Вопрос про ракету.

[Dm177]

Некоторые космические ракеты-носители осуществляют разделение ступеней по следующей схеме:

1. Запуск реактивных ускорителей осадки топлива следующей ступени.
2. Отсечка тяги предыдущей ступени.
3. Рзделение ступеней.
4. Задержка ~ 1 сек.
5. Запуск двигателей следующей ступени.
6. Окончание работы реактивных ускорителей осадки топлива.

Давление топлива на входе турбопомпы двигателя, необходимое для его запуска создаётся за счёт давления наддува в топливном баке. Когда топливо = жидкий водород - для наддува используется газообразный водород.

Схематически нормальная ситуация в топливном баке выглядит так:



Но что произойдёт, если осадочные ускорители не сработают..

При разделении 1-й и 2-й ступеней - ракета движется в атмосфере, а значит её ускорение сменится торможением и в топливном баке начнётся переходный процесс со следующими начальным и конечным состояниями:

.


Вопросы:

1. Физика переходного процесса.
2. Ситуация на входе турбопомпы.

Относительно 1-го пункта некоторые утверждают, что это будет "пробулькивание" газообразного водорода через жидкий и только. Но как же с испарением и конденсацией ?

Если мы имеем топливный бак весьма большой высоты - значит ли это, что в течении всего времени, которое необходимо для "пробулькивания" - ситуация на входе турбопомпы будет такой же, как и в рабочем режиме ?

[Утундрий]

(Оффтоп)

Цитата:

Вопрос про ракету.

Это не вопрос, а заказ на исследовательскую работу. Форма оплаты: "Спасибо!"

[Dm177]

Утундрий в сообщении #351694 писал(а):

Это не вопрос, а заказ на исследовательскую работу.

Не могу согласиться :)

Скорее - это вопрос на понимание основ физики.

Сторонники "теории пробулькивания" утверждают, что если ( например ) взять достаточно высокую ёмкость ( например - диаметром 0.1 м и высотой 1000 м ), заполненную на 90% объёма очень лёгкой жидкостью и на 10% объёма паром этой жидкости под очень большим давлением, то если практически мгновенно перевернуть эту ёмкость вверх ногами - давление жидкости на дно ёмкости ( т.е. после переворота - на её "потолок" ) будет оставаться НЕИЗМЕННЫМ всё то время, которое необходимо пузырю пара на "путешествие" с одного конца "бутылки" до другого.

Может такое быть ???

На мой взгляд - это прямо противоречит "основам природного законодательства" :)))

[Dm177]

Что происходит с жидкостью, налитой на поверхность газа ?

Окажется ли при этом жидкость в невесомости ?

[Gravist]

Dm177 в сообщении #351851 писал(а):

Окажется ли при этом жидкость в невесомости ?

Окажется.
Рис.2 "неудачен". Давление в баке достаточно для начала работы турбонасоса + давление от вспомогательной ёмкости с Р=200ати.

[Dm177]

Gravist в сообщении #351918 писал(а):

Dm177 в сообщении #351851 писал(а):

Окажется ли при этом жидкость в невесомости ?

Окажется.

Тогда разделение ступеней в невесомости - частный случай разделения с торможением.

Особенно роднит их то, что из-за упругой деформации дна топливного бака - при отсечке тяги предыдущей ступени топливо в баке получает "пинок" и начинает двигаться к противоположной стенке ( бывшей до этого "потолком" ) даже в невесомости.

Насколько я понимаю физику - жидкость, оказавшаяся "на поверхности" газа, превращается в дождь. Значит, уточнённая схема переходного процесса должна выглядеть так:

1. Разделение с торможением.

.

.



2. Разделение в невесомости.

.

.


Получается, что отличие разделения ступеней ракеты-носителя в невесомости ( т.е. без торможения ) от разделения в атмосфере ( т.е. с торможением ) лишь в том, что переходный процесс в невесомости заканчивается "на полпути" - на стадии "дождя" ( заполняющего весь объём бака ).

Верно ?

...

Gravist в сообщении #351918 писал(а):

Давление в баке достаточно для начала работы турбонасоса

Если верить 3-му закону Ньютона, то в обоих случаях - жидкость, находящаяся в невесомости "на поверхности газа" - не давит ни на что.

Если бы в первом случае ( торможение ) газ давил на жидкость снизу - она бы лежала на нём, как на опоре, а не находилась в свободном падении.

Это так ?

[Kitozavr]

Dm177 в сообщении #351958 писал(а):

Если верить 3-му закону Ньютона, то в нашем случае - жидкость, находящаяся в невесомости "на поверхности газа" - не давит ни на что.

Это так ?

Нет, так как жидкость давит не только за счёт своего веса, но и потому, что стремится расшириться (принять форму сферы). и если сосуд не сферический, то жидкость будет оказывать давление на его стенки.

[Dm177]

Kitozavr в сообщении #351988 писал(а):

жидкость давит не только за счёт своего веса, но и потому, что стремится расшириться (принять форму сферы). и если сосуд не сферический, то жидкость будет оказывать давление на его стенки.

Точно!

Но в обсуждаемом случае - всеми источниками давления, кроме давления газа - можно ( по условиям задачи ) пренебречь.

Вопрос лишь в том, передаётся ли в "монолитной" жидкости давление наддува ( т.е. газа ), необходимое для отсутствия кавитации при запуске турбопомпы.

