Könnte Bypass-Luft verwendet werden, um ein Raketentriebwerk wie in Turbofans zu kühlen?

Raketentriebwerke verwenden normalerweise eine Art Kühlmantel, der den Kraftstoff normalerweise als flüssiges Kühlmittel verwendet, bevor er in die Einspritzdüsen fließt.

Hier ist ein Beispiel für einen Turbojet mit Bypass. Wie Sie sehen können, ist die Bypass-Luft viel kühler in der Temperatur als die Luftbrennkammer:

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Quelle

Warum gibt es keine Konstruktionen, die einen Luftbypass (ähnlich einem Turbojet) verwenden, um das Triebwerk/die Düse zu kühlen? Sobald die Rakete die Atmosphäre verlassen hat, würde ein Bypass natürlich wenig nützen. Normalerweise ist der Schub in diesem Stadium einer Rakete jedoch stark reduziert und erzeugt daher auch Wärme.

Würde ein Bypass-Kühlsystem ein Raketentriebwerk nicht etwas weniger komplex machen (insbesondere für die erste Stufe)?

Woher soll bei einer Rakete diese Bypass-Luft kommen? Außerdem hat Kraftstoff eine viel höhere Wärmekapazität als Luft.
@foot Ich stelle mir Lüftungsöffnungen in der Nähe / um den Nasenkonus vor, um den Bypass zu öffnen. Da die Rakete sehr schnell fliegt, würde sie Luft durch den Bypass rammen, ohne dass ein Lüfter erforderlich wäre.
Wie wäre dies weniger komplex als der aktuelle Ansatz?
@CareyGregory Vielleicht verstehe ich etwas nicht - aber es scheint, dass das schnelle Erhitzen von Kraftstoff von Natur aus gefährlich ist und zusätzliche Hochdruckleitungen usw. erfordert. Wenn die Oberseite der Rakete nur Öffnungen hätte, durch die Luft in die Hülle und nach unten strömen kann die Düse (die Wärme mit sich führt), dann sprechen wir nur über eine Kanalisierung.
@SnakeDoc Heizöl ist nicht so gefährlich, wie Sie vielleicht denken, solange Sie es nicht mit einem Oxidationsmittel kombinieren. Auch Flugzeuge, die in der Luft fliegen, nutzen häufig die hohe Wärmekapazität ihres Treibstoffs. Es ist um Größenordnungen höher als das, was Sie aus der Luft erhalten, insbesondere in großen Höhen, und seine Wirksamkeit wird mehr oder weniger konstant sein, anstatt mit der Höhe schnell abzunehmen. Darüber hinaus werden Raketentriebwerke, die bei einem Weltraumstart verwendet werden, im Allgemeinen um Größenordnungen mehr Energie freisetzen als ein Turbofan-Strahltriebwerk.
@SnakeDoc: Raketentreibstoff kann nicht ohne Sauerstoff brennen (zumindest nicht bei den Temperaturen, über die wir sprechen. Offensichtlich würde alles mit oder ohne Sauerstoff brennen, wenn es in die Sonne geworfen wird). Wenn die Leitungen undicht sind und Sauerstoff in die Kraftstoffleitungen gelangt, haben Sie größere Probleme
Dies ist nicht wirklich Luftkühlung, aber einige Motoren verwenden eine Vorhangkühlung, bei der relativ kühle Abgase von den Turbopumpen einem Teil der Düse zugeführt werden. Siehe en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine#Cooling .
@reirab Das ist in der Tat interessant. Ich hätte gedacht, dass es ausreichen würde, Raketentreibstoff (sagen wir flüssigen Wasserstoff) von -253 Grad C zu nehmen und ihn mit etwas zu berühren, das auf über 1200 Grad C erhitzt wird, um den Treibstoff "blitzartig zu entzünden".
@SnakeDoc Vielleicht in Gegenwart von Oxidationsmittel. Ohne Oxidationsmittel verbrennt jedoch nichts, unabhängig von der Temperatur. (Das erwähnte „Brennen“ im Sun Slebetman ist keine Verbrennung, sondern Kernfusion.) Die Verbrennung ist eine chemische Reaktion (insbesondere eine Redoxreaktion .) Eine chemische Reaktion kann nicht stattfinden, ohne dass alle Reaktanten vorhanden sind.
@reirab Das sind ziemlich gute Informationen. Sie sollten es in einer Antwort niederschreiben, damit ich es positiv bewerten kann.

Antworten (4)

Eine Luftkühlung wird hier nicht viel beitragen.

Die Shuttle-Triebwerke wurden durch flüssigen Wasserstoff (-253 °C) aus der Kraftstoffversorgung gekühlt, der durch Kühlkanäle im Inneren der Düse gepumpt wurde. Die typische Düsentemperatur im Betrieb lag bei etwa 54°C. Ja, vierundfünfzig Grad Celsius. (BBC Engineering Connections - siehe diesen Youtube-Clip )

Die Höchstgeschwindigkeit des SR-71 (ca. Mach 3,2) wurde durch die Temperatur der an den Triebwerken ankommenden Luft begrenzt, die nach der Verdichtung in den Einlasskanälen Temperaturen um die 400 °C erreichte. ( Wikipedia: SR-71 )

Das Shuttle passiert Mach 4 etwa 2 Minuten nach dem Start.

