Почему мы не можем использовать один и тот же бак для хранения топлива для двигателей RCS и главного двигателя для миссии в дальний космос?
По сути, я просто хочу знать, почему мы проектируем разные баки для хранения топлива главного двигателя и топлива двигателей RCS. Если мы используем одно и то же топливо как для главного двигателя, так и для подруливающих устройств RCS (например, N2O4 / MMH), тогда не будет ли конструктивно целесообразным спроектировать один бак для хранения обоих видов топлива.
Ответы
Одной из причин разделения RCS и основной емкости является проблема незаполненного объема ; Чтобы поддерживать хороший поток во впускные отверстия двигателя, вам необходимо отделить оставшееся топливо от газа под давлением в баллоне и убедиться, что топливо находится на правильном конце баллона.
Как описано в ответе на связанный с этим вопрос , это обычно делается либо с помощью гибкой диафрагмы между нагнетателем и топливом, либо с помощью капиллярной системы. Проще и эффективнее использовать такие методы на небольшой части резервуара, чтобы дать возможность двигателям RCS сработать (т. Е. Выполнить «сжигание незаполненного объема»), а затем использовать ускорение от двигателей RCS для оседания топлива в основном резервуаре.
По этим разумным причинам на большинстве дальних космических аппаратов действительно используется одна топливная система .
Для кораблей, которым требуется более высокая тяга или где криогенное топливо становится возможным, разница в характеристиках между моно- или биотопливом с длительным сроком хранения и более коротким сроком службы начинает оправдывать использование более сложных систем (например, космический челнок, состоящий из твердых частиц, водорода / кислорода и гидразина / тетроксида азота. ). Некоторые номера образцов можно найти в книге Джона Кларка «Зажигание», в которой подробно рассматривается проблема отсутствия единой совершенной топливной системы.
Пропелленты будут страдать от нескольких из перечисленных проблем, и при проектировании летательного аппарата придется принимать наименее худшие комбинации:
Низкая производительность
Зависание во время полета (базовый гидразин)
испаряется во время полета (кислород / водород)
Низкая плотность, требующая больших резервуаров (водород)
Растворяет резервуары для хранения и арматуру (фтор)
Токсичен при обращении или авариях (большинство из них)
Дорого (бор / некоторые экзотические углеводороды)
Разлагается при хранении (азотная кислота, перекись)
Чувствительность к загрязнению / обращению (большинство одноразовых ракетных топлив)
Трудно перезапустить (не гипероголические комбинации)
Когда ОП спрашивает «почему мы не можем ...», это указывает на исходное предположение, что «пока этого не происходит». В то время как в других ответах на этот вопрос были предложены веские причины, по которым могут быть отдельные двигательные системы для RCS и основной поступательной тяги, это ни в коем случае не является общим правилом или даже типичным.
Для спутников массой до 7 тонн со всевозможными потребностями в перемещениях по разным осям и с медленными и быстрыми скоростями реакции вполне типично использовать единую двигательную установку для всех функций спутника.
Основным классом спутников, который демонстрирует этот выбор конструкции, являются геостационарные спутники связи, которые подвергаются основным маневрам развертывания, RCS для поддержки основного развертывания, удержание станции Север-Юг и Восток-Запад (то есть преобразование меньшей тяги) и различные функции, связанные с ориентацией. разгрузка и аварийное повторное обнаружение солнца с использованием более мелких двигателей.
Обычный выбор разделения пропеллента / газа - это устройство управления топливом на основе поверхностного натяжения внутри резервуаров, которое способно одновременно питать двигатели RCS (скажем, 10N) и главный двигатель развертывания (скажем, 500N).
Причина, по которой этот подход может не использоваться, заключается в том, что масса спутника / размеры главного двигателя по сравнению с малыми двигателями таковы, что решение поверхностного натяжения является более сложным, хотя я подозреваю, что было бы трудно оправдать гораздо больший двигатель. (скажем, 2 кН) для межпланетного зонда массой в несколько тонн.
Множество недавних межпланетных зондов («Юнона» в моей голове) тоже использовали этот двигатель (главный двигатель 500 Н).