3-й закон Ньютона ( как я понимаю ) - полностью это ( в данном случае ) исключает.

Так ?

...

Также необходимо добавить, что хотя жидкость превращается в "дождь" не сразу - это не означает, что "монолитная" её часть продолжает "висеть на потолке", ожидая своей очереди на "дробление".

Как только жидкость оказывается в невесомости - она мгновенно превращается в "КАПЛЮ", которая уже затем начинает дробиться.

Вот почему, даже при разделении ступеней в невесомости, когда смешивание газа и жидкости происходит весьма неспешно - давление жидкости на входе турбопомпы становится примерно равным нулю немедленно после отсечки тяги предыдущей ступени.

Всё правильно ?

[Dm177]

Поскольку мы выяснили ( все согласны ? ), что в момент отсечки тяги - давление газа на жидкость ( оставаясь неизменным по абсолютному значению ) мгновенно становится равным нулю по векторной сумме ( т.е. газ сразу начинает давить на падающую жидкость равномерно с противоположных сторон ) - картинки со схемами переходного процесса нужно снова уточнить.


1. Разделение с торможением.

.

.



2. Разделение в невесомости.

.

.

...

Мгновенное обнуление векторной суммы давления газа наддува на жидкое топливо в баке ( при переходе жидкости к свободному падению в газе ) является строгим требованием 3-го закона Ньютона.

ЭТО ТАК ???

Очевидно, что никакое "пробулькивание" не может мгновенно переместить часть газа наддува на весьма значительное ( теоретически - сколь угодно большое ) расстояние ( с одного конца топливного бака на другой ).

За счёт каких же физических процессов ( и в соответствии с какими физическими законами ) это происходит ?

[Утундрий]

Мнится мне, что ничего кроме эмпирики тут не применишь...

[Dm177]

Утундрий в сообщении #352858 писал(а):

Мнится мне, что ничего кроме эмпирики тут не применишь...

А мне представляется, что совсем наоборот - вопрос принципиально решается на уровне элементарных основ физики.

Так ли необходимы натурные эксперименты, чтобы с уверенностью ответить на следующие вопросы:

1. Может ли жидкость лежать на газе ?

2. Может ли свободно падающая жидкость давить в каком-то направлении ?

3. Может ли жидкость оставаться жидкой при нулевом давлении ?

4. Может ли жидкость, свободно падающая в газе - не иметь его со всех сторон ?

5. Ответ на какой из предыдущих вопросов не очевиден ?

[Утундрий]

Такие вопросы чаще всего решаются путем сооружения неких критериальных зависимостей, коие как правило извлекаются либо из экспериментов либо из научных журналов. Никто в здравом уме не станет определять режим кипения воды в кастрюле путем решения уравнений Навье-стокса на суперкомпьютере.

[Dm177]

Утундрий в сообщении #352922 писал(а):

Такие вопросы чаще всего решаются путем сооружения неких критериальных зависимостей, коие как правило извлекаются либо из экспериментов либо из научных журналов. Никто в здравом уме не станет определять режим кипения воды в кастрюле путем решения уравнений Навье-стокса на суперкомпьютере.

Я имею в виду немного другое.

А именно - можем ли мы назвать те законы физики, которые "руководят" переходным процессом и сделать ( на качественном уровне ) обоснованное предположение о его характере.

Если утверждать, что до эксперимента - мы совершенно ничего не знаем, а потому и никаких обоснованных априорных предположений делать не можем, то и после любого эксперимента - ситуация не изменится.

Но если мы всё же что-то заранее знаем и что-то можем заранее предположить, то я как раз и хочу максимально подробно здесь выяснить - ЧТО ИМЕННО ???


Например, при разделении в невесомости ( в момент отсечки тяги ) - топливо и газ наддува начинают неторопливо смешиваться. Продолжительность переходного процеса - десятки минут. Всё это время с одной стороны бака больше газа, а с другой - больше топлива.

Но значит ли это, что всё это время газ продолжает прижимать топливо к стенке у заборной горловины турбопомпы ?

Зачем, хотя задержка включения двигателя 3-й ступени всего ~ 1 сек. - специальные реактивные ускорители осуществляют в течение этой секунды непрерывную осадку топлива ?

Что такого "страшного" должно случиться с жидкостью в баке за одну секунду невесомости ???

Мы точно знаем, что в момент наступления невесомости - топливо в баке мгновенно ( по своей сути ) превращается в "каплю".

Но что должно происходить, когда весь газ изначально находится только с одной стороны от "капли" ?

Почему даже секунда невесомости фатальна ?

Ведь абсолютная величина давления газа в баке не может уменьшиться. Следовательно - что-то плохое должно случиться с направлением давления. Однако, тот газ, который прижимал топливо за мгновение до отсечки тяги, через мгновение после - находится всё там же и давит так же.

Значит, в момент отсечки тяги - должен начать появляться газ, который со всех "необходимых" сторон ( в новых физических условиях ) скомпенсирует давление по направлению.

И какие это "необходимые" стороны ?

Почему после наступления невесомости что-то вообще должно измениться ?

Может ли газ в невесомости давить на жидкость только с одной стороны ???

Меня интересует именно теоретическое обоснование на самом элементарном качественном уровне.