Ein Raumschiff steigt auch über die Atmosphäre, um den Luftwiderstand so schnell wie möglich zu minimieren, sodass für einen großen Teil des Triebwerksbetriebs keine Luft in der Nähe ist.
Toller Punkt, dass die Luft so kurz nach dem Start effektiv zu heiß zum Kühlen ist - das habe ich in meiner Antwort nicht berücksichtigt.

Praktisch alle Strahltriebwerke verwenden eine Technik, die der von Ihnen vorgeschlagenen Technik sehr ähnlich ist: Das Innere der Brennkammer, der Turbinen und des Auspuffs (und des Nachbrenners, falls das Triebwerk über einen verfügt) sowie die Turbinenschaufeln und -statoren sind abgedeckt mit kleinen Löchern. Kühlluft wird durch diese Löcher gepresst und bildet eine Grenzschicht zwischen dem Metall und den superheißen Gasen.

Die Temperatur der Verbrennung von Kraftstoff/Luft in einem Düsentriebwerk liegt weit über dem Schmelzpunkt der Metalle, die zum Bau dieser Komponenten verwendet werden, weshalb dies notwendig ist. Tatsächlich übersteigt die Temperatur der Gase die Verdampfungstemperatur einer Reihe von Metallen.

Woher kommt diese Kühlluft? Es kommt vom Kompressor des Motors. Der Grund, warum Bypass-Luft nicht verwendet wird, liegt darin, dass sie einen niedrigeren Druck als das Innere des Kerns des Motors hat, sodass die heißen Gase durch die Löcher in Richtung des Bypass-Kanals strömen würden. In diesem Fall besteht die Grenzschicht aus heißem Gas statt aus kühlem Gas, was den Motor zerstört.

Um Luft mit angemessenem Druck zu erhalten, wird Luft aus dem Kompressor an Stellen "abgelassen", an denen der Druck hoch genug ist, um einen angemessenen Strom (in die richtige Richtung!) zu den Teilen des Motors zu liefern, die ihn benötigen. Diese Kühlmethode ist so effektiv, dass die Komponenten in einem Strahltriebwerk, die der größten Hitze standhalten müssen, tatsächlich die Teile des Kompressors mit dem höchsten Druck sind, weil (a) sich Luft beim Komprimieren erwärmt und (b) Sie es können. Verwenden Sie nicht dieselbe kühle Grenzschichttechnik im Kompressor, da Sie Luft mit höherem Druck benötigen als die heiße Luft, vor der Sie versuchen, die Komponente zu schützen, und die Komponente Teil des Hochdruckteils des Kompressors ist.

Hier ist ein Bild einer Jet-Abgasleitschaufel mit deutlich sichtbaren Kühllöchern:

Lasergebohrte Löcher ermöglichen eine Filmkühlung in dieser V2500-Düsenleitschaufel der ersten Stufe

Bei einem Raketentriebwerk könnten Sie es möglicherweise mit komprimierter atmosphärischer Luft kühlen, dies würde jedoch Gewicht und Komplexität erhöhen und nur in den unteren Schichten der Atmosphäre funktionieren, wo genügend Luftdichte vorhanden ist, um einen angemessenen Massendurchsatz zum Absorbieren der Wärme bereitzustellen . Da, wie Sie bereits erwähnt haben, Kraftstoff (oder möglicherweise Oxidationsmittel) verwendet werden kann, um den Motor effektiv zu kühlen, um einen viel geringeren Gewichtsverlust und eine größere Freiheit in der Betriebsumgebung zu erreichen, war dies die offensichtliche Wahl für die meisten Hochleistungsraketen mit Flüssigbrennstoff.

Die luftunterstützte Rakete verwendet Luft aus dem Freistrom, um zusätzlichen Schub zu liefern (und möglicherweise den Motor zu kühlen). Zwei der Hauptprobleme beim Versuch, dem Raketenstrom „zusätzliche“ Luft hinzuzufügen, sind: Ziehen über den Raketenkörper (so ziemlich das Hauptproblem) und Unterbrechung des Hochtemperaturstroms (insbesondere, wenn Sie versuchen, Luft irgendwo in der Nähe einzuführen die Düse).

Ah, jemand hat das schon einmal versucht - sogar die NASA. Ich dachte nicht, dass eine Unterbrechung des Hochtemperaturflusses ein Problem darstellen würde, da der Schub innerhalb der Düse erzeugt wird.
Das Unterbrechen des Strahlflusses ist vor allem ein Problem, wenn Sie versuchen, die Freistrahlluft in die Düse einzubringen

Zwei Hauptgründe: Erstens arbeiten Raketen mit einer absurden Leistung – die Kraftstoff- und Oxidationsmittelpumpen allein in einem Space Shuttle haben eine kombinierte Wellenleistung, die größer ist als ein GE90-Turbofan – also würden Sie wirklich Schwierigkeiten haben, genug Luftstrom zu bekommen, flüssiger Wasserstoff ist a weitaus besserer Kühlkörper, besonders in den Mengen, die sie verwenden.

Zweitens werden die meisten Raketen mit der Absicht gebaut, in den Weltraum zu fliegen, wo es überhaupt keine Kühlluft gibt, so dass Ihre luftgekühlte Rakete schnell überhitzen würde, wenn Sie höher und die Luft dünner werden.

Könnte Bypass-Luft verwendet werden, um ein Raketentriebwerk wie in Turbofans zu kühlen?
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