Begrenzende Faktoren des Schubs von Flüssigraketentriebwerken

Was sind die Einschränkungen für die derzeit weit verbreiteten flüssigbetriebenen Raketentriebwerke der 1. Stufe, was sind die Faktoren, die ihren Gesamtschub begrenzen? Warum kann man nicht einfach immer mehr Sprit in den gleich großen Motor einspritzen um zum Beispiel mehr Schub zu erzeugen??

Mit Einschränkungen meine ich die größten Faktoren, die diese Motoren daran hindern, mehr Schub zu erzeugen. Ich würde annehmen, dass es so etwas wie die Erwärmung des Motors oder die Geschwindigkeit ist, mit der der Kraftstoff verbrannt / in die Brennkammer geleitet werden kann.

Können Sie auch erklären, wie diese Faktoren den erzeugten Schub begrenzen?

Meinen Sie die Begrenzung des Schubs jedes einzelnen Triebwerks für sich oder eine Begrenzung des Gesamtschubs aller Triebwerke zusammen in einer ersten Stufe?
Ich meinte einen einzelnen Motor, würde jedoch auch gerne etwas über Einschränkungen des Gesamtschubs aller Motoren erfahren.
Ok gut das macht am meisten Sinn. Vielleicht bearbeiten Sie Ihre Frage ein wenig, um sie dort klarer zu machen, einschließlich des Titels? Auf diese Weise haben die Leute, wenn sie die Frage in Zukunft lesen, eine bessere Vorstellung davon, was sie hier erwarten können. Auch willkommen bei SX SE!
Vielleicht möchten Sie erwähnen, warum Sie sich speziell auf Schub konzentrieren, obwohl dies möglicherweise nicht unbedingt erforderlich ist. Angesichts des sehr breiten Spektrums möglicher Schübe, einschließlich des Saturn V, ist dies nicht die offensichtlichste Art der Einschränkung, die flüssiger Kraftstoff hat.
Ich habe irgendwo gelesen, dass die praktischen Grenzen für einen Motor aufgrund der Verbrennungsstabilität bei etwa dem 1,5-fachen Schub eines F-1 liegen. Ich antworte, sobald ich den Link gefunden habe.
Das M-1-Triebwerk soll „ das größte und leistungsstärkste mit Flüssigwasserstoff betriebene Flüssigbrennstoff-Raketentriebwerk sein, das entwickelt und komponentengetestet wurde “, und es gibt eine ganze Reihe von Referenzen in diesem Artikel. Sie können sich diese und diese und diese Antwort ansehen , wo sie in Diskussionen über große Raketen erwähnt wird.
Ich frage nicht speziell danach, was die Größe von Raketentriebwerken begrenzt, obwohl mich das immer noch interessiert. Ich bin mehr daran interessiert zu wissen, was Flüssigkeitsmotoren normaler Größe daran hindert, mehr Schub zu erzeugen. Warum kann man nicht einfach immer mehr Kraftstoff in einen Motor gleicher Größe einspritzen?
Ich denke, das ist eine wirklich gute Frage - es wäre hilfreich, wenn Sie diesen Kommentar in die Frage selbst verschieben würden. Jetzt verstehe ich besser, was der Ausdruck "F9 und im Grunde alle Raketen derzeit" bedeutet. So etwas wie " Was sind die Faktoren, die den Gesamtschub der derzeit weit verbreiteten Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke begrenzen - warum kann man beispielsweise nicht einfach immer mehr Treibstoff in ein Triebwerk gleicher Größe einspritzen ?"
Danke für die Idee und Hilfe bei der Klärung, was ich meinte. Die Community hier ist wirklich toll!

Antworten (3)

Um mehr Treibstoff schneller in die Brennkammer zu bewegen, wird der Kammerdruck erhöht; dies erfordert eine größere, leistungsstärkere Turbopumpe.

Turbopumpen mit hohem Druck und großem Volumen sind schwer zu konstruieren - die meisten Probleme, die bei der Entwicklung der Haupttriebwerke des Space Shuttles auftraten, waren Pumpenausfälle, einige davon katastrophal. Es gibt einige erschreckende Zahlen, die mit den SSMEs in Verbindung gebracht werden – die Pumpen jedes Motors, die sich mit etwa 30.000 U/min drehen, erzeugen etwa 100.000 PS mechanische Leistung, nur um Treibmittel zu bewegen. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_main_engine#Turbopumps )

Die SpaceX Merlin-Serie verwendet zwar ein viel konservativeres Pumpendesign, ist aber wahrscheinlich immer noch pumpenbegrenzt; Sie möchten diese Motoren für lange Zeit ohne die für die SSME erforderliche Gesamtüberholung wiederverwenden können, damit sie nicht riskieren können, die Pumpen durch zu starkes Fahren zu beschädigen.

