Effiziente Arten von Düsen, die in Raketen verwendet werden

Ja, es sind mehrere andere Düsentypen im Einsatz, die getestet oder patentiert werden. Fassen wir zunächst die verschiedenen Düsentypen zusammen, die in der Luftfahrt verwendet werden :

• Die Düse mit niedrigem Verhältnis wird überwiegend in Zivilflugzeugen und auch in einigen Aufklärungsflugzeugen mit niedriger Geschwindigkeit verwendet und ist eine konvergent-divergente de Laval-Düse mit einem extrem niedrigen Druckverhältnis der Einlass-Auslassfläche, das ein Verstopfen bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten verhindert, erzeugten Lärm reduziert und ist so zuverlässig wie sie kommen:

       

       ^{Boeing ecoDemonstrator im Flugzeug von American Airlines getestet}

• Die Ejektordüse ist die einfachere der variablen Abgasdüsen und wird aufgrund ihrer einfacheren Konstruktion aus federbelasteten Blütenblättern häufiger in Flugzeugen mit Strahlantrieb als die Irisdüsen verwendet und ist daher zuverlässiger, erzeugt jedoch mehr sekundären Luftstromwiderstand und ist geringer effizienter als einige andere, fortschrittlichere Designs:

       

       ^{Variable Abgasdüse am Low-Bypass-Turbofan GE F404-400, der auf einer Boeing F / A-18 Hornet installiert ist}

• Die Iris-Düse ist eine variable Abgasdüse, die üblicherweise in Kampfflugzeugen und Bombern verwendet wird und ihre Kontur durch ein irisähnliches Blütenblattdesign anpassen kann, um die Leistung zu maximieren und eine ungleichmäßige Druckverteilung (schräger Stoß) zu vermeiden. In einigen Designs können sie auch den Schubvektor (Winkel zum Flugzeug) ändern oder Luftbremsen hinzufügen (z. B.: MiG-23-Nachbrenner-Abluftbremsen ) .

       

       ^{Irisdüsen-Nachbrenner des F-15 Eagle-Jägers}

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Und nun zum spaßigen Teil - die in der Raumfahrt verwendeten Düsentypen, Hyperschall-Experimentalflugzeuge, ... :

• Die Glockendüse ist möglicherweise der am häufigsten verwendete Düsentyp bei Raketentriebwerken, aufgrund ihrer Einfachheit, ihres relativ geringen Gewichts mit fortschrittlichen Materialien und in einigen Konstruktionen sogar der Einstellbarkeit (siehe Irisdüse unten) des Volumens ihrer Abgas- / Expansionskammer:

       

       ^{Raketendüse auf V2 mit klassischer Form}

• Die Expansions-Ablenkdüse (oder Pintle Injector ) ist eine Art Treibmitteleinspritzvorrichtung für ein Raketentriebwerk, das erstmals während des Apollo-Programms in einem Fluggerät im Abstiegstriebwerk des Lunar Excursion Module verwendet wurde. Zapfeninjektoren werden derzeit in den Merlin-Motoren von SpaceX verwendet:

       

       ^{Schematisches Querschnittsdiagramm der Patentanmeldung des Zapfeninjektors}

• Plug-Düse "Aerospike" (oder Spike-Düse ) ist eine Höhenausgleichsdüse mit der idealen Kontur einer langen, allmählich druckreduzierenden "Spike", oft mit einer breiten (großvolumigen) ringförmigen Brennkammer an der Basis. Diese Düse kompensiert sich selbst für atmosphärischen Druck, und der Stopfen und die Brennkammer können für verschiedene Anwendungen in der Größe variieren (kürzere konvex geformte "Spike-Stopfen" werden auch bei Strahltriebwerken der Zivilluftfahrt verwendet und abgeschnittene/nicht abgeschnittene oder voll- lange konkave Spikes, die normalerweise für Überschallflugzeuge, Raketen usw. verwendet werden). Zu den Hauptvorteilen gehört eine bis zu 30 %ige Reduzierung des Treibstoffbedarfs in geringeren Höhen aufgrund ihrer selbstkompensierenden Natur:

       

       ^{3D-Modell der Komponenten des Aerospike-Triebwerks mit einem leicht konvex geformten "Spike"}

