Soweit ich weiß, leiden Raketen mit Flüssigbrennstoff unter einem verringerten Wirkungsgrad, wenn weniger als Vollgas verwendet wird, da der Verbrennungsdruck und damit der thermodynamische Wirkungsgrad gesenkt werden. Könnte eine Düse mit variablem Halsdurchmesser dies beheben, indem der Gasausfluss eingeschränkt und so der Gegendruck in der Brennkammer erhöht wird? Oder müsste auch der divergente Teil der Düse unterschiedlich geformt sein? Gibt es erfolgreiche Konstruktionen, die die Motoreffizienz bei niedrigeren Drosselklappeneinstellungen aufrechterhalten?
Laut Suttons History of Liquid Propellant Rocket Engines and Rocket Propulsion Elements könnte der Sustainer-Motor in der Lance-Rakete von 22 kN auf 62 N drosseln, ein Verhältnis von besser als 350: 1, wenn ein beweglicher Zapfeninjektor mit einem Wirkungsgradverlust von 15 % verwendet wird am unteren Ende. Der Zapfeninjektor wird in zwei anderen bemerkenswerten drosselbaren Motoren verwendet: dem Apollo LM-Abstiegsmotor und dem SpaceX Merlin.
Normalerweise führen extrem niedrige Drosselklappeneinstellungen zu einer Strömungstrennung in der Düse: Der Auspuff trennt sich von einer Seite der Düsenwand und haftet an der anderen, wodurch der Schub aus dem Gleichgewicht gebracht wird (ein gewöhnlicher Küchenhahn zeigt ein ähnliches Verhalten, wenn er nur ganz leicht geöffnet wird). Um dies zu vermeiden, hat das Lance-Triebwerk eine extrem kurze Düse mit nur 4:1 Expansionsverhältnis, mit folglich schlechtem spezifischem Impuls von 227 Sekunden bei Vollschub; Normalerweise erwartet man Meeresspiegel-Isp in den 270er Jahren von der IRFNA/UDMH-Treibmittelkombination.
Ich bin skeptisch, ob eine dynamische Steuerung des Halsdurchmessers praktikabel sein könnte. Ohne sie benötigen Sie für eine sehr tiefe Drosselung in der Atmosphäre entweder eine Stubby-Düse wie die von Lance oder eine der anderen Standard-Höhenkompensationstechniken zur Steuerung der Abgasströmungstrennung: Aerospikes, Expansion-Deflection , Stufendüsen usw. Nicht a Hier wurde viel geforscht, weil es keine große Nachfrage nach starker Drosselung bei Triebwerken der ersten Stufe gibt.
Bei Vakuummotoren sind die Dinge einfacher. Der LM-Abstiegsmotor wurde entwickelt, um auf 10 % zu drosseln; in der Praxis lag das verwendete Minimum bei etwa 30 %. Bei 30 % Schub fiel der spezifische Impuls von ~305 auf ~298, weniger als 3 % Reduktion . Es gab einen Drosselbereich von 65 % bis 92 %, der vermieden wurde, da dies zu einer übermäßigen Erosion der Düse führen würde, aber meines Wissens nach keine nennenswerten Probleme am unteren Ende. Es war nicht nötig, den Flugplan des LM auf 5 % zu senken – Selbstmordverbrennungen mit hohem Schub sind treibstoffeffizienter als ein langer, allmählicher Sinkflug –, aber wenn es notwendig gewesen wäre, wäre es wahrscheinlich machbar gewesen.
Russell Borogove
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Krzysztof Broda
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SF.
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