Какие обновления необходимы Merlin 1D, чтобы увеличить время между капитальными ремонтами до 1000 часов?

Это вопрос, над которым я размышлял последние несколько недель после того, как пересчитал детали двигателя Merlin 1D. Просто в качестве мысленного упражнения я хотел посмотреть, какие обновления потребуются для Merlin 1D, чтобы сократить время работы авиационного газотурбинного двигателя между капитальными ремонтами. Отказавшись от некоторых размеров из опубликованных данных о конструкции, я разработал серию обновлений. Я сделал следующие предположения, чтобы получить размеры:

1. Отверстия датчиков, отверстия для впрыска запальной жидкости и плотные изгибы трубопроводов (например, на выхлопе турбины или на выходе пропеллента) создают коэффициент концентрации напряжений, равный 3.
2. В местах, где материал не опубликован, предполагается, что алюминиевый сплав 2021-T6 используется для низкотемпературных компонентов, а Rene 88 - для высокотемпературных компонентов. (Высокая температура - выше 400 К).
3. Соотношение компонентов смеси стехиометрическое для пропеллентов.
4. Предполагается, что топливо состоит из C 12 H 26 .
5. Предполагается, что детали не имеют трещин.

Исходя из этих предположений, с использованием опубликованных технических характеристик (wikipedia и spacenews.com) были рассчитаны следующие параметры: статическое давление / статическая температура / температура стенки / размеры прохода / толщина стенки / среднее напряжение / максимальное напряжение / срок службы.

• Давление: 6,77 МПа
• Статическая температура: 3006 К
• Температура стены: 566 К
• Диаметр: 0,609 метра
• Толщина стены: 0,004 метра
• Среднее напряжение: 233 МПа
• Максимальное напряжение: 700 МПа / 1000000 циклов или 54000 часов работы двигателя

• Статическое давление: 3,9 МПа
• Статическая температура: 2613 К
• Температура стенок: 529 К
• Диаметр: 0,223 метра
• Толщина стены: 0,004 метра
• Среднее напряжение: 105 МПа
• Максимальное напряжение: 316 МПа / бесконечные циклы, ниже предела выносливости 600 МПа

• Статическое давление: 101 кПа
• Статическая температура: 1697 К
• Температура стены: 388 К
• Диаметр: 0,6077 метра
• Толщина стены: 0,004 метра
• Среднее напряжение: 7 МПа
• Максимальное напряжение: 10 МПа / бесконечные циклы, ниже предела выносливости 600 МПа

• Давление на выходе: 10,6 МПа
• Диаметр корпуса: 0,116 метра
• Толщина стены: 0,005 метра
• Среднее напряжение: 123 МПа
• Максимальное напряжение: 320 МПа, 10000 циклов или 544 часа работы двигателя.

• Давление на выходе: 16,1 МПа
• Диаметр корпуса: 0,173 метра
• Толщина стены: 0,011 метра
• Среднее напряжение: 128 МПа
• Максимальное напряжение: 383 МПа / 8000 циклов или 435 часов работы двигателя

Исходя из этих результатов, слабым местом с точки зрения статической износостойкости является турбонасос, в частности корпус топливного турбонасоса. Чтобы достичь 1000 часов между капитальными ремонтами двигателя, необходимо снизить среднюю нагрузку на картер. Размещение топливного насоса внутри насоса окислителя снизило бы чистое напряжение, испытываемое топливным насосом, за счет использования давления, создаваемого насосом окислителя, для сжатия корпуса топливного насоса. Насос окислителя увеличивает толщину стенок до 0,009 метра, чтобы наработать 1000 часов между капитальными ремонтами.

Однако это основано на данных, которые мне удалось выяснить. На мой взгляд, настоящие слабые места - это рабочие колеса, валы и подшипники турбонасоса. Поскольку они вращаются со скоростью 20000 об / мин, они могут быстро пройти через усталостную жизнь, если у них возникнет дисбаланс из-за кавитации, обломков или внешней вибрации. Я уверен, что SpaceX и Barbor-Nichols (люди, которые разработали турбонасосы) знают об этом и, возможно, у них есть какие-то решения. Помимо увеличения демпфирования внутри насоса за счет использования феррожидкости / магнита и наличия магнитных подшипников, я не знаю, как можно было бы увеличить время капитального ремонта.

Таким образом, я спрашиваю сообщество: как бы вы это сделали? Что бы вы изменили в конструкции двигателя, чтобы достичь 1000 часов между капитальными ремонтами?

140-160 с. Это означает, что 1000 часов - это 22 500 рейсов. Конечно, три двигателя, используемые во время восстановления, получат немного больше использования, но вы все равно на порядок выше заявленных целей полета без ремонта, равных 10.

36 часов между ремонтами, чтобы учесть цель из 10 полетов плюс небольшой буфер для посадки и статических возгораний перед полетами.

Рон Писитри

«Маск заявил, что удаление сажи в турбонасосе было проблемой. Интересно, будет ли сложно построить новый турбонасос, работающий на менее закопченном третьем (насосном) топливе».

ИМХО, это затрагивает суть проблемы среднего времени до отказа - при сгорании керосина присуща проблема сажи, которая пагубно сказывается на значительном увеличении MTTF.

Реальное решение - создать новый двигатель, который с нуля имеет ремонтопригодность и повторное использование в соответствии с требованиями конструкции. Следовательно, Raptor. Meth-LOX не имеет проблем с сажей, которые есть у Ker-LOX; и Raptor имеет другие конструктивные улучшения по сравнению с Merlin для увеличения MTTF.