• Ringförmiger und linearer Aerospike sind Varianten des abgestumpften Aerospike-Düsendesigns, bei denen üblicherweise mehrere Turbinenverbrennungsabgase linear oder ringförmig über der Abgasdüse angeordnet sind. Die Spike-Düse ist abgeschnitten und ermöglicht zusätzlichen Schub, wobei sich am abgeschnittenen Teil ein Unterschall-Rezirkulationsströmungsfeld bildet, wenn sich die Gase über die Oberfläche der Düse ausdehnen. Die Dynamik eines linearen Aerospike-Motors wird in diesem Video zum linearen Aerospike-Motor ausführlich erklärt :

       

       ^{Linearer Aerospike-Motor XRS-2200 für das getestete X-33-Programm}

• SERN (Single Expansion Ramp Nozzle) ist im Wesentlichen eine einseitige lineare Aerospike-Düse, kann jedoch aufgrund der Impulsübertragung, die aufgrund der Drosselung winklig zum Flugzeug / Raumfahrzeug sein kann, von komplexeren Nick- und Höhensteuersystemen begleitet werden:

  Viele Konstruktionen für Raumflugzeuge mit Scramjet-Triebwerken verwenden SERNs aufgrund der Gewichtsreduzierung bei großen Expansionsverhältnissen oder des zusätzlichen Auftriebs bei Unterexpansion. Der X-43, ein Testfahrzeug im Hyper-X-Programm der NASA, ist ein fliegendes Beispiel.

       

       ^{Aurora Mach 5 (unten) und SR-71 Mach 3 (oben) Aufklärungsflugzeuge im Formationsflug.}

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Und dann gibt es noch viele andere Untertypen, die mehrere gleiche oder unterschiedliche Düsentypen in einem einzigen Design kombinieren :

• Expandierende Düse , eine Art Raketendüse, die im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionen ihre Effizienz in einem weiten Höhenbereich beibehält. Es ist ein Mitglied der Klasse der Höhenkompensationsdüsen, einer Klasse, die auch die Plug-Düse und den Aerospike umfasst. Während die expandierende Düse technisch am wenigsten fortgeschritten und aus Modellierungssicht am einfachsten zu verstehen ist, scheint sie auch das am schwierigsten zu bauende Design zu sein.

• Stufendüse (Doppelglockendüse) : eine De-Laval-Raketendüse mit höhenkompensierenden Eigenschaften.

• Dual-Expander-Düse , die ein zusammengesetztes Raketentriebwerk mit einem inneren Triebwerk ist, das so angeordnet ist, dass es direkt in die Düse eines äußeren Triebwerks ausstößt.

• Es wird eine Doppelhalsdüse (oder Düse mit Doppelbrennstofffähigkeit) offenbart, die eine Brennstoffdüse und eine Gasturbinenbrennkammer ist, die in der Lage ist, mit mehreren Brennstoffen mit verringertem Kohlenstoffaufbau an der Brennstoffdüse und angrenzenden Brennkammerkomponenten zu arbeiten. Die Brennstoffdüse enthält eine neu konfigurierte Gasbrennstoffanordnung und ein Mischrohr, um bekannte Rezirkulationsbereiche zu eliminieren. Darüber hinaus umfasst die Flüssigbrennstoffanordnung neu konfigurierte Sprüheigenschaften, um die Tröpfcheninteraktion mit dem Mischrohr weiter zu reduzieren.

Empfohlene zusätzliche Lektüre: Blogbeitrag von Kostas Makris über Nozzle Design

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^{Anscheinend habe ich die Möglichkeiten unseres Content-Parsers zum Formatieren von Hypertext, Links usw. etwas überstrapaziert, also habe ich keine Fotos für die letzte Düsengruppe hinzugefügt. Ich habe meine Liste etwas locker auf Wikipedia gestützt, einige duplizierte Designs weggelassen und ein paar mehr zu denen hinzugefügt, die dort nicht beschrieben sind. Es sollte jedoch beachtet werden, dass es keine offizielle Klassifizierung gibt, abgesehen von ihrer Verwendung in verschiedenen Branchen (die stark variieren können), daher habe ich für diesen Zweck meine eigene übernommen.}

