Mit flüssigem Stickstoff verdünnte Rakete

Stellen Sie sich eine Rakete vor, die eine Mischung aus flüssigem Stickstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet.

Er ist wie ein oxidatorreicher Verbrennungsmotor aufgebaut, enthält jedoch so viel Stickstoff im Gemisch, dass der gesamte Brennstoff im Vorbrenner verbrannt werden kann, ohne dass das Gas so heiß wird, dass die Oxidator-Pumpturbine schmilzt. Der Vorbrenner wird dann tatsächlich zur Hauptbrennkammer, und es besteht keine Notwendigkeit für eine Brennkammer stromabwärts der Oxidationsmittelpumpe. Es kann sein, dass regenerative Kühlkanäle nicht erforderlich sind. Der Motor wird bei Boostern mit sehr niedriger Staging-Geschwindigkeit verwendet, bei denen ein hohes Schubgewicht wichtiger ist als die Abgasgeschwindigkeit, um eine höhere Effizienz zu erreichen.

Wie würde ein solches Triebwerk optimiert werden (z. B. Expansionsverhältnis, ISP, Druck), um ein maximales Verhältnis von Schub zu Gewicht und minimale Produktions- und Entwicklungskosten zu erreichen?

(Es ist in Ordnung, dass es in Bezug auf ISP so leistungsschwach ist wie eine Dampfrakete - obwohl wahrscheinlich mit einem weitaus besseren Massenanteil. Vielleicht eine Optimierung zwischen dem ARCA-Dampfraketen-KONZEPT (dh auf dem Papier nicht die Realität) und einer herkömmlichen chemischen Rakete)

Wie genau stellen Sie sich das Erreichen eines hohen Schub-Gewichts-Verhältnisses vor, wenn Sie einen erheblichen Teil Ihres Kammerdrucks opfern, um die Turbopumpen anzutreiben? Wenn Sie den gesamten Abgasstrom durch die Turbine leiten, benötigen Sie außerdem eine wirklich große Turbine und schwere Rohrleitungen. Ich denke, Sie möchten den Fluss nirgendwo vor der Düse drosseln, also brauchen Sie wirklich sehr, sehr fette Rohre.
Das klingt wie ein Düsentriebwerk, das mit gepumpter verflüssigter Luft läuft. Es hätte die meiste Komplexität eines gestuften Verbrennungsmotors (außer viel weniger verfügbare Leistung, um einen viel größeren Massenstrom zu treiben), während es von druckgespeisten Boostern (die nicht auf die Leistung von Dampfraketen beschränkt sind) übertroffen wird.
Wenn es keine Brennkammer gibt, was pumpen Sie hinein? Verzichten Sie komplett auf die Turbopumpe und verwenden Sie einen druckgespeisten Motor. Der Vorschlag, das Oxidationsmittel mit Stickstoff zu verdünnen, erinnert mich an die V-2- und Redstone-Raketen. Diese verwendeten 75%/25% Alkohol/Wasser als Brennstoff; Das Wasser trug nicht zur Verbrennung bei, so dass es die Verbrennungstemperaturen niedrig hielt und gleichzeitig Masse für hohen Schub beitrug. Der spezifische Impuls litt stark, so dass, als die Entwicklung von RP-1/RG-1 die regenerative Kühlung praktikabel machte, die wasserverdünnten Kraftstoffe auf der Strecke blieben.
Wenn das Gas die Turbine nicht schmelzen kann, dann ist es nicht heiß genug für die Düse.
Ich frage mich, wie das Schub-Gewichts-Verhältnis der bloßen Vollstrom-Oxidationsmittelpumpe am Raptor wäre, wenn sie mit Stickstoff / Sauerstoff und einem Kraftstoff versorgt würde.
