Leistung eines pumpenlosen Flüssigkeitsraketentriebwerks

Die Leistung eines Raketentriebwerks – sein spezifischer Impuls – ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des Abgases (und sonst nichts!). Diese Geschwindigkeit wird erreicht, indem die Verbrennungsprodukte aus der unter Druck stehenden Brennkammer freigesetzt werden (unter Druck gesetzt durch die kontinuierliche Erzeugung von Abgas durch Verbrennung der Kraftstoffe). Je höher der Druck, desto stärker können Sie das Abgas beschleunigen – Sie erhalten eine bessere Leistung.

Um Kraftstoffe in die Brennkammer einzuspritzen, müssen Sie sie mit einem höheren Druck als in der Kammer vorhanden hineindrücken. Das erfordert eine Installation und Infrastruktur, die diesen Belastungen standhalten kann – dickwandig, sperrig und schwer. Wenn Sie den gesamten Tank unter Druck setzen, muss der gesamte Tank druckfest gemacht werden – robust genug, um den hohen Drücken standzuhalten. Das führt entweder zu einem außergewöhnlich dicken, schweren Tank oder – praktisch – zu einem Tank, der mäßig schwer ist, aber nur einen sehr mäßigen Druck hält. Das wandelt sich in niedrigen Brennkammerdruck und schlechte Leistung um.

Die Turbopumpen sind eine Möglichkeit, dies zu umgehen - der Tank muss nur einem sehr geringen Druck standhalten, der erforderlich ist, um den Kraftstoff zur Pumpe zu bringen, und dann muss nur das kleine Segment der Infrastruktur hinter der Pumpe verstärkt werden, und es kann ziemlich viel verstärkt werden (es ist klein!) und bietet einen sehr hohen Kammerdruck - großartige Motorleistung.

Dennoch sind druckgespeiste Raketen gar nicht so ungewöhnlich; Die meisten frühen Raketentriebwerke wurden druckgespeist. Es ist oft wirtschaftlicher, sich für eine einfachere, größere Stufe einer Rakete mit geringer Leistung zu entscheiden, als etwas mit hervorragender Leistung zu entwickeln, das nur viel kostet.

Was die Druckbeaufschlagung durch Schwerkraft und Beschleunigung betrifft - 10 m Wasser erzeugen 1 bar Druckdifferenz in 1 g. Flüssiger Sauerstoff, RP-1, Wasserstoff, Methan usw. sind alle weniger dicht, aber verwenden wir Wasser für ungefähre Zahlen und Obergrenzen mit einigen Extremen. Saturn V war 111 Meter hoch. Lassen Sie uns ihm eine ziemlich bedrückende Beschleunigung von 6 g geben und den Kraftstoff von der Spitze bis zum Motor laufen lassen. Sie erhalten immer noch nur die sehr bescheidenen 66 Balken. Sie könnten es durch Druckbeaufschlagung verbessern, aber Sie tragen bereits all diese Masse auf einem 111 m hohen Turm, der strukturelle Overhead wird enorm sein! Unterdessen geht Merlin von SpaceX, ihr Arbeitstier, auf fast 100 bar und ist leistungsmäßig eher mittelmäßig.

Bei Hochleistungsmotoren ist der Kammerdruck viel zu hoch, um durch Schwerkraft (oder sogar Druck) gespeist zu werden.

Der Hauptmotor des Space Shuttles hatte einen Kammerdruck im Baseballstadion von 3000 und 3500 psi (~200 bis ~240 bar). Pumpen sind erforderlich, um die Treibmittel in eine Kammer mit solch hohem Druck einzuspritzen; Kopfdruck ist kein praktisches Mittel.

Wenn Ihre Frage wirklich "Warum muss der Kammerdruck so hoch sein" lautet, werde ich diese löschen.

Zusätzlich zu den bereits gegebenen großartigen Antworten möchte ich anmerken, dass alle großen Flüssigkeitsraketen in gewisser Weise „schwerkraftgespeist“ sind . Tatsächlich verlassen sie sich entweder auf die Schwerkraft oder die Beschleunigung, um den Brennstoff und die Oxidationsmittel nach unten zu drücken. Am herausforderndsten ist dies bei der Stufentrennung, wo sich die Rakete kurzzeitig fast im freien Fall befindet (– nun, freier ballistischer Aufstieg) und die obere Stufe möglicherweise kleine, z Kraftstoff nach unten in Richtung der Motoren.

Nur, wie bereits gesagt, wäre es sehr problematisch, diesen Unterdruck hoch genug zu bekommen, um den Kraftstoff tatsächlich in den Brennraum zu drücken. Da braucht man dringend eine Pumpe, denn ein Tank, der dem Druck standhält, ist nur im Kleinen praktikabel. Die Designer des Sea Dragon dachten eigentlich anders, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass sie sich einfach geirrt haben; Diese Rakete hätte niemals wie beabsichtigt funktioniert.

Um einen weiteren Grund für die Druckbeaufschlagung durch Turbopumpen hinzuzufügen - Verbrennungsstabilität. Es ist von größter Wichtigkeit, dass die Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer stabilen, kontrollierbaren und sicheren Weise durchgeführt wird. Selbstverständlich und bedarf keiner Erklärung, oder? Aber die physische Realität des Erreichens dieses wünschenswerten Zustands ließ Generationen von Ingenieuren darüber den Schlaf verlieren. Um es kurz zu machen, die Hochdruckförderung von Turbopumpen hilft unter anderem enorm bei der Lösung dieses Problems.

Was den Teil der Schwerkraftzufuhr betrifft, so spielt die ursprüngliche Frage wirklich keine Rolle, woher die Kraft kommt, die der Kraftstoff erfährt. sei es die Schwerkraft selbst, die Beschleunigung der Rakete oder der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule selbst - in jedem denkbaren Szenario ist dieser Druck viel zu niedrig, als dass der Motor sinnvoll arbeiten könnte, wie zuvor von anderen Postern erklärt wurde. Ich wollte nur anmerken, dass es, wenn Sie an Bord einer beschleunigenden Rakete und mit verbundenen Augen sind, keine Möglichkeit gibt, zu sagen, wie viel der Kraft von der Schwerkraft und wie viel von der Beschleunigung zu spüren ist. So sind Gravitations- und Trägheitskräfte gleich und der Kraftstoff fühlt es auch so. Da die Beschleunigung üblicherweise im Bereich von 3 bis 6 g liegt und die Rakete fast unmittelbar nach dem Abheben mit ihrer langsamen Nickneigung in Richtung Horizontale beginnt,

Hoffe das hilft.