Benötigt der NK-33-Motor unterkühltes Kerosin, das so kalt ist, dass es sich in Wachs verwandelt?

Verwirrung ist angesagt. Spaceflight 101 hat Folgendes über die NK-33 zu sagen:

Der NK-33 benötigt unterkühlten Sauerstoff mit einer Temperatur unter seinem Siedepunkt von -183 Grad Celsius, um die Turbopumpenlager zu kühlen, die andernfalls ausfallen würden. Außerdem hat unterkühltes LOX eine höhere Dichte, die der von Kerosin nahe kommt, was das erforderliche Tankvolumen und die Gesamtmasse der Trägerrakete reduziert und es dem Motor ermöglicht, eine einzige rotierende Welle für beide Turbopumpen zu verwenden.

Also drehen sie die Aussage um und sagen, dass das LOX unterkühlt werden muss, um die richtige Dichte zu erhalten, nicht das Kerosin.

Laut Wikipedia (und bestätigt durch uhohs Diagramme) hat LOX bei jeder Temperatur eine höhere Dichte als Kerosin. Die Unterkühlung des LOX erhöht also den Dichteunterschied. Aber Spaceflight 101 könnte einen Punkt haben. Der Motor hat 2,8 kg Sauerstoff mit 1 kg Kerosin verbrannt. Wenn Sie den LOX dichter machen, bringen Sie die Volumina der beiden näher zusammen, was das Pumpendesign auf einer gemeinsamen Welle erleichtern könnte.

Aerojet-Experimente

Mal sehen, ob wir eine Aussage von der Quelle bekommen können: Dieses AIAA-Papier von Aerojet beschreibt die von ihnen vorgenommenen Modifikationen. Die Dichte wird nur einmal erwähnt (Tabelle 6 auf Seite 16), und dieselbe Tabelle listet die Kraftstofftemperatur als -30 °F (-34 °C) auf, also wäre sie bei weitem nicht die gleiche Dichte wie die LOX. Wie auch immer, dieses Papier bestätigt, dass das Kerosin nicht unterkühlt werden muss, damit der Motor funktioniert.

Sie haben Tests durchgeführt, bei denen der Motor mit RP1 bei Umgebungstemperatur und LOX bei Siedepunkt betrieben wurde. Soweit ich sehen kann, haben sie mit dieser Kombination Verbrennungen von bis zu 140 Sekunden durchgeführt. Sie führten keine Tests mit unterkühltem RP-1 unter -37 °F (-38 °C) durch. Sie erwähnen auch, dass die Russen Kerosin normalerweise bei über -30 °F (-34 °C) verwenden.

Daraus schließe ich, dass eine Unterkühlung von LOX oder Treibmittel möglich, aber bei diesem Motor nicht erforderlich ist. Die Frage "Benötigt der NK-33-Motor unterkühltes Kerosin?" kann mit „Nein“ beantwortet werden.

Andere Motoren

Einwellen-Turbopumpen sind in allen Arten von Raketentriebwerken üblich.

• Kerosin/LOX-Motoren wie der RD-0110 , der keine Unterkühlung verwendet
• Wasserstoff/LOX-Motoren wie der RD-0120 , bei denen die Dichte von LOX und LH viel weiter auseinander liegen als die Dichten von LOX/RP-1.

Es ist kein Problem, Kerosin und Sauerstoff bei jeder Temperatur auf derselben Turbopumpenwelle zu betreiben. vorausgesetzt, beide sind flüssig, reichen die Dichtevariationen nicht aus, um einen praktischen Unterschied in der Machbarkeit einer Turbopumpe auszumachen.

