Bildet der Falcon 9 v1.1 im Flug einen Schockdiamanten?

Das OctaWeb-Design von Falcon 9 v1.1 bildet tatsächlich eine grobe Annäherung an eine Aerospike-Düse, wenn alle Triebwerke zünden. Um zu verstehen, warum die Abgasfahne auf dem Foto so aussieht, ist es wichtig zu verstehen, wie Raketentriebwerksglocken funktionieren.

Dieses Bild zeigt, wie die Düse Gase expandiert, um Schub zu erzeugen. Raketenbrennkammern kombinieren Brennstoff und Oxidationsmittel, um ein Hochdruckgas zu erzeugen. Dieses Gas bewegt sich tatsächlich relativ langsam in der Brennkammer (unterhalb von Mach 1). Die Expansionsdüse nimmt das Hochdruckgas auf und expandiert es zu einem Niederdruckgas mit hoher Geschwindigkeit.

Die vier Abbildungen zeigen dieselbe Düse mit demselben Expansionsverhältnis in vier verschiedenen Betriebsumgebungen (unterschiedliche Außendrücke).

Die erste Düse ist unterexpandiert, wenn Abgasdruck > Umgebungsluftdruck. Das heißt, wenn die Abgase die Düse verlassen, dehnt sich ein Teil des Gases senkrecht zum Schubvektor aus und verrichtet somit keine nützliche Arbeit an der Rakete.

Die zweite Abbildung zeigt die ideale Expansionsdüse, bei der Gas so expandiert wird, dass Abgasdruck = atmosphärischer Druck und seine gesamte kinetische Energie direkt von der Rakete wegströmt.

Die dritte Abbildung zeigt eine überdehnte Düse, bei der der Abgasdruck < Umgebungsdruck ist. Das Abgas wird durch die Umgebungsluft komprimiert und verliert etwas an Effizienz.

Die vierte Abbildung zeigt eine stark überdehnte Düse, bei der der Abgasdruck << Umgebungsdruck ist. Dies kann zu Instabilität führen, da das Abgas von den Wänden der Düse getrennt wird.

Das ideale Szenario ist Abgasdruck== Umgebungsdruck, jedoch tritt dieses ideale Szenario nicht oft auf. Raketen werden verwendet, um in den Weltraum zu fliegen, und mit zunehmender Höhe nimmt der Umgebungsluftdruck ab. Daher wird eine Düse, die auf Meereshöhe „perfekt“ ist, beim Fliegen der Rakete zu wenig ausgedehnt. Die meisten Raketenhersteller bauen ihre Triebwerke der ersten Stufe so aus, dass sie leicht überdehnt sind, damit sie sich bei zunehmender Höhe im idealen Bereich befinden.

Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, besteht jedoch darin, eine Düse mit variabler Geometrie zu verwenden, um so lange wie möglich im idealen Bereich zu bleiben. Ein Aerospike ist eine Form einer Düse mit variabler Geometrie und kann als umgekehrte Raketendüse betrachtet werden. Kraftstoff wird entlang eines Kegels (Toroid) oder eines Keils (linear) eingespritzt. Der Umgebungsdruck und die Wände des Dorns bilden eine virtuelle Düse, um die Gase auszudehnen. Dieser Motortyp ist effizienter, da sich das Expansionsverhältnis mit dem Umgebungsdruck ändert, da der Umgebungsdruck die Gase überhaupt expandiert.

Nun also zurück zum Falcon 9 v1.1. Der Merlin 1D-Sea Level ist auf Meereshöhe leicht überdehnt. Wenn der Falcon aufsteigt, erreicht er die ideale Expansion und wird dann unterexpandiert. Die 9 Motoren im OctaWeb erzeugen einen Aerospike-ähnlichen Effekt, bei dem die 8 Motoren am äußeren Ring die Luft vom mittleren Motor wegdrücken und einen Bereich mit niedrigem Druck erzeugen. Beim Start erzeugt der mittlere Merlin aufgrund dieses Effekts tatsächlich mehr Schub als der Rest der Merlins. Die Wolke auf dem Foto ist die Unterausdehnung aller Motoren zusammen.

Quellen:
Raketentriebwerkserweiterung
Aerospikes