュメントでドキュメントを作成しました。 希望する特性速度、燃料、直径に応じてステージの寸法を確認できます。 Googleでデータをドキュメントにコピーして、オプションを操作できることを願っています。 設定されたパラメーターは、Delta-IVユニバーサルユニットに似たものに調整されます。 実際の特性速度よりもはるかに高い速度に注意してください。 実際には、空気抵抗、重力の損失がまだあり、エンジンは大気圧などのためにより小さな衝撃を地球に与えます。
文書の2番目のシートには、過去20年間のミサイル発射と最大戦車の直径に関するデータ、および収集されたデータのグラフが含まれています。
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誰ができる
アメリカは、緯度だけでなく幸運でした。 彼らの宇宙港は海岸にあり、船やはしけに足を踏み入れることは問題ではありません。
左側には外部スペースシャトル燃料タンクを輸送するためのはしけがあり、中央には桟橋から垂直組立棟までの輸送があり、右側にはデルタIVおよびアトラス-V LVステージを輸送するデルタマリナーがあります
したがって、アメリカ人は直径10.1 mの「サターンV」のステップと、直径8メートルのシャトルの外側の燃料タンクを運ぶことができました。
ヨーロッパ人の間では、Kourouスペースセンターも海岸にあり、Arian-5で5.4 mの大きな階段を使用できます。
私たちの状況はもっと複雑です。 直径17メートルの第1ステージN-1はバイコヌールですでに溶接されており、「エネルギー」の中央ブロックは飛行機で輸送されていました。 「プロトン」の直径は実際には4.1 mで、第1ステージのサイドタンクはバイコヌールのロケットの組み立て中に既に結合されています。 また、インターネットの噂によると、ロケットブロックを輸送するときは、対向車を鉄道で遮断する必要があります。 ここで彼は-ロシアの宇宙飛行士の秘密の敵-鉄道ゲージ：
すでに直径2.9 mのアンガラワゴンでは、 特大のインデックスがはっきりと表示されています-幅の制限はほとんどありません（6のうち5）
これまでのところ、鉄道輸送のみが利用可能です。 飛行機での運送は費用がかかり、サイズに制限があります。 新しい特別な航空機はもっと費用がかかります。 現地で組み立てるのは非常に高価です-新しい工場を建設する必要があります。 川沿いの輸送も不可能です。北海ルートに沿って移動するための川と船用の特別なはしけが必要になります。 今や超大型ロケットの開発に関して、ロスコスモスで動揺していることを考えると、どの幾何学的パラメーターがそこで選択され、どのように輸送されるのか非常に不思議になりますか？
レイアウト
たくさんのお金が宇宙に注がれ、そのような工学的に美しい「Saturn-V」を構築することは可能だった時代が過ぎました。 今、世界中でユニバーサルモジュールからの「フライングフェンス」のファッションは便利で安価なはずです。
左から右：デルタIV、アトラスV、ファルコン9、アンガラ
大量生産では、このようなワークステーションは安価でなければなりません。 まだまだマスターされていない摩擦溶接を使用しているため、将来のいくつかの興味深いビデオがあります：
ちなみに、前のビデオと比較して、構築されたワークショップは非常に認識できます。 こちらとこちらのワークショップと設備もご覧 ください 。
発射設備
1995年の「アンガラ」版でこのような奇妙な配置を引き起こしたのは、この質問に非常に興味がありましたか？
このスキームがアマチュアまたは「人々の敵」によって行われたと考える必要はありません。 庭で90年代前半を想像してみてください。 独立したカザフスタンのザコドリーのバイコヌールでは、宇宙港の使用に問題が生じる可能性があります。 プロトンは何かに交換する必要があります。 しかし、州にはお金がなく、大規模なプロジェクトは間違いなく機能しません。 また、プレセツク宇宙基地では、ほぼ完成したZenitロケットの打ち上げがあります。 「ゼニス」は、ほぼ14トンの軌道に投入されます。 「Zenith」の次元で新しいロケットを作成し、さらに戦車を追加すると、ペイロードを増やすことができます。 この奇妙なデザインが登場しました。
すでに完成した打ち上げ施設と同じ要因が、 Soyuz-2.1vの良い未来を予言しています。 通常の「ユニオン」のスタートは、クル、プレセツク、バイコヌールで行われますが（ここでは許可されません-コンペティションは「ベガ」です）、ボストチニーでスタートが作られています。
ちなみに、タンクの並列配置のアイデアは、プロトンで実装されました。 最初の段階では、直径4.1 mの酸化剤タンクが1つと、エンジンが置かれる燃料タンクが6つあります。 さらにエレガントになりました-酸化剤タンクの底まで通信が引き出され、別のケーブルマストが不要になりました。 そして、最初の段階は著しく短くなりました。これは曲げ荷重を減らすのに役立ち、ロケット全体での作業を簡素化します。 不思議なことに、彼らは今でもこの考えを忘れたくありません。たとえば、2013年11月のレポートからのスケッチの写真です。
左側の2番目のロケット-最初のステージに配置された並列タンク、左側の3番目のロケット-さまざまなコンポーネントの側面および中央タンク
お金
エンジニアリングソリューションには価格があるため、この制限は実際には他のすべてのものよりも優先されます。 明確にするために、KDPVのいミサイルは、ほとんどの場合、直径の異なる既製のブロックが使用されていたため非常にくなり、衛星の直径が大きくなったため、超口径フェアリングを作成する必要が生じました。
左側の最初のロケットはトールエイブルです。 既存の弾道ミサイル「トール」に「ヴァンガード」ロケット用に作られた「エイブル」ステージを設置しました。
2番目はおうし座です。 ペガサスロケットの打ち上げの手順の下でICBM「MX」とステージを置く
3番目はArian-4です。 残念ながら、私は彼女が非常にいから来た直接の先祖を見つけませんでした-それは不明です。
4番目はArian 6です。 新しい固体燃料ブロックへの移行、および上段は「Arian-5」のままであるため、直径が大きくなります。
5番目は1995年の「アンガラ」バージョンです。 私はすでに彼女について話しました。
PS最後の4つの記事のうち、2つは実際にあなたのリクエストに応じて書かれました。 記事を作成できる興味深いトピックのリストはありますが、使い果たされるにはほど遠いですが、宇宙探査に関する人気の科学記事を読みたいトピックがあるかどうか知りたいですか？ コメントであなたの希望を提供し、彼らが私に興味を持っているなら、私はそれらを順番に記事に入れます。