Aus dem OP sind die Dichten von Sauerstoff und Kerosin 1,18 und 0,8 g/cm³, ein Verhältnis von 1,475. Der von einer einstufigen Kreiselpumpe erzeugte Druck ist proportional zur Geschwindigkeit der Außenkante des Laufrads im Quadrat mal der Dichte. Um den gleichen Druck mit beiden Treibmitteln in einer Einwellen-Turbopumpe zu erreichen, wäre daher zu erwarten, dass der Durchmesser des Kerosin-Laufrads sqrt (1,475) = 1,21-mal größer ist als der des Sauerstoff-Laufrads. Dies ist praktisch zu erreichen. Beachten Sie, dass dies nur eine Faustregel ist. Die tatsächlichen Laufraddurchmesser können aufgrund einer Reihe detaillierterer Überlegungen leicht abweichen.

Wie in den Kommentaren zu Russell Borogoves Antwort erwähnt , ist es nicht praktikabel, Wasserstoff und Sauerstoff auf derselben Turbopumpenwelle zu betreiben. Sauerstoff ist 16-mal dichter als Wasserstoff, um also den gleichen Druck zu erreichen, müsste das Sauerstoff-Laufrad ein Viertel des Durchmessers des Wasserstoff-Laufrads haben, oder alternativ könnte die Sauerstoffpumpe einstufig und die Wasserstoffpumpe 16-stufig sein. Aber es ist praktischer, das Sauerstofflaufrad einfach langsamer laufen zu lassen. Sehen Sie sich das Video der Turbopumpe am RL-10-Wasserstoff-/Sauerstoffmotor an, das die Turbine unten, die Wasserstoffpumpe oben und die untersetzte Sauerstoffpumpe links zeigt.

Laut Suttons Raketenantriebselementen:

Wenn die beiden Treibmittel ähnliche Dichten haben (z. B. innerhalb von 40 %), wie NTO & UDMH oder LOX und Kerosin, und der Volumenstrom von Oxidationsmittel und Kraftstoff ähnlich ist, kann der gleiche Laufradtyp (der mit der gleichen Geschwindigkeit läuft) verwendet werden auf beiden auf einer einzigen Welle.

Weiter heißt es, dass man bei Wasserstoff/LOX auf jeden Fall getrennte Wellen haben möchte. Es scheint eine allgemeine Beziehung zwischen Laufradgeschwindigkeit und Treibmitteldichte zu geben, wo der Wirkungsgrad optimal ist; Wasserstoff kann auf ein Axiallaufrad mit höherer Geschwindigkeit gepumpt werden, während dichtere Treibmittel ein langsameres Radial- oder Halbradiallaufrad erfordern. Disclaimer: Ich bin kein Hydrodynamiker!

Bei einem LOX:Kerosin-Massenverhältnis von 2,6 scheint dies zu sagen, dass Sie das Kerosin in Grenzen tatsächlich weniger dicht wünschen würden, um einen gleichmäßigeren Volumenstrom zu erzielen.

Erstens, der einzige Ort, an dem ich die Behauptung der gleichen Dichte finden konnte, ist der Wikipedia-Artikel NK-33. (Tatsächlich stammt es aus der ersten Version ). Es wurde nie eine Quelle dafür angegeben. Andererseits scheint dieses Papier darauf hinzudeuten, dass dies tatsächlich der Fall ist, wenn auch indirekt.

Die Polymerisation muss nicht unbedingt ein Problem sein, da RP-1 standardmäßig arm an Schwefel, Alkenen und Aromaten ist. Die Russen haben möglicherweise auch eine strengere Spezifikation verwendet. (Der Punkt, an dem Kohlenwasserstoffe polymerisieren, hängt stark von der Zusammensetzung ab, und es sollte kein Problem sein, ihn über den "unterkühlten" Bereich hinaus zu schieben.)

Die Behauptung, dass der NK-33 zum Betrieb ähnliche Dichten benötigte, erscheint seltsam, da er nicht der einzige Motor mit geschlossenem Kreislauf ist, sondern nur einer von vielen mit einer großen Vielfalt an Treibmitteln. Der Artikel erwähnt jedoch eine einzige rotierende Welle, so dass das Problem möglicherweise auf eine zentrifugale Trennung der Flüssigkeiten zurückzuführen ist.