Vorteil der gestuften Vollstromverbrennung gegenüber einem konventionellen gestuften Verbrennungsmotor

Bezieht sich auf die Frage in diesem Thread .

Was ist der Vorteil der Vollstrom-Stufenverbrennung (FFSC) gegenüber einem konventionellen Raketentriebwerk mit stufenweiser Verbrennung?

In FFSC führen wir das gesamte Volumen an Brennstoff und Oxidationsmittel durch die Rohrleitungen des Vorbrenners und der Pumpturbinen, was Flüssigkeitsreibungsverluste verursacht. Außerdem müssen die Leitungen einfach größer und schwerer sein, was zu Leistungsverlusten führt. Warum ist dies eine gute Designwahl?

Ich denke, was Sie fragen, ist, wie ein FFSC wie der Raptor besser ist als „gewöhnliche“ gestufte Verbrennungsmotoren wie der RS-25. Habe ich Recht, dass dies von Scott Manleys Video über die Enthüllung des Raptor in Originalgröße inspiriert wurde ? Da hatte ich eigentlich die gleiche Frage.
@Organischer Marmor. Ja, vergleichen wir FFSC mit FSC (wie in SSME), wo nur Teile des Oxidationsmittels durch die Vorbrennerturbine geleitet werden. )Ich kann mich nicht mit Kraftstoff befassen, da alles durch die Turbine fließt.)
@linkerkreisverkehr. Ja.

Antworten (1)

Dieser Artikel der Aerospace Corporation erklärt es wunderbar.

Erstens werden alle Treibstoffe in den Vorbrennern verbrannt, wodurch mehr Massenstrom für die Turbinenantriebsleistung bereitgestellt wird als bei dem herkömmlichen gestuften Verbrennungszyklus. Diese zusätzliche Leistung kann verwendet werden, um den Kammerdruck zu erhöhen und einen kleineren Motor zu produzieren; alternativ kann die Vorbrennertemperatur reduziert werden, um die gleiche Leistung bei niedrigeren Temperaturen bereitzustellen. Die niedrigeren Turbinentemperaturen führen zu einer längeren Lebensdauer der Turbinenschaufeln – oft der begrenzende Faktor für die Lebensdauer eines wiederverwendbaren Triebwerks.

Der zweite Vorteil besteht darin, dass die Verwendung von oxidatorreichem Gas in der Oxidatorturbine und brennstoffreichem Gas in der Brennstoffturbine die Notwendigkeit einer komplexen Treibmitteldichtung für die Pumpen eliminiert. Es besteht ein geringes Risiko, flüssigen Brennstoff in ein brennstoffreiches Gas oder flüssigen Sauerstoff in ein oxidationsmittelreiches Gas zu lecken. Im Gegensatz dazu muss der brennstoffreiche gestufte Verbrennungszyklus ausgeklügelte Spülungen und mehrere Dichtungen in der Oxidationsmittelpumpe verwenden, um zu verhindern, dass flüssiger Sauerstoff in das heiße brennstoffreiche Gas entweicht. Eine ähnliche Situation muss im Oxidationsmittel-reichen Zyklus auf der Kraftstoffpumpenseite vermieden werden. Die Eliminierung dieses Fehlermodus erhöht die Systemzuverlässigkeit

Ihre Bedenken hinsichtlich der "Zuführung des gesamten Brennstoff- und Oxidationsmittelvolumens durch die Rohrleitungen der Vorbrenner- und Pumpturbinen" sind nicht begründet. Das "volle Volumen" der Treibmittel wird irgendwo durch die Motorleitungen geleitet. Sie stellen auch fest, dass "auch die Installation einfach größer und schwerer sein muss"; das ist nicht unbedingt so; Die allgemeine Verringerung der Motorgröße und die Eliminierung von Dichtungssystemen und Heliumtanks, um sie unter Druck zu setzen, können das Gesamtgewicht reduzieren. Außerdem vergleicht dieses Papier einen Raptor-ähnlichen Motor mit einem kraftstoffreichen, gestuften Verbrennungsmotor mit einem einzelnen Vorbrenner; die Drücke in den beiden Motoren unterscheiden sich nicht sehr; Es ist nicht klar, dass das eine oder andere schwerere Rohrleitungen erfordert.

Ich glaube, das liegt daran, dass LH2 besonders pumpenkopfintensiv ist, wenn es um alle möglichen Bi-Treibmittel geht. Als solches verbraucht der FPB in SSME bereits die überwältigende Mehrheit des verfügbaren Massenstroms und der Turbinen-PS und fügt daher in einem äquivalenten FFSC-Design das Wenige hinzu, was von dem warmen H2-Strom übrig ist (dh dem Strom von warmem H2, der durchströmt). das OPB in SSME) zu FPB ergibt wenig Verbesserung. Ich erwarte eine drastischere Verbesserung, wenn es um den Kammerdruck in einem Bi-Treibstoffpaar geht, das ein wenig 50/50 ist, wenn es um den Pumpenkopf geht, sagen wir Metholox.
Außerdem unterscheidet sich dieses Papier in erheblicher Weise von SSME: In der echten SSME wird der LH2-Strom, der das MCC kühlt, 29 lb/s von insgesamt 155 lb/s durch keinen PB geleitet und steht der Turbine einfach nicht zur Verfügung in der zeitung stehen alle LH2 dem einzelnen PB zur verfügung. Dies überschätzt den Kammerdruck, da dieser Fluss genau wie bei SSME benötigt wird, um das FBP anzutreiben, da LH2 wiederum so viel Pumpenkopf erfordert, dass sogar die Druckerhöhungspumpe warmes Gas anzapfen muss, im Gegensatz zu nur einem HP-LH2-Bleed-Strom durch HPFTP-Entladung.
Außerdem haben die Autoren dieses Papiers einfach den MR von FPB im FFSC-Design und den einzelnen PB im FRSC-Design auf 0,7 festgelegt (dieser MR ist direkt von SSME FPB MR übernommen). Ich denke nicht, dass dies angemessen ist. Wenn ich dieses Papier schreiben würde, würde ich einen weiteren Optimierungsdurchgang von völlig freiem MR sowohl für den FPB als auch für den OPB im FFSC-Design hinzufügen, mit der Einschränkung, dass der Massendurchfluss von sowohl F als auch O und die Gegendrücke von beiden erhalten bleiben FPBT und OPBT sind gleich, wobei das Optimierungsziel die Minimierung der Turbinentemperaturen ist.
Vorteil der gestuften Vollstromverbrennung gegenüber einem konventionellen gestuften Verbrennungsmotor
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