Warum ist Flüssigraumtreibstoff ein gutes Motorkühlmittel? Ich habe die regenerativ gekühlte Düse und Brennkammer des Merlin 1D untersucht , als ich dies herausfand. Ich weiß, dass die Rohre um die Brennkammer und die Düse herum gebaut sind, weiß aber nicht, wie sie durch das Treibmittel gekühlt werden.
Wirklich, es ist nichts Besonderes daran.
Jede Flüssigkeit, die durch Rohre in der Motorwand fließt, führt Wärme vom Motor weg, wenn er sich erwärmt. Offensichtlich sind einige Flüssigkeiten effektiver als andere. (Außerdem funktionieren einige Treibmittel nicht, weil sie entweder die Rohre verstopfen oder explodieren, aber RP-1 wurde speziell entwickelt, um dies zu vermeiden).
Bei Raketen hingegen kann man den aufgeheizten Treibstoff dann im Triebwerk verbrennen, was Energie spart, da die durch Kühlung verlorene Wärme nicht verschwendet wird. Dies erspart Ihnen auch (was noch wichtiger ist) eine separate Kühlmittelversorgung und einen riesigen Kühler, um die Wärme loszuwerden.
Die volumetrische Wärmekapazität von Flüssigkeiten ist viel höher als die von Gasen. Um eine bestimmte Wassermenge zu erhitzen, benötigen Sie viel mehr Energie als für die gleiche Luftmenge. Die Dichte von Flüssigkeiten ist viel größer als die von Gasen, deshalb können sie viel mehr Wärmeenergie transportieren.
Daher nimmt eine Flüssigkeit, die durch ein Rohr fließt, viel mehr Wärme auf als ein Gas, das mit derselben Geschwindigkeit durch dasselbe Rohr fließt.
Zur Kühlung der Brennkammer nimmt der durch die Rohre strömende flüssige Brennstoff die Wärme auf und wird wärmer. Es sollte nicht zu warm werden, damit es eine Flüssigkeit ohne Gasblasen bleibt.
In einer Rakete haben Sie flüssige Brennstoffe, die verdampft werden müssen, um richtig zu brennen. Um eine Flüssigkeit zu verdampfen, müssen Sie ihr Wärmeenergie zuführen: insbesondere ihre latente Wärme/Verdampfungsenthalpie , die ziemlich beträchtlich ist. Die Enthalpie verursacht praktisch keine Temperaturerhöhung: die Substanz hat immer noch dieselbe Temperatur; es ist nur jetzt Dampf statt Flüssigkeit.
Wenn Sie nichts anderes tun (sagen wir, Sie haben eine externe Kühlung der Düse), muss diese Enthalpie aus dem Feuer in der Brennkammer stammen. Das heißt, die Verdampfungsenthalpie "stiehlt" Energie , die sonst für den Schub verwendet würde. Gestohlene Energie ist eine große Sache; die Raketengleichung ist hart .
Denken Sie an die Hitze in einem Auto. Sicher, sie könnten den Motor einen Generator drehen lassen und elektrische Widerstandswärme erzeugen, aber das würde den Motor belasten. Der Kühler des Motors wirft bereits überschüssige Energie aus der Motorkühlung weg ... das ist kostenlos. Keine Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch oder die Leistung.
Selbst wenn die Düse aus Indestructium besteht , ist die Möglichkeit, durch Kühlung der Motordüse "kostenlose Energie" zu erhalten, ein Gewinn für die Effizienz. Indem dem Brennstoff oder Oxidationsmittel dort Wärme zugeführt wird , benötigt es weniger Verdampfungsenthalpie, wenn es in die Brennkammer gelangt, und das bedeutet mehr Schub. Kostenlos.
Wohlgemerkt, es wäre ein großes Problem, wenn es im Düsenkühlmantel zu Dampf wird.
Aber wir haben etwas, das zu unseren Gunsten arbeitet. Es gibt Hochdruckpumpen, die den Kraftstoff und das Oxidationsmittel vom ursprünglichen Druck in den Tanks der Rakete auf einen viel höheren Druck zum Einspritzen in die Brennkammer anheben. Die Erhöhung des Drucks einer Flüssigkeit erhöht auch ihren Siedepunkt . Durch diese Druckbeaufschlagung können Sie dem Kraftstoff/Kühlmittel Energie hinzufügen, ohne dass es in den Rohren siedet.
Die Druckbeaufschlagung hilft Ihnen also, der Enthalpie "vorauszukommen", indem Sie einen Teil der Enthalpie in den unter Druck stehenden Kraftstoff vorladen können.
Nur zwei kurze Kommentare zu den anderen hervorragenden Antworten:
Die Wandkühlung ist nicht kostenlos: Was passiert, ist, dass Sie eine erhebliche Verringerung des Kammerdrucks (abhängig von der Kammergröße) haben (können), was Ihren Schub und Ihre Effizienz verringert. Es kann auch einige Effekte zweiter Ordnung auf den Verbrennungswirkungsgrad geben, wenn Wärme aus dem Prozess entfernt wird. Wenn wir also einen Motor mit adiabatischen Wänden betreiben könnten, könnte das absolut vorteilhaft sein.
Überkritische Flüssigkeiten sieden nicht: Darüber hinaus arbeiten alle derzeitigen Raketentriebwerke mit Kammerdrücken, die ihre kritischen Treibmitteldrücke überschreiten. Da die Druckbeaufschlagung vor dem Eintritt in die Kühlkanäle erfolgt, kann bei überkritischen Drücken eigentlich keine „Verdampfung“ stattfinden, da es keinen Siedepunkt mehr gibt. Bei nahezu kritischen Drücken kann jedoch etwas Ähnliches auftreten, ein „Pseudosieden“, mit ähnlichen Ergebnissen.
[Bearbeiten: Einige Kommentare von Bio-Marmor ansprechen]
Die Geschwindigkeit, mit der Wärme von einer Oberfläche übertragen wird, hängt von der Übertragungskapazität dessen ab, was die Oberfläche berührt, und von der Geschwindigkeit, mit der es diese Wärme von der Oberfläche wegnimmt, wodurch ein Wärmegradient entsteht, der schneller mehr Wärme aus der Oberfläche zieht. (das ist so einfach, wie ich es ohne ausgefallene Fachwörter sagen könnte)
Üblicherweise verwendete Raketentreibstoffe haben gute Wärmeübertragungseigenschaften und sind flüssig, sodass sie sehr schnell von einer heißen Oberfläche gepumpt werden können, wodurch die Wärme mitgenommen wird. Dies dient dazu, den Treibstoff für die Verbrennung vorzuwärmen, wodurch die Treibstoffverschwendung gesenkt wird Also.
Steve Linton
Poutnik