Die Erklärung von Düsen, die durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit arbeiten, ist nicht korrekt. Düsen beschleunigen IMMER die Strömung, die durch sie fließt. Man muss zuerst verstehen, welche Art von Strömung durch die Düse fließt. Wenn die Düseneinlassströmung mäßig Unterschall ist, beschleunigt sich die Strömung am Düsenhals (dem minimalen Bereich) und verleiht dem Gas den höchsten Impuls. Da der Schub weitgehend auf Impuls basiert, ist keine Expansion stromabwärts des Halses erforderlich (sehen Sie sich nur die Düsen kommerzieller Strahltriebwerke an), und das Gas wird in die Atmosphäre ausgestoßen. Es gilt auch, dass der Gasdruck am Hals am niedrigsten ist. Wenn nun die Düseneinlass-Strömungsgeschwindigkeit hoch genug ist, wird die Strömung am Hals auf Mach 1 beschleunigt. In diesem Fall wird die Strömung Überschall und die Dinge passieren umgekehrt. Bei Überschallströmung Der sich ausdehnende Bereich verursacht eine Beschleunigung und einen Druckabfall, im Gegensatz zu denen für Unterschallströmungen. Nachdem die Strömung am Hals Mach 1 erreicht hat, wird stromabwärts ein expandierender Bereich benötigt, um sie weiter zu beschleunigen. Aus diesem Grund dehnen sich Düsen aus und zwar so, dass sie eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit erreichen. Was die interne Druckverteilung innerhalb der Überschalldüse betrifft, so fällt sie über die Länge der Düse stromabwärts des Halses weiter ab. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall. das Gegenteil von Unterschallströmung. Nachdem die Strömung am Hals Mach 1 erreicht hat, wird stromabwärts ein expandierender Bereich benötigt, um sie weiter zu beschleunigen. Aus diesem Grund dehnen sich Düsen aus und zwar so, dass sie eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit erreichen. Was die interne Druckverteilung innerhalb der Überschalldüse betrifft, so fällt sie über die Länge der Düse stromabwärts des Halses weiter ab. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall. das Gegenteil von Unterschallströmung. Nachdem die Strömung am Hals Mach 1 erreicht hat, wird stromabwärts ein expandierender Bereich benötigt, um sie weiter zu beschleunigen. Aus diesem Grund dehnen sich Düsen aus und zwar so, dass sie eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit erreichen. Was die interne Druckverteilung innerhalb der Überschalldüse betrifft, so fällt sie über die Länge der Düse stromabwärts des Halses weiter ab. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall. ein expandierender Bereich wird stromabwärts benötigt, um ihn weiter zu beschleunigen. Aus diesem Grund dehnen sich Düsen aus und zwar so, dass sie eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit erreichen. Was die interne Druckverteilung innerhalb der Überschalldüse betrifft, so fällt sie über die Länge der Düse stromabwärts des Halses weiter ab. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall. flussabwärts wird ein expandierender Bereich benötigt, um ihn weiter zu beschleunigen. Aus diesem Grund dehnen sich Düsen aus und zwar so, dass sie eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit erreichen. Was die interne Druckverteilung innerhalb der Überschalldüse betrifft, so fällt sie über die Länge der Düse stromabwärts des Halses weiter ab. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall. es fällt weiter über die Länge der Düse stromabwärts des Halses. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall. es fällt weiter über die Länge der Düse stromabwärts des Halses. Auch dies ist das Gegenteil von dem, was bei Unterschallströmung passiert. Die Druckkräfte sorgen für etwas Schub, aber nicht viel. Die Druckkomponente des Schubs ist im Vergleich zum Impulsbeitrag der beschleunigten Strömung relativ unbedeutend. Übrigens ist die Düseneinlassströmung von jedem Triebwerk (Jet oder Rakete) mit Ausnahme von auf Detonation basierenden Triebwerken immer Unterschall.

Diese Aussage über die Düsenerweiterung ist jedoch für diese Zielgruppe richtig genug:

Bei der Gestaltung der Düse echter Raketen muss ein Gleichgewicht gefunden werden; In geringerer Höhe ist der atmosphärische Druck höher, sodass sich die beste Düsenform weniger weitet als eine Düse für den Einsatz im Weltraum.