Ich denke tatsächlich, dass dies eine gute Idee ist - ich kann mir nicht einmal vorstellen, welche Kammerdrücke Sie mit einem Turbopumpen-Setup dieser Größe erhalten würden
@RussellBorogove Ich stelle mir vor, dass ein ähnlicher Motor so konstruiert werden könnte, dass er eine noch verdünntere wässrige Ethanol / LOX-Mischung als der V2 verwendet, um den Effekt zu erzielen, auf den die ursprüngliche Idee abzielte. In der ursprünglichen Idee wird die Vorkammer zur einzigen Brennkammer und dort würde das LN/LOX-Gemisch wie die gestufte Verbrennungspumpe des SpaceX Raptor gepumpt werden. Vielleicht könnte der Kraftstoff elektrisch in die (frühere Vorbrenner)-Brennkammer gepumpt werden.
@ReubenFarley-Hall Mir gefällt auch die Idee, eine LOX/CO2+Butan-Rakete für den gleichen Zweck herzustellen. Viel CO2. Vielleicht könnte man mit einer katalytischen Brennkammer, wie in einem Autoabgassystem, eine energieeffiziente erste Stufe „RATO“ mit sehr niedriger Temperatur und hohem Schub entwickeln. Vielleicht könnte das LOX durch Lachgas ersetzt werden, wenn Sie ein Bastler sind.
@Tobe Ich bin mir bei CO2 nicht sicher - es wird nur bei hohem Druck zu einer bearbeitbaren Flüssigkeit, die in Bezug auf die Tankfestigkeit und damit das Gewicht möglicherweise unpraktisch ist (ich denke auch, dass Stickstoff das Kraftstoffgemisch besser verdünnen würde) und es würde auch nicht mit dem Katalysator funktionieren, aber Kohlenmonoxid würde sehr gut funktionieren. Tatsächlich wäre das Butan wahrscheinlich nicht einmal notwendig, da CO bereits einen ISP von über 290 hat und, wenn ich mich erinnere, eine ziemlich niedrige Verbrennungstemperatur hat. Es könnte auch als Ersatz für einen hypergolischen Kraftstoff dienen, wie es h2o2 im Gamma-Motor des schwarzen Pfeils getan hat.
@Tobe vielleicht etwas näher an dem, was Sie in Ihrer Frage erklärt haben, wäre die Verwendung von Quecksilber, wie in John Clarks Buch "Zündung!" beschrieben. um den Kraftstoff zu verdünnen. Es scheint sehr kontraintuitiv zu sein, da es definitiv auf der schwereren Seite ist und nicht zur Abgasgeschwindigkeit beiträgt, aber trotz der drastischen Verringerung des ISP könnte der Booster mit dieser Mischung aufgrund seiner lächerlichen Dichte ein höheres Delta V erreichen. Ich vermute auch, dass dies die Verbrennungstemperatur stark senken würde, wodurch das gesamte Abgasprodukt aus der Brennkammer direkt durch die Turbinen gelangen könnte.
@ReubenFarley-Hall, vielleicht ignorieren wir das Problem mit dem Katalysator, wir könnten das CO2 auf -56 ° C kühlen, um den erforderlichen Druck auf etwa 5 bar zu reduzieren. Das Quecksilberergebnis ist faszinierend. Wenn man jedoch das CO2 als verwässernde Idee vergisst, könnte der CO-Kraftstoff interessant sein. Wenn wir an dem Ziel eines niedrigen ISP festhalten, für wiederverwendbare Side-Booster oder eine wiederverwendbare Launch Assist-Stufe, dann könnte man die CO/LOX-Rakete für billigen Schub mit flüssigem Stickstoff verdünnen. Ich frage mich, wie viel es kosten würde, 2 km/s dV mit solar gewonnenem CO/LOX/N2-Treibmittel (aus der Spaltung von CO2-Abfällen) im Vergleich zu LOX/Methan zu produzieren?