Irgendwann ist es einfacher, Leistung zu gewinnen, indem man einen größeren Motor mit niedrigerem Druck herstellt. Wenn Sie bis an die Grenzen gehen, erhalten Sie mit diesem Ansatz Sea Dragon - einen extrem großen, leistungsstarken Niederdruckmotor. Wie realistisch wäre die Herstellung des Sea Dragon-Motors angesichts der heutigen Technologie?

Wenn die einzige Schubbegrenzung die Geschwindigkeit ist, mit der Turbopumpen Kraftstoff in die Brennkammer treiben können, warum sollten sie dann nicht riesige F1-Turbopumpen für Merlin-Motoren verwenden, um mehr Schub zu erzeugen?
Es ist nicht die einzige Einschränkung; laut Hobbes sind Temperatur und Druck ebenfalls Faktoren. Die F-1s-Turbopumpe wiegt wahrscheinlich mehr als ein ganzer Merlin-Motor. Sie nähern sich schnell dem Gebiet "Warum nicht einen Ferrari-Motor in einen Honda Civic stecken" hier.
Wenn Sie den Motor selbst (Düse und Brennraum) nicht mit dem Kraftstoffdurchsatz skalieren, verlieren Sie schnell ISp, da immer mehr Gasausdehnung außerhalb des Motors stattfindet - Energie wird verschwendet, indem sich das Gas seitwärts ausdehnt, anstatt es zu drücken Motor. Und wenn Sie die Brennkammer immer weiter vergrößern, treten bald Probleme mit der Verbrennungsstabilität auf. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, mehr kleinere Düsen zu verwenden, selbst wenn sie von derselben Pumpe (wie Sojus) gespeist werden.

Mehrere Probleme fallen mir ein:

  1. Temperatur und Druck der Brennkammer (erhöhen Sie diese ausreichend und die Wände verformen oder schmelzen). Kann durch Kühlen der Kammerwände gemildert werden.

  2. Verbrennungsinstabilität: Je größer der Motor, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sie Instabilität bekommen. Dies war ein großes Problem bei der Entwicklung des F-1-Motors (Erste Stufe Saturn V). Das Problem wurde durch viele Tests verschiedener Injektorkonfigurationen gelöst.

  3. Injektionsdichte. Höhere Drücke erfordern mehr Treibmittel, sodass Sie mehr Injektoren benötigen, bis der größte Teil der Kammerwand aus Injektorlöchern besteht.

Der F-1-Injektor musste eine so genannte „außerordentlich hohe Injektionsdichte“ haben, ungefähr 5 Pfund Treibmittel pro Quadratzoll pro Sekunde.

Danke für die Antwort! Als Nebenfrage, wären dies auch die Faktoren, die einen kleineren Motor, der mehr Schub erzeugt, einschränken würden? Wenn Sie zum Beispiel einfach mehr Treibstoff in einen Merlin-Motor einspritzen würden, welcher Faktor würde höchstwahrscheinlich einen Ausfall verursachen? Wäre Verbrennungsstabilität immer noch eine Wahrscheinlichkeit?
Bei kleineren Motoren ist es wahrscheinlich die Temperatur / der Druck, die Sie einschränken.
Wenn ich nüchtern denke, würde ich vermuten, dass ein kleiner Motor mit mehr Oberfläche zu Volumen tatsächlich Temperatur und Druck besser bewältigen könnte als ein großer, wenn er dafür ausgelegt wäre. Aber für die Frage eines vorhandenen Motors - es könnte sein, dass die Verbrennung unvollständig wäre - kann es schwieriger sein, eine ausreichende Reaktionszeit zu erhalten, bevor er aus der Düse geblasen wird.
Können Sie mir irgendwelche Artikel mit Beweisen dafür verlinken?
@BorisDeletic Ich habe niemanden hinzugefügt - ich denke, dass er an (at) Hobbes gerichtet ist, der diese Antwort geschrieben hat. Ich denke, dass das Mischen (auf molekularer Ebene) und die Verbrennung beide Zeit brauchen, um stattzufinden, und wenn Sie etwas zu schnell hineinschieben, wird es am Ende nur am anderen Ende ausblasen und später reagieren. Es ist nur eine Vermutung/Kommentar.
Bei einem kleineren Motor verbrennt der meiste Kraftstoff außerhalb des Motors ...

Letztendlich gibt es die Grenze der insgesamt verfügbaren Energie. Es gibt einfach so viele Kalorien in einem Pfund Wasserstoff und Sauerstoff (oder was auch immer) Raketen sind eigentlich extrem effiziente Motoren, die mehr von der latenten Energie in Bewegung umwandeln als die meisten Motoren. (Ich wünschte, ich hätte die Zahlen.) Deshalb argumentieren einige Leute, dass wir Atomraketen brauchen, die Energiedichte ist um Größenordnungen höher.

Das begrenzt den spezifischen Impuls, aber nicht den Schub.
Begrenzende Faktoren des Schubs von Flüssigraketentriebwerken
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v