Antworten (1)

Bedenken Sie: Anstatt ein drittes inertes Treibmittel mit sich zu führen, das mit dem Oxidationsmittel vermischt ist, könnten Sie einfach einen Überschuss an Kraftstoff mitführen. An diesem Punkt entlüften Sie den größten Teil des Abgases des Gasgenerators als Raketenabgas und leiten einen Teil um, um die Treibmittel zu pumpen: Das System reduziert sich im Grunde auf einen Verbrennungs-Tap-off-Cycle-Motor, der extrem kraftstoffreich läuft.

An diesem Punkt würde die Optimierung für einen solchen Motor normal weitergehen ... und dieser Optimierungsprozess endete immer mit viel "traditionelleren" Kraftstoff / Oxidationsmittel-Verhältnissen.

Das Einbeziehen inerter Treibmittel zur Temperaturregelung mag in den frühesten Tagen der Raketentechnik sinnvoll gewesen sein, bevor regenerative Kühltechniken entwickelt wurden (und frühe Kraftstoffe enthielten größtenteils Wasser, um die Verbrennungstemperaturen niedrig zu halten), aber die Technologie hat sich weit darüber hinaus entwickelt, dass dies heute ein vernünftiger Handel ist .

Temperaturregelung/-reduzierung ist ein hilfreicher Nebeneffekt der Idee. Der Hauptgrund für die Idee ist, große Impulsmengen früh und billig im Flug zu erzeugen, wobei bei herkömmlichen Raketen die Abgasgeschwindigkeit >> als die Raketengeschwindigkeit ist
Außerdem scheint es verschwenderisch zu sein, Treibstoff als Reaktionsmasse zu verwenden, insbesondere früh im Flug.
Abgasgeschwindigkeit >> Raketengeschwindigkeit ist super ineffizient. Vielleicht würde es bedeuten, mit weniger als 1 km pro Sekunde zu inszenieren.
Die absichtliche Reduzierung Ihrer Abgasgeschwindigkeit durch Hinzufügen von inerter Reaktionsmasse mag technisch energieeffizienter sein, aber alles, was es erreicht, ist die Reduzierung des Gesamtimpulses, und darauf kommt es in der Raketentechnik wirklich an, nicht auf Energieeffizienz. Dies ist kein nützlicher Handel.
@ChristopherJamesHuff Nun, es kommt nicht nur auf den totalen Impuls an. Stickstoff könnte möglicherweise Sinn machen, um einen Big Dumb Booster mit hohem TWR günstig und zuverlässig zu bekommen. Das ist normalerweise die Domäne von Feststoffmotoren, aber eine mit Stickstoff versetzte Flüssigrakete würde viel sauberer brennen als diese.
@leftaroundabout nein, das würde keinen Sinn machen. Sie fügen Tankmasse, Rohrleitungen, Pumpenverluste usw. hinzu, um eine dritte Flüssigkeit zu transportieren, die die Wirksamkeit der anderen Treibflüssigkeiten bei der Schuberzeugung verringert. Dies macht es nicht billiger oder zuverlässiger, und wenn es LOX und einen schweren Kohlenwasserstoff verdrängt, verringert es wahrscheinlich den Schub , da N2 ein niedrigeres Molekulargewicht als CO2 hat. Nicht, dass solche Triebwerke von vornherein besonders für geringen Schub bekannt sind ... das ist nur eine schlechte Idee, die aus einem fehlgeleiteten Versuch stammt, die Energieeffizienz gegenüber sinnvolleren Leistungsmaßnahmen zu optimieren.
N₂ mit einem niedrigeren Molekulargewicht als CO₂ ist von Vorteil . Je niedriger die Abgasdichte, desto höher die Schallgeschwindigkeit und damit die erreichbare Abgasgeschwindigkeit für eine gegebene Temperatur. In der gespeicherten Form ist eine hohe Dichte vorteilhaft, und dort ist N₂ ungefähr so ​​​​wie Kerosin (und viel besser als Wasserstoff).
Höhere Abgasgeschwindigkeit für eine gegebene Abgasleistung bedeutet weniger Schub . Ihr angeblicher Grund für das Hinzufügen war, den Schub zu erhöhen . Und da Sie Energie aufwenden, um LN2 anstelle von Kraftstoff oder Oxidationsmittel in den Motor zu pumpen, ist Ihre Abgasleistung tatsächlich geringer. Mit diesem Schema ist nichts zu gewinnen. Selbst wenn Sie mehr Isp als Schub wollen, hat ein Motor mit einem für einen bestimmten Impuls optimierten Mischungsverhältnis bereits einen Überschuss an Kraftstoff in der Mischung, der effektiver als N2 ist, um die mittlere Molekülmasse im Abgas zu reduzieren, ohne den gesamten Kraftstoff hinzuzufügen Overhead.
In den Genuss der „angegebenen Abgasleistung“ kommen Sie aber nur, wenn Sie Ihren Motor mit guter Kühlung in allen Wänden bauen, was einen großen Teil dessen ausmacht, was diese Motoren so teuer macht. Kurz danach liegt die Grenze bei der Verbrennungstemperatur , und in diesem Fall führen die niedrigere Molmasse und die höhere Abgasgeschwindigkeit sowohl zu einem höheren Schub als auch zu einem höheren Isp.
Sie können die Ausgangsleistung nicht durch zusätzliche Kühlung erhöhen, da die Ausgangsleistung durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der Sie Kraftstoff und Oxidationsmittel verbrennen ... die beiden Treibmittel, die Sie durch Hinzufügen von flüssigem Stickstoff verdrängen. Sie reduzieren die Ausgangsleistung. Alles, was hier zu gewinnen ist, wird bereits einfacher und effektiver ausgenutzt, indem ein kraftstoffreiches O:F-Verhältnis verwendet wird, wie es in der Praxis üblich ist. Sie verlieren nur, wenn Sie flüssigen Stickstoff hinzufügen.
Es ist erwähnenswert, dass Tripropellant-Raketen, die Wasserstoff auf diese Weise für mindestens einen Teil ihrer Verbrennung während des Übergangs von einem dichten Brennstoff wie Kerosin zu einem Vollwasserstoffbetrieb effektiv nutzen, untersucht wurden, aber die zusätzliche Komplexität war die geringfügige Verbesserung nicht wert Leistung.
Mit flüssigem Stickstoff verdünnte Rakete
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v